ES2332065T3 - Modulo de muestreo y procedimiento para muestrear una o mas caracteristicas analogicas de un sistema de transmision de potencia. - Google Patents
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Abstract
Módulo (30) de muestreo para muestrear una o más características analógicas de un sistema de transmisión de potencia, comprendiendo el módulo de muestreo al menos un circuito de entrada para muestrear una respectiva característica analógica, incluyendo el circuito de entrada: un circuito (34) de escalado para reducir la magnitud de la característica analógica hasta un nivel deseado; un circuito (40) de aislamiento para crear una barrera eléctrica entre respectivas partes aguas arriba y aguas abajo del circuito de entrada; un convertidor (22) de analógico a digital para digitalizar la característica analógica para generar un flujo de datos digitales en serie de 1 bit, estando conectado eléctricamente el circuito (34) de escalado a una entrada del convertidor (22) de analógico a digital y estando conectado eléctricamente el circuito (40) de aislamiento directamente a una salida del mismo, caracterizado porque: el módulo de muestreo comprende además un módulo (44) de procesamiento de señales en serie con el circuito (40) de aislamiento y que comprende un filtro (46) digital para el filtrado digital del flujo de datos digitales en serie de 1 bit y un módulo (48) de remuestreo para volver a muestrear el flujo de datos filtrados transmitido desde el filtro digital, y porque el módulo de muestreo comprende además un módulo (24) de procesamiento adicional en serie con el módulo (44) de procesamiento de señales digitales, generando el módulo (44) de procesamiento de señales digitales paquetes de muestras a una velocidad de muestra requerida por el módulo (24) de procesamiento adicional, configurando el módulo (24) de procesamiento adicional los parámetros del filtro digital y el periodo del módulo de remuestreo para adaptarlos a un algoritmo particular.
Description
Módulo de muestreo y procedimiento para
muestrear una o más características analógicas de un sistema de
transmisión de potencia.
Esta invención se refiere en particular, pero no
exclusivamente, a un módulo de muestreo y a un procedimiento para
muestrear una o más características analógicas de un sistema de
transmisión de potencia.
Un dispositivo electrónico inteligente (IED,
intelligent electronic device) utiliza muestras de las
características analógicas de tensión y de corriente de un sistema
de transmisión de potencia para ayudar a proteger y controlar el
sistema.
Una disposición convencional para muestrear
tales características analógicas es el denominado "sistema de
muliplexación", mostrado de manera esquemática en la figura
1.
Un sistema 10 de muliplexación típico incluye
una pluralidad de entradas 12, cada una para muestrear una
respectiva característica analógica.
Cada entrada 12 incluye un transformador 14 de
aislamiento y un filtro antisolapamiento 16 conectado eléctricamente
en serie con el mismo.
Una salida de cada filtro antisolapamiento 16
está conectada a un multiplexor 18 analógico que, a su vez, está
conectado en serie con un filtro 20 de retención.
El filtro 20 de retención está conectado en
serie con un convertidor 22 de analógico a digital (ADC, analogue
to digital converter).
Durante su utilización, cada transformador 14 de
aislamiento disminuye, es decir, reduce, la magnitud de la
característica analógica muestreada hasta un nivel adecuado para una
conversión de analógico a digital mediante el ADC. Además, cada
transformador 14 de aislamiento aísla la parte restante del sistema
10 de muliplexación.
El aislamiento es necesario ya que cada entrada
12 está conectada a través de un transformador de reducción (no
mostrado) al sistema de transmisión de potencia que funciona a una
tensión superior.
El transformador de aislamiento proporciona
protección contra tensiones inducidas en el cableado y diferencias
en el potencial de tierra que puedan existir entre la ubicación del
transformador de reducción y la ubicación del IED. El aislamiento
proporcionado también protege a un operador humano y a los demás
componentes del sistema contra las altas tensiones en las entradas
12.
La característica analógica se introduce desde
cada transformador 14 de aislamiento a través de un filtro
antisolapamiento 16 correspondiente para eliminar ruido y armónicos
de alta frecuencia.
