專利名稱：高速同步數/模轉換模板及其數據處理、控制方法
技術領域：
本發明屬于電力系統領域，特別適于作為電力系統繼電保護裝置和其它電力系統安全自動裝置的試驗裝置。
繼電保護是電力系統的重要組成部分。運行中的電力系統經常會發生各種故障，快速準確地檢出并切除故障是繼電保護的首要任務。而繼電保護的不正確動作(包括非故障時的誤動作和故障時的拒絕動作)將給電力系統帶來巨大危害，甚至災難性的后果。因此，電力系統對于繼電保護的可靠性要求特別高，任何一個繼電保護裝置在投入電力系統使用前都要經過反復的試驗，這些試驗包括靜態模擬試驗和動模試驗甚至實時仿真試驗。
行波保護是一種反映輸電線路故障瞬間所產生的的暫態行波而動作的繼電保護，它具有超高速動作性能，因此倍受電力系統關注。但是由于行波信號的頻率非常高，一般為幾百千赫茲甚至高達數兆赫茲，目前國內外的所有繼電保護試驗裝置都無法提供這種高頻電流和電壓信號，因此沒有辦法對行波保護裝置進行測試和試驗，從而給行波保護裝置的研制和實際應用帶來諸多不便。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，設計出一種高速同步數/模轉換模板，用該模塊構成的行波保護試驗裝置可提供高頻、同步的8路試驗信號(四路電流、四路電壓)，實現對行波保護裝置的模擬試驗，進而使行波保護裝置的實用化成為可能；此外，該模板也可以作為其它電力系統自動裝置的試驗裝置信號源。
本發明設計的一種高速同步數/模轉換模板，其特征在于，包括用于傳送PC機的暫態計算結果的通信模塊，從該通信模塊讀取、存放暫態計算結果的數字信號處理和邏輯控制模塊(DSP)及存于其中的處理、控制軟件程序，將存放在該DSP模塊的暫態計算結果進行轉換的數模轉換模塊，對轉換后的數據進行放大輸出的信號放大輸出模塊。
本發明提出一種用于上述的高速同步數/模轉換模板的數據處理、控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)數據存儲器(RAM)區的自檢通過在未使用區寫入數據并讀回CPU檢查RAM區狀態是否正常完好，若好則進入接受過程；2)接受過程是逐位檢出并接收。先接收幀同步位(起始位)，再接收8位串行數據；接收過程約定為先送高8位、再送低8位，16位(兩幀)數據組成一個轉換量，并放置在指定存儲單元；3)回送握手或者轉換完畢信息類似于接收過程；4)轉換過程包括以下步驟(a)接收完畢數據包后，按下“轉換”按鈕，程序進入“轉換子程序”；
(b)此時，首先把兩路待轉換量(兩個16位數據)拼湊成32位數據，高16位一路，低16位為另一路；(c)發布轉換命令，始能數模轉換芯片(D/A)和采樣保持芯片(S/H)；(d)軟件定時250納秒，重復一次轉換過程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把轉換結果“寄存”在采樣保持芯片中；(e)每1微秒始能一次采樣保持芯片，把輸出模擬量推入信號放大隔離電路；(f)一定時間段后，電力系統故障后的暫態行波過程基本結束，程序轉入“慢放”狀態，即100微秒轉換一次穩態故障數據，20毫秒一個周期(工頻周期)，之后就轉入“循環”狀態，一直到“停止轉換”按鈕按下為止，結束全部轉換過程。
本發明的工作過程為通信模塊把EMTP(電磁暫態計算程序)ATP等暫態仿真計算結果(數據文件)傳送給所說的DSP模塊，實現方式為串行通信；所說的DSP模塊將獲取數據(通信)進行存放數據操作、控制轉換操作；所說的數模轉換模塊用于把數字量同步轉換為模擬量；所說的信號放大輸出模塊把D/A輸出的模擬量轉換為幅度可調、具有一定驅動能力的信號輸出。
本發明的特點寬頻帶、高速、同步、低噪聲、驅動能力強。
本發明應用范圍1、電力網、發電廠和變電站用于試驗高壓輸電線路、發電機、大型電力變壓器等電氣設備的繼電保護裝置(包括反映暫態量的快速繼電保護裝置)；2、電力網、發電廠和變電站用于試驗其它電力系統安全自動裝置，像電力系統故障錄波器，電力系統故障事件記錄儀等電力系統自動裝置。
