CN105917281A - 电气自动化设备的数字测量输入端、具有数字测量输入端的电气自动化设备以及处理数字输入测量值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电气自动化设备(11)的数字测量输入端(20)，具有：接收装置(21)，其被配置用于接收通过以第一采样率对模拟测量信号进行采样而产生的数字输入测量值；以及信号转换装置(26)，其被构造用于根据数字输入测量值形成并且提供数字输出测量值，其中，数字输出测量值的采样率和/或相应的采样时刻与预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻匹配。为了给出一种数字测量输入端，利用其能够在有效地使用自动化设备的计算能力的情况下，对可互通地使用的数字输入测量值进行处理，提出了，信号转换装置(26)在输入侧具有数字编码器滤波器(23)并且在输出侧具有数字解码器滤波器(25)，在其之间设置有插值器(24)，其中，编码器滤波器(23)、插值器(24)和解码器滤波器(25)彼此匹配，使得通过其使数字输入测量值的采样率和/或采样时刻匹配。本发明还涉及对应的具有数字测量输入端的自动化设备以及处理数字输入测量值的方法。

Description

电气自动化设备的数字测量输入端、具有数字测量输入端的电气自动化设备 以及处理数字输入测量值的方法

技术领域

本发明涉及一种电气自动化设备的数字测量输入端，具有：接收装置，其被配置用于接收通过以第一采样率对模拟测量信号进行采样而产生的数字输入测量值；以及信号转换装置，其被构造用于根据数字输入测量值形成并且提供数字输出测量值，其中，数字输出测量值的采样率和/或相应的采样时刻与预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻匹配。此外，本发明涉及一种具有这种数字测量输入端的自动化设备和处理数字输入测量值的方法。

背景技术

电气自动化设备例如用于控制、监视和保护供电网。为此，传统上自动化设备尽可能布置在测量位置附近，并且借助于设置在测量位置的传感器、例如电流和/或电压变换器接收模拟测量信号，随后在自动化设备中对其进一步进行处理。进一步处理中的一个重要的步骤是将模拟测量信号转换为描述模拟信号的曲线的数字采样值。使用这些数字采样值，可以随后在自动化设备中执行控制、监视和保护功能。如果自动化设备无法布置在所有传感器附近，则将模拟测量信号经由对应的测量线路馈送至自动化设备。

最近以来，进行了利用所谓的“合并单元(merging unit)”将传感器附近的模拟测量信号转换为数字测量信号的尝试。其原因是，尤其是新的传感器类型或者变换器类型(例如罗戈夫斯基变换器(Rogowskiwandler)、光学变换器)的信号以模拟的方式不能够在迄今为止常见的距离上分配。在此，这种合并单元具有一个或更多个模拟测量输入，随后利用合并单元的模拟-数字转换器对其模拟输入信号进行采样，由此转换为数字测量值。数字测量值在合并单元的输出端通常以数据报文的形式输出，并且经由通信网络或者通信总线传输至布置在上面的一个或更多个自动化设备。例如在欧洲专利申请EP 2503668 A1中可以找到这种合并单元的示例。

然而，在使用经由合并单元产生的数字测量值时，产生了新类型的问题，其主要与为在合并单元中形成数字测量值使用的相应的数字测量值的采样率和/或采样时刻有关。由此例如可能出现，自动化设备在内部需要具有一定采样率的数字测量值，而该采样率偏离在合并单元中使用的采样率。此外，在使用多个不同的测量信号时，产生了其必须能在其采样率和其采样时刻方面彼此进行比较的需要。后者例如在具有从不同的合并单元接收数字测量值的多个数字信号输入的自动化设备中出现。虽然一些合并单元通常经由外部的时间同步信号(例如GPS信号的1PPS时间脉冲)彼此进行时间同步，由此具有使其采样率和采样时刻彼此配合的可能性，但是这种同步非常复杂，并且在外部的时间同步信号发生错误的情况下仅能够有条件地保持。

此外，测量变换器自己也已经可以在其输出端处输出数字测量值，然而在此的问题与在经由合并单元产生的数字测量值的情况下相同。

开头提及的类型的数字测量输入端以及在自动化设备中同步多个数字输入信号的方法例如从德国公开文献DE 198 60 720 A1中已知。根据由此已知的方法，在合并单元侧，利用第一滤波器对多个测量信号的数字采样值进行编码，随后传输至自动化设备。其在接收到编码的数字测量值之后，首先以至少是测量信号的最快采样率的两倍快的采样率执行重新采样。

在此，用零值填充在编码的数字测量值的曲线中不存在的值。将以这种方式重新采样的编码的数字测量值馈送至具有与编码器滤波器相反的滤波器特性的插值滤波器。由此能够实现，所有的数字输入信号在处理之后具有共同的采样率和共同的采样时刻。

然而，这种已知的方法的实现对自动化设备的计算能力提出了比较高的要求，例如，由于利用相对高的采样率进行重新采样并且利用零值在所使用的采样率的一半频率处进行填充，而产生数字测量信号的镜像的频率分量，其必须首先通过复杂的滤波再次被去除。此外，目前的标准、例如标准IEC61850-9-2不提供合并单元侧的信号编码，从而无法容易地利用不同的制造商的自动化设备对所产生的数字测量信号进行处理。

