採樣模塊及採樣電力傳輸系統的一個或多個模擬特性的方法

2023-04-23 16:16:56 1

專利名稱：採樣模塊及採樣電力傳輸系統的一個或多個模擬特性的方法
採樣模塊及採樣電力傳輸系統的 一個或多個才莫擬特性的方法
技術領域：
本發明特別地、但不專門地涉及， 一種採樣才莫塊以及一種採樣 電力傳輸系統的 一個或多個模擬特性的方法。
智能電子裝置(IED)使用電力傳輸系統的模擬電壓和電流特 性的樣本來幫助保護並控制該系統。
用於採樣這種模擬特性的傳統配置是如

圖1中示意性地示出的 一種所謂的"多路復用(multiplex)系統"。
典型的多3各復用系統10包4舌多個l命入端12,每個ilr入端用於 採樣各個模擬特性。
每個輸入端12包括隔離變壓器14以及與其串聯地電連接的抗 混疊濾波器16。
每個抗混疊濾波器16的輸出端連接至模擬多路復用器18,該 模擬多路復用器又與保持濾波器20串聯連接。
保持濾波器20與模數轉換器(ADC ) 22串聯地連接。
使用中，每個隔離變壓器14將所採樣的模擬特性的幅度逐漸 降低(即，減小)至適於由ADC進行模數轉換的電平。此外，每 個隔離變壓器14隔離多路復用系統10的剩餘部分。需要隔離是因為每個輸入端12經由降壓變壓器(未示出)被 連接至工作於較高電壓的電力傳輸系統。
隔離變壓器才是供了保護來防備在配線中所感應的電壓以及可 能存在於降壓變壓器的位置和IED的位置之間的地電位差。所提供 的隔離還保護才喿作員和系統的多種其他部件免於車lr入端12處的高 壓。
才莫擬特性被從每個隔離變壓器14供給，經過相應的抗混疊濾 波器16，以去除噪聲和高頻諧波。
然後，模擬多路復用器18將每個濾波後的模擬特性順序地供 應給保持濾波器20，該保持濾波器穩定各個模擬特性。這使得ADC 22在向處理模塊24輸出數字數據流之前數位化每個特性。
上述多3各復用系統10有4艮多缺點。
每個隔離變壓器14為精確地再現該才莫擬特性需要物理上4艮大。 因而，系統10是大的且重的。
另外，每個隔離變壓器14具有有限的線性工作範圍。這導致 了非線性誤差，在需要最大的精度時，該誤差通常會最為嚴重。
此外，每個隔離變壓器14易於洩露^茲通量。/人而，隔離變壓 器14的緊密堆積(close packing )導致相鄰變壓器14之間的串擾。
因此，本發明的總目標是提供一種比傳統多路復用採樣系統更 為緊湊和更為精確的採樣模塊。根據本發明的第 一方面，提供了用於採樣電力傳輸系統的 一個 或多個模擬特性的採樣模塊，其包括至少一個用於釆樣各個模擬特
性的輸入電路，該輸入電路或每個輸入電路包括
定標電路(scaling circuit),用於將模擬特性的幅度降低至所希 望的電平；
隔離電路，用於在輸入電路的各自上遊和下遊部分之間產生電 屏障(electrical barrier ); 以及
模數轉換器，用於數位化模擬特性以產生數字數據流，
該定標電^各、隔離電3各、以及才莫悽史轉換器串耳關地電連接。
包含分離的定標電路和隔離電^各為定標和隔離功能的優化做: 好了準備，同時消除了對傳統隔離變壓器的需要。
這導致了比傳統多路復用系統更為緊湊且更輕的採樣模塊。本 發明還能提供更精確的採樣，因為其允許串擾和非線性誤差的降 低。
另外，每個輸入電路中包含模數轉換器(ADC )為多個模擬特 性的同時採樣做好了準備，從而消除了有關傳統多路復用系統10 的模擬多路復用器18的瓶頸。
此外，同時採樣消除了在只能連續地獲得樣本的傳統多路復用 系統10中所引入的時滯(skew )。
同時採樣還使得根據所需的解析度的等級為各個模擬特性配 置不同的採樣速率成為可能。優選地，將該定標電路電連接至才莫#:轉換器的1命入端，並且將
該隔離電^各電連4妄至其iir出端。