El multiplexor analógico 18 introduce después
secuencialmente cada característica analógica filtrada en el filtro
20 de retención, el cual estabiliza la respectiva característica
analógica. Esto permite que el ADC 22 digitalice cada
característica antes de transmitir un flujo de datos digitales a un
módulo de procesamiento.
Existen varias desventajas asociadas con el
sistema 10 de muliplexación mencionado anteriormente.
Cada uno de los transformadores 14 de
aislamiento necesita tener grandes dimensiones con el fin de
reproducir de manera precisa la característica analógica. En
consecuencia, el sistema 10 es grande y pesado.
Además, cada uno de los transformadores 14 de
aislamiento presenta un intervalo de funcionamiento lineal limitado.
Esto da como resultado errores de no linealidad que normalmente son
más graves cuando se necesita la mayor precisión.
Además, cada transformador 14 de aislamiento
tiende a dispersar el flujo. Por consiguiente, un empaquetado
compacto de los transformadores 14 de aislamiento genera diafonías
entre transformadores 14 adyacentes.
Por otro lado se conoce, a partir de la técnica
anterior, la solicitud de patente británica GB 2 321 713 que
desvela un circuito electrónico para procesar información de una
línea de transmisión de alta tensión y la solicitud de patente
japonesa 55 110 428 que desvela una unidad altamente precisa que
lleva a cabo el aislamiento y la separación de una señal de entrada
después de una conversión A/D sin aumentar la precisión de un
circuito de aislamien-
to.
to.
Un objetivo general de la invención es
proporcionar un módulo de muestreo que sea más compacto y más
preciso que los sistemas de muestreo de muliplexación
convencionales.
\newpage
Según un primer aspecto de la invención se
proporciona un módulo de muestreo, para muestrear una o más
características analógicas de un sistema de transmisión de
potencia, que comprende al menos un circuito de entrada para
muestrear una respectiva característica analógica, incluyendo el o
cada circuito de entrada:
un circuito de escalado para reducir la magnitud
de la característica analógica hasta un nivel deseado;
un circuito de aislamiento para crear una
barrera eléctrica entre respectivas partes aguas arriba y aguas
abajo del circuito de entrada; y
un convertidor de analógico a digital para
digitalizar la característica analógica para generar un flujo de
datos digitales,
estando conectados eléctricamente en serie el
circuito de escalado, el circuito de aislamiento y el convertidor
de analógico a digital.
La inclusión de circuitos de escalado y de
aislamiento distintos permite la optimización de las funciones de
escalado y de aislamiento, eliminando al mismo tiempo la necesidad
de transformadores de aislamiento convencionales.
Esto da como resultado un módulo de muestreo más
compacto y ligero que un sistema de muliplexación convencional. La
invención también puede proporcionar un muestreo más preciso ya que
permite la reducción de diafonías y errores de no linealidad.
Además, la inclusión de un convertidor de
analógico a digital (ADC) en cada circuito de entrada permite el
muestreo concurrente de una pluralidad de características
analógicas, eliminando de ese modo el cuello de botella asociado
con el multiplexor analógico 18 de los sistemas 10 de muliplexación
convencionales.
Además, el muestreo concurrente elimina la
distorsión introducida en los sistemas 10 de muliplexación
convencionales cuando las muestras sólo pueden tomarse de manera
consecutiva.
El muestreo concurrente también hace posible
configurar diferentes velocidades de muestra para las respectivas
características analógicas según el grado de resolución
requerido.
Preferentemente, el circuito de escalado está
conectado eléctricamente a una entrada del convertidor de analógico
a digital y el circuito de aislamiento está conectado eléctricamente
a una salida del mismo.
De esta manera, el aislamiento del flujo de
datos digitales reduce la posibilidad de cualquier ruido externo
que corrompa al flujo de datos.
Además, el aislamiento del flujo de datos
digitales también significa que no es necesario reproducir fielmente
los datos digitales cuando se transfieren a través de la barrera
eléctrica. Esto se debe a que sólo es necesario que la parte aguas
abajo de la barrera eléctrica pueda distinguir un 0 o un 1 en lugar
de, por ejemplo, una forma de onda analógica completa.
Convenientemente, el circuito de escalado es o
incluye una red de resistencias. Esto da como resultado que el
circuito de escalado presente una respuesta lineal en un intervalo
de medición deseado, ayudando de ese modo a minimizar los errores
de no linealidad.
