CN204741453U - 手持式光数字信号分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种手持式光数字信号分析仪，由上位机和下位机组成，上位机与下位机之间通过无线网口交互，下位机进行收发报文和初步处理工作，上位机进行控制和显示。实现以下功能：支持发送与接收IEC61850-9-2、IEC60044-8或FT3、GOOSE光数字报文，接收IRIG-B码报文；支持网络报文侦听，拥有IEC61850-9-2报文波形显示、谐波分析、报文的时间离散度统计、丢帧或错序报警和GOOSE报文变位提示、变位报文时间间隔统计；支持核相功能；支持多个状态按预先设定序列输出测试；图形化SCD文件，支持变电站全站系统配置文件导入并以拓扑图方式呈现，直接进行收发报文的配置；支持采样值极性测试、光功率检测、下位机电量读取。上位机数据显示清晰度高，响应速度快，操作简洁、流畅。

Description

手持式光数字信号分析仪

技术领域

本实用新型属于手持式测试仪器技术领域，尤其涉及一种用于电力行业测试的手持式光数字信号分析仪。

背景技术

智能变电站/数字化变电站数据从源头实现数字化，真正实现了信息集成、网络通信及数据共享。智能变电站中电压、电流在采集模块中进行AD采样，通过光纤将采集量传送至合并单元(MU)，合并单元将合并后的信号按IEC61850-9-2、IEC60044-8规约传送至光数字继电保护装置，此外，智能变电站采用GOOSE报文通过网络传输开关量信号，通过智能终端操作断路器，对断路器进行跳合闸操作。由此看来，智能变电站与传统变电站有着极大的差异，继电保护装置、合并单元及智能终端的测试与监测都是新的重要的发展方向。

手持式光数字信号分析仪是基于数字化变电站IEC61850标准开发的，广泛适用于110kV～750kV智能变电站/数字化变电站光数字继电保护装置的快速简捷测试、MU输出信息快捷监测以及遥测、遥信量快捷监测。

发明内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种手持式光数字信号分析仪，用于智能变电站系统联调、安装调试、故障检修、IEC61850体系及相关技能培训。

手持式光数字信号分析仪，由上位机和下位机组成，其特征在于：上位机与下位机之间通过无线网口交互，下位机进行收发报文和初步处理工作，上位机进行控制和显示。

所述下位机包括DSP主控模块、FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块、无线网口通讯模块，下位机外置接口：两对光以太网口、一对光串口和一个光功率探测接口，两对光以太网口分别与同一个光以太网口收发模块相连，一对光串口分别与FPGA模块的光串口接收端和发送端相连，一个光功率探测接口与光功率检测模块的光电探测器相连，DSP主控模块分别与FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块相连，无线网口通讯模块与另一个光以太网口收发模块相连。

所述下位机根据数据流走向分为:

光串口接收：光接收串口选用850nm接收光模块，FT3和B码报文经过光串口接收转换为电信号，到达运算放大器，将弱信号放大，而后经过比较器，将模拟信号转变为数字信号，将数字信号送入Xilinx Spatan6系列FPGA，经FPGA做串并行数据转换后转给ADI双核DSP；

光串口发送：FT3报文由DSP产生，经过FPGA、驱动芯片、光串口发送模块，转换为850nm的光发出；

光以太网口收发：光以太网模块将接收的IEC61850-9-2或GOOSE报文转化为电信号，发给光以太网物理层芯片，将串行数据转换为并行数据发送到DSP，光以太网口发送过程与这相反；

无线网收发：下位机通过天线接收上位机发送的数据，由WIFI模块接收，WIFI模块将数据转发给PHY，PHY组帧后发给DSP，WIFI发送过程与其相反；

光功率检测：被测光信号经光电探测器转换为光电流，经对数放大器，放大为电压信号，后经14位AD芯片转换为数字信号，发送到DSP。

所述DSP主控模块用到的DSP为双核DSP。两个核分配不同的任务，协调工作，极大地提高了工作效率。一个核主要负责各接口报文的收发、数据解析，另一个核主要负责与上位机通讯及上位机命令的解析。

