对来自对应的测量设备的信号相位进行时间同步的方法和系统

申请号 CN201180015742.6 申请日 2011-03-16 公开(公告)号 CN102859334B 公开(公告)日 2016-02-03
申请人 魁北克水电公司; 发明人 S·里恩德奥; F·莱奥纳德; P·皮彻尔; M·高文; H·贝尔特兰德; L·杜邦;
摘要 根据本 发明 ,各自对其 信号 进行 采样 时不共享一个单一时钟的测量设备之间的 相位 的时间同步是通过对时间 块 中的信号的样本进行时间标记并随后对分组时间块中的信号的所感兴趣的分量的相位值进行调整来执行的,从而使得所述值被称为测量设备之间的公共的时间参考。该标记过程是通过测量设备可获得的一个 同步信号 、以及由每个设备的参考时钟操作的一个计数器提供的计数值来执行的。
权利要求

1.一种用于对来自对应的测量设备的信号相位进行时间同步的方法,该方法包括以下步骤:
对于每个测量设备:
接收每个测量设备的可获得的一个同步信号
产生一个具有高于该同步信号的速率的参考时钟信号
响应于该参考时钟信号来运行一个计数器,以产生多个计数值;
使用该计数器提供的这些计数值完成该同步信号;
选择至少一个时间,该时间块在来自该测量设备的信号中具有有限的样本;
使用已完成的同步信号建立每个时间块的至少两个样本的时间位置
估算来自该测量设备的信号的至少一个分量在每个时间块中的相位值及时间特征;
为每个时间块分配一个衍生自该已完成的同步信号的时间标签;并且
为每个时间块产生代表该至少一个分量、该相位值、该时间特征、该时间位置及该时间标签的数据;并且
对于所有的测量设备:
对与这些时间块相关的数据进行重组,这些时间块在用作公共时间参考的相同时间标签下具有类似的时间标签;并且
根据对应的公共时间参考及相应的时间位置,为来自这些测量设备的信号的相位的时间同步计算该至少一个分量在这些时间块中的新的相位值。
2.根据权利要求1所述的方法,其中由该计数器提供的这些计数值基于该参考时钟信号的一个循环元,响应于在该同步信号中的一个时间标记来操作该计数器从而改变该计数值或者计数方向,在该时间标记出现时的样本的时间位置与这些相应的计数值是相关的。
3.根据权利要求2所述的方法,其中该至少两个样本具有相对于该时间块的具体位置。
4.根据权利要求3所述的方法,其中这些具体位置与该时间块的第一个和最后一个样本之一相对应,并且与一个对应于在该同步信号中的时间标记的样本相对应。
5.根据权利要求1所述的方法,进一步包括以下步骤:接收每个测量设备可获得的一个时间信号,并且其中被分配到每个时间块的时间标签基于一个时间测量单元,该时间测量单元是由在该同步信号中的一个时间标记出现时的时间信号所指示的。
6.根据权利要求5所述的方法,其中该同步信号及该时间信号衍生自一个相同的信号。
7.根据权利要求1所述的方法,其中来自该测量设备的该信号的该至少一个分量的时间特征被估算为该时间块的样本的时间位置的函数。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所估算的相位值被调整为与该时间块的时间标签相对应的时间位置的函数。
9.根据权利要求1所述的方法,其中通过在一个表示域中执行来自该测量设备的信号的变换来获得该至少一个分量,在该表示域中该至少一个分量是可辨别的。
10.根据权利要求9所述的方法,其中该变换是以下各项之一:傅立叶变换、小波分析及周期平稳特性分析,并且该至少一个分量的时间特征分别是频率、比例及周期性。
11.根据权利要求9所述的方法,进一步包括以下步骤:在每个经历该变换的时间块上应用一个谱窗。
12.根据权利要求1所述的方法,其中这些类似的时间标签是根据一个预先确定的相似性准则确定的。
13.根据权利要求1所述的方法,其中来自这些测量设备中的一些的信号使用这些测量设备之一的所述同步信号或所述参考时钟信号进行处理。
14.根据权利要求1所述的方法,其中该同步信号衍生自一个GPS。
15.根据权利要求1所述的方法,进一步包括以下初始步骤中的至少一个:
对来自这些测量设备的信号进行滤波;
对来自这些测量设备的信号进行放大;
对来自这些测量设备的信号进行积分或微分;
对来自这些测量设备的信号进行抽取
对于提供模拟信号的每个测量设备,将来自该测量设备的模拟信号数字化为一个数字信号;并且
使来自这些测量设备的模拟信号通过一个电绝缘层。
16.根据权利要求1所述的方法,进一步包括以下步骤:在用在损耗期间由该计数器提供的计数值完成损耗之前,根据同步信号检测将要被估算的至少一个分量的同步信号、相位值及时间特征的时间损耗。
17.根据权利要求16所述的方法,其中该损耗由若干标准偏差相对于每个在时间上定位的时间块的样本之一的计数值的滑动平均值的计数差异来检测的。
18.根据权利要求1所述的方法,进一步包括以下步骤:在每个时间块中对来自测量设备的信号的该至少一个分量的振幅值进行估算,该振幅值被添加到为每个时间块产生的数据中。
19.根据权利要求1所述的方法,其中该数据在一个预先确定的时间间隔中响应于一个命令或在每次一个产生的新数据集到达时被重组。
20.根据权利要求1所述的方法,其中每个公共时间参考由一个预先确定的值所限定,该预先确定的值与重组块、这些重组块的时间标签之一、或者这些重组块的时间标签的时间平均值相对应的一个标签相关联。
21.根据权利要求1所述的方法,对于所有的测量设备,进一步包括以下步骤:
收集在该同步信号中与这些时间标记重合的时间块中的样本的连续计数值;并且校正在这些时间块中观察到的该至少一个分量的相位值及时间特征,这些时间块具有相同的时间标签,该相同的时间标签来自新的计数值,这些计数值是通过对这些收集的计数值应用一个数字滤波器所产生的。
22.根据权利要求21所述的方法,其中该数字滤波器是一个有限或者无限脉冲响应滤波器
23.根据权利要求21所述的方法,对于所有的测量设备,进一步包括以下步骤:
通过对所收集的计数值进行插值,生成一个时间传递函数,该时间传递函数将新的过滤后的计数值转换为由一个恒定频率参考时钟操作的计数器所提供的一个计数值,该恒定频率参考时钟在该同步信号中的一个时间标记出现时展示一个恒定的计数值;
对这些新的计数值应用该传递函数以对其进行校正;
使用该恒定的计数值以校正这些样本的时间位置;并且
从该恒定的计数值及校正后的时间位置重新计算从这些具有相同的时间标签的时间块中观察到的该至少一个分量的相位值及时间特征。
24.根据权利要求1所述的方法,进一步包括以下步骤,对于所有的测量设备:
检测用于产生与来自这些测量设备之一的信号相关的该同步信号的时间损耗;并且通过考虑与在损耗前后在该同步信号中的这些时间标记重合的计数值并且通过对遗漏的计数值进行插值来重新计算损耗期间的数据,用于计算与重新计算后的数据相对应的新的相位值。
25.根据权利要求1所述的方法,对于所有的测量设备,进一步包括以下步骤:
