CN1122234C - 高速同步数据采集与数字信号处理板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力***领域，涉及高速同步数据采集与数字信号处理板，由集成在一块电路板上的电路连接的模拟信号输入和A/D转换模块(包括前置低通电路、前置带通电路、A/D模块及硬件启动电路)、数字信号处理模块(包括控制及译码电路，数字信号处理器DSP模块，缓冲器和存储器双口RAM，程序存储器存储器FLASH、数据存储器RAM以及数字信号处理程序)、通信模块三部分组成；本发明能够高速、同步地采集各种电压和电流信号，并对这些信号进行快速实时处理。
Description
技术领域
本发明属于电力***领域，特别涉及电力***对高频暂态信号进行高速、同步的数据采集和快速实时处理技术。
背景技术
具有超高速动作性能的输电线路行波保护是电力***继电保护研究的一个重要课题。遗憾的是：迄今为止国际上尚无完善的行波保护装置问世。原因有二，一是缺乏合适的数学分析手段分析高频暂态行波信号；二是技术要求太高(譬如，采样频率到达400KHZ或以上，处理时间非常短暂1～2毫秒)。上述问题用传统的技术手段是无法解决的。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种高速数据采集与数字信号处理方案、设计出高速数据采集与数字信号处理硬件电路板、对于所采集信号进行小波变换，从而实现高频暂态行波的高速同步采集和快速处理；使性能完善的的新型输电线路行波保护装置的研制成为可能。
提出的一种高速同步数据采集与数字信号处理板，其特征在于，由集成在一块电路板上的电路连接的模拟信号输入和A/D转换模块、数字信号处理模块、通信模块三部分组成；其中，所说的模拟信号输入和A/D转换模块包括：接收三路电压和三路电流模拟信号的前置低通电路、接收三路电流模拟信号的前置带通电路、与该前置低通电路相连的A/D模块及与该前置带通电路相连的硬件启动电路；所说的数字信号处理模块包括：与所说的A/D模块相连的控制及译码电路，与所说的硬件启动电路相连的数字信号处理器DSP模块，与该控制及译码电路相连的缓冲器和存储器双口RAM，与该DSP模块相连的程序存储器存储器FLASH、数据存储器RAM，以及存储在FLASH中并供DSP使用的数字信号处理程序，通信模块与该DSP模块相连，用于和其它板件或者后台计算机交换采集与计算结果；采样信号通过所说的A/D转换模块、缓冲器、双口存储器的一组总线存到所说的双口存储器RAM中，所说的控制及译码电路控制A/D转换、数据存储、故障数据首地址，在所说的硬件启动电路发出触发信号时，所说的数字处理器DSP经双口存储器的另一组总线传输数据并对数据进行故障处理。
本发明能够高速、同步地采集各种电压和电流信号，并对这些信号进行快速实时处理。特别是可对高频暂态信号进行高速、同步的数据采集和快速实时处理。
本发明可用于电力***中的以下领域：
1.高压输电线路、发电机、大型电力变压器等电气设备的继电保护装置；
2.电力***故障录波器；
3.电力***故障事件记录仪；
4.电力***安全自动装置；
5.其它需要同步、高速数据采集和快速实时处理的场合。
本发明的主要性能指标如下：
1、采集信号范围
a)信号幅度：-2.5V～+2.5V；
b)采样频率：0～400千赫兹可选。
2.同步采集路数：6路(三相电压和三相电流)。
3.A\D转换精度：12位。
4.最小指令周期：60纳秒。
5.可存放数据长度(循环)64K字。
附图说明
图1本实施例的高速数据采集与数字信号处理板硬件构成框图及译码电路
图2本实施例的异步通信方式
图3本实施例的三相故障电流波形图
图4本实施例的数据存放格式
图5本实施例的软件构成框图
具体实施方式
本发明设计的一种高速数据采集与数字信号处理板的实施例结合各附图详细说明如下：
本实施例由模拟信号输入和A/D转换模块I、数字信号处理模块II、通信模块III三部分组成，如图1所示。
各模块的组成及功能说明如下：
1、模拟信号输入和A/D转换模块，包括前置低通电路、前置带通电路、A/D模块、A/D控制回路与硬件启动电路，其中：
(1)前置低通电路
A/D部分采样三路电压、三路电流，采样率为400K(也可以设为1兆赫兹)，为了与前置运放相匹配，PT，CT二次侧要求最大输出为±2.5v。
