一种基于fpga高速采样的新型dtu
技术领域
1.本发明涉及一种dtu，具体涉及一种基于fpga高速采样的dtu。
背景技术：2.目前，站所终端(dtu)作为配电自动化系统中非常重要的一个终端设备，主要功能是实时监测线路电压、线路电流、零序电流、设备状态等运行及故障信息，完成故障定位，故障隔离，故障恢复，以及三遥（遥信、遥测、遥控）功能，从而实现配网自动化的实时监控。传统的dtu多采用dsp或者微处理器完成电流电压采样以及保护相关运算，由于受dsp以及微处理器运算处理能力限制，传统dtu监控线路数量以及电流电压采样频率、精度普遍不高。而近年来国家电网逐步加强电能质量在线监测工作，而配电网做为最终电力用户的配电网络，分布广、网架结构的负荷变化复杂、由于直接连接着供电负荷，其电能质量也是容易受到影响，因此也对配网自动化设备如dtu提出了挑战，这就要求能对电能质量做出精准的监测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，从而为电能质量改善提供基础依据。这就要求配网自动化设备如dtu对线路电压电流采样速度以及高次谐波计算能力的要求越来越高，传统dtu受cpu构架以及处理能力的限制，难以满足电力业务的发展。
技术实现要素：3.发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种采用fpga作为采样核心，配合多个高速多通道同步采样ad完成线路电压电流的高速采集，利用fpga高速并行处理的优点，实现多线路多通道ad数据的高速采集，然后基于fpga的fft对采样数据进行处理，计算完成线路中50次以内谐波分量的检测，解决传统dtu多线路过通道采样计算瓶颈，以及谐波计算能力上的缺失的新型dtu。
4.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所述的一种基于fpga高速采样的新型dtu，它包括bus背板，所述bus背板分别与若干io子模块、若干ai子模块、fpga采集子模块、cpu通信子模块、电源模块相连，它们构成dtu数据桥梁；所述fpga采集子模块包括fpga和微处理器，所述fpga和微处理器通过双口ram相连。
5.进一步地，所述io子模块为dtu数字量输入输出模块，该模块通过bus背板与fpga采集子模块相连。
6.进一步地，所述ai子模块为dtu电流电压模拟量采集模块，该模块配置同步采样ad芯片，ad芯片的控制信号以及数据输入输出信号通过bus背板连接到fpga采集子系统模块。
7.进一步地，所述cpu通信子模块采用高性能arm处理器，运行linux操作系统。
8.进一步地，所述电源模块为dtu供电系统。
9.进一步地，所述fpga采集子模块中的fpga和微处理器通过双口ram实现数据共享；微处理器读取采样配置信息，通过双口ram配合控制线将io子模块数量，ai子模块
数量，采样速率以及缓存区大小等采样计算相关信息配置到fpga；fpga按照配置信息启动ad转换，并通过总线将ad芯片采样数据存储到本地fifo存储单元以及外部扩展sram单元，然后fpga利用内部fft运算ip核对采样数据做fft运算，并将运算结果存储在双口ram指定区域，供微处理器随时读取；fpga在获取ad转换结果的同时，按照一定的抽样规则，将ad采样值存储到双口ram指定的区域，微处理器根据保护需要读取ad采样值，做小电流接地等常规保护算法，并根据保护结果通过控制线产生触发故障录播信号到fpga，fpga将sram缓存的指定位置ad采样值储存处到双口ram指定位置，微控制器将该ad采样值生成故障录波，然后通过通信发送给cpu通信子模块，然后由通信子模块形成录波文件并发送给主站；fpga根据配置文件采集io子模块的输入变化量，通过输入滤波后将结果存储到双口ram供微处理器读取并转发给cpu通信子模块；cpu通信子模块收到主站的遥控命令，通信发送给微处理器，微处理器将输出遥控信息存储到双口ram，并通过控制线告知fpga，fpga读取双口ram信息产生io数据到io子模块，完成遥控命令。
