智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器的制作方法

本发明涉及智能变电站领域，具体涉及一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器。

背景技术：

智能变电站在对隔离开关、断路器进行操作或隔离开关、断路器发生接地故障时，会产生相当强烈的快速暂态过电压vfto，vfto分布于电子式互感器的接地网上，形成强烈的接地网电位差干扰信号，并耦合到电子式互感器前端的采集单元，导致采集单元工作出现异常、复位、甚至可能导致采集器损坏，从而影响到整个系统的稳定运行。因此需要对电子式互感器采集单元接地网干扰的原理及表现形式进行分析，提出可靠并有效的抗干扰措施。

为了分析研究电子式互感器采集单元接地网干扰的机理和表现形式，并提出电子式互感器采集单元应对接地网干扰的抗干扰措施，本发明提出一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，用于模拟智能变电站接地网电位差干扰信号，并通过数模转换器转换成模拟信号输出，施加到电子式互感器前端的采集单元，完成接地网干扰原理测试，以验证抗干扰措施。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，该发生器可生成仿真的智能变电站接地网电位差干扰信号，并通过数模转换器转换成模拟信号输出，施加到采集单元，完成测试。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征在于：包括上位pc机和信号发生器主机两部分，所述信号发生器主机包括fpga控制器、数字隔离电路a、数字隔离电路b、数模转换电路、信号调理电路、信号回采电路；所述上位机通过以太网通讯接口连接到fpga控制器，fpga控制器经数字隔离电路a连接到数模转换电路，数模转换电路再经过信号调理电路后连接到信号输出端；fpga控制器经数字隔离电路b连接到信号回采电路，信号回采电路的输出连接到信号输出端。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述上位机用于将现场实测获得智能变电站接地网电位差干扰信号的录波数据与正常工况下基波数据合并导入信号发生器主机。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述数字隔离电路a、数字隔离电路b均采用adum262n数字隔离器。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述数模转换电路采用ad9117数模转换器。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述信号调理电路包括dac缓冲器，输入的差分信号dac+通过电阻r9接地，输入的差分信号dac-通过电阻r10接地，电容c9与电阻r9并联，电容c10与电阻r10并联；差分信号dac+经电阻r1连接到dac缓冲器d7的正差分输入端+in，差分信号dac-经电阻r2连接到dac缓冲器d7的负差分输入端-in；dac缓冲器d7的正电源输入端+vs经相互并联的电容c1、电容c2后接地，d7的负电源输入端-vs经相互并联的电容c3、电容c4后接地；dac缓冲器d7的pd信号端通过电阻r4上拉；dac缓冲器d7的out信号端经相互并联的电阻r5、电容c5连接到d7的fb信号端，d7的fb信号端经相互并联的电阻r6、电容c6连接到d7的ref信号端；dac缓冲器d7的ref信号端连接到电位器rl1的中心触点；dac缓冲器d7的out信号端经电阻r7连接到信号输出vout，同时d7的out信号端连接到运算放大器d8的正向输入端，运算放大器d8的反向输入端连接到d8的输出端，d8的输出端连接到反馈信号v_feek输出端。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述信号回采电路用于采集经信号调理电路输出的模拟信号并将其转换成数字量发送给fpga控制器，信号回采电路使用ad7606-4实现模数转换。

前述的一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，其特征是：所述fpga控制器采用xilinx公司的xc3sd3400a现场可编程门阵列。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过上位机来进行配置、数据整合，比通用的信号发生器使用更加方便，灵活，功能更强；

(2)采用智能变电站现场实测的干扰波形录波数据用于测试，针对性更强，能真实模拟智能变电站现场的干扰；

(3)通过将数字回路和模拟回路进行数字隔离，避免数字回路的噪声影响到模拟信号，从而获得更高的输出精度；

(4)通过对输出信号采样，并反馈给fpga控制器对输出信号进行实时的调整，确保输出信号的准确度。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是信号调理电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种智能变电站接地网电位差干扰信号仿真波形发生器，包括上位pc机和信号发生器主机两部分，其中信号发生器主机包括fpga控制器、数字隔离电路a、数字隔离电路b、数模转换电路、信号调理电路、信号回采电路；上位机通过以太网通讯接口连接到信号发生器主机的fpga控制器，fpga控制器经数字隔离电路a连接到数模转换电路，数模转换电路再经过信号调理电路后连接到信号输出端；fpga控制器经数字隔离电路b连接到信号回采电路，信号回采电路的输出也连接到信号输出端。

