一種基于gps信號的多通道模擬量采集模塊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，包括有GPS天線、GPS信號接收模塊、高精度恒溫晶振、FPGA控制模塊和多通道采樣電路，GPS天線通過GPS信號接收模塊連接至FPGA控制模塊，所述高精度恒溫晶振給FPGA控制模塊提供時鐘信號，所述FPGA控制模塊與多通道采樣電路連接。本發明通過FPGA控制模塊接收GPS信號來同步接收多通道采樣電路，保證了多路數據采集的精確時序控制以及采樣的高速和實時性；同時將多通道采樣電路分為九路獨立的采樣電路，分別對保護電流、測量電流和電壓信號進行同步采集，同時提供了MU測試所需的全部源信號，提高了測試試驗效率和測試的全面性。本發明作為一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊可廣泛應用于合并單元的測試【技術領域】。
【專利說明】一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊

【技術領域】
[0001] 本發明涉及智能電網中合并單元的測試【技術領域】，尤其是一種基于GPS信號的多 通道模擬量采集模塊。

【背景技術】
[0002] 目前，智能變電站工程應用中的合并單元（MU)主要分為兩大類，與電子式互感器 采集單元相連的數字量輸入MU，以及和傳統電流電壓互感器相連的模擬量輸入MU。其中， 傳統互感器與MU配合已經是一個被業內接受并廣泛應用的方案。MU作為一個獨立運行的 自動化裝置而出現，負責完成一個間隔內多支互感器輸出的模擬量實時數據采集，數據同 步，數據的處理和發送，以及其他必要的開關量采集、自檢等等功能。MU作為過程層的接口 設備，對于所有間隔層設備和整個站控層系統的安全穩定運行，起著至關重要的作用。
[0003] 合并單元測試儀是對MU這一運行設備進行功能和性能檢測的設備，是替應用MU 數據的間隔層保護，計量，監控，故障錄波等裝置進行把關的關鍵檢測設備，其主要功能包 括檢測MU的所有數據通道的比差、角差、復合誤差、絕對延時時間、信噪比、暫態最大峰值 誤差、衰減時間常數等指標，以及MU報文抖動時間、同步守時精度、多通道同步性檢測等功 能。檢測的原理是直接比較式，即接收MU的輸出信號作為被試信號，同時接收并采集輸入 到MU的模擬量信號，作為檢測的標準源信號，通過將被試信號和標準源信號進行比較完成 上述各種測試功能。可見，合并單元測試儀對模擬標準源信號的采集，關系到整個測試試驗 的準確度和可信度，而現有技術中通常對信號的采集不夠完整，從而導致測試試驗效率低， 并且由于采樣數據的不同步，導致MU測試中試品數據的同步分析不精確。


【發明內容】

[0004] 為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提供一種基于GPS信號的高精度、高帶 寬、高速同步多通道模擬量采集模塊。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，包括 有GPS天線、GPS信號接收模塊、高精度恒溫晶振、FPGA控制模塊和多通道采樣電路，所述 GPS天線通過GPS信號接收模塊連接至FPGA控制模塊的GPS信號接收端，所述高精度恒溫 晶振的輸出端連接至FPGA控制模塊的時鐘信號輸入端，所述FPGA控制模塊與多通道采樣 電路連接。
[0006] 進一步，所述多通道采樣電路為九路獨立的采樣電路，所述九路獨立的采樣電路 包括有A相保護電流采樣電路、B相保護電流采樣電路、C相保護電流采樣電路、A相測量電 流采樣電路、B相測量電流采樣電路、C相測量電流采樣電路、A相電壓采樣電路、B相電壓 采樣電路和C相電壓采樣電路。
[0007] 進一步，所述A相保護電流采樣電路包括有霍爾電流轉換器、第一低通濾波器和 第一模數轉換器，所述霍爾電流轉換器的輸出端依次通過第一低通濾波器和第一模數轉換 器連接至FPGA的采樣數據輸入端。
[0008] 進一步，所述B相保護電流采樣電路和C相保護電流采樣電路具有同A相保護電 流采樣電路相同的電路結構。
[0009] 進一步，所述A相測量電流采樣電路包括有高精度CT、精密取樣電阻、第二低通濾 波器和第二模數轉換器，所述高精度CT的輸出端依次通過精密取樣電阻、第二低通濾波器 和第二模數轉換器連接至FPGA的采樣數據輸入端。
[0010] 進一步，所述B相測量電流采樣電路和C相測量電流采樣電路具有同A相測量電 流采樣電路相同的電路結構。
[0011] 進一步，所述A相電壓采樣電路包括有高精度PT、第三低通濾波器和第三模數 轉換電路，所述高精度PT的輸出端依次通過第三低通濾波器和第三模數轉換電路連接至 FPGA的采樣數據輸入端。
[0012] 進一步，所述B相電壓采樣電路和C相電壓采樣電路具有同A相電壓采樣電路相 同的電路結構。
