专利名称：采样模块及采样电力传输系统的一个或多个模拟特性的方法
采样模块及采样电力传输系统的 一个或多个才莫拟特性的方法
技术领域：
本发明特别地、但不专门地涉及， 一种采样才莫块以及一种采样 电力传输系统的 一个或多个模拟特性的方法。
智能电子装置(IED)使用电力传输系统的模拟电压和电流特 性的样本来帮助保护并控制该系统。
用于采样这种模拟特性的传统配置是如
图1中示意性地示出的 一种所谓的"多路复用(multiplex)系统"。
典型的多3各复用系统10包4舌多个l命入端12,每个ilr入端用于 采样各个模拟特性。
每个输入端12包括隔离变压器14以及与其串联地电连接的抗 混叠滤波器16。
每个抗混叠滤波器16的输出端连接至模拟多路复用器18,该 模拟多路复用器又与保持滤波器20串联连接。
保持滤波器20与模数转换器(ADC ) 22串联地连接。
使用中，每个隔离变压器14将所采样的模拟特性的幅度逐渐 降低(即，减小)至适于由ADC进行模数转换的电平。此外，每 个隔离变压器14隔离多路复用系统10的剩余部分。需要隔离是因为每个输入端12经由降压变压器(未示出)被 连接至工作于较高电压的电力传输系统。
隔离变压器才是供了保护来防备在配线中所感应的电压以及可 能存在于降压变压器的位置和IED的位置之间的地电位差。所提供 的隔离还保护才喿作员和系统的多种其他部件免于车lr入端12处的高 压。
才莫拟特性被从每个隔离变压器14供给，经过相应的抗混叠滤 波器16，以去除噪声和高频谐波。
然后，模拟多路复用器18将每个滤波后的模拟特性顺序地供 应给保持滤波器20，该保持滤波器稳定各个模拟特性。这使得ADC 22在向处理模块24输出数字数据流之前数字化每个特性。
上述多3各复用系统10有4艮多缺点。
每个隔离变压器14为精确地再现该才莫拟特性需要物理上4艮大。 因而，系统10是大的且重的。
另外，每个隔离变压器14具有有限的线性工作范围。这导致 了非线性误差，在需要最大的精度时，该误差通常会最为严重。
此外，每个隔离变压器14易于泄露^兹通量。/人而，隔离变压 器14的紧密堆积(close packing )导致相邻变压器14之间的串扰。
因此，本发明的总目标是提供一种比传统多路复用采样系统更 为紧凑和更为精确的采样模块。根据本发明的第 一方面，提供了用于采样电力传输系统的 一个 或多个模拟特性的采样模块，其包括至少一个用于釆样各个模拟特
性的输入电路，该输入电路或每个输入电路包括
定标电路(scaling circuit),用于将模拟特性的幅度降低至所希 望的电平；
隔离电路，用于在输入电路的各自上游和下游部分之间产生电 屏障(electrical barrier ); 以及
模数转换器，用于数字化模拟特性以产生数字数据流，
该定标电^各、隔离电3各、以及才莫凄史转换器串耳关地电连接。
包含分离的定标电路和隔离电^各为定标和隔离功能的优化做: 好了准备，同时消除了对传统隔离变压器的需要。
这导致了比传统多路复用系统更为紧凑且更轻的采样模块。本 发明还能提供更精确的采样，因为其允许串扰和非线性误差的降 低。
另外，每个输入电路中包含模数转换器(ADC )为多个模拟特 性的同时采样做好了准备，从而消除了有关传统多路复用系统10 的模拟多路复用器18的瓶颈。
此外，同时采样消除了在只能连续地获得样本的传统多路复用 系统10中所引入的时滞(skew )。
同时采样还使得根据所需的分辨率的等级为各个模拟特性配 置不同的采样速率成为可能。优选地，将该定标电路电连接至才莫#:转换器的1命入端，并且将
该隔离电^各电连4妄至其iir出端。
以这种方式隔离该数字数据流降低了破坏数据流的任何外部 噪声的可能性。
