CN101292164B - 采样模块及采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采样模块(30)，用于采样电力传输系统的一个或多个模拟特性，包括至少一个输入电路，用于采样各个模拟特性，输入电路或每个输入电路包括：定标电路(34)，用于将模拟特性的幅度降低至所希望的电平；隔离电路(40)，用于产生输入电路的各自上游和下游部分之间的电屏障；以及模数转换器(22)，用于数字化模拟特性以产生数字数据流，定标电路(34)电连接至模数转换器(22)的输入端，并且隔离电路(40)直接地电连接至其输出端。

Description

采样模块及采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的方法
本发明特别地、但不专门地涉及，一种采样模块以及一种采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的方法。
智能电子装置(IED)使用电力传输系统的模拟电压和电流特性的样本来帮助保护并控制该系统。
用于采样这种模拟特性的传统配置是如图1中示意性地示出的一种所谓的“多路复用(multiplex)系统”。
典型的多路复用系统10包括多个输入端12，每个输入端用于采样各个模拟特性。
每个输入端12包括隔离变压器14以及与其串联地电连接的抗混叠滤波器16。
每个抗混叠滤波器16的输出端连接至模拟多路复用器18，该模拟多路复用器又与保持滤波器20串联连接。
保持滤波器20与模数转换器(ADC)22串联地连接。
使用中，每个隔离变压器14将所采样的模拟特性的幅度逐渐降低(即，减小)至适于由ADC进行模数转换的电平。此外，每个隔离变压器14隔离多路复用系统10的剩余部分。
需要隔离是因为每个输入端12经由降压变压器(未示出)被连接至工作于较高电压的电力传输系统。
隔离变压器提供了保护来防备在配线中所感应的电压以及可能存在于降压变压器的位置和IED的位置之间的地电位差。所提供的隔离还保护操作员和系统的多种其他部件免于输入端12处的高压。
模拟特性被从每个隔离变压器14供给，经过相应的抗混叠滤波器16，以去除噪声和高频谐波。
然后，模拟多路复用器18将每个滤波后的模拟特性顺序地供应给保持滤波器20，该保持滤波器稳定各个模拟特性。这使得ADC22在向处理模块24输出数字数据流之前数字化每个特性。
上述多路复用系统10有很多缺点。
每个隔离变压器14为精确地再现该模拟特性需要物理上很大。因而，系统10是大的且重的。
另外，每个隔离变压器14具有有限的线性工作范围。这导致了非线性误差，在需要最大的精度时，该误差通常会最为严重。
此外，每个隔离变压器14易于泄露磁通量。从而，隔离变压器14的紧密堆积(close packing)导致相邻变压器14之间的串扰。
因此，本发明的总目标是提供一种比传统多路复用采样系统更为紧凑和更为精确的采样模块。
根据本发明的第一方面，提供了用于采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的采样模块，其包括至少一个用于采样各个模拟特性的输入电路，该输入电路或每个输入电路包括：
定标电路(scaling circuit)，用于将模拟特性的幅度降低至所希望的电平；
隔离电路，用于在输入电路的各自上游和下游部分之间产生电屏障(electrical barrier)；以及
模数转换器，用于数字化模拟特性以产生数字数据流，
该定标电路、隔离电路、以及模数转换器串联地电连接。
包含分离的定标电路和隔离电路为定标和隔离功能的优化做好了准备，同时消除了对传统隔离变压器的需要。
这导致了比传统多路复用系统更为紧凑且更轻的采样模块。本发明还能提供更精确的采样，因为其允许串扰和非线性误差的降低。