10.本发明组成部分：该型dtu分如下子模块和部分组成，io子模块、ai子模块、fpga采集子模块、cpu通信子模块、power电源模块、bus背板；（1）所述bus背板，用来连接所有子模块，构成dtu数据桥梁；（2）所述io子模块，为dtu数字量输入输出模块，该模块通过bus背板与fpga采集子模块相连；（3）所述ai子模块，为dtu电流电压模拟量采集模块，模块配置同步采样ad，ad芯片的控制信号以及数据输入输出信号通过bus背板连接到fpga采集子系统模块；（4）所述fpga采集子系统，该子系统包含fpga和微处理器，fpga和微处理器通过双口ram联系在一起，其中fpga完成数字量输出到io子模块、io子模块数字量输入采集、ai子模块ad控制与采样、ad数据处理fft计算，以及数据转存到双口ram；微处理器获取双口ram的计算数据，同时会从双口ram获取ad实时采样值完成dtu小电流接地以及其他相关保护逻辑功能，此外通过bus背板和cpu通信子模块通信完成数据交互；（5）所述cpu通信子模块，采用高性能arm处理器，运行linux操作系统，主要负责对主站规约通信以及和fpga采集模块上的微处理器通信完成数据交互；（6）所述电源模块，为dtu系统供电系统。
11.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）本发明中通过fpga芯片完成ad数据的高速采样，并利用fpga硬件fft计算数据，可以获得50次以内谐波分量，通过灵活配置，可以实现比传统dtu更多线路的io控制和电流电压采集计算以及保护功能，满足不同的应用场景需求；（2）本发明中采集子模块采用fpga+微处理器的双核异构的技术构架，在保证fpga高速采样和计算优势的情况下，利用微处理器编程方便的优势，将dtu中小电流接地等常规保护算法功能移植到微处理器，保证了dtu常规功能的健全的同时也提高了业务灵活性。
附图说明
12.图1是本发明的站所终端dtu原理框图；图2是本发明的fpga采集子模块原理框图。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
14.如图1和图2所示，本发明所述的一种基于fpga高速采样的新型dtu，它包括bus背板，所述bus背板分别与若干io子模块、若干ai子模块、fpga采集子模块、cpu通信子模块、电源模块相连，它们构成dtu数据桥梁；所述fpga采集子模块包括fpga和微处理器，所述fpga和微处理器通过双口ram相连；所述io子模块为dtu数字量输入输出模块，该模块通过bus背板与fpga采集子模块相连；所述ai子模块为dtu电流电压模拟量采集模块，该模块配置同步采样ad芯片，ad芯片的控制信号以及数据输入输出信号通过bus背板连接到fpga采集子系统模块；所述cpu通信子模块采用高性能arm处理器，运行linux操作系统；所述电源模块为dtu供电系统。
15.本发明的工作原理如下：所述fpga采集子模块中的fpga和微处理器通过双口ram实现数据共享；微处理器读取采样配置信息，通过双口ram配合控制线将io子模块数量，ai子模块数量，采样速率以及缓存区大小等采样计算相关信息配置到fpga；fpga按照配置信息启动ad转换，并通过总线将ad芯片采样数据存储到本地fifo存储单元以及外部扩展sram单元，然后fpga利用内部fft运算ip核对采样数据做fft运算，并将运算结果存储在双口ram指定区域，供微处理器随时读取；fpga在获取ad转换结果的同时，按照一定的抽样规则，将ad采样值存储到双口ram指定的区域，微处理器根据保护需要读取ad采样值，做小电流接地等常规保护算法，并根据保护结果通过控制线产生触发故障录播信号到fpga，fpga将sram缓存的指定位置ad采样值储存处到双口ram指定位置，微控制器将该ad采样值生成故障录波，然后通过通信发送给cpu通信子模块，然后由通信子模块形成录波文件并发送给主站；fpga根据配置文件采集io子模块的输入变化量，通过输入滤波后将结果存储到双口ram供微处理器读取并转发给cpu通信子模块；cpu通信子模块收到主站的遥控命令，通信发送给微处理器，微处理器将输出遥控信息存储到双口ram，并通过控制线告知fpga，fpga读取双口ram信息产生io数据到io子模块，完成遥控命令。
16.本发明中通过fpga芯片完成ad数据的高速采样，并利用fpga硬件fft计算数据，可以获得50次以内谐波分量，通过灵活配置，可以实现比传统dtu更多线路的io控制和电流电压采集计算以及保护功能，满足不同的应用场景需求；本发明中采集子模块采用fpga+微处理器的双核异构的技术构架，在保证fpga高速采样和计算优势的情况下，利用微处理器编程方便的优势，将dtu中小电流接地等常规保
