EP1296436A2 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrössen mehrerer Wandler - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrössen mehrerer Wandler Download PDF

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EP1296436A2
EP1296436A2 EP02090218A EP02090218A EP1296436A2 EP 1296436 A2 EP1296436 A2 EP 1296436A2 EP 02090218 A EP02090218 A EP 02090218A EP 02090218 A EP02090218 A EP 02090218A EP 1296436 A2 EP1296436 A2 EP 1296436A2
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EP
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fir
clock
converter
digital
telegram
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EP1296436B1 (de
EP1296436A3 (de
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Bert Winkler
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C15/00—Arrangements characterised by the use of multiplexing for the transmission of a plurality of signals over a common path

Definitions

  • FIG. 1 shows a block diagram from these draft standards, which the basic connection of a converter 1 with a subordinate converter, for example an analog-digital converter 2 with assigned power supply, to a digital Show transmission link 3.
  • These draft standards see one exactly defined transmission time for a telegram with samples in front. It will be the time between scanning the analog output variable of the respective converter and the Receipt of the telegram with the sample values defined.
  • secondary Converter 4 and 5 are provided for adaptation.
  • the draft standards propose the digital measured variables of the converters for a branch in a substation, for example, using a so-called "merging unit", a data concentrator 10.
  • the data concentrator 10 outputs an output 11 a telegram with the digital measured variables to a not shown protection or field device and is over a Auxiliary input 12 with a clock, also not shown connected.
  • elements 1 and 2 are in accordance with 1 each with PC and the elements 4 and 5 with SC.
  • the digital measured variable formed by the converter to the data concentrator is from an equidistant Sampling of the individual analog output measurands the converter ran out. Furthermore, it is assumed that a time synchronization of the sampling of the Output parameters of the various current and voltage transformers also from different branches of the substation is required. There are two ways to synchronize the scan to:
  • the first way could be to use the interpolation method his.
  • the different, known Time delays between sampling in datagrams sent samples of the output measurands and the reception of the datagrams in the data concentrator and the measurable Delay between the receipt of the various datagrams the individual transducer is used to match each received sample assign a microsecond-precise sampling time. Then between the individual samples interpolated to all received samples on a common Convert the sampling time.
  • Fig. 3 illustrates this fact. This figure is the above. Taken from draft standard.
  • the disadvantage of this method is the high cost of the timestamp facility for the received datagrams and the required setup for interpolation of the sampled signals in real time.
  • an interpolation polynomial for interpolation e.g. 3rd order recursive spline interpolation
  • the interpolation becomes an additional interpolation error caused.
  • the result of the interpolation can no longer be used with a linear transfer function describe, i.e. the algorithm used is non-linear.
  • adaptive filters can also be used.
  • the relatively high group term affects the case practically realizable all-pass filter (or low-pass filter with a cutoff frequency significantly higher than that too using bandwidth).
  • the Tracking the adaptive filters in this case a device with which the filter coefficients to be updated are required can be calculated.
  • a device with which the filter coefficients to be updated are required can be calculated.
  • the LMS algorithm To this algorithm To realize, either a digital signal processor DSP or a complex ASIC required.
  • the second way is to use a substation-wide Synchronization pulse. Because in a substation the signals provided by the converters usually used by different devices, it is actually never possible to convert a substation into individual ones Disassemble sections in which a common Sampling clock for all output measurands to be synchronized the converter can be used. It always has to entire substation supplied with a central sampling clock In this case, all converters can be synchronized generate sampled values from one another.
  • Fig. 4 shows the image used in the draft standard already mentioned to illustrate the synchronously sampled signals.
  • the draft IEC 61850-9-1 uses a 100 Mbit Ethernet interface proposed.
  • Ethernet interfaces is basically a central sampling clock required for the synchronization of the scanning, because at this transmission method does not have a constant transmission time the converter signals are guaranteed via the Ethernet bus can. This is the one in this draft standard proposed method for digital transmission of Converter signals only around a different implementation variant of the 2. Procedure according to draft standard IEC 60044-8.
  • Both designs are based on the requirements of protection - and Control technology tailored. For transient recording and power Quality measurements are unsuitable for both designs (too low Sample rates).
  • the achievable according to IEC 60044-8 and 61850-9-1 Sampling rates are in the range of 1 ... 5 k samples / s.
  • the required for transient recording and power quality measurements Sampling rates are in the range 5 ... 40 k samples.
  • the invention has for its object the just described to further develop known methods so that it can be Trap allowed to get good results.
  • a method is used to achieve this object for recording and digital transmission of analog Output measurands of several converters to one protection or Field device in which the analog output measured variables each Converter with a sampling rate that is higher than a factor the minimum sampling rate is converted into digital measurands and their transmission is carried out, the factor an integer divisor of the number of filter coefficients one FIR filter each with filter coefficients of the value 1 is in a data concentrator for each converter that digital measurands as a telegram to a data concentrator are transmitted, being assigned from each transducer Buffering with a clock (clock) data in the FIR filters upstream secondary buffers are taken over, the clock from the synchronous character of the respective Telegram and the fixed clock of a clock generator formed and in the data concentrator by means of a multiplexer output buffers downstream of the FIR filters a transmission telegram with a reduced sampling rate digital measured variables of the converter and that Send telegram is transmitted to the protection or field device.