发明内容

因此，基于开头提及的类型的数字测量输入端，本发明要解决的技术问题在于，给出一种数字测量输入端，利用该数字测量输入端，能够有效地利用自动化设备的处理能力，对能以互通的方式使用的数字输入测量值进行处理。此外，本发明要解决的技术问题还在于，给出对应的具有数字测量输入端的自动化设备以及处理数字输入测量值的方法。

在数字测量输入端方面，为了解决上述技术问题，根据本发明提出了对开头提及的类型的测量输入端进行改进，使得信号转换装置在输入侧具有数字编码器滤波器并且在输出侧具有数字解码器滤波器，在其之间设置有插值器，其中，编码器滤波器、插值器和解码器滤波器彼此匹配，使得通过其使数字输入测量值的采样率和/或采样时刻匹配。

通过构造数字测量输入端的信号转换装置，能够对数字输入测量值的采样率和/或采样时刻进行匹配，而不需要在合并单元中进行信号编码，由此保证了数字输入测量值对于不同制造商的设备的互通的可使用性。此外，因为在信号转换装置中不执行以零值插入的复杂的重新采样，因此匹配所需的计算能力以及与此相关联的计算时间可以最少化。在此，信号转换装置的两个滤波器和插值器协作，使得实现希望的在输出侧提供的数字输出测量值的采样率的改变和/或采样时刻的移位。例如，利用根据本发明的数字测量输入端，通过根据存在于输入侧的数字输入测量值的曲线通过插值确定数字输出测量值所需的附加采样值，可以进行从4kHz到16kHz的采样率改变。插值器还可以基于已知的数字输入测量值，以足够的精度在未来的特定时间段内估计数字输出测量值的曲线，从而其在一定程度上可用作外插器，并且根据过去的数字输入测量值的曲线来估计未来的数字输出测量值。

按照根据本发明的数字测量输入端的一个有利实施方式设置为，插值器被配置用于使用信号模型产生插值的数字辅助测量值。

由此，可以对通过插值待确定的辅助测量值并且由此可以对数字输出测量值进行尽可能准确的估计。在最简单的情况下，对于插值，可以使用基于两个已知的数字输入测量值的线性插值器。

然而，视为特别有利的是，所述信号模型描述二次函数。

在使用如下形式的二次信号模型的情况下：

y＝a·x²+b·x+c，

一方面能够以相对良好的精度，另一方面能够以合理的计算开销以及合理的时间延迟确定插值的辅助测量值，由此确定数字输出测量值y，因为确定插值器的系数a、b和c，仅需要最后三个数字输入测量值。

此外，根据本发明的数字测量输入端的另一个有利实施方式设置为，编码器滤波器和解码器滤波器具有单独的传输函数，其彼此匹配，使得其共同的传输函数产生数字输入测量值的序列的相位特性曲线的能调节的移位，以产生希望的数字输出测量值相对于数字输入测量值的时间上的移位。

在该实施方式中，仅仅通过选择信号转换装置的两个滤波器的传输函数，就能够实现希望的数字输出测量值的曲线相对于数字输入测量值的曲线的时间上的移位。这通过影响数字输入测量值的相位特性曲线来实现。也就是说，在各个滤波器的传输函数对应地匹配时，能够获得实现希望的时间上的移位效果的总传输函数。由此，能够以相对简单的方式，也就是说，就通过定义相应的滤波器系数，实现数字输出测量值的曲线的时间上的移位，例如以便进行多个在时间上移位地发生的数字测量值曲线的匹配。

具体地，在两个滤波器方面，例如可以设置为，编码器滤波器具有PD特性(比例-微分)，并且解码器滤波器具有低通特性。

特别地，通过构造具有低通特性的解码器滤波器能够实现，数字输出测量值的曲线中的、已经包含在数字输入测量值中的或者由于插值而出现的不希望的高频分量得到充分地衰减，从而其不对用于控制、监视和/或保护目的的数字输出测量值的随后的进一步处理产生干扰性影响。

按照根据本发明的数字测量输入端的另一个有利实施方式设置为，数字测量输入端以具有硬件确定的编程的处理部件、特别是ASIC或者FPGA的形式构造。

与运行设备软件的处理器部件相比，具有硬件确定的编程的处理部件形式的数字测量输入端的构造提供处理速度更高的优点，因为能够排除可能由于由处理器支持的设备软件的运行而产生的延迟。因此，处理部件能够高度专门化地针对所需的处理任务来构造。

此外，在这种情境下被视为有利的是，所述处理部件具有存储器寄存器，在所述存储器寄存器中以能改变的方式存储编码器滤波器和/或解码器滤波器的滤波器系数。

由此能够实现，还能够补充地与共同的总传输函数的希望的信号特性曲线、特别是希望的相位特性曲线对应地匹配两个滤波器的传输函数。

此外，按照根据本发明的数字测量输入端的另一个有利实施方式设置为，接收装置被构造用于以数据报文的形式接收数字输入测量值。

在此，例如可以根据在能源自动化系统中的通信中普遍可使用的标准IEC 61850，具体为标准部分IEC 61850-9-2，作为所谓的“采样测量值”(SMV，Sampled Measured Values)，从合并单元向自动化设备传输数字输入测量值。通过使用在国际上认可的标准用于数字输入测量值的传输，再一次提高了互通性。

