专利名称：基于秒脉冲的电子式互感器同步方法
技术领域：
本发明涉及智能变电站中电子式互感器合并单元采样同步的方法，尤其是基于秒 脉冲的电子式互感器同步方法。
背景技术：
随着电力系统传输容量的增加，运行电压等级越来越高，传统的电磁式电流电压 互感器暴露出如绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小以及频带窄等一系列缺点。于 是，旨在解决超高压绝缘、磁饱和等问题的电子式电流、电压互感器应运而生。近几年来，电 子式电流、电压互感器研究发展迅速，基于光学和Rogowski空心线圈的电流互感器已进入 实用阶段。电子互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和等诸多优点，但由于其输出 信号一般是低功率的模拟信号，传输距离短，必须就地数字化，并通过光纤传输。合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，其主要功能对电子式互感 器输出的电流电压信息进行时间相关的合并处理，并按照IEC 61850标准定义的数据格式 输出给二次保护控制设备。合并单元一般利用主时钟输出的PPS同步互感器数据，但同步方案不尽完善。不 能很好的滤除插拔光纤或者干扰产生的毛刺及消除晶振受环境温度影响而产生的累积偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，以解决滤除插拔 光纤或者干扰产生的毛刺和消除晶振受环境温度影响而产生累积偏差的问题。为实现上述目的，本发明的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法技术方案是合 并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门 编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS 准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重 采样时刻来动态补偿晶振偏差。进一步的，所述合并单元利用FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲是 FPGA检测PPS上升沿，用晶振计数记录PPS上升时刻即PPS准时时刻，并计算相邻PPS间 隔，以检测是否为PPS输入，设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一 个脉冲上升时刻为Tn，本次脉冲上升时刻为Tc ；具体PPS检测过程分为初始上电检测和正 常工作状态检测。进一步的，所述初始上电检测是当连续3个PPS间隔在阈值范围内时，确定为正常 的秒脉冲，第3个脉冲触发DSP中断，Tr=Tn=T3，其中T3为第三个脉冲时刻，FPGA进入正常 工作状态。进一步的，所述阈值范围是在Is士 IOOus内。
所述正常工作状态检测是在确认有效脉冲后，当本次脉冲与最新正确脉冲间隔在 阈值范围内时，本次脉冲为正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断；如间隔没有在阈值范 围内，判定为非正常的秒脉冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当本 次脉冲与上一个脉冲间隔在阈值范围内时，表明最新正确脉冲与上一个脉冲不是同一个脉 冲，可判定上一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉冲，本次脉冲为同步 后的正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断。进一步的，所述阈值范围是在Is士 IOOus范围内。所述 重采样 时刻计 算公式 如下
均得到秒脉冲间隔的平均值 ;平均值i除以合并单元的采样率得采样间隔T7，插值时标即
以最新秒脉冲时标为基准，以采样间隔I5重采样。进一步的，所述PPS的频率为1Hz，合并单元的采样率为4000Hz。进一步的，所述主时钟是北斗或GPS时钟服务器。本发明的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法不仅能识别正确的秒脉冲，而且能 滤除干扰脉冲，且不影响正确的秒脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟 踪GPS时钟的同步状态。通过DSP动态调整重采样时刻，在环境温度等因素变化时，输出数 据同步误差不大于士 lus，不仅解决了累积偏差的问题，而且满足保护、测控及计量等智能 变电站中自动化装置的要求。
图1是本发明方法实施例的流程图； 图2是主时钟由未同步向同步切换示意图； 图3是正常时钟脉冲示意图4是主时钟秒脉冲受干扰示意图； 图5是时标示意图； 图6是秒脉冲处理逻辑图； 图7是晶振偏差影响重采样示意图； 图8是动态补偿晶振偏差重采样示意图。
具体实施例方式本发明的方法主要应用于合并单元中，合并单元以FPGA+DSP方案设计，FPGA用于 时序控制，DSP用于对数字信号的处理。如图1所示为本发明实施例的流程图，合并单元接 收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵 列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻 以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻 来动态补偿晶振偏差。合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS (pulses per
，其中#为第η个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平second,缩写为PPS)，秒脉冲存在四种情况
a、主时钟由未同步状态向同步状态切换，在切换过程中秒脉冲间隔不均勻，如图2所
7J\ οb、主时钟处于同步状态，输出的秒脉冲间隔均勻，秒脉冲间隔为Is 士 lus，如图3 所示。C、主时钟输出的秒脉冲受到干扰，在正确秒脉冲之间会有毛刺，如图4所示。d、主时钟由同步状态切换到失步守时状态，输出的秒脉冲间隔均勻，秒脉冲间隔 为Is士 lus，如图3所示。1、FPGA 检测 PPS 方法
FPGA检测秒脉冲PPS上升沿，用晶振计数记录秒脉冲PPS上升时刻(即秒脉冲的准时时 刻)，并计算相邻脉冲间间隔，以检测是否为秒脉冲输入。检测主要分为初始上电检测和正 常工作状态检测，设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一个脉冲上 升时刻为Tn，本次脉冲上升时刻为Tc，如图5所示。1)初始上电