  • the analog output measured variables each Converter with a
  • the process is carried out with the digital measurement variables by means of a isochronous logic arrangement generates a telegram and from one transmitter each to one data receiver at data concentrator transfer.
  • the invention further relates to an arrangement for detection and digital transmission of analog output measurands several converters to a protection or field device and the task arises, which can be gathered from WO 01/45232 known arrangement to upgrade.
  • this object is achieved in one Arrangement for the acquisition and digital transmission of analog Output measurands of several converters to a protection or Field device in which each converter is one with a factor higher than the minimum sample rate selected by the working Analog-digital converter for the formation of digital Measurands is subordinate; where the factor is an integer Divisor of the number of filter coefficients one each FIR filters with filter coefficients of value 1 in a data concentrator is for every converter; the outputs of the analog-to-digital converters stand in with the data concentrator Connection, and at the data concentrator is everyone on the input side Converter assigned a buffer; to the Buffer memories are connected to the are connected on the output side to the FIR filters, and a Multiplexer is subordinate to the FIR filters Output buffer connected; the data concentrator has one connected to the protection or field device Output for sending a send telegram with in your Sampling rate reduced digital measured variables of the converter.
  • the building block PC is another Tx subordinate, which in individual can be constructed like the rest of the Fig. 6 shows with the elements 22, 23, 24 and 25, the Element 2 is a frame logic module, element 23 is a Coding module, the element 24, an optical interface and element 25 represents an electrical interface.
  • the transmission of the digital measurement variables Md at the output of the Building blocks Tx of the arrangement according to FIG. 5 for the data concentrator 26 takes place via fiber optic cables in the form of telegrams first to the data concentrator 26 upstream data receivers Rx, the input side - as shown in Fig. 7 - with Light receivers 30 are equipped.
  • subsequent buffers Buf1 those completely received by the data receiver Rx Telegrams written with the clock of the data receiver Rx.
  • Each data receiver Rx is operated with its own clock. This clock is synchronous to the clock of the connected one Transmitter Tx and is made from the synchronous character of the transmitted telegram generated.
  • the data concentrator 26 also includes FIR filters FIR that buffers Buf2 are each subordinate, which in turn are connected to the buffer Buf1. On the output side, the FIR output buffers are located on the filters Buf 3. The output buffers Buf3 is on Multiplexer 27 downstream.
  • each of the analog-to-digital converter 21 generated digital measured quantities Md isochronous transmitted with the clock of the A / D conversion.
  • the A / D implementation and the transmission of the samples over the optical fibers LWL is done with a factor of m the sampling rate of the output signal A at the output module 28 of the multiplexer 27 higher sampling rate, the factor m an integer divisor of the number of filter coefficients n of the FIR filter FIR is that of reducing the sampling rate the transmitted digital measured variable Md by a factor of m serves. This is achieved by using FIR filters Filter coefficients with the value 1 can be used. It takes place So in the FIR filter a summation of m in each case Values.
  • the data concentrator 26 runs at its own clock Clock operated.
  • This bar is formed from the bar of one Clock generator, not shown, which is asynchronous to the clock the receiver is Rx but has the same frequency.
  • the synchronous signal of the telegram becomes the clock to the respective receiver Rx by using a single clock clock arises whenever the synchronous signal and at the same time an impulse of the not shown Clock generator occurs.
  • Buf2 will synchronize with the clock the data of the complete received telegrams (i.e. the samples of the individual converter) from the buffer store Buf1.
  • the secondary buffers Buf2 contained samples the FIR filter acting as a low pass FIR supplied with filter coefficients of value 1 in order to the sampling rate of the received samples by a factor of m to reduce; this is done in such a way that by means of the FIR filters in cooperation with the output buffers Buf3 an addition of m using a frame of the transmitted sample values.
  • the output signals the FIR filter will be in sync with the clock Clock with a factor of m compared to the clock rate on Post-buffer Buf2 lower sampling rate in the output buffer Buf3 of the data concentrator 26 inscribed.
  • the coefficients of the FIR filter are all set to 1 and added. Only after e.g. 4 samples in the multiplier-add unit of the FIR filters have been added, the sum is given by the filter, so that in the present example a reduction in the sampling rate by a factor of 4.
  • the multiplexer 27 sets one of those in its output latches Buf3 contained, reduced in their sampling rate Samples together a send telegram, the isochronous with the clock on the output block 28 the output channel of the output, not shown Data concentrator 26 is output.
  • the output module can optionally via interfaces according to IEC 60044-8 and IEC 61850-9-1 for connecting third-party devices.