基于重组块的分量的相位值,连续估算相差的时间差;
计算这些连续估算的标准偏差;并且
取决于相应的标准偏差是否超过一个预先确定的拒绝限而使一个测量无效。
26.一种用于来自对应的测量设备的信号的相位的时间同步的系统,该系统包括:
对于每个测量设备,一个相位测量单元,该相位测量单元包括:
一个接收每个相位测量单元可获得的同步信号的接收器;
一个产生具有高于该同步信号的速率的参考时钟信号的时钟;
一个处理单元;以及
对于所有的测量设备,一个相位处理单元,该相位处理单元包括一个处理单元;
每个相位测量单元的处理单元被配置成用于接收来自相应的测量设备的信号、接收该同步信号、接受该参考时钟信号、提供一个响应于该参考时钟信号运行从而产生计数值的计数器、使用该计数器提供的计数值完成该同步信号、选择至少一个在来自该测量设备的信号中具有有限样本数的时间块、使用所完成的同步信号建立每个时间块的至少两个样本的时间位置、估算来自该测量设备的信号的至少一个分量在每个时间块中的相位值及时间特征、并且产生代表该至少一个分量、该相位值、该时间特征、及这些时间位置的数据;
每个相位测量单元及该相位处理单元之一的处理单元被配置成用于为每个时间块分配一个衍生自该完成的同步信号的时间标签,该时间标签形成与每个时间块相关的部分数据;并且
该相位处理单元的处理单元被配置成用于对这些在用作公共时间参考的相同时间标签下具有类似的时间标签的时间块相关的数据进行重组,并且根据对应的公共时间参考及相应的时间位置,为来自这些测量设备的信号的相位的时间同步计算在这些时间块中的该至少一个分量的新的相位值。
27.根据权利要求26所述的系统,其中由该计数器提供的这些计数值基于该参考时钟信号的一个循环元,响应于在该同步信号中的一个时间标记来操作该计数器从而改变该计数值或者计数方向,在该时间标签出现时的这些样本的时间位置与这些相应的计数值是相关的。
28.根据权利要求26所述的系统,其中该至少两个样本具有相对于该时间块的具体位置。
29.根据权利要求28所述的系统,其中这些具体位置与所述时间块的第一个和最后一个样本之一相对应,并且与一个对应于在该同步信号中的时间标记的样本相对应。
30.根据权利要求26所述的系统,其中每个相位测量单元的处理单元被配置成用于接收每个测量设备可获得的一个时间信号,并且被分配到每个时间块的时间标签基于一个时间测量单元,该时间测量单元是由在该同步信号中的在一个时间标记出现时的时间信号所指示的。
31.根据权利要求30所述的系统,其中该同步信号及该时间信号衍生自一个相同的信号。
32.根据权利要求26所述的系统,其中该信号的该至少一个分量的时间特征被估算为该时间块的样本的时间位置的函数。
33.根据权利要求26所述的系统,其中所估算的相位值被调整为与该时间块的时间标签相对应的时间位置的函数。
34.根据权利要求26所述的系统,其中每个相位测量单元的处理单元被配置用于通过在一个表示域中执行来自该测量设备的信号的变换获得该至少一个分量,在该表示域中该至少一个分量是可辨别的。
35.根据权利要求34所述的系统,其中该变换是以下各项之一:傅立叶变换、小波分析及周期平稳特性分析,并且该至少一个分量的时间特征分别是频率、比例及周期性。
36.根据权利要求34所述的系统,其中每个相位测量单元的处理单元被配置成用于对每个经历该变换的时间块应用一个谱窗。
37.根据权利要求26所述的系统,其中这些类似的时间标签是根据一个预先确定的相似性准则确定的。
38.根据权利要求26所述的系统,其中一组相位测量单元通过一条公共总线共享一个相同的接收器及一个相同的时钟中的至少一个,该公共总线处于该相同的接收器及该相同的时钟中的至少一个与该组相位测量单元的处理单元之间。
39.根据权利要求26所述的系统,其中每个相位测量单元及该相位处理单元包括连接到一个网络上的对应的通信接口
40.根据权利要求26所述的系统,其中该接收器是一个GPS接收器。
41.根据权利要求26所述的系统,对于每个相位测量单元,进一步包括至少以下各项之一:
一个对来自这些测量设备的信号进行滤波的滤波器;
一个对来自这些测量设备的信号进行放大的放大器
对来自这些测量设备的信号进行积分或微分的一个积分器或一个差分器;
一个对来自这些测量设备的信号进行抽取的抽取器;
对于提供模拟信号的每个测量单元,一个把来自该测量设备的模拟信号数字化为数字信号的模数转换器;以及
一个使相位测量单元与相应的测量设备绝缘的电镀绝缘层。
42.根据权利要求26所述的系统,其中该相位处理单元的处理单元被配置成用于在其计数器在损耗过程中所提供的计数值完成损耗之前根据其同步信号为这些相位测量单元中的任何一个检测同步信号的时间损耗、检测由有待估算的有缺陷的相位测量单元估算的至少一个分量的相位值及时间特征。
43.根据权利要求42所述的系统,其中该损耗由若干标准偏差相对于每个在时间上定位的时间块的样本之一的计数值的滑动平均值的计数差异来检测。
44.根据权利要求42所述的系统,其中每个相位测量单元的处理单元被配置成用于增加代表每个时间块的同步状态或者由该接收器发射到为每个时间块产生的数据的状态的数据。
45.根据权利要求26所述的系统,其中每个相位测量单元的处理单元被配置成用于对在每个时间块中来自测量设备的信号的该至少一个分量的振幅值进行估算,该振幅值被添加到为每个时间块产生的数据中。
46.根据权利要求26所述的系统,其中该数据在一个预先确定的时间间隔中响应于一个命令或在每次这些相位测量单元产生的新数据集到达时被重组。
47.根据权利要求26所述的系统,其中每个公共时间参考由一个预先确定的值所限定,该预先确定的值与重组块、这些重组块的时间标签之一、或者这些重组块的时间标签的时间平均值相对应的一个标签相关联。
48.根据权利要求26所述的系统,其中该相位处理单元的处理单元被配置成用于:
收集在该同步信号中与这些时间标记重合的时间块中的样本的连续计数值;并且校正在时间块中观察到的该至少一个分量的相位值及时间特征,这些时间块具有相同的时间标签,该相同的时间标签来自新的计数值,这些新的计数值是由在这些收集的计数值上应用一个数字滤波器而产生的。
49.根据权利要求48所述的系统,其中该数字滤波器是一个有限或者无限脉冲响应滤波器。
50.根据权利要求48所述的系统,其中该相位处理单元的处理单元被配置成用于:
通过对所收集的计数值进行插值,生成一个时间传递函数,该时间传递函数将新的过滤后的计数值转换为由一个恒定频率参考时钟操作的计数器所提供的一个计数值,该恒定频率参考时钟在该同步信号中的一个时间标记出现时展示一个恒定的计数值;
对这些新的计数值应用该传递函数以对其进行校正;
使用该恒定的计数值以校正这些样本的时间位置;并且
从该恒定的计数值及校正后的时间位置重新计算从这些具有相同的时间标签的时间块中观察到的该至少一个分量的相位值及时间特征。
51.根据权利要求26所述的系统,其中该相位处理单元的处理单元被配置成用于:
