CN113759784A - 一种自动时间补偿校正方法及同步采样通用模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动时间补偿校正方法及同步采样通用模组，在数模转换芯片预留采样通道L0，将调试模拟信号分为两路接到调理滤波电路通道L1和数模转换芯片的通道L0上；获取通道L0、L1的采样点时间为Tn0、Tn1；Tn1‑Tn0为模拟信号调理滤波电路的时间误差值，完成通道L1到L8的数模转换采集，记录总体时间Ts1，加入通道L0进行二次数模转换读取，数模转换采集总时间为Ts2；Ts2‑Ts1为单通道数模转换时间误差。本发明通用模组包括控制模块、对时模块、时钟模块、采样模块、电源模块以及接口模块；在对时模块进行固有时间误差校正，在采样模块中利用自动时间补偿校正方法进行时间补偿，同步采样精度高，适用性广。

Description

一种自动时间补偿校正方法及同步采样通用模组

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种自动时间补偿校正方法及同步采样通用模组。

背景技术

配电一二次设备中，一次设备与二次设备的时间同步、二次设备间的高精度采样同步对于提高配电网故障感知、分析、处理能力具有重要意义。配电网中发生的线路故障大多以单相接地故障为主，故障判断方法是以母线侧零序电压突变量作为启动元件，并调取同一时刻出线上终端装置采集的电流波形合成零序电流波形，运用相关算法实现故障判断及定位，这就对终端装置的时间同步误差、采样精度提出了更高的要求。

目前配电网上使用的终端装置大多来自不同的厂家，比较分散且有一定的技术堡垒，而且针对终端上的时间误差都是不一的，厂家水平参差不齐，因为同步采集、信号处理等均存在一定的误差，这就给依靠零序电压、电流的故障判断技术实现带来难度。

在此基础上，本发明提出一种自动时间补偿校正方法，并且设计了一种利用该校正方法的广域同步、高精度采样的通用模组，使得该时间补偿校正方法适用于不同厂家的终端设备使用，而且实现了高精度广域时间同步和高精度采样，对外以通用的标准接口，可以直接安装的各终端装置上，即插即用，提高终端设备的标准化水平，给依靠零序分量的故障判断定位技术提供保障。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种自动时间补偿校正方法及同步采样通用模组，使得该时间补偿校正方法适用于不同厂家的终端设备使用，增加了同步采样通用模组的广泛适用性，而且实现了高精度广域时间同步和高精度采样，。

技术方案：本发明提供了一种自动时间补偿校正方法，该校正方法设置于数模转换芯片及模拟信号调理滤波电路上；时间误差包括模拟信号调理滤波电路的时间误差和数模转换时间误差，所述时间补偿校正方法包括如下步骤：

步骤1：在数模转换芯片上预留一个采样通道作为对比校正通道L0；

步骤2：所述模拟信号调理滤波电路上设置有通道L1至通道L8；

步骤3：将调试的模拟信号分为两路分别接到所述步骤2中模拟信号调理滤波电路通道L1和数模转换芯片的对比校正通道L0上；

步骤4：获取通道L0的采样点时间为Tn0，获取通道L1的采样点时间为Tn1；

步骤5：计算Tn1-Tn0，即为当前模拟信号调理滤波电路的时间误差值，将参数将Tn1-Tn0的值进行自动补偿；

步骤6：完成通道L1到L8的数模转换采集，记录总体时间Ts1，在此基础上加入对比校正通道L0进行二次数模转换读取，通道L1到通道L8、对比校正通道L0的数模转换采集总时间为Ts2；

步骤7：计算Ts2-Ts1，即为单通道数模转换时间误差，将Ts2-Ts1的值进行自动补偿。

进一步地，所述数模转换芯片选用CL1606芯片。

进一步地，所述步骤5与步骤7中所述自动补偿为：当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为负数，则自动补偿时在原有时间基础上增加该时间差值；当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为正数时，则自动补偿时在原有时间基础上减少该时间差值。