以這種方式隔離該數字數據流降低了破壞數據流的任何外部 噪聲的可能性。
另外，隔離該數字數據流還意味著在穿過電屏障傳輸數字數據 時沒必要忠實地再現數字數據。這是因為只需電屏障的下遊能夠識
別0或1，而非例如完整的才莫擬波形。
方便地，定標電路是電阻器網絡，或者包括電阻器網絡。這使 得該定標電路在所希望的測量範圍上具有線性響應，從而有助於最 小化非線性誤差。
可選地，該電阻器網絡定義分壓器。
可選地，該電阻器網絡定義分流器。
前述配置允許模擬電壓和模擬電流特性的分別採樣。
在本發明的優選實施例中，模數轉換器是西格瑪-德爾塔調製器
(sigma-delta modulator )，或者包括西格瑪-德爾i荅調製器。包含西 格瑪-德爾塔調製器為在高頻下穿過隔離電路的電屏障的單比特字 (即，0或1 )的傳輸做好了準備。
這導致數位化後的才莫擬特性具有比由傳統的16位ADC所產生 的數位化後的模擬特性更好的解析度。
優選地，該隔離電路是單脈衝變壓器，或者包括單脈沖變壓器。 這種變壓器具有特別令人滿意的傳輸特性，同時提供了其所希望的 電隔離下遊的電平。可選地，採樣模塊還包括數據接口，其電連4妾至該輸入電路或 每個輸入電路，從而允許各個數字數據流輸出到處理模塊。
處理模塊。
在本發明的另一個優選實施例中，數位訊號處理模塊包括數字 濾波器。
在本發明的又一個優選實施例中，數位訊號處理模塊包括再採
樣(re-sampling )模塊。
在本發明更進一步的優選實施例中，採樣才莫塊還包括控制接 口，其電連接至該IIT入電^各或每個輸入電^各，乂人而允許通過控制才莫 塊進行數位訊號處理模塊和ADC的配置。
前述特徵允許在輸出到處理模塊之前將數位化的模擬特性處 理至所希望的電平。
根據本發明的第二方面，提供了採樣電力傳輸系統的 一個或多 個模擬特性的方法，包括以下步驟提供至少一個用於採樣各個模 擬特性的輸入電3各，並且串聯地電連4妄在該輸入電路或每個輸入電 路中
定標電路，用於將模擬特性的幅度降低至所希望的電平； 屏障；以及
模數轉換器，用於數位化模擬特性以產生數字數據流。本發明的方法共享有關根據本發明的上述採樣模塊的優點。
下面將以非限制性實例的方式參照附圖簡短描述本發明的優
選實施例，在附圖中
圖1是已知的多路復用採樣系統的示意圖2是根據本發明的第 一 實施例的採樣模塊的示意圖3是圖2中示出的採樣模塊的更詳細的示意圖；以及
圖4是根據本發明的優選隔離電^各的示意圖。
根據本發明第一實施例的採樣模塊主要由參考號30所標明。
採樣模塊30包括多個輸入電路32，每個輸入電路32用於釆樣 電力傳輸系統(未示出)的特定模擬特性，其中採樣模塊30電連 接至電力傳輸系統。
在實施例中示出的每個輸入電路32包括處於上遊處的定標電 路34、其輸入端36。定標電路34串聯地電連接至模數轉換器(ADC ) 22的輸入端。優選的ADC 22以西格瑪-德爾塔調製器38的形式示 出。
西格瑪-德爾^荅調製器38的輸出端串聯地電連4妾至隔離電路40。
在本發明的其他實施例中，定標電路34、 ADC 22、以及隔離 電路40的不同串聯排列也是可能的。在每個輸入電路32中，定標電^各34是電阻器網絡(未示出)。 電阻器網絡可以是分壓器或分流器的形式，用於分別採樣模擬電壓 和才莫擬電流特性。
每個隔離電3各40包4舌單l永衝變壓器42，如圖4中所詳細示出的。
從隔離電路40開始的每個輸入電路32下遊的部分包括數字信 號處理模塊44，每個數位訊號處理模塊包括數字濾波器46和再採 樣模塊48。
每個數位訊號處理模塊44的輸出端電連接至數據接口，數據 才矣口又可連4妄至處理才莫塊24。
採樣模塊30還包括控制接口 52,其電連接至每個輸入電路32。 控制接口 52被配置為可連接至控制模塊(未示出)，其允許數字信 號處理才莫塊44和ADC 22的配置。
