CN105785085A - 基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法 - Google Patents

基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法，通过DDS模块作为***的主时钟信号，基于DDS极高的调节细度，可以于对DSP模块的时间进行微调，保证了DSP模块输出时间与GPS同步时钟信号的同步性；DSP通过数学算法预先算出波形数据并存储在DSP模块的RAM中，实现同步信号来时瞬态发出，功放自动换挡模块使模拟源输出的模拟信号具有多档位，实现模拟源高精度的模拟电流、电压输出。在合并单元接收到模拟电流电压信号后产生SV报文，然后网络监听分析合并单元将SV报文的时间特性与GPS同步时钟信号进行对比，生成合并单元响应模拟源延时时间特性报告，完成对合并单元的报文输出时间特性测试。

Description

基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法
技术领域
本发明涉及电力***自动化技术领域，特别是涉及一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法。
背景技术
智能变电站在智能电网中扮演十分重要的角色，如今智能电网的飞速发展智能电网的建设也是如以后春笋般的开始在全国范围内开展起来。智能变电站以及数字化变电站随着电子式互感器和合并单元模式的大量应用，合并单元在智能变电站和数字化变电站已经成为了智能设备。目前国内智能变电站普遍使用SV报文点对点进行同步，其源同步信号与保护无关，那么继电保护装置的采样值特性完全依赖于合并单元的时间特性，那么对合并单元的数字量报文输出时间的特性测试是十分重要的。
现有技术中通常使用电子互感器测试仪对合并单元延时特性测试，其中，使用电子互感器测试仪对合并单元的测试方式为，用升流器或升压器对合并单元施加外部电流或电压，对所述电流或电压的模拟量进行测试，同时接收合并单元输出的数字报文，从而得到其延时时间。
然而在这种测试中，稳态电流或电压是由外部设备提供的，电子互感器测试仪并不能直接控制调整所施加的电流或电压，没有形成一个闭式测试环境，一次只能测试一条信号。此外，采用升流器或升压器对合并单元施加外部电流或电压，时间同步性不够，精确度欠缺，无法完全满足智能变电站合并单元的测试需求和精度要求。
发明内容
本发明实施例中提供了一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法，以解决现有技术中的对合并单元延时特性测试中测试模拟源时间同步性不够和精确度欠缺问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源，包括DSP(DigitalSignalProcess，数字信号处理技术)模块、DDS(DirectDigitalSynthesizer，直接数字合成)模块、GPS同步时钟模块、DA模块和功放模块，其中：
所述DSP模块，用于通过数学算法预先算出规定电压或电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中，同时根据GPS同步时钟的PPS信号、利用DMA(DirectMemoryAccess，直接内存访问)自动输出存储在所述RAM(RandomAccessMemory，随机存取存储器)单元中的所述波形数据；
所述DDS模块，与所述DSP模块中的内置计时器相连接，用于输出频率调节精度极高的调节信号、来完成所述内置计时器和GPS同步时钟信号的对时；
所述GPS同步时钟模块，与所述DSP模块的输入端相连接，用于向所述DSP模块输入所述GPS同步时钟信号；
所述DA模块，与所述DSP模块的输出端相连接，用于将所述波形数据的数字信号转化为模拟信号；
所述功放模块，与所述DA模块的输出端相连接，用于将所述模拟信号进行幅值放大。
优选地，所述功放模块为功放自动换挡模块。
优选地，所述DA模块为AD5545模块。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，利用上述模拟源，包括：
通过DSP模块利用数学算法预先算出规定电压/电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中；
接收GPS同步时钟模块发送的GPS同步时钟信号，通过DDS模块的调节、使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步；
根据所述GPS同步时钟信号、利用DMA自动输出存储在所述RAM单元中的所述波形数据；
通过DA模块和功放模块，分别对所述波形数据进行数模转换和幅值放大、生成模拟电压/电流信号；
通过合并单元接收所述模拟电压/电流信号，并生成数字量SV报文；
通过网络记录分析仪接收所述SV报文，并获取所述SV报文的报文时间参数；
将所述报文时间参数和所述GPS同步时钟信号进行对比分析，生成所述合并单元的时延时间特性报告。
优选地，接收GPS同步时钟模块发送的GPS同步时钟信号，通过DDS模块的调节、使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步，包括：
使所述DSP模块中内置计时器的年月日时分秒与接收到的GPS同步时钟信号的时间对齐；
获取时间对齐后所述内置计时器的***走时与所述GPS同步时钟信号之间的误差；
微调节DDS模块输出来改变所述内置计时器的时钟频率来消除所述误差，使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步。
优选地，所述DA模块对所述波形数据进行数模转换，包括：
所述DA模块对所述波形数据进行50000点的波形拟合，其中，最大数据更新速度为3.125M/秒。
优选地，所述功放模块的带宽为8M、最大压摆率为20V/us。