此外，在这种情境下被视为有利的是，接收装置被配置用于从包含数字输入测量值的数据报文中提取关于第一采样率的信息，并且将其传送至信号转换装置。

插值器需要关于用来由模拟测量信号产生数字输入测量值的采样率的信息，以便能够在时间上正确地安排接收到的数字输入测量值。所关注的信息可以直接包含在数据报文中(例如，在此可以一次性地或者零星地或者持续地传输信息)，或者可以间接地从数字输入测量值自身中提取。例如，合并单元可以对数字输入测量值分配所谓的时间戳，时间戳给出合并单元中的采样时刻，并且可以根据时间戳计算采样率。替换地，数字输入测量值也可以包括所谓的计数值或者“counter value”，计数值给出其跟随时间上的同步脉冲(例如1PPS信号)的时间上的序列。由这种计数值的最大值，同样可以推断采样率(例如，最大值3999意味着采样率为4kHz，因为第一个值通常得到计数值0)。

此外，在自动化设备方面，上述技术问题通过具有根据权利要求1至9中任一项所述的数字测量输入端的自动化设备来解决。

在根据本发明的自动化设备方面，适用所有已经关于根据本发明的数字测量输入端进行的叙述，特别是，根据本发明的自动化设备可以包括根据上面与此相关地描述的实施方式中的每一个的数字测量输入端。在根据本发明的自动化设备的优点方面，也参考根据本发明的数字测量输入端的优点。

除了数字测量输入端之外，自动化设备还可能具有自己的局部模拟测量输入端。在这种情况下，被视为是根据本发明的电气自动化设备的有利构造的是，电气自动化设备具有至少一个模拟信号输入端，其被配置用于采集局部的模拟测量信号和用于形成局部的数字测量值；以及数字测量输入端的信号转换装置被构造用于使用局部的数字测量值的采样率和/或采样时刻，作为预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻，以在采样率和/或采样时刻方面匹配数字输入测量值。

在该实施方式中，自动化设备除了数字测量输入端之外，还具有至少一个模拟测量输入端，经由其局部地采集模拟测量信号，并且利用自己的模拟-数字转换器对模拟测量信号进行采样，以形成局部数字测量值。在此，一方面可能在局部地使用的采样率和位于之前的合并单元的采样率之间存在差异。另一方面，由于对模拟测量信号进行局部采样而产生的时间上的延迟，通常也与在合并单元中进行采样并且随后将在那里形成的数字输入测量值传输至自动化设备时产生的时间上的延迟不同。通常自动化设备中的局部处理产生较短的时间上的延迟。因此，在混合了模拟和数字测量值采集的这种自动化设备中，必须进行数字输入测量值的曲线与局部数字测量值的曲线的匹配，以实现尽可能最短的时间上的延迟。这例如可以通过对应地构造两个滤波器的传输函数来实现，传输函数影响输入的数字输入测量值的相位特性曲线，使得在一定程度上进行时间上的回转，并且使相对于局部数字测量值出现的附加延迟最小化。此外，还可以通过插值器，进行与该时间上的延迟对应的、数字输出测量值的时间上的预先计算，以抵消附加的时间上的延迟。

此外，根据本发明的自动化设备的另一个有利实施方式设置为，自动化设备具有与所述数字测量输入端对应地构造的至少一个另外的数字测量输入端。

通过该实施方式，也可以使多个数字测量输入端彼此匹配或者与可能的局部模拟测量输入端匹配，使得在输出侧输出的相应的数字输出测量值的采样率和/或采样时刻彼此匹配，也就是说，每个测量通道具有被构造为抵消所存在的各个测量通道之间的差异的自己的时间上的传输特性。

替换地，也可以设置为，第一数字测量输入端被构造用于接收并且处理多个数字输入测量值的序列。

在该替换方案中，将不同的数字输入测量值的曲线经由多路器馈送至信号匹配装置，信号匹配装置以与上面关于数字测量输入端所描述的类似的方式，对于每个信号单独进行采样率和/或采样时刻的匹配。

在方法方面，上述技术问题通过处理数字输入测量值的方法来解决，所述数字输入测量值通过以第一采样率对模拟测量信号进行采样而获得，其中，在所述方法中，利用自动化设备的数字测量输入端的接收装置接收数字输入测量值；以及利用数字测量输入端的信号转换装置由数字输入测量值形成并且提供数字输出测量值，其中，使数字输出测量值的采样率和/或相应的采样时刻匹配于预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻。

根据本发明设置为，利用信号转换装置的数字编码器滤波器对数字输入测量值进行滤波，以形成编码的数字输入测量值，利用信号转换装置的插值器对编码的数字输入测量值进行插值，以形成数字辅助测量值；以及利用信号转换装置的数字解码器滤波器对数字辅助测量值进行滤波，以形成数字输出测量值；其中，编码器滤波器、插值器和解码器滤波器彼此匹配，使得其使数字输入测量值的采样率和/或采样时刻匹配。

