專利名稱：采樣模塊及采樣電力傳輸系統(tǒng)的一個或多個模擬特性的方法
采樣模塊及采樣電力傳輸系統(tǒng)的 一個或多個才莫擬特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別地、但不專門地涉及， 一種采樣才莫塊以及一種采樣 電力傳輸系統(tǒng)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(tǒng)的模擬電壓和電流特 性的樣本來幫助保護(hù)并控制該系統(tǒng)。
用于采樣這種模擬特性的傳統(tǒng)配置是如

圖1中示意性地示出的 一種所謂的"多路復(fù)用(multiplex)系統(tǒng)"。
典型的多3各復(fù)用系統(tǒng)10包4舌多個l命入端12,每個ilr入端用于 采樣各個模擬特性。
每個輸入端12包括隔離變壓器14以及與其串聯(lián)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(fù)用器18,該 模擬多路復(fù)用器又與保持濾波器20串聯(lián)連接。
保持濾波器20與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC ) 22串聯(lián)地連接。
使用中，每個隔離變壓器14將所采樣的模擬特性的幅度逐漸 降低(即，減小)至適于由ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的電平。此外，每 個隔離變壓器14隔離多路復(fù)用系統(tǒng)10的剩余部分。需要隔離是因?yàn)槊總€輸入端12經(jīng)由降壓變壓器(未示出)被 連接至工作于較高電壓的電力傳輸系統(tǒng)。
隔離變壓器才是供了保護(hù)來防備在配線中所感應(yīng)的電壓以及可 能存在于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(hù)才喿作員和系統(tǒng)的多種其他部件免于車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(jīng)過相應(yīng)的抗混疊濾 波器16，以去除噪聲和高頻諧波。
然后，模擬多路復(fù)用器18將每個濾波后的模擬特性順序地供 應(yīng)給保持濾波器20，該保持濾波器穩(wěn)定各個模擬特性。這使得ADC 22在向處理模塊24輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流之前數(shù)字化每個特性。
上述多3各復(fù)用系統(tǒng)10有4艮多缺點(diǎn)。
每個隔離變壓器14為精確地再現(xiàn)該才莫擬特性需要物理上4艮大。 因而，系統(tǒng)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范圍。這導(dǎo)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(yán)重。
此外，每個隔離變壓器14易于泄露^茲通量。/人而，隔離變壓 器14的緊密堆積(close packing )導(dǎo)致相鄰變壓器14之間的串?dāng)_。
因此，本發(fā)明的總目標(biāo)是提供一種比傳統(tǒng)多路復(fù)用采樣系統(tǒng)更 為緊湊和更為精確的采樣模塊。根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，提供了用于采樣電力傳輸系統(tǒng)的 一個 或多個模擬特性的采樣模塊，其包括至少一個用于釆樣各個模擬特
性的輸入電路，該輸入電路或每個輸入電路包括
定標(biāo)電路(scaling circuit),用于將模擬特性的幅度降低至所希 望的電平；
隔離電路，用于在輸入電路的各自上游和下游部分之間產(chǎn)生電 屏障(electrical barrier ); 以及
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化模擬特性以產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，
該定標(biāo)電^各、隔離電3各、以及才莫凄史轉(zhuǎn)換器串耳關(guān)地電連接。
包含分離的定標(biāo)電路和隔離電^各為定標(biāo)和隔離功能的優(yōu)化做: 好了準(zhǔn)備，同時消除了對傳統(tǒng)隔離變壓器的需要。
這導(dǎo)致了比傳統(tǒng)多路復(fù)用系統(tǒng)更為緊湊且更輕的采樣模塊。本 發(fā)明還能提供更精確的采樣，因?yàn)槠湓试S串?dāng)_和非線性誤差的降 低。
另外，每個輸入電路中包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC )為多個模擬特 性的同時采樣做好了準(zhǔn)備，從而消除了有關(guān)傳統(tǒng)多路復(fù)用系統(tǒng)10 的模擬多路復(fù)用器18的瓶頸。
此外，同時采樣消除了在只能連續(xù)地獲得樣本的傳統(tǒng)多路復(fù)用 系統(tǒng)10中所引入的時滯(skew )。
同時采樣還使得根據(jù)所需的分辨率的等級為各個模擬特性配 置不同的采樣速率成為可能。優(yōu)選地，將該定標(biāo)電路電連接至才莫#:轉(zhuǎn)換器的1命入端，并且將
該隔離電^各電連4妄至其iir出端。
以這種方式隔離該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流降低了破壞數(shù)據(jù)流的任何外部 噪聲的可能性。
