改進型的數字保護和控制裝置的製作方法
2023-05-23 07:22:46
專利名稱：改進型的數字保護和控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於配電線路的改進型數字保護和控制(PC)裝置。
眾所周知，數字PC裝置用於完成各種不同的任務。數字PC裝置一個最重要的功能是監測配電線路的操作狀態。數字PC裝置的另一個相關的任務是根據監測的結果來控制配電線路中的主要設備(例如斷開裝置或者斷路器等)的操作。
背景技術：
傳統的數字PC裝置通常包括初級轉換器，該轉換器設置在配電線路中，並且通過模擬信號通道與控制單元相連。
初級轉換器輸出一個或多個模擬信號，該信號表示與配電線路有關的預定義的物理量(如電壓和電流)的值。首先，這些模擬信號被發送給次級轉換器，該轉換器設置在初級轉換器的下行，並且置於控制單元之外。次級轉換器通過預定的模擬通道為控制單元提供具有適於電子處理幅值的模擬信號。
控制單元通常包括一個主板，它包括一個模/數(A/D)轉換裝置，將來自次級轉換器的模擬信號轉換成數位訊號。主板還包括一個數位訊號處理器(DSP)，它與微控制器通信並且接收這些數位訊號。這樣，DSP能處理所得到的數據/信息，微處理器能生成數位訊號來調控數字PC裝置的操作。
傳統的數字PC裝置存在一些缺陷。
第一個缺陷體現在進入控制單元的信號通常是相對「低能」的，並且信噪比相對較低。因為這些模擬信號的傳輸必須經過一個相對較遠的距離，因此他們通常會受到電磁幹擾，例如，來自模擬信號通道之間或模擬信號通道與地之間的電容和/或電感耦合。此外，由於輸入模擬信號的「低能」，為了將所述的模擬通道與控制單元耦合，往往必須用高質量的並且昂貴的連接器。
另外，在傳統的數字PC裝置中，採用諸如Rogowski線圈、分壓器等非常規的傳感器作為初級轉換器是相當困難的。這些傳感器能夠提供模擬信號而無須減小幅值。因此，通常在使用非常規初級轉換器時，需要改變次級轉換器的設置，它往往需要徹底替換。顯然，這需要較高的安裝及操作成本。另外，在這種情況時，次級轉換器的每一次變換或修改都必須要重新校準A/D轉換裝置。由於校準A/D轉換電路會明顯的影響數字PC裝置的整體性能，因此這種操作相當耗費時間並且需要專業人員的參與。
總之，由於上述缺陷，可以說傳統的PC裝置在可靠性，靈活性方面以及安裝/操作成本方面都沒有達到一個令人滿意的效果。
發明內容
因此，本發明的主要目的在於提供一種數字PC裝置，能夠克服上述缺陷並且能夠在操作準確性，可靠性，靈活性以及安裝/操作成本方面皆能達到令人滿意的效果。
為此，本發明為配電線路提供了一種數字PC裝置，包括-設置在配電線路中的初級轉換器，用於輸出一個或多個第一模擬信號，該信號表示與配電線路有關的預定義的物理量的值；和-一個用於接收一個或多個第一模擬信號輸入的控制單元，包括一個微控制器，一個與所述微控制器通信的DSP和與所述DSP通信的A/D轉換裝置。
本發明的數字PC裝置，其特徵在於所述控制單元包括至少一個第一電路級，接收所述的一個或多個第一模擬信號的輸入並輸出一個或多個第一數位訊號。第一電路級包括預處理器，接收所述的一個或多個第一模擬信號的輸入並輸出一個或多個第二模擬信號。第一電路級還包括所述的A/D轉換裝置，接收所述的一個或多個第二模擬信號的輸入並輸出所述一個或多個第一數位訊號。此外所述控制單元包括一個第二電路級，它包括所述的微控制器和DSP。該第二電路級接收所述的一個或多個第一數位訊號的輸入並且執行對所述一個或多個第一數位訊號的處理。
本發明的數字PC裝置更多的特徵和優點將在下文中參照附圖更好的描述，其中圖1以框圖方式說明了本發明的數字PC裝置；
