CN104852464B - 同步信息的传输装置和方法及具有该装置的电力电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同步信息的传输装置和方法及具有该装置的电力电子设备。该同步信息的传输装置包含串行差分信号发送器接收等周期脉冲信号并转换为差分信号对，至少一串行差分信号接收器耦接于串行差分信号发送器以接收该差分信号对并转换为单端信号，以及至少一控制器耦接于串行差分信号接收器接收该单端信号并利用可编程逻辑器件对该单端信号进行滤波处理和/或重构处理，并提取出同步信息。本发明具有无需软件参与、不占用处理器运算能力、完全硬件传输和处理、时间精度高，时延很小等优点，不仅适合工频时钟传输，也适合数百KHz的PWM载波时钟的传输。

Description

同步信息的传输装置和方法及具有该装置的电力电子设备
技术领域
本发明涉及电力电子设备的领域，特别是涉及一种同步信息的传输装置和方法及具有该装置的电力电子设备。
背景技术
在电力系统的控制中，通常借由提供一个相同的工频同步时钟信息(下文简称工频时钟信息)与(或)一个PWM载波同步时钟信息(下文简称PWM载波时钟信息)至多个并联的电力电子设备，使得该些并联的电力电子设备能够协调一致地工作，达到提高各个电力电子设备输出电力质量的目的。此外，现有的电力系统通常采用主动检测法同时对各个电力电子设备进行电网孤岛检测，为保证多个电力电子设备协调一致地注入扰动，必须给它们提供同步的扰动信息。
然而，对于一个设置范围广泛的电力系统而言，各个电力电子设备彼此之间的距离较远 (最远长达几百米)，且相互之间存在着强烈的电磁干扰，这对多个电力电子设备间同步信息的可靠传输造成很大困难。因此，如何在恶劣的电磁环境及需远距离传输的情况下，有效地传输同步信息成为急需解决的一个问题。
现有的大功率电力电子设备间传输同步信息的方法为：信息发送端通过CAN总线(Controller Area Network Bus)或者RS-485总线定时发送数据帧(data frame)至多个并联的接收端处理器。所谓的数据帧指的是数据链路层的协议数据单元，包含了帧头、数据部分与帧尾。其中，帧头与帧尾包含了必要的控制信息，例如帧启始信息、地址信息以及差错控制信息；数据部分则包含需要传送的数据，如:同步信息数据。
接收端处理器接收数据帧以后，便对该数据帧进行解码、校验以及时延补偿(timedelay compensation)，进而提取出同步信息。当CAN总线或者RS-485总线因电磁干扰而导致数据传输错误时，处理器能够通过软件的校验而发现错误码，进而校正错误码对于同步信息的影响，借此方式实现同步信息可靠传输。
即便借由CAN总线或者RS-485总线传送数据帧的方式能够实现同步时钟信息的可靠传输，但是这种方法具有以下的缺点：
(1)上述方法可用于传输低频的工频时钟信息(50/60 Hz)，但难以传输高频的PWM载波时钟信息。原因在于上述方法所使用的波特率(Baud rate)通常是所传输时钟信息频率的几十倍，因此若以上述的方法传输高频的PWM载波时钟信息(几KHz~几百KHz)，则所需的波特率(Baud rate)非常高，例如PWM载波频率为100KHz时，传输数据帧所需波特率大约在5Mbps以上。而CAN总线或者RS-485总线无法胜任这样的信息传输任务，特别是在恶劣电磁环境下长距离传输。
(2)上述方法信息传输的时间精准度太低。接收端处理器除了接收同步时钟信息之外，还有许多其它程序需要运行，如:高优先级的中断程序；而这些程序的运行可能会对数据帧的译码、校验等的运算时间造成影响，进而降低了同步时钟信息的时间精准度。
(3)上述方法时延补偿调试复杂。由上述第(2)点的说明，可以得知其它程序的运行会造成同步信息的时间延迟(几微秒~几百微秒)，因此处理器必须对同步信息进行时延补偿。然而，软件运行的时间是随着程序代码的改变而变化的，其并非固定不变的常数，这提升了处理器对同步信息进行时延补偿的困难度与复杂度。
(4)上述方法高度占用处理器的运算能力。由上述第(2)点与第(3)点的说明可知，上述方法主要是通过软件进行数据帧的解码、校验以及时延补偿，进而提取出同步时钟信息；然而，随着同步时钟信息其频率的提升，所使用的软件的运行时间会更加不固定并更富变化性，而必须使用具有高运算能力的处理器来运行软件，导致了处理器成本的增加。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种同步信息的传输装置及其方法，其中，本发明所提出的同步信息的传输装置与方法不但在架构设置上以及时延补偿调试上显示了简单化的重要特征，同时更具备了无需软件参与、不占用处理器运算能力、完全硬件传输和处理、时间精度高，时延很小、无需时延补偿等技术优点；更重要的是，本发明所提出的同步信息的传输装置可在恶劣的电磁环境下，确保同步信息远距离传输的可靠性。
为了达成本发明的目的，本发明首先提出一种同步信息的传输装置，其包括：
至少一串行差分信号发送器，用以接收一等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器，耦接于该串行差分信号发送器以接收所述差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；
至少一控制器，分别耦接于该至少一串行差分信号接收器以接收所述单端信号；
其中，于接收该单端信号之后，所述控制器即对单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据所述同步信息输出一控制信号控制下一级功率变换器的功率输出。
根据本发明的同步信息传输装置的一具体实施例，所述至少一串行差分信号发送器是耦接于一同步信息发送单元，以接收所述等周期脉冲信号。
