一种标准模数同步信号源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种标准模数同步信号源，包括数字波形拟合模块、数字波形序列存储模块、数模转换模块、功率放大模块、协议转换模块和人机接口模块；数字波形拟合模块调用储存在数字波形序列存储模块中的波形拟合数据对待输出的模拟信号进行数字拟合，再由数模转换模块对该模拟信号进行波形调制和幅度调制，使离散信号转换为连续的模拟信号，经过功率放大模块放大和驱动后，输出一路电压电流信号；协议转换模块将待输出的模拟信号的离散序列值与预设角差和比差的差值信号的离散序列值叠加后的叠加信号转换为数字报文，输出一路与标准的模拟信号同步的数字信号。本发明可实现模拟信号和数字信号同时输出，能够检定非同步输入的电子式互感器校验仪。
【专利说明】一种标准模数同步信号源
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检定电子式互感器校验仪的标准模数同步信号源。
【背景技术】
[0002]近年来，随着智能电网技术的迅猛发展，数字化变电站的试点建设已经越来越多，数字化变电站由于采用光纤进行数字量的传输，不存在二次压降以及模拟电能表的AD采集误差，这大大减少了传统计量二次回路的误差。因此，数字化是当今世界电力发展的方向。
[0003]电子式互感器作为模拟世界到数字世界的桥梁，在数字化变电站中占有举足轻重的地位，可以认为电子式互感器是数字化变电站的基石，所有的数字量都是来源于它。因此，电子式互感器的精度和性能非常重要。我国计量法规定所有的计量器具都必须得到量传，也就是所有的计量器具都必须能够实现量值朔源。因此在实际应用中需要对电子式互感器进行量传，在现场安装后也需要对其进行校验，验证其测量精度和稳定性，以及对IEC61850协议支持的正确性。
[0004]电子式互感器校验仪具备对电子式互感器进行角差、比差校验的功能，并可对通信报文进行全帧分析，还可以对电子式互感器进行各种通信故障测试以及精度校验。
[0005]而对于电子式互感器校验仪，也必须要有一个能够对其功能和性能进行全面检定的设备。但是，目前尚未有对电子式互感器校验仪进行检定的国家规程出台，国外也没有相关的设备和标准。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能够检定电子式互感器校验仪的标准模数同步信号源。
[0007]本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现:一种标准模数同步信号源，其特征在于:它包括数字波形拟合模块、数字波形序列存储模块、数模转换模块、功率放大模块、协议转换模块和人机接口模块；所述数字波形序列存储模块、人机接口模块、协议转换模块分别与所述数字波形拟合模块相连，所述数字波形拟合模块还与数模转换模块、功率放大模块依次连接，所述数字波形拟合模块调用储存在数字波形序列存储模块中的波形拟合数据对待输出的模拟信号进行数字拟合，再由数模转换模块对该模拟信号进行波形调制和幅度调制，使离散信号转换为连续的模拟信号，经过功率放大模块放大和驱动后，输出一路电压电流信号，作为标准的模拟信号源用于输入电子式互感器校验仪的标准通道端口 ；而所述协议转换模块将待输出的模拟信号的离散序列值与预设角差和比差的差值信号的离散序列值叠加后的叠加信号转换为数字报文，输出一路与标准的模拟信号同步的数字信号，作为标准数字信号源用于输入电子式互感器校验仪的被检通道端口 ；所述人机接口模块用于设置各路输出信号的参数，以控制各路输出信号。
[0008]本发明可以实现模拟信号和数字信号同时输出，由于电子式互感器校验仪的标准信号为模拟量，被检信号为数字量，因此能够实现对非同步输入的电子式互感器校验仪的检定。
[0009]作为本发明的一种改进，所述的数字波形拟合模块另输出一路同步秒脉冲信号，作为标准数字信号源的同步信号用于输入电子式互感器校验仪的时钟同步端口。本发明当模拟信号、数字信号和同步秒脉冲信号同时输出时，可用于同步输入的电子式互感器校验仪的检定。
[0010]本发明所述的数字波形拟合模块由微处理器和存储器组成，所述数字波形拟合模块进行数字拟合的过程是:微处理器对频率为f的正弦信号进行量化，在O?T时刻内对函数f (X)按照N个等间隔进行取样，得到离散序列的样本值；极限的取样个数应满足:
[0011]Nmax = min {(B/D) *T，2D} 公式(I)
