CN1553197A - 电力光学电压传感器信号重构和输出模块 - Google Patents

Abstract

一种电力光学电压传感器信号重构和输出模块，由数字信号处理器DSP及其外围电路组成，外围电路包括晶振、数模转换器D/A、监控集成芯片、片外程序存储器，晶振为DSP提供时钟信号，集成监控芯片及其外围电阻构成看门狗电路，DSP从其数据线读入经过A/D转换的光电信号，在DSP模块内进行重构，重构后的信号送入D/A的串行数据输入端，D/A对接收到的数据进行数模转换，最终得到重构后的光电模拟信号。本发明能够恢复加在电光晶体两端的电压，同时也能够为恢复和测量的电压信号提供输出，为下一级的模拟设备提供处理的信号。

Description

电力光学电压传感器信号重构和输出模块

技术领域：

本发明涉及一种电力光学电压传感器信号重构和输出模块，用于高压电力测试中光电电压互感器的信号重构和输出，属于电力自动化技术领域。

背景技术：

目前在高压电力测试系统中电压的测量主要是采用传统的电磁感应式的电压互感器(VT-Voltage Transformer)和电容分压式互感器(CVT-CapacitanceVoltage Transformer)，这两种电压互感器已经有较长时间的使用历史。随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，也已充分暴露了它本身存在的缺点和问题：体积大而笨重，造价高，因有铁心而存在铁磁饱和铁磁谐振和磁滞现象，频带较窄，易使快速变化的信号产生畸变，采用油作为填充而易发生爆炸，给电力系统运行的安全带来隐患，需要复杂而昂贵的绝缘措施等等。

电力光学电压传感器(Optic Voltage Transducer)俗称光电电压互感器(Electro Optic Voltage Transformer)，是一类基于泡克耳斯效应的新一代电力系统高压测量设备。它主要由三个部分组成，绝缘主体单元、光学晶体敏感单元、数字信号实时处理单元。数字信号实时处理单元是光学电压传感器的核心，它又由光信号数字采集、信号重构和输出模块组成。与传统的电压互感器相比，其响应速度快，免于电磁干扰，使用安全方便。尽管如此，某些方面仍还不够成熟，比如稳定性与可靠性不够理想。目前还没有这项技术研究和应用的详细报道。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种电力光学电压传感器信号重构和输出模块，通过对光学电压传感器光信号数字采集模块采集到的两路光电信号进行电压信号的重构，恢复加在电光晶体两端的电压，以达到测量和恢复被测电压的目的，同时为恢复和测量的电压信号提供输出，为下一级的模拟设备提供处理的信号。

为了实现这样的目的，本发明设计的模块采用数字信号处理器DSP、利用信号重构算法和光电电压互感器的电光晶体的特性来对光学电压传感器光信号数字采集模块采集的两路光电信号来进行电压信号的重构，恢复加在电光晶体两端的电压，并把恢复和测量的电压信号结果通过D/A转换器转换成模拟量输出。

本发明的信号重构和输出模块在硬件设计上主要由数字信号处理器DSP及其外围电路组成。它的外围电路包括晶振、数模转换器(D/A)、监控集成芯片、片外程序存储器(EPROM)等。片外程序存储器的输出数据线、地址线分别与DSP的数据线、地址线对应相连，监控集成芯片的复位端与DSP的复位端相连，晶振的时钟输出连接DSP的时钟输入，DSP的作为数据输出和控制的三个通用标志引脚(PF0、PF4、PF5)分别与D/A锁存信号、时钟输入、串行数据输入相连。晶振为DSP提供时钟信号，集成监控芯片及其外围电阻构成看门狗电路。

