一种适用于双MCU硬件架构的高精度ADC采集控制系统的制作方法

一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统
技术领域
1.本发明涉及电力设备继电保护控制领域，特别涉及一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统。


背景技术：

2.目前，模拟量信号是继电保护逻辑判定的重要数据依据，其准确性决定了保护装置的性能。现有技术中，adc模块集成在mcu芯片中，采样分辨率是12位，不能满足继电保护装置规范中对产品采样精度要求。此外，adc芯片存在通用性问题：信噪比较小，有效位较少，导致分辨率lsb大且采样精度低。同时，adc芯片还存在电磁兼容比较差的问题，在高温和快瞬试验时，模拟量采集精度不满足标准规定的模拟量精度要求。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的是提供一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，通过由双mcu平台构成的片内双adc模拟量采集设计，有效提高了模拟量采集的准确性，避免单adc模拟采集出错造成继电保护误动或拒动等严重问题，提高了继电保护动作的准确性和可靠性，提升了电力系统运行的安全性。
4.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，所述双mcu硬件架构包括：启动mcu和保护mcu，包括：启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块、第二调理模块、基准电源模块和交流插件模块；
5.所述启动adc模块通过所述第一调理模块与所述交流插件模块连接；
6.所述保护adc模块通过所述第二调理模块与所述交流插件模块连接；
7.所述第一调理模块接收所述交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的所述若干路交流电压模拟量信号传输至所述保护adc模块；
8.所述第二调理模块接收所述交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的所述若干路交流电压模拟量信号传输至所述启动adc模块；
9.所述基准电源模块分别与所述启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块和第二调理模块电连接；
10.所述启动adc模块输出信号与所述保护adc模块输出信号如一致则允许装置发出继电保护动作指令，如不一致则闭锁保护。
11.进一步地，所述基准电源模块包括：第一模拟域基准电源单元、第二模拟域基准电源单元、第一升压单元、第二升压单元；
12.所述第一模拟域基准电源单元与所述保护adc模块电连接，还通过所述第一升压单元分别与所述第一调理模块和所述启动adc模块电连接；
13.所述第二模拟域基准电源单元与所述启动adc模块电连接，还通过所述第二升压
单元分别与所述第二调理模块和所述保护adc单元。
14.进一步地，所述第一调理模块包括：依次连接的第一分压子模块、第一升压子模块和第一放大滤波子模块；和/或
15.所述第二调理模块包括：依次连接的第二分压子模块、第二升压子模块和第二放大滤波子模块。
16.进一步地，所述第一放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器；和/或
17.所述第二放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器。
18.进一步地，所述启动adc模块包括：第一直流偏置电压单元，所述第一直流偏置电压单元输出的电压值为所述启动adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半；和/或
19.所述保护adc模块包括：第二直流偏置电压单元，所述第二直流偏置电压单元输出的电压值为所述保护adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半。
20.进一步地，所述第一直流偏置电压单元还包括第一积分非线性精度调整子单元，所述第一积分非线性精度调整子单元用于将所述第一直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值；和/或
21.所述第二直流偏置电压单元还包括第二积分非线性精度调整子单元，所述第二积分非线性精度调整子单元用于将所述第二直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值。
22.本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
23.通过由双mcu平台构成的片内双adc模拟量采集设计，有效提高了模拟量采集的准确性，避免单adc模拟采集出错造成继电保护误动或拒动等严重问题，提高了继电保护动作的准确性和可靠性，提升了电力系统运行的安全性。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的高精度adc采集控制系统原理示意图；
25.图2是本发明实施例提供的直流偏执电压电路示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
27.图1是本发明实施例提供的高精度adc采集控制系统原理示意图。
28.请参照图1，本发明实施例提供一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，双mcu硬件架构包括：启动mcu和保护mcu，包括：启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块、第二调理模块、基准电源模块和交流插件模块；启动adc模块通过第一调理模块与交流插件模块连接；保护adc模块通过第二调理模块与交流插件模块连接；第一调理模块接收交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的若干路交流电压模拟量信号传输至保护adc模块；第二调理模块接收交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的若干路交流电压