另外，隔离该数字数据流还意味着在穿过电屏障传输数字数据 时没必要忠实地再现数字数据。这是因为只需电屏障的下游能够识
别0或1，而非例如完整的才莫拟波形。
方便地，定标电路是电阻器网络，或者包括电阻器网络。这使 得该定标电路在所希望的测量范围上具有线性响应，从而有助于最 小化非线性误差。
可选地，该电阻器网络定义分压器。
可选地，该电阻器网络定义分流器。
前述配置允许模拟电压和模拟电流特性的分别采样。
在本发明的优选实施例中，模数转换器是西格玛-德尔塔调制器
(sigma-delta modulator )，或者包括西格玛-德尔i荅调制器。包含西 格玛-德尔塔调制器为在高频下穿过隔离电路的电屏障的单比特字 (即，0或1 )的传输做好了准备。
这导致数字化后的才莫拟特性具有比由传统的16位ADC所产生 的数字化后的模拟特性更好的分辨率。
优选地，该隔离电路是单脉冲变压器，或者包括单脉沖变压器。 这种变压器具有特别令人满意的传输特性，同时提供了其所希望的 电隔离下游的电平。可选地，采样模块还包括数据接口，其电连4妾至该输入电路或 每个输入电路，从而允许各个数字数据流输出到处理模块。
处理模块。
在本发明的另一个优选实施例中，数字信号处理模块包括数字 滤波器。
在本发明的又一个优选实施例中，数字信号处理模块包括再采
样(re-sampling )模块。
在本发明更进一步的优选实施例中，采样才莫块还包括控制接 口，其电连接至该IIT入电^各或每个输入电^各，乂人而允许通过控制才莫 块进行数字信号处理模块和ADC的配置。
前述特征允许在输出到处理模块之前将数字化的模拟特性处 理至所希望的电平。
根据本发明的第二方面，提供了采样电力传输系统的 一个或多 个模拟特性的方法，包括以下步骤提供至少一个用于采样各个模 拟特性的输入电3各，并且串联地电连4妄在该输入电路或每个输入电 路中
定标电路，用于将模拟特性的幅度降低至所希望的电平； 屏障；以及
模数转换器，用于数字化模拟特性以产生数字数据流。本发明的方法共享有关根据本发明的上述采样模块的优点。
下面将以非限制性实例的方式参照附图简短描述本发明的优
选实施例，在附图中
图1是已知的多路复用采样系统的示意图2是根据本发明的第 一 实施例的采样模块的示意图3是图2中示出的采样模块的更详细的示意图；以及
图4是根据本发明的优选隔离电^各的示意图。
根据本发明第一实施例的采样模块主要由参考号30所标明。
采样模块30包括多个输入电路32，每个输入电路32用于釆样 电力传输系统(未示出)的特定模拟特性，其中采样模块30电连 接至电力传输系统。
在实施例中示出的每个输入电路32包括处于上游处的定标电 路34、其输入端36。定标电路34串联地电连接至模数转换器(ADC ) 22的输入端。优选的ADC 22以西格玛-德尔塔调制器38的形式示 出。
西格玛-德尔^荅调制器38的输出端串联地电连4妾至隔离电路40。
在本发明的其他实施例中，定标电路34、 ADC 22、以及隔离 电路40的不同串联排列也是可能的。在每个输入电路32中，定标电^各34是电阻器网络(未示出)。 电阻器网络可以是分压器或分流器的形式，用于分别采样模拟电压 和才莫拟电流特性。
每个隔离电3各40包4舌单l永冲变压器42，如图4中所详细示出的。
从隔离电路40开始的每个输入电路32下游的部分包括数字信 号处理模块44，每个数字信号处理模块包括数字滤波器46和再采 样模块48。
每个数字信号处理模块44的输出端电连接至数据接口，数据 才矣口又可连4妄至处理才莫块24。
采样模块30还包括控制接口 52,其电连接至每个输入电路32。 控制接口 52被配置为可连接至控制模块(未示出)，其允许数字信 号处理才莫块44和ADC 22的配置。