根据本发明的同步信息传输装置的一具体实施例，所述同步信息发送单元经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该等周期脉冲信号发送给所述至少一串行差分信号发送器。
根据本发明的同步信息传输装置的一具体实施例，所述同步信息发送单元可以为处理器、或可编程逻辑器件、或处理器与可编程逻辑器件的组合。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述至少一串行差分信号发送器与所述至少一串行差分信号接收器是通过一差分串行总线而相互耦接，并且该差分串行总线至少包含一对差分信号线与一地线。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述等周期脉冲信号可以是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述同步信息的传输装置包括两个串行差分信号发送器，其中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述的控制器包含有：一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，以提取出该同步信息；以及一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述可编程逻辑器件通过量测所述等周期脉冲信号的每一周期的占空比来提取所述扰动信息。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述单端信号的周期信息对应于该单端信号的前一个周期的测量值或者前若干个周期测量值的加权平均值。
根据本发明的同步信息的传输装置的一具体实施例，所述串行差分信号接收器经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该单端信号发送给所述控制器。
为了达成本发明的目的，同时提出一种同步信息的传输方法，包括以下步骤：
至少一串行差分信号发送器接收一等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器接收所述差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；以及
至少一控制器接收所述单端信号，并对该单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据该同步信息输出一控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述等周期脉冲信号是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述两个串行差分信号发送器中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述的控制器包含有：一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，并提取出该同步信息；以及一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述可编程逻辑器件通过量测所述等周期脉冲信号的每个周期的占空比来提取所述扰动信息。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述滤波处理包含下述步骤：
根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间；
判断是否在下一个脉冲的到达时间区间之前接收到下一个脉冲信号，若是，则确定所接收的脉冲信号为一干扰脉冲信号，予以滤除，若否，则执行下一个步骤。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述重构处理包含下述步骤：
根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间；
判断是否在下一个脉冲的到达时间区间内接收到脉冲信号，若否，则确定所接收到单端信号发生了脉冲丢失现象，重构一个脉冲信号，若是，则执行下一个步骤。
根据本发明的同步信息的传输方法的一具体实施例，所述单端信号的周期信息对应于该单端信号的前一个周期的测量值或者前若干个周期测量值的加权平均值。
此外，为了达成本发明的目的，又提出一电力电子设备，其包括：
一信息收发单元，用以发出一等周期脉冲信号；
至少一串行差分信号发送器，耦接于该信息收发单元，用以接收该等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器，耦接于该串行差分信号发送器以接收该差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；以及