本发明还公开一种使用上述自动时间补偿校正方法的同步采样通用模组，包括控制模块、对时模块、时钟模块、采样模块、电源模块以及接口模块；所述对时模块、时钟模块、采样模块以及接口模块分别通过总线与所述控制模块连接；所述电源模块为各模块提供电力；所述对时模块产生PPS信号后，所述控制模块启动对PPS信号的中断响应，并开启内部定时器直到收到对时模块的对时报文，完成广域对时功能，并进行固有时间误差补偿；所述控制模块完成对时功能的同时控制所述采样模块进行实时采样，给每个采样点打上时标，完成同步采样功能，并对同步采样进行时间误差补偿；所述时钟模块与所述控制模块通过时钟总线相连，所述控制模块中对同步采样进行时间误差补偿为上述自动时间补偿校正方法。

优选地，所述控制模块中的固有时间误差补偿包括：所述对时模块的PPS信号的时间误差T1、对时模块的PPS信号中断响应时间误差T2、所述控制模块内部定时器累计时间误差T3、控制模块内部定时中断采样时间误差T4、控制模块读取数据时间误差T6。

优选地，所述采样模块包括所述模拟信号调理滤波电路、所述数模转换芯片，所述模拟信号调理滤波电路输出端与所述数模转换芯片输入端连接，所述数模转换芯片输出端与所述控制模块通过SPI串行总线连接，所述数模转换芯片上预留一个采样通道作为对比校正通道L0。

优选地，所述模拟信号调理滤波电路包括并联的取样电阻R1、R2、R3，电阻R4与R6串联、R5与R7串联后分别接入到运算放大器U1的两个输入端，配合R8、R9构成差动放大采样电路；还包括TVS管防护电路D1、D2，其分别连接于电阻R4与R6、R5与R7之间；还包括滤波电容C1、C2、C3，所述滤波电容C1两端分别连接于R6和R7一端，所述滤波电容C2、C3分别并联于R8、R9；还包括电阻R12、R13，其与运算放大器U1的另一个输入单元构成正向信号放大电路；还包括电阻R14、电容C4，其构成第二级低通滤波电路。

优选地，所述控制模块包括处理器SCM701、运行内存芯片IS43TR16512BL以及存储芯片EMMC IS21ES08G，所述运行内存芯片IS43TR16512BL通过SDQ总线与所述处理器SCM701连接，所述存储芯片EMMC IS21ES08G通过SDC总线与所述处理器SCM701连接。

优选地，所述对时模块选用ATGM332D，其与控制模块通过UART0串行总线连接，为控制模块提供高精度广域对时信号源。

优选地，所述接口模块包括以太网口通讯单元和串行通讯单元；所述以太网通讯单元为基于YT8512H的PHY芯片，与所述控制模块分别通过EMAC、GMAC两个接口连接；所述串行通讯单元为UART接口，与所述控制模块的UART1接口连接。

有益效果：

1、本发明通过增加一个采样对比通道L0的方法，可以自动完成数模转换时间误差和模拟信号调理滤波误差的校正和参数补偿，以达到同步采样的效果。且该时间补偿校正方法适用性强，可以应用于各不同厂家出产的终端设备，解决了传统需要根据各不同的终端设备使用不同的校正方法的问题，降低了终端时间校正成本。

2、本发明设计的一种满足广域同步和高精度采样的通用模组，可以实现广域同步时间误差在1us以内，模拟量采样率不低于512点(25.6kHz)采样精度不低于0.5%，这就保证了信号的不失真性及合成零序分量的准确性，为配电网设备进行就地分析、研判线路故障问题提供支撑。

3、本发明的模组结构简单，通讯接口标准化，可即插即用到配电网终端装置里，有效的为产品在广域同步及高精度采样需求领域提供定制服务，推进终端设备标准化设计，优化配电网设备感知能力，互动水平。