[0013] 進一步，所述FPGA控制模塊包括有采樣觸發脈沖輸出端和采樣數據輸入端，所述 采樣觸發脈沖輸出端用于向多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出采樣觸發脈沖信號，所 述采樣數據輸入端用于接收多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出的采樣信號。
[0014] 進一步，所述GPS信號接收模塊通過GPS天線接收到的GPS信號，所述FPGA控制 模塊根據GPS信號產生采樣觸發脈沖信號。
[0015] 本發明的有益效果是：本發明通過FPGA控制模塊接收GPS信號并利用GPS信號 來同步接收多通道采樣電路，保證了多路數據采集的精確時序控制以及采樣的高速和實時 性，又為MU測試中與試品數據的同步和事后分析增加了一個統一的時間參考維度；同時將 多通道采樣電路分為九路獨立的采樣電路，分別對保護電流、測量電流和電壓信號進行同 步采集，同時提供了 MU測試所需的全部源信號，提高了測試試驗效率和測試的全面性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為應用本發明的采樣值網絡傳輸示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明： 參照圖1，一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，包括有GPS天線、GPS信號接收 模塊、高精度恒溫晶振、FPGA控制模塊和多通道采樣電路，所述GPS天線通過GPS信號接收 模塊連接至FPGA控制模塊的GPS信號接收端，所述高精度恒溫晶振的輸出端連接至FPGA 控制模塊的時鐘信號輸入端，所述FPGA控制模塊與多通道采樣電路連接。
[0018] 本發明中FPGA控制模塊采用Xilinx的Spartan3系列產品XC3S1500,包含有150 萬個系統門，32個專用乘法器，4個數字時鐘管理模塊，邏輯資源豐富，運行速度快。FPGA 利用精確的時序控制能力，完成以太網的MAC子層設計、MAC子層與以太網控制器的接口設 計，以太網數據接收，ADC的控制，以及所有模擬采樣值和數字采樣值的時標的標定。
[0019] 本發明中GPS信號接收模塊為基于瑞士 u-blox公司的LEA-5T高性能精確授時 GPS模塊，補償后的時間脈沖精確度可高達15納秒。該模塊只需一顆衛星即可工作，節省 成本，體積小巧，可以輕松集成，適用于GPS、SBAS、UMTS、GALILEO的信號跟蹤，也可以用于 跨越地理范圍較大的系統和設備(如NTP時間服務器）之間需要精確授時的數據通訊。
[0020] 進一步作為優選的實施方式，所述多通道采樣電路為九路獨立的采樣電路，所述 九路獨立的采樣電路包括有Α相保護電流采樣電路、Β相保護電流采樣電路、C相保護電流 采樣電路、A相測量電流采樣電路、B相測量電流采樣電路、C相測量電流采樣電路、A相電 壓采樣電路、B相電壓采樣電路和C相電壓采樣電路。
[0021] 參照圖1，進一步作為優選的實施方式，所述A相保護電流采樣電路包括有霍爾電 流轉換器、第一低通濾波器和第一模數轉換器，所述霍爾電流轉換器的輸出端依次通過第 一低通濾波器和第一模數轉換器連接至FPGA的采樣數據輸入端。
[0022] 保護電流幅值動態范圍大，進行合并單元暫態特性測試時外部輸入的電流瞬時值 可能達到額定電流的9(Γ100倍，電流中除了工頻基波分量外，還含有豐富的諧波成分，以 及含量不等的衰減直流暫態分量，因而，將保護電流轉換成可供AD采集的電壓信號時，要 保證I/V轉化環節的高帶寬，以保證將電流的暫態特性高保真的傳變到后端信號調理回 路。目前國內MU的電流回路暫態精度最高采用5ΤΡΕ級，據此I/V轉換環節的精度控制在 0. 2%以內，本發明方案采用霍爾電流傳感器來完成保護電流的I/V轉換。霍爾電流傳感器 采用額定電流為300Α的基于閉環磁平衡原理的高精度傳感器，測量范圍可達600Α，精度為 0. 2%，di/dt跟隨精度>200A/us，響應時間〈lus，帶寬達100kHz。霍爾電流傳感器不和被測 電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率；可以測量任意波形的電流如直 流、交流、脈沖、三角波形等；響應時間快，可小于lus，工作頻帶寬，在(TlOOKHz頻率范圍 內的信號均可以測量。
[0023] 霍爾電流傳感器輸出的電壓信號進入第一低通濾波器，綜合考慮測試試驗中的暫 態電流的頻譜分布范圍主要在15kHz以內，被測MU的帶寬目前都不超過6. 4kHz，故將第一 低通濾波器的截止頻率放在15kHz，盡可能的濾除與試驗無關的高頻分量的影響，防止頻率 混疊對試驗精度的影響。低通濾波采用RC二階低通濾波器設計，相對于一階濾波器，二階 濾波器削減高頻信號能起到更高的效果，過渡區衰減較快，頻率增加一倍時信號幅值衰減 75% (每倍頻-12dB)。
