一種標準模數同步信號源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種標準模數同步信號源，包括數字波形擬合模塊、數字波形序列存儲模塊、數模轉換模塊、功率放大模塊、協議轉換模塊和人機接口模塊；數字波形擬合模塊調用儲存在數字波形序列存儲模塊中的波形擬合數據對待輸出的模擬信號進行數字擬合，再由數模轉換模塊對該模擬信號進行波形調制和幅度調制，使離散信號轉換為連續的模擬信號，經過功率放大模塊放大和驅動后，輸出一路電壓電流信號；協議轉換模塊將待輸出的模擬信號的離散序列值與預設角差和比差的差值信號的離散序列值疊加后的疊加信號轉換為數字報文，輸出一路與標準的模擬信號同步的數字信號。本實用新型可實現模擬信號和數字信號同時輸出，能夠檢定非同步輸入的電子式互感器校驗儀。
【專利說明】一種標準模數同步信號源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于檢定電子式互感器校驗儀的標準模數同步信號源。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著智能電網技術的迅猛發展，數字化變電站的試點建設已經越來越多，數字化變電站由于采用光纖進行數字量的傳輸，不存在二次壓降以及模擬電能表的AD采集誤差，這大大減少了傳統計量二次回路的誤差。因此，數字化是當今世界電力發展的方向。
[0003]電子式互感器作為模擬世界到數字世界的橋梁，在數字化變電站中占有舉足輕重的地位，可以認為電子式互感器是數字化變電站的基石，所有的數字量都是來源于它。因此，電子式互感器的精度和性能非常重要。我國計量法規定所有的計量器具都必須得到量傳，也就是所有的計量器具都必須能夠實現量值朔源。因此在實際應用中需要對電子式互感器進行量傳，在現場安裝后也需要對其進行校驗，驗證其測量精度和穩定性，以及對IEC61850協議支持的正確性。
[0004]電子式互感器校驗儀具備對電子式互感器進行角差、比差校驗的功能，并可對通信報文進行全幀分析，還可以對電子式互感器進行各種通信故障測試以及精度校驗。
[0005]而對于電子式互感器校驗儀，也必須要有一個能夠對其功能和性能進行全面檢定的設備。但是，目前尚未有對電子式互感器校驗儀進行檢定的國家規程出臺，國外也沒有相關的設備和標準。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于提供一種能夠檢定電子式互感器校驗儀的標準模數同步信號源。
[0007]本實用新型的上述目的通過以下的技術措施來實現:一種標準模數同步信號源，其特征在于:它包括數字波形擬合模塊、數字波形序列存儲模塊、數模轉換模塊、功率放大模塊、協議轉換模塊和人機接口模塊；所述數字波形序列存儲模塊、人機接口模塊、協議轉換模塊分別與所述數字波形擬合模塊相連，所述數字波形擬合模塊還與數模轉換模塊、功率放大模塊依次連接，所述數字波形擬合模塊調用儲存在數字波形序列存儲模塊中的波形擬合數據對待輸出的模擬信號進行數字擬合，再由數模轉換模塊對該模擬信號進行波形調制和幅度調制，使離散信號轉換為連續的模擬信號，經過功率放大模塊放大和驅動后，輸出一路電壓電流信號，作為標準的模擬信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的標準通道端口 ；而所述協議轉換模塊將待輸出的模擬信號的離散序列值與預設角差和比差的差值信號的離散序列值疊加后的疊加信號轉換為數字報文，輸出一路與標準的模擬信號同步的數字信號，作為標準數字信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的被檢通道端口 ；所述人機接口模塊用于設置各路輸出信號的參數，以控制各路輸出信號。
[0008]本實用新型可以實現模擬信號和數字信號同時輸出，由于電子式互感器校驗儀的標準信號為模擬量，被檢信號為數字量，因此能夠實現對非同步輸入的電子式互感器校驗儀的檢定。
[0009]作為本實用新型的一種改進，所述的數字波形擬合模塊另輸出一路同步秒脈沖信號，作為標準數字信號源的同步信號用于輸入電子式互感器校驗儀的時鐘同步端口。本實用新型當模擬信號、數字信號和同步秒脈沖信號同時輸出時，可用于同步輸入的電子式互感器校驗儀的檢定。
[0010]本實用新型所述的數字波形擬合模塊由微處理器和存儲器組成，所述數字波形擬合模塊進行數字擬合的過程是:微處理器對頻率為f的正弦信號進行量化，在O?T時刻內對函數f(x)按照N個等間隔進行取樣，得到離散序列的樣本值；極限的取樣個數應滿足:
[0011]Nmax = min {(B/D) *T，2D} 公式(I)
[0012]其中，B是微處理器DSP與數模轉換模塊DAC之間的最大傳輸速率，D是數模轉換模塊的輸入位數；
[0013]將離散序列的樣本值即波形數據按D位整型進行取整，存儲于存儲器中，按照傳輸速率R將數據不斷地傳送給數模轉換模塊，建立起頻率為1/T的正弦信號輸出；
[0014]每周波擬合點數為N，則傳輸速率R滿足:
[0015]R= (N*D)/T 公式(2)
[0016]由公式⑵式可知，每個數據點的輸出時間間隔At為:
[0017]Δ t = T/N 公式(3)
[0018]輸出采樣率即DMA的輸出頻率fs為:
[0019]fs = I/ Δ t = N/T 公式(4)
[0020]本實用新型所述數模轉換模塊包括兩組D/A單元，每組D/A單元由第一 D/A轉換器和第二 D/A轉換器連接而成，其中，第一 D/A轉換器還與微處理器相連，第二 D/A轉換器還與數字波形擬合模塊的存儲器相連，第二 D/A轉換器輸出信號至功率放大模塊；微處理器根據輸出信號的頻率的設定值f計算出正弦信號的周期T ;每路DA輸出都采用兩個芯片雙調制輸出，根據設定的輸出信號的幅值，微處理器計算D/A轉換器的參考電壓UREF值，輸出給第一 D/A轉換器，第一 D/A轉換器作為第二 D/A轉換器的參考輸入，用來調制波形的幅值，第二 D/A轉換器用來調制波形以產生波形信號。
[0021]作為本實用新型的進一步改進，所述功率放大模塊的電壓輸出電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第一放大器Al、第一變壓器Tl、第二電壓互感器T2和串聯多級濾波器；輸入電壓經第一電阻Rl接入第一放大器Al的正相端；第一放大器Al的輸出端與第一變壓器Tl的原邊相連隔離輸出；第一放大器Al的輸出端與多級濾波器串聯接入第一放大器Al的負相端,第三電阻R3 —端接地,另一端與第一放大器Al的負相端相連，串聯多級濾波器最后是一級有源二階濾波器，為直流偏置電阻R3提供負載能力，同時進一步衰減交流信號值；第二互感器T2原邊與負載側并聯獲取交流反饋電壓，第二互感器T2副邊的一端接地，另一端與第二電阻R2串聯接入放大器Al的正相端，這樣既可以有效抑制功放的直流失調電壓又能保證交流信號在負載側實現深度負反饋形成。
[0022]所述功率放大模塊的電流輸出電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一放大器Al、第二放大器A2、第一變壓器Tl、第三電流互感器T3、第四電流互感器T4和串聯多級濾波器；第四電流互感器T4與負載側串聯獲取負載側反饋交流電流，第三電流互感器T3與第四電流互感器T4串聯，將負載側反饋交流電流到由第四電阻R4和第二放大器A2組成的I/V轉換器串聯，I/V轉換器的輸出與第二電阻串聯接入第一放大器Al的正相端，形成電流交流負反饋。
[0023]本實用新型所述人機接口模塊設置的各路輸出信號的參數是幅值、頻率和相位。
[0024]本實用新型具有以下實施方式:
[0025]所述數字波形擬合模塊的微處理器采用BF533微處理器。
[0026]所述的協議轉換模塊轉化后的數字報文是IEC61850數字報文。因此，本實用新型可用于檢定支持IEC61850-9-1/2/2LE協議的電子式互感器校驗儀。
[0027]所述功率放大模塊輸出的電壓電流信號的輸出精度為0.01級。
[0028]所述數字波形序列存儲模塊采用32M的SDRAM MT48LC4M16A2TG。
[0029]與現有技術相比，本實用新型具有如下顯著的效果:
[0030]本實用新型模數同步信號源采用程控方式實現了輸出一路高精度的模擬信號，輸出一路與模擬信號同步并且與模擬信號有設定的比差和角差的符合IEC61850標準的數字信號，數字信號是模擬信號的離散序列值與預設角差和比差的差值信號的離散序列值疊加后的疊加信號經過協議轉換得到，同時還有一路同步秒脈沖信號。模擬信號和數字信號每周波擬合點數高達50000點，波形解析度高，幾乎無失真，準確度優于±0.01%RG、穩定度優于±0.01%RG/lmin、輸出波形失真度小于0.01%，符合0.01級標準，輸出同步秒脈沖的精度優于0.5us。模擬信號和數字信號同時輸出時,可用于非同步輸入的電子式互感器校驗儀的檢定，當增加同步秒脈沖輸出時，可用于同步輸入的電子式互感器校驗儀的檢定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0032]圖1是本實用新型組成結構框圖之一；
[0033]圖2是本實用新型組成結構框圖之二 ；