此外，在根据本发明的方法方面，适用所有已经关于根据本发明的数字测量输入端以及关于根据本发明的自动化设备进行的叙述，从而根据本发明的方法也适合于处理根据上面描述的根据本发明的数字测量输入端和根据本发明的自动化设备的实施方式中的每一个的数字输入测量值。在根据本发明的方法的优点方面，也参考根据本发明的数字测量输入端和根据本发明的自动化设备的优点。

此外，根据本发明的方法的一个有利实施方式设置为，由编码器滤波器和解码器滤波器的单独的传输函数的结合产生的共同的传输函数，产生数字输入测量值的序列的相位特性曲线的能调节的移位，以产生希望的数字输出测量值相对于数字输入测量值的时间上的移位。

在该实施方式中，希望的数字输出测量值的曲线相对于数字输入测量值的曲线的时间上的移位，可以仅通过选择信号转换装置的两个滤波器的传输函数来实现。

附图说明

下面，根据实施例来详细说明本发明。该实施例的具体构造应当理解为不以任何方式对于根据本发明的数字测量输入端、根据本发明的自动化设备和根据本发明的方法的共同的构造构成限制；相反，实施例的各个构造特征可以以任意方式彼此以及与前面描述的特征自由组合。

在附图中：

图1示出了具有连接到电气自动化设备的合并单元的能源自动化系统的示意性图示；

图2示出了具有信号转换装置的数字测量输入端的实施例的示意性图示；

图3示出了具有模拟信号、利用合并单元生成的数字输入测量值的序列以及利用自动化设备采集的局部数字测量值的序列的曲线的图；

图4示出了具有在图3中示出的图中的放大部分的图；

图5示出了用于说明基于数字输入测量值的插值中的处理方式的图；以及

图6示出了用于说明信号转换装置中的数据处理的具有不同的信号曲线的图。

具体实施方式

图1示出了具有自动化设备11和两个合并单元12a-b的能源自动化系统10的高度示意性的图示。自动化设备11例如可以是用于控制、监视和/或保护在图1中未示出的供电网的能源自动化系统。然而，下面描述的自动化设备11不必一定在能源自动化系统中使用，而是可以在需要处理在外部形成的数字测量值的任何地方用于系统和处理的自动化。

在供电网的测量位置13a-b处，借助合适的变换器采集给出例如在测量位置13a-b处占优势的电流和/或电压的模拟测量信号。具体地，例如，在测量位置13a和13b处采集模拟电流信号i₁、i₂、i₃和i₄以及模拟电压信号u₁和u₂，并且馈送至合并单元12a-b。下面，作为示例，根据合并单元12b描述信号处理，该描述对应地也适用于合并单元12a。合并单元12b将接收到的模拟测量信号、这里具体为信号i₃、i₄、u₂，通过利用模拟-数字转换器14进行采样而转换为数字输入测量值M_E。在此，模拟-数字转换器14可以使用例如4kHz的采样率来进行采样。采样率可以通过外部的时间同步信号、例如1PPS脉冲(1PPS＝每秒1个脉冲)来同步或者可以自由运行。合并单元12b利用数字输入测量值M_E形成数据报文T，并且在输出侧经由数据接口15将其输出至也称为处理总线的、用于传输处理相关测量值、事件数据和命令的数据通信总线16。在此，可以根据标准IEC 61850-9-2将包含数字输入测量值M_E的数据报文T构造为例如所谓的“采样的测量值”(SMV，Sampled Measured Values)，并且经由基于以太网的数据通信总线16进行传输。

将数据报文T馈送至自动化设备11。自动化设备11具有用来接收报文T并且从中提取包含在其中的数字输入测量值M_E的处理总线模块17a。处理总线模块17a具有至少一个物理处理总线接口、例如以太网接口18，用于接收数据报文T。在根据图1的实施例中，作为示例，处理总线模块17a仅具有两个处理总线接口18，处理总线接口的具体数量是任意的。在处理总线模块17a中，以稍后将更详细地描述的方式，使数字输入测量值的采样率和/或采样时刻匹配于预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻，以形成数字输出测量值M_A，并且在输出侧提供，以用于进一步的处理。

除了处理总线模块17a之外，自动化设备11还具有处理器模块17b和模拟输入模块17c。各个模块17a-17c经由内部通信总线19彼此连接，经由内部通信总线19交换内部数据，并且还执行各个模块17a-17c的时间同步，使得自动化设备11的所有模块17a-17c使用相同的系统时间。

模拟输入模块17c直接连接到布置在供电网的另一个测量位置13c处的测量变换器，并且从其接收例如模拟电流信号i₅和模拟电压信号u₃。将局部采集的这些模拟测量信号馈送至模拟输入模块17c的模拟-数字转换器，并且在那里转换为局部数字测量值M_lok。为此，例如使用16kHz的采样率，该采样率经由系统时间来控制，并且可以通过外部的时间同步信号(例如1PPS脉冲)与其它信号准确地比较来设置。

局部数字测量值M_lok与经由处理总线模块17a提供的数字输出测量值M_A一样，由处理器模块17b用于执行针对供电网的控制、监视和/或保护功能。如果自动化设备11例如是电气保护设备，则处理器模块17b尤其执行保护算法、例如距离保护算法或者微分保护算法，以便能够识别并且切断供电网中的故障。