  • the clock of the data concentrator 26 can optionally be a external device can be made available, which by the Multiplexer 27 generated sample values processed.
  • the multiplexer 27 can send a telegram transmitted converter data in a communication module be prepared that one not shown Protection or field device is upstream.
  • the communication module contains an integrated circuit 31 in the form of a Physics IC receiver 8 / 10B coding FC, ATM, FDDI ... and one Module 32 with frame decoder and DPRAM as well as with a programmable, Integrated logic arrangement FPGA or ASIC on; An interface is subordinate to module 32.
  • a resampling of the transmitted data takes place in the protection or field device Samples instead. Since there are no processors in the signal path (Microcontrollers, digital signal processors, ...), finds no temporal influence on the samples through interrupt latency times. The entire signal preprocessing happens exclusively by synchronously clocked Logic. Thanks to high sampling rate rates (> 2 M samples / s) and high transmission rates (> 120 Mbit / s) affect the transmission of the digital measurands for the digital protective device (1 ... 5 ksamples / s) temporally transparent. The attainable Phase error is less than 0.1 °. This reduces the computing effort in the protection and field devices is significant (no computing-intensive procedures like interpolation of the measured values necessary).
  • the implementation of the proposed Process in currently existing devices of this type this greatly simplifies.
  • the use of synchronous clocked logic simplifies the construction of redundancy controls in the data concentrator and in the protection or field device.
  • the transmission links can be used as fiber optic cables or as a shielded two-wire cable (low-cost applications) be designed.
  • optical fibers with simultaneous use of fiber optic fieldbus technology for digital inputs and outputs it becomes possible Protection and field devices with significantly improved EMC properties to realize.
  • VCSEL optical Transmitting diodes
  • passive optical splitter By using modern optical Transmitting diodes (VCSEL) and passive optical splitter is it is possible to connect up to 8 protective or field devices to one Connect data concentrator output.

Abstract

Verfahren zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät die analogen Ausgangsmessgrößen jedes Wandlers (ECT1...EVTBB) mit einer Abtastrate, die um einen Faktor (m) höher als die Mindestabtastrate ist, in digitale Messgrößen (Md) umsetzt und überträgt, wobei der Faktor (m) ein ganzzahliger Teiler der Anzahl (n) der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters (FIR) mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 in einem Datenkonzentrator (26) für jeden Wandler (ECT1...EVTBB) ist. Die digitalen Messgrößen (Md) werden als Telegramm zu einem Datenkonzentrator übertragen, und aus jedem Wandler (ECT1...EVTBB) zugeordneten Zwischenspeichern (Buf1) mit einem Takt (Clock) Daten in den FIR-Filtern (FIR) vorgeordnete Nachzwischenspeicher (Buf2) übernommen, wobei der Takt (Clock) aus dem Synchronzeichen des jeweiligen Telegramms und dem festen Takt eines Taktgenerators gebildet. In dem Datenkonzentrator wird mittels eines Multiplexers (27) aus den FIR-Filtern (FIR) nachgeordneten Ausgangszwischenspeichern (Buf3) ein Sendetelegramm mit in ihrer Abtastrate reduzierten digitalen Messgrößen der Wandler gebildet und zu dem Schutz- oder Feldgerät übertragen. <IMAGE>

Description

Bekanntlich wurde bisher beim Anschluss von Strom- oder Spannungswandlern eine analoge Punkt-zu-Punkt-Verbindung des jeweiligen Wandlers mit dem zugeordneten Schutz- oder Feldgerät realisiert. Jedes Schutz- oder Feldgerät enthielt zu diesem Zweck eine entsprechende Anzahl von Strom - und Spannungseingängen. Die Strom - und Spannungseingänge wurden durch spezielle Klemmen realisiert. Die Abtastung der Eingänge erfolgte gleichzeitig und synchron zum Programmablauf des entsprechenden Schutz - oder Feldgerätes mit einer Rate von z. B.1 ... 5 kAbtastungen/s. Zur galvanischen Entkopplung der Eingänge im Schutz- oder Feldgerät wurden Strom - und Spannungstransformatoren eingesetzt.
