CN111413914A - 一种小模拟量输入的信号就地转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小模拟量输入的信号就地转换装置，小模拟电压输入模块和小模拟电流输入模块均接入程控放大器模块；AD采样模块连接于程控放大器模块；AD采样模块连接于FPGA模块；光同步信号输入模块和光网口模块均连接于FPGA模块；FPGA模块将接受到的模数转换后的信号以IEC61850‑9‑2协议通过光网口模块发送。本发明采样精度提高，并确保小模拟量的准确性，提高了电流信号的精度。直接接收同步信号并根据同步信号进行采样，并将采样结果根据IEC61850‑9‑2协议转成数字信号，解决了由于协议带来的量化误差问题，可以不通过合并单元即可将就地模块的输出接入二次设备进行保护，测量。
Description
技术领域
本发明涉及变电站技术，具体涉及一种小模拟量输入的信号就地转换装置一种小模拟量输入的信号就地转换装置。
背景技术
目前变电站建设中一直以传统电磁式互感器为主，其中电流互感器输出电流5A/1A，电压互感器输出100V/√3V的信号，通过长传输电缆送值控制室继电保护等二次设备中。传统的互感器具有广泛的应用，应用经验丰富，寿命长，成本低，但存在，长距离传输模拟信号精度难以控制，电压等级绝缘设计体积庞大等缺点。
近年来，随着数字化技术的发展，数字变电站成为主流发展趋势。数字变电站的电子式互感器成为新的一二次设备之间的连接，电子式互感器输出分成数字量FT3格式和小模拟量输出的方式，传统数字量FT3输出的在传输过程中不会产生精度的损失，但是小模拟量输出的电子式互感器会根据小模拟量的大小和传输的距离而对比差和角差产生较大的影响，因此需要在电子式互感器输出小模拟量的地方就地进行数字化，降低电子式互感器输出小模拟信号因为传输产生的影响，提高小模拟量输出的电子式互感器的精度。
目前行业内小模拟量输入就地模块主要采用16位同步采样模数转换器，按照4000点/秒的速率对各个通道数据进行同步采样转成数字量之后，逻辑模块按照FT3帧格式将来自多通道的模数转换器的数据组成串行通信报文，通过光口传送出去。该模式下缺点有：
1、采样模数转换器的精度较低，对于小模拟信号的精度处理会产生一定的问题。
2、由于目前国内FT3协议格式众多，各个厂家的协议各不相同，不同厂家的兼容性无法得到保障。
3、由于采用FT3协议，小模拟信号额定点的码值仅为11585，小模拟信号在模数转换之后根据变比还原成FT3的码值的量化误差较大。
4、需要使用合并单元将远端模块输出的信号进行合并重采样，转发，才能接给二次设备使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中采用的小模拟量输入就地模块精度较低，兼容性较差且误差较大，目的在于提供一种小模拟量输入的信号就地转换装置一种小模拟量输入的信号就地转换装置，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种小模拟量输入的信号就地转换装置，包括小模拟电压输入模块、小模拟电流输入模块、程控放大器模块、AD采样模块、光同步信号输入模块和处理模块；所述小模拟电压输入模块和所述小模拟电流输入模块均接入所述程控放大器模块；所述AD采样模块的输入端连接于所述程控放大器模块；所述AD采样模块的输出端连接于所述处理模块；所述光同步信号输入模块连接于所述处理模块；所述小模拟电压输入模块用于输出小模拟电压信号；所述小模拟电流输入模块用于输出小模拟电流信号；所述程控放大器模块用于对所述小模拟电压信号和所述小模拟电流信号进行放大后发送至AD采样模块；所述AD采样模块对所述程控放大器模块输出的信号进行模数转换后发送至所述处理模块；所述光同步信号输入模块将光同步信号发送至所述处理模块；所述处理模块将接收到的模数转换后的信号处理后进行发送。
本发明应用时，处理模块优选为FPGA模块，首先将小模拟量输入进行了细分，细分为了电流输入和电压输入，通过这两个小模拟量的细分可以实现根据小模拟量的额定点大小设置不同的电阻比例，以提高电流信号的精度；其次将现有技术中的FT3协议直接去除，通过处理模块直接接收光同步信号实现对信号采用的控制，并且在进行数据发送时采用了IEC61850-9-2协议进行发送，解决了由于协议带来的量化误差问题，并且可以不通过合并单元即可将就地模块的输出接入二次设备进行保护和测量，有效提高了检测的兼容性和可靠性。
进一步的，所述小模拟电压输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电压信号；所述小模拟电流输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电流信号。
进一步的，所述程控放大器模块在所述小模拟电压信号低于电压阈值时，对所述小模拟电压信号进行放大处理；所述程控放大器模块在所述小模拟电流信号低于电流阈值时，对所述小模拟电流信号进行放大处理。
进一步的，所述处理模块接收所述光同步信号后根据所述光同步信号控制所述AD采样模块对所述程控放大器模块输出的信号进行同步采样。
进一步的，所述处理模块将所述AD采样模块输出的数字量信号根据所述IEC61850-9-2协议进行排列和编码生成IEC61850-9-2报文。