由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源及输出方法，在所述合并单元检测模拟源中，所述DSP模块的时钟信号是通过晶振经过所述DDS模块后输出的时钟信号，DDS为数字直接合成器，可以输出频率调节精度极高的信号，使用DDS作为模拟源的主时钟，这样可以极高的分辨率来所述DSP模块的工作频率，很好的解决时间响应问题，同时基于DDS极高的调节细度，可以用于对所述DSP模块的时间进行微调，保证了所述DSP模块输出时间与GPS同步时钟信号时间的同步性；进一步的，所述DSP模块通过数学算法预先算出波形数据并存储在DSP的RAM中，实现了同步信号来时瞬态发出，使模拟源源高精度得以实现。进而有效解决了现有技术中的对合并单元延时特性测试中测试模拟源时间同步性不够和精确度欠缺问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的基本结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法中的信号流向示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
DSP的全称为DigitalSignalProcess，即数字信号处理技术，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。近年来，数字信号处理器(DSP)芯片已经广泛用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令
DDS的全称为直接数字合成，是一种数字电子方式，它从一个单一(或混合)的频率源中产生任意波形和频率。
RAM(随机存取存储器)又称作"随机存储器"，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作***或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。
DMA(直接内存访问)是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率，可以大大节省***资源。
本实施例基于上述技术构建基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源，并利用所述合并单元检测模拟源对合并单元的延时特性进行测试。
参见图1，为本发明实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的基本结构示意图。所述合并单元检测模拟源，包括DSP模块、DDS模块、GPS同步时钟模块、DA模块和功放模块。
所述DSP模块，用于通过数学算法预先算出规定电压或电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中，同时根据GPS同步时钟的PPS信号、利用DMA自动输出存储在所述RAM单元中的所述波形数据，DMA输出无需程序干预，因此保证了高的数据输出的带宽，实现了模拟源的瞬态输出。
所述DDS模块，与所述DSP模块中的内置计时器相连接，用于输出频率调节精度极高的调节信号、来完成所述内置计时器和GPS同步时钟信号的对时。
通过设计所述DDS模块，使得所述DSP模块的时钟信号为通过晶振经过所述DDS模块后输出的时钟信号，DDS为数字直接合成器，可以输出频率调节精度极高的信号，使用DDS作为模拟源的主时钟，这样可以极高的分辨率来所述DSP模块的工作频率，很好的解决时间响应问题，同时基于DDS极高的调节细度，可以用于对所述DSP模块的时间进行微调，保证了所述DSP模块输出时间与GPS同步时钟信号时间的同步性。
所述GPS同步时钟模块，与所述DSP模块的输入端相连接，用于向所述DSP模块输入所述GPS同步时钟信号。
所述DA模块，与所述DSP模块的输出端相连接，用于将所述波形数据的数字信号转化为模拟信号。
本实施例中，所述DA模块采用AD5545来50000点的波形拟合，其中，AD5545的数据更新速度达到3.125M/秒，这是每周波50000点波形拟合的基础。
所述功放模块，与所述DA模块的输出端相连接，用于将所述模拟信号进行幅值放大。
其中，所述功放模块采用功放自动换挡模块，这样可以实现模拟信号输出的多档位化，提高模拟源的输出精度。
在本实施例提供的所述合并单元检测模拟源中，晶振通过DDS模块连接DSP模块作为瞬态源的主时钟信号，DDS的高精度微调性能使得DSP主时钟和GPS同步时钟信号保持同步。同时，通过DSP模块和DA模块实现模拟信号的输出，DA的输出作为功放和自动换挡的输入完成模拟信号多档位高精度的输出，可有效满足智能变电站合并单元的测试需求和精度要求。
利用本实施例提供的所述合并单元检测模拟源，还提供了一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，如图2和图3所示，分别为本实施例提供的一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法和信号流向示意图，具体包括如下步骤：
S110：通过DSP模块利用数学算法预先算出规定电压/电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中。
S120：接收GPS同步时钟模块发送的GPS同步时钟信号，通过DDS模块的调节、使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步。
所述DSP模块接收到GPS发送的时间信号后，所述DSP模块中的内置计时器同步所接收的发送时间，DSP内置计时器是晶振经过DDS调节来完成DSP主时钟和GPS同步时时间信号的对时。DDS可以输出频率调节精度极高的信号，使用DDS作为模拟源的主时钟，这样就可以以极高的分辨率来调节***的工作频率，而且不存在响应时间的问题，DDS的接口传输速度可以到200M，数据输出的更新速度在3M以上，因此在做频率改变量时可以确保输出的时间精度。