[0012]其中，B是微处理器DSP与数模转换模块DAC之间的最大传输速率，D是数模转换模块的输入位数；
[0013]将离散序列的样本值即波形数据按D位整型进行取整，存储于存储器中，按照传输速率R将数据不断地传送给数模转换模块，建立起频率为1/T的正弦信号输出；
[0014]每周波拟合点数为N，则传输速率R满足:
[0015]R= (N*D)T 公式⑵
[0016]由公式⑵式可知，每个数据点的输出时间间隔At为:
[0017]Δ t = T/N 公式⑶
[0018]输出采样率即DMA的输出频率fs为:
[0019]fs = I/ Δ t = N/T 公式(4)
[0020]本发明所述数模转换模块包括两组D/A单元，每组D/A单元由第一 D/A转换器和第二 D/A转换器连接而成，其中，第一 D/A转换器还与微处理器相连，第二 D/A转换器还与数字波形拟合模块的存储器相连，第二 D/A转换器输出信号至功率放大模块；微处理器根据输出信号的频率的设定值f计算出正弦信号的周期T ;每路DA输出都采用两个芯片双调制输出，根据设定的输出信号的幅值，微处理器计算D/A转换器的参考电压UREF值，输出给第一 D/A转换器,第一 D/A转换器作为第二 D/A转换器的参考输入,用来调制波形的幅值，第二 D/A转换器用来调制波形以产生波形信号。
[0021]作为本发明的进一步改进，所述功率放大模块的电压输出电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一放大器Al、第一变压器Tl、第二电压互感器T2和串联多级滤波器；输入电压经第一电阻Rl接入第一放大器Al的正相端；第一放大器Al的输出端与第一变压器Tl的原边相连隔离输出；第一放大器Al的输出端与多级滤波器串联接入第一放大器Al的负相端,第三电阻R3 —端接地,另一端与第一放大器Al的负相端相连，串联多级滤波器最后是一级有源二阶滤波器，为直流偏置电阻R3提供负载能力，同时进一步衰减交流信号值；第二互感器T2原边与负载侧并联获取交流反馈电压，第二互感器T2副边的一端接地，另一端与第二电阻R2串联接入放大器Al的正相端，这样既可以有效抑制功放的直流失调电压又能保证交流信号在负载侧实现深度负反馈形成。
[0022]所述功率放大模块的电流输出电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一放大器Al、第二放大器A2、第一变压器Tl、第三电流互感器T3、第四电流互感器T4和串联多级滤波器；第四电流互感器T4与负载侧串联获取负载侧反馈交流电流，第三电流互感器T3与第四电流互感器T4串联，将负载侧反馈交流电流到由第四电阻R4和第二放大器A2组成的I/V转换器串联，I/V转换器的输出与第二电阻串联接入第一放大器Al的正相端，形成电流交流负反馈。
[0023]本发明所述人机接口模块设置的各路输出信号的参数是幅值、频率和相位。
[0024]本发明具有以下实施方式:
[0025]所述数字波形拟合模块的微处理器采用BF533微处理器。
[0026]所述的协议转换模块转化后的数字报文是IEC61850数字报文。因此，本发明可用于检定支持IEC61850-9-1/2/2LE协议的电子式互感器校验仪。
[0027]所述功率放大模块输出的电压电流信号的输出精度为0.01级。
[0028]所述数字波形序列存储模块采用32M的SDRAM MT48LC4M16A2TG。
[0029]与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果:
[0030]本发明模数同步信号源采用程控方式实现了输出一路高精度的模拟信号，输出一路与模拟信号同步并且与模拟信号有设定的比差和角差的符合IEC61850标准的数字信号，数字信号是模拟信号的离散序列值与预设角差和比差的差值信号的离散序列值叠加后的叠加信号经过协议转换得到，同时还有一路同步秒脉冲信号。模拟信号和数字信号每周波拟合点数高达50000点，波形解析度高，几乎无失真，准确度优于±0.01%RG、稳定度优于±0.01%RG/lmin、输出波形失真度小于0.01%，符合0.01级标准，输出同步秒脉冲的精度优于0.5us。模拟信号和数字信号同时输出时,可用于非同步输入的电子式互感器校验仪的检定，当增加同步秒脉冲输出时，可用于同步输入的电子式互感器校验仪的检定。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0032]图1是本发明组成结构框图之一；
[0033]图2是本发明组成结构框图之二 ；