检测用于产生与来自这些测量设备之一的信号相关的该同步信号的时间损耗;并且通过在该损耗前后考虑与在该同步信号中的这些时间标记重合的计数值并且通过对遗漏的计数值进行插值来重新计算在该损耗中的数据,用于计算这些与重新计算后的数据相对应的新的相位值。
52.根据权利要求26所述的系统,其中该相位处理单元的处理单元被配置成用于:
基于重组块的分量的相位值,连续估算相角差的时间差;
计算这些连续估算的标准偏差;并且
取决于相应的标准偏差是否超过一个预先确定的拒绝门限来使一个测量无效。

说明书全文

对来自对应的测量设备的信号相位进行时间同步的方法

和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种对来自对应的测量设备的信号的相位进行时间同步的方法和系统。

背景技术

[0002] 不同的系统、过程及技术要求进行不同转换设备之间的相位测量的时间同步,这些转换设备在它们各自的采样过程中不共享一个相同的时钟。许多现有的系统通过一个定在公共时间参考上的时钟来执行采样。这种方法要求设备获得采样时钟的相位与时间参考之间的反馈(锁相环),而这增加了成本。进一步地,这种方法限制了降噪的策略,因为采样时钟的噪声以及参考时钟的噪声是与时钟驱动错误相混合的。

发明内容

[0003] 本发明的一个目的是提供一种为来自对应的测量设备的信号的相位进行时间同步的方法和系统,与现有技术相比,本发明具有低成本,并且可能更加精确。
[0004] 本发明的另一个目的是为常用的设备提供一种替代物,该设备用于通过对测量信号样本进行时间标记而进行相位测量的时间同步,随后通过计算来校正采样频率、对相位进行参考的时间标签、以及信号中所感兴趣的每个分量的时间特征及相位值。
[0005] 根据本发明的一个方面,提供了一种对来自对应的测量设备的信号的相位进行时间同步的方法,该方法包括以下步骤:
[0006] 对于每个测量设备:
[0007] 接收每个测量设备的可获得的一个同步信号
[0008] 产生一个具有高于该同步信号的速率的参考时钟信号
[0009] 响应该参考时钟信号而运行一个计数器以产生多个计数值;
[0010] 使用该计数器提供的计数值完成该同步信号;
[0011] 选择至少一个时间,该时间块在来自该测量设备的信号中具有有限的样本;
[0012] 使用该已完成的同步信号,建立每个时间块中至少两个样本的时间位置
[0013] 估算来自该测量设备的信号的至少一个分量在每个时间块中的相位值及时间特征;
[0014] 为每个时间块分配一个衍生自该已完成的同步信号的时间标签;并且
[0015] 为每个时间块产生代表该至少一个分量、该相位值、该时间特征、该时间位置及该时间标签的数据;以及
[0016] 对所有的测量设备:
[0017] 对与这些时间块相关的数据进行重组,这些时间块在相同的时间标签下具有类似的时间标签用作公共时间参考;并且
[0018] 根据对应的公共时间参考及相应的时间位置,为来自这些测量设备的信号的相位的时间同步计算在这些时间块中的该至少一个分量的新的相位值。
[0019] 根据本发明的另一个方面,提供了一种对来自对应的测量设备的信号的相位进行时间同步的系统,该系统包括:
[0020] 对于每个测量设备,一个相位测量单元,该相位测量单元包括:
[0021] 一个接收每个相位测量单元可获得的同步信号的接收器;
[0022] 一个产生具有高于该同步信号的速率的参考时钟信号的时钟;
[0023] 一个处理单元;以及
[0024] 对于所有的测量设备,一个包括处理单元的相位处理单元;
[0025] 每个相位测量单元的处理单元被配置成用于接收来自相应的测量设备的信号、接收该同步信号、接受该参考时钟信号、提供一个响应于该参考时钟信号运行从而产生计数值的计数器、使用该计数器提供的计数值完成该同步信号、选择至少一个在来自该测量设备的信号中具有有限样本数的时间块、使用所完成的同步信号建立每个时间块的至少两个样本的时间位置、估算来自该测量设备的信号的至少一个分量在每个时间块的相位值及时间特征、并且产生代表该至少一个分量、该相位值、该时间特征、及这些时间位置的数据;
[0026] 相位测量单元及相位处理单元的各一个处理单元被配置成用于为每个时间块分配一个衍生自所完成的同步信号的时间标签,该时间标签形成与每个时间块的相关的部分数据;并且
[0027] 该相位处理单元的处理单元被配置成用于对这些在相同的时间标签下具有类似的时间标签用作公共的时间参考的时间块相关的数据进行重组,并且根据对应的公共时间参考及相应的时间位置,为来自这些测量设备的信号的相位的时间同步计算在这些时间块中的该至少一个分量的新的相位值。
[0028] 以下提供了本发明的某些可能优选的特征的概述,这些特征被认为是非限制性的。
[0029] 本发明是针对两个或若干个测量设备之间的相位的时间同步的,这些测量设备在它们各自对有待测量的信号采样时不共享一个相同的时钟。这些测量设备把在多个时间块中或者在一个连续模型中的一个或若干个模拟信号数字化。相位的时间同步存在于调整相位值中,从而使得它们指的是在不同的设备之间的一个公共时间参考。相位同步与一个或若干个频谱分量相关。辅助地,还可以实现对每个分量的频率的校正。频谱分量可以是傅立叶变换、小波分析或其他任何导致为一个信号分量分配相位值的过程的结果。与这些测量设备相关联的转换单元可以是一个永久的、便携的或者移动的系统的元件。
[0030] 代表公共时间参考的同步信号优选地衍生自一个GPS接收器,但它仍可以衍生自一个本地生成的并且通过无线电、通过导电或者通过其他任何手段(例如IEEE 1588)发射的、并且在需要时被数字化转换的载波。
[0031] 本发明具体地是针对使用一种分布式测量系统并需要所测量的相位的同步具有高精确度的系统、进程、及技术,并且其材料成本较低。例如,在电传送网络区域,要求实现同步的相位测量的PMU(相位测量单元)具有快速响应时间,而这损害了成本及精确度。相反地,根据本发明的方法带来的精确度增益及其低成本具体地允许对变压器套管的介电状态的经济监测。在工业区中,可以利用本发明控制远程发动机或者其他过程,以便使不同的设备同步(尤其是造纸装置及传送装置)。重要的是对不同测量的相位与传感器或提供该过程中所涉及的单元的循环状态信息(位移、速度、加速度、转数表)的其他任何传感器所产生的相位进行比较。在振动测量领域,及更具体地说在模态分析领域中,在如钻探平台上的广泛区域中,本发明允许定位在不同位置的不同设备执行相位测量的精确同步。
在定位领域中,如声纳及雷达,本发明允许对来自静止的或移动的接收器的分布的一个或若干个波前的方向的精确估算。
[0032] 总之,根据本发明进行相位的时间同步的方法涉及若干个相位测量单元PCU(“相位计算单元”)以及至少一个相位处理单元PPU。每个PCU连接到一个(或若干个)测量设备上,用作一个传感器,该传感器可以形成PCU的一部分或者被附装在另一个设备外,并且可包括一个处理单元、一个提供同步信号的GPS接收器、一个参考时钟及一个通信接口。该PPU可包括一个处理单元及一个通信接口。在每个PCU中,可执行以下步骤:
[0033] (a)当需要时,首先将来自与该PCU相关联的传感器的信号数字化,并且将其路由到其处理单元;
[0034] (b)该处理单元接收一个来自GPS接收器的同步信号及参考时钟信号;
[0035] (c)该处理单元具有一个计数器,该计数器接收该参考时钟信号并且响应于一个时间标记(如在该参考时钟信号中的每个时钟周期)而增加其计数;
[0036] (d)该计数器优选地被重置以响应于在由该GPS接收器提供的同步信号中一个时间标记,如该同步信号的跃迁,并且该处理单元在该同步信号中的时间标记出现时存储与该计数器的一个计数值相对应的“OPPS”值;
[0037] (e)该处理单元为该数字化后的信号的某些样本分配一个计数值;
[0038] (f)该处理单元在该数字化后的信号中选择一个具有有限样本数(例如,包括16到65536个样本之间)的时间块;
[0039] (g)该处理单元保留连接到选中的块中的样本上的至少一个并且优选地两个计数值以及所存储的OPPS值;
[0040] (h)该处理单元为选中的块的样本中的至少一个保留一个时间参考,例如由该GPS接收器提供的{时:分:秒}及可选地{日:月:年};
[0041] (i)该处理单元在一个表示域上执行对被数字化的信号(时域)的变换,在该表示域上该数字化后的信号所感兴趣的分量是可辨别的;
[0042] (j)该处理单元估算并保留在选中的块中观察到的一个或若干个所感兴趣的分量的相位值及时间特征值,如其频率、其比例或其周期性;并且
[0043] (k)该处理单元传送代表这些保留值的数据到该PPU上或者继续进行进一步的处理。
[0044] 可以在每个PCU或该PPU中执行以下步骤:
[0045] (l)该OPPS值用于为已被保留的、连接到选中的块的样本上的计数值分配对应的时间值;
[0046] (m)从这些保留的计数值的时间值中,(PCU或者PPU的,取决于情况)该处理单元为每个所感兴趣的分量分配一个时间特征值(例如频率、比例、周期性);
[0047] (n)从这些保留的计数值的时间值之一中,该处理单元为选中的块分配一个时间标签;
[0048] (o)如果该相位值的时间参考与分配的时间标签的位置不对应,则该处理单元从这些保留的计数值的时间值中调整每个分量的相位值,从而使其与选中的块的时间标签所决定的时间参考相对应;并且
[0049] (p)在先前的步骤由PCU执行的情况下,该PCU的处理单元传送代表选中的块的时间标签及相位值的数据、以及选中的块中观察到的这个(些)分量的时间特征值到该PPU上。
[0050] 可以在该PPU中执行以下步骤:
[0051] (q)在来自若干个PCU的块中,该处理单元根据一个预先确定的相似性准则重组那些具有一个类似的时间标签的块;
[0052] (r)该处理单元根据由一个分配到这些重组块的公共时间标签确定的公共时间参考对每个重组块的每个所感兴趣的分量的相位值进行转换;并且
[0053] (s)该处理单元提供在公共时间标签下重组的这些块中观察到的这个(些)分量的公共时间标签、转换的相位值、以及时间特征值,从而实现这些测量信号的相位的时间同步。
[0054] 这些PCU和PPU可以是一个系统中永久的、便携的、或移动的元件。该PPU可以集成在一个PCU的处理单元中。若干个PCU可以共享一个GPS接收器、一个参考时钟、和/或一个通信接口。
[0055] 在传感器提供模拟信号的情况下,该模拟信号经过一个对信号进行采样并将其数字化的模数转换器(ADC)。在到达一个PCU的处理单元前,该信号可以经过保护及调节电路。该调节电路可包括一个放大器、一个滤波器、和/或一个积分器或者微分器。在该调节电路或者该转换器还可以包括一个混叠滤波器。
[0056] 该数字化后的信号可以在被一个PCU的处理单元接收前经过一个电绝缘层。一个或若干个数字化子单元可以通过一个公共的总线连接到一个PCU的处理单元上。
[0057] 一个PCU的处理单元可将一个计数值分配到该数字化后的信号的所有样本中,而不仅仅是某些样本。
[0058] 在对一个传感器下发的信号进行持续数字化的情况下,该信号被优选地分为时间上重叠或不重叠的连续时间块中。
[0059] 该数字化后的信号可在其一个块被提取前经历抽选。
[0060] 一个PCU的处理单元可保留该计数器的两个计数值,分别由例如与选中的时间块的第一样本相对应的count_0及与相同的块的最后一个样本相对应的count_N-1组成。count_0及count_N-1的值与该块中的或者选中的时间块的附近区域中的远程样本相对应。
[0061] 在该同步信号的时间损耗可能发生的情况下,被PCU保留以供其计算的可能是最后的OPPS值。该PCU可被配置成用于检测同步损耗、标记相应的块、及相应地管理该计数器。例如,可以通过若干标准偏差相对于最后的OPPS的滑动平均值的计数差异来检测该同步损耗。该PCU可将每个块的同步状态传送到PPU上,提醒其最终的同步损耗。由GPS接收器传送到该PCU上的GPS接收器的状态也可由该PCU继电到该PPU上。
[0062] OPPS值可与GPS接收器提供的时间参考的值一起用于为该计数器的已被保留的计数值分配一个时间标签。该时间标签可指向PCU中的选中的块的开始、中间或结束,或者当需要时指向该块中的另一个预先确定的位置。
[0063] 当需要时,由GPS接收器提供的时间参考的值可由另一个时间单元表达,例如从一个给定的日期后的秒数。
[0064] 一个PCU的处理单元还可以估算并保留在选中的块中观察到的一个或若干个分量的振幅值,并且为了与其他数据进行处理的目的,将它或它们传送到PPU。
[0065] 该PPU中的这些块的重组可在一个给定的时间间隔中进行,响应于一个命令进行或者在每一次来自这些PCU的一个新的数据集到达时进行。
[0066] 该公共时间参考可以是一个预先确定的值、重组后的数据集的这些时间标签的值之一、或者与重组后的数据集的这些时间标签的时间平均值相关的一个标签。
[0067] 为了限制由这些分量的频谱重叠所引入的错误,可以将一个谱窗应用在经历变换的选中的块上。这个(些)分量可以由傅立叶变换、小波分析、周期平稳特性分析或其他任何导致为一个信号分量分配相位值的过程所产生。在这三个具体的情况中,频率、比例及周期性将会分别地将一个分量特征化。
[0068] 在无源雷达定位的情况下,可以通过一个在该信号中可被不同的PCU识别的密钥(图案)来选择一个块。例如,该密钥可与来自AM、FM、电视台或其他且显示良好信噪比的一个独特的RF瞬态相对应。每次反射创建了该密钥的一个复制品。在该PCU中,随后粗略地根据其包络并且精细地根据其相位在两个等级上建立一个密钥或其复制品的时间位置。对由不同的PCU捕获的密钥进行比较允许将衍生自一次相同的传输的密钥相关联,并且推断延迟及相关的多普勒效应。为了使用所获得的定位的统计巧合以增加鲁棒性及精确性,可以在多于一个RF信号段上对这些块进行采样。