[0034]圖3是功率放大模塊電壓輸出原理圖；
[0035]圖4是功率放大模塊電流輸出原理圖；
[0036]圖5是使用本實用新型檢定非同步輸入的電子式互感器校驗的原理圖；
[0037]圖6是使用本實用新型檢定同步輸入的電子式互感器校驗的原理圖。
【具體實施方式】
[0038]如圖1、2所示，是本實用新型一種標準模數同步信號源，它包括數字波形擬合模塊、數字波形序列存儲模塊、數模轉換模塊、功率放大模塊、協議轉換模塊和人機接口模塊；其中，數字波形序列存儲模塊、人機接口模塊、協議轉換模塊分別與數字波形擬合模塊相連，數字波形擬合模塊還與數模轉換模塊、功率放大模塊依次連接，數字波形擬合模塊調用儲存在數字波形序列存儲模塊中的波形擬合數據對待輸出的模擬信號進行數字擬合，再由數模轉換模塊對該模擬信號進行波形調制和幅度調制，使離散信號轉換為連續的模擬信號，經過功率放大模塊放大和驅動后，輸出一路電壓電流信號，輸出精度為0.01級,作為標準模擬信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的標準通道端口 ；而協議轉換模塊將待輸出的模擬信號的離散序列值與預設角差和比差的差值信號的離散序列值疊加后的疊加信號轉換為IEC61850數字報文，協議默認為IEC61850-9-2，可獲得最高約為32bit的精度，從以太網口輸出一路與標準的模擬信號同步且可以支持IEC61850-9-1/2/2LE協議的數字信號，作為標準數字信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的被檢通道端口，數字波形擬合模塊另輸出一路同步秒脈沖信號，作為標準數字信號源的同步信號用于輸入電子式互感器校驗儀的時鐘同步端口。人機接口模塊用于設置各路輸出信號的參數，參數是幅值、頻率和相位，以控制各路輸出信號，完成人機交互。
[0039]在本實施例中，數字波形序列存儲模塊采用32M的SDRAM MT48LC4M16A2TG，數字波形擬合模塊由ADI公司的BF533高性能DSP (微處理器)和存儲器組成，BF533高性能DSP具有756MHz/1512MMACs的CPU性能以及12通道的DMA ;軟件上使用雙精度算法產生電壓電流和差值信號的波形數據，每周波擬合點數高達50000點。
[0040]數字波形擬合過程是:DSP對頻率為f的正弦信號進行量化，在O?T時刻內對函數f(x)按照N個等間隔進行取樣，得到離散序列的樣本值。極限的取樣個數應滿足:
[0041]Nmax = min {(B/D) *Τ，211} 公式(I)
[0042]其中，B是微處理器DSP與數模轉換模塊DAC之間的最大傳輸速率，D是DAC的輸入位數。取樣個數N越接近Nmax，DAC輸出的信號的解析度越好，信號波形保真度越高。
[0043]將離散序列的樣本值即波形數據按D位整型進行取整，存儲于存儲器中，用可程控的時鐘信號為存儲器提供掃描地址，與每個地址相對應的數據則代表波形在等間隔取樣點上的幅度值。設置DSP的DMA通道指向這組數據，按照特定的傳輸速率R將數據周而復始地傳送給DAC，就將在DAC端建立起頻率為1/T的正弦信號輸出。
[0044]假設每周波擬合點數為N，則特定的傳輸速率R滿足:
[0045]R = (N*D) /T 公式(2)
[0046]由公式⑵式可知，每個數據點的輸出時間間隔At為:
[0047]Δ t = T/N 公式(3)
[0048]輸出采樣率即DMA的輸出頻率fs為:
[0049]fs = 1/At = N/T 公式(4)
[0050]如果要改變信號的頻率，則只要重新對取樣進行計算并替換原來的波形數據即可。
[0051]32M SDRAM用來存放要輸出的按照正弦規律變化的波形數據。DSP和DAC的接口使用高速串口(SPORT 口)連接，AD5545的接口帶寬達到50M，其輸出建立時間0.5us，由于輸出正弦波信號是連續的，建立時間大大縮小優于100ns。
[0052]當輸出信號頻率為55Hz時，由公式⑴知，此時的極限擬合點數為56818 ;當輸出信號頻率為45Hz時，此時的極限擬合點數為65535。所以，工頻信號輸出波形擬合點數確定為每周波50000點，此時的傳輸速率R為40M。AD5545的接口帶寬達到50M可以滿足輸出在50Hz時每周波5萬點的40M的DAC數據傳輸帶寬需求。