本发明应用时，处理模块用于接收、控制、处理AD采样模块和程控放大模块，接收光同步信号输入模块的同步信号控制AD采样模块的同步采样，控制程控放大模块对信号进行放大，接收AD采样模块输出的数字量信号经过标准的IEC61850-9-2的格式进行排列、编码，然后通过光网口模块将IEC61850-9-2报文发送出去。
进一步的，还包括光网口模块；所述处理模块通过所述光网口模块发送所述IEC61850-9-2报文。
进一步的，所述AD采样模块采用ADS1278的A/D转换芯片。
进一步的，所述程控放大器采用PGA204芯片。
进一步的，所述小模拟电压输入模块采用小模拟量输出电子式电压互感器的二次信号。
进一步的，所述小模拟电流输入模块采用小模拟量输出电子式电流互感器的二次信号。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种小模拟量输入的信号就地转换装置，采用24位模数转换器ADS1278将小模拟数据的采样精度提高，同时使用具有程控放大功能的程控放大器，确保小模拟量的准确性。将电压电流信号进一步区分，根据小模拟量的额定点大小设置不同的电阻比例，以提高电流信号的精度。去除FT3协议，直接接收同步信号并根据同步信号进行采样，并将采样结果根据更为成熟、先进的IEC61850-9-2协议转成数字信号，解决了由于协议带来的量化误差问题，可以不通过合并单元即可将就地模块的输出接入二次设备进行保护，测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明光同步输入模块结构示意图；
图3a为本发明光网口模块结构示意图；
图3b为本发明光网口模块结构示意图；
图3c为本发明光网口模块结构示意图；
图3d为本发明光网口模块结构示意图；
图3e为本发明光网口模块结构示意图；
图4为本发明AD采样模块外围差分驱动电路结构示意图；
图5为本发明AD采样模块系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明一种小模拟量输入的信号就地转换装置，包括小模拟电压输入模块、小模拟电流输入模块、程控放大器模块、AD采样模块、光同步信号输入模块、FPGA模块和光网口模块；
所述小模拟电压输入模块和所述小模拟电流输入模块均接入所述程控放大器模块；所述AD采样模块的输入端连接于所述程控放大器模块并对所述程控放大器模块输出的信号进行模数转换；所述AD采样模块的输出端连接于所述FPGA模块；所述光同步信号输入模块和所述光网口模块均连接于所述FPGA模块；所述光同步信号输入模块将光同步信号发送至所述FPGA模块；所述AD采样模块将模数转换后的信号发送至所述FPGA模块；所述FPGA模块将接受到的模数转换后的信号以IEC61850-9-2协议通过所述光网口模块发送。
本实施例实施时，首先将小模拟量输入进行了细分，细分为了电流输入和电压输入，通过这两个小模拟量的细分可以实现根据小模拟量的额定点大小设置不同的电阻比例，以提高电流信号的精度；其次将现有技术中的FT3协议直接去除，通过FPGA模块直接接收光同步信号实现对信号采用的控制，并且在进行数据发送时采用了IEC61850-9-2协议进行发送，解决了由于协议带来的量化误差问题，并且可以不通过合并单元即可将就地模块的输出接入二次设备进行保护和测量，有效提高了检测的兼容性和可靠性。
在本实施例中，图2中示出了光同步输入模块结构，通过低成本接收器HFBR-2412进行光同步信号的产生，其中集成了光检测器和直流放大器的光芯片。图3a～图3e中示出了光网口模块结构；其中，图3a中的DP83640芯片为网口接口芯片，用于进行信号交互；图3b中的afbr-5803为光纤收发器，用于进行光纤信号的收发；图3c中的HC-49为晶振，为网口接口芯片提供时钟信号；图3d中为LED灯组件；图3e中为网口接口芯片的下拉节点电阻设置方式；图4示出了AD采样模块外围差分驱动电路结构，其中，PGA204为程控放大器，OPA1632为运算放大器，ADS1278为AD转换模块，程控放大器输出的信号经过运算放大器进行差分处理后，由AD转换模块转换并发送至FPGA；图5中示出了AD采样模块系统结构。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述小模拟电压输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电压信号；所述小模拟电流输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电流信号。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述程控放大器模块在所述小模拟电压信号低于电压阈值时，对所述小模拟电压信号进行放大处理；所述程控放大器模块在所述小模拟电流信号低于电流阈值时，对所述小模拟电流信号进行放大处理。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述FPGA模块接收所述光同步信号后根据所述光同步信号控制所述AD采样模块对所述程控放大器模块输出的信号进行同步采样。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述FPGA模块将所述AD采样模块输出的数字量信号根据所述IEC61850-9-2协议进行排列和编码生成IEC61850-9-2报文。