为了执行这些功能，处理器模块17b需要可彼此比较的测量值，也就是说，必须使从处理总线模块17a接收到的数字输入测量值M_E在采样率和/或采样时刻方面，匹配于由局部地采集的模拟信号形成的局部数字测量值M_lok。在当前情况下，作为示例，不仅数字输入测量值M_E和局部数字测量值M_lok的采样率、而且采样时刻都彼此偏移，因为一方面，在合并单元12a-b中使用与在自动化设备11中不同的采样率(4kHz，而不是16kHz)，另一方面，各个测量值曲线的采样时刻彼此不同步。因此，必须在将经由处理总线模块17a接收到的数字输入测量值M_E转发至处理器模块17b之前，借助数字测量输入端20，使数字输入测量值M_E在采样率和采样时刻方面匹配于局部数字测量值M_lok，以形成数字输出测量值M_A。

在图1中，仅示例性地作为模块化地构建的设备示出了自动化设备11；然而，这种结构对于本发明不重要，从而也可以使用非模块化的自动化设备或者具有另一种模块划分的设备。此外，也不必一定存在模拟测量输入端，仅存在数字测量输入端20也似乎就足够了。此外，也可以存在与下面描述的数字测量输入端20对应地构建的多个数字测量输入端。此外，可以利用同一个数字测量输入端采集多个测量通道的数据报文，并且在内部例如通过合适的多路复用分配到各个测量通道上。在存在多个数字测量输入端的情况下，经由其采集的数字输入测量值可能具有不同的采样时刻和/或不同的采样频率。

下面，根据图2详细说明数字测量输入端20的工作方式。在此，图2以单独的图示，示出了数字测量输入端20的各个部件。其可以作为单独或者组合的硬件或者软件构成部件或者其组合来构造。

图2示出了数字测量输入端20，其例如可以是处理总线模块17a(参见图1)的构成部分。数字测量输入端20尤其具有用于接收包含数字输入测量值M_E的数据报文T的接收装置21和用于处理接收到的数字输入测量值M_E的信号转换装置26。接收装置21从数据报文T中提取数字输入测量值M_E，并且对合并单元12a-b的各个模拟测量信号分配数字输入测量值M_E。在此，对于每一个模拟测量信号，产生数字输入测量值M_E的单独的曲线。其可以通过合适的多路复用被馈送到进一步的处理。为了简单起见，作为示例，仅针对单个模拟测量信号的数字输入测量值M_E，说明下面描述的处理数字输入测量值M_E的方法。

除了数字输入测量值M_E本身之外，接收装置21还从数据报文T中，提取关于用来在合并单元12a-b中产生数字输入测量值M_E的采样率以及关于相应的数字输入测量值M_E的采样时刻Z的信息I。例如，关于所使用的采样率的信息I可能直接包含在一个、一些或者全部数据报文T中。替换地，如上面已经说明的那样，接收装置21还可以经由与数字输入测量值M_E相关联的时间戳或者计数值间接地获得该信息。关于采样时刻的信息Z例如可以从时间戳或者计数值中导出。

将关于数字输入测量值M_E的采样率和采样时刻的信息I和Z从接收装置21传送至数字测量输入端20的时间控制装置22。在仅能够间接地确定信息I和/或Z的情况下，替换地，接收装置21也可以将数字输入测量值M_E的时间戳或者计数值直接传送至时间控制装置22，时间控制装置22随后自己确定关于采样率I或相应的采样时刻的信息I和或Z。

此外，还向时间控制装置22馈送指示系统时间的自动化设备11的内部时间信号T_Sync。根据一方面关于数字测量值的采样时刻的信息和另一方面系统时间，在已知时间上的延迟的情况下，通过在合并单元12a-b中进行采样并且在合并单元12a-b和自动化设备11之间进行传输，一方面可以确定在系统时间和数字输入测量值M_E的采样时刻之间的时间上的偏移，另一方面可以建立在基于相应的合并单元12a-b的时间基础的数字输入测量值M_E与要在信号转换装置26中形成的、基于自动化设备11的系统时间的数字输出测量值M_A之间的关系。

将从数据报文T中提取的数字输入测量值M_E从接收装置21传送至在输入侧具有数字编码器滤波器23的信号转换装置26。编码器滤波器例如可以包括具有PD特性的传输函数。在数字编码器滤波器23中对数字输入测量值M_E进行滤波，以形成编码的数字输入测量值M_E*。在利用编码器滤波器23进行滤波之后，将编码的数字输入测量值M_E*馈送至插值器24，其利用信号模型基于编码的数字测量值M_E*执行插值，以形成数字辅助测量值M_H，在此，使编码的数字输入测量值M_E*的采样率和相应的采样时刻匹配于所需的采样率和所需的采样时刻。为此，插值器24一方面使用由时间控制装置22提供的关于数字测量值的采样率或采样时刻的信息，另一方面使用系统时间。例如，插值器24在由系统时间预先给定的采样时刻，以16kHz的采样率，根据编码的数字输入测量值M_E*通过插值计算数字辅助测量值M_H。将数字辅助测量值M_H从插值器24的输出侧转发至例如具有低通特性的解码器滤波器25。这里，解码器滤波器25尤其通过衰减不希望的高频分量，来执行带限制功能。解码器滤波器25在输出侧输出数字输出测量值M_A，其采样率和采样时刻匹配于处理器模块17b(参见图1)中的进一步处理所需的值。特别地，在信号转换装置26中的处理之后，数字输出测量值M_A的采样率和采样时刻对应于用于形成局部数字测量值M_lok的采样率和局部数字测量值M_lok的采样时刻。