[0069] 该方法允许通过减少同步信号的时间离差来增加相位的时间同步的精确度,通过以下步骤:
[0070] (a)对于每个块,将在该块的处理中使用的计数值(包括OPPS值)从一个PCU传送到PPU中,并且存储在该PPU中;
[0071] (b)在由该PPU收集的连续OPPS值上应用一个数字滤波器,并且因此生成新的OPPS值;
[0072] (c)根据新的过滤后的OPPS值重新生成该PCU的计数器的计数值;
[0073] (d)使用这些新的OPPS值为这些已被保留的计数值分配时间值;
[0074] (e)使用旧的计数值以找回在这些具有相同的时间标签的块中观察到的分量的初相及时间特征值;
[0075] (f)根据这些在(b)和(d)中所计算的新的OPPS及计数值和在(e)中恢复的原有值重新计算在这些具有相同的时间标签的块中观察到的分量的相位及时间特征值;并且[0076] (g)根据过滤后的OPPS值重新计算这些重组块的时间标签,或者根据原有的公共时间标签转换相位值。
[0077] 可以通过对由于在来自该PPU收集的连续OPPS值上应用一个数字滤波器所产生的值(例如,FIR(“有限脉冲响应”)或者IIR(“无限脉冲响应”))的相位和时间特征进行校正来代替步骤(b)、(c)、(d)及(e)。
[0078] 可通过减少该参考时钟信号的时间漂移来代替步骤(f),通过以下步骤:
[0079] (a)通过对OPPS值进行插值来生成一个时间传递函数,该时间传递函数将由这些过滤后的OPPS值产生的新的计数值转换为与由一个恒定频率时钟驱动的一个计数器产生的计数值相对应的计数值,该恒定频率时钟显示了一个在下文中被称为OPPSP的恒定的OPPS值;
[0080] (b)对这些新的计数值应用该传递函数以对其进行校正;
[0081] (c)使用新的OPPSP值为这些已被保留的计数值分配时间值;并且
[0082] (d)根据该OPPSP值及这些校正后的计数时间值重新计算在这些具有相同的时间标签的块中观察到的分量的相位及时间特征值。
[0083] 在同步信号的时间损耗可能发生的情况下,PPU可以通过考虑在同步损耗前后的有效的OPPS计数来恢复一个PCU的计算。在继续进行在衍生自经历同步信号损耗的PCU的这些块中观察到的分量的时间标签及相位和时间特征值的计算前,可以实现对一个遗漏的计数的线性插值。
[0084] 该插值可应用在由一系列OPPS值的连续和形成的一系列上。
[0085] 对某一个时间段而言,重新生成的计数值可以不包括重置,以便给出一个连续的级数计数。
[0086] 一个观察到的分量可以是一个被振幅、周期性及相位所特征化的周期平稳特性,其中周期性被处理为与频率相反。
[0087] PPU可被配置成用于识别可能由例如气候现象(如下雨或者一个对测量具有类似影响的现象)导致的偏倚的测量,以便例如拒绝它们并且不在用于建立基于根据本发明的相位测量的时间同步的诊断的计算中使用它们,如例如,用于对变压器套管的监测(即,对可能的有缺陷的条件)。在这类情况中,PPU可执行以下步骤:
[0088] (a)基于这些重组块的分量的相位值,连续估算相角差的时间差;
[0089] (b)计算这些连续估算的标准偏差;并且
[0090] (c)取决于相应的标准偏差是否超过一个预先确定的拒绝限而使一个测量无效。
[0091] 该PPU然后可被配置成用于在这些测量再次有效前停止这些用于建立诊断的计算,这意味着这些引起不同测量的重要瞬态的扰乱现象已经结束。当需要时,这些连续估算可在相角差的正切的时间差上进行。附图说明
[0092] 将会在下文参考以下附图给出本发明的优选实施方案的详细说明:
[0093] 图1是示出了根据本发明的一个系统的架构的实例的原理图。
[0094] 图2是示出了根据本发明的一个相位测量单元(PCU)的原理图。
[0095] 图3是示出了根据本发明的一个在不同的相位测量单元(PCU)之间共享的配置的原理图。
[0096] 图4是示出了根据本发明的由一个相位测量单元(PCU)执行的一个处理的原理图。
[0097] 图5是示出了根据本发明的在一个变压器套管上获得的信号的一个相位测量单元(PCU)的原理图。
[0098] 图6是示出了根据本发明的一种用于监测变压器套管的系统的原理图。

具体实施方式

[0099] 如结合本披露所使用的,术语“时间特征”指代一个信号中所感兴趣的分量的频率、比例、周期性或类似的参数。
[0100] 参见图1,示出了根据本发明的一个系统的架构的实例,其中若干个相位测量单元1(在下文中也被成为相位计算单元或PCU)通过一个本地通信网络3连接到一个相位处理单元或者PPU 2上,该本地通信网络可将其自身连接到一个更大的网络4上。也可通过该更大的网络4添加其他的PCU(未示出)。在根据本发明的系统的一个可能的配置中,每个PCU 1的作用是估算一个被测量的信号的一个或若干个频谱分量的振幅、相位以及频率值,同时将一个时间标签关联到这些数据上;而PPU 2的作用是处理衍生自PCU 1的数据,从而在类似的时间标签下对其进行重组以实现测量信号的相位的时间同步,并且传送这些数据以使其被处理,例如,使这些数据被一个需要此类数据的设备所使用,或者用于存储在一个数据库中。
[0101] 参见图2,一个PCU 1可配备有一个数字化单元以产生关于有待监测的设备的一个特征的一个测量信号,该数字化单元包括集成到一个设备(未示出)或附装在其外部的一个传感器5或者另一个测量设备。在一个转换器8对模拟信号进行数字转换前,该信号可经过一个保护电路6及一个调节电路7(例如,放大器、滤波器、积分器、微分器......)。该调节电路7或者该转换器8还可以包括一个抗混叠滤波器。一个或若干个数字化单元可通过一个公共总线10连接到一个处理单元11上。优选地,每个数字化单元具有一个相对于将其连接到系统的其余部分的总线10的电镀绝缘层9。在一个传感器具有一个数字输出的情况下,不需要该转换器8。该处理单元11接收同步信号以及来自一个参考时钟13的信号。该同步信号优选地衍生自一个GPS接收 器12,但也可以衍生自一个载波,该载波是本地生成的并且在需要时通过无线电、导电或其他任何合适的传输介质来传送。该同步信号可表现为每秒一个脉冲的形式,或在预先建立的时间单元中提供允许时间同步的时间标记的另一种形式。该处理单元11具有一个计数器14,该计数器接收来自参考时钟13的信号并且响应于如在时钟13的信号中的一个时钟周期的一个时间标记而增加其计数。时钟13具有根据预期应用及材料环境(例如,电源的温度稳定性)所选择的稳定性规范。计数器14优选地在来自GPS接收器12的同步信号跃迁时被重置。该测量信号可在连续模型中或者由时间块数字化。在连续数字化的情况下,该测量信号被分为可以时间重叠或不重叠的连续时间块。在PCU 1的一个可能的配置中,处理单元11估算一个数字化信号时钟的一个或若干个频谱分量的振幅、频率(或另一个时间特征)以及相位,并且为该时钟分配一个时间标签。这些操作可由一个处理器27或者一个在该处理单元11中的具有一个存储器的类似的电路执行。该处理所产生的数据通过一个通信接口15被传送到PPU 2(如在图1中所示)。