Opcionalmente, la red de resistencias define un
divisor de tensión.
Como alternativa, la red de resistencias define
una derivación.
Las disposiciones anteriores permiten el
muestreo de características analógicas de tensión y de corriente,
respectivamente.
En una realización preferida de la invención, el
convertidor de analógico a digital es o incluye un modulador
sigma-delta. La inclusión de un modulador
sigma-delta permite la transferencia de una palabra
de un único bit, es decir un 0 o un 1, a través de la barrera
eléctrica del circuito de aislamiento a una alta frecuencia.
Esto da como resultado que la característica
analógica digitalizada presente una mejor resolución en comparación
con la generada por un ACD de 16 bits convencional.
Preferentemente, el circuito de aislamiento es o
incluye un transformador de pulso único. Un transformador de este
tipo presenta características de transferencia particularmente
deseables, proporcionando al mismo tiempo un grado deseado de
aislamiento eléctrico aguas abajo del mismo.
Opcionalmente, el módulo de muestreo incluye
además una interfaz de datos conectada eléctricamente al o a cada
circuito de entrada para permitir la transmisión de un flujo de
datos digitales respectivo a un módulo de procesamiento.
Convenientemente, la parte aguas abajo del o de
cada circuito de entrada incluye un módulo de procesamiento de
señales digitales.
En otra realización preferida de la invención,
el módulo de procesamiento de señales digitales incluye un filtro
digital.
En una realización preferida adicional de la
invención, el módulo de procesamiento de señales digitales incluye
un módulo de remuestreo.
En aún otra realización preferida adicional de
la invención, el módulo de muestreo incluye además una interfaz de
control conectada eléctricamente al o a cada circuito de entrada
para permitir la configuración del módulo de procesamiento de
señales digitales y del ADC mediante un módulo de control.
Las características anteriores permiten procesar
la característica analógica digitalizada en un grado deseado antes
de transmitirse a un módulo de procesamiento.
Según un segundo aspecto de la invención, se
proporciona un procedimiento para muestrear una o más
características analógicas de un sistema de transmisión de
potencia, que comprende las etapas de proporcionar al menos un
circuito de entrada para muestrear una respectiva característica
analógica, y de conectar eléctricamente en serie en el o en cada
circuito de entrada:
un circuito de escalado para reducir la magnitud
de la característica analógica hasta un nivel deseado;
un circuito de aislamiento para crear una
barrera eléctrica entre respectivas partes aguas arriba y aguas
abajo del circuito de entrada; y
un convertidor de analógico a digital para
digitalizar la característica analógica para generar un flujo de
datos digitales.
El procedimiento de la invención comparte las
ventajas asociadas con el módulo de muestreo mencionado
anteriormente según la invención.
A continuación se proporciona una breve
descripción de una realización preferida de la invención, a modo de
ejemplo no limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos,
en los que:
la figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de muestreo de muliplexación conocido;
la figura 2 es una representación esquemática de
un módulo de muestreo según una primera realización de la
invención;
la figura 3 es una representación esquemática
más detallada del módulo de muestreo mostrado en la figura 2; y
la figura 4 es una representación esquemática de
un circuito de aislamiento preferido según la invención.
Un módulo de muestreo según una primera
realización de la invención está designado de manera genérica
mediante el número de referencia 30.
El módulo 30 de muestreo incluye una pluralidad
de circuitos 32 de entrada, sirviendo cada circuito 32 de entrada
para muestrear una característica analógica particular de un sistema
de transmisión de potencia (no mostrado) al cual está conectado
eléctricamente el módulo 30 de muestreo.
En la realización mostrada, cada circuito 32 de
entrada incluye un circuito 34 de escalado en un extremo 36 de
entrada aguas arriba del mismo. El circuito 34 de escalado está
conectado eléctricamente en serie a una entrada de un convertidor
22 de analógico a digital (ADC). Se muestra un ADC 22 preferido, en
forma de un modulador 38 sigma-delta.
Una salida del modulador 38
sigma-delta está conectado eléctricamente en serie a
un circuito 40 de aislamiento.