当系统上电通过集成监控系统复位后，系统应用程序从片外EPROM中的字节存储区自动加载到DSP系统的程序存储区中，当程序传输完成后，程序自动从DSP程序存储区(简称PM)的0X0000地址处开始执行，并从其数据线读入经过A/D转换的光电信号，在DSP模块内进行重构，重构后的信号，通过DSP的PF5口串行输出送入D/A的串行数据输入端，D/A对接收到的数据进行数模转换，最终得到重构后的光电模拟信号。在程序运行过程中，晶振为处理器提供时钟信号，集成监控芯片及其外围电阻构成看门狗电路，实现对电源电压的监控和程序飞溢的监视。

本发明用于高压电力测试中光电电压互感器的信号重构和输出，能够恢复加在电光晶体两端的电压，同时也能够为恢复和测量的电压信号提供输出，为下一级的模拟设备提供处理的信号，工作稳定，性能可靠。

附图说明：

图1为本发明的信号重构和输出模块结构原理图。

图2为电场电压恢复算法流程图。

图3为D/A输出程序流程图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明的信号重构和输出模块在硬件设计上主要由DSP模块及其外围电路组成。它的外围电路包括晶振、数模转换器(D/A)、监控集成芯片、片外程序存储器(EPROM)等。EPROM的输出数据线、地址线等引脚分别与DSP的数据线、地址线等引脚对应相连，集成监控芯片的复位引脚与DSP的复位引脚相连，晶振的时钟输出引脚接DSP的时钟输入引脚，DSP的三个通用标志引脚(PF0、PF4、PF5)分别与D/A锁存信号引脚、时钟输入引脚、串行数据传输线相连。当系统上电通过集成监控系统复位后，DSP模块从EPROM中读入程序执行，并从其数据线读入经过A/D转换的光电信号，在DSP模块内进行重构，重构后的信号，通过DSP的PF5口串行输出，D/A对串行输出的数据进行数模转换，最终得到重构后的光电模拟信号。

本发明的软件设计部分主要包括信号重构模块和信号输出模块的软件设计。附图2，附图3分别为信号重构模块的电场电压恢复算法流程图、信号输出模块的D/A输出程序流程图。这些软件部分的设计在DSP模块中得到实现。

以下通过实例加以说明。

本发明的信号重构和输出模块的主体核心是DSP处理器。在设计时选用ADI公司的ADSP2181 DSP芯片。在设计时主要根据DSP存储结构和外围接口、光电电压互感器的电光晶体特性以及信号重构算法进行设计的。

信号重构模块

本发明的信号重构模块在硬件上主要由DSP与晶振、监控集成芯片、片外程序存储器相连而构成，如附图1所示。EPROM的输出数据线、地址线等引脚分别与DSP的数据线、地址线等引脚相连，集成监控芯片的复位引脚与DSP的复位引脚相连，晶振的时钟输出引脚接DSP的时钟输入引脚，DSP的三个通用标志引脚(PF0、PF4、PF5)分别与D/A锁存信号引脚、时钟输入引脚、串行数据传输线相连。晶振主要为DSP提供时钟信号驱动，监控集成芯片起到系统复位、看门狗定时输出、电源电压监控等作用，片外程序存储器用来存放启动加载软件和用户软件。

由于ADSP2181可外接的时钟频率为5MHz～20MHz，本模块选用20MHz的一体化晶振来给处理器ADSP2181提供时钟信号。该一体化晶体有四个管脚，其中，1脚悬空，2脚接地，3脚接在CLKIN管脚上，4脚接5V电源电压。

由于ADSP2181的系统时钟频率较高，在运行实际中有可能发生干扰的现象，严重时导致系统的死机。为了克服这种现象，实现对电源电压监控和程序的飞溢的监视，必须设计合理的看门狗电路。选用了MAXIM公司的集成芯片MAX705监控集成电路及其与外围电阻构成看门狗电路。