另外，每个输入电路中包含模数转换器(ADC)为多个模拟特性的同时采样做好了准备，从而消除了有关传统多路复用系统10的模拟多路复用器18的瓶颈。
此外，同时采样消除了在只能连续地获得样本的传统多路复用系统10中所引入的时滞(skew)。
同时采样还使得根据所需的分辨率的等级为各个模拟特性配置不同的采样速率成为可能。
优选地，将该定标电路电连接至模数转换器的输入端，并且将该隔离电路电连接至其输出端。
以这种方式隔离该数字数据流降低了破坏数据流的任何外部噪声的可能性。
另外，隔离该数字数据流还意味着在穿过电屏障传输数字数据时没必要忠实地再现数字数据。这是因为只需电屏障的下游能够识别0或1，而非例如完整的模拟波形。
方便地，定标电路是电阻器网络，或者包括电阻器网络。这使得该定标电路在所希望的测量范围上具有线性响应，从而有助于最小化非线性误差。
可选地，该电阻器网络定义分压器。
可选地，该电阻器网络定义分流器。
前述配置允许模拟电压和模拟电流特性的分别采样。
在本发明的优选实施例中，模数转换器是西格玛-德尔塔调制器(sigma-delta modulator)，或者包括西格玛-德尔塔调制器。包含西格玛-德尔塔调制器为在高频下穿过隔离电路的电屏障的单比特字(即，0或1)的传输做好了准备。
这导致数字化后的模拟特性具有比由传统的16位ADC所产生的数字化后的模拟特性更好的分辨率。
优选地，该隔离电路是单脉冲变压器，或者包括单脉冲变压器。这种变压器具有特别令人满意的传输特性，同时提供了其所希望的电隔离下游的电平。
可选地，采样模块还包括数据接口，其电连接至该输入电路或每个输入电路，从而允许各个数字数据流输出到处理模块。
方便地，该输入电路或每个输入电路的下游部分包括数字信号处理模块。
在本发明的另一个优选实施例中，数字信号处理模块包括数字滤波器。
在本发明的又一个优选实施例中，数字信号处理模块包括再采样(re-sampling)模块。
在本发明更进一步的优选实施例中，采样模块还包括控制接口，其电连接至该输入电路或每个输入电路，从而允许通过控制模块进行数字信号处理模块和ADC的配置。
前述特征允许在输出到处理模块之前将数字化的模拟特性处理至所希望的电平。
根据本发明的第二方面，提供了采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的方法，包括以下步骤：提供至少一个用于采样各个模拟特性的输入电路，并且串联地电连接在该输入电路或每个输入电路中：
定标电路，用于将模拟特性的幅度降低至所希望的电平；
隔离电路，用于产生输入电路的各个上游和下游部分之间的电屏障；以及
模数转换器，用于数字化模拟特性以产生数字数据流。
本发明的方法共享有关根据本发明的上述采样模块的优点。
下面将以非限制性实例的方式参照附图简短描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是已知的多路复用采样系统的示意图；
图2是根据本发明的第一实施例的采样模块的示意图；
图3是图2中示出的采样模块的更详细的示意图；以及
图4是根据本发明的优选隔离电路的示意图。
根据本发明第一实施例的采样模块主要由参考号30所标明。
采样模块30包括多个输入电路32，每个输入电路32用于采样电力传输系统(未示出)的特定模拟特性，其中采样模块30电连接至电力传输系统。
在实施例中示出的每个输入电路32包括处于上游处的定标电路34、其输入端36。定标电路34串联地电连接至模数转换器(ADC)22的输入端。优选的ADC 22以西格玛-德尔塔调制器38的形式示出。
西格玛-德尔塔调制器38的输出端串联地电连接至隔离电路40。
在本发明的其他实施例中，定标电路34、ADC 22、以及隔离电路40的不同串联排列也是可能的。
在每个输入电路32中，定标电路34是电阻器网络(未示出)。电阻器网络可以是分压器或分流器的形式，用于分别采样模拟电压和模拟电流特性。