光以太网口用于收发IEC61850-9-2和GOOSE报文，光串口用于收发IEC60044-8报文或FT3报文、接收IRIG-B码报文，光功率探测接口用于检测850nm波长或FT3通讯协议波长和1310nm波长或9-2、GOOSE通讯协议波长的光功率；上位机采用ARM系列4核CPU作为控制芯片，在安卓系统上安装对应的应用软件，并用快捷的触屏操作方式，上下位机通过无线网口通讯。此种应用为业界首创，极具实用性，通过无线网口与下位机交互。

所述FPGA模块，其对FT3报文和IRIG-B码报文的接收采用电路复用的方案，只用一个光串口接收头，就可实现两种协议报文的接收。此复用方案的实现借助于FT3和IRIG-B码报文传输的信号频段不同。

本实用新型支持发送与接收IEC61850-9-2、IEC60044-8或FT3、GOOSE光数字报文，可接收IRIG-B码报文，完成对光数字继电保护和测控装置的测试；

支持网络报文侦听，拥有IEC61850-9-2报文波形显示、谐波分析、报文的时间离散度统计、丢帧或错序报警和GOOSE报文变位提示、变位报文时间间隔统计等功能；

支持核相功能，可实现同一光口接收的不同APPID报文的核相和不同光口接收的不同APPID报文的核相；

支持单光纤收发IEC61850-9-2报文和GOOSE报文，满足电力系统光数字保护单收单发的需求；

支持多个状态按预先设定序列输出测试，可选手动、限时和开入量三种切换方式，同时可记录开入GOOSE的动作、返回时间；

支持变电站全站系统配置文件(SCD文件)导入并以拓扑图方式呈现，拓扑图将全站系统中包含的IEC61850-9-2、GOOSE报文，IEC61850-9-2报文中包含的采样通道含义及各报文的数据流向全部列出，可直接依照拓扑图选取试验将要发送和接收的报文，使试验中报文的选取变得清晰明了；

支持采样值极性测试，将IEC61850-9-2报文的采样值以正负极的图形化方式直观表示。

支持接收光功率检测，测试范围-60dBm到0dBm、可检测单根光纤通断情况。

支持下位机电池电量读取功能，本设备电量低时及时报警，以免因电量不足而影响测试。

上位机借助成熟的安卓操作系统，直接安装本设备适用的应用程序，稳定性高。选用8寸电容式多点触控显示屏PAD，显示清晰度高，操作简洁、流畅。此种应用为业界首创。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图。

图2是本实用新型的下位机所用元器件架构图。

图3是本实用新型的下位机收发报文电路示意图。

图4是本实用新型的下位机光功率检测电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，本实用新型由上位机和下位机组成，上位机与下位机之间通过无线网口交互，下位机进行收发报文和初步处理工作，上位机进行控制和显示。

如图2、图3、图4所示，所述下位机包括DSP主控模块、FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块、无线网口通讯模块，下位机外置接口：两对光以太网口、一对光串口和一个光功率探测接口，两对光以太网口分别与同一个光以太网口收发模块相连，一对光串口分别与FPGA模块的光串口接收端和发送端相连，一个光功率探测接口与光功率检测模块的光电探测器相连，DSP主控模块分别与FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块相连，无线网口通讯模块与另一个光以太网口收发模块相连；

所述下位机根据数据流走向分为：

光串口接收：光接收串口选用安华高厂家的850nm接收光模块，FT3和B码报文经过光串口接收转换为电信号，到达运算放大器，将弱信号放大，而后经过比较器，将模拟信号转变为数字信号，将数字信号送入XilinxSpatan6系列FPGA，经FPGA做串并行数据转换后转给ADI双核DSP；

光串口发送：FT3报文由DSP产生，经过FPGA、驱动芯片、光串口发送模块，转换为850nm的光发出；

光以太网口收发：光以太网模块将接收的IEC61850-9-2或GOOSE报文转化为电信号，发给光以太网物理层芯片PHY，将串行数据转换为并行数据发送到DSP，光以太网口发送过程与这相反；

无线网收发：下位机通过天线接收上位机发送的数据，由WIFI模块接收，WIFI模块将数据转发给PHY，PHY组帧后发给DSP，WIFI发送过程与其相反；

光功率检测：被测光信号经光功率探测接口到光电探测器转换为光电流，经对数放大器，放大为电压信号，后经14位AD芯片转换为数字信号，发送到DSP。

所述DSP主控模块用到的DSP为双核DSP。两个核分配不同的任务，协调工作，极大地提高了工作效率。一个核主要负责各接口报文的收发、数据解析，另一个核主要负责与上位机通讯及上位机命令的解析。