当连续3个秒脉冲间隔在阈值范围内，满足Is 士 IOOus时，确定为正常的秒脉冲，第3 个秒脉冲触发DSP中断，Tr=Tn=T3, T3为第三个秒脉冲时刻，FPGA进入正常工作状态。注用于智能变电站的主时钟输出的秒脉冲精度应优于lus，用温度稳定性为 50PPM的晶体测量PPS，最大误差为Is士51us，如间隔超过lOOus，可判定为非正常秒脉冲的 间隔。2)正常工作状态
确认有效秒脉冲后，根据如图6所示逻辑判别新脉冲也即是本次脉冲，当新脉冲与最 新正确脉冲间隔在阈值范围内，满足is 士 ioous时，也即是I(MWIk)时，新脉冲
为正确脉冲，新脉冲有效，触发DSP中断；如间隔不在阈值范围内，则判定为非正常的秒脉 冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当新脉冲与上一个脉冲间隔在 阈值范围内，满足Is 士 IOOus时，也即是时，说明最新正确脉冲与上一
个脉冲不是同一个脉冲，可判定上一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉 冲，新脉冲为同步后的正确脉冲，新脉冲有效，触发DSP中断。通过以上处理，不仅能识别正确的秒脉冲，且能滤除干扰脉冲，而不影响正确的秒 脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟踪GPS时钟的同步状态。2、DSP插值方法
对于温度稳定性为50PPM的晶体，当每秒同步一次采样时，到下一个秒脉冲前的最后 一个采样时刻，与所要求的采样时刻最大误差可达50us，折算到相位上，就是50分的相位 误差。这对于差动保护有一定影响，对于计量装置来说，无法满足其精度要求，示意图如图 7。DSP以FPGA接收的秒脉冲为基准插值电子互感器数据，PPS的频率为1Hz，而合并 单元的采样率一般为4000Hz，需倍频秒脉冲，如采用硬件倍频，需增加硬件回路，增加了硬 件的复杂度，而我们采用软件计算时标，虚拟倍频，精度更高，具体方法如下
5- =256
I = YjJ 2% (1)
T=Iimm ⑵
式(1)中￡η为第η个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平均得到秒脉冲间隔 的平均值i ；平均值 除以采样率4000得采样间隔插值时标即以最新秒脉冲时标为 基准，以采样间隔T重采样，如图8所示。 上述方法可动态的补偿晶振偏差，在环境温度等因素变化时， 输出数据同步误差 不大于士 lus，满足保护、测控及计量等智能变电站中自动化装置的要求。
权利要求
1.一种基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于，合并单元接收智能变电站 中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测 PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元 的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差。
2.根据权利要求1所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于所述合 并单元利用FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲是FPGA检测PPS上升沿，用晶 振计数记录PPS上升时刻即PPS准时时刻，并计算相邻PPS间隔，以检测是否为PPS输入， 设定最新已确认正确的秒脉冲准时时刻为Tr，本次脉冲的前一个脉冲上升时刻为Tn，本次 脉冲上升时刻为Tc ；具体PPS检测过程分为初始上电检测和正常工作状态检测。
3.根据权利要求2所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于所述初 始上电检测是当连续3个PPS间隔在阈值范围内时，确定为正常的秒脉冲，第3个脉冲触发 DSP中断，Tr=Tn=T3，其中T3为第三个脉冲时刻，FPGA进入正常工作状态。
4.根据权利要求3所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于所述阈 值范围是在Is士 IOOus内。
5.根据权利要求2所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于所述正 常工作状态检测是在确认有效脉冲后，当本次脉冲与最新正确脉冲间隔在阈值范围内时， 本次脉冲为正确脉冲，本次脉冲有效，触发DSP中断；如间隔没有在阈值范围内，判定为非 正常的秒脉冲，可能为干扰脉冲或主时钟由失步状态切换到同步状态；当本次脉冲与上一 个脉冲间隔在阈值范围内时，表明最新正确脉冲与上一个脉冲不是同一个脉冲，可判定上 一个脉冲为GPS时钟由失步状切换到同步状态输出的脉冲，本次脉冲为同步后的正确脉 冲，本次脉冲有效，触发DSP中断。
6.根据权利要求5所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于所述阈 值范围是在Is 士 IOOus范围内。
7.根据权利要求1所述的基于秒脉冲的电子式互感 器同步方法，其特征在于，所述重采样时刻计算公式如下- ？3=256 = Σ /256 -,其中#为第η个秒脉冲的间隔，将最近256个秒脉冲间隔求平均 =1 7=1/4000 In得到秒脉冲间隔的平均值i;平均值i除以合并单元的采样率得采样间隔插值时标即以最新秒脉冲时标■^为基准，以采样间隔T重采样。
8.根据权利要求7所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征在于，所述 PPS的频率为IHz，合并单元的采样率为4000Hz。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，其特征 在于所述主时钟是北斗或GPS时钟服务器。
全文摘要
本发明涉及基于秒脉冲的电子式互感器同步方法，合并单元接收智能变电站中同步系统主时钟输出的秒脉冲PPS，合并单元利用其内的现场门编程门阵列FPGA检测PPS信号，根据晶振计数滤除干扰脉冲，合并单元中的DSP根据PPS准时时刻以及合并单元的采样率确定插值时刻，即重采样时刻，同时DSP通过动态调整重采样时刻来动态补偿晶振偏差；本方法不仅能识别正确的秒脉冲，而且能滤除干扰脉冲，且不影响正确的秒脉冲接收，同时在主时钟由失步到同步切换时，能迅速跟踪GPS时钟的同步状态；通过DSP动态调整重采样时刻，在环境温度等因素变化时，输出数据同步误差不大于±1us，不仅解决了累积偏差的问题，而且满足保护、测控及计量等智能变电站中自动化装置的要求。
文档编号H03K5/1252GK102118007SQ20101058726
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者周水斌, 张克元, 李富生, 李瑞生, 赵应兵, 马朝阳 申请人:许昌许继软件技术有限公司, 许继电气股份有限公司, 许继集团有限公司