至少一变换器模块，分别耦接于该至少一串行差分信号接收器，并且每一变换器模块包括：一控制器，耦接于所述串行差分信号接收器以接收所述单端信号；及一功率变换器，耦接于所述控制器；其中，所述控制器对所接收的单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据所述同步信息输出一控制信号控制所述功率变换器的功率输出。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述的信息收发单元可以为处理器、或可编程逻辑器件、或处理器与可编程逻辑器件的组合。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述的控制器包含有：一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号的当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，并提取出该同步信息；以及一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制该功率变换器的功率输出。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述的该信息收发单元与该些控制器之间是通过一通讯总线而相互耦接，实现该信息收发单元与该处理器之间的数据交换。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述信息收发单元经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该等周期脉冲信号发送给所述至少一串行差分信号发送器。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述至少一串行差分信号发送器与所述至少一串行差分信号接收器是通过一差分串行总线而相互耦接，并且该差分串行总线至少包含一对差分信号线与一地线。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述等周期脉冲信号是工频等周期脉冲信号或PWM载波等周期脉冲信号。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，两个串行差分信号发送器中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述可编程逻辑器件通过量测所述等周期脉冲信号每一周期的占空比来提取所述扰动信息。
根据本发明的电力电子设备的一具体实施例，所述串行差分信号接收器经由一个光耦合器或一个电平转换电路将所接收的该单端信号发送给所述变换器模块。
相比于现有技术，本发明的技术具有以下优点：
1.通过本发明所提出的同步信息的传输装置及其方法所进行的同步信息传输方式，其具备了无需软件参与、不占用处理器运算能力、完全硬件传输和处理、时间精度高，时延很小（几纳秒~几十纳秒，可忽略不计）、无需时延补偿等技术优势，同时在系统架构的设置与时延补偿调试方面也显示了简单化的技术特征。
2.本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备，其不仅适合工频时钟传输，也适合数百KHz的PWM载波时钟的传输；并且，与现有技术相比，其对于串行总线的波特率的要求更是显著地降低。
3.除此之外，于本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备中，更借由可编程逻辑器件滤除等周期脉冲信号之中因为电磁干扰引起的毛刺，同时重构因电磁干扰所引起的脉冲丢失，这样的技术手段能够大幅度提高同步信息远距离传输的可靠性。
4.再者，于本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备中，更可借由改变等周期脉冲信号的占空比传送扰动信息，进而对电力电子设备进行电网孤岛检测。
附图说明
参见如下的附图来详细描述配置和实施例，其中以相同的附图标记指代相同的元件。
图1是示出本发明的一种同步信息的传输装置的架构图；
图2是示出该同步信息的传输过程中的波形示意图；
图3是示出本发明的同步信息的传输装置的另一种架构图；
图4是示出含有扰动信息的该同步信息传输过程中的波形示意图；
图5是示出本发明的一种同步信息的传输方法的流程图；
图6是示出本发明的一种电力电子设备的架构图。
其中，附图标记说明如下：
10-同步信息发送单元； 11-串行差分信号发送器；
12-串行差分信号接收器； 13-控制器；
100-占空比近似等于50%的时钟信号
101-等周期脉冲信号； 111-差分信号对；
121-单端信号； 13-控制器；
131-可编程逻辑器件； 132-处理器；
133-还原出的等周期脉冲信号； 120-扰动信息；
1211-干扰脉冲信号； 1212-脉冲丢失；
1201-扰动方向信号； 1202-有无扰动信息；
134-功率变换器； 101a-通讯总线；
10a-信息收发单元； 14-变换器模块；
S01~S03方法步骤
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种同步信息的传输装置及其方法以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备，以下将配合附图，详尽说明本发明的较佳实施例。
请参考图1，是本发明一种同步信息的传输装置的架构图。如图1所示，所述同步信息的传输装置包括：至少一串行差分信号发送器11、至少一串行差分信号接收器12与至少一控制器13(图1显示为N个串行差分信号接收器与N个控制器)。于本发明的装置架构中，串行差分信号发送器11耦接于一同步信息发送单元10以接收一等周期脉冲信号101，并将该等周期脉冲信号101以一差分信号对111的形式输出。如图1的装置架构，所述同步信息发送单元10可以是处理器、或可编程逻辑器件(Programmable Logic Device, PLD)、或处理器与可编程逻辑器件的组合。虽然图1显示等周期脉冲信号101是由同步信息发送单元10发送给串行差分信号发送器11，但并非以此限定等周期脉冲信号101的发送端的形式；在其它应用中，所述同步信息发送单元也可以经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该等周期脉冲信号101发送给所述串行差分信号发送器11。