考虑到电力***故障后的暂态行波信号的能量主要集中在200千赫兹频率以下，所以对于模拟数据输入通道设置了一个200千赫兹的低通滤波电路。
(2)前置带通电路
为了提高行波保护动作的可靠性，防止高频噪声(高于20千赫兹)和工频分量、谐波分量(低于1千赫兹)造成误启动，硬件启动电路设置了一个3千赫兹～10千赫兹的带通电路。
(3)硬件启动电路
硬件启动电路由三路电流分别启动，或门输出，主要作为启动故障处理模块的判据。为了防止硬件启动回路对A/D转换回路的影响，该回路的电流量将从CT的另一二次抽头单独引出，为此，交流插件中的CT将做成两个抽头。
硬件启动回路主要获取行波3～10千赫兹的信号，所以需要前置带通滤波，然后经由比较器输出启动信号，该信号主要有三种用途：
(1)触发控制电路，记忆启动时刻地址；
(2)产生DSP外部中断，启动数据读取和故障处理程序；
(3)通知其它电路(或者电路板)记录启动时刻。
硬件启动电路的核心元件是电压比较器LM293，三相电流启动元件使用三个比较器。
(4)数模转换器芯片A/D
A/D转换芯片选择AD803：采样率5M，自带采样保持(S/H)，内部参考电压，低功耗，低噪音，三态输出，输入选择-2.5～2.5V方式。
2、数字信号处理模块，包括控制及译码电路、运用双口RAM的数据交换模块和DSP模块及相应的***电路，其中：
(1)控制及译码电路
本电路主要用于控制A/D转换；把转换结果送入数据缓存器和双口RAM；形成故障启动所对应的故障数据首地址。控制回路由一个外接6.4兆赫兹的高稳定性的晶振驱动，对其16分频产生400千赫兹的AD触发时刻信号，同时通过四—十六译码器产生时序电路，保留前面大约600ns作为AD转换时间，后面大约300ns作为读取各路转换结果时间，产生六路读取信号，同时由十六位计数器产生译码器地址，存放读取结果，并产生正确的读写信号，如果在读取的同时发生故障启动，则另外记忆启动时刻的首地址。
(2)DSP及***电路
本模块是该电路板的核心部分，主要用于对于处理原始采样数据，其中包括：故障启动的软件判别、小波分析、部分行波保护程序的处理。
DSP采用中断程序引导的启动方式，将程序存储器FLASH内的原始代码装载到快速RAM中，上电初始化后，执行对***的检测与监控，分配***空间，等待启动信号确认后，进行相应故障处理。
本模块将DSP的两定时器引脚设置为I/O口，用于与其它板件的同步通信反馈信号。
双口RAM被设置成64K的循环RAM，解决了不间断采样与数据读取的矛盾，将双口RAM设置成可以存放5次故障数据(每次12K)的大容量RAM，主要是为了给DSP在数据读取和处理时有充分时间，在这里仅用了双口RAM的最基本功能，即两组总线共同控制同一数据空间。一组总线接A/D转换输出总线，不间断地录入原始数据，该组总线由A/D转换控制回路控制；另一组总线接DSP***总线，受DSP控制，用于在必要时刻读取数据，为了使数据不产生冲突，必须要确保两组总线不能同时访问同一地址，这需要人为控制。
数字信号处理器模块DSP选择为TMS320C31芯片，主要用于数据处理与分析，有速度快(60ns单周期执行时间)，精度高(32位)的特点。24根地址线，32根数据线
3、通信模块，采用MC485芯片，用于和其它板件或者后台计算机交换采集与计算结果。
TI公司的DSP标准通讯方式为六线的同步串行方式，它主要用于与本公司相应产品通信。为了和其它板件通信或者与后台计算机通信，必须设计新的接口方式。本实施例板采用了单向通信方式，如图2所示。现以该板与MC68332保护板通信为例，说明其通信实现方式。
该方式是由DSP主动发送数据给MC68332，为了保证可靠性，可连续发送三次，当MC68332接受到三次完全相同的数据后，反馈一根确认信号线，该种方式的缺点是行波保护模块不能下传更多信息给DSP。同时为了保证通讯线的抗干扰能力，在硬件上利用485芯片将电平传送转换为差分传送，实验已证明，差分方式的抗干扰能力远远高于电平方式。
本实施例的高速数模转换与数字信号处理板的功能与工作原理为：
设该板件应用于数字式行波保护装置。其作用是进行故障数据采集和数字信号处理。其工作过程可描述如下：设待采样的三相电流波形如图3所示，图中，曲线1、曲线2、曲线3分别表示A、B、C三相电流。
