CN114089907B - 一种集中式直流采样值数据转换方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集中式直流采样值数据转换方法及装置，方法包括：步骤1、AD转换；步骤2、采样值转换；步骤3、通道映射；步骤4、采样异常控制；步骤5、额定延时控制；步骤6、光串口输出。采用FPGA芯片并发控制实现多路AD同步采样的方式，使得整个采样过程不会由于采样通道的增加而带来相应的采样延时，并且通过等比例放大的方式解决FPGA芯片无法进行浮点运算的缺点，将数据放大65536倍进行处理，数据仅需移位即可实现计算功能，在保证采样值精度不受影响情况下实现数据转换。

Description

一种集中式直流采样值数据转换方法及装置
技术领域
本发明属于直流电子式互感器技术领域，尤其涉及一种集中式直流采样值数据转换方法及装置。
背景技术
特高压直流控制保护系统是直流输电工程的安全卫士，实时监测换流器、滤波器等设备及区域的各种运行状态参量，快速保护换流站等所有电气设备以及直流输电线路免受电气故障的损害。目前主要是在实验室通过实时数字闭环仿真测试对特高压直流控制保护系统的功能、性能进行检验，此时需要搭建完整的测试回路来进行仿真输出信号的转换以解决特高压直流控制保护系统的采样问题。
现有的测试回路存在以下的问题：1、需要搭建完整的直流电子式互感器采集单元以及合并单元回路，不同的工程需配置不同的采集器及合并单元。成本过高，且测试时需要非常大的场地摆放采集器及合并单元，测试过程费时费力；
2、直流光学互感器由于没有小模拟电压的采集单元，所以只能用直流电学电子式互感器代替，无法真正完成直流光学电子式互感器的直流工程项目的直流控保系统测试；
3、由于不同原理及厂家直流电子式互感器的延时不同，采用采集单元及合并单元时无法兼容各家的采集器及合并单元，无法验证不同原理及厂家的直流电子式互感器配合时的直流控保性能指标；
4、采用真实采集器及合并单元时无法对输出信号进行配置，无法验证直流电子式互感器异常时对直流控保系统的影响。
发明内容
本发明提供一种集中式直流采样值数据转换方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。
本发明提供一种集中式直流采样值数据转换方法，包括：步骤1、AD转换：FPGA芯片通过并发控制，对多路AD通道的同步模数转换，通过处理器的时钟管理模块产生100MHz的高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；在采样周期开始后，软件启动AD转换信号，同时监测AD的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据；步骤2、采样值转换：采样值转换周期由AD采样周期控制，每点AD开始采样后，经过固定延迟时间，开始按配置转换当前点的采样数据；FPGA芯片循环处理采样值转换任务，完成对多组采样数据的比例调节，其中，在比例调节过程中将调节比例固定放大65536倍后取整，最后再将输出值除以65536；步骤3、通道映射：根据上位机的配置信息，将48路模拟量电压分别映射到对应的合并单元光纤输出端口，再由对应的光串口输出模块发送，通过FPGA系统进行随机晶振模拟机制，使对多个合并单元的时域特性进行运行仿真，在随机晶振模拟机制中按照频率随机数和初相随机数维护虚拟晶振的计数器翻转，使产生随机参数的虚拟晶振、对应的AD采样中断控制采样模块模数转换流程以及数据输出中断控制SMV报文输出流程，其中，FPGA系统由时钟频率fs为100MHz的物理晶振驱动，通过随机产生合并单元系统晶振参数变量，获取不同的晶振变化参数，模拟实际合并单元的内部物理晶振参数差异，按照合并单元实际采用晶振的频率fm与精度Pm，获取虚拟晶振的频率变化随机种子数f′m，虚拟晶振的频率变化范围同时也是合并单元上电初相的变化范围，f′m的随机范围计算如下式：
