CN203180635U - 一种高采样率通用性合并单元 - Google Patents

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Abstract

一种高采样率通用性合并单元，包括接口总线，其上设有CPU模块的控制接口和采集接口、电源模块的供电接口和控制接口、数字采集模块的采集接口、模拟采集模块的采集接口和模拟接口、模拟转换模块的模拟接口，按键显示模块的控制接口，以及激光供能模块的供电接口，各模块通过接口总线接口的连接为可替换的插接式连接，数字采集模块、模拟采集模块采用统一接口类型，两者可以互换。本实用新型通过采用高速串行解码，采用高效率的IEC61850-9-2编码技术，解决了高采样率下的数据吞吐问题，可以满足512点/周波采样的数据分析要求。以上技术的实现，为合并单元应用到电能质量领域创造了条件。

Description

一种高采样率通用性合并单元
技术领域
本实用新型涉及一种高采样率通用性合并单元。
背景技术
合并单元是智能电网中的关键设备之一，其主要功能为完成电子式互感器的接口功能，合并汇集多路一次电子式互感器采样信号，通过以太网方式将合并后的数据发送给二次保护、测控、计量、电能质量监测装置。
近年来，随着技术的发展，合并单元逐步开始应用并日渐成熟。但目前来讲，合并单元主要应用在保护、测控领域，在电能质量监测领域的研究与应用并不多见。
电能质量监测对合并单元有独特的要求，其中一个主要指标是要求合并单元具备更高的采样速率，典型值为512点/周波，而一般保护、测控用合并单元采样频率典型值仅为80点/周波。
将合并单元应用到数字化变电站电能质量监测，在目前阶段仍然会遇到接入传统互感器的问题。而且，尚存在以模拟小信号输出的电子式互感器。为此，合并单元应能同时接入模拟量。这些不同的配置要求也为合并单元的应用提出了兼容性问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种高采样率通用性合并单元，其采样率高，通信速率快，满足电能质量监测装置数据分析的要求，且采用模块化设计思路，可通过自由组合模块与整机的方式灵活配置，具有很好的通用性，满足不同场合的接入需求。
解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种高采样率通用性合并单元，包括电源模块、CPU模块、数字采集模块、模拟转换模块、模拟采集模块、按键显示模块和激光供能模块，所述的电源模块给其余各模块供电，自适应外部220V/110V、AC/DC电源输入，所述的CPU模块既可依次经模拟采集模块和模拟转换模块后输入传统电磁式互感器的模拟信号、也可经数字采集模块直接输入电子式互感器的数字信号，CPU模块通过光纤以太网与电能质量检测装置连接，按键显示模块提供人机接口供查看运行状态、管理内部参数，激光供能模块通过光纤给电子式互感器提供能量，其特征是：设有接口总线，其上设有CPU模块的控制接口和采集接口、电源模块的供电接口和控制接口、数字采集模块的采集接口、模拟采集模块的采集接口和模拟接口、模拟转换模块的模拟接口，按键显示模块的控制接口，以及激光供能模块的供电接口，各模块通过接口总线接口的连接为可替换的插接式连接，数字采集模块、模拟采集模块采用统一接口类型，两者可以互换。
所述的各模块为现有产品。
所述电源模块通过供电接口向全系统提供标准的5V数字电源，还通过控制接口接收来自CPU模块的控制信号、提供告警输出接点。
