一种多速率数字采集装置及方法与流程

1.本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种多速率数字采集装置及方法。


背景技术：

2.智能变电站采用电子式互感器或常规互感器经合并单元将一次电流或电压转换成数字信号，再通过光纤发送至保护、测控等二次设备。合并单元输出的数字采样信号速率固定，不能满足站内不同设备对一次电流或电压不同采样速率的要求。此外，由于合并单元输出的数字采样速率只有4khz，不能满足其他设备，如电能质量监测终端对一次电流或电压的高速率采集要求。
3.随着可再生能源和风力发电技术持续保持高速发展，柔性直流输电技术也得到越来越广泛的应用，直流电子式互感器作为柔性直流电网中的关键设备，要求提供高速率采样、多速率输出的一次电流或电压数字信号。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种能够同时输出不同采样速率数字信号的采集方法及装置，满足智能变电站不同设备对一次电流或电压不同采样速率的要求，为柔性直流电网控制保护系统提供高速率采样、多速率输出的一次电流或电压数字信号。
5.技术方案：第一方面本发明提供一种多速率数字采集方法，包括如下步骤：
6.接收不同类型的数字信号，根据接入数字信号时配置的采样速率确定其采样数据帧格式，并对通过crc校验码确认后的数据帧进行解析，得到不同采样速率下的采样数据并存入数据缓存区；
7.对数据缓存区的采样数据进行数字滤波处理，过滤高频干扰数据；
8.读取滤波后采样数据的采样点时刻，基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算，得到发送速率的数字采样值，并根据采样值更新采样数据；
9.获取不同采样速率下采样数据的发送速率参数，基于不同的发送速率参数，对应更新发送缓存区采样数据，并将多类型采样数据至发送寄存器，根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据。
10.在进一步的实施例中，在确定采样数据帧格式时：
11.根据采样速率判断是否接收到采样数据帧；若未接收到，则认为丢帧，继续接收；
12.若接收到采样数据帧，则对接收到的采样数据的帧格式进行判断；若判断数据帧格式正确，解析数据帧接收时标，并将此时标存入时标缓存区；若判断数据帧格式不正确，继续接收。
13.在进一步的实施例中，通过crc校验码确认后的数据帧进行解析包括：
14.对接收到的采样数据判断数据帧crc校验码；
15.判断crc校验码是否正确，若正确则按照数据帧定义格式进行解析，得到不同采样
速率下的采样数据并存入数据缓存区；若不正确则复位光纤接收模块，采样清空数据。
16.在进一步的实施例中，基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算过程如下：
17.在时标缓存区内搜索内插的采样点时刻；
18.读取数据缓存区内对应时标的采样数据，进而对采样数据进行线性插值计算；
19.若未搜索到内插采样点时刻，则将数字采样值清零，并将采样品质置为无效。
20.在进一步的实施例中，根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据：
21.若发送寄存器状态正常，则判断数据发送时刻是否到达当前发送速率到达时间，若到达，则发送采样数据，若未到达则不发出采样数据；
22.若发送寄存器状态异常，则复位光纤发送模块；不发出采样数据。
23.第二方面本发明提供一种多速率数字采集装置，包括：多核处理器插件、数据发送插件、电源插件、以及人机接口插件；
24.其中，所述多核处理器插件与人机接口插件连接，所述多核处理器插件包括中央处理器cpu和数字信号处理器dsp；所述数字信号处理器dsp包括：接收解码模块、数字滤波模块、线性插值模块和合并发送模块；
25.所述接收解码模块用于接收、判断、解析不同速率下的采样数据并存入数据缓存区；
26.所述数字滤波模块用于对数据缓存区的采样数据进行数字滤波处理，过滤高频干扰数据；
27.所述线性插值模块用于基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算，得到发送速率的数字采样值，并根据采样值更新采样数据；
28.所述合并发送模块用于获取采样数据的发送速率参数，基于发送速率参数更新发送缓存区采样数据至发送寄存器，并根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据