(1)图2为下位机收发光以太网报文和光串口报文的电路示意图，详示了收发报文的整个硬件通路。接收和发送IEC61850-9-2和GOOSE报文的两对通讯光口为ST头1310nm光模块，两个光模块通过阻容匹配网络与PHY相连。接收报文时，光信号经过光模块的光电探测器转换为模拟电信号，然后PHY将收到的模拟信号转换为数字信号，送到DSP；DSP对报文进行初步分析和筛选，通过并行接口送给负责与上位机通讯的PHY，PHY将数字信号转换为模拟信号送到无线网口模块，由无线网口模块转发给上位机。发送报文时与之过程相反，报文数据由上位机通过无线网口模块传给下位机，经过逆向过程后转换为光信号，从光模块发出。

接收和发送IEC60044-8或FT3报文及接收IRIG-B码报文的一对通讯光口为ST头850nm光模块。接收报文采用光串口复用技术，用一个接收串口可接收FT3报文和IRIG-B码报文。接收电路采用运算放大器和比较器，对光电转换后的模拟信号放大，转变为数字信号提供给FPGA，FPGA将收到的报文转发给DSP，进而通过无线网口上传给上位机。发送过程与之相反，只是电路有所不同，FPGA到光模块之间用一个驱动芯片增加信号强度，以达到更大的发送功率，传输距离更远。

(2)本实用新型支持网络报文侦听功能。由于受无线网口的传输速度限制，下位机不可能把所有的报文转发给上位机，所以大部分报文解析工作在下位机完成。下位机DSP为双核DSP，一个核负责报文的发送和接收报文的解析，一个核负责上位机指令的读取以及给上位机上传数据。两个核协同工作，可以有效提高工作效率。

IEC61850-9-2报文有效值计算、波形显示、谐波分析功能的实现过程如下：上位机下发指令，包括从光口1还是光口2接收报文，报文的APPID值，及每周期的帧数等信息。下位机根据指令，扫描某光网口中的报文，将指定APPID的9-2报文按照所需点数缓存下来，由于无线网口通讯的带宽和上位机处理速度的限制，报文不能按照报文原有的时间间隔上传，需要在报文与报文之间增加延时后上传。上位机便可得到一个整周期的报文，然后上位机对整周期报文进行有效值运算、波形显示及谐波分析。

由于IEC61850-9-2报文时间间隔较短，下位机不能将所有报文实时传给上位机，所以报文时间离散度的统计由下位机完成，将结果上传给上位机，然后上位机用图表方式直观的显示出来。由于从光口接收的帧数据在PHY中无缓存，几乎无延时的到达DSP，DSP可以通过定时器统计两帧到达DSP的时间间隔，此时间间隔即为两帧报文从对端设备发出的时间间隔。DSP计算同一光口相同APPID的两帧之间的时间差，对时间差进行离散度统计，每1秒汇总一次统计结果，上传给上位机。此功能的实现借助于双核的协同工作，一个核只负责报文时间离散度统计，另一核负责将结果上传给上位机，这样分配不会因为上传数据占用时间而丢帧，保证了统计的准确性。在进行时间离散度统计的同时，下位机还会验证接收的IEC61850-9-2报文的SmpCnt(标示报文序号的参数)是否连续，如果不连续就会上传报警信息，在报文时间离散度统计的同时实现了丢帧/错序的报警功能。

GOOSE报文的时间间隔最小为ms级别，时间间隔较长，且只在变位时才会达到1ms的时间间隔，帧密度相较于IEC61850-9-2报文而言非常小，下位机可以将接收到的报文直接转发给上位机。为了保证上位机可以统计GOOSE报文的时间间隔信息，下位机在GOOSE报文前加上时间戳后再上传。上位机便可统计出GOOSE变位报文的时间间隔。

(3)核相功能的实现与IEC61850-9-2报文的有效值计算方式相似。在9-2报文侦听时，下位机只上传一个APPID的报文；而实现核相功能时，下位机分时的交替上传两个APPID的报文，由上位机计算显示核相结果。