En otras realizaciones de la invención también
son posibles diferentes disposiciones en serie del circuito 34 de
escalado, del ADC 22 y del circuito 40 de aislamiento.
En cada circuito 32 de entrada, el circuito 34
de escalado es una red de resistencias (no mostrada). La red de
resistencias puede presentar la forma de un divisor de tensión o de
una derivación para muestrear características analógicas de tensión
y de corriente, respectivamente.
Cada circuito 40 de aislamiento incluye un
transformador 42 de pulso único, tal y como se muestra de manera
esquemática en la figura 4.
Una parte de cada circuito 32 de entrada aguas
abajo del circuito 40 de aislamiento incluye un módulo 44 de
procesamiento de señales digitales, incluyendo cada uno de los
cuales un filtro 46 digital y un módulo 48 de remuestreo.
La salida de cada módulo 44 de procesamiento de
señales digitales está conectada eléctricamente a una interfaz de
datos que, a su vez, puede conectarse a un módulo 24 de
procesamiento.
El módulo 30 de muestreo también incluye una
interfaz 52 de control que está conectada eléctricamente a cada
circuito 32 de entrada. La interfaz 52 de control está configurada
para poder conectarse a un módulo de control (no mostrado), que
permite la configuración del módulo 44 de procesamiento de señales
digitales y del ADC 22.
Además, la realización del módulo 30 de muestreo
mostrado incluye además un reloj 54 maestro (figura 3).
Durante su utilización, cada circuito 34 de
escalado escala una respectiva característica analógica muestreada
hasta un nivel adecuado para una conversión de analógico a digital
mediante el modulador 38 sigma-delta
correspondiente. Es posible determinar el intervalo de medición de
cada circuito 34 de escalado seleccionando los valores de las
resistencias de los mismos.
Además, es posible mejorar la precisión de cada
característica analógica muestreada calibrando cada circuito 34 de
escalado. La calibración puede corregir cualquier error de desfase o
de ganancia lineal introducido por un circuito 34 de escalado dado.
La calibración también puede corregir cualquier inversión de la
característica analógica muestreada provocada por un ensamblado
incorrecto del circuito 34 de escalado.
Cada modulador 38 sigma-delta
transmite un flujo de datos digitales en serie de 1 bit,
correspondiente a una característica analógica muestreada dada. Una
señal de reloj controla la velocidad de muestreo de cada modulador
38 sigma-delta.
Respectivos transformadores 42 de pulso único
transfieren el flujo de datos digitales en una primera dirección
desde el modulador 38 sigma-delta hasta un
procesador 44 de señales digitales, creando al mismo tiempo una
barrera eléctrica entre estos componentes respectivos. Cada
procesador 44 de señales digitales puede estar configurado para
recibir uno o más flujos de datos digitales.
Cada transformador 42 de pulso único también
transfiere potencia para activar el modulador 38
sigma-delta correspondiente, y la señal de reloj
mencionada anteriormente, en una segunda dirección opuesta.
Cada transformador 42 de pulso único implementa
una topología de convertidor directo con una frecuencia de
funcionamiento igual a la de la señal de reloj, permitiendo de ese
modo que el modulador 38 sigma-delta correspondiente
obtenga la señal de reloj directamente de la potencia
transferida.
La transferencia del flujo de datos de señales
binarias se consigue modificando la amplitud de la tensión
utilizada para reajustar el flujo del transformador, sobre una base
de ciclo a ciclo, desde el lado secundario del convertidor directo.
La supervisión de la forma de onda primaria del convertidor
determina si se ha utilizado una tensión alta para reajustar
rápidamente el flujo o si se ha utilizado una tensión baja para
reajustar el flujo más lentamente.
El filtro digital 46 de cada módulo 44 de
procesamiento de señales digitales filtra un flujo de datos
digitales respectivo para, por ejemplo, eliminar cualquier ruido
extraño.
El módulo 48 de remuestreo de cada módulo 44 de
procesamiento de señales digitales puede generar un flujo de datos
digitales que presente una velocidad de muestreo deseada.