式中，Rmin为随机种子变化范围下限，Rmax为随机种子变化范围上限，fm为合并单元实际晶振标称频率，Pm为实际晶振精度，f′m为合并单元虚拟晶振频率随机数；步骤4、采样异常控制：采样异常随机分布采用控制窗数据来实现，采用连续、等间距、随机三类控制方式来实现，随机控制方式分为全范围等概率随机控制的方式和指定区间的不等概率随机控制方式，其中，光学电子式互感器采样大数异常采用指定区间的不等概率随机控制方式，光学电子式互感器无效数据的随机分布全范围等概率随机控制的方式，电学电子式互感器激光电源跌落过程的异常数据生成、激光电源调整过程异常仿真采用等间距控制方式，电源失效仿真采用连续控制方式；步骤5、额定延时控制：采用FPGA直接控制报文发送，根据不同电子式互感器的额定延时的不同，控制相对应光纤串行端口进行数据等待，发送等待时间扣除FPGA芯片自身的AD转换时间；步骤6、光串口输出：通过光串口输出模块，将经过数据等待的待发送的采样值报文组包，并按协议进行物理层编码，最后由光纤串口输出至外部。
在本发明的一些实施方式中，在步骤1中，AD采样转换公式如下：Do＝Vin/10×215，式中，Do为AD转换后输出数字量，Vin为AD转换的输入电压模拟量。
本发明还提供一种集中式直流采样值数据转换装置，包括CPU控制模块、同步AD转换模块、光纤数据发送模块以及以太网通信模块；其中，通过RTDS或PSCAD直流动态模拟仿真系统接入小模拟电压信号，经过同步AD转换模块转换后交由CPU控制模块进行采样值转换，再经上位机配置的通道映射、采样值异常控制方式以及额定延时控制后再由光纤数据发送模块发送；
在本发明的一些实施方式中，所述CPU控制模块包括PowerPC处理器以及FPGA芯片，其中，所述PowerPC处理器用于数据处理、组织，并与上位机通讯，所述FPGA芯片与外部的通信接口连接。
本申请的一种集中式直流采样值数据转换方法及装置，采用FPGA芯片并发控制实现多路AD同步采样的方式，使得整个采样过程不会由于采样通道的增加而带来相应的采样延时，并且通过等比例放大的方式解决FPGA芯片无法进行浮点运算的缺点，将数据放大65536倍进行处理，数据仅需移位即可实现计算功能，在保证采样值精度不受影响情况下实现数据转换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种集中式直流采样值数据转换方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的一种集中式直流采样值数据转换装置的结构图；
图3为本发明一实施例提供的合并单元随机晶振模拟机制的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其示出了本申请的一种集中式直流采样值数据转换方法的流程图。
如图1所示，一种集中式直流采样值数据转换方法具体包括以下步骤：
步骤1、AD转换：FPGA芯片通过并发控制，对多路AD通道的同步模数转换，通过处理器的时钟管理模块产生100MHz的高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；在采样周期开始后，软件启动AD转换信号，同时监测AD的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据。
在本实施例中，AD采样转换公式如下：Do＝Vin/10×215，式中，Do为AD转换后输出数字量，Vin为AD转换的输入电压模拟量。采用FPGA芯片并发控制实现多路AD同步采样的方式，使得整个采样过程不会由于采样通道的增加而带来相应的采样延时。
步骤2、采样值转换：采样值转换周期由AD采样周期控制，每点AD开始采样后，经过固定延迟时间，开始按配置转换当前点的采样数据；FPGA芯片循环处理采样值转换任务，完成对多组采样数据的比例调节，其中，在比例调节过程中将调节比例固定放大65536倍后取整，最后再将输出值除以65536。
在本实施例中，采用等比例放大的方式解决FPGA无法进行浮点运算的缺点，将数据放大65536倍进行处理，数据仅需移位即可实现计算功能，在保证采样值精度不受影响情况下实现数据转换。