29.所述中央处理器cpu接入后台监控系统，用于管理记录整个装置的运行情况；
30.所述数字信号处理器dsp用于通过光纤接收多路不同类型的数字采样信号并对数据进行处理合并处理；
31.所述数据发送插件发送数字信号处理器dsp处理合并后的不同速率数字采样信号；
32.所述人机接口插件用于多核处理器插件的信息输出；
33.所述电源插件通过与之电联的主板供电回路与多核处理器插件、数据发送插件、电源插件、人机接口插件电联；用于为所述多核处理器插件、所述数据发送插件、所述人机接口插件供电。
34.在进一步的实施例中，所述接收解码模块通过在缓存器中划分缓存区进行数据分类缓存，所述缓存区包括：时标缓存区和数据缓存区。
35.在进一步的实施例中，所述数字信号处理器dsp通过i/o总线与数据发送插件连接，由数据发送插件以不同发送速率，发送处理合并后的数字采样信号；所述i/o总线包括：数据总线和can总线，并通过i/o总线连接多核处理器插件、数据发送插件与人机接口插件用于数据交互。
36.在进一步的实施例中，所述人机接口插件通过外接变电站中的其它输入设备用于向多核处理器插件输入指令或通过输出设备输出多核处理器插件处理后的数据、以及监控后台的监控信息。
37.有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
38.(1)通过接收解码模块、数字滤波模块、线性插值模块和合并发送模块解决了同一台设备输出的数字采样信号速率固定问题，进而将光纤模块接收的采样数据通过多核处理器插件进行计算、处理后，再通过数据发送插件以不同速率转发同时满足不同交互设备对采样速率的不同要求，以及能够为不同设备提供不同采样速率的数字信号。
39.(2)通过人机接口插件外接变电站中的其它输出设备使其高效实时地展示输出采集的数据，或通过输入设备定义控制采集过程。
附图说明
40.图1为本发明所述装置的结构示意图；
41.图2为本发明中所述接收解码模块流程图。
42.图3为本发明中所述线性插值模块流程图。
43.图4为本发明中所述合并发送模块流程图。
具体实施方式
44.为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
45.实施例一、结合图1进一步说明本发明提供的一种多速率数字采集装置，包括：多核处理器插件、数据发送插件、电源插件、以及人机接口插件；
46.多核处理器插件与人机接口插件连接，多核处理器插件包括中央处理器cpu和数字信号处理器dsp；数字信号处理器dsp包括：接收解码模块、数字滤波模块、线性插值模块和合并发送模块；
47.接收解码模块用于接收、判断、解析不同速率下的采样数据并存入数据缓存区；
48.数字滤波模块用于对数据缓存区的采样数据进行数字滤波处理，过滤高频干扰数据；
49.线性插值模块用于基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算，得到发送速率的数字采样值，并根据采样值更新采样数据；
50.合并发送模块用于获取采样数据的发送速率参数，基于发送速率参数更新发送缓存区采样数据至发送寄存器，并根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据
51.中央处理器cpu接入后台监控系统，用于管理记录整个装置的运行情况；
52.数字信号处理器dsp用于通过光纤接收多路不同类型的数字采样信号并对数据进行处理合并处理；
53.数据发送插件发送数字信号处理器dsp处理合并后的数字采样信号；
54.人机接口插件用于多核处理器插件的信息输出；
55.电源插件通过与之电联的主板供电回路与多核处理器插件、数据发送插件、电源
插件、人机接口插件电联；用于为多核处理器插件、数据发送插件、人机接口插件供电。
56.中央处理器cpu用于现场可编程逻辑门阵列fpga；数字信号处理器dsp用于高级指令处理。
57.数字信号处理器dsp通过光纤接收多路数字采样信号并对数据进行处理合并，数字信号处理器dsp包括：接收解码模块、数字滤波模块、线性插值模块和合并发送模块。
58.其中，接收解码模块通过在缓存器中划分缓存区进行数据分类缓存，包括：时标缓存区和数据缓存区；
59.对接收解码模块数据缓存区的采样数据进行数字滤波，采用二阶低通巴特沃斯滤波器，其z域传递函数为：
60.h(z)＝(b0+b1*z-1
+b2*z-2
)/(1-a1*z-1-a2*z-2
)
61.式中的滤波系数b0、b1、b2、b3、a1、a2，z-1
、z-2
