CN112511162B - 一种模拟量采集动态补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟量采集动态补偿方法及系统，该补偿方法通过实时计算晶振的实际频率与理论频率的差值，得出需要调整的采样间隔序号和间隔宽度，然后对采样间隔进行动态调整，并对采样序号进行对齐，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔。在本发明的技术方案中，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔，最大限度的保障模拟量采集的可靠稳定。

Description

一种模拟量采集动态补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护与自动化控制相关技术领域，尤其涉及一种模拟量采集动态补偿方法及系统。

背景技术

随着新能源大规模并网、高压直流输电技术的广泛应用，电力电子设备在电网中的应用日益广泛，其突出特征就是导致电网呈现电力电子化的发展趋势。而大量电力电子设备的应用给电网注入了大量间谐波和高次谐波信号，现有技术中，基于工频信号进行测量的电网状态量已经无法满足电力电子化电网运行监测的需求，尤其是大量新能源并网地区出现的次同步/超同步振荡现象缺乏有效的测量手段，因此急需对现有同步相量测量装置功能进行优化提升实现宽频测量功能。

目前国内外市场具有类似功能的同步相量测量装置，大部分是基于工频信号进行传统的定间隔采样，由于装置受到环境温度、电源不稳、晶振老化等因素影响导致晶振频率偏差，从而导致采样间隔异常，直接影响装置对电网次/超同步振荡现象的正确监测，进而无法保障电网的稳定运行。为了最大限度的保障电网系统的安全可靠运行，亟需开发出一种能保障稳定采样的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法及系统，通过实时计算晶振的实际频率与理论频率的差值，得出需要调整的采样间隔序号和间隔宽度，然后对采样间隔进行动态调整，并对采样序号进行对齐，用于解决因板卡晶振频率偏差导致模拟量采集异常的问题。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法，包括步骤：

S1、获取实时的晶振频率f’；

S2、将所述实时的晶振频率f’与晶振的理论频率f做差得到Δf，根据设定的采样率得出需要调整的采样间隔序号和采样间隔宽度；

S3、当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t，则按照上述步骤S1、S2进行采样，采样序号置0，同时，下次采样间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐；

S4、当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度小于设定值t’，则不再进行0序号采样，下次采样间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐以实现该动态补偿。

进一步的，所述获取实时的晶振频率f’，具体为获取N秒内晶振的有效样本，得出每个单位时间对应的晶振实际频率，此后每秒都更新一次晶振的有效样本，以获取实时的晶振频率f’。

进一步的，所述获取晶振的有效样本，具体为FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本。

进一步的，所述FPGA实时监视外部B码对时源，当所述B码对时源中断或者发生异常时，所述FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲。

进一步的，所述设定的采样率为每秒采样点数为M，采样间隔为t。

进一步的，所述设定值t’设置为：

t’＝t-10us。

根据本发明的另一个方面，提供了一种模拟量采集动态补偿系统，包括频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块；所述频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块依次连接；

所述频率获取模块，获取实时的晶振频率f’；

所述采样间隔宽度获取模块，将所述实时的晶振频率f’与晶振的理论频率f做差得到Δf，根据所述Δf和设定的采样率得出需要调整的采样间隔宽度；

所述补偿模块，当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t，则按照上述步骤S2中的采样间隔宽度进行采样，将下一次采样的采样序号置0，同时，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐；并且，

当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度小于设定值t’，则不再进行该秒内的采样，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐以实现该动态补偿。

进一步的，所述频率获取模块中，获取实时的晶振频率f’，包括获取N秒内晶振的有效样本，得出每个单位时间对应的晶振实际频率，在得出每个单位时间对应的晶振实际频率之后，每秒都更新一次晶振的有效样本，以获取实时的晶振频率f’。

进一步的，所述频率获取模块中，获取晶振的有效样本，包括FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本作为所述晶振的有效样本。

进一步的，所述频率获取模块中，还包括FPGA实时监视外部B码对时源，当所述B码对时源中断或者发生异常时，所述FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲。

进一步的，所述设定值t’设置为：

t’＝t-10us。

综上所述，本发明提供了一种模拟量采集动态补偿方法及系统，该补偿方法通过实时计算晶振的实际频率与理论频率的差值，得出需要调整的采样间隔序号和间隔宽度，然后对采样间隔进行动态调整，并对采样序号进行对齐，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔。在本发明的技术方案中，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔，最大限度的保障模拟量采集的可靠稳定。

对比现有技术中传统的模拟量采集模式，本发明基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法及系统具有如下技术效果：

(1)本发明的技术方案中，模拟量采集采用外部B码对时源作为基准，并对B码源进行监视，排除对时源异常对晶振有效样本库的影响，实时更新晶振的实际频率，显著地提高了采样的精度。