模拟量信号传输至启动adc模块；基准电源模块分别与启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块和第二调理模块电连接；启动adc模块输出信号与保护adc模块输出信号如一致则允许装置发出继电保护动作指令，如不一致则闭锁保护。
29.具体的，控制芯片内集成的adc芯片构建最多每组15路模拟量的双组adc采集，分别用于对应的保护mcu和启动mcu，实现将出口启动分为启动mcu和动作mcu串联控制，进行相互独立的逻辑判定。当正常情况即两组adc模拟量信号采样均准确，启动mcu和保护mcu出口命令一致，发出正确的保护出口信号。当异常情况即任一组adc采集模拟量信号采集不准时，启动mcu和保护mcu命令不一致，此时闭锁保护，防止保护出口误动或拒动。
30.进一步地，第一调理模块包括：依次连接的第一分压子模块、第一升压子模块和第一放大滤波子模块；和/或，第二调理模块包括：依次连接的第二分压子模块、第二升压子模块和第二放大滤波子模块。
31.具体的，交流插件15路模拟量信号输入后采用双adc采样模式，范围
‑
10v～ 10v的交流电压模拟量分别由保护adc模块和启动adc模块的电阻分压为
‑
1.5v～ 1.5v的交流电压，由1.5v抬升电压抬升为0～3v交流电压，并经运放跟随和滤波处理，分别输入保护mcu和启动mcu片内adc。
32.进一步地，第一放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器；和/或，第二放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器。
33.具体的，第一放大滤波子模块和/或第二放大滤波子模块采用由运放为主体的有源二阶滤波低通设计，截止频率范围为1khz～1.25khz,确保13次谐波(650hz)分量可以被采集到的同时防止高次谐波与低次谐波出现较严重的混叠现象。
34.具体的，启动adc模块包括：第一直流偏置电压单元，第一直流偏置电压单元输出的电压值为启动adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半；和/或，保护adc模块包括：第二直流偏置电压单元，第二直流偏置电压单元输出的电压值为保护adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半。
35.图2是本发明实施例提供的直流偏执电压电路示意图。
36.具体的，请参照图2，由于adc模块的模拟量输入范围为0～3v，而要使信号不失真，就必须给输出以直流电平，若果没有直流电平，在输出是负电平时将被削去，造成信号失真，因此模拟采集电路需要设置偏置电压，一般直流偏置电压设计为adc模块模拟量输入最大值的一半(即1.5v)，即在不加模拟量的时候，进adc模块的直流偏置电压为1.5v。通过adc性能参数规格书研究和实际精度测试数据的相互印证，证明了adc的积分非线性的最严重区域与模拟量采集回路抬升电压值的重叠是造成adc小量值范围采样不准的最主要原因。adc的积分非线性在中间区域是最差，即对应0～3v的adc基准范围时在1.5v附近时，模拟量采集误差最大。
37.进一步地，第一直流偏置电压单元还包括第一积分非线性精度调整子单元，第一积分非线性精度调整子单元用于将第一直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值；和/或，第二直流偏置电压单元还包括第二积分非线性精度调整子单元，第二积分非线性精度调整子单元用于将第二直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值。
38.具体的，为提高装置adc采样精度，因此对图2中1.5v偏置电路图重新设计，将图中r43的电阻部分扩大1.1倍，将偏置电压进行调整，即躲过了积分非线性误差最大的区域，从
而提高采样精度。通过对改进后的电路进行测试，结果显示模拟量采样精度满足标准对保护和测量模拟量采集精度要求。
39.此外，基准电源模块包括：第一模拟域基准电源单元、第二模拟域基准电源单元、第一升压单元、第二升压单元；第一模拟域基准电源单元与保护adc模块电连接，还通过第一升压单元分别与第一调理模块和启动adc模块电连接；第二模拟域基准电源单元与启动adc模块电连接，还通过第二升压单元分别与第二调理模块和保护adc单元。
40.具体的，基准电源模块采用稳压源芯片为核心的设计，输出稳定的3v电压，用于保护mcu和启动mcu的片内adc基准输入；1.5v抬升电压由3v基准电压经精密电阻分压生成，用于各路模拟量通道电压抬升。同时保护adc所用抬升电压输入启动adc第16路模拟量通道，启动adc所用抬升电压输入保护adc第16路模拟量通道，用于ad自检。当3v基准电压或者1.5v抬升电压出现故障时，adc采集到的模拟量不准确，而不同源的3v基准和1.5v抬升电压通过算法互校，可以实现adc基准或抬升压出错的告警功能，进而实现保护闭锁、防止保护误动。
41.电阻分压和运放跟随滤波等电路以及3v基准电压和1.5v抬升电压等模块均采用了相互独立的设计，最大程度的实现单板双adc模拟量采集的独立性和准确性，避免单adc模式故障时模拟量采集不准造成保护出错等问题。
42.此外，常温下校准后的精度，在高温下精度超10％，且幅值偏小。adc在高温环境下运行，保护用的钳位二极ss14a漏电流变大，即阻抗变小，导致实际进入adc的幅值变小。通过查找adc原理图，运放内部集成的有保护钳位二极管。通过取消运放内部集成的保护钳位的二极管，测试取消保护钳位二极管后的adc，结果满足标准规定的模拟量精度要求。
43.交流插件电快速瞬变参数为
±
4800v、5k/100k频率环境下，直流偏置会受到干扰导致，从而导致直流偏置量会随着干扰而抖动，造成实际模拟量抖动问题。对每个通道上的直流偏置量对地并联电容,每个运放增加对地电容。修改后在电快速瞬变参数为
±
4800v、5k/100k频率环境下的结果满足标准规定的模拟量精度要求。
44.此外，现有adc芯片实际有效位数为10.7位，需要采用过采样技术是提高芯片采样分辨率，又可以有效降低采样噪声。实验数据证明：随着过采样倍数增加，数据有效位数也随着增加，会增加cpu的计算负荷，不利于装置的整体性能，经试验验证，设置为64倍过采样时既能满足精度要求，cpu负荷增加较小，因此，本控制系统按照64倍过采样设置。