护算法功能移植到微处理器，保证了dtu常规功能的健全的同时也提高了业务灵活性。
17.本发明提供了一种思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
技术特征：1.一种基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：它包括bus背板，所述bus背板分别与若干io子模块、若干ai子模块、fpga采集子模块、cpu通信子模块、电源模块相连，它们构成dtu数据桥梁；所述fpga采集子模块包括fpga和微处理器，所述fpga和微处理器通过双口ram相连。2.根据权利要求1所述的基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：所述io子模块为dtu数字量输入输出模块，该模块通过bus背板与fpga采集子模块相连。3.根据权利要求1所述的基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：所述ai子模块为dtu电流电压模拟量采集模块，该模块配置同步采样ad芯片，ad芯片的控制信号以及数据输入输出信号通过bus背板连接到fpga采集子系统模块。4.根据权利要求1所述的基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：所述cpu通信子模块采用高性能arm处理器，运行linux操作系统。5.根据权利要求1所述的基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：所述电源模块为dtu供电系统。6.根据权利要求3所述的基于fpga高速采样的新型dtu，其特征在于：所述fpga采集子模块中的fpga和微处理器通过双口ram实现数据共享；微处理器读取采样配置信息，通过双口ram配合控制线将io子模块数量，ai子模块数量，采样速率以及缓存区大小等采样计算相关信息配置到fpga；fpga按照配置信息启动ad转换，并通过总线将ad芯片采样数据存储到本地fifo存储单元以及外部扩展sram单元，然后fpga利用内部fft运算ip核对采样数据做fft运算，并将运算结果存储在双口ram指定区域，供微处理器随时读取；fpga在获取ad转换结果的同时，按照一定的抽样规则，将ad采样值存储到双口ram指定的区域，微处理器根据保护需要读取ad采样值，做小电流接地等常规保护算法，并根据保护结果通过控制线产生触发故障录播信号到fpga，fpga将sram缓存的指定位置ad采样值储存处到双口ram指定位置，微控制器将该ad采样值生成故障录波，然后通过通信发送给cpu通信子模块，然后由通信子模块形成录波文件并发送给主站；fpga根据配置文件采集io子模块的输入变化量，通过输入滤波后将结果存储到双口ram供微处理器读取并转发给cpu通信子模块；cpu通信子模块收到主站的遥控命令，通信发送给微处理器，微处理器将输出遥控信息存储到双口ram，并通过控制线告知fpga，fpga读取双口ram信息产生io数据到io子模块，完成遥控命令。
技术总结本发明涉及一种基于FPGA高速采样的新型DTU，它包括BUS背板，所述BUS背板分别与若干IO子模块、若干AI子模块、FPGA采集子模块、CPU通信子模块、电源模块相连，它们构成DTU数据桥梁；所述FPGA采集子模块包括FPGA和微处理器，所述FPGA和微处理器通过双口RAM相连。本发明采用FPGA作为采样核心，配合多个高速多通道同步采样AD完成线路电压电流的高速采集，利用FPGA高速并行处理的优点，实现多线路多通道AD数据的高速采集，然后基于FPGA的FFT对采样数据进行处理，计算完成线路中50次以内谐波分量的检测，解决传统DTU多线路过通道采样计算瓶颈，以及谐波计算能力上的缺失。以及谐波计算能力上的缺失。以及谐波计算能力上的缺失。
技术研发人员：潘菊年 王利军 张志华 王江宁
受保护的技术使用者：江苏宜格智能科技有限公司
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
