CN101194171B - 在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置，包括：测量单元(2a...2n)，用于在获得测量值的条件下采集高压直流输电设备的测量参数；以及相互串联的预处理单元(3a...3i)，其分别与至少一个测量单元(2a...2n)连接，并且借助于接在其它预处理单元之后的最后预处理单元(3i)与一个控制、调节和监视***(10，11)连接，其中，每个预处理单元(3a...3i)被设置用于在获得光学测量值的条件下对测量值进行接收和预处理，并且将由其产生的以及由前接的预处理单元接收的光学测量值传输至后接的预处理单元或所述控制、调节和监视***(10，11)，使得所述最后预处理单元(3i)为该控制、调节和监视***(10，11)提供所有的测量值。

Description

在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置。

背景技术

在高压直流输电设备中，在第一逆变站(Umrichterstation)中从多相交流电压中产生直流电压。该第一变流站在直流电压一侧与第二变流站连接，该第二变流站将直流电压再次转换成多相交流电压。这种高压直流输电设备的可靠运行，要求既在交流电一侧又在直流电一侧对电流和电压进行监视。因此，多个测量单元将所述电流和电压的测量值提供给控制、调节和监视***。一方面，借助于该控制、调节和监视***监视整个设备，从而可以在故障的情况下迅速和可靠地断开高压直流输电设备。另一方面，控制、调节和监视***被设置用于调节变流站。变流站包括多个功率电子开关元件、例如可控硅。可控硅必须根据交流电压的相位而被精确地触发。因此，在控制单元中必须根据由测量单元提供的多相交流电压信号确定电网频率，并且在相位调节电路中根据该电网频率计算可控硅的触发时刻。因为对于多个可控硅需要多个控制单元，这种控制***的硬件开销是极其高的。此外，每个控制单元包含对于多相交流电压信号的输入端以及用于该交流电压信号的信号处理逻辑。单个的测量单元最终直接地连接到各自的控制单元上。这点带来极其高的布线开销，其中，由于采用常规的传输导线而造成了相对于电磁干扰的高灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，这样构造本文开始部分所述类型的装置：在减小硬件和布线开销的条件下，改善传输可靠性并由此改善整个设备的可用性。

按照本发明，上述技术问题是通过一种用于在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置解决的，该装置包括：测量单元，用于在获得测量值的条件下采集高压直流输电设备的测量参数；以及相互串联的预处理单元，其分别与至少一个测量单元连接，并且借助于接在其它预处理单元之后的最后预处理单元与一个控制、调节和监视***连接，其中，每个预处理单元被设置用于在获得光学测量值的条件下对测量值进行接收和预处理，并且将由其产生的以及由前接的预处理单元接收的光学测量值传输至后接的预处理单元，使得所述最后预处理单元为该控制、调节和监视***提供所有的测量值。

通过这种预处理单元，一方面显著地减少了整个设备的布线开销，因为各个测量单元仅仅需要与为其配设的预处理单元连接，并且各个预处理单元通过光学总线***将其数据传输至控制、调节和监视***。由此，减小了相对于电磁干扰的灵敏度。同时，通过将预处理单元构造为对分配给其的测量值进行采集和预处理，显著地减小了在控制、调节和监视***中的硬件开销。

在一种优选的实施方式中，所述预处理单元具有用于对多相交流电压信号进行频率和相位测量的装置。优选地，通过预处理单元之一进行对频率和相位的测量，使得可以将所有的测量数据根据交流电压的相位(即，相位同步地)传输到控制、调节和监视***。在本发明的这种扩展中，省略了对于控制、调节和监视***的每个子单元的相位跟踪。

所述预处理单元可以被配置为主控器单元或者从动器单元。这是优选的，因为可以独立于其随后的功能地制造可配置的预处理单元，由此降低了制造成本。

在一种优选的实施方式中，每个预处理单元具有多个用于采集分配给其的测量值的模拟和数字输入端，以及至少两个用于传输测量值的光学输出端。在合适的扩展中，每个预处理单元具有至少一个光学输入端。由此，一方面可以构造一种用于传输测量值的光学数据总线，而另一方面可以借助于光波导将测量值传输至独立工作的控制、调节和监视***。

在本发明的预处理单元的一种优选的设置中，所述预处理单元相互之间以及最后预处理单元与所述控制、调节和监视***均是借助于光波导连接的。通过采用光波导保证了对被预处理后的测量值的低廉和可靠的传输，该被预处理后的测量值相对于电磁干扰是特别不灵敏。