每个隔离电路40包括单脉冲变压器42，如图4中所详细示出的。
从隔离电路40开始的每个输入电路32下游的部分包括数字信号处理模块44，每个数字信号处理模块包括数字滤波器46和再采样模块48。
每个数字信号处理模块44的输出端电连接至数据接口，数据接口又可连接至处理模块24。
采样模块30还包括控制接口52，其电连接至每个输入电路32。控制接口52被配置为可连接至控制模块(未示出)，其允许数字信号处理模块44和ADC 22的配置。
另外，示出的采样模块30的实施例还包括主时钟54(图3)。
使用中，每个定标电路34通过相应的西格玛-德尔塔调制器38将各个采样后的模拟特性定标为适于模数转换的电平。有可能通过选择其中电阻器的值来确定每个定标电路34的测量范围。
此外，有可能通过校准每个定标电路34来改进每个采样后的模拟特性的精度。校准可以校正任何线性增益或由给定的定标电路34所引入的偏移误差。校准还可以校正由定标电路34的错误组装所引起的采样后的模拟特性的任何反转。
每个西格玛-德尔塔调制器38输出与给定的采样后的模拟特性相当的1比特、连续的、数字数据流。时钟信号控制每个西格玛-德尔塔调制器38的采样速率。
各个单脉冲变压器42沿从西格玛-德尔塔调制器38到数字信号处理器44的第一方向传输数字数据流，同时在这些各个部件之间产生电屏障。可以配置每个数字信号处理器44以接收一个或多个数字数据流。
每个单脉冲变压器42还沿第二、相反的方向传输用于驱动相应的西格玛-德尔塔调制器38的电力，以及前述的时钟信号。
每个单脉冲变压器42用等于时钟信号的工作频率的工作频率实现正激变换器(forward converter)拓扑，从而允许相应的西格玛-德尔塔调制器38直接从所传输的电力中获得时钟信号。
通过逐周期地(cycle by cycle)从正激变换器的次级侧来改变用于将变压器的磁通量清零的电压的幅度来实现二进制信号数据流的传输。转换器的初级波形的监控确定是高压被用于快速地将磁通量清零，还是低压被用于较慢地将磁通量清零。
每个数字信号处理模块44的数字滤波器46对各个数字数据流滤波，以(例如)去除任何外来噪声。
每个数字信号处理模块44的再采样模块48能够产生具有所希望的采样速率的数字数据流。
通过控制接口52进行数字信号处理模块44和每个西格玛-德尔塔调制器38的采样速率的配置，从而根据所连接的处理模块24(经由数据接口50连接)的需求，为每个输入电路32中的不同的采样速率和滤波特性做好准备。
每个输入电路32经由数据接口50向处理模块24传输与给定的采样后的模拟特性相当的数字数据流。主时钟54时间标记(tag)每个数字数据流，以确保特定流中的数据正确地同步于到外部装置的随后的传输。
从而，每个输入电路32将独立地滤波后的采样值贡献给给定的数字数据流。
每个数据流框(图3中的44)接受来自每个输入电路(图3中的32)的隔离的比特流，对其滤波以去除不需要的频率分量，然后以IED(图2中的24)所需要的采样速率对其再采样以产生采样包。如果需要的话，可以由IED(24)实时地配置数字滤波器(图3中的46)的参数和再采样逻辑(图3中的48)的周期，以适合特定的保护算法。由于本发明包含多个并行的数据流框(44)，故有可能具有同时地运行在IED内、需要不同速率并且具有不同的滤波级的样本数据的不同的保护算法。

Claims (10)

1.一种采样模块(30)，用于采样电力传输系统的一个或多个模拟特性，所述采样模块包括至少一个用于采样各个模拟特性的输入电路，所述输入电路包括：
定标电路(34)，用于将所述模拟特性的幅度降低至期望电平；
隔离电路(40)，用于在所述输入电路的各个上游和下游部分之间产生电屏障；
模数转换器(22)，用于数字化所述模拟特性以产生1比特连续的数字数据流，
所述定标电路(34)电连接至所述模数转换器(22)的输入端，并且所述隔离电路(40)直接地电连接至所述模数转换器(22)的输出端，