另外，隔離該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流還意味著在穿過電屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 時沒必要忠實(shí)地再現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這是因?yàn)橹恍桦娖琳系南掠文軌蜃R
別0或1，而非例如完整的才莫擬波形。
方便地，定標(biāo)電路是電阻器網(wǎng)絡(luò)，或者包括電阻器網(wǎng)絡(luò)。這使 得該定標(biāo)電路在所希望的測量范圍上具有線性響應(yīng)，從而有助于最 小化非線性誤差。
可選地，該電阻器網(wǎng)絡(luò)定義分壓器。
可選地，該電阻器網(wǎng)絡(luò)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采樣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是西格瑪-德爾塔調(diào)制器
(sigma-delta modulator )，或者包括西格瑪-德爾i荅調(diào)制器。包含西 格瑪-德爾塔調(diào)制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(zhǔn)備。
這導(dǎo)致數(shù)字化后的才莫擬特性具有比由傳統(tǒng)的16位ADC所產(chǎn)生 的數(shù)字化后的模擬特性更好的分辨率。
優(yōu)選地，該隔離電路是單脈沖變壓器，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 電隔離下游的電平?？蛇x地，采樣模塊還包括數(shù)據(jù)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流輸出到處理模塊。
處理模塊。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例中，數(shù)字信號處理模塊包括數(shù)字 濾波器。
在本發(fā)明的又一個優(yōu)選實(shí)施例中，數(shù)字信號處理模塊包括再采
樣(re-sampling )模塊。
在本發(fā)明更進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，采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(jìn)行數(shù)字信號處理模塊和ADC的配置。
前述特征允許在輸出到處理模塊之前將數(shù)字化的模擬特性處 理至所希望的電平。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了采樣電力傳輸系統(tǒng)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于采樣各個模 擬特性的輸入電3各，并且串聯(lián)地電連4妄在該輸入電路或每個輸入電 路中
定標(biāo)電路，用于將模擬特性的幅度降低至所希望的電平； 屏障；以及
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化模擬特性以產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。本發(fā)明的方法共享有關(guān)根據(jù)本發(fā)明的上述采樣模塊的優(yōu)點(diǎn)。
下面將以非限制性實(shí)例的方式參照附圖簡短描述本發(fā)明的優(yōu)
選實(shí)施例，在附圖中
圖1是已知的多路復(fù)用采樣系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的第 一 實(shí)施例的采樣模塊的示意圖3是圖2中示出的采樣模塊的更詳細(xì)的示意圖；以及
圖4是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選隔離電^各的示意圖。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的采樣模塊主要由參考號30所標(biāo)明。
采樣模塊30包括多個輸入電路32，每個輸入電路32用于釆樣 電力傳輸系統(tǒng)(未示出)的特定模擬特性，其中采樣模塊30電連 接至電力傳輸系統(tǒng)。
在實(shí)施例中示出的每個輸入電路32包括處于上游處的定標(biāo)電 路34、其輸入端36。定標(biāo)電路34串聯(lián)地電連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC ) 22的輸入端。優(yōu)選的ADC 22以西格瑪-德爾塔調(diào)制器38的形式示 出。
西格瑪-德爾^荅調(diào)制器38的輸出端串聯(lián)地電連4妾至隔離電路40。
在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，定標(biāo)電路34、 ADC 22、以及隔離 電路40的不同串聯(lián)排列也是可能的。在每個輸入電路32中，定標(biāo)電^各34是電阻器網(wǎng)絡(luò)(未示出)。 電阻器網(wǎng)絡(luò)可以是分壓器或分流器的形式，用于分別采樣模擬電壓 和才莫擬電流特性。
每個隔離電3各40包4舌單l永沖變壓器42，如圖4中所詳細(xì)示出的。
從隔離電路40開始的每個輸入電路32下游的部分包括數(shù)字信 號處理模塊44，每個數(shù)字信號處理模塊包括數(shù)字濾波器46和再采 樣模塊48。
每個數(shù)字信號處理模塊44的輸出端電連接至數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù) 才矣口又可連4妄至處理才莫塊24。