在系统上电时，一旦Vcc达到1V，输出引脚/RESET会处于低电平状态，当Vcc上升时，/RESET仍然保持低电平，一旦当Vcc超过门限电压4.65V时，再过200ms后/RESET恢复高电平状态。当Vcc低于复位的门限电压4.65V的时候，/RESET引脚输出负电平脉冲给DSP，使系统复位。当Vcc由低于复位门限上升为高于复位门限的时候，/RESET引脚先保持200ms的低电平脉冲，然后上升为高电平。

如果在时间为1.6秒内DSP没有触发看门狗输入引脚WDI，且WDI不处于三态状态，则看门狗的输出/WDO将变成低电平，把此引脚接到ADSP2181的中断/IRQ2上，只要/RESET有效或者WDI输入处于三态，看门狗定时器就清除而不计数，而一旦/RESET无效且WDI不是处于三态，看门狗电路的定时器就开始计数。触发看门狗的方法是在WDI引脚上加一个正脉冲信号，用这种方法来防止程序跑飞，DSP不断通过PF2口给WDI引脚加正脉冲，两次脉冲的时间间隔不大于1.6秒，则/WDO的输出始终为高电平，此时程序执行是正常的，如果程序跑飞是由于干扰信号改变了程序计数器的计数引起WDI引脚就不可能按时接收到正脉冲信号，此时看门狗的输出引脚/WDO就变为低电平，从而引起系统的中断，可以在中断服务程序中，改变程序的执行顺序，使程序恢复到正常运行状态。

电源故障输入端PFI的电压与内部基准电压进行比较，如果PFI处电压低于1.25V时，则电源故障输出端/PFO就变成低电平。把电源故障输出端接到DSP的/IRQE的中断输入端，通过接入分压电阻100K和1M，可对15V电源故障进行告警。

/MR是手动复位引脚，当在/MR引脚处加一个宽度不小于140ms的低电平时，看门狗电路便进行复位开始计数，同时在/RESET引脚处输出宽度不小于200ms的负脉冲。对/MR引脚处的输入低脉冲宽度要求是为了有效消除机械开关的抖动影响，以免引起误操作，由于/MR是与TTL/CMOS电平兼容的，也可用外部逻辑电路来复位。为了简化电路和减少编程工作，把电路进行进一步的改造，直接把/WDO的输出引脚接到输入引脚/MR处。

本系统要能正常运行，还必须设计启动电路，在设计上，选用低价格的、适合工业用的、CMOS型的27C128 EPROM作为外部程序存储器。利用ADI公司提供的ADSP21XX系列的PROMSPLITTER工具软件，为基于ADSP2181的设计加上系统启动加载软件，在用户的应用软件前加上存储引导代码，把产生的存储引导代码和应用程序烧制到EPROM中，通过ADSP2181的字节存储来启动目标系统。这存储引导代码就包含在系统启动时从字节存储中加载到DSP中的32个字中。

当定义DSP引脚BMODE＝0和MMAP＝0，也即都接地此时DSP执行BDMA启动方式，当复位以后，DSP初始化BDMA启动序列，建立以下过程：BDIR、BMPAGE、BEAD、BIAD、BTYPE的寄存器值设置为零；BWCOUNT寄存器值设置为32；BCR寄存器值设置为1；BMWAIT寄存器值设置为7。其中寄存器BTYPE设置的值规定了24位程序存储的传输，而BWCOUNT寄存器的值定义了传输的32个字，BCR寄存器值表明了中止程序的执行直到32个字加载到片内的程序存储区为止，同时在32个字传输完成之后使程序在程序存储(PM)地址为0X0000处开始执行。BMWAIT寄存器的值表示了BDMA访问的最大等待时间为7个时钟周期，接下来的事情就是系统通过BDMA方式从字节存储区中把32个字的启动程序代码头加载到片内的程序存储区中，这加载的32个字是用于建立系统的BDMA加载方式，以便把用户设计的系统应用程序从字节存储区中加载到系统的程序存储区中，当程序传输完成后，程序自动从程序存储PM的0X0000地址处开始执行。