Nachteilig an diesem Verfahren bzw. dieser Anordnung sind die hohen erforderlichen Nennscheinleistungen der eingesetzten Wandler, da diese dadurch teuer werden. Deshalb versucht man seit mehreren Jahren, eine neue, leistungsärmere Schnittstelle zu definieren, die eine günstigere Dimensionierung der Wandler gestattet. Zur Zeit existieren Bestrebungen, eine Schnittstelle und einen Telegrammaufbau für die digitale Übertragung von Wandlerdaten festzulegen. Die Normentwürfe IEC 61850-9-1 und IEC 60044-8 sind Resultate dieser Bestrebungen. Beide Normentwürfe benutzen zur Übertragung der Wandlerdaten gleiche Telegramminhalte, aber unterschiedliche Übertragungsphysik. Bei dem Entwurf IEC 60044-8 wird zur Übertragung der Wandlerdaten eine synchrone Seriellschnittstelle mit 2,5 Mbit/s und Manchestercodierung vorgeschlagen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild aus diesen Normentwürfen, die die prinzipielle Anschaltung eines Wandlers 1 mit einem nachgeordneten Umsetzer, beispielsweise einem Analog-Digital-Umsetzer 2 mit zugeordneter Stromversorgung, an eine digitale Übertragungsstrecke 3 zeigen. Diese Normentwürfe sehen eine exakt definierte Übertragungszeit für ein Telegramm mit Abtastwerten vor. Es wird die Zeit zwischen dem Abtasten der analogen Ausgangsmessgröße des jeweiligen Wandlers und dem Empfang des Telegramms mit den Abtastwerten definiert. Sekundäre Umsetzer 4 und 5 sind zur Anpassung vorgesehen.
Wie Fig. 2 erkennen lässt, wird in den Normentwürfen vorgeschlagen, die digitalen Messgrößen der Wandler für einen Abzweig in beispielsweise einem Umspannwerk mit Hilfe einer sogenannten "merging unit", einem Datenkonzentrator 10, zusammenzufassen. Der Datenkonzentrator 10 gibt an einem Ausgang 11 ein Telegramm mit den digitalen Messgrößen an ein nicht gezeigtes Schutz- oder Feldgerät ab und ist über einen Hilfseingang 12 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Taktgeber verbunden. In Fig. 2 sind die Elemente 1 und 2 gemäß Fig. 1 jeweils mit PC und die Elemente 4 und 5 mit SC bezeichnet.
Im Falle einer digitalen Übertragung der aus den Ausgangsmessgrößen der Wandler gebildeten digitalen Messgröße an den Datenkonzentrator wird von einer äquidistanten Abtastung der einzelnen analogen Ausgangsmessgrößen der Wandler ausgegangen. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass eine Zeitsynchronisierung der Abtastung der Ausgangsmessgrößen der verschiedenen Strom- und Spannungswandler auch aus unterschiedlichen Abzweigen des Umspannwerkes erforderlich ist. Es bieten sich zwei Wege zur Synchronisierung der Abtastung an:
Der erste Weg könnte eine Benutzung des Interpolationsverfahrens sein. Dabei werden die unterschiedlichen, bekannten Zeitverzögerungen zwischen dem Abtasten der in Datagrammen verschickten Abtastwerte der Ausgangsmessgrößen und dem Empfang der Datagramme in dem Datenkonzentrator und die messbare Verzögerung zwischen dem Empfang der verschiedenen Datagramme der einzelnen Wandler dazu benutzt, um jedem empfangenen Abtastwert einen mikrosekundengenauen Abtastzeitpunkt zuzuordnen. Anschließend wird zwischen den einzelnen Abtastwerten interpoliert, um alle empfangenen Abtastwerte auf einen gemeinsamen Abtastzeitpunkt umzurechnen. Fig. 3 illustriert diesen Sachverhalt. Diese Fig. ist dem o.g. Normentwurf entnommen.
Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe Aufwand für die auf ca. 100ns genaue Zeitstempeleinrichtung für die empfangenen Datagramme und die erforderliche Einrichtung zur Interpolation der abgetasteten Signale in Echtzeit. Wird für die Interpolation ein Interpolationspolynom (z. B. rekursive Splines- Interpolation 3. Ordnung) verwendet, wird durch die Interpolation ein zusätzlicher Interpolationsfehler verursacht. Das Ergebnis der Interpolation lässt sich nicht mehr mit einer linearen Übertragungsfunktion beschreiben, d.h. der verwendete Algorithmus ist nichtlinear. Alternativ können für die Interpolation auch adaptive Filter eingesetzt werden. In diesem Fall wirkt sich die relativ hohe Gruppenlaufzeit der praktisch realisierbaren Allpassfilter (oder Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz deutlich höher als die zu nutzende Bandbreite) ungünstig aus. Weiterhin wird zum Nachführen der adaptiven Filter in diesem Fall eine Einrichtung benötigt, mit der die nachzuführenden Filterkoeffizienten berechnet werden können. Für diesen Zweck eignet sich z.B. der LMS- Algorithmus. Um diesen Algorithmus zu realisieren, wird entweder ein digitaler Signalprozessor DSP oder ein komplexes ASIC benötigt.
Der zweite Weg besteht in der Nutzung eines umspannwerksweiten Synchronisationsimpulses. Da in einem Umspannwerk die von den Wandlern bereitgestellten Signale üblicherweise von verschiedenen Geräten benutzt werden, ist es eigentlich nie möglich, ein Umspannwerk in einzelne Abschnitte zu zerlegen, in denen ein gemeinsamer Abtasttakt für alle zu synchronisierenden Ausgangsmessgrößen der Wandler benutzt werden kann. Es muss immer das gesamte Umspannwerk mit einem zentralen Abtasttakt versorgt werden In diesem Fall können alle Wandler synchron zueinander abgetastete Abtastwerte erzeugen. Fig. 4 zeigt das in dem bereits genannten Normentwurf verwendete Bild zur Illustration der synchron abgetasteten Signale.