本实施例实施时，FPGA模块用于接收、控制、处理AD采样模块和程控放大模块，接收光同步信号输入模块的同步信号控制AD采样模块的同步采样，控制程控放大模块对信号进行放大，接收AD采样模块输出的数字量信号经过标准的IEC61850-9-2的格式进行排列、编码，然后通过光网口模块将IEC61850-9-2报文发送出去。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述FPGA模块通过所述光网口模块发送所述IEC61850-9-2报文。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述AD采样模块采用ADS1278的A/D转换芯片。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述程控放大器采用PGA204芯片。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述小模拟电压输入模块采用小模拟量输出电子式电压互感器的二次信号。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述小模拟电流输入模块采用小模拟量输出电子式电流互感器的二次信号。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，程控放大器选择PGA204作为放大芯片，其增益误差典型值在放大倍数位1的时候为0.005％，放大倍数为10，100时为0.01％放大倍数为1000时误差为0.02％，在使用放大倍数是最小测试点为1％点，故只需选择放大倍数为*1，*10，*100状态。然后需要测试程控放大器的放大作用产生的相位差，经过测试*1状态的相位差为0,*10状态下相位差为2’,*100状态下相位差为14.5’，由于*100状态下相位偏差较大且稳定性差故只是用*1挡位和*10挡位，并对*1挡位和*10挡位进行比差和角差的补偿。此时由程控放大器产生的误差已经全部确定。需要FPGA对程控放大器的放大倍数进行控制，可以直接通过FPGA的码值进行判断。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，AD模块结构如附图五所示信号通过程控放大器之后输入到AD芯片的差分放大器模块进行缩小1/4进入AD芯片，AD芯片与FPGA之间采用高速光耦进行数模之间隔离。主芯片采用24位八通道同步采样Σ-ΔADC ADS1278，ADS1278可以在四种模式下工作，即高速采集模式、高精度采集模式、休眠模式、以及低速采集模式，本装置采用高精度采集模式。在高精度的模式下该ADC的采样速率可达到52KSPS信噪比高达111dB SNR。根据信噪比和有效位数的公式
SNR＝6.02N+1.76
N表示ADC的有效位数；可知该ADC的有效位数可达到18位有效数字。由于电子式电压互感器和电子式电流互感器输出的小模拟信号的二次额定值不同，
小模拟量输出电子式电压互感器二次额定电压一般为3.25/√3V，其测试点80％，100％，120％测试点对应的电压为1.5V，1.8V，2.2V，通过使用程控放大器，控制放大倍数为1时，其信噪比和精度均可得到保障。因此在附图四中的AD模块的外围驱动电路将电压通道差分驱动放大器的电阻比例设置成1Kohm:250ohm，电压通道信号进入之后将通过差分放大器缩小1/4以满足采样需求。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，小模拟量输出电子式电流互感器二次额定电压一般为1V，在电流测试点1％(0.2s级)，5％，20％，100％，120％对应的电压为10mV，50mV200mV，1V，1.2V。在1V和1.2V测试点上，程控放大器放大倍数为1时，其信噪比和精度均可得到保障，在200mV测试点，FPGA模块控制程控放大器模块工作在*10放大倍数上，其信噪比和精度均可得到保障，在测试点为10mv和50mv有效值的测试点，其峰值最大为14.mV和70mV，控制程控放大器在*10状态之后，峰值依旧只有140mV和700mV仅仅时在AD额定工作点10V的1％点，因此需要在此测试点进行硬件上的硬件上的改进将电流通道差分驱动放大器的电阻比例设置成1Kohm：1Kohm，电流通道信号进入之后将会不会缩小。电流通道的AD额定工作点改成2.5V，此时信噪比提高4倍，在AD额定工作点2.5V的4％点，大大的提高了小模拟电流通道的采样精度。
AD模块中采用max6325作为基准信号芯片，该参考源具有极低的噪声，在0.1～10Hz的情况下,其电压噪声仅有1μV，其温漂系数为1ppm/℃，可满足高精度数据采集系统的要求。在模数接口方面，AD模块使用高速隔离SI8645芯片，将数字电路部分和模拟电路部分分离，有效的降低了高频干扰。