[0034]图3是功率放大模块电压输出原理图；
[0035]图4是功率放大模块电流输出原理图；
[0036]图5是使用本发明检定非同步输入的电子式互感器校验的原理图；
[0037]图6是使用本发明检定同步输入的电子式互感器校验的原理图。
【具体实施方式】
[0038]如图1、2所示，是本发明一种标准模数同步信号源，它包括数字波形拟合模块、数字波形序列存储模块、数模转换模块、功率放大模块、协议转换模块和人机接口模块；其中，数字波形序列存储模块、人机接口模块、协议转换模块分别与数字波形拟合模块相连，数字波形拟合模块还与数模转换模块、功率放大模块依次连接，数字波形拟合模块调用储存在数字波形序列存储模块中的波形拟合数据对待输出的模拟信号进行数字拟合，再由数模转换模块对该模拟信号进行波形调制和幅度调制，使离散信号转换为连续的模拟信号，经过功率放大模块放大和驱动后，输出一路电压电流信号，输出精度为0.01级，作为标准模拟信号源用于输入电子式互感器校验仪的标准通道端口 ；而协议转换模块将待输出的模拟信号的离散序列值与预设角差和比差的差值信号的离散序列值叠加后的叠加信号转换为IEC61850数字报文，协议默认为IEC61850-9-2，可获得最高约为32bit的精度，从以太网口输出一路与标准的模拟信号同步且可以支持IEC61850-9-1/2/2LE协议的数字信号，作为标准数字信号源用于输入电子式互感器校验仪的被检通道端口，数字波形拟合模块另输出一路同步秒脉冲信号，作为标准数字信号源的同步信号用于输入电子式互感器校验仪的时钟同步端口。人机接口模块用于设置各路输出信号的参数，参数是幅值、频率和相位，以控制各路输出信号，完成人机交互。
[0039]在本实施例中，数字波形序列存储模块采用32M的SDRAM MT48LC4M16A2TG，数字波形拟合模块由ADI公司的BF533高性能DSP (微处理器)和存储器组成，BF533高性能DSP具有756MHz/1512MMACs的CPU性能以及12通道的DMA ;软件上使用双精度算法产生电压电流和差值信号的波形数据，每周波拟合点数高达50000点。
[0040]数字波形拟合过程是:DSP对频率为f的正弦信号进行量化，在O?T时刻内对函数f(x)按照N个等间隔进行取样，得到离散序列的样本值。极限的取样个数应满足:
[0041]Nmax = min {(B/D) *Τ，211} 公式(I)
[0042]其中，B是微处理器DSP与数模转换模块DAC之间的最大传输速率，D是DAC的输入位数。取样个数N越接近Nmax，DAC输出的信号的解析度越好，信号波形保真度越高。
[0043]将离散序列的样本值即波形数据按D位整型进行取整，存储于存储器中，用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，与每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值。设置DSP的DMA通道指向这组数据，按照特定的传输速率R将数据周而复始地传送给DAC，就将在DAC端建立起频率为1/T的正弦信号输出。
[0044]假设每周波拟合点数为N，则特定的传输速率R满足:
[0045]R = (N*D) T 公式(2)
[0046]由公式⑵式可知，每个数据点的输出时间间隔At为:
[0047]Δ t = T/N 公式(3)
[0048]输出采样率即DMA的输出频率fs为:
[0049]fs = 1/At = N/T 公式(4)
[0050]如果要改变信号的频率，则只要重新对取样进行计算并替换原来的波形数据即可。
[0051]32M SDRAM用来存放要输出的按照正弦规律变化的波形数据。DSP和DAC的接口使用高速串口(SPORT 口)连接，AD5545的接口带宽达到50M，其输出建立时间0.5us，由于输出正弦波信号是连续的，建立时间大大缩小优于100ns。
[0052]当输出信号频率为55Hz时，由公式⑴知，此时的极限拟合点数为56818 ;当输出信号频率为45Hz时，此时的极限拟合点数为65535。所以，工频信号输出波形拟合点数确定为每周波50000点，此时的传输速率R为40M。AD5545的接口带宽达到50M可以满足输出在50Hz时每周波5万点的40M的DAC数据传输带宽需求。