Verfahren, die mit einem zentralen Takt zur Synchronisierung der Abtastung verschiedener Wandler arbeiten, sind aus Zuverlässigkeitsgründen grundsätzlich problematisch, da bei einem Ausfall des zentralen Taktes alle Wandlersignale des gesamten Umspannwerkes gemeinsam ausfallen. Redundanzkonzepte können dieses grundsätzliche Problem nur verschleiern, da für die Synchronisation der Abtastung der zu verwendende Takt immer an einer zentralen Stelle erzeugt werden muss. Weiterhin ist bei diesem Verfahren grundsätzlich eine bidirektionale Verbindung an den einzelnen Wandlern erforderlich.
Bei dem Entwurf IEC 61850-9-1 wird eine 100 Mbit Ethernet-Schnittstelle vorgeschlagen. Bei einer Anwendung von Ethernet-Schnittstellen ist grundsätzlich ein zentraler Abtasttakt für die Synchronisierung der Abtastung erforderlich, da bei diesem Übertragungsverfahren keine konstante Übertragungszeit der Wandlersignale über den Ethernet-Bus garantiert werden kann. Damit handelt es sich bei dem in diesem Normentwurf vorgeschlagenen Verfahrens zur digitalen Übertragung von Wandlersignalen nur um eine andere Realisierungsvariante des 2. Verfahrens nach dem Normentwurf IEC 60044-8.
Beide Entwürfe sind auf die Anforderungen von Schutz - und Leittechnik zugeschnitten. Für Transientenrecording und Power Quality Messungen sind beide Entwürfe ungeeignet (zu geringe Abtastraten). Die nach IEC 60044-8 und 61850-9-1 erreichbaren Abtastraten liegen im Bereich von 1 ... 5 kAbtastungen/s. Die für Transientenrecording und Power Quality Messungen erforderlichen Abtastraten liegen im Bereich 5 ... 40 kAbtastungen. Diese beiden Entwürfe beschreiben nur die Schnittstelle zwischen Schaltanlage und Schutz- bzw. Feldgerät. Die Erfassung und Synchronisierung der Wandlerdaten aufeinander bleibt in diesen Lösungsvorschlägen offen.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 01/45232 ist ein Verfahren zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät bekannt, bei dem die analogen Ausgangsmessgrößen jedes Wandlers in digitale Messgrößen umgesetzt werden, die zu einem Datenkonzentrator übertragen werden; in dem Datenkonzentrator wird ein Telegramm mit den digitalen Messgrößen der Wandler mit einer vorgegebenen Mindestabtastrate gebildet und es wird das Telegramm zu dem Schutz- oder Feldgerät übertragen, mit einer Abtastrate, die um einen Faktor m höher als die Mindestabtastrate ist, die analogen Ausgangsmessgrößen in die digitalen Messgrößen umgesetzt sowie deren Übertragung vorgenommen wird, wobei der Faktor m ein ganzzahliger Teiler der Anzahl n der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters (FIR) im Datenkonzentrator für jeden Wandler ist, aus jedem Wandler zugeordneten Zwischenspeichern mit dem Takt (Clock) eines Taktgebers des Datenkonzentrators Daten in den FIR-Filtern (FIR) vorgeordnete Nachzwischenspeicher übernommen werden und mittels eines Multiplexers aus den FIR-Filtern (FIR) nachgeordneten Ausgangszwischenspeichern das Telegramm zusammengestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eben beschriebene bekannte Verfahren so fortzuentwickeln, dass es in jedem Falle gute Ergebnisse zu erzielen gestattet.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß ein Verfahren zum Erfassung und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz -oder Feldgerät, bei dem die analogen Ausgangsmessgrößen jedes Wandlers mit einer Abtastrate, die um einen Faktor höher als die Mindestabtastrate ist, in digitale Messgrößen umgesetzt sowie deren Übertragung vorgenommen wird, wobei der Faktor ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 in einem Datenkonzentrator für jeden Wandler ist, die digitalen Messgrößen als Telegramm zu einem Datenkonzentrator übertragen werden, wobei aus jedem Wandler zugeordneten Zwischenspeichern mit einem Takt (Clock) Daten in den FIR-Filtern vorgeordnete Nachzwischenspeicher übernommen werden, der Takt (Clock) aus dem Synchronzeichen des jeweiligen Telegramms und dem festen Takt eines Taktgenerators gebildet wird, und in dem Datenkonzentrator mittels eines Multiplexers aus den FIR-Filtern nachgeordneten