1.三相电压和三相电流共计六路模拟量需要采集和记录；
2.来自于高压输电线路的三相电压和三相电流分别经过电压和电流互感器变换成100伏特的电压和5安培的电流；
3. 100伏特的电压和5安培的电流再经过电压—电压变换器和电流—电压变换器变换成供采集使用的正负2.5的模拟信号；
4.该六个正负2.5的模拟信号接入高速采集板的输入端；
5.在控制和译码电路的指挥下，每隔2.5微秒完成一次六路模拟信号的同步采样和分时模数转换(转换精度12位，每一路的转换时间为416.67微秒)；
6.在控制和译码电路的驱动下，上述转换结果按照顺序被推入缓冲器，再进入双口RAM(数据存储器)；
7.在双口RAM的输入口，数据被循环存放，即：从某个单元开始，连续不断地存放数据，所有空间存放满后，新数据将覆盖旧数据。存放格式如图4所示；
8.正常情况下，数据连续被存放，但是DSP将不对它作任何处理；
9.故障发生后，硬件启动电路将工作。首先，经模拟带通电路输出的三相电流经或门输出进入硬件启动电路，电压比较器输出高电平，则认为故障发生，并发出触发信号向DSP提出申请，DSP将记录下这个时刻和相应地存放地址；
10.故障发生后，DSP将读取故障数据进行处理。
假如在t时刻发生了故障，在图3中：
1)t＝10ms发生故障，电压和电流将发生突变
从该时刻开始计数，DSP开始从另外一个口读取循环双口RAM中的数据，读取数据读到15ms为止，一共读取了5毫秒数据，共计12千字(每路占用2千字、16位)(总共记录了5毫秒的故障数据窗)；
11.对于上述故障后的三相电压和电流数据进行小波变换或者其它的数字信号处理，求取小波变换后的故障特征值，计算故障距离、判断故障发生的方向(来自于故障线路方向还是来自于故障线路背后方向)；
12.把计算结果经过串行通信口送到微处理器68332中去，从而完成整个数据采集和故障计算的任务。
本实施例根据上述硬件构成和基本工作原理，设计了该板的软件，存储在DSP中，该软件构成框图如图5所示，说明如下：
DSP软件执行三部分功能
1)故障启动时刻记录(触发时刻记录)和采样数据读取；
2)数字信号处理及部分功能程序(比如继电保护)；
3)通信。
此外，DSP软件还需具备自检循环、死机后自动复位等功能。
其中，数字信号处理是该软件的核心。它包括软件启动算法、故障相选择、故障类型识别、相模变换、富氏变换、小波变换等功能模块。上述算法的运算量很大，为保证信号处理的速度，才选择DSP而不采用普通的单片机。
在数字信号处理程序中，对小波变换简单说明如下：
小波变换是一种新的数学方法，它是通过一个被称为小波的函数的伸缩与平移来表示待分析的信号。它具有时间—频率局部化性能，因此特别适合于具有暂态性质的、非平稳变化信号的分析和处理。小波变换被定义为
Wsf(t)＝f(t)*ψs(t)其中，f(t)—信号(行波)；
ψs(t)＝ψ(t/s)/s，称为小波；
s—尺度参数或者伸缩因子；
ψ(t)—基小波。若s取值为2j(j∈Z)，则小波称为二进小波，对应的小波变换称为二进小波变换。
Claims (1)
1、一种高速同步数据采集与数字信号处理板，其特征在于，由集成在一块电路板上的电路连接的模拟信号输入和A/D转换模块、数字信号处理模块、通信模块三部分组成；其中，所说的模拟信号输入和A/D转换模块包括：接收三路电压和三路电流模拟信号的前置低通电路、接收三路电流模拟信号的前置带通电路、与该前置低通电路相连的A/D模块及与该前置带通电路相连的硬件启动电路；所说的数字信号处理模块包括：与所说的A/D模块相连的控制及译码电路，与所说的硬件启动电路相连的数字信号处理器DSP模块，与该控制及译码电路相连的缓冲器和存储器双口RAM，与该DSP模块相连的程序存储器存储器FLASH、数据存储器RAM，以及存储在FLASH中并供DSP使用的数字信号处理程序，通信模块与该DSP模块相连，用于和其它板件或者后台计算机交换采集与计算结果；采样信号通过所说的A/D转换模块、缓冲器、双口存储器的一组总线存到所说的双口存储器RAM中，所说的控制及译码电路控制A/D转换、数据存储、故障数据首地址，在所说的硬件启动电路发出触发信号时，所说的数字处理器DSP经双口存储器的另一组总线传输数据并对数据进行故障处理。
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