[0102] 参见图3,若干个PCU 1可共享一个相同的GPS接收器12、一个相同的参考时钟13及一个相同的通信接口15。
[0103] 参见图4,示出了一个PCU 1(如图1所示)可执行的处理。由于实践性的原因,采样后的信号16、谱窗17及计数值21作为连续值出现,然而在现实中,它们是一系列的离散值。采样后的信号16可与数字化信号或该数字化信号的抽选相对应。为了限制由这些分量的频谱重叠而引入的错误(频谱泄漏,参看F.J.哈瑞斯(F.J.Harris)的“使用离散傅里叶变换的谱窗使用的谐波分析(On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform)”,IEEE会刊,Vol.66,no.1,pp.51-83,1978),一个谱窗17被优选地应用在经历一个变换18的信号块上。该谱窗17将优选地具有一个近乎高斯的形状,并且将显示一个高旁瓣报废率。在一个音调能量在一个频率上用一个振幅和一个相位重组时,该转换18将该时间信号转换为频谱信息。优选地,此变换将对应于一个快速傅里叶变换(FFT)。该频谱信息被提 交到一个分量估算仪19。该估算仪19依次找到一个或若干个音调的谱线的振幅、相位及频率。此时PCU 1可停止该处理并且将该振幅、频率及相位值及GPS接收器12的时间标签20以及连接到参考时钟13上的计数器14的三个值(如图2所示)传送到PPU 2(如在图1中所示)。优选地,计数器14的这三个计数值21分别包括对应于选中的时间块的一个第一样本的count_022、对应于选中的时间块的最后一个样本的count_N-1 24以及当在由GPS接收器12提供的同步信号的最后一次跃迁时重置该计数器14(例如,每秒一个脉冲)时的一个OPPS值21。时间标签可指向所选中的块的开始、中间或结束,或者当需要时指向该块中的另一个具体的点。应当注意如计数方向的跃迁的另一个变化可被实现,而不用重置该计数器14。或者仍然,假如保留了计数器14的指示由该同步信号提供的一个时间标记的OPPS计数值,则计数器14可以不改变。在此情况中,由同步信号提供的时间标记的速率将会优选地高于计数器14的计算循环,以简化这些时间标记的处理。当需要时,只有OPPS计数值23以及另一个计数值可被传送。
[0104] 以下处理可在一个PCU 1(如图1和2中所示)中或PPU 2(如图1所示)中执行。对于频率的估算、将相位调整到给定的时间参考及时间标签的生成,估算仪19使用由GPS接收器12传送到它的信息20以及连接到参考时钟13的计数器14的三个计数值21。GPS接收器12的信息20与当前的时间标签时/分/秒(并且可能地为日/月/年)相对应。OPPS值23允许对参考时钟13的频率进行特征化,并且从而将一个时间值给予每个计数21。例如,对于一个100MHz的参考时钟,计数21给予一个可典型地与大约一亿个样本的一些单元不同的OPPS值23。对于将要随后对应该时间标签的第k个计数
[0105]
[0106] 在需要时应当考虑图4中示出的特例,即计数器14在选中的块的第一个及最后一个样本之间被重置的情况。在此情况中,该“秒”值因在计数器14重置后的这些时间标签的计算而递增,并且对可能的秒、分和时(以及如果可适 用的,日、月、年)溢出的情况进行处理。在同步信号的时间损耗出现的情况中,这可能是由PCU保留以供其在方程式(1)中计算的最后的OPPS值,并且该k值可能有些超过OPPS值以便对若干秒计数。在需要时,该k值将包括计数器14的多次折回。
[0107] 如果参考时钟13因为其稳定性被选中,相比之下,在这些不同的转换器8中的其他时钟可能很大地漂移。根据(1)中给出的变换,时间标签tcount_N-1及tcount_0与计数值count_N-1 24及count_0 22相对应。时间标签tcount_N-1及tcount_0允许对每个转换器8的平均频率进行特征化。因此,该方程式
[0108]
[0109] 其中N是该块的样本数,允许对在一个音调中的谱线数i中表达的频率的赫兹进行转换。应当注意在估算仪19已执行了一次插值的的情况下,i不是一个整数。
[0110] 假如一个相位值被一个时间位置参考,则这个值具有意义。例如,经典的傅里叶变换算法相对于该块的第一时间样本参考该相位。无论在PCU 1或者PPU 2中,为另一个时间参考转换一个音调的相位值有时是必要的。使θ2=θ1+2πf·(t2-t1)在弧度中(3)[0111] 作为当从时间参考t1传递到参考t2时所应用的相位校正,t1及t2是以秒表达的时间标签。
[0112] 被该相位根据(3)参考的根据(2)计算的振幅、相位及频率值,以及根据(1)计算的一个唯一时间标签在需要时可之后由PCU 1传送到PPU 2。PCU 1还可传送GPS的状态以及该OPPS值用在其自身计算中的“同步(in sync)”或“异步(out of sync)”状态。可选地,如下文所解释,包括添加计数器14的三个值count_0 22、OPPS 23及count_N-1 24到每个块的分析结果中及将全部传送到PPU 2的GPS接收器12的噪声消减及参考时钟13的偏移的补偿可被实现。
[0113] 至于周期平稳特性现象的相位,用于时间同步的本方法可通过下列方式运用。目标是根据一个预先确定的时间参考角度地或是时间地(其结果是相同的)定位周期平稳特性,。一个第一方式包括在该同步方法中使用具有一个与实际的周期平稳特性类似的小波的小波变换。时间上,相位零随后与一个循环的开始相对应,同时2π(N-1)/N值与该循环的最后一个样本的相位相对应。一个第二方式涉及谐波分析,其中周期平稳特性被考虑为谐波分量的总和。每个分量的相位随后都被考虑在内,并且通过根据本发明的方法被单独地同步。可以从这些相位中的每一个推断出一个谐波位置,并且从所有位置中根据一个选中的权重(谐波的振幅、功率、振幅x频率......)估算与该谐波相相应的组延迟。