(2)在外部B码对时源发生异常或消失时，利用本地晶振有效样本库自产秒脉冲，保障了采样的稳定性。

(3)根据实时的晶振频率与晶振的理论频率的频率差和CPU设定的采样率，动态调整采样间隔，提高了采样的准确性。

(4)采取采样序号秒对齐的机制，避免了连续采样的错误累积，同时，对于最后一次采样的特殊处理，保证了采集数据的准确性，并进一步提高了采样的可靠性。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的模拟量采集动态补偿系统的硬件架构原理框图；

图2是本发明模拟量采集动态补偿方法的流程图；

图3是FPGA动态调整模拟量采样间隔处理方案示意图；

图4是根据本发明模拟量采集动态补偿方法，当间隔宽度大于设定值时FPGA处理方案示意图；

图5是根据本发明模拟量采集动态补偿方法，当间隔宽度小于设定值时FPGA处理方案示意图；

图6是本发明模拟量采集动态补偿系统的组成结构示意图。

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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供了一种基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法及系统，该补偿方法通过实时计算晶振的实际频率与理论频率的差值，得出需要调整的采样间隔序号和间隔宽度，然后对采样间隔进行动态调整，并对采样序号进行对齐，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，本发明提供了一种基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法及系统。整个模拟量采集动态补偿系统的硬件架构如图1所示。结合图1可以看出，所述系统包括：FPGA芯片、AD转换器和B码对时源。根据本发明的一个实施例，所述FPGA芯片可以选取Xilinx公司生产的xa7z010芯片，xa7z010芯片具有可编程逻辑PL(Programmable Logic)端和处理系统PS(Processing System)端，其中，处理系统PS(Processing System)是双核ARM处理器，可编程逻辑PL端是FPGA，可编程逻辑PL和处理系统PS通过HP和GP通道相互连接，以实现双向传输数据。所述AD转换器与所述FPGA芯片双向连接，所述AD转换器用于模拟量采集。FPGA动态调节采样间隔，并且下发采样指令并获取AD采样数据。AD用于模拟量采集；所述B码对时源的输出与FPGA芯片连接，用于为所述系统提供时间和秒脉冲基准。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于上述硬件架构的模拟量采集动态补偿方法。该模拟量采集动态补偿方法的流程图如图2所示。结合图2示出的流程图，下面对该方法的具体步骤进行详细说明。

在方法开始之前，系统上电加载FPGA程序，CPU通过AXI总线下发采样间隔。

FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本，更新有效样本库，排除对于因B码对时源异常获取的无效样本，其中B码对时源的异常偏差一般为±200us。

实时监视外部B码对时源，当B码对时源发生中断或者异常时，FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲，以保障采样的稳定性。

采样程序：FPGA根据秒脉冲，实时更新当前的晶振频率f’，并与晶振理论频率f做差得到Δf；根据晶振的频率差Δf和CPU设定的采样率，实时计算需要调整的采样间隔序号和大小，所述设定的采样率，具体可以为每秒采样点数为M，采样间隔为t的采样率。如图3所示，图3中示出了采用每秒采样点数为M，采样间隔为t的采样率时的秒脉冲的采样方案的示意图。

当某一秒的最后一次采样，即采样序号M-1的一次采样，距离下一秒的间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t时，则按照上文中所述的采样程序进行采样，采样序号置0。同时，下次采样，即采样序号为1的采样，间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐，具体采样补偿方案如图4所示，图4中示出了在图示第3个秒脉冲采样处，采样序号为M-1的一次采样，距离下一秒的间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t时，则将采样序号置零。并且对于下一个秒脉冲周期中的采样序号为1的采样，间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐。进一步的，根据某些实施例，该设定值t’可设置为t’＝t-10us。

当某一秒的最后一次采样，即采样序号M-1的一次采样，距离下一秒的间隔宽度小于设定值t’，则不再进行0序号采样，下次采样，即采样序号为1的采样，间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐，具体采样补偿方案如图5所示，图5中示出了在图示第3个秒脉冲采样处，采样序号为M-1的一次采样，距离下一秒的间隔宽度小于设定值t’，则不再进行0序号采样，图示中在该秒脉冲采样周期中，不进行0序号采样，而下次采样，即采样序号为1的采样，间隔的零时刻与下一秒的零时刻对齐。

采样间隔序号和大小的动态计算：晶振的频率差Δf和CPU设定的采样率作除法运算，M/Δf＝A，余数B。若A＞1，B≥0，则每A个采样序号调整1个晶振的tick；若A＜1，通常来说，此种情况为晶振的频率差Δf异常，超过了采样速率，此时，为保证采样数据的准确性，避免调整间隔过大影响采样精度，则每个采样序号调整1个晶振的tick。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种模拟量采集动态补偿系统，该系统的组成结构示意图如图6所示，该系统包括：模拟量采集动态补偿系统，包括频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块；所述频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块依次连接。