所述的等周期脉冲信号可以是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号，均为可通过示波器测出的电压脉冲信号。所述工频同步时钟信号与PWM载波同步时钟信号通过不同的串行差分信号发送器进行信息传输。必须特别注明的是，所述的等周期脉冲信号的信号周期指的是两个相邻脉冲的上升沿之间的时间间隔，或是其下降沿之间的时间间隔；本发明于下述说明中所指的周期，都是以相邻脉冲的上升沿之间的时间间隔为例。所述等周期是指在时间轴上任意两个相邻的信号周期相等或近似相等，所述近似相等则指的是时间轴上任意两个相邻的信号周期之差的绝对值处于前一周期的5%以下。
请一并参考图2，其中，图2示出同步信息传输过程中的波形示意图。如图1与图2所示，串行差分信号接收器12通过一差分串行总线而耦接于该串行差分信号发送器11以接收所述差分信号对111，并将该差分信号对111转换为一单端信号121。所述差分串行总线至少包含一对差分信号线以及一地线，在一个周期内，差分串行总线只需要传送一个高电平和一个低电平，不必像传统方法传送一个完整的数据帧（通常包含几十个高、低电平）。显然，利用差分串行总线传输信号，对波特率的要求显著降低，可以传输较高频率的PWM载波时钟信息。
图1示出的串行差分信号发送器11和串行差分信号接收器12可以是CAN收发器(Controller Area Network, 控制器局域网络收发器)、RS-485收发器、RS-422收发器、MIL-STD-1553收发器(Military Standard, 军用标准收发器)、LVDS收发器(Low-VoltageDifferential Signaling, 低电压差动信号收发器)、BLVDS收发器(Bus Low-VoltageDifferential Signaling, 总线低电压差动信号收发器)、MLVDS收发器(MultipointLow-Voltage Differential Signaling, 多点低电压差动信号收发器)。
如图1与图2所示，该同步信息传输装置还包含控制器13，耦接于该串行差分信号接收器12以接收所述单端信号121；在其它应用中，所述串行差分信号接收器12也可以经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该单端信号121发送给所述控制器13。所述控制器13包含有一可编程逻辑器件131与一处理器132，所述可编程逻辑器件131用以接收所述单端信号121。由于信号传输过程中，不可避免地受到电磁干扰，差分信号对会出现波形畸变、毛刺、脉冲丢失现象。虽然差分线号接收器会对输出的单端信号进行电平转换和脉冲整形，但经过整形和还原后的单端信号仍然会包含毛刺、脉冲丢失，如图2中单端信号对应的波形图所示，分别出现毛刺1211和脉冲丢失1212。所述毛刺是指在时间轴上不该出现脉冲信号的时间段内出现脉冲信号，毛刺的时间宽度可以小于正常脉冲宽度，也可以大于等于正常脉冲宽度。可编程逻辑器件131不仅要接收单端信号121，还需对所接收的单端信号121进行滤波处理和（或）重构处理，以还原出正常的等周期脉冲信号。
可编程逻辑器件131根据该单端信号121当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号121的周期信息，预测出单端信号121下一个脉冲的到达时间区间。所述单端信号121的周期信息对应于该单端信号的前一个周期的测量值或者前若干个周期测量值的加权平均值。所述的下一个脉冲的到达时间区间满足以下关系式：tk+1∈(tk+0.95T， tk+1.05T)。式中，T为信号周期；tk+1为下一脉冲的到达时刻；tk为当前脉冲的脉冲前沿到达时刻。
如图2中单端信号121对应的波形图所示，可编程逻辑器件131通过判断是否在单端信号121下一个脉冲的到达时间区间之前接收到下一个脉冲信号，若是，则确定所接收到脉冲信号为一干扰脉冲信号（俗称毛刺）1211，予以滤除。同时可编程逻辑器件131判断是否在单端信号121下一个脉冲的到达时间区间内接收到脉冲信号，若否，则确定该单端信号121发生了脉冲丢失1212，则重构一个脉冲信号。如此，经过滤波处理和（或）重构处理后，便可得到还原出的等周期脉冲信号133，其中，该还原出的等周期脉冲信号133包含同步信息，例如图2中还原出的周期脉冲信号133包含同步时钟信息。
处理器132耦接于可编程逻辑器件131以接收所述还原出的等周期脉冲信号133，并进一步地根据该还原出的等周期脉冲信号133所包含的同步信息输出控制信号，以实现同步控制下一级功率变换器（图1中未示出）的功率输出。可编程逻辑器件131所输出的包含同步信息的等周期脉冲信号133，是一个占空比可调的信号，例如，经过处理器132处理后可根据周期信息输出与还原出的等周期脉冲信号133同步的占空比近似等于50%的时钟信号100（如图2所示），即通过使上升沿固定下降沿移动来实现，当然此处并不限定占空比为50%，可以依据控制上的需要得到具有任意占空比的同步信号。图2中，可编程逻辑器件131输出的等周期脉冲信号133及占空比近似等于50%的时钟信号100与发送端的等周期脉冲信号101相比，具有一定的时间延迟，其大小由整个传输路径上的硬件决定，通常在几纳秒到几十纳秒，与等周期脉冲信号的周期（几十微秒到几十毫秒）相比，小到可以忽略，因此不必进行时延补偿。
所述的可编程逻辑器件131可以是现场可编程门阵列(FieldProgrammable GateArray, FPGA)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)、或者可擦除可编程逻辑器件(Erasable Programmable Logic Device, EPLD)。所述的处理器132可以是微控制器、数字信号处理器、中央处理器、微处理器、或者网络处理器。