3、其它需要同步、高速度、高精度數模轉換的場合。
附圖簡要說明
圖1為本發明的實施例硬件構成框圖。
圖2為本實施例的通信模塊的硬件連接示意圖。
圖3為本實施例的DSP模塊的構成框圖。
圖4為本實施例的轉換模塊構成D/A、S/H控制時序示意圖。
圖5為本實施例的轉換電路模塊工作原理示意圖。
圖6為本實施例的輸出模塊的硬件構成示意圖。
圖7為本實施例的DSP模塊的軟件流程框圖。
圖8為本實施例的高速數模轉換時序邏輯圖。
本發明設計的一種高速同步數/模轉換模板實施例如圖1-8所示，結合各圖詳細說明如下本實施例硬件構成框圖如圖1所示。它由通信部分、DSP數字信號處理和邏輯控制部分、數模轉換部分和信號放大輸出部分四部分組成，其中通信部分(通信模塊)是把EMTP、EMTDC或者ATP等暫態仿真計算結果(數據文件)傳送給本板，實現串行通信。
DSP數字信號處理和邏輯控制部分(DSP模塊)，它是該板件的核心，用于從PC機獲取數據(通信)、存放數據操作、控制轉換操作等。
數模轉換部分(數模轉換模塊)，它是該板件的關鍵部分。用于把數字量同步轉換為模擬量。
信號放大輸出部分(輸出模塊)是把D/A輸出的模擬量轉換為幅度可調、具有一定驅動能力的信號輸出。
該模板的工作過程是用PC機把暫態計算結果傳送給木板件→使用DSP芯片讀取、存放數據并分時下發給轉換電路→執行數模轉換→信號放大輸出。
各部件的組成詳細說明如下1.通信模塊的硬件連接如圖2所示。
通信方式采用串行通信，使用PC機標準232接口。考慮到計算機只能夠提供異步串行通信方式，而DSP沒有異步串行通信口，只有同步串行通信口，為完成異步串行通信任務，本實施例采用通信收發芯片MAX232和DSP的I/O口(XF0、XF1)、中斷口(INT0或INT1口)用軟件命令置該口高低電平來模擬完成異步串行通信任務。
串行通信需要傳輸的數據量為一個故障擾動的8路數據。估算如下1路待轉換信號的時間步長為1微秒、轉換精度為16位、轉換時間長度約為5毫秒，計約80Kbitc(千位)；8路數據量約為610Kbite，考慮到這時的通信不是實時通信，考慮到I/O口的通信能力，通信速率決定選用14100bit/s.通信花費時間約為25秒左右，這個時間能夠滿足對于繼電保護裝置的調試需要。
PC機串行通信軟件采用標準232接口通訊軟件。
2.DSP模塊的構成如圖3所示。
本模塊是高速數模轉換模板的核心部分，它由DSP芯片TMS320-C32、高速64K字16位數據存儲器芯片RAM(IS61C6416)兩片、EPROM(27C010)、高精度晶振等組成，DSP芯片有32根數據總線，D0-D15、D16-D31分別與兩片16位RAM(IS61C6416)和兩片D/A(AD768)的16位數據線相連。D0-D7與EPROM(27C010)的數據線相連。地址總線分別與數據存儲器芯片RAM(IS61C6416)、EPROM(27C010)的地址相連。高精度晶振直接與DSP相連。主要用于完成下述功能1)實現和PC機的異步串行通信，占用DSP的I/O口線XF0(用于發送)，XF1(用于接受)，9位異步通信幀由軟件配成。
2)存放接收到的數據，把它們存放到指定存儲單元。
3)分時把待轉換數據(250納秒2個轉換字，2*16位)推入兩個D/A轉換器芯片(每個16位)，并由軟件下發開始轉換命令；每轉換完一路，置該路所對應的采樣保持器S/H進入保持狀態；8路都轉換完畢需要上述操作四次，轉換完后重新開放S/H，顯然8路同步是由采樣保持電路完成的。
主要芯片DSP選擇為TMS320C32，其主要性能指標是單周期指令執行時間為33.3納秒(晶振選擇60MHZ)，32位數據總線寬，共有24根地址線(可擴展至16兆比特的存儲空間)。
3、本實施例的轉換模塊構成D/A、S/H控制時序如圖4所示。
該模塊由2個高速數模轉換芯片D/A(AD768)及分別與之相連的8個采樣保持器芯片(SH605)組成(圖中只畫出了一路的連接關系，其它路相同)。前者用于250納秒執行一次數模轉換、后者用于對轉換結果進行保持，用以實現8路模擬量的同步輸出。