La configuración del módulo 44 de procesamiento
de señales digitales y de la velocidad de muestreo de cada
modulador 38 sigma-delta se lleva a cabo a través de
la interfaz 52 de control, permitiendo de ese modo diferentes
velocidades de muestra y características de filtrado en cada
circuito 32 de entrada según los requisitos de un módulo 24 de
procesamiento acoplado, conectado a través de la interfaz 50 de
datos.
Cada circuito 32 de entrada transmite su flujo
de datos digitales, correspondiente a una característica analógica
muestreada dada, al módulo 24 de procesamiento a través de la
interfaz 50 de datos. El reloj 54 maestro marca el sincronismo de
cada flujo de datos digitales para garantizar que los datos de un
flujo particular estén correctamente sincronizados después de su
transmisión al dispositivo externo.
Por consiguiente, cada circuito 32 de entrada
aporta un valor de muestra filtrado de manera independiente a un
flujo de datos digital dado.
Cada bloque de flujo de datos (44 en la figura
3) acepta los flujos de bit aislados de cada circuito de entrada
(32 en la figura 3), los filtra para eliminar componentes de
frecuencia no deseadas y después los vuelve a muestrear para
generar paquetes de muestras a la velocidad de muestra requerida por
el módulo de procesamiento (24 en la figura 2). Los parámetros del
filtro digital (46 en la figura 3) y el periodo de la lógica de
remuestreo (48 en la figura 3) pueden configurarse mediante el
módulo (24) de procesamiento, sobre la marcha si fuera necesario,
para adaptarse al algoritmo de protección particular. Puesto que la
invención contiene múltiples bloques (44) de flujo de datos
concurrentes, es posible proporcionar diferentes algoritmos de
protección que se ejecuten de manera simultánea en el IED y que
requieran datos de muestra a diferentes velocidades y con
diferentes niveles de filtrado.
Claims (10)
1. Módulo (30) de muestreo para muestrear una o
más características analógicas de un sistema de transmisión de
potencia, comprendiendo el módulo de muestreo al menos un circuito
de entrada para muestrear una respectiva característica analógica,
incluyendo el circuito de entrada:
un circuito (34) de escalado para reducir la
magnitud de la característica analógica hasta un nivel deseado;
un circuito (40) de aislamiento para crear una
barrera eléctrica entre respectivas partes aguas arriba y aguas
abajo del circuito de entrada;
un convertidor (22) de analógico a digital para
digitalizar la característica analógica para generar un flujo de
datos digitales en serie de 1 bit,
estando conectado eléctricamente el circuito
(34) de escalado a una entrada del convertidor (22) de analógico a
digital y estando conectado eléctricamente el circuito (40) de
aislamiento directamente a una salida del mismo,
caracterizado porque:
el módulo de muestreo comprende además un módulo
(44) de procesamiento de señales en serie con el circuito (40) de
aislamiento y que comprende un filtro (46) digital para el filtrado
digital del flujo de datos digitales en serie de 1 bit y un módulo
(48) de remuestreo para volver a muestrear el flujo de datos
filtrados transmitido desde el filtro digital, y porque el módulo
de muestreo comprende además un módulo (24) de procesamiento
adicional en serie con el módulo (44) de procesamiento de señales
digitales, generando el módulo (44) de procesamiento de señales
digitales paquetes de muestras a una velocidad de muestra requerida
por el módulo (24) de procesamiento adicional, configurando el
módulo (24) de procesamiento adicional los parámetros del filtro
digital y el periodo del módulo de remuestreo para adaptarlos a un
algoritmo particular.
2. Módulo de muestreo según la reivindicación 1,
en el que el módulo (30) de muestreo comprende una pluralidad de
circuitos de entrada en paralelo y una pluralidad de módulos de
procesamiento de señales digitales en paralelo, estando conectada
una salida de cada circuito de entrada a una entrada de cada módulo
(44) de procesamiento de señales digitales, siendo configurados los
parámetros de filtrado digital de los filtros (46) digitales de los
módulos de procesamiento de señales digitales y el periodo de
remuestreo de los módulos (48) de remuestreo por el módulo (24) de
procesamiento adicional, para adaptarlos a diferentes algoritmos de
protección que se ejecutan simultáneamente en el módulo (24) de
procesamiento adicional y que requieren datos a diferentes
velocidades y con diferentes niveles de filtrado.