圖2以框圖方式說明了表示本發明的數字PC裝置的細節；實施例描述參照圖1，本發明的數字PC裝置1包括設置在配電線路3中的初級轉換器2。初級轉換器2用於輸出一個或多個第一模擬信號4，該信號表示與配電線路3有關的預定的物理量(例如，電流和/或電壓)的值。轉換器2可以包括，例如，常規電流或電壓傳感器(如，電流或電壓轉換器)，或者也可以選擇非常規電流或電壓傳感器(例如Rogoswski線圈或分壓器)。
數字PC裝置1還包括控制單元5，接收第一模擬信號4的輸入。控制單元5包括一個微控制器6，一個與微控制器6通信的DSP7，以及一個與DSP7通信的A/D轉換裝置8。控制單元5包括一個第一電路級10，接收第一模擬信號4的輸入並輸出一個或多個第一數位訊號11。另外，控制單元5包括一個第二電路級12，接收第一數位訊號11的輸入並對其進行處理。第一電路級10可以方便的在一個第一專用電路板(未示出)上實現，包括預處理器13，接收第一模擬信號4的輸入並輸出一個或多個第二模擬信號14。第一電路級10還包括A/D轉換裝置8，它接收第二模擬信號14的輸入並且輸出第一數位訊號11。第二電路級12可以方便地在一個與所述第一電路板分開放置的第二專用電路板(未示出)上實現，它包括微控制器6和DSP7。更可取的是，第一數位訊號11可通過一個中間電路級(未示出)來傳輸。該中間電路級與第一電路級10和第二電路級12通信。中間電路級接收第一數位訊號11的輸入並將它們傳送給第二電路級12。
中間電路級可以在中間電路板(未示出)上實現，例如背平面通信板。該背平面通信板適宜插在在所述的第一和第二電路板之間。尤為可取的是，預處理器可以包括一個適配電路16，用來接收第一模擬信號4的輸入並且輸出一個或多個第三模擬信號15，它們具有適於電子處理的幅值。此外，預處理器13還包括一個濾波電路17，接收第三模擬信號15的輸入並且輸出第二模擬信號14，就此準備進行A/D轉換。
更可取的是，適配電路16包括一個第一電路塊18，它包括一個次級轉換器(未示出)，可方便的接收由轉換器2中的常規傳感器傳送的模擬信號4的第一部分(未示出)。特別的是，次級轉換器的目的在於減少該部分模擬信號4的幅值。在適配電路16中，最好與第一電路塊18平行設置一個第二電路塊19，第二電路塊19的目的在於接收由轉換器2中的非常規傳感器傳送的模擬信號4的第二部分(未示出)，而且它最好包括一個放大電路(未示出)用來提高所接收的部分模擬信號4的質量。
濾波電路17最好包括一個或多個圖形保真濾波器，以輸出一個改善頻譜的第二模擬信號14。
我們可以看出第一電路級10配置的優點，第一模擬信號直接傳入到控制單元5中。模擬信號4在傳送到DSP之前在控制單元內被預處理並進行濾波。這樣，電磁幹擾的影響明顯減少了並且所傳輸的模擬信號的信噪比也明顯的提高。此外，也不必使用昂貴的和高質量的連接器。這一效果的實現歸因於相對″高能″的信號(即，到達控制單元5之前未被調節的第一模擬信號4)被傳送了相對較長的距離，而″低能量″模擬信號(即，第二或第三模擬信號14和15)在預處理器13內被傳送了非常短的距離。
此外，控制單元5由於採用了適配電路16，即能夠與常規的傳感器連接又能夠與非常規的傳感器連接，而無需設置上的改變。事實上，採用預處理器13可使控制單元5適於與各種不同的初級轉換器相連接。在安裝控制單元5的過程中，只要正確選擇輸入模擬通道即可。
現在參見圖2，關於A/D轉換裝置8的圖解說明的框圖。
A/D轉換裝置8包括一個或多個A/D轉換器20，它與一個數字組合電路21通信，組合電路21用於輸出第一數位訊號11。轉換器20可以包括如2-通道的A/D轉換器，最好是∑-Δ型(通常應用於數字音頻操作中)。轉換器20接收兩個第二模擬信號14和一個時鐘信號22的輸入，並且輸出一個數字數據信號23及兩個數字控制信號24。
