[发明专利]一种电能质量监测用合并单元及其同步采样的方法

摘要

一种电能质量监测用合并单元：包括M1时钟脉冲同步、M2采样脉冲输出、M3数据接收解码、M4插值时刻计算、M5插值数据处理和M6流水线控制模块，各模块均采用现场可编程逻辑门整列（FPGA）实现。本发明包括采用上述合并单元同步采样的方法。本发明首先通过采用同步脉冲法与插值法结合的方法，有效避免了采用单一同步方法时同步精度低的问题；其次，采用自适应调整插值时刻的算法，解决了长时间运行过程中采样精度不稳定的问题；还有，通过采用三阶牛顿插值算法，解决了高次谐波精度低的问题；并且，整个系统使用流水线控制方式，保证了高采样速率下的稳定运行。本发明为电能质量监测装置接入数字化变电站创造了条件。

主权项

一种电能质量监测用合并单元，其特征是：包括M1时钟脉冲同步、M2采样脉冲输出、M3数据接收解码、M4插值时刻计算、M5插值数据处理和M6流水线控制模块，各模块均采用现场可编程逻辑门整列实现；所述M1时钟脉冲同步模块：接收外部GPS秒脉冲和IRIG‑B对时脉冲，结合内部晶振信号，产生时间精度及最小刻度为100ns的系统统一时间信息并传给M2采样脉冲输出模块；GPS秒脉冲和IRIG‑B对时脉冲采用同一个端口输入，通过判断信号的特征，自适应判断外部对时脉冲的类型；当采用秒脉冲同步时，更新系统统一时间信息；当采用IRIG‑B对时时，更新系统统一时间信息及整个日历时间；同时，对同步脉冲信号的有效性进行检验：当采用秒脉冲同步时，检验连续两个同步脉冲之间的间隔，间隔时间超出1s±50us时认为同步脉冲信号异常，丢弃该同步脉冲信号；当采用IRIG‑B同步时，根据IRIG‑B帧结构特点，检验时钟序列是否符合标准，当出现任何一个帧错误时认为同步异常，丢弃该同步脉冲信号；所述M2采样脉冲输出模块：接收M1时钟脉冲同步模块信号，根据采样率要求，发出高精度、等间隔、稳定可靠的采样脉冲，控制远端电子式互感器同步采样；在发出采样脉冲时，记录当前系统统一时刻T0，并发出启动信号给M3数据接收解码模块；所述M3数据接收解码模块：当收到M2采样脉冲输出模块启动信号后，实时监视远端电子式互感器传过来的串行采样数据；一旦发现有数据，则按照预先约定的通信协议格式进行解码，将串行数据转化为并行数据；在进行解码时对数据进行奇偶校验，如校验不合格则认为数据无效，丢弃该数据；在接收到有效数据时，记录当前系统统一时刻Tr；所述M4插值时刻计算模块：接收M3数据接收解码模块数据，根据所记录的同步脉冲发出时刻与采样数据接收时刻，自适应计算实际采样时刻，从而计算出进行插值的时刻：每次收到数据后，计算从同步脉冲发出时刻T0到接收到采样数据时刻Tr之间的时间差ΔT，在进行校准时记忆一个初始时间差ΔT0，每次执行采样记录当前时间差ΔT1，当|ΔT1‑ΔT0|大于10us时，对实际插值时刻进行动态调整，将原插值时刻减去(ΔT1‑ΔT0)/2；所述M5插值数据处理模块：接收M4插值时刻计算模块数据，根据最近4次采样结果以及所计算出的插值时刻，采用三阶牛顿插值算法完成插值时刻采样值计算功能；所述M6流水线控制模块：控制其余各模块，将同步采样分为三级，第一级为M1时钟脉冲同步模块、M2采样脉冲输出模块，第二级为M3数据接收解码模块、M4插值时刻计算模块，第三级为M5插值数据处理模块；每一级之间使用数据缓存，前一 级完成一次处理之后缓存本次结果数据供后一级进行数据处理，之后无需等待后一级处理完成，即可转入本级的新一轮数据处理流程；不同级之间的缓存数据及启动条件如下：1）第一级缓存数据包括时钟同步模块输出的系统统一时间、以及采样脉冲输出模块中的脉冲发出时刻；当发出采样脉冲后，启动第二级进行处理；2）第二级缓存数据包括数据接收解码模块输出的近4次采样结果数据，以及插值时刻计算模块输出的本次插值时刻；当完成本次采样数据解码后，启动第三级进行处理；3）第三级缓存数据包括插值数据处理模块输出的插值运算结果，这些数据是本同步采样系统输出的最终数据，提供给外部模块使用；当插值计算完成时，通知外部模块读取数据。