[0114] 回到图1参考,相位处理单元(PPU)2包括一个通过一个通信接口26收集衍生自不同的PCU 1的数据的处理单元25,该处理单元包括一个处理器28或者一个具有存储器的类似的电路。该处理单元25首先重组(或选择)具有相似的时间标签的所有数据。该重组过程可在一个给定的时间间隔中进行、响应于一个命令进行、或在每一次来自多个PCU1的一个新数据集到达时进行。相似的时间标签的选择保证了在不同的PCU 1中处理的相应的测量块大约在时间上重叠。该重叠允许与可获得的最终精确度保持接近。该可获得的最终精确度被定义为Cramer-Rao界限(参看C.瑞夫(C.Rife)及R.波斯特(R.Boorstyn)的“来自离散时间观察的单一音调参数估算(Single-tone parameter estimation from discrete-time observation)”,IEEE信息论会报,IT-20,no.5,pp.591-598,1974)以估算一个连续音调,其中增加(1)在音调的频率及相位的估算中的时间标签错误的作用,以及(2)考虑了音调在振幅及频率上缓慢地不同的事实,不同测量的块之间的时间重叠偏差的作用。PPU 2的处理单元25根据一个公共时间参考通过应用方程式(3)计算每个测量的新的相位值。该公共时间参考应当尽可能接近这些被处理从而将在调整相位值上的错误最小化的时间标签。此时间参考可以是一个预先确定的值、 被处理的集合的这些标签值之一、或者与被处理的集合的这些标签的时间均值相对应的一个标签。
[0115] 还参见图2,关于GPS接收器12的噪声消减以及一个PCU 1的参考时钟13的偏移的补偿的选择,计数器14的由一个PCU 1传送的这三个值count_0 22、OPPS 23及count_N-1 24可被使用以恢复初始值(k,θ)——一个计数值及相位的位置。应当注意GPS接收器12的噪声及该参考时钟13的偏移展示了几乎相反的频谱分布:与GPS接收器12给出的同步的这些时间偏差相对应的噪声处于朝向这些短时间段的位置,以秒的顺序,而参考时钟13的偏移在更长的时间段中变得很重要,以几十分钟的顺序。一个FIR或者IRR滤波器可随后被应用在由PPU 2收集的连续OPPS值上,从而消减GPS接收器12的噪声。从GPS接收器12的波动中滤出的结果提供了一个对参考时钟13的行为的良好估算。重要的是从这些新的过滤后的OPPS值中重新生成计数器14的计数值。为补偿参考时钟13的偏移,重要的是发现给出了一个恒定的OPPS的时间推移变换:产生于这些OPPS值的总和的插值的时间曲线随后被看作为某个函数所寻找的反传递函数。该时间传递函数被应用在重新生成的计数值上。方程式(1)、(2)及(3)随后与这些新的过滤后的及校正的值一起被取回。应当注意其他相位同步方法(如同步采样)不允许这样的精细校正。然而,这种校正的结果是在结果的最终交付中存在额外的延迟,此延迟最小地与应用于这些OPPS值的FIR滤波器的半宽加某一个计算时间相对应。
[0116] 这些同步的相位值(如校正后的频率值及振幅值)可以通过通信接口26向外部传送。外部地,这些数据可用在预测监测、设备诊断或者过程控制的各种情况中。
[0117] 当需要时,PPU 2的数据处理功能性可被集成到一个、若干个或所有PCU 1中,以减少材料成本并且扩展本方法的应用领域。这些PCU 1及PPU 2单元的材料功能性及数据处理功能性可被合并到一个相同的单元中。
[0118] 如一个无限制的实例,根据本发明的系统及方法允许对变压器套管的实况监测。
[0119] 参见图5,示出了将根据本发明的一个系统安装到一个变压器套管30的一个传感器29上的一个实例。在所展示的情形6中,PCU 1具有多个采集通道,当需要时,这些采集通道可例如通过公共总线10连接到多个传感器上。6个过压保护设备31中被包括在套管传感器29中及在每个通道的输入端上,并且可被一个屏蔽双绞线39互连。通道优选地由一个具有分路32的调节电路7、一个sigma-delta模数转换器8(24位ADC)及一个数字绝缘电路9制成。此配置展示了对噪声及相对于地面的电压升高的高抗扰度,并且展现了当被一个公共时钟驱动时,重复采样转换器8的内在同步。进一步地,该重复采样转换器8允许在调节电路7中使用一个更简单的抗混叠滤波器,该滤波器帮助最小化在相位角及在网络频率下的振幅测量中的扰动。
[0120] 该系统可被配置成用于计算每分钟所有通道的相位及振幅。结果可被保存在该网络上的一个本地存储装置中(未示出)并且每日一次在装置外转移到一个中央数据库(未示出)中用于分析。
[0121] 一个相关的测量方法是优选的,该方法在一个相同的电气相位上并行使用两个或更多个套管,并且计算振幅及套管绝缘电流的基波分量之间的相位角的正切比率。高电压套管的内部的介电绝缘层包括一叠插入的导电及介电衬层。劣化的特征在于通过对一个或若干个介电衬层的破坏最终导致衬层之间的短路。对电介质的破坏改变了网络60Hz(或另一个若可应用的工作频率)下流过该套管绝缘层的基波分量的电流与此绝缘层两端的电压之间的相位关系。这些部分或全部短路的衬层直接影响该套管的等效容量的值,该值影响该60Hz分量电流的振幅。对套管的内部介电绝缘层的监测涉及从该设备开始投入服务后对相位的时间演变及电流值的监测(假定这些套管投入服务时状态良好)。典型地,对于一个包括一百个衬层的套管,当电压/电流相位角的正切值(tanδ)从0.005或更大值变化时,缺陷存在诊断归因于这些套管之一。并且,两个套管之间的相关振幅的时间演变上的多于1%的偏差表明 这些衬层存在至少一个短路。两个套管之间的同步的相位差的正切对于在这些套管之一的功率/耗散因子中的任何变化敏感,并且这些振幅的比率对这些套管之一的电容的变化敏感。如果通过并行使用该设备的三个元件执行相关的测量,随后次品套管可以被识别出来。相位间电压非对称性将不会影响判读,因为对于所有并行连接的设备,所施加的电压基本相同。连接到三个相位上的三个套管的电流(例如在一个变压器的初级侧上)的求和方法敏感度较低。相反地,对若干个短路衬层而言,此方法允许确认和/或澄清该诊断。例如,对一个只包括两个变压器的设备而言,如果该缺陷在这些套管之一上是显著的,此对电流求和的方法可以对将具有次品套管的变压器进行定位。
[0122] 参见图6,每个PCU 1(如在图2中所示)的处理单元11被配置成用于计算传感器29(如图5中所示)的电流的一个相矢量以及使用可能已存在于此类设备中的一个通信网络3把带有GPS时间标记的测量传送到一个PPU 2的处理单元,此处理单元在所展示的情况中是一个套管诊断单元。每个PCU 1都连接到这些变压器34的套管的传感器29上,并且安装在其壳体中。一个GPS天线35连接到每个PCU 1的同步接收器上(例如图2中所示的GPS接收器12)。
[0123] PPU 2可处于一个变电站控制建筑物中。它可以从这些PCU 1中接收相矢量、计算Δtanδ(相角差的正切的时间差)及振幅比率、存储数据、进行趋势分析、进行本地诊断以及将可能的告警传送到例如通过一个网关37及一个公司网络38连接到网络3上的一个维护中心36。该PPU 2还可允许维护人员远程地搜索及分析相关数据。
[0124] 在变电站场中的本地网络3将此控制建筑物连接到这些高压变压器34的壳体上。使用一个已经存在的网络大量地降低安装和维护费用