该信号发生器可生成仿真的智能变电站接地网电位差干扰信号，并通过数模转换器转换成模拟信号输出，施加到采集单元，完成测试。

所述上位机用于将现场实测获得智能变电站接地网电位差干扰信号的录波数据与正常工况下基波数据合并、整理，生成新的波形数据并导入信号发生器主机；上位机和主机之间通过以太网方式进行通信，通过上位机进行配置及指令下发，采用此方式可实现对主机输出的仿真波形灵活设置，包括可设置叠加干扰的开始时刻、干扰时间，模拟电子式互感器空载、带负荷等工况下叠加干扰信号后的仿真波形，也可以模拟不同原理的电子式互感器叠加干扰信号后的波形。

所述fpga控制器采用xilinx公司的xc3sd3400a现场可编程门阵列。fpga控制器为信号发生器主机的核心，用于接收上位机下发的指令及波形数据，并经数字隔离电路a控制数模转换电路将波形数据转换成模拟信号，同时fpga控制器也经数字隔离电路b控制信号回采电路完成对信号调理电路输出的模拟信号的采样及数模转换，并接收信号回采电路经数字隔离电路b反馈的数据。将从信号回采电路获得的反馈数据和fpga控制器下发的波形数据进行比较，并据此来调整输出的模拟信号，实现对信号发生器输出信号的闭环控制，确保输出信号的准确度。

所述数字隔离电路a、数字隔离电路b均采用adum262n数字隔离器。数字隔离电路用于对fpga控制器和数模转换电路及信号回采电路进行电气隔离，防止数字电路部分的噪声干扰到模拟回路的信号从而影响信号输出的精度。

数模转换电路采用ad9117数模转换器。ad9117具有14位分辨率、125msps转换速率、低功耗等特点，满足接地网电位差干扰仿真需求。

信号调理电路用于对数模转换电路输出的信号进行调理。由于ad9117数模转换器为差分电流型输出，因此通过dac缓冲器将ad9117输出的差分信号进行调理放大并转换成电压信号输出。所述dac缓冲器采用ad8130。ad8130是一款理想的互补元件，具有较大的平衡输入阻抗，并具有出色的交流共模抑制性能。ad8130频率响应带宽为270mhz，支持ad9117在最大转换速率时产生的最高约40mhz的输出频率。

如图2所示，为输出信号调理电路的原理图。

图中，输入的差分信号dac+通过电阻r9接地，输入的差分信号dac-通过电阻r10接地，电阻r9、电阻r10用于将输入的电流信号转变成电压信号。电容c9与电阻r9并联，电容c10与电阻r10并联，用于降低信号噪声。

差分信号dac+经电阻r1连接到dac缓冲器d7的正差分输入端+in，差分信号dac-经电阻r2连接到dac缓冲器d7的负差分输入端-in，串联电阻r1，r2用于改善差分输入电路的整体失真性能，电阻r1、电阻r2阻值均为49.9ω，其精度为0.1％，温度稳定度为5ppm。

dac缓冲器d7的正电源输入端+vs经相互并联的电容c1、电容c2后接地，d7的负电源输入端-vs经相互并联的电容c3、电容c4后接地，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4用于对电源去耦。

dac缓冲器d7的pd信号端通过电阻r4上拉，以退出掉电保护模式。

dac缓冲器d7的out信号端经相互并联的电阻r5、电容c5连接到d7的fb信号端，d7的fb信号端经相互并联的电阻r6、电容c6连接到d7的ref信号端，电阻r5、电阻r6用于设置信号调理电路的增益，电容c5、电容c6用于滤除信号噪声。dac缓冲器d7的ref信号端连接到电位器rl1的中心触点，可通过调节电位器rl1对dac缓冲器d7的输出信号进行修正。

dac缓冲器d7的out信号端经电阻r7连接到信号输出vout，同时d7的out信号端也连接到运算放大器d8的正向输入端，运算放大器d8的反向输入端连接到d8的输出端，d8的输出端连接到反馈信号v_feek输出端。所述运算放大器d8作为电压跟随器将输出信号复制产生反馈信号v_feek，提供给信号回采电路采集。

信号回采电路用于采集经信号调理电路输出的模拟信号并将其转换成数字量发送给fpga控制器。信号回采电路使用ad7606-4实现模数转换。ad7606-4是一款16位分辨率、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器，采用单电源供电，内置抗混叠滤波器和基准电压源，模拟输入阻抗达到1mω，因此无需对输入信号进行前置调理。

另外，本设计中的，为确保良好的整体性能，应采用射频电路板布局布线技术进行设计及制板。高速数模转换器的模拟输出及放大器引脚下面的所有接地层和电源层应不含铜，防止接地输入、输出引脚之间形成寄生电容。输入、输出端电阻、旁路电容应尽可能靠近高速器件，输出负载接地和旁路电容接地应返回至接地层上的同一点，以使走线寄生电感、响铃振荡最小。

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。