图3是本发明的同步信息的传输装置的另一种架构图。如图3所示，采用两个串行差分信号发送器11以分別接收由同步信息发送单元10所发送的等周期脉冲信号101，进而将所述等周期脉冲信号101以差分信号对111的形式输出。其中，所发送的等周期脉冲信号可以是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号，但不以此为限。所述工频同步时钟信号与PWM载波同步时钟信号透过不同的串行差分信号发送器进行信息传输。此二个串行差分信号发送器11所接收的等周期脉冲信号101可皆为工频同步时钟信号或者PWM载波同步时钟信号，或者，两个串行差分信号发送器中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号，并没有特別加以限制。
参考图4所示的波形示意图，等周期脉冲信号101尽管周期近似相等，但每一周期的占空比不是恒定的。本发明的另一个技术特征在于，藉由所述等周期脉冲信号101的每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号101对应地传输一扰动信息。如图4含有扰动信息的该同步信息传输过程波形示意图所示，等周期脉冲信号101的每一周期的占空比不是恒定的，该脉冲信号不仅包含同步时钟信息，同时通过占空比的变化包含一扰动信息。
继续参考图3与图4，变化占空比的等周期脉冲信号101同样的以差分信号对111形式被输出，然后通过串行差分信号接收器12而被转换为单端信号121。每一差分信号接收器12均耦接于一控制器13，所述控制器13又包含彼此相连的一可编程逻辑器件131和一处理器132。可编程逻辑器件131接收所述单端信号121，并对该单端信号121进行滤波处理和（或）重构处理以获得还原出的等周期脉冲信号133，其中，所述还原出的等周期脉冲信号133包含同步信息。接着，可编程逻辑器件131通过量测所述等周期脉冲信号133的每一周期的占空比来提取所述扰动信息120。如图4所示，所提取出的扰动信息120更包含了扰动方向信号1201以及有无扰动信号1202。以图4所绘示的还原出的等周期脉冲信号133为例，其脉冲的占空比在40%～60%范围内则表示没有搭载扰动信息120；同时若还原出的等周期脉冲信号133的脉冲的占空比小于40%则表示搭载有扰动信息120，且该扰动信息120对应的扰动方向信号1201为高电平，即表示该扰动信息为正向扰动；若还原出的等周期脉冲信号133的脉冲的占空比大于60%则表示搭载有扰动信息120，且该扰动信息120的扰动方向信号1201为低电平，即表示该扰动信息为负向扰动。需说明的是扰动信息对应的占空比范围可自行定义，并不以本发明所揭示的范围为限。类似地，通过等周期脉冲信号占空比的变化不仅可以传送一扰动信息，还可传送其它同步信息，如设备运行模式切换信息，在此不再赘述。
可编程逻辑器件131将包含同步信息的等周期脉冲信号133输出给处理器132，处理器132则根据所述同步信息输出一控制信号给功率变换器（图3中未示出），例如图4中占空比近似等于50%的时钟信号100。同样地，图4中还原的等周期脉冲信号及占空比近似等于50%的时钟信号与发送端的等周期脉冲信号相比，具有一定的时间延迟，但与等周期脉冲信号的周期相比，小到可以忽略，也不必进行时延补偿。
如此，经由上述的说明，本发明所提出的一种同步信息的传输装置的构成与信号传输技术皆已经被清楚的说明了。接着，以下将继续说明本发明的一种同步信息的传输方法，其中，所述的同步信息的传输方法的运行装置即为如图1所示的装置，而所述的同步信息的传输方法的步骤流程图则如图5所示。其中，本发明的同步信息的传输方法主要包含3个步骤：
通常，于执行步骤(S01)之前先执行以下步骤:使一同步信息发送单元10输出等周期脉冲信号101至所述的串行差分信号发送器11；其中，所述等周期脉冲信号101可以由同步信息发送单元10直接发送给串行差分信号发送器11，也可以经由一个光耦合器或一个电平转换电路发送给串行差分信号发送器11。接着便执行步骤(S01)：令串行差分信号发送器11接收所述等周期脉冲信号101，并将该等周期脉冲信号101以差分信号对111的形式输出。接着，步骤(S02)：令串行差分信号接收器12接收所述差分信号对111，并将该差分信号对111转换为单端信号121；然后，执行步骤(S03)：令控制器13接收所述单端信号121，并对该单端信号121进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据该同步信息控制下一级功率变换器的功率输出。
承上述，所述滤波处理是由控制器13内的可编程逻辑器件131根据该单端信号121当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号121的周期信息计算出该单端信号121的下一个脉冲的到达时间区间；接着，可编程逻辑器件131判断是否在下一个脉冲的到达时间区间之前接收到下一个脉冲信号，若是，则确定所接收到脉冲信号为一干扰脉冲信号，予以滤除。所述重构处理是由控制器13内的可编程逻辑器件131根据该单端信号121当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号121的周期信息计算出该单端信号的下一个脉冲的到达时间区间；然后由可编程逻辑器件131判断是否在下一个脉冲的到达时间区间内接收到脉冲信号，若否，则确定所接收到单端信号121发生了脉冲丢失现象，重构一个脉冲信号。