[0024] 第一模數轉換器完成模擬量的采集，基于第一低通濾波器的截止頻率為15kHz，濾 波器的衰減過渡區寬度按1倍的截止頻率考慮，則模數轉換器需要采集的有效信號的頻率 范圍為30kHz，根據奈奎斯特定律將模數轉換器的采樣率定為60kHz。
[0025] 進一步作為優選的實施方式，所述B相保護電流采樣電路和C相保護電流采樣電 路具有同A相保護電流采樣電路相同的電路結構。
[0026] 進一步作為優選的實施方式，所述A相測量電流采樣電路包括有高精度CT、精密 取樣電阻、第二低通濾波器和第二模數轉換器，所述高精度CT的輸出端依次通過精密取樣 電阻、第二低通濾波器和第二模數轉換器連接至FPGA的采樣數據輸入端。
[0027] 三路測量電流的采集主要是用來完成合并單元測量電流通道的穩態性能測試，目 前國內MU的測量電流精度最高為0. 2S級，因而對于測量電流的采集應該將精度控制在 0. 05%以內，同時，測量電流的最大幅值不會超過額定電流的2倍，這是有別于保護電流測 量的地方。測量電流的I/V轉換，采取高精度CT加精密取樣電阻的方式來完成，高精度CT 的等級選用〇. 01S，精密電阻的精度選用0. 01%，可以確保轉換的高精度。
[0028] 測量電流轉換過來的電壓信號進入第二低通濾波器，考慮到被測MU的帶寬不超 過6. 4kHz，將第二低通濾波器的截止頻率定為10kHz，可以滿足穩態測試的各項試驗對標 準源的帶寬要求。
[0029] 第二模數轉換器選型和第一模數轉換器參數設計都完全相同，并按照多通道嚴格 同步采樣設計，故測量電流的采樣頻率也為60kHz。
[0030] 進一步作為優選的實施方式，所述B相測量電流采樣電路和C相測量電流采樣電 路具有同A相測量電流采樣電路相同的電路結構。
[0031] 進一步作為優選的實施方式，所述A相電壓采樣電路包括有高精度PT、第三低通 濾波器和第三模數轉換電路，所述高精度PT的輸出端依次通過第三低通濾波器和第三模 數轉換電路連接至FPGA的采樣數據輸入端。
[0032] 進一步作為優選的實施方式，所述B相電壓采樣電路和C相電壓采樣電路具有同 A相電壓采樣電路相同的電路結構。
[0033] 上述三路電壓信號的輸入范圍不超過額定值的2倍，目前MU的電壓通道的最高精 度等級為0. 2級，故本模塊的的電壓采樣回路精度應該控制在0. 05%以內。為此選用精度 等級為0.01級的高精度PT完成高電壓到低電壓的轉換。高精度PT的二次電壓輸出進入 到第三低通濾波器，考慮到被測MU帶寬不會超過6. 5kHz，且MU電壓通道穩態和暫態測試試 驗信號的帶寬不會超過15kHz，此處的第三低通濾波器截止頻率設計和保護電流的第一低 通濾波器相同，即15kHz。第三低通濾波器輸出的電壓進入第三模數轉換器，第三模數轉換 器的設計與上述第一模數轉換器相同。
[0034] 進一步作為優選的實施方式，所述FPGA控制模塊包括有米樣觸發脈沖輸出端和 采樣數據輸入端，所述采樣觸發脈沖輸出端用于向多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出 采樣觸發脈沖信號，所述采樣數據輸入端用于接收多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出 的米樣信號。
[0035] 進一步作為優選的實施方式，所述GPS信號接收模塊通過GPS天線接收到的GPS 信號，所述FPGA控制模塊根據GPS信號產生采樣觸發脈沖信號。
[0036] 九個通道的模數轉換均采用24位Σ - Λ架構高性能模數轉換器AD7765,采樣率定 為60kHz時動態范圍高達為115dB，該轉換器具有出色的直流特性，非常適合在同時需要直 流數據的情況下對交流信號進行高速數據采集。擁有全頻片內FIR濾波器，可在奈奎斯特 頻率點上獲得濾波器的全阻帶衰減，此特性可更好地防止大于奈奎斯特頻率的信號混疊回 饋到輸入信號帶寬中。AD7765提供低功耗模式，可顯著降低功耗，但不會降低輸出數據速率 或可用輸入帶寬。模數轉換器由FPGA控制模塊來控制，FPGA控制模塊完成所有通道的采 樣觸發脈沖的發送和模數轉換采樣數據的接收，采樣脈沖由FPGA控制模塊統一發出，確保 多通道采樣同步，模數轉換通過SPI同步串行接口將采樣值傳給FPGA控制模塊，在同一時 間提供了 MU測試所需的全部標準源信號，大大提高了測試試驗效率和測試的全面性。
[0037] FPGA控制模塊產生的采樣脈沖與GPS信號同步，GPS天線連接到GPS信號接收模 塊，該模塊完成GPS時間信號的提取，通過同步串行接口將時間信息發送給FPGA控制模塊， 同時發送1PPS秒脈沖信號給FPGA控制模塊。
[0038] FPGA控制模塊根據接收到的當前lpps信號并基于自身60M高精度晶振信號來產 生模數轉換所需的60kHz采樣脈沖信號，每秒鐘完成一次采樣脈沖信號和1PPS信號的同 步；同時，FPGA控制模塊對接收到的每一個模數轉換采樣值數據標定當前的GPS時間信息。 可見，多通道模擬量采集模塊可以完成九通道的模擬量采集并標定對應的GPS時間。