有利的是，可以将编码器滤波器23和解码器滤波器25的传输函数彼此匹配，使得获得的总传输函数通过影响数字输入测量值M_E的相位特性曲线，来进行所形成的数字输出测量值M_A的时间上的延迟与局部数字测量值M_lok的匹配。这将在图3和4中详细说明。

为此，在图3中一方面以曲线图示出了供电网中的模拟测量信号30关于时间t的归一化(p.u.＝per unit(每单位))的曲线。另一方面，以曲线图示出了通过在自动化设备中对模拟测量信号30进行局部采样而产生的局部数字测量值M_lok的曲线31，以及通过在合并单元中对模拟测量信号30进行采样并且随后传输至自动化设备而产生的数字输入测量值M_E的曲线32。在曲线31和32中，分别由椭圆表示采样值。

与模拟测量信号31相比，曲线31和32在时间上移位；相应的时间上的移位由于进行采样时的处理时间以及可能由于传输时间而产生。一方面可以看到，局部数字测量值M_lok以比合并单元的数字输入测量值M_E明显更高的采样率产生(椭圆彼此之间靠得更紧密)。另一方面，还可以看到，通过在合并单元中采样并且随后传输数字输入测量值M_E，与局部数字测量值M_lok的曲线32相比，曲线32相对于模拟测量信号30具有明显更大的时间上的移位。

在图4中再一次突出了这一点。为此，在图4中以局部放大的方式突出了图3中的曲线图的t＝0s和t＝0.002s之间的区域。又可以看到模拟信号、局部数字测量值M_lok和数字输入测量值M_E的曲线30、31和32。此外，对于时刻t＝0.0024s，一方面绘出了直至产生对应的局部数字测量值M_lok的时间延迟t_D,lok，以及直至通过合并单元及将其传输至自动化设备而产生数字输入测量值M_E的时间延迟t_D,MU。

为了能够将两个曲线31和32彼此进行比较，必须一方面通过信号转换装置26(参见图2)使数字输入测量值M_E和局部数字测量值M_lok的采样率和采样时刻彼此匹配，另一方面使在自动化设备中提供相应的测量值时的时间上的延迟统一。为了保证整体上尽可能短的自动化设备的反应时间，为此选择局部数字测量值M_lok的曲线31作为参考信号。

为此，通过插值器，一方面对应地提高数字输入测量值M_E的采样率，另一方面将其采样时刻与局部数字测量值M_lok的采样时刻同步。通过编码器滤波器和解码器滤波器的协作，对应地影响数字输入测量值M_E的相位特性曲线，以抵消曲线31和32的两个时间延迟的差t_D,MU-t_D,lok。由此，使数字输入测量值M_E的曲线32基本上与局部数字测量值M_lok的曲线31重叠。

因此，总而言之，借助编码器滤波器，在没有先前的采样率转换的情况下，对从合并单元接收到的数字输入测量值M_E进行滤波。根据产生的编码的数字输入测量值M_E*，借助插值器在希望的新的采样时刻以希望的新的采样率由编码的数字测量值M_E*形成数字辅助测量值M_H。借助解码器滤波器将由数字辅助测量值M_H构成的新的采样值流转换为新的采样率的数字输出测量值M_A。

如果通过信号转换装置中的信号处理，不希望有时间上的移位，则编码器滤波器和解码器滤波器的传输函数的卷积在时域中形成值1。这在插值之前和之后的采样率相等，或者在插值之后使用更高的采样率时总是可以的。此外，通过针对编码器滤波器和解码器滤波器的求卷积的传输函数选择具有预先给定的与频率有关或者恒定的群时延(Gruppenlaufzeit)的总传输函数，可以调节与频率有关的时间上的移位，使得产生的数字输入测量值M_E的群时延准确地匹配于局部数字测量值M_lok的群时延。以这种方式，基本上可以进行从合并单元接收到的数字输入测量值M_E的传输特性与局部数字测量值M_lok的传输特性的匹配。如果来自合并单元的数字输入测量值M_E的群时延已经大于局部数字测量值M_lok的群时延，则也可以将输入测量值M_E的群时延设置为局部数字测量值M_lok的群时延的整数倍。然后，局部数字测量值的值流的、以与两个群时延之间的差相对应的采样值的数量的延迟，提供彼此同步的值流。

基于信号模型进行插值，从而在数字辅助测量值M_H的插值序列中仅产生原始采样频率的一半以上的插值误差，而这些插值误差被解码器滤波器抑制，使得在解码器滤波器的输出处提供的数字输出测量值M_A的序列中的插值误差，具有所需的信号分辨率以下的幅值。

关于滤波器的设计，例如可以进行如下考虑：

所描述的方法例如可以通过针对编码器滤波器和解码器滤波器使用数字IIR滤波器来实现。如果要两个滤波器整体上不对数字输入测量值的序列产生时间上的移位，则可以使用以下的频率范围内的总传输函数：