另外，把EPROM的Vcc、VPP PGM引脚接到5V的电源上，把编制好的程序通过一定的烧EPROM的设备用一定的格式烧制到27C128中，当给系统上电或复位时，DSP按照一定的时序要求，发出/RD和/BMS信号，然后使数据总线的数据传输有效，这样系统通过BDMA方式进行了启动。

信号重构模块的软件设计主要是关于信号重构算法的设计。在算法的处理上，为了进行全电压光纤电压的测量，利用对光学电压传感器光信号数字采集模块采集到的两路光电信号来实现电压的恢复和其他相关的信号处理。

按照纵向电光调制以及相应的起偏器、晶体、检偏器和波片的放置方法，经过光电电压互感器后，可以产生两路光I1和I2的光强。因两路信号是互相正交，两路信号之间和信号与对称轴之间出现一系列的交点，本算法设计是基于这些相互的交点，与中间对称轴的交点的计算上。

利用两路正交的信号来实现计数，方法主要是当波形经过一个零点时，无论是哪一路，都进行计数值N的计数。在计数过程中，有一个非常重要的问题是计数值的加、减的方向，这要用到两路信号的相对关系，当I1超前I2时，N值进行计数加操作，也即无论哪一路信号每经过一个零交叉点，N值加1；当I1落后于I2时，N值进行计数减操作，也即无论哪一路信号每经过一个零交叉点，N值减1。要注意，在这个计数过程中，之所以要引入另一路与之正交的信号是为了判断要恢复的电场电压信号的上升和下降的方向，以便在作计数的过程中及时调整N值得计数方向。当信号I1超前于信号I2时，要恢复的电场电压波形是处于上升过程中，也即在算法中计数值N是要进行计数加1的操作过程。当信号I1滞后于信号I2时，要恢复的电场电压波形是处于下降过程中的，也即在算法中计数值N是要进行计数减1的操作。

由此，利用两路波形的超前和滞后的情况，解决了恢复的电场电压的上升和下降过程的判断，以及对电场电压的初步计算过程。在这里信号I1和信号I2的超前和滞后的判断对于算法是十分重要的。利用信号I1和信号I2的进入零值静带前的采样值与信号的当前工作采样值之间的关系来判断信号的超前和滞后的相位关系。

首先设置一个参数A，让它等于信号I1进入零值静带前的采样值减去信号的当前采样值，或者是等于信号I2进入零值静带前的采样值减去信号的当前采样值。这样，A值只有三种取值情况：0、-2、2，然后再利用当前信号I1和I2的采样值与之比较。

当值A为零时，信号与零轴没有零交叉点，不进行判断；当A不为零时，有两种情况：一是A取值为信号I1进入零值静带前的采样值减去信号I1的当前采样值时，把A的符号与信号I2的当前采样值符号进行比较，如果符号一样，说明信号I1超前于信号I2，否则信号I1滞后于信号I2，二是A取值为信号I2进入零值静带前的采样值减去信号I2的当前采样值时，把A的符号与信号I1的当前采样值符号进行比较，如果不符号一样，说明信号I1超前于信号I2，否则信号I1滞后于信号I2。

但这仅仅是恢复波形的雏形，其实在恢复过程中，按半波电压计数的方式对恢复的电场电压值来说，重复进行了I1和I2的过零交叉点的计数，使恢复的电场电压相应放大了一倍，因此在最后计算电场电压时要进行除2处理，以便计算的值符合恢复的电场电压。

在恢复了电场电压信号的阶梯波形后，现在重要的任务是进一步完善电场电压信号的波形，以形成一个完整的电场信号，在两个相邻的阶梯之间，N值相差1，而实际上相差一个半波电压引起的幅值差异。用I1或I2的实际值来插值两个相邻阶梯之间的值。之所以用I1或I2的实际值来插值，是由于根据透射率公式4-1可以得到，在一个半波电压内，电压与光强存在一一对应的关系，当通过信号归一化处理把信号限制在很小的范围内变化时，可以假设Δ＝sinΔ，得到了电场电压与当前瞬时信号值I1或I2的线性关系。利用信号的瞬时值来近似插值阶梯波之间的曲线就可以得到阶梯波形之间的电场电压信号的恢复值。