[0053]在本实施例中，数模转换模块采用ADI公司生产的高精度的数模转换器DA，使用两个独立的16Bit的D/A叠加而成可达32Bit的分辨率，使用美国亚诺德公司的AD5545 ；数字波形数据的输出使用DSP的DMA功能。数模转换模块包括两组D/A单元，每组D/A单元由第一 D/A转换器和第二 D/A转换器连接而成，其中，第一 D/A转换器还与BF533微处理器相连，第二 D/A转换器还与数字波形拟合模块的存储器相连，第二 D/A转换器输出信号至功率放大模块；BF533微处理器根据输出信号的频率的设定值f计算出正弦信号的周期T ；每路DA输出都使用两个AD5545芯片来双调制输出，根据设定的输出信号的幅值，BF533微处理器计算D/A转换器的参考电压UREF值,输出给第一 D/A转换器,第一 D/A转换器作为第二 D/A转换器的参考输入，用来调制波形的幅值，第二 D/A转换器用来调制波形以产生波形信号。
[0054]功率放大模块采用ADI公司生产的LM12CLK高性能功放，为了提高安全性，输出使用变压器隔离，使用档位自动切换来实现宽量程，并配有较为完善的过热、过流、过压保护。一般而言，低成本的高性能芯片级功率放大器输出电压在+/-40V以下，输出电流+/-1OA以下，模拟电网的三相精密功率源的输出电压在O~600V之间，输出电流在O~20A之间，所以，无法直接使用芯片级功率放大器驱动。专业高压或大电流的精密功率放大模块一般采用厚膜电路，价格极其昂贵。业界普遍的做法是使用变压器做功率变换，既满足输出高电压和大电流的要求，也可以实现输出信号和内部电路的隔离，但是无法传递直流能量，这就造成了使用变压器隔离的功放无法在负载侧做深度负反馈。当在负载侧加上反馈电阻抑制直流失调电压时，带来的弊端是大大减低功率放大器的等效放大倍数，同时功放的稳定度和负载调整率也下降了。还有一种做法是使用精密交流采样回测的方法，通过PID算法矫正输出值，这种功放电路输出稳定度受负载特性影响，负载无法实时调整，其精度受到交流采样精度和PID算法的影响。
[0055]本发明使用一种同时具备交流和直流负反馈的电路，如图3所示是功率放大模块的电压输出原理图，功率放大模块的电压输出电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一放大器Al、第一变压器Tl、第二电压互感器T2和串联多级滤波器；输入电压经第一电阻Rl接入第一放大器Al的正相端；第一放大器Al的输出端与第一变压器Tl的原边相连隔离输出；第一放大器Al的输出端与多级滤波器串联接入第一放大器Al的负相端，第三电阻R3 —端接地，另一端与第一放大器Al的负相端相连，串联多级滤波器最后是一级二阶有源低通滤波器，为直流偏置电阻R3提供负载能力，同时进一步衰减交流信号值，串联多级滤波器的其余三级为巴特沃斯滤波器；第二互感器T2原边与负载侧并联获取交流反馈电压，第二互感器T2副边的一端接地，另一端与第二电阻R2串联接入放大器Al的正相端，这样既可以有效抑制功放的直流失调电压又能保证交流信号在负载侧实现深度负反馈。
[0056]设T2的原副边变比为K,则传递函数为:
【权利要求】
1.一种标准模数同步信号源，其特征在于:它包括数字波形拟合模块、数字波形序列存储模块、数模转换模块、功率放大模块、协议转换模块和人机接口模块；所述数字波形序列存储模块、人机接口模块、协议转换模块分别与所述数字波形拟合模块相连，所述数字波形拟合模块还与数模转换模块、功率放大模块依次连接，所述数字波形拟合模块调用储存在数字波形序列存储模块中的波形拟合数据对待输出的模拟信号进行数字拟合，再由数模转换模块对该模拟信号进行波形调制和幅度调制，使离散信号转换为连续的模拟信号，经过功率放大模块放大和驱动后，输出一路电压电流信号，作为标准的模拟信号源用于输入电子式互感器校验仪的标准通道端口 ；而所述协议转换模块将待输出的模拟信号的离散序列值与预设角差和比差的差值信号的离散序列值叠加后的叠加信号转换为数字报文，输出一路与标准的模拟信号同步的数字信号，作为标准数字信号源用于输入电子式互感器校验仪的被检通道端口 ；所述人机接口模块用于设置各路输出信号的参数，以控制各路输出信号。
2.根据权利要求1所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述的数字波形拟合模块另输出一路同步秒脉冲信号，作为标准数字信号源的同步信号用于输入电子式互感器校验仪的时钟同步端口。