步骤3、请参阅图3，通道映射：根据上位机的配置信息，将48路模拟量电压分别映射到对应的合并单元光纤输出端口，再由对应的光串口输出模块发送，通过FPGA系统进行随机晶振模拟机制，使对多个合并单元的时域特性进行运行仿真，在随机晶振模拟机制中按照频率随机数和初相随机数维护虚拟晶振的计数器翻转，使产生随机参数的虚拟晶振、对应的AD采样中断控制采样模块模数转换流程以及数据输出中断控制SMV报文输出流程，其中，FPGA系统由时钟频率fs为100MHz的物理晶振驱动，通过随机产生合并单元系统晶振参数变量，获取不同的晶振变化参数，模拟实际合并单元的内部物理晶振参数差异，按照合并单元实际采用晶振的频率fm与精度Pm，获取虚拟晶振的频率变化随机种子数f′m，虚拟晶振的频率变化范围同时也是合并单元上电初相的变化范围，f′m的随机范围计算如下式：
式中，Rmin为随机种子变化范围下限，Rmax为随机种子变化范围上限，fm为合并单元实际晶振标称频率，Pm为实际晶振精度，f′m为合并单元虚拟晶振频率随机数。
步骤4、采样异常控制：采样异常随机分布采用控制窗数据来实现，采用连续、等间距、随机三类控制方式来实现，随机控制方式分为全范围等概率随机控制的方式和指定区间的不等概率随机控制方式，其中，光学电子式互感器采样大数异常采用指定区间的不等概率随机控制方式，光学电子式互感器无效数据的随机分布全范围等概率随机控制的方式，电学电子式互感器激光电源跌落过程的异常数据生成、激光电源调整过程异常仿真采用等间距控制方式，电源失效仿真采用连续控制方式。
在本实施例中，针对不同原理的直流电子式互感器进行差异化异常控制策略，以实现不同原理直流电子式互感器共同应用时的风险测试。
步骤5、额定延时控制：采用FPGA直接控制报文发送，根据不同电子式互感器的额定延时的不同，控制相对应光纤串行端口进行数据等待，发送等待时间扣除FPGA芯片自身的AD转换时间。
在本实施例中，采用数据等待的方式控制报文的发送时间以实现不同间隔合并单元额定延时不同的报文发送控制。
步骤6、光串口输出：通过光串口输出模块，将经过数据等待的待发送的采样值报文组包，并按协议进行物理层编码，最后由光纤串口输出至外部。
综上，本实施例的方法，整个数据处理过程完全由FPGA芯片编程来实现，所有数据不经过CPU控制模块处理，从而为额定延时控制提供足够的时间操作空间。
请参阅图2，其示出了本申请的一种集中式直流采样值数据转换装置的结构图。
如图2所示，包括CPU控制模块、同步AD转换模块、光纤数据发送模块以及以太网通信模块；其中，通过RTDS或PSCAD直流动态模拟仿真系统接入小模拟电压信号，经过同步AD转换模块转换后交由CPU控制模块进行采样值转换，再经上位机配置的通道映射、采样值异常控制方式以及额定延时控制后再由光纤数据发送模块发送。
应用本实施例的技术方案，CPU控制模块采用Power PC处理器+FPGA芯片的系统架构，Power PC处理器完成应用程序，数据处理、组织，并与上位机通讯，FPGA芯片实现对外部的通信接口功能。同时扩展4片256MBit的SDRAM作为程序代码运行空间，以及1片256MBit的NAND FLASH芯片用于存放程序。
Power PC选用Freescale公司生产的PowerPC处理器MPC8247。
FPGA采用Xilinx的Spartan6系列产品XC6SLX150。
集中式直流采样值数据转换装置支持48路模拟电压信号的同步采集。由XC6SLX150FPGA芯片的I/O口线控制8片AD7606模数转换芯片实现模拟量到数字量的转换功能。
集中式直流采样值数据转换装置提供6路数字量发送接口，由XC6SLX150 FPGA芯片的I/O口线控制HFBR-1414Z光纤发送器完成将电信号转换为光信号输出。
集中式直流采样值数据转换装置通过以太网通信模块与上位机进行通信，实现上位机对装置的控制和仿真系统数据的人机交互。在硬件上以太网通信模块直接使用MPC8247的以太网通信口，接口采用RJ45接口和专用通信线缆。