综上所述，电场电压波形的恢复过程是：首先由采集得到的两路信号进行零交叉点的个数N值计数，然后把N值进行除2处理，从而得到要恢复的电场电压的初步阶梯波形图，再经过上述所讲述的处理和假设以后，在两个相邻的阶梯波形之间采用信号瞬时值插值方式进行波形的细化和完善，可得到最终的电场电压恢复波形图。

设计的电场电压恢复算法流程图如附图2所示。

信号输出模块

在满足精度要求的情况下，为了使设计的电路尽量简单，本发明在硬件上选用ADI公司生产的AD420芯片作为数模转换器，并将其与ADSP2181相连，构成信号输出模块的硬件电路，如附图1所示。在与ADSP2181的连线上AD420采用三线制。为了把输出的电流信号I_out转换为电压信号，可在外部接一个标准电阻R₃。

从ADSP2181传过来的数据在时钟信号CLOCK的控制下，进入AD420的数据输入寄存器中，当在LATCH信号的驱动下，进入D/A转换器。

AD420的数据操作不同于一般的串行口送数方式，一般的串行口送数是由中断送数，其间可不用对送数操作做具体管理，只要系统响应中断，进入串行通讯方式，对寄存器TX发数，中断会自动将数送入D/A，主要有系统的中断服务程序完成数据传输操作，但是由于AD420的时序与DSP2181的时序不同，采用该种操作会导致送数结果与实际不符，引起一定误差甚至发生错误。所以采用了同步串行送数，由软件发送同步时钟和数据位，但这种方式也有一定缺陷，需要DSP不停干预系统传输，占用DSP时间，从而给整个系统造成时间的精度问题，但由于DSP的处理时钟频率很高，系统的延时应该不是主要问题。

与A/D采样一样利用ADSP2181的PF口的PF0、PF4和PF5来进行D/A三线制的数据传输接口，如附图1所示接法用PF0去控制D/A的锁存信号，PF4作为时钟控制输入引脚，PF5用作串行数据的传输线。

根据时序的要求，设定AD420用的时钟信号CLOCK，然后启动时钟信号，由于从A/D采样得到的数据经过ADSP2181的处理以后，需要输出的数据存放于寄存器AY0中，因此，设定程序的入口为AY0，在程序中设置PF0、PF4和PF5作为输出用汇编语言实现如下：

AX0＝0X7731

DM 0X3FE6＝AX0

为了实现数据的串行输出，必须对存放数据的寄存器中的数据进行判断，如果是0，则在数据输出口PF5(也即DATA IN)传输数据0，反之，则传输数据1。通过循环来实现16位数据的传输工作，程序的流程图附图3所示。

Claims (1)

1、一种电力光学电压传感器信号重构和输出模块，其特征在于主要由数字信号处理器DSP及其外围电路组成，外围电路包括晶振、数模转换器D/A、监控集成芯片、片外程序存储器，片外程序存储器的输出数据线、地址线分别与DSP的数据线、地址线对应相连，监控集成芯片的复位端与DSP的复位端相连，晶振的时钟输出连接DSP的时钟输入，DSP的作为数据输出和控制的三个通用标志引脚分别与D/A锁存信号、时钟输入、串行数据输入相连，晶振为DSP提供时钟信号，集成监控芯片及其外围电阻构成看门狗电路，DSP从其数据线读入经过A/D转换的光电信号，在DSP模块内进行重构，重构后的信号送入D/A的串行数据输入端，D/A对接收到的数据进行数模转换，最终得到重构后的光电模拟信号。