所述CPU模块通过采集接口与数字采集模块、模拟采集模块进行交互，实现对互感器的采样功能，通过控制接口与电源模块、按键显示模块进行交互，实现对电源模块中告警输出接点的控制、对按键显示模块中按键检测与显示输出功能。每一组采集接口包括6路串行信号以及6路脉冲信号，可以实现对6路互感器的采样功能。每一组控制接口包括8路数据信号以及3路地址信号，每组控制接口可以连接多个模块，通过公用数据信号交换数据，通过地址信号选择具体控制特定模块，共可以实现对8个不同模块的控制。
所述数字采集模块实现合并单元与电子式互感器之间的数据通信，通过采集接口与CPU模块之间进行交互。为了保证不受外界电磁环境的干扰，合并单元与电子式互感器之间的数据通信采用光形式传输，传输内容包括1路脉冲信号、1路串行信号，这些传输内容统一汇总到采集接口。
所述模拟转换模块对外部传统电磁式互感器或电子式互感器模拟小信号进行调理，转换为AD可转换的弱模拟信号，通过模拟接口连接到模拟采集模块。每组模拟接口包括6路弱模拟信号，其电平范围为0~5V。
所述模拟采集模块通过模拟接口接收模拟转换模块的弱模拟信号，通过采集接口与CPU模块进行交互，当收到脉冲信号时执行AD转换，采样完成后输出串行编码信号给CPU模块。由于模拟采集模块与数字采集模块均使用采集接口与CPU进行交互，故两者可以相互替换。
所述按键显示模块通过控制接口与CPU模块进行交互，提供与外部接口功能，完成运行状态查看、参数管理功能。
所述激光供能模块接收电源模块供电接口所提供的5V电源，进行电光转换，以光能量方式向远端电子式互感器提供能源。
上述CPU模块、数字采集模块、模拟采集模块的特征是，为了满足电能质量监测采样速率要求，采用高速设计。CPU模块输出IEC61850-9-2格式报文，其与电能质量监测装置采用点对点形式连接，避免网络化传输带来的延迟。CPU模块采用FPGA并行处理方式，同时处理多路互感器采样信号。数字采集模块、模拟采集模块串行信号传输采用了5.0Mbps的通信速率，保证电能质量分析512点/周波采样频率下采样结果能够正常稳定传输。
本实用新型采用模块化的设计思路，数字采集模块、模拟采集模块可相互替换，以适应外部接入模拟量或数字量的不同场合，模拟采集模块不仅可以安放在合并单元中，也可以单独组成设备就地安装在电磁式互感器附近，避免模拟电信号长距离传输过程中的干扰与衰减。
有益效果：采用模块化的设计思路，将合并单元划分为几种可替换的功能模块，保证了实际应用的通用性。其中，数字采集模块与模拟采集模块可互换，保证合并单元既可接入新型的电子式互感器，也可以接入传统电磁式互感器；模拟采集模块不仅可以安放在合并单元中，也可以单独组成设备安装在电磁式互感器附近，避免了电信号长距离传输过程中的干扰与衰减；当不需要显示与按键模块、激光供能模块时，整机去掉该模块即可。在上述模块中，通过采用高速串行解码，采用高效率的IEC61850-9-2编码技术，解决了高采样率下的数据吞吐问题，可以满足512点/周波采样的数据分析要求。以上技术的实现，为合并单元应用到电能质量领域创造了条件。
附图说明
图1为本实用新型实施的总体模块框图；
图2为本实用新型接口总线示意图；
图3为本实用新型接口总线的激光电源模块接口图；
图4为本实用新型接口总线的模拟转换模块接口图；
图5为本实用新型接口总线的数字采集/模拟采集模块接口图；
图6为本实用新型接口总线的显示与按键接口图；
图7为本实用新型接口总线的电源模块接口图；
图8为本实用新型接口总线的CPU模块接口图；
图9为本实用新型接入支柱式电子式电流互感器场合应用示意图；
图10为本实用新型接入传统电磁式互感器场合应用示意图；