附图说明

图1是本发明通用模组整体结构原理示意图；

图2是本发明对时部分同步误差示意图；

图3是本发明采样部分采样点时间误差示意图；

图4是本发明模拟信号调理滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种满足广域同步和高精度采样的通用模组，包括控制模块、对时模块、时钟模块、采样模块、电源模块以及接口模块；对时模块、时钟模块、采样模块以及接口模块分别通过总线与所述控制模块连接；电源模块为各模块提供电力；对时模块产生PPS信号后，控制模块启动对PPS信号的中断响应，并开启内部定时器直到收到对时模块的对时报文，完成广域对时功能，并进行固有时间误差补偿；控制模块完成对时功能的同时控制所述采样模块进行实时采样，给每个采样点打上时标，完成同步采样功能，并对其进行时间误差补偿；时钟模块与控制模块通过时钟总线相连，时钟模块选用CTI的OC3SC14A。

控制模块包括处理器SCM701、运行内存芯片IS43TR16512BL以及存储芯片EMMCIS21ES08G，所述运行内存芯片IS43TR16512BL通过SDQ总线与所述处理器SCM701连接，所述存储芯片EMMC IS21ES08G通过SDC总线与所述处理器SCM701连接。

对时模块选用ATGM332D，其与控制模块通过UART0串行总线连接，为控制模块提供高精度广域对时信号源。

采样模块包括模拟信号调理滤波电路、数模转换芯片CL1606，模拟信号调理滤波电路输出端与数模转换芯片输入端连接，数模转换芯片输出端与控制模块通过SPI串行总线连接。

模拟信号调理滤波电路如图4所示，AP、AN为模拟信号的输入端，并联的取样电阻R1、R2、R3，所选R1、R2、R3大小根据所采样信号的类型确定。R4、R6串联接到运算放大器U1的负向输入端与R8形成分压电路；同理R5、R7串联连接到运算放大器U1的正向输入端与R9形成分压电路，此两部分组成基于运算放大器U1的信号调理电路，能够将输入的差动信号转化为单端信号用于采集。运算放大器U1选型为OP07CZS高精度运算放大器。还包括TVS管防护电路D1、D2，其分别连接于电阻R4与R6、R5与R7之间，用于保护运放的输入端。还包括滤波电容C1、C2、C3，C1为运放输入端第一级的滤波电容，C2、C3分别与R8、R9并联，构成运放正、负输入端的RC调理电路。模拟信号经过第一级调理电路后经过R10进入第二级调理电路，经过R11叠加电压基准Vref后进入运放U1的5脚正向输入端，Vref用于适配后级数模转换芯片的输入电压范围。R12、R13构成运放正向放大比例参数，用于优化输入信号的放大比例。模拟信号经过R14，C4组成运放输出端的第二级RC滤波电路后进入数模转换单元。

电源模块为PMU芯片AXP221S，为整个通用模组提供3.3V、1.8V、1.5V、1.2V各个电源等级的电源。

接口模块包括以太网口通讯单元和串行通讯单元；所述以太网通讯单元为基于YT8512H的PHY芯片，与所述控制模块分别通过EMAC、GMAC两个接口连接；所述串行通讯单元为UART接口，与所述控制模块的UART1接口连接。在完成基于广域对时的高精度采样功能后，通过以太网口104通讯或者串行接口101通讯，输出相关结果给被安装装置使用。

对时模块ATGM332D产生PPS脉冲信号，PPS脉冲信号的时间误差为T1，控制模块对对时模块的PPS信号中断响应，中断响应时间误差为T2，控制模块产生PPS响应后启动内部计时器计时，直到对时模块的接口单元上送对时报文，此期间控制模块内部的定时器累计时间误差为T3。则对时模块从启动对时脉冲到控制模块完成对时功能，总累计的时间误差为T1+T2+T3，对时模块的PPS脉冲典型时间误差为0.02us，控制模块的中断响应时间误差典型值为0.2us，控制模块定时器累计时间误差T3典型值为0.1us，T1+T2+T3典型值为0.32us以内。对时部分同步误差如图2所示，控制模块处理器SCM701中设置时间补偿方法，对于PPS脉冲信号的时间误差为T1、中断响应时间误差为T2以及定时器累计时间误差为T3进行时间补偿。