在一种合适的实施方式中，前面没有连接预处理单元的第一预处理单元被配置为主控器单元，而连接在该第一预处理单元之后的预处理单元被配置为从动器单元。这是特别优选的，因为该主控器单元例如执行对于多相交流电压信号的频率和相位的测量就足够了。

优选地，所述主控器单元被构造为，用于为所述从动器单元以及控制、调节和监视***产生同步信号。例如，该主控器单元可以通过频率倍增根据所测量到的多相交流电压信号的频率产生***时钟，该***时钟对于从动器单元来说起到了用于对分配给该从动器单元的测量值进行预处理的时钟，同时使得可以同步地传输被预处理后的测量值。

在一种适当的实施方式中，所述主控器单元被构造为，用于为在所述控制、调节和监视***中设置的相位调节电路产生输入信号。

在一种优选的实施方式中，每个预处理单元具有：多个用于测量值的输入端，用于选择作为主控器单元或者从动器单元的功能的配置装置，用于对测量值进行预处理的装置，用于将被预处理后的测量值转换为光学数据的电光转换器，以及发送和接收装置，其中，用于进行预处理的装置包括：用于采集模拟测量值并将其转换成数字值的输入电路，以及可编程门阵列和数字信号处理单元。利用这种电路装置该设备适合于灵活的应用，因为通过采用诸如可编程门阵列和数字信号处理单元(例如数字信号处理器)的电子部件，可以通过改变对该可编程门阵列或数字信号处理单元的编程实现多方面的应用，例如作为主控器单元或从动器单元。

优选地，所述输入电路包括运算放大器、低通滤波器、模拟/数字转换器以及采样装置。利用这种输入电路可以将模拟电子信号转换成在可编程门阵列或数字信号处理单元中被进一步处理的数字值。

在一种合适的实施方式中，所述数字信号处理单元被构造为，用于对多相交流电压信号进行频率确定。这点是特别优选的，因为利用数字信号处理单元(例如数字信号处理器)根据数字值简单地实现了这种确定，并且可以将该频率用于产生主控器同步信号。

附图说明

下面参考附图根据一种实施例对本发明作进一步的说明。附图中：

图1示出了按照本发明的装置的一种实施例；

图2示出了按照图1的装置的预处理单元；

图3示出了按照图1的装置的数据处理的示意图。

具体实施方式

图1示出了作为高压直流输电设备(HG设备)一部分的、按照本发明的装置的一种实施例。该装置在高压直流输电设备的交流电压以及直流电压一侧具有多个用于测量电流和电压的测量单元2a至2n，在这些测量单元中在图1中仅仅示出了一个冗余配置的电流转换器，该电流转换器的次级电流与流过交流汇流排1的交流电流成正比。预处理单元3a至3i通过导线与测量单元2a至2n连接。当然，一个预处理单元也可以与多个测量单元连接。预处理单元3a至3i具有用于与各个测量单元连接的输入接口4，以及光学输入端5和输出端6和7。预处理单元的该光学输出端6分别通过光波导8与各自的下一个预处理单元的光学输入端5连接。最后预处理单元3i在其光学输出端6上通过光波导9与控制、调节和监视***10连接。该预处理单元3i的第二光学输出端7可以通过另一个光波导12与独立的第二控制、调节和监视***11连接。在该最后预处理单元3i的两个光学输出端6和7上输出相同的测量值组。光学输出端7与第二控制、调节和监视***11的连接，为该第二控制、调节和监视***11和为控制、调节和监视***10提供了相同的测量值组。为了提供冗余，测量单元2a至2n与预处理单元3a′至3i′的第二装置连接。由此，通过相互串联的预处理单元3a至3i以及同样相互串联的预处理单元3a′至3i′，提供了两个相互独立的测量***3和3′。第一测量***3的预处理单元3i的光学输出端6与控制、调节和监视***10的光学输入端连接，该预处理单元3i的光学输出端7与第二控制、调节和监视***11连接。第二测量***3′的预处理单元3i′的光学输出端6′与第二控制、调节和监视***11的光学输入端连接。该预处理单元3i′的光学输出端7与控制、调节和监视***10的第二光学输入端连接。通过独立的测量***3和3′以及独立的控制、调节和监视***10和11的这种设置，可以实现对高压直流输电设备完全冗余的控制和监视，因为在测量***3和3′中的一个出故障时提供了了另一个测量***，同样，在控制、调节和监视***10或11之一出故障时也还要提供另一个控制、调节和监视***。测量以及控制、调节和监视***的这种冗余的结构，带来了整个设备的可用性和可靠性的显著地改善。从图1中可以看出，本发明的预处理单元的应用导致了布线开销的显著的减小，并且由此减小了相对于电磁干扰的灵敏度，因为在该设置中预处理单元通过光学数据总线与控制、调节和监视***连接。反之，如果不采用本发明的预处理单元，则每个测量单元2a至2n必须与各自的控制、调节和监视***10和11相连接，由此除了提高了布线开销之外，也显著地提高了用于控制、调节和监视***的硬件开销，因为控制、调节和监视***需要是用于各个测量单元信号的输入端的倍数。控制、调节和监视***10和11通过没有示出的导线装置与高压直流输电设备的可调节部件连接。