3.根据权利要求2所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述的数字波形拟合模块由微处理器和存储器组成，所述数字波形拟合模块进行数字拟合的过程是:微处理器对频率为f的正弦信号进行量化，在O~T时刻内对函数f (X)按照N个等间隔进行取样，得到离散序列的样本值；极限的取样个数应满足: Nmax = min{(B/D)*T，2D} 公式(1) 其中，B是微处理器与数模转换模块之间的最大传输速率，D是数模转换模块的输入位数； 将离散序列的样本值即波形数据按D位整型进行取整，存储于存储器中，按照传输速率R将数据不断地传送给数模转换模块，建立起频率为1/T的正弦信号输出； 每周波拟合点数为N，则传输速率R满足: R=(N*D)/T 公式(2) 由公式⑵式可知，每个数据点的输出时间间隔At为: Δ t = T/N 公式(3) 输出采样率即DMA的输出频率fs为: fs = I/ Δ t = N/T 公式⑷。
4.根据权利要求3所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述数模转换模块包括两组D/A单元，每组D/A单元由第一 D/A转换器和第二 D/A转换器连接而成，其中，第一 D/A转换器还与微处理器相连，第二 D/A转换器还与数字波形拟合模块的存储器相连，第二 D/A转换器输出信号至功率放大模块；微处理器根据输出信号的频率的设定值f计算出正弦信号的周期T ;每路DA输出都采用两个芯片双调制输出，根据设定的输出信号的幅值，微处理器计算D/A转换器的参考电压UREF值，输出给第一 D/A转换器，第一 D/A转换器作为第二D/A转换器的参考输入，用来调制波形的幅值，第二 D/A转换器用来调制波形以产生波形信号。
5.根据权利要求4所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述功率放大模块的电压输出电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第一放大器(Al)、第一变压器(Tl)、第二电压互感器(T2)和串联多级滤波器；输入电压经第一电阻(Rl)接入第一放大器(Al)的正相端；第一放大器(Al)的输出端与第一变压器(Tl)的原边相连隔离输出；第一放大器(Al)的输出端与多级滤波器串联接入第一放大器(Al)的负相端，第三电阻(R3)一端接地，另一端与第一放大器(Al)的负相端相连，串联多级滤波器最后是一级有源二阶滤波器，为直流偏置电阻(R3)提供负载能力并衰减交流信号值；第二互感器(T2)原边与负载侧并联获取交流反馈电压，第二互感器(T2)副边的一端接地，另一端与第二电阻(R2)串联接入放大器Al的正相端。
6.根据权利要求5所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述功率放大模块的电流输出电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一放大器(Al)、第二放大器(A2)、第一变压器(Tl)、第三电流互感器(T3)、第四电流互感器(T4)和串联多级滤波器；第四电流互感器(T4)与负载侧串联获取负载侧反馈交流电流，第三电流互感器(T3)与第四电流互感器(T4)串联，将负载侧反馈交流电流到由第四电阻(R4)和第二放大器(A2)组成I/V转换器串联，I/V转换器的输出与第二电阻(R2)串联接入第一放大器(Al)的正相端，形成电流交流负反馈。
7.根据权利要求6所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述数字波形拟合模块的微处理器采用BF533微处理器。
8.根据权利要求7所 述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述人机接口模块设置的各路输出信号的参数是幅值、频率和相位。
9.根据权利要求8所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述功率放大模块输出的电压电流信号的输出精度为0.01级。
10.根据权利要求9所述的标准模数同步信号源，其特征在于:所述的协议转换模块转化后的数字报文是IEC61850数字报文；所述数字波形序列存储模块采用32M的SDRAMMT48LC4M16A2TG。
【文档编号】G01R35/02GK103543430SQ201310451215
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】潘峰, 孙卫明, 肖勇, 宋强, 张鼎衢, 黄建钟, 黄清乐 申请人:广东电网公司电力科学研究院