表示离散采样z域变换由数字滤波截止频率f0和缓存区采样数据速率确定。线性插值模块线性插值函数为一次多项式，在插值节点上的插值误差为零，其几何意义为利用过a点(x0,y0)和b点(x1,y1)的直线f(x)来近似表示原函数
62.其中y0、y1分别为x0、x1时刻(x1＞x0)对应的采样数据，x为dsp中断时刻。
63.线性插值模块流程如图3所示，具体实现方法如下：根据dsp中断时刻x，在时标缓存区内搜索内插采样点时刻，即x1和x0，满足x1＞x＞x0；进一步读取数据缓存区对应的采样数据，即y0和y1；进一步将(x0,y0)和(x1,y1)代入上述一次多项式，计算得到dsp中断时刻x的采样值，即发送速率的数字采样值；若在时标缓存区未搜索到内插采样点时刻，则将数字采样值清零，并将采样品质置为无效。
64.合并发送模块根据发送寄存器状态判断是否发送缓存区中的数据。
65.数字信号处理器dsp通过i/o总线与数据发送插件连接，由数据发送插件发送处理合并后的数字采样信号。
66.i/o总线包括：数据总线和can总线，并通过i/o总线连接多核处理器插件、数据发送插件用于数据交互。
67.人机接口插件通过外接变电站中的其它输入设备用于向多核处理器插件输入指令或通过输出设备输出多核处理器插件处理后的数据、以及监控后台的监控信息。
68.实施例二、结合图2至图3进一步说明本实施例提供一种多速率数字采集方法，包括如下步骤：
69.接收不同类型的数字信号，根据接入数字信号时配置的采样速率确定其采样数据帧格式，并对通过crc校验码确认后的数据帧进行解析，得到不同采样速率下的采样数据并存入数据缓存区；
70.对数据缓存区的采样数据进行数字滤波处理，过滤高频干扰数据；
71.读取滤波后采样数据的采样点时刻，基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算，得到发送速率的数字采样值，并根据采样值更新采样数据；
72.获取不同采样速率下采样数据的发送速率参数，基于不同的发送速率参数，对应更新发送缓存区采样数据，并将多类型采样数据至发送寄存器，根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据。
73.在确定采样数据帧格式时：
74.根据采样速率判断是否接收到采样数据帧；若未接收到，则认为丢帧，继续接收；
75.若接收到采样数据帧，则对接收到的采样数据的帧格式进行判断；若判断数据帧格式正确，解析数据帧接收时标，并将此时标存入时标缓存区；若判断数据帧格式不正确，继续接收。
76.通过crc校验码确认后的数据帧进行解析包括：
77.对接收到的采样数据判断数据帧crc校验码；
78.判断crc校验码是否正确，若正确则按照数据帧定义格式进行解析，得到不同采样速率下的采样数据并存入数据缓存区；若不正确则复位光纤接收模块，采样清空数据。
79.在进一步的实施例中，基于采样点时刻对采样数据进行线性插值计算过程如下：
80.在时标缓存区内搜索内插的采样点时刻；
81.读取数据缓存区内对应时标的采样数据，进而对采样数据进行线性插值计算；
82.若未搜索到内插采样点时刻，则将数字采样值清零，并将采样品质置为无效。
83.根据发送寄存器状态以对应的发送速率达到时间输出多采样数据：
84.若发送寄存器状态正常，则判断数据发送时刻是否到达当前发送速率到达时间，若到达，则发送采样数据，若未到达则不发出采样数据；
85.若发送寄存器状态异常，则复位光纤发送模块；不发出采样数据。
86.本发明通过接收解码模块、数字滤波模块、线性插值模块和合并发送模块解决了同一台设备输出的数字采样信号速率固定问题，进而将光纤模块接收的采样数据通过多核处理器插件进行计算、处理后，再通过数据发送插件以不同速率转发同时满足不同交互设备对采样速率的不同要求，以及能够为不同设备提供不同采样速率的数字信号；通过人机接口插件外接变电站中的其它输出设备使其高效实时地展示输出采集的数据，或通过输入设备定义控制采集过程。
87.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
88.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
89.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
90.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
91.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。