(4)本实用新型支持单光纤收发IEC61850-9-2和GOOSE报文能力。一般而言，PHY都支持单光纤接收，默认配置下不支持单光纤发送。这是由于PHY在检测到有对端器件时才能发送有效数据信号，当只有一根光纤接在发送光口时，没有接收光信号进入PHY，PHY判断为无对端器件，所以不能发送有效数据信号。我们发现，可以通过更改PHY中的光纤链路寄存器，强制它认为有对端器件，即相当于虚拟的建立了链接，便可实现单光纤发送。

(5)本实用新型支持状态序列试验。即多个状态下的IEC61850-9-2报文采样值和GOOSE报文开关量按照预先设定好的值发送，同时侦听接收GOOSE报文中的变位信息。状态序列切换的触发方式分为手动触发、限时触发和开入量触发。

由于状态序列试验涉及到发送IEC61850-9-2帧、GOOSE帧，接收GOOSE帧，以及不同状态下不同的参数值。上位机下发指令时，将分步骤发送不同的指令，下位机每收到一个指令时做相应的回复帧，上位机收到回复帧后再发下一帧。下位机在SRAM中开辟一段存储空间，用于存储指令中对各状态下报文的设置。待所有设置指令下发完毕之后，上位机下发试验开始指令。下位机从状态1开始，在达到预先设定的触发条件时，下位机切换到下一状态，直至最后一个状态，然后结束试验。

状态切换的触发方式三种可选，手动触发方式即上位机有触发键，用户点击触发键后，上位机发送切换指令给下位机，下位机立即切换到下一状态；限时切换方式即在下发设置指令时，上位机将用户设置的某状态持续时间下发给下位机，下位机开启定时器，某状态达到持续时间后自动切换到下一状态；开入量触发方式即下位机监测接收到的某APPID的GOOSE报文，在相应的某一个或几个开关量动作时，切换到下一状态，并上传动作和返回时间。

(6)本实用新型可实现1310nm和850nm两个波长的光功率测试功能，对应于光以太网口和光串口的接收光功率。如图4所示电路，光信号进入InGaAs PIN光电探测器，光信号转换为微弱的光电流，光电流进入对数放大器，将微弱的光电流通过对数运算，转换为电压值，电压值给14位AD，转换为数字信号，通过SPI接口给DSP。在DSP中套用整个转换过程的运算公式，便可得出输入光功率的大小。

Claims (3)

1.手持式光数字信号分析仪，由上位机和下位机组成，其特征在于：上位机与下位机之间通过无线网口交互，下位机进行收发报文和初步处理工作，上位机进行控制和显示；

所述下位机包括DSP主控模块、FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块、无线网口通讯模块，下位机外置接口：两对光以太网口、一对光串口和一个光功率探测接口，两对光以太网口分别与同一个光以太网口收发模块相连，一对光串口分别与FPGA模块的光串口接收端和发送端相连，一个光功率探测接口与光功率检测模块的光电探测器相连，DSP主控模块分别与FPGA模块、两个光以太网口收发模块、光功率检测模块相连，无线网口通讯模块与另一个光以太网口收发模块相连。

2.如权利要求1所述的手持式光数字信号分析仪，其特征在于：所述下位机根据数据流走向分为:

光串口接收：光接收串口选用850nm接收光模块，FT3和B码报文经过光串口接收转换为电信号，到达运算放大器，将弱信号放大，而后经过比较器，将模拟信号转变为数字信号，将数字信号送入Xilinx Spatan6系列FPGA，经FPGA做串并行数据转换后转给ADI双核DSP；

光串口发送：FT3报文由DSP产生，经过FPGA、驱动芯片、发送光模块，转换为850nm的光发出；

光以太网口收发：光以太网模块将接收的IEC61850-9-2或GOOSE报文转化为电信号，发给光以太网物理层芯片PHY，将串行数据转换为并行数据发送到DSP，光以太网口发送过程与这相反；

无线网收发：下位机通过天线接收上位机发送的数据，由WIFI模块接收，WIFI模块将数据转发给PHY，PHY组帧后发给DSP，WIFI发送过程与其相反；

光功率检测：被测光信号经光功率探测接口到光电探测器转换为光电流，经对数放大器，放大为电压信号，后经14位AD芯片转换为数字信号，发送到DSP。

3.如权利要求1所述的手持式光数字信号分析仪，其特征在于：所述DSP主控模块用到的DSP为ADI双核DSP，双核协同工作，完成相应功能。