另外，示出的採樣模塊30的實施例還包括主時鐘54 (圖3)。
使用中，每個定標電^各34通過相應的西格瑪-德爾i荅調製器38
將各個採樣後的模擬特性定標為適於模數轉換的電平。有可能通過 選才奪其中電阻器的^f直來確定每個定標電^各34的測量範圍。
此外，有可能通過校準每個定標電路34來改進每個採樣後的 模擬特性的精度。校準可以校正任何線性增益或由給定的定標電路 34所引入的偏移誤差。校準還可以校正由定標電路34的錯誤組裝 所？ j起的採樣後的模擬特性的任何反轉。每個西格瑪-德爾塔調製器38輸出與給定的採樣後的模擬特性 相當的1比特、連續的、數字數據流。時鐘信號控制每個西格瑪-德爾塔調製器38的採樣速率。
各個單脈衝變壓器42沿從西格瑪-德爾塔調製器38到數位訊號 處理器44的第一方向傳輸數字數據流，同時在這些各個部件之間 產生電屏障。可以配置每個數位訊號處理器44以4妄收一個或多個 悽丈字#:據流。
每個單"永衝變壓器42還沿第二、相反的方向4專^T用於驅動相 應的西格瑪-德爾塔調製器38的電力，以及前述的時鐘信號。
每個單脈沖變壓器42用等於時鐘信號的工作頻率的工作頻率 實3見正糹敫變^:器(forward converter )拓樸，從而允i午相應的西檔J馬 -德爾塔調製器38直接從所傳輸的電力中獲得時鐘信號。
通過逐周期i也(cycle by cycle ),人正激變4灸器的次級側來改變 用於將變壓器的磁通量清零的電壓的幅度來實現二進位信號數據 流的傳輸。轉換器的初級波形的監控確定是高壓被用於快速地將磁 通量清零，還是低壓淨皮用於較慢地將》茲通量清零。
每個數位訊號處理模塊44的數字濾波器46對各個數字數據流 濾波，以(例如)去除4壬zf可外來噪聲。
每個數位訊號處理模塊44的再採樣模塊48能夠產生具有所希 望的採樣速率的#:字數據流。
通過控制接口 52進行數位訊號處理模塊44和每個西格瑪-德爾 塔調製器38的採樣速率的配置，乂人而才艮據所連接的處理才莫塊24(經由數據接口 50連接)的需求，為每個輸入電路32中的不同的採才羊 速率和濾波特性做好準備。
每個輸入電路32經由數據*接口 50向處理才莫塊24傳輸與給定 的釆樣後的模擬特性相當的數字數據流。主時鐘54時間標記(tag ) 每個數字數據流，以確保特定流中的數據正確地同步於到外部裝置 的隨後的傳輸。
從而，每個輸入電路32將獨立地濾波後的採樣值貢獻給給定 的數字數據流。
每個數據流框(圖3中的44)接受來自每個輸入電路(圖3 中的32)的隔離的比特流，對其濾波以去除不需要的頻率分量，然 後以IED (圖2中的24)所需要的採樣速率對其再採樣以產生採樣 包。如果需要的話，可以由IED (24)實時地配置數字濾波器(圖 3中的46)的參悽丈和再採樣邏輯(圖3中的48)的周期，以適合特 定的保護算法。由於本發明包含多個並行的數據流框(44)，故有 可能具有同時地運4亍在IED內、需要不同速率並且具有不同的濾波 級的樣本數據的不同的保護算法。
權利要求
1.一種採樣模塊(30)，用於採樣電力傳輸系統的一個或多個模擬特性，所述採樣模塊包括至少一個用於採樣各個模擬特性的輸入電路，所述輸入電路或每個輸入電路包括定標電路(34)，用於將所述模擬特性的幅度降低至所希望的電平；隔離電路(40)，用於在所述輸入電路的各自上遊和下遊部分之間產生電屏障；以及模數轉換器(22)，用於數位化所述模擬特性以產生數字數據流，所述定標電路(34)電連接至所述模數轉換器(22)的輸入端，並且所述隔離電路(40)直接地電連接至其輸出端。
2. 根據權利要求1所述的採樣模塊，其中，所述定標電路是電阻 器網絡，或者包括電阻器網絡。