本實施例的轉換電路模塊工作原理如圖5所示。
1)TMS320-C32有32根數據線，它首先把需要轉換的每路16位數據組合成32位數據，原則是高16位一路、低16位一路；2)在1微秒的時間間隔里，每250納秒每個數模轉換器芯片進行一次數模轉換操作，并把轉換結果分別推入4個采樣保持器。本發明采用兩個數模轉換器芯片，因此共可輸出8路模擬信號3)1個微秒釋放1次采樣保持電路。
所有的轉換命令和采樣保持器的控制切換命令都由DSP芯片發出。
采用該結構的優點是可以保證8路輸出同步、而且使用高速數模轉換器芯片數量少(2片)，有利于降低成本。
采用該結構的另外一個重要優點是該結構可以消除D/A器件本身的固有噪聲，保證轉換信號的質量。
4.本實施例輸出模塊的硬件構成如圖6所示。
本模塊主要由8片高速采樣保持器(每個模擬輸出通道1個)SH605和8片高速運算放大器OPA2604構成(每個模擬輸出通道1個)。
由于D/A輸出的模擬信號是雙極性5V信號，而且具有一定的負載能力(10毫安)。考慮到被調試裝置對于信號幅度、驅動能力的不同要求、考慮到抗干擾需要，設計了數字和模擬信號隔離回路，用電平感應器件代替傳統的光電隔離器件，同時在電路板設計時充分考慮了電磁兼容并采用了四層印制板，以提高實用性。該電路的運算放大器選擇為(OPA2604)。該芯片的靜態功耗為10毫瓦，輸出電壓范圍可達到正負15V，最大輸出功率可達到100毫瓦，最大電流可達到15毫安，可以滿足一般情況下的微機繼電保護裝置和基于微機的其它電力系統自動裝置的調試需要。模擬量輸出的幅值調節通過調節電位器Rw1~Rw8來得到。
圖中使用了8個雙運算放大器芯片OPA2604，每路由一片(兩個運算放大器)構成，可提高本轉換板驅動能力。
本實施例的DSP軟件執行以下功能1)自檢主要完成RAM區的自檢；2)方式判斷判斷是通訊還是轉換數據3)與PC機的通信(包括接收轉換數據和回饋轉換信息)；4)實現數/模轉換。
具體步驟結合軟件構成框圖(圖7)所示說明如下1)RAM區的自檢通過在未使用區寫入數據并讀回DSP，檢查RAM區和譯碼電路狀態是否正常完好。
2)方式判斷判斷是通信還是轉換數據，以此控制軟件流程。
3)通信過程因為使用DSP的I/O口線，所以實際的接收過程是逐位檢出并接收。先接收幀同步位(起始位)，再接收8位串行數據。按收過程約定為先送高8位、再送低8位，16位(兩幀)數據組成一個轉換量，并放置在指定存儲單元。回送握手或者轉換完畢信息類似于接收過程。
4)轉換過程簡述如下(a)接收完畢數據包后，接下“轉換”按鈕，程序進入“轉換子程序”；(b)此時，首先把兩路待轉換量(兩個16位數據)拼湊成32位數據，高16位一路，低16位為另一路；(c)發布轉換命令，始能數模轉換芯片(D/A)和采樣保持芯片(S/H)；(d)軟件定時250納秒，重復一次轉換過程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把轉換結果“寄存”在采樣保持芯片中；(e)每1微秒始能一次采樣保持芯片，把輸出模擬量推入信號放大隔離電路。
(f)在一次故障數據轉換過程中，先轉換快速衰減的高頻暫態行波數據5毫秒，之后進行故障后穩態數據轉換，程序轉入“慢放”狀態，即1毫秒轉換一次穩態故障數據，20毫秒一個周期，之后就轉入“循環”狀態，一直到“停止轉換”按鈕按下為止，結束全部轉換過程。
轉換時序排列如圖8所示。圖中，故障在0秒發生，0-5毫秒轉換暫態行波；5毫秒之后轉換故障后穩態。
采用上述轉換方法的原因是滿足短期試驗和長期試驗的需要；節約硬件資源。
故障瞬間含有高次諧波分量、暫態行波分量，但是這些高頻分量很快衰減，5毫秒的時間足以反映一般的行波過程并可以完成對行波保護裝置的試驗(1微秒一個樣點)；而長期的穩態工頻分量(50Hz)則不需要很高的轉換頻率，較少的轉換數據可以節約RAM的硬件開銷(1毫秒一個樣點，重復播放)。