時鐘信號22利於確定每個A/D轉換器20的採樣頻率，而且可直接由DSP提供。在本發明的一個優選實施例中，A/D轉換器20可被組建成多個雙A/D轉換器組25，最好按照主-從模式進行硬體配置。這樣，由數字組合電路21輸出的第一數位訊號11包含一個或多個數字數據信號26。每一個信號26很方便的與一個雙A/D轉換器組25相對應。此外，第一數位訊號11還至少包括一個數字控制信號27用來控制DSP7的數據採集操作。
第一電路級10的整體結構是尤其有利的，因為它使本發明的數字P裝置實現了高度的靈活性。
實際中，控制單元5的輸入模擬通道的數量可以根據實際需要而增加。由於模擬預處理是在第一電路級10單獨執行的，因此並行的設置多個第一電路板，每個電路板包括一個第一電路級10是可行的。這些並行的第一電路板可以與全數字第二電路板(即，只進行數字輸入和輸出的電路板)中的第二電路級12進行多路傳輸。另外，由於A/D轉換裝置8是模塊化結構，因此A/D轉換電路的速度和效率可以根據需要而變化。
應該注意到，對外來電磁幹擾的抑制也得到進一步改善。事實上，在第一和第二電路板之間只有數位訊號被傳輸，因而很少受到電磁幹擾。
再次參見圖1，在本發明的一個優選實施例中，DSP7最好包括一個數字接口電路30，它最好包括多個所謂ESSI(增強型連續同步接口)埠，接受第一數位訊號11的輸入並且輸出一個或多個第二數位訊號(未示出)，該第二數位訊號的信息內容最終由DSP和微控制器處理。使用數字接口30增強了對DSP的數位訊號的傳輸。
在本發明一個另外優選的實施例中，第二電路級12可以有一個非易失性存儲器31(如一個EEPROM存儲器)用來存儲預定義的校準數據/信息(未示出)，例如校準參數和/或者板出廠信息。DSP7和/或微控制器6可以直接訪問和處理這些校準數據/信息，以便調整A/D轉換裝置8。該技術方案是非常有利的，因為它可以在廠家檢測中(例如在不同的頻率下和不同的溫度下)執行一個板校準程序，並且在這個校準程序中將校準數據/信息永久的保存在存儲器31中。
在PC裝置1啟動時，DSP7和/或微控制器6可自動的獲得校準數據/信息，並且能夠相應的校準/調整A/D轉換器8。這樣就可不必執行校準過程了。
本發明的數字PC裝置1在實施中已經達到預期的目的和目標。
本發明的數字PC裝置1已經證實了確保具有改進的數字PC裝置的性能，尤其表現在操作準確性和安全性的方面。
此外，本發明的數字PC裝置1已經展示了它在應用中的高可靠性和高靈活性，能夠極大地降低安裝和操作成本。
最後，實踐證明本發明的數字PC裝置是易於實現的並且在成本上是具有競爭力的。
權利要求
1.一種用於配電線路的數字PC裝置，包括-設置在配電線路中的初級轉換器，用於輸出一個或多個第一模擬信號，該信號表示與所述配電線路相關的預定的物理量的值；和-一個控制單元，用於接收一個或多個第一模擬信號的輸入並且包括一個微控制器，一個DSP與所述微控制器通信，而A/D轉換裝置與所述DSP通信；其特徵在於所述控制單元包括-至少一個第一電路級，用來接收所述的一個或多個第一模擬信號的輸入並且輸出一個或多個第一數位訊號，所述第一電路級包括預處理器，用來接收所述一個或多個第一模擬信號並且輸出一個或多個第二模擬信號，所述A/D轉換裝置用來接收所述一個或多個第二模擬信號並且輸出所述一個或多個第一數位訊號；和-一個第二電路級，用來接收所述一個或多個第一數位訊號的輸入並且處理所述一個或多個第一數位訊號，所述第二電路級包括所述的微控制器和所述DSP。
2.如權利要求1所述的數字PC裝置，其特徵在於所述控制單元包括一個中間電路級，與所述第一電路級和所述第二電路級通信。所述中間電路級接收所述一個或多個第一數位訊號的輸入並將所述一個或多個第一數位訊號傳送給所述第二電路級。
