阅读说明：本技术 基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置 (Orbit traffic direct current transmitter digitalizer based on fiber optic communication ) 是由 常宝波 骆志勇 王攀 谢悦海 张昆 张迪 周震 黄晶光 吴海飞 王晓娜 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置,包括信号调理模块：接收直流牵引网一次侧的模拟信号,将其调节至适配于ADC转换器输入范围的模拟信号,并传输至ADC转换器；ADC转换器：将调节之后的模拟信号转化为数字信号,并传输至FPGA芯片；FPGA芯片：控制所述ADC转换器的数据转化频率,对接收到的数字信号添加时标信息,根据IEC61850-SV协议编码后形成带时标的采样数据,并将带时标的采样数据通过光纤接口传输给继电保护装置和测控装置；FPGA芯片通过B码接口与时钟模块连接；MCU模块：接收FPGA芯片传输的带时标的采样数据,并上传至后台监视系统。本发明的有益效果是：减少数据处理环节,降低采样数据的精度损耗,同时解决了厂家输出标准不统一的问题。(The present invention discloses a kind of orbit traffic direct current transmitter digitalizer based on fiber optic communication, including signal conditioning module: receiving the analog signal of DC Traction Network primary side, it is adjusted to the analog signal for adapting to ADC converter input range, and is transmitted to ADC converter；ADC converter: digital signal is converted by the analog signal after adjusting, and is transmitted to fpga chip；Fpga chip: the data transformation frequency of the ADC converter is controlled; time scale information is added to the digital signal received; according to target sampled data when forming band after IEC61850-SV protocol code, and will with when target sampled data protective relaying device and measure and control device be transferred to by optical fiber interface；Fpga chip is connect by B code interface with clock module；MCU module: target sampled data when receiving the band of fpga chip transmission, and it is uploaded to background monitoring system.The beneficial effects of the present invention are: reducing data processing link, the loss of accuracy of sampled data is reduced, while solving the problems, such as that producer's outputting standard is skimble-scamble.)

基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置

技术领域

本发明涉及变送器领域，尤其涉及一种基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置。

背景技术

城市轨道交通直流牵引供电系统中，直流变送器主要用于采集线路直流电流和直流电压，并将采集的数据提供给后端保护、测控装置使用，其采集的是模拟电压电流信号，输出的是标准模拟电流信号。变送器的性能直接决定整个直流牵引供电系统的安全性和可靠性。

目前，轨道交通直流变送器的主要实现方法为：通过电阻分压将直流牵引网一次侧电压调理到变送器ADC输入范围，或通过分流器将直流牵引网一次侧电流调理到ADC输入范围，然后将ADC采集的数据转换为标准的模拟信号输出。

存在的问题：

1.目前变送器输出形式多样性，传统变送器需将采集的模拟电压、电流信号，经AD转换后，在由DA转化为标准模拟信号输出，但由于各厂家输出标准不统一，对轨道交通系统升级改造存在一定的不便；

2.现有变送器存在测量精度损耗；

3.站间采样数据的同步性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置，主要解决现有变送器存在测量精度损耗和采样数据的同步性差的问题。

本发明提出一种基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置，包括信号调理模块：通过电压接口和电流接口接收直流牵引网一次侧的电压模拟信号和电流模拟信号，将其调节至适配于ADC转换器输入范围的电压模拟信号和电流模拟信号，并传输至ADC转换器；

ADC转换器：接收并将所述信号调理模块调节之后的电压模拟信号和电流模拟信号转化为电压数字信号和电流数字信号，并传输至FPGA芯片；

FPGA芯片：通过SPI协议控制所述ADC转换器(204)及其数据转化频率，对接收到的电压数字信号和电流数字信号添加时标信息，根据IEC61850-SV协议编码后形成带时标的采样数据，并将所述带时标的采样数据通过光纤接口A和光纤接口B传输给继电保护装置和测控装置；

所述FPGA芯片通过B码接口与时钟模块连接，用于校准所述直流变送器数字化装置的时间；

MCU模块：与所述FPGA芯片与MCU之间采用SPI协议通讯，接收所述FPGA芯片传输的带时标的采样数据，并通过光以太网上传至后台监视系统。

进一步改进在于：所述信号调理模块为opa277运算放大器。

进一步改进在于：所述电流接口与所述直流牵引网一次侧之间通过分流器连接。

进一步改进在于：所述光纤接口A和光纤接口B采用SC型接口，所述光纤接口A和光纤接口B将所述带时标的采样数据以数字信号的形式通过光模块传输至继电保护装置和测控装置。