采樣模塊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(shù)字信 號處理才莫塊44和ADC 22的配置。
另外，示出的采樣模塊30的實(shí)施例還包括主時鐘54 (圖3)。
使用中，每個定標(biāo)電^各34通過相應(yīng)的西格瑪-德爾i荅調(diào)制器38
將各個采樣后的模擬特性定標(biāo)為適于模數(shù)轉(zhuǎn)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(biāo)電^各34的測量范圍。
此外，有可能通過校準(zhǔn)每個定標(biāo)電路34來改進(jìn)每個采樣后的 模擬特性的精度。校準(zhǔn)可以校正任何線性增益或由給定的定標(biāo)電路 34所引入的偏移誤差。校準(zhǔn)還可以校正由定標(biāo)電路34的錯誤組裝 所？ j起的采樣后的模擬特性的任何反轉(zhuǎn)。每個西格瑪-德爾塔調(diào)制器38輸出與給定的采樣后的模擬特性 相當(dāng)?shù)?比特、連續(xù)的、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。時鐘信號控制每個西格瑪-德爾塔調(diào)制器38的采樣速率。
各個單脈沖變壓器42沿從西格瑪-德爾塔調(diào)制器38到數(shù)字信號 處理器44的第一方向傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，同時在這些各個部件之間 產(chǎn)生電屏障?？梢耘渲妹總€數(shù)字信號處理器44以4妄收一個或多個 凄丈字#:據(jù)流。
每個單"永沖變壓器42還沿第二、相反的方向4專^T用于驅(qū)動相 應(yīng)的西格瑪-德爾塔調(diào)制器38的電力，以及前述的時鐘信號。
每個單脈沖變壓器42用等于時鐘信號的工作頻率的工作頻率 實(shí)3見正纟敫變^:器(forward converter )拓樸，從而允i午相應(yīng)的西檔J馬 -德爾塔調(diào)制器38直接從所傳輸?shù)碾娏χ蝎@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(cè)來改變 用于將變壓器的磁通量清零的電壓的幅度來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信號數(shù)據(jù) 流的傳輸。轉(zhuǎn)換器的初級波形的監(jiān)控確定是高壓被用于快速地將磁 通量清零，還是低壓凈皮用于較慢地將》茲通量清零。
每個數(shù)字信號處理模塊44的數(shù)字濾波器46對各個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流 濾波，以(例如)去除4壬zf可外來噪聲。
每個數(shù)字信號處理模塊44的再采樣模塊48能夠產(chǎn)生具有所希 望的采樣速率的#:字?jǐn)?shù)據(jù)流。
通過控制接口 52進(jìn)行數(shù)字信號處理模塊44和每個西格瑪-德爾 塔調(diào)制器38的采樣速率的配置，乂人而才艮據(jù)所連接的處理才莫塊24(經(jīng)由數(shù)據(jù)接口 50連接)的需求，為每個輸入電路32中的不同的采才羊 速率和濾波特性做好準(zhǔn)備。
每個輸入電路32經(jīng)由數(shù)據(jù)*接口 50向處理才莫塊24傳輸與給定 的釆樣后的模擬特性相當(dāng)?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。主時鐘54時間標(biāo)記(tag ) 每個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，以確保特定流中的數(shù)據(jù)正確地同步于到外部裝置 的隨后的傳輸。
從而，每個輸入電路32將獨(dú)立地濾波后的采樣值貢獻(xiàn)給給定 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。
每個數(shù)據(jù)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 后以IED (圖2中的24)所需要的采樣速率對其再采樣以產(chǎn)生采樣 包。如果需要的話，可以由IED (24)實(shí)時地配置數(shù)字濾波器(圖 3中的46)的參凄丈和再采樣邏輯(圖3中的48)的周期，以適合特 定的保護(hù)算法。由于本發(fā)明包含多個并行的數(shù)據(jù)流框(44)，故有 可能具有同時地運(yùn)4亍在IED內(nèi)、需要不同速率并且具有不同的濾波 級的樣本數(shù)據(jù)的不同的保護(hù)算法。
權(quán)利要求
1.一種采樣模塊(30)，用于采樣電力傳輸系統(tǒng)的一個或多個模擬特性，所述采樣模塊包括至少一個用于采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(biāo)電路(34)，用于將所述模擬特性的幅度降低至所希望的電平；隔離電路(40)，用于在所述輸入電路的各自上游和下游部分之間產(chǎn)生電屏障；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)，用于數(shù)字化所述模擬特性以產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，所述定標(biāo)電路(34)電連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的輸入端，并且所述隔離電路(40)直接地電連接至其輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其中，所述定標(biāo)電路是電阻 器網(wǎng)絡(luò)，或者包括電阻器網(wǎng)絡(luò)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采樣模塊，其中，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)定義 分壓器(34)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采樣模塊，其中，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)定義 分流器。