综上，本实施例的装置采用多个采集单元与合并单元的输入输出数据，大大节约了测试成本，减少占地，节约了测试时间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种集中式直流采样值数据转换方法，其特征在于，包括
步骤1、AD转换：
FPGA芯片通过并发控制，对多路AD通道的同步模数转换，通过处理器的时钟管理模块产生100MHz的高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；
在采样周期开始后，软件启动AD转换信号，同时监测AD的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据；
步骤2、采样值转换：
采样值转换周期由AD采样周期控制，每点AD开始采样后，经过固定延迟时间，开始按配置转换当前点的采样数据；
FPGA芯片循环处理采样值转换任务，完成对多组采样数据的比例调节，其中，在比例调节过程中将调节比例固定放大65536倍后取整，最后再将输出值除以65536；
步骤3、通道映射：
根据上位机的配置信息，将48路模拟量电压分别映射到对应的合并单元光纤输出端口，再由对应的光串口输出模块发送，通过FPGA系统进行随机晶振模拟机制，使对多个合并单元的时域特性进行运行仿真，在随机晶振模拟机制中按照频率随机数和初相随机数维护虚拟晶振的计数器翻转，使产生随机参数的虚拟晶振、对应的AD采样中断控制采样模块模数转换流程以及数据输出中断控制SMV报文输出流程，其中，FPGA系统由时钟频率fs为100MHz的物理晶振驱动，通过随机产生合并单元系统晶振参数变量，获取不同的晶振变化参数，模拟实际合并单元的内部物理晶振参数差异，按照合并单元实际采用晶振的频率fm与精度Pm，获取虚拟晶振的频率变化随机种子数f′m，虚拟晶振的频率变化范围同时也是合并单元上电初相的变化范围，f′m的随机范围计算如下式：
式中，Rmin为随机种子变化范围下限，Rmax为随机种子变化范围上限，fm为合并单元实际晶振标称频率，Pm为实际晶振精度，f′m为合并单元虚拟晶振频率随机数；
步骤4、采样异常控制：
采样异常随机分布采用控制窗数据来实现，采用连续、等间距、随机三类控制方式来实现，随机控制方式分为全范围等概率随机控制的方式和指定区间的不等概率随机控制方式，其中，光学电子式互感器采样大数异常采用指定区间的不等概率随机控制方式，光学电子式互感器无效数据的随机分布全范围等概率随机控制的方式，电学电子式互感器激光电源跌落过程的异常数据生成、激光电源调整过程异常仿真采用等间距控制方式，电源失效仿真采用连续控制方式；
步骤5、额定延时控制：
采用FPGA直接控制报文发送，根据不同电子式互感器的额定延时的不同，控制相对应光纤串行端口进行数据等待，发送等待时间扣除FPGA芯片自身的AD转换时间；
步骤6、光串口输出：
通过光串口输出模块，将经过数据等待的待发送的采样值报文组包，并按协议进行物理层编码，最后由光纤串口输出至外部。
2.根据权利要求1所述的一种集中式直流采样值数据转换方法，其特征在于，在步骤1中，AD采样转换公式如下：
Do＝Vin/10×215，
式中，Do为AD转换后输出数字量，Vin为AD转换的输入电压模拟量。
3.一种应用于权利要求1-2任一项所述的一种集中式直流采样值数据转换方法的装置，其特征在于，包括CPU控制模块、同步AD转换模块、光纤数据发送模块以及以太网通信模块；
其中，通过RTDS或PSCAD直流动态模拟仿真系统接入小模拟电压信号，经过同步AD转换模块转换后交由CPU控制模块进行采样值转换，再经上位机配置的通道映射、采样值异常控制方式以及额定延时控制后再由光纤数据发送模块发送。
4.根据权利要求3所述的一种集中式直流采样值数据转换装置，其特征在于，所述CPU控制模块包括PowerPC处理器以及FPGA芯片，其中，所述PowerPC处理器用于数据处理、组织，并与上位机通讯，所述FPGA芯片与外部的通信接口连接。
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