频率获取模块，获取实时的晶振频率f’。具体获取方法可根据如下步骤实现：获取N秒内晶振的有效样本，得出每个单位时间对应的晶振实际频率，在得出每个单位时间对应的晶振实际频率之后，每秒都更新一次晶振的有效样本，以获取实时的晶振频率f’。其中，获取晶振的有效样本，可以通过利用FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本，以作为所述晶振的有效样本。FPGA实时监视外部B码对时源，当所述B码对时源中断或者发生异常时，所述FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲。

采样间隔宽度获取模块，将所述实时的晶振频率f’与晶振的理论频率f做差得到Δf，根据所述Δf和设定的采样率得出需要调整的采样间隔宽度；

补偿模块，当某一秒的最后一次采样距离下一秒的间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t，则按照上述步骤S2中的采样间隔宽度进行采样，将下一次采样的采样序号置0，同时，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐；并且，当某一秒的最后一次采样距离下一秒的间隔宽度小于设定值t’，则不再进行该秒内的采样，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐。其中，设定值t’可以根据下式设置：

t’＝t-10us。

综上所述，本发明涉及一种模拟量采集动态补偿方法及系统，该补偿方法通过实时计算晶振的实际频率与理论频率的差值，得出需要调整的采样间隔序号和间隔宽度，然后对采样间隔进行动态调整，并对采样序号进行对齐，FPGA以外接B码对时源作为秒脉冲基准，实时更新当前晶振的实际频率，并动态调整采样间隔。对比现有技术中传统的模拟量采集模式，本发明基于FPGA的模拟量采集动态补偿方法及系统，通过实时更新晶振的实际频率，能够显著提高采样的精度；在外部B码对时源发生异常或消失时，利用本地晶振有效样本库自产秒脉冲，保障了采样的稳定性；通过动态地调整采样间隔，提高了采样的准确性；采取采样序号秒对齐的机制，避免了连续采样的错误累积，同时，对于最后一次采样的特殊处理，保证了采集数据的准确性，并进一步提高了采样的可靠性。

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 (8)

1.一种模拟量采集动态补偿方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取实时的晶振频率f’；

S2、将所述实时的晶振频率f’与晶振的理论频率f做差得到Δf，根据所述Δf和设定的采样率得出需要调整的采样间隔宽度；所述设定的采样率指每秒采样点数为M，采样间隔为t的采样率；

S3、当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t，则按照上述步骤S2中的采样间隔宽度进行采样，将下一次采样的采样序号置0，同时，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐；

S4、当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度小于设定值t’，则不再进行该秒内的采样，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐以实现该动态补偿；

其中，所述设定值t’设置为：t’＝t-10us。

2.根据权利要求1所述的模拟量采集动态补偿方法，其特征在于，所述获取实时的晶振频率f’，包括：获取N秒内晶振的有效样本，得出每个单位时间对应的晶振实际频率，在得出每个单位时间对应的晶振实际频率之后，每秒都更新一次晶振的有效样本，以获取实时的晶振频率f’。

3.根据权利要求2所述的模拟量采集动态补偿方法，其特征在于，所述获取晶振的有效样本，包括FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本作为所述晶振的有效样本。

4.根据权利要求3所述的模拟量采集动态补偿方法，其特征在于，所述FPGA实时监视外部B码对时源，当所述B码对时源中断或者发生异常时，所述FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲。

5.一种模拟量采集动态补偿系统，其特征在于，包括频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块；所述频率获取模块、采样间隔宽度获取模块、以及补偿模块依次连接；

所述频率获取模块，获取实时的晶振频率f’；

所述采样间隔宽度获取模块，将所述实时的晶振频率f’与晶振的理论频率f做差得到Δf，根据所述Δf和设定的采样率得出需要调整的采样间隔宽度，所述设定的采样率指每秒采样点数为M，采样间隔为t的采样率；

所述补偿模块，当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度大于设定值t’，小于理论采样间隔t，则按照上述步骤S2中的采样间隔宽度进行采样，将下一次采样的采样序号置0，同时，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐；并且，

当某一秒的最后一次采样距离下一秒的采样间隔宽度小于设定值t’，则不再进行该秒内的采样，下一次采样的零时刻与下一秒的零时刻对齐以实现该动态补偿；

其中，所述设定值t’设置为：t’＝t-10us。

6.根据权利要求5所述的模拟量采集动态补偿系统，其特征在于，所述频率获取模块中，获取实时的晶振频率f’，包括获取N秒内晶振的有效样本，得出每个单位时间对应的晶振实际频率，在得出每个单位时间对应的晶振实际频率之后，每秒都更新一次晶振的有效样本，以获取实时的晶振频率f’。

7.根据权利要求6所述的模拟量采集动态补偿系统，其特征在于，所述频率获取模块中，获取晶振的有效样本，包括FPGA以外部B码对时源为基准自产秒脉冲，并获取每秒的晶振数样本作为所述晶振的有效样本。

8.根据权利要求7所述的模拟量采集动态补偿系统，其特征在于，所述频率获取模块中，还包括FPGA实时监视外部B码对时源，当所述B码对时源中断或者发生异常时，所述FPGA根据当前样本库，自产秒脉冲。

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