时钟模块OC3SC14AL为控制模块提供高精度的时钟源，在对时信号良好的情况下，控制模块每秒都需要完成一次对时功能来保证系统时间的实时性，完成1S一次的对时功能，所产生的时间误差在10pS左右，对整个系统时间的影响可以忽略不记。在对时信号不好的时候，时钟模块提供的高精度时钟可以帮助控制模块完成绝对时间的守时要求，时钟模块OC3SC14AL时钟精度为±10ppb，1小时守时误差精度为±36us，时钟精度误差使用后为固有误差，控制模块处理器SCM701中设置时间补偿方法，通过参数补偿的功能对其进行补偿，1小时守时精度能达到±20us以内，满足广域时钟同步装置的守时要求。

控制模块完成对时功能后生成系统时间，同时控制采样部分的数模转换芯片CL1606完成实时采集采样点，并给每个采样点打上广域时标。采样点打时标过程为：控制模块内部定时中断进行数模转换采样，中断采样率为25.6kHz，每个定时中断采样时间误差为T4，数模转换芯片CL1606收到数模转换启动信号后开启一次数模转换功能，数模转换转换时间误差为T5，一次数模转换完成后，数模转换芯片CL1606通知控制模块进行数据读取，数据被控制模块通过SPI串行总线读取，读取数据时间误差为T6。除此之外，模拟信号经过调理滤波电路后有一定的相位偏差，频域相位偏差转换到时域则是时间误差，模拟信号调理滤波电路的时间误差为T7。采样部分每个采样点累计的采集时间误差为T4+T5+T6+T7，定时采样中断时间误差T4典型值为0.1us。SPI串行总线数据读取时间误差T6典型值为1us左右，此误差也是固有误差，控制模块通过时间补偿方法将其进行补偿，补偿后T6典型值为0.2us。

而对于数模转换芯片采集转换时间误差T5和模拟信号调理滤波电路的误差时间为T7的校正方法，本发明采用如下方法获取：

步骤1：在数模转换芯片上预留一个采样通道作为对比校正通道L0；

步骤2：所述模拟信号调理滤波电路上设置有通道L1至通道L8；

步骤3：将调试的模拟信号分为两路分别接到所述步骤2中模拟信号调理滤波电路通道L1和数模转换芯片的对比校正通道L0上；

步骤4：获取通道L0的采样点时间为Tn0，获取通道L1的采样点时间为Tn1；

步骤5：计算Tn1-Tn0，即为当前模拟信号调理滤波电路的时间误差值，将参数将Tn1-Tn0的值进行自动补偿；

步骤6：完成通道L1到L8的数模转换采集，记录总体时间Ts1，在此基础上加入对比校正通道L0进行二次数模转换读取，通道L1到通道L8、对比校正通道L0的数模转换采集总时间为Ts2；

步骤7：计算Ts2-Ts1，即为单通道数模转换时间误差，将Ts2-Ts1的值进行自动补偿。

当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为负数，则自动补偿时在原有时间基础上增加该时间差值；当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为正数时，则自动补偿时在原有时间基础上减少该时间差值。

采样部分的时间误差累计T4+T5+T6+T7。采样部分采样点时间误差如图3所示。

由于电阻选择精度为0.1%，温度系数为25ppm物料，电容选择1%，温度系数为30ppm的C0G陶瓷电容，故模拟信号调理滤波电路的时间误差在经过控制模块的时间补偿功能后，不超过0.1us（50Hz电网）。

采集部分数模转换芯片采用CL1606，采样位宽为16比特位，50Hz电网为512点采集，采样率为25.6kHz，确保不失真的情况下还原稳态和暂态信号，可以进行例如“相不对称”等算法完成单相接地故障判断，为终端装置故障分析、判断提供充分的数据基础。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动时间补偿校正方法，其特征在于，该校正方法设置于数模转换芯片及模拟信号调理滤波电路上；时间误差包括模拟信号调理滤波电路的时间误差和数模转换时间误差，所述时间补偿校正方法包括如下步骤：