3. 根據權利要求2所述的採樣模塊，其中，所述電阻器網絡定義 分壓器(34)。
4. 根據權利要求2所述的採樣模塊，其中，所述電阻器網絡定義 分流器。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的採樣模塊，其中，所述模數 轉換器是西格瑪-德爾塔調製器(38)，或者包括西格瑪-德爾 塔調製器。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的採樣模塊，其中，所述隔離電路是單脈沖變壓器，或者包括單脈沖變壓器。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的採樣模塊，還包括數據接 口，所述數據接口電連接至所述輸入電路或每個輸入電^各，以 允許各個悽t字數據流輸出到處理才莫塊。
8. 根據前述權利要求中任一項所述的採樣模塊，其中，所述輸入 電路或每個輸入電路的所述下遊部分包括數位訊號處理模塊。
9. 根據權利要求8所述的採樣模塊，其中，所述數位訊號處理模 塊包括數字濾波器。
10. 根據權利要求8或9所述的採樣模塊，其中，所述數位訊號處 理模塊包括再採樣模塊。
11. 根據權利要求8至10中任一項所述的採樣模塊，還包括控制 接口 ，所述控制接口電連接至所述輸入電路或每個輸入電^各， 以允許通過處理一莫塊配置所述H字信號處理才莫塊和所述糹莫悽丈 轉換器。
12. —種採樣電力傳輸系統的一個或多個才莫擬特性的方法，包括以 下步驟提供至少一個用於採樣各個模擬特性的輸入電路，以 及串聯地電連接在所述輸入電路或每個輸入電路中定標電路(34)，用於將所述模擬特性的幅度降低至所希 望的電平；隔離電路(40),用於在所述輸入電路的各自上遊和下遊 部分之間產生電屏障；以及模數轉換器(22),用於數位化所述模擬特性以產生數字 悽丈據流，所述定標電路(34)電連接至所述模數轉換器(22)的 輸入端，並且所述隔離電路(40)直接地電連接至其輸出端。
13. —種採樣才莫塊，通常如本文中參考附圖的圖2至圖4所描述的 和/或所示出的。
14. 一種採樣電力傳豐俞系統的一個或多個才莫擬特性的方法，通常如 本文中參考附圖的圖2至圖4中所描述的和/或所示出的。
15. 根據權利要求12至14中任一項所述的採樣電力傳輸系統的一 個或多個^^擬特性的方法，包括所述數字#:據流的數字濾波(46)的步驟，其後是所濾波的數字數據流的再釆樣(48)的 步驟。
16. 才艮據權利要求15所述的採樣電力傳輸系統的一個或多個才莫擬 特性的方法，其中，數字濾波的參數和再採樣的周期都是通過 智能電子裝置(24)配置的，所述智能電子裝置(24)使用由 採樣方法所產生的樣本。
17. 根據權利要求16所述的採樣電力傳輸系統的一個或多個模擬 特性的方法，其中，不同的4呆護算法同時地運4亍在需要不同速 率的並且具有不同的濾波級的樣本數據的所述智能電子裝置(24)中。
全文摘要
本發明涉及採樣模塊(30)，用於採樣電力傳輸系統的一個或多個模擬特性，包括至少一個輸入電路，用於採樣各個模擬特性，輸入電路或每個輸入電路包括定標電路(34)，用於將模擬特性的幅度降低至所希望的電平；隔離電路(40)，用於產生輸入電路的各自上遊和下遊部分之間的電屏障；以及模數轉換器(22)，用於數位化模擬特性以產生數字數據流，定標電路(34)電連接至模數轉換器(22)的輸入端，並且隔離電路(40)直接地電連接至其輸出端。
文檔編號H03M3/02GK101292164SQ200680039077
公開日2008年10月22日 申請日期2006年10月19日 優先權日2005年10月21日
發明者西蒙·基德 申請人:阿海琺輸配電英國有限公司