在图2中示出了按照本发明的预处理单元14的结构。该预处理单元14包括：可以用其将预处理单元的功能设定为主控器单元或者从动器单元的配置装置15，以及带有模拟输入端的输入接口4，和输入电路，该输入电路包括运算放大器16、低通滤波器17、采样装置18以及模拟/数字转换器19。与输入电路连接的可编程门阵列20通过数据线21与数字信号处理单元22(例如数字信号处理器22)相连接，以及为了发送和接收光学数据而通过另外的导线23与光电转换器25和电光转换器26连接。此外，预处理单元14还包括带有通信导线31、32的一系列诊断装置27至30。通过这些诊断装置的通信导线31、32，可以取样在需要时对可编程门阵列20或者数字信号处理单元22进行重新编程，或者在出现干扰时进行故障查找或者故障诊断。

带有运算放大器16、低通滤波器17、采样装置18以及模拟/数字转换器19的输入电路用于将所接收到的模拟数据转换成数字测量值，该数字测量值在可编程门阵列20以及在数字信号处理单元22中被处理。通过可编程门阵列20将数字测量值传递到数字信号处理器22中，在该数字信号处理器中进行分析和预处理。该数字信号处理器22从测量值中确定所测量的交流电压的频率以及电流和电压值，并且通过数据线21将这些值返回到可编程门阵列20。可编程门阵列20。该可编程门阵列20可以通过光学总线接头24和光电转换器26从另外的测量单元接收和临时存储数据。在可编程门阵列20中，将由数字信号处理器22得到的测量值与从其它预处理单元中接收的测量值汇总为测量值组，并且通过电光转换器25发送至光学总线接头24上，用于至下一个预处理单元或控制、调节和监视***的进一步的数据传输。

图3示出了通过预处理单元3a...3i对测量值的预处理以及向控制、调节和监视***的数据传输的示意图。由测量单元传输的测量值通过未示出的变换器被变换成可以处理的电压并且被送至一个反失真滤波器(Antialiasingfilter)33，该滤波器与一个用于对测量值进行采样和数字化的A/D转换器34连接。随后，借助于低通滤波器35对数据进行处理，以便压制起干扰作用的高频成分。在数字信号测量单元22中对数字信号进行如下的预处理：通过将三相信号至两相信号的变换36以及进一步的滤波37，计算信号的相位38以及另外的值(例如信号的幅度和模值)。这种被预处理或的数据作为用于传输至控制、调节和监视***的测量值39出现。

在图3中将第一预处理单元3a配置为主控器单元，而将其它的预处理单元3b至3i配置为从动器单元。在该主控器单元3a中，在数字信号处理单元22中执行附加的处理步骤。在对交流电压信号的相位38的上述的确定之后，在主控器单元3a中进行频率测量40，其后跟随着通过频率倍增器41的频率倍增。在此，将所测量的交流电压信号的频率乘以系数128。该被倍增的频率用作用于在各个从动器单元3b...3i中的数字信号处理以及用于至控制、调节和监视***的数据传输以及在该***中的进一步处理的时钟频率。由此，通过以系数128的倍增允许以每个交流电压信号周期128个值对该交流电压信号进行采样。主控器单元3a借助根据被倍增后的频率计算出的***时钟产生主控器同步信号42，该信号被传输至其它的从动器单元3b...3i，使得这些从动器单元通过该主控器同步信号42被同步。根据该在主控器单元3a中所产生的***时钟，在各个从动器单元3b...3i中进行上述的数字信号处理。同时，主控器同步信号42被用于对各个预处理单元3a...3i的通过光学数据总线43向控制、调节和监视***10的数据传输进行同步。在控制、调节和监视***10中，将光学测量数据值39转换为数字电子信号。根据在预处理单元3a中确定的交流电压信号的频率，在从用于计算和预处理以及用于传输所需要的时间中给出的、对于相位的校正系数44之后，在相位调节电路45中计算出对于功率电子开关元件的操纵。为此，在相位调节电路45中确定所测量的交流电压信号的相位与一个可调振荡器的相位之间的偏差，并且将该振荡器对应于该偏差进行跟踪，使得在相位调节电路45的输出端46上施加一个与所测量的频率相匹配的信号，借助于该信号可以进行对于高压直流输电设备的功率电子开关元件的精确控制。为了处理从预处理单元所传输的数据，自然地在控制、调节和监视***中设置了其它处理、控制和调节元件，这些元件在此用参考标记47、48、49示意地表示。