Ausgangszwischenspeichern ein Sendetelegramm mit in ihrer Abtastrate reduzierten digitalen Messgrößen der Wandler gebildet und das Sendetelegramm zu dem Schutz- oder Feldgerät übertragen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit den digitalen Messgrößen mittels einer taktsynchronen Logikanordnung ein Telegramm erzeugt und von jeweils einem Sender zu jeweils einem Datenempfänger an Datenkonzentrator übertragen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anordnung zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät und stellt sich die Aufgabe, die aus der WO 01/45232 entnehmbare bekannte Anordnung zu ertüchtigen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Anordnung zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät, bei der jedem Wandler ein mit einer um einen Faktor höher als die Mindestabtastrate gewählten Abtastrate arbeitender Analog-Digital-Umsetzer zur Bildung digitaler Messgrößen nachgeordnet ist; wobei der Faktor ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 in einem Datenkonzentrator für jeden Wandler ist; die Ausgänge der Analog-Digital-Umsetzer stehen mit dem Datenkonzentrator in Verbindung, und am Datenkonzentrator ist eingangsseitig jedem Wandler ein Zwischenspeicher zugeordnet; an die Zwischenspeicher sind Nachzwischenspeicher angeschlossen, die ausgangsseitig mit den FIR-Filtern verbunden sind, und ein Multiplexer ist an den FIR-Filtern nachgeordnete Ausgangszwischenspeicher angeschlossen; der Datenkonzentrator weist einen mit dem Schutz- oder Feldgerät verbundenen Ausgang zur Absendung eines Sendetelegramms mit in ihrer Abtastrate reduzierten digitalen Messgrößen der Wandler auf.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind vorteilhafterweise dem jeweiligen Analog-Digital-Umsetzer eine taktsynchrone Logikanordnung zur Bildung eines Telegramms und ein Sender nachgeordnet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
  • Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, in
  • Fig. 6 ein detaillierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Primarteils mit den Elementen PC und Tx des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 und in
  • Fig. 7 ein detailliertes Ausführungsbeispiel eines Eingangsteils eines an die Anordnung gemäß Fig. 5 angeschlossenen, selbst nicht dargestellten Schutz- oder Feldgerätes dargestellt.
    • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 werden die von (nicht gezeigten) Wandlern ECT1 bis EVTBB gelieferten analogen Ausgangsmessgrößen in jeweils einem Baustein PC mit einer analogen Eingangsschaltung 20 und einem Analog-Digital-Umsetzer 21 (vgl. Fig. 6) abgetastet und gewandelt. Dem Baustein PC ist ein weiterer Baustein Tx nachgeordnet, der im einzelnen so aufgebaut sein kann, wie es der übrige Teil der Fig. 6 mit den Elementen 22, 23, 24 und 25 zeigt, wobei das Element 2 einen Rahmen-Logik-Baustein, das Element 23 einen Kodierbaustein, das Element 24 ein optisches Interface und das Element 25 ein elektrisches Interface darstellt.
    Die Übertragung der digitalen Messgrößen Md am Ausgang der Bausteine Tx der Anordnung nach Fig. 5 zum Datenkonzentrator 26 erfolgt über Lichtwellenleiter LWL in Form von Telegrammen zunächst zu dem Datenkonzentrator 26 vorgeordneten Datenempfängern Rx, die eingangsseitig - wie Fig. 7 zeigt - mit Lichtempfängern 30 ausgerüstet sind. In den sich an die Datenempfänger Rx anschließenden Zwischenspeichern Buf1 werden die jeweils vom Datenempfänger Rx vollständig empfangenen Telegramme mit dem Takt des Datenempfängers Rx eingeschrieben. Jeder Datenempfänger Rx wird mit einem eigenen Takt betrieben. Dieser Takt ist synchron zum Takt des angeschlossenen Senders Tx und wird aus dem Synchronzeichen des jeweils übertragenen Telegramms erzeugt.
    Der Datenkonzentrator 26 enthält ferner FIR-Filter FIR, die jeweils Nachzwischenspeichern Buf2 nachgeordnet sind, die ihrerseits an die Zwischenspeicher Buf1 angeschlossen sind. Ausgangsseitig liegen an den Filtern FIR Ausgangszwischenspeicher Buf3. Den Ausgangszwischenspeichern Buf3 ist ein Multiplexer 27 nachgeordnet.