[0053]在本實施例中，數模轉換模塊采用ADI公司生產的高精度的數模轉換器DA，使用兩個獨立的16Bit的D/A疊加而成可達32Bit的分辨率，使用美國亞諾德公司的AD5545 ；數字波形數據的輸出使用DSP的DMA功能。數模轉換模塊包括兩組D/A單元，每組D/A單元由第一 D/A轉換器和第二 D/A轉換器連接而成，其中，第一 D/A轉換器還與BF533微處理器相連，第二 D/A轉換器還與數字波形擬合模塊的存儲器相連，第二 D/A轉換器輸出信號至功率放大模塊；BF533微處理器根據輸出信號的頻率的設定值f計算出正弦信號的周期T ；每路DA輸出都使用兩個AD5545芯片來雙調制輸出，根據設定的輸出信號的幅值，BF533微處理器計算D/A轉換器的參考電壓UREF值,輸出給第一 D/A轉換器,第一 D/A轉換器作為第二 D/A轉換器的參考輸入，用來調制波形的幅值，第二 D/A轉換器用來調制波形以產生波形信號。
[0054]功率放大模塊采用ADI公司生產的LM12CLK高性能功放，為了提高安全性，輸出使用變壓器隔離，使用檔位自動切換來實現寬量程，并配有較為完善的過熱、過流、過壓保護。一般而言，低成本的高性能芯片級功率放大器輸出電壓在+/-40V以下，輸出電流+/-1OA以下，模擬電網的三相精密功率源的輸出電壓在O~600V之間，輸出電流在O~20A之間，所以，無法直接使用芯片級功率放大器驅動。專業高壓或大電流的精密功率放大模塊一般采用厚膜電路，價格極其昂貴。業界普遍的做法是使用變壓器做功率變換，既滿足輸出高電壓和大電流的要求，也可以實現輸出信號和內部電路的隔離，但是無法傳遞直流能量，這就造成了使用變壓器隔離的功放無法在負載側做深度負反饋。當在負載側加上反饋電阻抑制直流失調電壓時，帶來的弊端是大大減低功率放大器的等效放大倍數，同時功放的穩定度和負載調整率也下降了。還有一種做法是使用精密交流采樣回測的方法，通過PID算法矯正輸出值，這種功放電路輸出穩定度受負載特性影響，負載無法實時調整，其精度受到交流采樣精度和PID算法的影響。
[0055]本實用新型使用一種同時具備交流和直流負反饋的電路，如圖3所示是功率放大模塊的電壓輸出原理圖，功率放大模塊的電壓輸出電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第一放大器Al、第一變壓器Tl、第二電壓互感器T2和串聯多級濾波器；輸入電壓經第一電阻Rl接入第一放大器Al的正相端；第一放大器Al的輸出端與第一變壓器Tl的原邊相連隔離輸出；第一放大器Al的輸出端與多級濾波器串聯接入第一放大器Al的負相端，第三電阻R3 —端接地，另一端與第一放大器Al的負相端相連，串聯多級濾波器最后是一級二階有源低通濾波器，為直流偏置電阻R3提供負載能力，同時進一步衰減交流信號值，串聯多級濾波器的其余三級為巴特沃斯濾波器；第二互感器T2原邊與負載側并聯獲取交流反饋電壓，第二互感器T2副邊的一端接地，另一端與第二電阻R2串聯接入放大器Al的正相端，這樣既可以有效抑制功放的直流失調電壓又能保證交流信號在負載側實現深度負反饋。
[0056]設T2的原副邊變比為K,則傳遞函數為:
[0057]
【權利要求】
1. 一種標準模數同步信號源，其特征在于:它包括數字波形擬合模塊、數字波形序列存儲模塊、數模轉換模塊、功率放大模塊、協議轉換模塊和人機接口模塊；所述數字波形序列存儲模塊、人機接口模塊、協議轉換模塊分別與所述數字波形擬合模塊相連，所述數字波形擬合模塊還與數模轉換模塊、功率放大模塊依次連接，所述數字波形擬合模塊調用儲存在數字波形序列存儲模塊中的波形擬合數據對待輸出的模擬信號進行數字擬合，再由數模轉換模塊對該模擬信號進行波形調制和幅度調制，使離散信號轉換為連續的模擬信號，經過功率放大模塊放大和驅動后，輸出一路電壓電流信號，作為標準的模擬信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的標準通道端口 ；而所述協議轉換模塊將待輸出的模擬信號的離散序列值與預設角差和比差的差值信號的離散序列值疊加后的疊加信號轉換為數字報文，輸出一路與標準的模擬信號同步的數字信號，作為標準數字信號源用于輸入電子式互感器校驗儀的被檢通道端口 ；所述人機接口模塊用于設置各路輸出信號的參數，以控制各路輸出信號。
2.根據權利要求1所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述的數字波形擬合模塊另輸出一路同步秒脈沖信號，作為標準數字信號源的同步信號用于輸入電子式互感器校驗儀的時鐘同步端口。