参考标记清单

1       交流汇流排

2a至2n  测量单元

3a至3i  预处理单元3a至3i

4       输入接口

5       数字光学输入端

6、7    数字光学输出端

8       光波导

9       光波导

10      控制、调节和监视***

11      控制、调节和监视***

12      光波导

13      导线装置

14      预处理单元

15      配置装置

16      运算放大器

17      低通滤波器

18      采样装置

19      模拟数字转换器

20      可编程门阵列

21      数据线

22      数字信号处理器

23      导线

25      电光转换器

26      光电转换器

27至30  诊断装置

31、32    通信导线

33        反失真滤波器

34        A/D转换器

35        低通滤波器

36        变换

37        滤波

38        相位

39        测量数据值

40        频率测量

41        频率倍增

42        主控器同步信号

43        光学数据总线

44        相位校正

45        相位调节电路

46        输出端

47、48、49处理、控制和调节元件

Claims (10)

1.一种用于在高压直流输电设备中采集和处理多个测量值的装置，该装置包括：测量单元(2a...2n)，该测量单元用于在获得测量值的条件下采集所述高压直流输电设备的测量参数；以及预处理单元，其特征在于，所述预处理单元(3a...3i)分别具有至少一个光学输入端(5)和至少两个用于传输测量值的光学输出端(6，7)，借助于光波导(8，9)相互串联，并分别与至少一个测量单元(2a...2n)连接，并且借助于接在其它预处理单元之后的最后预处理单元(3i)和借助于光波导(8，9)与一个控制、调节和监视***(10，11)相连接，其中，每个预处理单元(3a...3i)被设置用于在获得光学测量值的条件下对测量值进行接收和预处理，并且被设置用于借助于所述光波导将由其产生的以及由前接的预处理单元接收的光学测量值传输至后接的预处理单元或所述控制、调节和监视***(10，11)，使得所述最后预处理单元(3i)被构造为用于为该控制、调节和监视***(10，11)提供所有的测量值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个预处理单元(3a...3i)具有用于对多相交流电压信号进行频率和相位测量的装置(20，22)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个预处理单元(3a...3i)被配置为主控器单元(3a)或者从动器单元(3b...3i)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，每个预处理单元(3a...3i)具有多个用于采集分配给其的测量值的模拟输入端(4)和数字输入端。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，前面没有连接预处理单元的第一预处理单元(3a)被配置为主控器单元，而连接在该第一预处理单元之后的预处理单元(3b...3i)被配置为从动器单元。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述主控器单元(3a)被构造为，用于为所述从动器单元(3b...3i)以及所述控制、调节和监视***(10)产生同步信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述主控器单元(3a)被构造为，用于为在所述控制、调节和监视***(10)申设置的相位调节电路(45)产生输入信号。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个预处理单元(3a...3i)具有：多个用于测量值的模拟输入端(4)，用于选择作为主控器单元或者从动器单元的功能的配置装置(15)，用于对测量值进行预处理的装置(16，17，18，19，20，21，22)，用于将被预处理后的测量值转换为光学数据的电光转换器(25)，以及发送和接收装置，其中，所述用于进行预处理的装置(16，17，18，19，20，21，22)包括：用于采集模拟测量值并将其转换成数字值的输入电路(16，17，18，19)，以及可编程门阵列(20)和数字信号处理单元(22)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输入电路包括运算放大器(16)、低通滤波器(17)、采样装置(18)以及模拟/数字转换器(19)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述数字信号处理单元(22)被构造为，用于对多相交流电压信号进行频率和相位确定。

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