45.此外，双adc独立性体现在模拟量信号采集电路的相互独立、模拟域电源的相互独立等方面。每路模拟量信号经过交流插件模块分别进入两组模拟量信号采集电路，进入保护mcu和启动mcu的片内adc，避免了单adc模式时模拟量采集电路故障造成模拟量采样不准的问题；同时双mcu的模拟域电源供电、mcu片内adc的基准电压供电、偏置电压供电和模拟量调理电路运放供电等均采用了相互独立的双电源模式，最大程度地减少双adc模拟量采集电路的相互干扰。
46.本发明实施例旨在保护一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，双mcu硬件架构包括：启动mcu和保护mcu，包括：启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块、第二调理模块、基准电源模块和交流插件模块；启动adc模块通过第一调理模块与交流插件模块连接；保护adc模块通过第二调理模块与交流插件模块连接；第一调理模块接收交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的若干路
交流电压模拟量信号传输至保护adc模块；第二调理模块接收交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的若干路交流电压模拟量信号传输至启动adc模块；基准电源模块分别与启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块和第二调理模块电连接；启动adc模块输出信号与保护adc模块输出信号如一致则允许装置发出继电保护动作指令，如不一致则闭锁保护。上述技术方案具备如下效果：
47.通过由双mcu平台构成的片内双adc模拟量采集设计，有效提高了模拟量采集的准确性，避免单adc模拟采集出错造成继电保护误动或拒动等严重问题，提高了继电保护动作的准确性和可靠性，提升了电力系统运行的安全性。
48.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：
1.一种适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，所述双mcu硬件架构包括：启动mcu和保护mcu，其特征在于，包括：启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块、第二调理模块、基准电源模块和交流插件模块；所述启动adc模块通过所述第一调理模块与所述交流插件模块连接；所述保护adc模块通过所述第二调理模块与所述交流插件模块连接；所述第一调理模块接收所述交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的所述若干路交流电压模拟量信号传输至所述保护adc模块；所述第二调理模块接收所述交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，且对其进行数据处理，并将数据处理后的所述若干路交流电压模拟量信号传输至所述启动adc模块；所述基准电源模块分别与所述启动adc模块、保护adc模块、第一调理模块和第二调理模块电连接；所述启动adc模块输出信号与所述保护adc模块输出信号如一致则允许装置发出继电保护动作指令，如不一致则闭锁保护。2.根据权利要求1所述的适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，其特征在于，所述基准电源模块包括：第一模拟域基准电源单元、第二模拟域基准电源单元、第一升压单元、第二升压单元；所述第一模拟域基准电源单元与所述保护adc模块电连接，还通过所述第一升压单元分别与所述第一调理模块和所述启动adc模块电连接；所述第二模拟域基准电源单元与所述启动adc模块电连接，还通过所述第二升压单元分别与所述第二调理模块和所述保护adc单元。3.根据权利要求1所述的适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，其特征在于，所述第一调理模块包括：依次连接的第一分压子模块、第一升压子模块和第一放大滤波子模块；和/或所述第二调理模块包括：依次连接的第二分压子模块、第二升压子模块和第二放大滤波子模块。4.根据权利要求3所述的适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，其特征在于，所述第一放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器；和/或所述第二放大滤波子模块为二阶有源低通滤波器。5.根据权利要求1所述的适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，其特征在于，所述启动adc模块包括：第一直流偏置电压单元，所述第一直流偏置电压单元输出的电压值为所述启动adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半；和/或所述保护adc模块包括：第二直流偏置电压单元，所述第二直流偏置电压单元输出的电压值为所述保护adc模块获取的交流模拟信号最大值的一半。
6.根据权利要求5所述的适用于双mcu硬件架构的高精度adc采集控制系统，其特征在于，所述第一直流偏置电压单元还包括第一积分非线性精度调整子单元，所述第一积分非线性精度调整子单元用于将所述第一直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值；和/或所述第二直流偏置电压单元还包括第二积分非线性精度调整子单元，所述第二积分非线性精度调整子单元用于将所述第二直流偏置电压单元输出的电压值提高预设比例值。
技术总结
本发明公开了一种适用于双MCU硬件架构的高精度ADC采集控制系统，包括：启动ADC模块通过第一调理模块与交流插件模块连接；保护ADC模块通过第二调理模块与交流插件模块连接；第一调理模块和第二调理模块分别接收交流插件模块传输的若干路交流电压模拟量信号，并对其进行数据处理后分别传输至保护ADC模块和启动ADC模块；启动ADC模块与保护ADC模块的输出信号如一致则允许装置发出继电保护动作指令，如不一致则闭锁保护。通过由双MCU平台构成的片内双ADC模拟量采集设计，提高了模拟量采集准确性，避免了单ADC模拟采集出错造成继电保护误动或拒动等严重问题。误动或拒动等严重问题。误动或拒动等严重问题。


技术研发人员：冯广杰 赵呈轩 许云龙 倪传坤 赵彪 孔晓民 原林 游建军 张真 苏亚昕 李留生 刘林涛 颜志刚
受保护的技术使用者：许继电气股份有限公司 许昌许继软件技术有限公司
技术研发日：2021.02.26
技术公布日：2021/6/29