    Mit diesem Aufbau werden die jeweils von dem Anlog-Digital-Umsetzer 21 erzeugten digitalen Messgrößen Md taktsynchron mit dem Takt der A/D-Wandlung übertragen. Die A/D- Umsetzung und die Übertragung der Abtastwerte über die Lichtwellenleiter LWL erfolgt dabei mit einer um einen Faktor m gegenüber der Abtastrate des Ausgangssignals A am Ausgangsbaustein 28 des Multiplexers 27 höheren Abtastrate, wobei der Faktor m ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Filterkoeffizienten n des FIR- Filters FIR ist, das der Reduktion der Abtastrate der übertragenen digitalen Messgröße Md um den Faktor m dient. Dies ist dadurch bewirkt, dass jeweils FIR-Filter mit Filterkoeffizierten mit dem Wert 1 verwendet werden. Es erfolgt also in dem FIR-Filter eine Summierung von jeweils m Werten. Der Datenkonzentrator 26 wird mit einem eigenen Takt Clock betrieben. Dieser Takt ist gebildet aus dem Takt eines nicht dargestellten Taktgenerators, der asynchron zum Takt der Empfänger Rx ist, aber die gleiche Frequenz hat. Außerdem wird zur Bildung des Taktes Clock das Synchronsignal des Telegramms zum jeweiligen Empfänger Rx herangezogen, indem ein einzelner Takt Clock jeweils dann entsteht, wenn das Synchronsignal und gleichzeitig ein Impuls des nicht dargestellten Taktgenerators auftritt. In alle Nachzwischenspeicher Buf2 werden synchron mit dem Takt Clock die Daten der vollständig empfangenen Telegramme (also die Abtastwerte der einzelnen Wandler) aus dem Zwischenspeicher Buf1 übernommen. Anschließend werden alle in den Nachzwischenspeichern Buf2 enthaltenen Abtastwerte dem als ein Tiefpass wirkenden FIR-Filter FIR mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 zugeführt, um die Abtastrate der empfangenen Abtastwerte um den Faktor m zu reduzieren; dies geschieht in der Weise, dass mittels des FIR-Filters im Zusammenwirken mit den Ausgangszwischenspeichern Buf3 eine Addition von m mittels jeweils eines Rahmen der Telegramme übertragenen Abtastwerte erfolgt. Die Ausgangssignale der Filter FIR werden synchron mit dem Takt Clock mit einer um den Faktor m gegenüber der Taktrate am Nachzwischenspeicher Buf2 niedrigeren Abtastrate in die Ausgangszwischenspeicher Buf3 des Datenkonzentrators 26 eingeschrieben.
    Zur Reduktion der Abtastrate werden z.B. die Koeffizienten des FIR-Filters alle auf 1 gesetzt und addiert. Erst nachdem z.B. 4 Abtastwerte in der Multiplizier-Addier-Einheit des FIR-Filters addiert wurden, wird die Summe vom Filter abgegeben, so dass im vorliegenden Beispiel eine Reduktion der Abtastrate um den Faktor 4 erfolgt ist.
    Der Multiplexer 27 stellt ein aus den in seinen Ausgangszwischenspeichern Buf3 enthaltenen, in ihrer Abtastrate reduzierten Abtastwerten ein Sendetelegramm zusammen, das taktsynchron mit dem Takt Clock über den Ausgangsbaustein 28 auf den nicht gezeigten ausgangsseitigen Übertragungskanal des Datenkonzentrators 26 ausgegeben wird. Der Ausgangsbaustein kann optional über Schnittstellen nach IEC 60044-8 und IEC 61850-9-1 zum Anschluss von Fremdgeräten verfügen. Weiterhin kann der Takt Clock des Datenkonzentrators 26 optional einem externen Gerät zur Verfügung gestellt werden, das die vom Multiplexer 27 generierten Abtastwerte verarbeitet.
    Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also durch "Überabtasten" der analogen Ausgangsmessgrößen der Wandler und synchrones "Hinunterabtasten" im Datenkonzentrator 26 der Phasenfehler der Abtastungen minimiert. Durch das Hinunterabtasten im Datenkonzentrator 27 wird eine Erhöhung der Auflösung der Samples erreicht.
    Wie die Fig. 7 zeigt, können die vom Multiplexer 27 als Sendetelegramm übermittelten Wandlerdaten in einem Kommunikationsmodul vorbereitet werden, das einem nicht dargestellten Schutz- oder Feldgerät vorgeordnet ist. Das Kommunikationsmodul enthält eine integrierte Schaltung 31 in Form eines Physik-IC-Receiver 8/10B Kodierung FC, ATM, FDDI... und einen Baustein 32 mit Rahmendekoder und DPRAM sowie mit einer programmierbaren, integrierten Logik-Anordnung FPGA oder ASIC auf; dem Baustein 32 ist ein Interface nachgeordnet.