3.根據權利要求2所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述的數字波形擬合模塊由微處理器和存儲器組成，所述數字波形擬合模塊進行數字擬合的過程是:微處理器對頻率為f的正弦信號進行量化，在O~T時刻內對函數f (X)按照N個等間隔進行取樣，得到離散序列的樣本值；極限的取樣個數應滿足: Nmax = min{(B/D)*T，2D} 公式(I) 其中，B是微處理器與數模轉換模塊之間的最大傳輸速率，D是數模轉換模塊的輸入位數； 將離散序列的樣本值即波形數據按D位整型進行取整，存儲于存儲器中，按照傳輸速率R將數據不斷地傳送給數模轉換模塊，建立起頻率為1/T的正弦信號輸出； 每周波擬合點數為N，則傳輸速率R滿足: R=(N*D)/T 公式(2) 由公式⑵式可知，每個數據點的輸出時間間隔At為: Δ t = T/N 公式(3) 輸出采樣率即DMA的輸出頻率fs為: fs = I/ Δ t = N/T 公式⑷。
4.根據權利要求3所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述數模轉換模塊包括兩組D/A單元，每組D/A單元由第一 D/A轉換器和第二 D/A轉換器連接而成，其中，第一 D/A轉換器還與微處理器相連，第二 D/A轉換器還與數字波形擬合模塊的存儲器相連，第二 D/A轉換器輸出信號至功率放大模塊；微處理器根據輸出信號的頻率的設定值f計算出正弦信號的周期T ;每路DA輸出都采用兩個芯片雙調制輸出，根據設定的輸出信號的幅值，微處理器計算D/A轉換器的參考電壓UREF值，輸出給第一 D/A轉換器，第一 D/A轉換器作為第二D/A轉換器的參考輸入，用來調制波形的幅值，第二 D/A轉換器用來調制波形以產生波形信號。
5.根據權利要求4所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述功率放大模塊的電壓輸出電路包括第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第一放大器(Al)、第一變壓器(Tl)、第二電壓互感器(T2)和串聯多級濾波器；輸入電壓經第一電阻(Rl)接入第一放大器(Al)的正相端；第一放大器(Al)的輸出端與第一變壓器(Tl)的原邊相連隔離輸出；第一放大器(Al)的輸出端與多級濾波器串聯接入第一放大器(Al)的負相端，第三電阻(R3)一端接地，另一端與第一放大器(Al)的負相端相連，串聯多級濾波器最后是一級有源二階濾波器，為直流偏置電阻(R3)提供負載能力并衰減交流信號值；第二互感器(T2)原邊與負載側并聯獲取交流反饋電壓，第二互感器(T2)副邊的一端接地，另一端與第二電阻(R2)串聯接入放大器Al的正相端。
6.根據權利要求5所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述功率放大模塊的電流輸出電路包括第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第一放大器(Al)、第二放大器(A2)、第一變壓器(Tl)、第三電流互感器(T3)、第四電流互感器(T4)和串聯多級濾波器；第四電流互感器(T4)與負載側串聯獲取負載側反饋交流電流，第三電流互感器(T3)與第四電流互感器(T4)串聯，將負載側反饋交流電流到由第四電阻(R4)和第二放大器(A2)組成I/V轉換器串聯，I/V轉換器的輸出與第二電阻(R2)串聯接入第一放大器(Al)的正相端，形成電流交流負反饋。
7.根據權利要求6所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述數字波形擬合模塊的微處理器采用BF533微處理器。
8.根據權利要求7所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述人機接口模塊設置的各路輸出信號的參數是幅值、頻率和相位。
9.根據權利要求8所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述功率放大模塊輸出的電壓電流信號的輸出精度為0.01級。
10.根據權利要求9所述的標準模數同步信號源，其特征在于:所述的協議轉換模塊轉化后的數字報文是IEC618 50數字報文；所述數字波形序列存儲模塊采用32M的SDRAMMT48LC4M16A2TG。
【文檔編號】G01R35/02GK203465409SQ201320604541
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】潘峰, 孫衛明, 肖勇, 宋強, 張鼎衢, 黃建鐘, 黃清樂 申請人:廣東電網公司電力科學研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