G(jω)＝G_Enc(jω)·G_Dec(jω)＝1。

这里：

G(jω)表示频率范围内的总传输函数，

G_Enc(jω)表示编码器滤波器的传输函数，

G_Dec(jω)表示解码器滤波器的传输函数，

ω表示角频率，以及

j表示虚数。

也就是说，在这种情况下，对于编码器滤波器和解码器滤波器的串联连接，力争实现不改变信号的总传输函数。当插值之前和之后的采样率相同，或者在插值之后使用更高的采样率时，这总是可能的。此外，通过对于编码器滤波器和解码器滤波器的卷积的传输函数，选择具有预定的、与频率有关或者恒定的群时延的总传输函数，可以将与频率有关的时间上的移位设置为，使产生的数字输入测量值的群时延准确地匹配于局部数字测量值的群时延。以这种方式，可以使从合并单元接收到的数字输入测量值的传输特性，匹配于局部数字测量值的传输特征。

在数字输出测量值的采样率低于原始采样率的情况下，必须对于具有对应地希望的抗混叠特性的两个滤波器的总传输函数选择低通特性。

例如，对于编码器滤波器，可以使用如下的传输函数

$G_{Enc}\left(j\mathrm{\ω}\right)={\left(\frac{1+{\mathrm{j\ωT}}_o}{1+{\mathrm{j\ωT}}_u}\right)}^n$

这里：

T_o表示滤波器的上时间常数，

T_u表示滤波器的下时间常数，以及

n表示滤波器阶数。

对于解码器滤波器，对应地可以选择如下传输函数：

$G_{Enc}\left(j\mathrm{\ω}\right)={\left(\frac{1+{\mathrm{j\ωT}}_u}{1+{\mathrm{j\ωT}}_o}\right)}^n$

借助于双线性变换(例如参见http://en.wikipedia.org/wiki/Bilinear transform)，能够根据上面给出的模拟传输函数设计借助如下形式的差分方程来实现这些滤波器的数字IIR滤波器：

$y_{\left(k\right)}=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{B}_i\·x_{(k-i)}-\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{A}_m\·y_{(k-m)}$

这里：

A和B表示滤波器系数，

k表示各个测量值的计数值，

x表示存在于滤波器的输入处的测量值，以及

y表示在滤波器的输出侧输出的测量值。

通过单独指定各个滤波器的系数A和B，能够整体上以希望的方式影响总传输函数。如果作为ASIC或者FPGA来构造数字测量输入端，则例如可以在所关注的模块的存储器寄存器中以可改变的方式指定滤波器系数。

对于滤波器，例如可以使用以下参数：

$n=1,T_o=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·2000},T_u=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·50}.$

对于插值器，例如可以使用二次函数形式的信号模型：

y_(k)＝a·x_(k) ²+b·x_(k)+c.

插值器系数a、b和c可以借助于根据存在于插值器的输入处的数据流的最后三个采样值的系数比较来形成。这在图5中示例性地示出，其示出了具有编码的数字输入测量值x_(k-2)、x_(k-1)和x_(k)的曲线以及具有插值的曲线51的图。系数a、b、c可以如下确定：

$c=x_{(k-2)},a=\frac{2\·x_{(k-1)}-x_{\left(k\right)}-c}{2\·t_a^2},b=\frac{x_{(k-1)}-a\·t_a^2-c}{t_a}.$

这里，将由采样率给出的两个数字测量值之间的时间上的距离称为t_a。这里，所计算的信号模型的系数的t＝0的参考点为x_(k-2)。现在，可以根据存在于插值器的输入处的编码的数字输入测量值M_E ^*，利用上面给出的形式的信号模型，计算在插值器的输出侧输出的希望的采样时刻的曲线的数字辅助测量值M_H。对于其，也可以选择不同的采样率，例如可以将采样率从4kHz提高至16kHz。

通过插值在存在于输出侧的辅助测量值M_H的曲线中产生在原始信号中不包含的附加的谱分量。随后，通过利用解码器滤波器进行滤波来抑制这些谱分量，使得能够忽略通过插值感生的谐波。

最后，图6示出了处理链的不同的位置处的测量信号的曲线。在图6中，附图标记61表示在由合并单元采样之前的模拟测量信号的曲线。在采样中产生由圆示出的数字输入测量值62，并且将其传输至自动化设备。在信号转换装置的编码器滤波器中，由存在于滤波器输入处的数字输入测量值62的曲线，产生编码的数字输入测量值63(在图6中由圆示出)的曲线，并且传送至插值器。插值器使编码的数字输入测量值63的曲线的采样率和/或采样时刻匹配于希望的参数，并且在输出侧产生数字辅助测量值的曲线64。最后，将其馈送至解码器滤波器，其在输出侧输出在采样率和采样时刻方面匹配的数字输出测量值的曲线65。如从图6中可以看到的，该曲线65如希望的那样与模拟测量信号61重叠。