本发明所提供的同步信息的传输装置及其方法，可以被广泛的应用于连接至电网或者微电网的电力电子设备之中，而所述电力电子设备具有广泛的应用，例如：AVC(activevoltage convertor 有源电压调节器)，SFC(shore frequency convertor 岸变频器)，UPS(uninterruptible power system 不间断电源)，SVG（static var generator 静止无功发生器）及ESS（energy storage system 能量存储系统）等设备。请参考图6，为本发明所提出的一电力电子设备的架构图。如图6所示，所述电力电子设备包括有：一信息收发单元10a、至少一串行差分信号发送器11、至少一串行差分信号接收器12、以及至少一变换器模块14，其中，信息收发单元10a可以是处理器、或可编程逻辑器件、或处理器与可编程逻辑器件的组合。
图6示出了两个串行差分信号发送器11，此二个串行差分信号发送器11所接收的等周期脉冲信号101均为PWM载波同步时钟信号或工频同步时钟信号，或一个串行差分信号发送器11接收PWM载波同步时钟信号，一个串行差分信号发送器11接收工频同步时钟信号。每一串行差分信号发送器11通过串行差分信号线与后端的多个串行差分信号接收器12相连，将所接收的等周期脉冲信号101以差分信号对111的形式输出至所述多个串行差分信号接收器12。而后端的多个串行差分信号接收器12于接收差分信号对111之后，便会将所述的差分信号对111转换为单端信号121。每一差分信号接收器12均与一功率变换器模块14相连，并将单端信号121直接发送给变换器模块14，或者经由一个光耦合器或一个电平转换电路发送给所述的变换器模块14。如图6所示，变换器模块14由一控制器13与一功率变换器134构成，其中所述控制器13又包含一可编程逻辑器件131和一处理器132。所述可编程逻辑器件131用以接收单端信号121，并根据该单端信号121当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号121的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行该滤波处理和（或）重构处理，以还原出正常的等周期脉冲信号133(图4所示），其中，该等周期脉冲信号133包含了同步信息。如此，耦接于该可编程逻辑器件131的处理器132便可根据所述的同步信息输出控制信号，进而同步控制所述功率变换器134的功率输出。
如图6的电力电子设备的架构所示，信息收发单元10a与该些处理器132之间是通过一通讯总线101a而相互耦接，使得信息收发单元10a可通过所述的通讯总线101a传送一个控制指令给该些处理器132，如此，该些处理器132便能够根据所接收到的控制指令，控制与其耦接的功率变换器134，实现电能变换的目的。所述控制指令可以是开关机指令或者功率大小控制指令等等。除此之外，处理器131也可以取得与其耦接的功率变换器134的一状态信息，并通过该通讯总线101a将该状态信息回传给该同步信息收发单元10a。所述的状态信息可以是功率变换器134的电压信息、电流信息或者功率信息。再者，同步信息收发单元10a可以直接将等周期脉冲信号发送给串行差分信号发送器11，或者经由一个光耦合器或一个电平转换电路发送给串行差分信号发送器11。另外，关于图6中所示出的串行差分信号发送器11与串行差分信号接收器12，其形式同于图1所示的串行差分信号发送器11与串行差分信号接收器12。
电力电子设备采用主动检测法进行电网孤岛检测时，常用的方法有：频率扰动注入法、相位扰动注入法、无功扰动注入法等。如图6所示，对于并联的变换器模块14而言，使用上述任一种扰动的注入都必须严格同步。其中，扰动信息的注入可以通过改变所述等周期脉冲信号101每一周期的占空比的方式来实现；反之，通过量测所述等周期脉冲信号101每一周期的占空比的方式来取出所述扰动信息。以频率扰动注入法为例，处理器132通过接收到的扰动同步信息,协调一致地给各个功率变换器134注入频率扰动，使得各个功率变换器134的频率发生同步的偏移；此时，处理器132检测各个功率变换器134输出电压的频率并将该频率回传给同步信息收发单元10a，同步信息收发单元10a将该频率与电网电压频率作比较，如果该频率超出电网电压的频率的正常波动范围，则判断电力电子设备处于孤岛状态。于此，必须补充说明的是，所述的波动范围是指功率变换器输出电压的频率小于电网电压的额定频率加上0.5Hz，或者大于电网电压的额定频率减去0.7Hz。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明所提出的一种同步信息的传输装置及其方法以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备，并且，经由上述技术方案可知本发明具有下列优点：
1.通过本发明所提出的同步信息的传输装置及其方法所进行的同步信息传输方式，其具备了无需软件参与、不占用处理器运算能力、完全硬件传输和处理、时间精度高，时延很小（几纳秒~几十纳秒，可忽略不计）、无需时延补偿等技术优势，同时在系统架构的设置与时延补偿调试方面也显示了简单化的技术特征。
2. 本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备，其不仅适合工频时钟传输，也适合数百KHz的PWM载波时钟的传输；并且，与现有技术相比，其对于串行总线的波特率的要求更是显著地降低。
3. 除此之外，于本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备中，更借由可编程逻辑器件滤除等周期脉冲信号中因为电磁干扰引起的毛刺，同时重构因电磁干扰所引起的脉冲丢失，这样的技术手段能够大幅度提高同步信息远距离传输的可靠性。
4. 再者，于本发明所提出的同步信息的传输装置以及具有同步信息的传输装置的电力电子设备中，更可借由改变等周期脉冲信号每一周期的占空比传送扰动信息，进而对电力电子设备进行电网孤岛检测。