另外，示出的采样模块30的实施例还包括主时钟54 (图3)。
使用中，每个定标电^各34通过相应的西格玛-德尔i荅调制器38
将各个采样后的模拟特性定标为适于模数转换的电平。有可能通过 选才奪其中电阻器的^f直来确定每个定标电^各34的测量范围。
此外，有可能通过校准每个定标电路34来改进每个采样后的 模拟特性的精度。校准可以校正任何线性增益或由给定的定标电路 34所引入的偏移误差。校准还可以校正由定标电路34的错误组装 所？ j起的采样后的模拟特性的任何反转。每个西格玛-德尔塔调制器38输出与给定的采样后的模拟特性 相当的1比特、连续的、数字数据流。时钟信号控制每个西格玛-德尔塔调制器38的采样速率。
各个单脉冲变压器42沿从西格玛-德尔塔调制器38到数字信号 处理器44的第一方向传输数字数据流，同时在这些各个部件之间 产生电屏障。可以配置每个数字信号处理器44以4妄收一个或多个 凄丈字#:据流。
每个单"永冲变压器42还沿第二、相反的方向4专^T用于驱动相 应的西格玛-德尔塔调制器38的电力，以及前述的时钟信号。
每个单脉沖变压器42用等于时钟信号的工作频率的工作频率 实3见正纟敫变^:器(forward converter )拓朴，从而允i午相应的西档J马 -德尔塔调制器38直接从所传输的电力中获得时钟信号。
通过逐周期i也(cycle by cycle ),人正激变4灸器的次级侧来改变 用于将变压器的磁通量清零的电压的幅度来实现二进制信号数据 流的传输。转换器的初级波形的监控确定是高压被用于快速地将磁 通量清零，还是低压净皮用于较慢地将》兹通量清零。
每个数字信号处理模块44的数字滤波器46对各个数字数据流 滤波，以(例如)去除4壬zf可外来噪声。
每个数字信号处理模块44的再采样模块48能够产生具有所希 望的采样速率的#:字数据流。
通过控制接口 52进行数字信号处理模块44和每个西格玛-德尔 塔调制器38的采样速率的配置，乂人而才艮据所连接的处理才莫块24(经由数据接口 50连接)的需求，为每个输入电路32中的不同的采才羊 速率和滤波特性做好准备。
每个输入电路32经由数据*接口 50向处理才莫块24传输与给定 的釆样后的模拟特性相当的数字数据流。主时钟54时间标记(tag ) 每个数字数据流，以确保特定流中的数据正确地同步于到外部装置 的随后的传输。
从而，每个输入电路32将独立地滤波后的采样值贡献给给定 的数字数据流。
每个数据流框(图3中的44)接受来自每个输入电路(图3 中的32)的隔离的比特流，对其滤波以去除不需要的频率分量，然 后以IED (图2中的24)所需要的采样速率对其再采样以产生采样 包。如果需要的话，可以由IED (24)实时地配置数字滤波器(图 3中的46)的参凄丈和再采样逻辑(图3中的48)的周期，以适合特 定的保护算法。由于本发明包含多个并行的数据流框(44)，故有 可能具有同时地运4亍在IED内、需要不同速率并且具有不同的滤波 级的样本数据的不同的保护算法。
权利要求
1.一种采样模块(30)，用于采样电力传输系统的一个或多个模拟特性，所述采样模块包括至少一个用于采样各个模拟特性的输入电路，所述输入电路或每个输入电路包括定标电路(34)，用于将所述模拟特性的幅度降低至所希望的电平；隔离电路(40)，用于在所述输入电路的各自上游和下游部分之间产生电屏障；以及模数转换器(22)，用于数字化所述模拟特性以产生数字数据流，所述定标电路(34)电连接至所述模数转换器(22)的输入端，并且所述隔离电路(40)直接地电连接至其输出端。
2. 根据权利要求1所述的采样模块，其中，所述定标电路是电阻 器网络，或者包括电阻器网络。
3. 根据权利要求2所述的采样模块，其中，所述电阻器网络定义 分压器(34)。