为了进一步的说明本实施例的工作过程，FPGA模块作为主控芯片接收光同步模块发送的同步信号产生一个控制信号SYNC给ADC进行同步采样，该同步信号在FPGA中的时延为10ns，对小模拟信号同步的影响仅为0.01’。同时FPGA控制程控放大器放大倍数，通过接收AD模块的码值，比较AD模块在1s钟送入FPGA的6个通道的不同码值，并记录其绝对值的最大值，24位adc最大码值为8388607，通过比较1s内的数据记录当最大值超过8000000时则切换到*1状态，当最大值小于780000是将放大倍数切换成*10状态。在*1状态和*10状态之间留有一定的余量，保证不会因为程控放大器的放大误差导致在一定阈值内，放大倍数一直切换的情况。
光同步输入模块采用HFBR-2412光接收器，光信号转换成电信号的延迟为8ns，由光同步模块引入的角差为0.008’。
光网口模块由AFBR5803和PHY芯片DP83640组成通过MII接口直连FPGA部分。光网口模块直接将FPGA发送的IEC61850-9-2信号发送出去。
通过上述模块，AD采样产生的有效值偏差能够控制在0.005％，相位值偏差在0.3’。与其他进行比较，本装置是根据同步信号将小模拟量的瞬时值进行采样，并通过IEC61850-9-2协议将小模拟量的瞬时值通过网口进行转发出去，外部接收设备可以将接收到的IEC61850-9-2信号根据固定通道进行解码，提取并保存瞬时采样时候，根据不同的应用场景，外部设备使用进行fir或者iir滤波器将数据进行滤波处理，不同的有效值和初相角的算法如积分，DFT，FFT,WFT算法进行计算，本装置仅仅用于采样，和数据传输，不参与数据运算。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，包括小模拟电压输入模块、小模拟电流输入模块、程控放大器模块、AD采样模块、光同步信号输入模块和处理模块；
所述小模拟电压输入模块和所述小模拟电流输入模块均接入所述程控放大器模块；所述AD采样模块的输入端连接于所述程控放大器模块；所述AD采样模块的输出端连接于所述处理模块；所述光同步信号输入模块连接于所述处理模块；
所述小模拟电压输入模块用于输出小模拟电压信号；所述小模拟电流输入模块用于输出小模拟电流信号；所述程控放大器模块用于对所述小模拟电压信号和所述小模拟电流信号进行放大后发送至AD采样模块；所述AD采样模块对所述程控放大器模块输出的信号进行模数转换后发送至所述处理模块；所述光同步信号输入模块将光同步信号发送至所述处理模块；所述处理模块将接收到的模数转换后的信号处理后进行发送。
2.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述小模拟电压输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电压信号；所述小模拟电流输入模块向所述程控放大器模块发送小模拟电流信号。
3.根据权利要求2所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述程控放大器模块在所述小模拟电压信号低于电压阈值时，对所述小模拟电压信号进行放大处理；所述程控放大器模块在所述小模拟电流信号低于电流阈值时，对所述小模拟电流信号进行放大处理。
4.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述处理模块接收所述光同步信号后根据所述光同步信号控制所述AD采样模块对所述程控放大器模块输出的信号进行同步采样。
5.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述处理模块将所述AD采样模块输出的数字量信号根据所述IEC61850-9-2协议进行排列和编码生成IEC61850-9-2报文。
6.根据权利要求5所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，还包括光网口模块；所述处理模块通过所述光网口模块发送所述IEC61850-9-2报文。
7.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述AD采样模块采用ADS1278的A/D转换芯片。
8.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述程控放大器采用PGA204芯片。
9.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述小模拟电压输入模块采用小模拟量输出电子式电压互感器的二次信号。
10.根据权利要求1所述的一种小模拟量输入的信号就地转换装置，其特征在于，所述小模拟电流输入模块采用小模拟量输出电子式电流互感器的二次信号。
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- 2020-05-21 CN CN202010436387.0A patent/CN111413914A/zh active Pending
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