本发明所揭示的等周期脉冲信号以PWM载波同步时钟信号和工频同步时钟信号为例，但并不以此两者为限。所述同步信息传输装置在传输同步信息的同时可以搭载扰动信息，也可以搭载其它的信息如设备运行模式切换信息，但并不以此为限。
必须加以强调的是，对于本领域技术人员来说，显然可在不背离本申请的精神和范围的前提下对本申请作各种变化和修改。因此，本申请意图涵盖对本申请做出的各种修改和变化，只要它们落在所附权利要求及其等同方案的保护范围内即可。

Claims (32)

1.一种同步信息的传输装置，其特征在于，包括：
至少一串行差分信号发送器，用以接收一等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器，耦接于该串行差分信号发送器以接收所述差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；
至少一控制器，分别耦接于该至少一串行差分信号接收器以接收所述单端信号；
其中，于接收该单端信号之后，所述控制器根据该等周期脉冲信号的周期信息计算下一个脉冲的到达时间区间，以便对该单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据所述同步信息输出一控制信号控制下一级功率变换器的功率输出，其中所述等周期脉冲信号中的一个脉冲信号对应传输一个所述同步信息。
2.根据权利要求1所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述至少一串行差分信号发送器是耦接于一同步信息发送单元，以接收所述等周期脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述同步信息发送单元经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该等周期脉冲信号发送给所述至少一串行差分信号发送器。
4.根据权利要求2所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述同步信息发送单元为处理器、或可编程逻辑器件、或处理器与可编程逻辑器件的组合。
5.根据权利要求1所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述至少一串行差分信号发送器与所述至少一串行差分信号接收器是通过一差分串行总线而相互耦接，并且该差分串行总线至少包含一对差分信号线与一地线。
6.根据权利要求1所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述等周期脉冲信号是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号。
7.根据权利要求6所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述同步信息的传输装置包括两个串行差分信号发送器，其中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
8.根据权利要求6所述的同步信息的传输装置，其特征在于，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
9.根据权利要求8所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述控制器包含有：
一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，以提取出该同步信息；以及
一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出。
10.根据权利要求9所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述可编程逻辑器件通过测量所述等周期脉冲信号的每一周期的占空比来提取所述扰动信息。
11.根据权利要求9所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述单端信号的周期信息对应于该单端信号的前一个周期的测量值或者前若干个周期测量值的加权平均值。
12.根据权利要求1所述的同步信息的传输装置，其特征在于，所述串行差分信号接收器经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该单端信号发送给所述控制器。
13.一种同步信息的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
至少一串行差分信号发送器接收一等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器接收所述差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；以及
至少一控制器接收所述单端信号，并根据该等周期脉冲信号的周期信息计算下一个脉冲的到达时间区间，以便对该单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，并提取出一同步信息，以根据该同步信息输出一控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出，其中该等周期脉冲信号中的一个脉冲信号对应传输一个所述同步信息。
14.根据权利要求13所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述等周期脉冲信号是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号。