其特征在于：
每个输入电路下游的部分包括数字信号处理模块(44)，每个所述数字信号处理模块(44)包括用于数字滤波所述1比特连续的数字数据流的数字滤波器(46)以及用于再采样从所述数字滤波器输出的经滤波的数据流的再采样模块(48)，并且所述采样模块(30)还包括与所述数字信号处理模块(44)串联的处理模块(24)，所述数字信号处理模块(44)以所述处理模块(24)所要求的采样速率对隔离的1比特数字数据流进行再采样以生成样本包，所述数字滤波器的参数以及所述再采样模块的周期都由所述处理模块(24)实时地配置，以适合特定的保护算法。
2.根据权利要求1所述的采样模块，其中，所述采样模块(30)包括多个输入电路，每个输入电路下游的部分包括数字信号处理模块(44)，所述数字信号处理模块的所述数字滤波器(46)的数字滤波的参数和所述数字信号处理模块的所述再采样模块(48)的再采样周期由所述处理模块(24)实时地进行配置，以适合同时地运行在所述处理模块(24)中的、需要不同速率且具有不同的滤波级的样本数据的不同的保护算法。
3.根据权利要求1或2所述的采样模块，其中，所述定标电路是电阻器网络，或者包括电阻器网络。
4.根据权利要求3所述的采样模块，其中，所述电阻器网络是分压器(34)。
5.根据权利要求3所述的采样模块，其中，所述电阻器网络是分流器。
6.根据前述权利要求1所述的采样模块，其中，所述模数转换器是西格玛-德尔塔调制器(38)，或者包括西格玛-德尔塔调制器。
7.根据前述权利要求中1所述的采样模块，其中，所述模数转换器(22)是用时钟信号控制的，并且所述隔离电路(40)是单脉冲变压器(42)，或者包括单脉冲变压器(42)，所述单脉冲变压器a)沿从所述模数转换器至所述数字信号处理模块(44)的第一方向传输1比特数字数据流，以及b)沿第二相反的方向传输用于驱动相应的模数转换器的电力以及时钟信号，所述单脉冲变压器(42)用等于所述时钟信号的工作频率的工作频率实现正激变换器拓扑，从而使所述相应的模数转换器直接从所传输的电力中获得所述时钟信号。
8.一种对电力传输系统的一个或多个模拟特性进行采样的采样方法，包括：
-将所述模拟特性的幅度降低至期望电平；
-产生所述输入电路的各个上游部分和下游部分之间的电屏障；
-将所述模拟特性数字化以产生1比特数字数据流，其特征在于：
所述采样方法包括数字信号处理步骤(44)，所述数字信号处理步骤(44)包括数字滤波所述1比特数字数据流的数字滤波步骤(46)，所述数字滤波步骤之后为对从所述数字滤波步骤输出的经滤波的数据流进行再采样的再采样步骤(48)，并且所述数字信号处理步骤以处理模块(24)所要求的采样速率对隔离的1比特数字数据流进行再采样以生成采样包，所述数字滤波的参数以及所述再采样的周期都由所述处理模块(24)实时地进行配置，以适合特定的保护算法。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其中，由所述处理模块(24)实时地配置所述数字滤波的参数和再采样的周期，以适合同时运行在所述处理模块(24)中的、需要不同速率的且具有不同滤波级的样本数据的不同的保护算法。
10.根据权利要求8或9所述的处理方法，其中，所述数字化是用时钟信号控制的，并且产生电屏障的步骤a)沿从实现所述数字化的模数转换器至实现所述数字信号处理步骤的数字信号处理模块的第一方向传输所述1比特数字数据流，以及b)沿第二相反的方向传输用于驱动所述模数转换器的电力以及所述时钟信号，单脉冲变压器(42)用等于所述时钟信号的工作频率的工作频率实现正激变换器拓扑，从而使所述相应的模数转换器直接地从所传输的电力中获得所述时钟信号。
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