4. 根据权利要求2所述的采样模块，其中，所述电阻器网络定义 分流器。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的采样模块，其中，所述模数 转换器是西格玛-德尔塔调制器(38)，或者包括西格玛-德尔 塔调制器。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的采样模块，其中，所述隔离电路是单脉沖变压器，或者包括单脉沖变压器。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的采样模块，还包括数据接 口，所述数据接口电连接至所述输入电路或每个输入电^各，以 允许各个凄t字数据流输出到处理才莫块。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的采样模块，其中，所述输入 电路或每个输入电路的所述下游部分包括数字信号处理模块。
9. 根据权利要求8所述的采样模块，其中，所述数字信号处理模 块包括数字滤波器。
10. 根据权利要求8或9所述的采样模块，其中，所述数字信号处 理模块包括再采样模块。
11. 根据权利要求8至10中任一项所述的采样模块，还包括控制 接口 ，所述控制接口电连接至所述输入电路或每个输入电^各， 以允许通过处理一莫块配置所述H字信号处理才莫块和所述纟莫凄丈 转换器。
12. —种采样电力传输系统的一个或多个才莫拟特性的方法，包括以 下步骤提供至少一个用于采样各个模拟特性的输入电路，以 及串联地电连接在所述输入电路或每个输入电路中定标电路(34)，用于将所述模拟特性的幅度降低至所希 望的电平；隔离电路(40),用于在所述输入电路的各自上游和下游 部分之间产生电屏障；以及模数转换器(22),用于数字化所述模拟特性以产生数字 凄丈据流，所述定标电路(34)电连接至所述模数转换器(22)的 输入端，并且所述隔离电路(40)直接地电连接至其输出端。
13. —种采样才莫块，通常如本文中参考附图的图2至图4所描述的 和/或所示出的。
14. 一种采样电力传丰俞系统的一个或多个才莫拟特性的方法，通常如 本文中参考附图的图2至图4中所描述的和/或所示出的。
15. 根据权利要求12至14中任一项所述的采样电力传输系统的一 个或多个^^拟特性的方法，包括所述数字#:据流的数字滤波(46)的步骤，其后是所滤波的数字数据流的再釆样(48)的 步骤。
16. 才艮据权利要求15所述的采样电力传输系统的一个或多个才莫拟 特性的方法，其中，数字滤波的参数和再采样的周期都是通过 智能电子装置(24)配置的，所述智能电子装置(24)使用由 采样方法所产生的样本。
17. 根据权利要求16所述的采样电力传输系统的一个或多个模拟 特性的方法，其中，不同的4呆护算法同时地运4亍在需要不同速 率的并且具有不同的滤波级的样本数据的所述智能电子装置(24)中。
全文摘要
本发明涉及采样模块(30)，用于采样电力传输系统的一个或多个模拟特性，包括至少一个输入电路，用于采样各个模拟特性，输入电路或每个输入电路包括定标电路(34)，用于将模拟特性的幅度降低至所希望的电平；隔离电路(40)，用于产生输入电路的各自上游和下游部分之间的电屏障；以及模数转换器(22)，用于数字化模拟特性以产生数字数据流，定标电路(34)电连接至模数转换器(22)的输入端，并且隔离电路(40)直接地电连接至其输出端。
文档编号H03M3/02GK101292164SQ200680039077
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月21日
发明者西蒙·基德 申请人:阿海珐输配电英国有限公司