图11为本实用新型接入传统电磁式互感器模拟采集单元就地放置场合应用示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型的高采样率通用性合并单元实施例，包括电源模块、CPU模块、数字采集模块、模拟转换模块、模拟采集模块、按键显示模块和激光供能模块。电源模块给其余各模块供电，自适应外部220V/110V、AC/DC电源输入，电源模块还提供告警输出接点；CPU模块既可依次经模拟采集模块和模拟转换模块后输入传统电磁式互感器的模拟信号、也可经数字采集模块直接输入电子式互感器的数字信号，CPU模块通过光纤以太网与电能质量检测装置连接；按键显示模块提供人机接口供查看运行状态、管理内部参数；激光供能模块通过光纤给电子式互感器提供能量。
参见图2至图8，上述各模块的连接通过一接口总线，接口总线上设有CPU模块的控制接口和采集接口、电源模块的供电接口和控制接口、数字采集模块的采集接口、模拟采集模块的采集接口和模拟接口、模拟转换模块的模拟接口，按键显示模块的控制接口，以及激光供能模块的供电接口，各模块通过接口总线接口的连接为可替换的插接式连接，数字采集模块、模拟采集模块采用统一接口类型，两者可以互换。
电源模块将外部110/220V、AC/DC输入转换为标准的5V数字电源，通过供电接口为其它模块提供电源。同时，接收控制接口信号，输出报警接点。
CPU模块包括时钟同步、串行解码、插值算法、通信输出、人机接口、自检等几个子模块。通过时钟同步，合并单元控制各路采集单元等间隔采样，并控制不同采集单元之间同步采样，保证不同采集通道之间的角差精度要求。串行解码模块完成串行采样结果的解析功能，解析完后存储在本地内存中。解析完后的数据为原始采样数据，需要通过插值算法模块对这些原始数据进行数字信号处理，进行角差、比差的校准，使之达到所需要的精度。校准后的数据为最终要发出去的数据，这些数据通过通信输出模块，按照IEC61850-9-2进行编码，最后通过以太网将数据发送给二次电能质量监测装置。人机接口模块完成与外部交互功能，提供角差、比差校准所需参数的整定与查看，以及整个合并单元运行状况的监视查看。自检模块定期对装置软硬件环境进行检查，当出现异常时停止输出，避免输出错误数据。
模拟转换模块完成模拟信号的调理之后，通过模拟接口将调理后的弱模拟信号提供给模拟采集模块。模拟采集模块与CPU模块之间通过采集接口进行交互，控制AD转换以及采样结果的传输。同样，数字采集模块与CPU模块之间也采用采集接口交换数据，保证了两者的互换性。
按键显示模块与CPU模块之间、电源模块告警输出与CPU模块之间，采用统一控制接口进行数据交互，两者通过不同的地址进行区分。
经过上述接口功能细分，抽象出了公用以及专用的接口类型，要实现模块的互换性，对于公用接口，则共享数据接口，对于专用接口，则单独划分专门的接口位置。例如，数字采集模块与模拟采集模块的互换性，两者公用采集接口，但模拟采集模块另有专门的模拟接口，实施时将采集接口共享，而模拟接口只是在接入模拟采集模块时才会专门使用。
本实用新型可根据不同的应用要求进行组合，包括如下几种典型情况：
1）接入支柱式电子式电流互感器，需要激光电源，模块组合方式见图9所示，由激光供能模块向远端的电子式互感器供电，通过数字采集模块及CPU模块完成与电子式互感器的数据交换；
2）接入传统电磁式互感器，模块组合方式见图10所示，模拟转换模块接入电磁式互感器模拟信号，再通过模拟采集模块以及CPU模块完成采样及数据处理功能。
3）接入传统电磁式互感器，模拟采集单元就地放置，组合方式见图11所示。此时，使用合并单元中的模拟转换模块、模拟采集模块、电源模块组成单独的模拟采集单元，另外组装一个合并单元，包括数字采集模块、CPU模块、电源模块，模拟采集单元安装在电磁式互感器附近，完成模拟信号的数字化转换，再通过光纤将数字转换结果发送给合并单元。这种方式避免了直接将电磁式互感器模拟信号接入到合并单元时长距离的传输过程中模拟电信号的干扰与衰减。