[0039] FPGA控制模塊的運行時鐘基于一個60M的高精度恒溫晶振，以保證所有的時間控 制的精度。
[0040] 高精度恒溫晶振采用0CX050恒溫晶振，-40至85度的工作溫度，小于lppb的溫漂 特性，_160dBc/lKHz的低相位噪聲，最大10ppb/year的低老化，高精度晶振為PowerPC和 FPGA提供時鐘節拍，保證了時序控制的精確性，以及長期的穩定性。
[0041] 以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造并不限于所述實施 例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可以作出種種的等同變換或替 換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
【權利要求】
1. 一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于：包括有GPS天線、GPS信 號接收模塊、高精度恒溫晶振、FPGA控制模塊和多通道采樣電路，所述GPS天線通過GPS信 號接收模塊連接至FPGA控制模塊的GPS信號接收端，所述高精度恒溫晶振的輸出端連接至 FPGA控制模塊的時鐘信號輸入端，所述FPGA控制模塊與多通道采樣電路連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述多通道采樣電路為九路獨立的采樣電路，所述九路獨立的采樣電路包括有A相保護電 流采樣電路、B相保護電流采樣電路、C相保護電流采樣電路、A相測量電流采樣電路、B相 測量電流采樣電路、C相測量電流采樣電路、A相電壓采樣電路、B相電壓采樣電路和C相電 壓采樣電路。
3. 根據權利要求2所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述A相保護電流采樣電路包括有霍爾電流轉換器、第一低通濾波器和第一模數轉換器， 所述霍爾電流轉換器的輸出端依次通過第一低通濾波器和第一模數轉換器連接至FPGA的 采樣數據輸入端。
4. 根據權利要求3所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述B相保護電流采樣電路和C相保護電流采樣電路具有同A相保護電流采樣電路相同的 電路結構。
5. 根據權利要求4所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述A相測量電流采樣電路包括有高精度CT、精密取樣電阻、第二低通濾波器和第二模數 轉換器，所述高精度CT的輸出端依次通過精密取樣電阻、第二低通濾波器和第二模數轉換 器連接至FPGA的采樣數據輸入端。
6. 根據權利要求5所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述B相測量電流采樣電路和C相測量電流采樣電路具有同A相測量電流采樣電路相同的 電路結構。
7. 根據權利要求6所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述A相電壓采樣電路包括有高精度PT、第三低通濾波器和第三模數轉換電路，所述高精 度PT的輸出端依次通過第三低通濾波器和第三模數轉換電路連接至FPGA的采樣數據輸入 端。
8. 根據權利要求7所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述B相電壓采樣電路和C相電壓采樣電路具有同A相電壓采樣電路相同的電路結構。
9. 根據權利要求8所述的一種基于GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于： 所述FPGA控制模塊包括有采樣觸發脈沖輸出端和采樣數據輸入端，所述采樣觸發脈沖輸 出端用于向多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出采樣觸發脈沖信號，所述采樣數據輸入 端用于接收多通道采樣電路中的模數轉換模塊輸出的采樣信號。
10. 根據權利要求9所述的一種GPS信號的多通道模擬量采集模塊，其特征在于：所述 GPS信號接收模塊通過GPS天線接收到的GPS信號，所述FPGA控制模塊根據GPS信號產生 采樣觸發脈沖信號。
【文檔編號】G01R31/00GK104155545SQ201410363527
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】黃東山, 周衛, 王曉明, 陳銘, 楊理才, 羅強, 張耀宇, 張煒 申請人:廣西電網公司電力科學研究院