进一步改进在于：所述时钟模块每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟。

进一步改进在于：所述FPGA芯片为EPM240T100I5N型芯片。

进一步改进在于：所述带时标的采样数据采用IEC61850-SV协议编码。

进一步改进在于：所述ADC转换器使用ads8866芯片。

本发明的有益效果为：

1.减少了装置数模转换环节，数字量信号直接接入继电保护装置和测控装置，降低采样数据的精度损耗，同时解决了厂家输出标准不统一的问题。

2.对采集数据帧加入时标信息，保证了采样数据的同步性，为数据网络化提供了技术支持。

3.带时标的采样数据通过光纤传输，增强了采样数据的抗干扰能力，保证了系统的稳定性。

4.模拟量转化为数字量上传到后台监视系统，为实现数据共享提供了基础，有利于后续对数据的分享和建模分析。

附图说明

图1为本发明基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置的结构示意图；

图2为本发明基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置的典型结构应用示意图；

图3为本发明基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置的点对点应用方案示意图。

其中：1-直流牵引网一次侧，2-变送器，3-以太网模块，201-电压接口，202-电流接口，203-信号调节器，204-ADC转换芯片，205-FPGA芯片，206-B码接口，207-光纤接口A、光纤接口B，208-MCU模块。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示,本实施例提出了一种基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置，包括信号调理模块203：通过电压接口201和电流接口202接收直流牵引网一次侧1的电压模拟信号和电流模拟信号，将其调节至适配于ADC转换器203输入范围的电压模拟信号和电流模拟信号，并传输至ADC转换器203；直流牵引网一次侧1电压信号可直接接入电压接口201，电压输入范围是±2000V，直流牵引网一次侧1电流信号通过分流器将电流转换为小电压信号后接入电流接口202，亦即所述电流接口202与所述直流牵引网一次侧1之间设置分流器，电流接口的输入范围为±600mV：

ADC转换器203：接收并将所述信号调理模块203调节之后的电压模拟信号和电流模拟信号转化为电压数字信号和电流数字信号，并传输至FPGA芯片205；

FPGA芯片205：通过SPI协议控制所述ADC转换器204及其数据转化频率，对接收到的电压数字信号和电流数字信号添加时标信息，并根据IEC61850-SV协议编码后形成带时标的采样数据，并将所述带时标的采样数据通过光纤接口A207和光纤接口B207传输给继电保护装置和测控装置，更优的，所述光纤接口A207和光纤接口B207将带时标的采样数据以数字信号的形式通过光模块传输至继电保护装置和测控装置,使用光纤作为传输介质，减少数据的传导损耗。上述201-208部件共同构成变送器2，即本发明所述的基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置，此种设计减少了数据二次转化过程中由于硬件造成的精度损耗，为数据的网络化以及在其他服务器平台上的数据管理提供基础。

所述FPGA芯片205通过B码接口206与时钟模块连接，用于校准所述直流变送器数字化装置的时间，确保系统内所有装置时间的同步性和准确性；

MCU模块208：与所述FPGA芯片205与MCU208之间采用SPI协议通讯，接收所述FPGA芯片205传输的编码之后的电压采样数据和电流采样数据，并通过经光以太网上传至后台监视系统。

更优的，所述信号调理模块为opa277运算放大器，将直流牵引网一次侧1所采集的电压模拟信号和电流模拟信号放大，调节至适配于ADC转换器203输入范围的电压模拟信号和电流模拟信号。

更优的，所述光纤接口A207和光纤接口B207采用SC型接口，所述光纤接口A207和光纤接口B207将所述带时标的采样数据以数字信号的形式通过光模块传输至继电保护装置和测控装置，SC型接口价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。

更优的，所述时钟模块每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟。

更优的，所述FPGA芯片205为EPM240T100I5N型芯片；所述MCU芯片208为STM32F103C8T6型芯片。

更优的，所述带时标的采样数据采用IEC61850-SV协议编码。

所述ADC转换器203使用ads8866芯片。

工作原理：本发明装置在使用前需进行FPGA芯片205程序的编写以及烧录，使用Verilog HDL语言编写ADC转化器控制程序并基于IEC61850-SV协议编写数据光纤传输程序，然后将程序烧录进FPGA芯片205内，使用前将电压接口201和电流接口202接入直流牵引网一次侧1，光纤接口A207和光纤接口B207分别连接继电保护装置和测控装置，B码接口206与时钟模块连接，编写MCU模块程序，控制以太网口数据传输，最后将数据上传至后台监视系统；

信号的具体流向，直流牵引网一次侧1的大电流通过一个分流器分流后连接信号调理模块203，大电压直接接入信号调理模块203，大电压在信号调理模块203内被降压，大电流和大电压在通过opa277运算放大器后±2000V范围内的电压信号被调理至0-3.3V以内的小电压，±600mV范围内的电流信号被调理至0-3.3V以内，形成适配于ADC转换器203输入范围的电压模拟信号和电流模拟信号，电压模拟信号和电流模拟信号经ADC转换器203转换后转化为电压数字信号和电流数字信号，并传输至FPGA芯片205，FPGA芯片205对接收到的电压数字信号和电流数字信号添加时标信息，编码后形成带时标的采样数据，所述带时标的电压采样数据和电流采样数据通过光纤接口A207和光纤接口B207连接继电保护装置和测控装置，一旦直流牵引网一次侧1的电流电压超出正常值，则自动对其进行断电操作，而所述带时标的电压采样数据和电流采样数据则通过MCU模块208上传至后台监视系统或其他的服务器，对直流牵引网一次侧1的电流电压进行监控和分析，有利于建立起长期的数据库模型，对直流牵引网一次侧1的电气数据波动作出科学的分析。

如图2、3所示，根据本发明的所提供的基于光纤通信的轨道交通直流变送器数字化装置还可以得到典型结构和点对点应用方案。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。