步骤1：在数模转换芯片上预留一个采样通道作为对比校正通道L0；

步骤2：所述模拟信号调理滤波电路上设置有通道L1至通道L8；

步骤3：将调试的模拟信号分为两路分别接到所述步骤2中模拟信号调理滤波电路通道L1和数模转换芯片的对比校正通道L0上；

步骤4：获取通道L0的采样点时间为Tn0，获取通道L1的采样点时间为Tn1；

步骤5：计算Tn1-Tn0，即为当前模拟信号调理滤波电路的时间误差值，将参数将Tn1-Tn0的值进行自动补偿；

步骤6：完成通道L1到L8的数模转换采集，记录总体时间Ts1，在此基础上加入对比校正通道L0进行二次数模转换读取，通道L1到通道L8、对比校正通道L0的数模转换采集总时间为Ts2；

步骤7：计算Ts2-Ts1，即为单通道数模转换时间误差，将Ts2-Ts1的值进行自动补偿。

2.根据权利要求1所述的自动时间补偿校正方法，其特征在于，所述数模转换芯片选用CL1606芯片。

3.根据权利要求1所述的自动时间补偿校正方法，其特征在于，所述步骤5与步骤7中所述自动补偿为：当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为负数，则自动补偿时在原有时间基础上增加该时间差值；当Tn1-Tn0和Ts2-Ts1为正数时，则自动补偿时在原有时间基础上减少该时间差值。

4.一种使用权利要求1至3任一所述的自动时间补偿校正方法的同步采样通用模组，其特征在于，包括控制模块、对时模块、时钟模块、采样模块、电源模块以及接口模块；所述对时模块、时钟模块、采样模块以及接口模块分别通过总线与所述控制模块连接；所述电源模块为各模块提供电力；所述对时模块产生PPS信号后，所述控制模块启动对PPS信号的中断响应，并开启内部定时器直到收到对时模块的对时报文，完成广域对时功能，并进行固有时间误差补偿；所述控制模块完成对时功能的同时控制所述采样模块进行实时采样，给每个采样点打上时标，完成同步采样功能，并对同步采样进行时间误差补偿；所述时钟模块与所述控制模块通过时钟总线相连，所述控制模块中对同步采样进行时间误差补偿为基于权利要求1至3任一所述的自动时间补偿校正方法。

5.根据权利要求4所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述控制模块中的固有时间误差补偿包括：所述对时模块的PPS信号的时间误差T1、对时模块的PPS信号中断响应时间误差T2、所述控制模块内部定时器累计时间误差T3、控制模块内部定时中断采样时间误差T4、控制模块读取数据时间误差T6。

6.根据权利要求4所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述采样模块包括所述模拟信号调理滤波电路、所述数模转换芯片，所述模拟信号调理滤波电路输出端与所述数模转换芯片输入端连接，所述数模转换芯片输出端与所述控制模块通过SPI串行总线连接，所述数模转换芯片上预留一个采样通道作为对比校正通道L0。

7.根据权利要求6所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述模拟信号调理滤波电路包括并联的取样电阻R1、R2、R3，电阻R4与R6串联、R5与R7串联后分别接入到运算放大器U1的两个输入端，配合R8、R9构成差动放大采样电路；还包括TVS管防护电路D1、D2，其分别连接于电阻R4与R6、R5与R7之间；还包括滤波电容C1、C2、C3，所述滤波电容C1两端分别连接于R6和R7一端，所述滤波电容C2、C3分别并联于R8、R9；还包括电阻R12、R13，其与运算放大器U1的另一个输入单元构成正向信号放大电路；还包括电阻R14、电容C4，其构成第二级低通滤波电路。

8.根据权利要求4所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述控制模块包括处理器SCM701、运行内存芯片IS43TR16512BL以及存储芯片EMMC IS21ES08G，所述运行内存芯片IS43TR16512BL通过SDQ总线与所述处理器SCM701连接，所述存储芯片EMMC IS21ES08G通过SDC总线与所述处理器SCM701连接。

9.根据权利要求4所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述对时模块选用ATGM332D，其与控制模块通过UART0串行总线连接，为控制模块提供高精度广域对时信号源。

10.根据权利要求4至9任一所述的同步采样通用模组，其特征在于，所述接口模块包括以太网口通讯单元和串行通讯单元；所述以太网通讯单元为基于YT8512H的PHY芯片，与所述控制模块分别通过EMAC、GMAC两个接口连接；所述串行通讯单元为UART接口，与所述控制模块的UART1接口连接。

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