本實施例的主要特點及性能指標能夠高速、同步地把四路數字量電壓、四路數字量電流轉換為模擬信號輸出。其主要性能指標如下1、模擬信號輸出范圍a)信號幅度±15V，可調；b)b)信號頻率1兆赫茲。
2.同步轉換路數8路(三相電壓和零序電壓、三相電流和零序電流)。
3.D/A轉換精度16位。
4.同步誤差小于0.5微妙。
5.最小指令周期33.3納秒。
6.可存放數據長度(循環)128K字。
權利要求
1.一種高速同步數/模轉換模板，其特征在于，包括用于傳送PC機的暫態計算結果的通信模塊，從該通信模塊讀取、存放暫態計算結果的DSP數字信號處理和邏輯控制模塊及存于其中的數據處理、控制軟件程序，將存放在該DSP模塊的暫態計算結果進行轉換的數模轉換模塊，對轉換后的數據進行放大輸出的信號放大輸出模塊，這種經數/模轉換后信號放大輸出的模擬信號具有與暫態仿真計算輸出的數據包所帶有的時標步長同步特征。
2.如權利要求1所述的高速同步數/模轉換模板，其特征在于，所說的通信模塊采用PC機的標準RS232串行口和相應的通信程序、DSP的I/O口以及對該I/O口進行控制和管理的通信軟件。
3.如權利要求1所述的高速同步數/模轉換模板，其特征在于，所說的DSP數字信號處理和邏輯控制模塊主要由DSP芯片、數據存儲器芯片、高精度晶振組成該DSP芯片通過數據總線、地址總線分別與該數據存儲器芯片的數據線、地址線相連，高精度晶振直接與DSP相連。
4.如權利要求1所述的高速同步數/模轉換模板，其特征在于，所說的數模轉換模塊由2個高速數模轉換芯片D/A及分別與之相連的8個采樣保持器芯片組成。
5.如權利要求1所述的高速同步數/模轉換模板，其特征在于，所說的信號放大輸出模塊由8片高速采樣保持器(每個模擬輸出通道1個)和8片高速運算放大器構成。
6.一種用于如權利要求1所述的高速同步數/模轉換模板的數據處理、控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)RAM區的自檢通過在未使用區寫入數據并讀回CPU檢查RAM區狀態是否正常完好，若好則進入接受過程；2)接受過程是逐位檢出并接收。先接收幀同步位(起始位)，再接收8位串行數據；接收過程約定為先送高8位、再送低8位，16位(兩幀)數據組成一個轉換量，并放置在指定存儲單元3)回送握手或者轉換完畢信息類似于接收過程；4)轉換過程包括以下步驟(a)接收完畢數據包后，按下“轉換”按鈕，程序進入“轉換子程序”；(b)此時，首先把兩路待轉換量(兩個16位數據)拼湊成32位數據，高16位一路，低16位為另一路；(c)發布轉換命令，始能數模轉換芯片(D/A)和采樣保持芯片(S/H)；(d)軟件定時250納秒，重復一次轉換過程(使能D/A芯片和S/H芯片一次)，把轉換結果“寄存”在采樣保持芯片中(e)每1微秒始能一次采樣保持芯片，把輸出模擬量推入信號放大隔離電路；(f)從故障發生瞬間到電力系統故障后的暫態行波過程基本結束，這個時間段設定為5毫秒，因此暫態故障數據轉換時間也是5毫秒；之后，故障過程仍在繼續，但暫態高頻行波分量大量衰減，以低頻周期分量為主，因此程序轉入“慢放”狀態，即1毫秒轉換一次穩態故障數據，20毫秒一個周期，之后就轉入“循環”狀態，一直到“停止轉換”按鈕按下為止，結束全部轉換過程。
全文摘要
本發明屬于電力系統領域,包括用于傳送PC機的暫態計算結果的通信模塊,從該通信模塊讀取、存放暫態計算結果的DSP數字信號處理和邏輯控制模塊及存于其中的數據處理、控制軟件程序,將存放在該DSP模塊的暫態計算結果進行轉換的數模轉換模塊,對轉換后的數據進行放大輸出的信號放大輸出模塊。本發明具有全數字化、可重復性、寬頻帶、高速、同步、低噪聲、驅動能力強的特點。
文檔編號H03M1/00GK1271213SQ0010912
公開日2000年10月25日 申請日期2000年6月9日 優先權日2000年6月9日
發明者董新洲, 余學文, 劉建政 申請人:清華大學, 國電南京自動化股份有限公司