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的采樣模塊，其中，所述模數(shù) 轉(zhuǎn)換器是西格瑪-德爾塔調(diào)制器(38)，或者包括西格瑪-德爾 塔調(diào)制器。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的采樣模塊，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(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的采樣模塊，還包括數(shù)據(jù)接 口，所述數(shù)據(jù)接口電連接至所述輸入電路或每個輸入電^各，以 允許各個凄t字?jǐn)?shù)據(jù)流輸出到處理才莫塊。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的采樣模塊，其中，所述輸入 電路或每個輸入電路的所述下游部分包括數(shù)字信號處理模塊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的采樣模塊，其中，所述數(shù)字信號處理模 塊包括數(shù)字濾波器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的采樣模塊，其中，所述數(shù)字信號處 理模塊包括再采樣模塊。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的采樣模塊，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纟莫凄丈 轉(zhuǎn)換器。
12. —種采樣電力傳輸系統(tǒng)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于采樣各個模擬特性的輸入電路，以 及串聯(lián)地電連接在所述輸入電路或每個輸入電路中定標(biāo)電路(34)，用于將所述模擬特性的幅度降低至所希 望的電平；隔離電路(40),用于在所述輸入電路的各自上游和下游 部分之間產(chǎn)生電屏障；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22),用于數(shù)字化所述模擬特性以產(chǎn)生數(shù)字 凄丈據(jù)流，所述定標(biāo)電路(34)電連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的 輸入端，并且所述隔離電路(40)直接地電連接至其輸出端。
13. —種采樣才莫塊，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. 一種采樣電力傳豐俞系統(tǒng)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(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的采樣電力傳輸系統(tǒng)的一 個或多個^^擬特性的方法，包括所述數(shù)字#:據(jù)流的數(shù)字濾波(46)的步驟，其后是所濾波的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的再釆樣(48)的 步驟。
16. 才艮據(jù)權(quán)利要求15所述的采樣電力傳輸系統(tǒng)的一個或多個才莫擬 特性的方法，其中，數(shù)字濾波的參數(shù)和再采樣的周期都是通過 智能電子裝置(24)配置的，所述智能電子裝置(24)使用由 采樣方法所產(chǎn)生的樣本。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的采樣電力傳輸系統(tǒng)的一個或多個模擬 特性的方法，其中，不同的4呆護(hù)算法同時地運(yùn)4亍在需要不同速 率的并且具有不同的濾波級的樣本數(shù)據(jù)的所述智能電子裝置(24)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及采樣模塊(30)，用于采樣電力傳輸系統(tǒng)的一個或多個模擬特性，包括至少一個輸入電路，用于采樣各個模擬特性，輸入電路或每個輸入電路包括定標(biāo)電路(34)，用于將模擬特性的幅度降低至所希望的電平；隔離電路(40)，用于產(chǎn)生輸入電路的各自上游和下游部分之間的電屏障；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)，用于數(shù)字化模擬特性以產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，定標(biāo)電路(34)電連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的輸入端，并且隔離電路(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(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者西蒙·基德 申請人:阿?，m輸配電英國有限公司