3.如前述一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述預處理裝置包括-一個適配電路，用來接收所述一個或多個第一模擬信號的輸入並且輸出一個或多個適於電子處理的第三模擬信號；和-一個濾波電路，接收所述一個或多個第三模擬信號的輸入並且輸出一個或多個第二模擬信號。
4.如權利要求3所述的數字PC裝置，其特徵在於所述的適配電路包括-一個第一電路塊，用來接收和處理由常規傳感器傳送的所述第一模擬信號的第一部分；和-一個第二電路塊，用來接收和處理由非常規傳感器傳送的所述第一模擬信號的第二部分。
5.如前述一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述A/D轉換裝置包括一個或多個A/D轉換器用來與數字組合電路通信，數字組合電路用來輸出所述一個或多個第一數位訊號。
6.如權利要求5所述的數字PC裝置，其特徵在於一個或多個所述的A/D轉換器接收兩個所述第二模擬信號和時鐘信號的輸入，並且輸出一個數字數據信號及兩個數字控制信號。
7.如權利要求6所述的數字PC裝置，其特徵在於所述時鐘信號是由所述DSP提供的。
8.如權利要求5-7所述的數字PC裝置，其特徵在於所述A/D轉換裝置包括一個或多個雙A/D轉換器組，每個雙A/D轉換器組都按照主-從模式配置。
9.如權利要求5-8所述的數字PC裝置，其特徵在於由所述數字組合電路輸出的第一數位訊號包括-一個或多個數字數據信號，每個所述數字數據信號對應一個雙A/D轉換器組；和-至少一個數字控制信號，用來控制所述DSP的數據採集操作。
10.如權利要求5-9中的一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述A/D轉換器是2-通道∑-Δ型A/D轉換器。
11.如前述的一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述DSP包括一個數字接口電路，用來接收所述一個或多個第一數位訊號的輸入並且輸出一個或多個第二數位訊號。
12.如前述的一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述第二電路級包括非易失性存儲器用來存儲校準數據/信息。
13.如權利要求12所述的數字PC裝置，其特徵在於所述DSP和/或所述微控制器能夠訪問和處理用來調整所述A/D轉換器的所述校準數據/信息。
14.如前述的一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述電路級是在一個第一電路板上實現，第二電路級是在一個與所述第一電路板分開放置的第二電路板上實現的。
15.如前述的一個或多個權利要求所述的數字PC裝置，其特徵在於所述中間電路級是在一個中間通信板上實現的，它連接於所述第一電路板和所述第二電路板之間。
全文摘要
一種用於配電線路的數字P&C裝置，包括設置在配電線路中的初級轉換器，它為控制單元提供模擬信號，控制單元包括一個微控制器，一個與所述的微控制器通信的DSP，和與所述DSP通信的A/D轉換裝置。本發明的數字PC裝置其特徵在於所述控制單元包括至少一個第一電路級，用來接收所述模擬信號的輸入並輸出一個或多個數位訊號。此外所述控制單元還包括一個第二電路級，它包括微控制器和DSP。該第二電路級接收數位訊號的輸入並且對所述數位訊號的進行處理。
文檔編號H02H1/00GK1461510SQ00820046
公開日2003年12月10日 申請日期2000年11月30日 優先權日2000年11月30日
發明者F·加特利, L·迪麥奧 申請人:Abb T&D技術有限公司