    Im Schutz- oder Feldgerät findet ein Resampling der übertragenen Abtastwerte statt. Da sich im Signalweg keine Prozessoren (Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, ...) befinden, findet keine zeitliche Beeinflussung der Abtastungen durch Interruptlatenzzeiten statt. Die gesamte Signalvorverarbeitung geschieht ausschließlich durch synchron getaktete Logik. Durch hohe Abtastratenraten ( > 2 MAbtastungen/s) und hohe Übertragungsraten ( > 120 Mbit / s) wirkt die Übertragung der digitalen Messgrößen zum digitalen Schutzgerät (1 ... 5 kAbtastungen/s) zeitlich transparent. Der erreichbare Phasenfehler ist dabei kleiner als 0,1°. Dadurch reduziert sich der Rechenaufwand in den Schutz- und Feldgeräten wesentlich (keine rechenzeitintensive Verfahren wie Interpolation der Messwerte notwendig). Die Implementierung des vorgeschlagenen Verfahrens in zur Zeit existierende Geräte dieser Art vereinfacht sich dadurch wesentlich. Der Einsatz von synchron getakteter Logik vereinfacht den Aufbau von Redundanzsteuerungen im Datenkonzentrator und im Schutz- oder Feldgerät. Die Übertragungsstrecken können als Lichtwellenleiter-Kabel oder als geschirmte Zweidrahtleitung (low - cost Anwendungen) ausgelegt sein. Beim Einsatz von Lichtwellenleitern, bei gleichzeitiger Verwendung von Lichtwellenleiter-Feldbustechnik für digital Ein- und Ausgänge wird es möglich, Schutz- und Feldgeräte mit wesentlich verbesserten EMV - Eigenschaften zu realisieren. Durch Verwendung moderner optischer Sendedioden (VCSEL) und passiver optischer Splitter ist es möglich, bis zu 8 Schutz- oder Feldgeräte an einen Datenkonzentrator-Ausgang anzuschließen.

    Claims (4)

    1. Verfahren zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät, bei dem
      die analogen Ausgangsmessgrößen jedes Wandlers (ECT1...EVTBB) mit einer Abtastrate, die um einen Faktor (m) höher als die Mindestabtastrate ist, in digitale Messgrößen (Md) umgesetzt werden sowie deren Übertragung vorgenommen wird,
      wobei der Faktor (m) ein ganzzahliger Teiler der Anzahl (n) der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters (FIR) mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 in einem Datenkonzentrator (26) für jeden Wandler (ECT1...EVTBB) ist,
      die digitalen Messgrößen (Md) als Telegramm zu einem Datenkonzentrator übertragen werden,
      aus jedem Wandler (ECT1...EVTBB) zugeordneten Zwischenspeichern (Buf1) mit einem Takt (Clock) Daten in den FIR-Filtern (FIR) vorgeordnete Nachzwischenspeicher (Buf2) übernommen werden,
      wobei der Takt (Clock) aus dem Synchronzeichen des jeweiligen Telegramms und dem festen Takt eines Taktgenerators gebildet wird, und
      in dem Datenkonzentrator mittels eines Multiplexers (27) aus den FIR-Filtern (FIR) nachgeordneten Ausgangszwischenspeichern (Burf3) ein Sendetelegramm mit in ihrer Abtastrate reduzierten digitalen Messgrößen der Wandler gebildet wird und
      das Sendetelegramm zu dem Schutz- oder Feldgerät übertragen wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      mit den digitalen Messgrößen (Md) mittels einer taktsynchronen Logikanordnung jeweils ein Telegramm erzeugt und von jeweils einem Sender zu jeweils einem Datenempfänger (Rx) am Datenkonzentrator (26) übertragen wird.
    3. Anordnung zum Erfassen und digitalen Übertragen von analogen Ausgangsmessgrößen mehrerer Wandler zu einem Schutz- oder Feldgerät, bei der
      jedem Wandler (ETCT1...EVTBB) ein mit einer um einen Faktor (m) höher als die Mindestabtastrate gewählten Abtastrate arbeitender Analog-Digital-Umsetzer (21) zur Bildung digitaler Messgrößen nachgeordnet ist,
      wobei der Faktor (m) ein ganzzahliger Teiler der Anzahl (n) der Filterkoeffizienten jeweils eines FIR-Filters (FIR) mit Filterkoeffizienten des Wertes 1 in einem Datenkonzentrator (26) für jeden Wandler (ECT1...EVTBB) ist,
      die Ausgänge der Analog-Digital-Umsetzer (21) mit dem Datenkonzentrator (26) in Verbindung stehen,
      am Datenkonzentrator (26) eingangsseitig jedem Wandler (ECT1...EVTBB)ein Zwischenspeicher (Buf1) zugeordnet ist,
      an die Zwischenspeicher (Buf1) Nachzwischenspeicher (Buf2) angeschlossen sind, die ausgangsseitig mit den FIR-Filtern (FIR) verbunden sind,
      ein Multiplexer (27) an den FIR-Filtern (FIR) nachgeordnete Ausgangszwischenspeicher (Buf3) angeschlossen ist und
      der Datenkonzentrator (26) einen mit dem Schutz- oder Feldgerät verbundenen Ausgang zur Absendung eines Sendetelegramms mit in ihrer Abtastrate reduzierten digitalen Messgrößen (Md) der Wandler (ECT1...EVTBB)aufweist.
    4. Anordnung nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      dem jeweiligen Analog-Digital-Umsetzer (21) eine taktsynchrone Logikanordnung zur Bildung eines Telegramms und ein Sender (Tx) nachgeordnet sind.
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