3. Módulo de muestreo según la reivindicación 1
ó 2, en el que el circuito de escalado es o incluye una red de
resistencias.
4. Módulo de muestreo según la reivindicación 3,
en el que la red de resistencias define un divisor (34) de
tensión.
5. Módulo de muestreo según la reivindicación 3,
en el que la red de resistencias define una derivación.
6. Módulo de muestreo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 5, en el que el convertidor de
analógico a digital es o incluye un modulador (38)
sigma-delta.
7. Módulo de muestreo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el convertidor (22) de
analógico a digital se controla con una señal de reloj y el circuito
(40) de aislamiento es o incluye un transformador (42) de pulso
único que transfiere a) el flujo de datos digitales de 1 bit en una
primera dirección desde el convertidor de analógico a digital hasta
el módulo (44) de procesamiento de señales digitales y b) potencia
para activar el convertidor de analógico a digital correspondiente y
la señal de reloj en una segunda dirección opuesta, implementando
el transformador (42) de pulso único una topología de convertidor
directo con una frecuencia de funcionamiento igual a la de la señal
de reloj, permitiendo de ese modo que el convertidor de analógico a
digital correspondiente obtenga la señal de reloj directamente de la
potencia transferida.
8. Un procedimiento para muestrear una o más
características analógicas de un sistema de transmisión de potencia
que comprende al menos un circuito de entrada, comprendiendo dicho
procedimiento de muestreo al menos una etapa de entrada que
comprende:
- -
- reducir la magnitud de la característica analógica hasta un nivel deseado;
- -
- crear una barrera eléctrica entre respectivas partes aguas arriba y aguas abajo del circuito de entrada;
- -
- digitalizar la característica analógica para generar un flujo de datos digitales de 1 bit,
\newpage
caracterizado porque:
dicho procedimiento de muestreo comprende además
una etapa (44) de procesamiento de señales digitales después de
dicha etapa de entrada y que comprende una etapa de filtrado (46)
digital del flujo de datos digitales de 1 bit seguida de una etapa
de remuestreo (48) del flujo de datos filtrados transmitido desde la
etapa de filtrado digital, y porque el procedimiento de
procesamiento comprende además una etapa (24) de procesamiento
adicional, generando la etapa de procesamiento de señales digitales
paquetes de muestras a una velocidad de muestra requerida por la
etapa (24) de procesamiento adicional, configurando la etapa de
procesamiento adicional los parámetros de filtrado digital y el
periodo del remuestreo para adaptarlos a un algoritmo
particular.
9. Procedimiento de muestreo según la
reivindicación 8, que comprende además una pluralidad de etapas de
entrada en paralelo y una pluralidad de etapas de procesamiento de
señales digitales en paralelo, procesando cada etapa de
procesamiento de señales digitales datos transmitidos por cada etapa
de entrada, configurando la etapa (24) de procesamiento adicional
los parámetros de filtrado digital y el periodo de remuestreo de
dichas etapas (44) de procesamiento de señales digitales en
paralelo para adaptarlos a diferentes algoritmos de protección que
se ejecutan simultáneamente en la etapa (24) de procesamiento
adicional y que requieren datos a diferentes velocidades y con
diferentes niveles de filtrado.
10. Procedimiento de muestreo según las
reivindicaciones 8 y 9, en el que la digitalización se controla con
una señal de reloj y la etapa de crear una barrera eléctrica
transfiere a) el flujo de datos digitales de 1 bit en una primera
dirección desde un convertidor de analógico a digital que implementa
la digitalización hasta un módulo de procesamiento de señales
digitales que implementa la etapa de procesamiento de señales
digitales y b) potencia para activar el convertidor de analógico a
digital correspondiente y la señal de reloj en una segunda
dirección opuesta, implementando un transformador (42) de pulso
único una topología de convertidor directo con una frecuencia de
funcionamiento igual a la de la señal de reloj, permitiendo de ese
modo que el convertidor de analógico a digital correspondiente
obtenga la señal de reloj directamente de la potencia
transferida.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| GB0521411 | 2005-10-21 | ||
| GB0521411A GB2431475A (en) | 2005-10-21 | 2005-10-21 | Power transmission system sampling module |
Publications (1)
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