根据本发明，优选借助VHDL或者原理图实现在FPGA或者ASIC中实现数字测量输入端，以防止通过固件实现而产生的可能的延迟。

利用所描述的自动化设备的数字测量输入端以及所描述的处理数字输入测量值的方法，一方面可以对于每个输入的数字输入测量值的曲线进行采样率和/或采样时刻的匹配。此外，如所说明的那样，还可以使数字输入测量值匹配于由自动化设备直接采样的局部数字测量值。此外，可以使多个数字输入测量值的曲线彼此匹配。在此，相应地使用的合并单元可以使用不同的采样率以及不同的采样时刻，从而在外部同步发生故障时，通过所描述的数字输出测量值的形成，也保持保证数字输入测量值的可使用。

在本发明的范围内还可以想到，对于相应的一个合并单元或者一组合并单元，使用多个外部的时间同步信号。这些时间同步信号也可以由合并单元自己生成。以这种方式，于是当用于同步合并单元的时间同步信号发生故障时，也仍然可以使由这些合并单元提供的输入测量值与局部数字测量值同步。

Claims (15)

1.一种用于电气自动化设备(11)的数字测量输入端(20)，具有

-接收装置(21)，其被配置用于接收通过以第一采样率对模拟测量信号进行采样而产生的数字输入测量值；以及

-信号转换装置(19)，其被构造用于根据数字输入测量值形成并且提供数字输出测量值，其中，数字输出测量值的采样率和/或相应的采样时刻与预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻匹配；

其特征在于，

-信号转换装置(19)在输入侧具有数字编码器滤波器(23)并且在输出侧具有数字解码器滤波器(25)，在其之间设置有插值器(24)，其中，

-编码器滤波器(23)、插值器(24)和解码器滤波器(25)彼此匹配，使得通过其使数字输入测量值的采样率和/或采样时刻匹配。

2.根据权利要求1所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-插值器(24)被配置用于使用信号模型产生插值的数字辅助测量值。

3.根据权利要求2所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-所述信号模型描述二次函数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-编码器滤波器(23)和解码器滤波器(25)具有单独的传输函数，其彼此匹配，使得其共同的传输函数产生数字输入测量值的序列的相位特性曲线的能调节的移位，以产生希望的数字输出测量值相对于数字输入测量值的时间上的移位。

5.根据前述权利要求中任一项所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-编码器滤波器(23)具有PD特性，并且解码器滤波器(25)具有低通特性。

6.根据前述权利要求中任一项所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-数字测量输入端(20)以具有硬件确定的编程的处理部件、特别是ASIC或者FPGA的形式构造。

7.根据权利要求6所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-所述处理部件具有存储器寄存器，在所述存储器寄存器中以能改变的方式存储编码器滤波器和/或解码器滤波器的滤波器系数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-接收装置(21)被构造用于以数据报文的形式接收数字输入测量值。

9.根据权利要求8所述的数字测量输入端(20)，

其特征在于，

-接收装置(21)被配置用于从包含数字输入测量值的数据报文中提取关于第一采样率的信息，并且将其传送至信号转换装置(19)。

10.一种电气自动化设备(11)，具有根据权利要求1至9中任一项所述的数字测量输入端(20)。

11.根据权利要求10所述的电气自动化设备(11)，

其特征在于，

-电气自动化设备(11)具有至少一个模拟信号输入端，其被配置用于采集局部的模拟测量信号并且形成局部的数字测量值；以及

-数字测量输入端(20)的信号转换装置(19)被构造用于使用局部的数字测量值的采样率和/或采样时刻，作为预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻，以在采样率和/或采样时刻方面匹配数字输入测量值。

12.根据权利要求10或11所述的电气自动化设备(11)，

其特征在于，

-自动化设备(11)具有与所述数字测量输入端(20)对应地构造的至少一个另外的数字测量输入端。

13.根据权利要求10或11所述的电气自动化设备(11)，

其特征在于，

-数字测量输入端(20)被构造用于接收并且处理多个数字输入测量值的曲线。

14.一种处理数字输入测量值的方法，所述数字输入测量值通过以第一采样率对模拟测量信号进行采样而获得，其中，在所述方法中，

-利用自动化设备(11)的数字测量输入端(20)的接收装置(21)接收数字输入测量值；以及

-利用数字测量输入端(20)的信号转换装置(19)由数字输入测量值形成并且提供数字输出测量值，其中，使数字输出测量值的采样率和/或相应的采样时刻匹配于预先给定的采样率和/或预先给定的采样时刻；

其特征在于，

-利用信号转换装置(19)的数字编码器滤波器(23)对数字输入测量值进行滤波，以形成编码的数字输入测量值，

-利用信号转换装置(19)的插值器(24)对编码的数字输入测量值进行插值，以形成数字辅助测量值；以及

-利用信号转换装置(19)的数字解码器滤波器(25)对数字辅助测量值进行滤波，以形成数字输出测量值；其中，

-编码器滤波器(23)、插值器(24)和解码器滤波器(25)彼此匹配，使得其产生数字输入测量值的在采样率和/或采样时刻方面的匹配。

15.根据权利要求14所述的方法，

其特征在于，

-由编码器滤波器(23)和解码器滤波器(25)的单独的传输函数的结合产生的共同的传输函数，产生数字输入测量值的序列的相位特性曲线的能调节的移位，以产生希望的数字输出测量值相对于数字输入测量值的时间上的移位。