15.根据权利要求14所述的同步信息的传输方法，其特征在于，两个串行差分信号发送器中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
16.根据权利要求13所述的同步信息的传输方法，其特征在于，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
17.根据权利要求16所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述控制器包含有：
一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，以提取出该同步信息；以及
一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制下一级功率变换器的功率输出。
18.根据权利要求17所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述可编程逻辑器件通过测量所述等周期脉冲信号的每一周期的占空比来提取所述扰动信息。
19.根据权利要求13所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述滤波处理包含下述步骤：
根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间；
判断是否在下一个脉冲的到达时间区间之前接收到下一个脉冲信号，若是，则确定所接收的脉冲信号为一干扰脉冲信号，予以滤除。
20.根据权利要求13所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述重构处理包含下述步骤：
根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间；
判断是否在下一个脉冲的到达时间区间内接收到脉冲信号，若否，则确定所接收的单端信号发生了脉冲丢失现象，重构一个脉冲信号。
21.根据权利要求19或20所述的同步信息的传输方法，其特征在于，所述单端信号的周期信息对应于该单端信号的前一个周期的测量值或者前若干个周期测量值的加权平均值。
22.一电力电子设备，其特征在于，包括：
一信息收发单元，用以发出一等周期脉冲信号；
至少一串行差分信号发送器，耦接于该信息收发单元，用以接收该等周期脉冲信号，并将该等周期脉冲信号以一差分信号对的形式输出；
至少一串行差分信号接收器，耦接于该串行差分信号发送器以接收该差分信号对，并将该差分信号对转换为一单端信号；以及
至少一变换器模块，分别耦接于该至少一串行差分信号接收器，并且每一变换器模块包括：一控制器，耦接于所述串行差分信号接收器以接收所述单端信号；及一功率变换器，耦接于所述控制器；
其中，所述控制器根据该等周期脉冲信号的周期信息计算下一个脉冲的到达时间区间，以便对所接收的单端信号进行一滤波处理和/或一重构处理，以提取出一同步信息，并根据所述同步信息输出一控制信号控制所述功率变换器的功率输出，其中所述等周期脉冲信号中的一个脉冲信号对应传输一个所述同步信息。
23.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，所述的信息收发单元为处理器、或可编程逻辑器件、或处理器与可编程逻辑器件的组合。
24.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，所述的控制器包含有：一可编程逻辑器件，用以接收该单端信号，并根据该单端信号当前脉冲的脉冲前沿到达时间以及该单端信号的周期信息，计算出该单端信号下一个脉冲的到达时间区间，进而进行所述滤波处理和/或所述重构处理，以提取出该同步信息；以及
一处理器，耦接于该可编程逻辑器件以接收该同步信息，并进一步地根据该同步信息输出该控制信号以控制所述功率变换器的功率输出。
25.根据权利要求24所述的电力电子设备，其特征在于，该信息收发单元与该处理器之间是通过一通讯总线而相互耦接，实现该信息收发单元与该处理器之间的数据交换。
26.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，该信息收发单元经由一个光耦合器或一个电平转换电路将该等周期脉冲信号发送给所述至少一串行差分信号发送器。
27.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，所述至少一串行差分信号发送器与所述至少一串行差分信号接收器是通过一差分串行总线而相互耦接，并且该差分串行总线至少包含一对差分信号线与一地线。
28.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，所述等周期脉冲信号是工频同步时钟信号或PWM载波同步时钟信号。
29.根据权利要求28所述的电力电子设备，其特征在于，两个串行差分信号发送器中的一个串行差分信号发送器接收所述工频同步时钟信号，另一个串行差分信号发送器接收所述PWM载波同步时钟信号。
30.根据权利要求24所述的电力电子设备，其特征在于，藉由所述等周期脉冲信号每一周期的占空比变化，使得所述等周期脉冲信号对应地传输一扰动信息。
31.根据权利要求30所述的电力电子设备，其特征在于，所述可编程逻辑器件通过测量所述等周期脉冲信号每一周期的占空比来提取所述扰动信息。
32.根据权利要求22所述的电力电子设备，其特征在于，所述串行差分信号接收器经由一个光耦合器或一个电平转换电路将所接收的该单端信号发送给所述变换器模块。
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