将合并单元应用到电能质量监测场合，一个需要重点解决的问题是如何保证在高采样率时各项功能的正常运行，在实施时采取了如下措施：
1）采集接口使用高速接口实现。根据计算，采集数据的实际传输速率约为2.25Mbps（每个采集数据包括8字节，采用异步传输，每个字节传输需要11位，采样频率为25600Hz），为了保证足够的裕度，具体实施时传输速率为5.0Mbps。
2）采用并行方式对采集数据进行处理。合并单元每执行一次采样需要合并汇总多路采集信号，为了提高效率，各路信号的数据处理功能通过FPGA并行处理实现。FPGA采用硬件化的实现方式，在并行处理方面具备天生的优势。
3）采用点对点方式实现合并单元与电能质量监测装置的数据通信，避免网络化传输带来的延迟。
通过上述措施的实施，保证了合并单元在高采样率时各项功能的正常运行，可以满足电能质量监测装置数据分析要求。

Claims (3)

1.一种高采样率通用性合并单元，包括电源模块、CPU模块、数字采集模块、模拟转换模块、模拟采集模块、按键显示模块和激光供能模块，所述的电源模块给其余各模块供电，自适应外部220V/110V、AC/DC电源输入，所述的CPU模块既可依次经模拟采集模块和模拟转换模块后输入传统电磁式互感器的模拟信号、也可经数字采集模块直接输入电子式互感器的数字信号，CPU模块通过光纤以太网与电能质量检测装置连接，按键显示模块提供人机接口供查看运行状态、管理内部参数，激光供能模块通过光纤给电子式互感器提供能量，其特征是：设有接口总线，其上设有CPU模块的控制接口和采集接口、电源模块的供电接口和控制接口、数字采集模块的采集接口、模拟采集模块的采集接口和模拟接口、模拟转换模块的模拟接口，按键显示模块的控制接口，以及激光供能模块的供电接口，各模块通过接口总线接口的连接为可替换的插接式连接，数字采集模块、模拟采集模块采用统一接口类型，两者可以互换。
2.根据权利要求1所述的高采样率通用性合并单元，其特征是：所述电源模块通过供电接口向全系统提供标准的5V数字电源，还提供告警输出接点；所述CPU模块通过采集接口与数字采集模块、模拟采集模块进行交互，通过控制接口与电源模块、按键显示模块进行交互；每一组采集接口包括6路串行信号以及6路脉冲信号，每一组控制接口包括8路数据信号以及3路地址信号，每组控制接口连接多个模块，通过公用数据信号交换数据，通过地址信号选择具体控制特定模块8个不同模块；
所述数字采集模块实现合并单元与电子式互感器之间的数据通信，通过采集接口与CPU模块之间进行交互；合并单元与电子式互感器之间的数据通信采用光形式传输，传输内容包括1路脉冲信号和1路串行信号并统一汇总到采集接口；
所述模拟转换模块对外部传统电磁式互感器或电子式互感器模拟小信号进行调理，转换为AD可转换的弱模拟信号，通过模拟接口连接到模拟采集模块；每组模拟接口包括6路弱模拟信号，其电平范围为0~5V；
所述模拟采集模块通过模拟接口接收模拟转换模块的模拟信号，通过采集接口与CPU模块进行交互，收到脉冲信号时执行AD转换，采样完成后输出串行编码信号给CPU模块；
所述按键显示模块通过控制接口与CPU模块进行交互，提供与外部接口功能，完成运行状态查看、参数管理功能；
所述激光供能模块接收电源模块供电接口所提供的5V电源，进行电光转换，以光能量方式向远端电子式互感器提供能源。
3.根据权利要求2所述的高采样率通用性合并单元，其特征是：所述的CPU模块输出IEC61850-9-2格式报文，与电能质量监测装置采用点对点形式连接；CPU模块采用FPGA并行处理方式，同时处理多路互感器采样信号；数字采集模块、模拟采集模块串行信号传输采用5.0Mbps的通信速率。
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