所述DDS模块调节所述DSP模块的主时钟信号和所述GPS同步时钟信号对时的具体过程为：所述DSP模块中的内置计时器按照晶振的时钟精度进行计时，在接收到所述GPS同步时钟信号后，假设此秒脉冲时刻为T0，首先把所述内置计时器的年月日时分秒和所述GPS同步时钟信号的时刻T0对齐，但是因为通讯的延迟，接收到所述GPS同步时钟信号对时帧时实际时间已经又流逝了一些，由于通讯波特率较高，一般都在1.2K以上，而通讯的帧长度很短(只有几十字节)，可以确定其传输可以在T0+1秒来临之前完成，因此在接受到时间帧后下一个秒脉冲的时刻一定是收到的时间帧里面的时间加一秒的时刻。这样就可以在这个秒脉冲到来时把***时间校准到和GPS相近的精度，从而完成对时。随着走时，假设***走时为Ts，对时后的时间构成为T0+Ts。在T0+1秒来临时，获取T0秒内***时间为一个接近1秒的值，这个值与1秒的差值即为***走时和GPS秒脉冲之间的误差。通过微调节DDS输出来改变所述内置计时器的时钟频率将所述误差尽量消除，DDS的高精度微调性能使得DSP主时钟和GPS同步时钟信号的保持同步。这样，通过每一个秒脉冲的不断对时，可以消除晶振引起的累计误差。
S130：根据所述GPS同步时钟信号、利用DMA自动输出存储在所述RAM单元中的所述波形数据。
S140：通过DA模块和功放模块，分别对所述波形数据进行数模转换和幅值放大、生成模拟电压/电流信号。
其中，DA的建立时间为0.5us，所以影响输出响应时间主要的时间限制在于功放的建立时间。本实施例使用的功放模块的带宽为8M，在目前的放大倍数下，可以响应1us的输入信号。影响输出响应的还有功放的建立时间，也即功放的压摆率(slewrate)，目前功放的最大压摆率为20V/us,功放的最大输出为20V，也即在1us内功放的输出将可以达到最大，这保证了可以在规定的时间内输出想要的电压值，使瞬态源高精度得以实现。
S150：通过合并单元接收所述模拟电压/电流信号，并生成数字量SV报文；
S160：通过网络记录分析仪接收所述SV报文，并获取所述SV报文的报文时间参数。
S170：将所述报文时间参数和所述GPS同步时钟信号进行对比分析，生成所述合并单元的时延时间特性报告。
本实施例，通过DDS高分辨率信号调节模块作为***的主时钟信号，DSP通过数学算法预先算出波形数据并存储在DSP的RAM中，实现同步信号来时瞬态发出，自动换挡模块使模拟源输出的模拟信号具有多档位，实现模拟源高精度的模拟电流电压输出。在合并单元接收到模拟的所述模拟电流电压信号后产生数字量SV报文，然后通过网络监听分析合并单元SV报文时间特性与GPS同步时间信号进行对比，生成合并单元响应模拟源延时时间特性的分析报告，有效实现了对合并单元的数字量报文输出时间的特性测试。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源，其特征在于，包括DSP模块、DDS模块、GPS同步时钟模块、DA模块和功放模块，其中：
所述DSP模块，用于通过数学算法预先算出规定电压或电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中，同时根据GPS同步时钟的PPS信号、利用DMA自动输出存储在所述RAM单元中的所述波形数据；
所述DDS模块，与所述DSP模块中的内置计时器相连接，用于输出频率调节精度极高的调节信号、来完成所述内置计时器和GPS同步时钟信号的对时；
所述GPS同步时钟模块，与所述DSP模块的输入端相连接，用于向所述DSP模块输入所述GPS同步时钟信号；
所述DA模块，与所述DSP模块的输出端相连接，用于将所述波形数据的数字信号转化为模拟信号；
所述功放模块，与所述DA模块的输出端相连接，用于将所述模拟信号进行幅值放大。
2.根据权利要求1所述的基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源，其特征在于，所述功放模块为功放自动换挡模块。
3.根据权利要求1所述的基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源，其特征在于，所述DA模块为AD5545模块。
4.一种基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，利用权利要求1-3任一所述的模拟源，其特征在于，包括：
通过DSP模块利用数学算法预先算出规定电压/电流大小的波形数据、并将所述波形数据存储在所述DSP模块中的RAM单元中；
接收GPS同步时钟模块发送的GPS同步时钟信号，通过DDS模块的调节、使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步；
根据所述GPS同步时钟信号、利用DMA自动输出存储在所述RAM单元中的所述波形数据；
通过DA模块和功放模块，分别对所述波形数据进行数模转换和幅值放大、生成模拟电压/电流信号；
通过合并单元接收所述模拟电压/电流信号，并生成数字量SV报文；
通过网络记录分析仪接收所述SV报文，并获取所述SV报文的报文时间参数；
将所述报文时间参数和所述GPS同步时钟信号进行对比分析，生成所述合并单元的时延时间特性报告。
5.根据权利要求4所述的基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，其特征在于，接收GPS同步时钟模块发送的GPS同步时钟信号，通过DDS模块的调节、使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步，包括：
使所述DSP模块中内置计时器的年月日时分秒与接收到的GPS同步时钟信号的时间对齐；
获取时间对齐后所述内置计时器的***走时与所述GPS同步时钟信号之间的误差；
微调节DDS模块输出来改变所述内置计时器的时钟频率来消除所述误差，使所述DSP模块的主时钟和所述GPS同步时钟信号保持同步。
6.根据权利要求4所述的基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，其特征在于，所述DA模块对所述波形数据进行数模转换，包括：
所述DA模块对所述波形数据进行50000点的波形拟合，其中，最大数据更新速度为3.125M/秒。
7.根据权利要求4所述的基于同步时钟信号下的合并单元检测模拟源的输出方法，其特征在于，所述功放模块的带宽为8M、最大压摆率为20V/us。
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