[0125] 返回参见图5,分路32的值被优选地选中从而将传感器29的额定电流适配到转换器8的输入范围,该额定电流是套管容量(pF)及电压的函数。该PCU 1可包括一个FPGA(现场可编程门阵列)33,该FPGA用于对来自转换器8的在参考时钟13的分辨率上的这些样本进行时间标记。在该FPGA 33上实施的计数器14由时钟13操作,例如,该时钟具有一个低的温度漂移并且被定时为125MHz。优选地通过GPS接收器12的每秒一个脉冲的信号(1PPS)重置计数器14。这些脉冲之间的时间间隔还用于计算参考时钟13的频率。由于GPS接收器12提供的信号的噪声不与用于采样的参考时钟13的噪声相关,可执行若干处理从而减少两种先前解释的噪声。
[0126] 除进行时间标记之外,FPGA 33还可以用作该信号处理的第一阶段,缓冲并且与处理器27进行交互。该处理器27负责计算来自转换器8的被时间标记的信号的相位角及振幅。PCU 1通过其以太网光纤端口15将所产生的相矢量数据传送到如在图6中所示的一个PPU 2。
[0127] 在电压中的谐波效应可引起在基于零检测的数字处理中的一个重要的错误。在本情况中,该delta-sigma转换器8转换该信号,例如,5万个样本每秒。为了降低处理功率要求,数字信号可被一个低通FIR过滤并且十中抽一。在5kHz的采样速率下,快速傅里叶变换(FFT)在每个循环中处理83.3个样本。被FFT处理的循环的最大数量通过网络频率的稳定性来设置,而最小数量通过谱窗类型及子同步分量的所需的排斥来设置。
[0128] 该谱窗、FFT及频谱分量参数的估算的积通过CPU 27获得。由于参考时钟13比转换器8更精确,从最后一个1PPS计数值估算采样频率。该相位被从计数值及GPS数据生成的时间标签参考。Δtanδ值被PPU 2(如在图6中所示)估算,考虑了这些参考时钟13的时间标签及对应的频率。
[0129] 具有一个高排斥率的旁瓣的谱窗的使用允许对超过90dB的谐波及子同步分量的拒绝。该频谱估算精确度是信噪比的函数:
[0130] 以dB表示(4)
[0131] 在一个G描绘谱窗的处理增益因子、N描绘FFT处理的时间样本数、及a0/σw描绘峰值信号振幅与白噪声的RMS振幅比率的频谱波瓣下。
[0132] 通过选择一个Blackman-Harris窗口,对于N=4096个样本,在该频谱波瓣下的信噪比为SNR(db)=a0/δw(dB)+32.6dB(以dB表示)。对于一个套管A,相位的标准偏差(以度表示)由以下链接
[0133]
[0134] 假定测量之间存在无相关噪声,则标准偏差Δtanδ是两个相位估算的标准偏差的平方和。由于σθA≈σθB,标准偏差Δtanδ为 或者σΔtanδ>-(a0/σw(dB)+29.6dB)(6)
[0135] 以dB表示。将转换器8的模拟白噪声及等效噪声考虑在内,典型的Δtanδ的精确度超过-100dB或者0.001%。相对应的离差延迟是27ns,与GPS噪声的范围相同。此精确度可通过一个标准电镀系统达到。该测量精确度不受参考时钟13或者网络频率漂移的干扰。PPU 2对离差Δtanδ的基值是平方和:
[0136]
[0137] 其中σGPS=ΔtGPS·2π·60Hz并且ΔtGPS是GPS噪声。就PCU 1之间的无相关噪声来说,该GPS噪声是来自两个不同的GPS接收器12的噪声的平方和。所测量的代表值使一个在方程式(7)中的GPS噪声基值 为50ns或0.0018%。
[0138] PPU 2可被配置成用于识别可能发生偏倚的测量,偏倚可由例如气候现象如下雨或者对这些测量具有类似的影响的现象导致,使得例如拒绝它们并且不在用于建立套管的监测诊断的计算中使用它们。如以上所指示,可在衍生自两个套管上的电容耦合器的60Hz波之间的一个微分测量Δtanδ上观察到重要的瞬态。这些瞬态中的一些可与雨的出现相关联。然而,自动化连续监测要求连续地去除如由下雨所引起的不期望的瞬态。所提出的方法依赖从若干个连续Δtanδ的估算的标准偏差中估算的这些测量的本地时间稳定性。当标准偏差超过一个预先建立的门限时,一个测量可被视为无效。当已经收集了足够的测量,该门限可被手动或自动设置,由一个简单的统计计算确定。在根据本发明的系统的一个可能的配置中,PPU 2计算在测量周期集合(例如,2秒)中Δtanδ的连续值,通过在该系统激活后的时刻内实现1024个样本的36个快速傅里叶变换,这些样本具有该周期的
75%时间长度重叠。两个连续 FFT被这样通过256个样本远离。这两个极端的FFT优选地被移除以仅保留其他的34个FFT。由于这些FFT的重叠,Δtanδ的这些连续估算值不是完全独立的:此统计采样的权重不是34,而是相对地更接近15。一个更长周期或更短的FFT可在统计上是有利的。在微量降雨时,这些测量将会出现具有零平均值的闪变,表明不存在明显的膜,并且这阵雨蒸发得比进入的水入更快。当降雨量增加时,一个连续分量将会在该闪变中出现(即,具有零平均值)。此分量可与一个比其他套管更湿的套管相对应。
对在统计分类前通过应用对数进行分贝计算而计算的Δtanδ的瞬时测量的离差标准偏差的统计分布展示了两种分布类型的重叠。第一种分布是高斯分布,并且与不存在干扰时的测量噪声相对应。第二种分布是最右边的一种,并且与输入到降雨量的干扰相对应。检测门限的设定是敏感性及错误检测概率的折中办法。该门限可被设定在不受干扰的值的标准偏差的两到三倍的距离上。获得用于信号处理操作的最大似然,这些信号处理操作在一个噪声如高斯的表示空间中实现,如在此情况中。对于被例如开关装置干扰的低电压侧测量而言,该门限值将可能会高若干倍。门限可被初始地设定为一个高的数值作为滑动平均值的初始值,该滑动平均值逐渐将该门限值调整为平均标准偏差加上从过滤后的值中估算的标准偏差的标准偏差的三倍。带有故障的一个最小/最大极限可限制该门限值漂移,以保证鲁棒性。这些测量的分析结果可衍生自门限与 之间的比较,
其中ETY描绘的Δtanδ的估算并且滑动平均值 简单地作为具有25%的遗忘因子的标准偏差(ETY)的权重。可以将其表示为 其中ETYn=
ETY(tan(δn,channelx)-tan(δn,channely))。本方法允许同时瞬时地响应ETY的突然增长,并且将这些估算的值的排斥扩展到ETY爆发后的一些测量中。这样保证了ETY爆发前后的良好的清除。对于多变压器监测,可在不同的套管上组合这些门限的超越。该组合应当接受一个套管的缺陷,该缺陷会在包含该套管的计算中导致超过该门限。例如,一个套管的衬层的间歇部分放电使瞬时ETY的离差增加是可能的。这类事件不大可能同时在两个套管中 发生,调整该决策为“多于一个套管”=降雨量是可能的。信噪比的变差与Δtanδ的平均值或者Δtanδ的标准偏差之间不存在关系。在60Hz分量的基础下的干扰具有低振幅,并且包括一个随机部分以及两个套管之间的另一个确定的部分。在60Hz分量的基础下,对于相同的相位而言,变差部分地从一个套管到另一个套管相关联:在tanδ的比较中,此噪声大部分由正切和正切的减法消除。
[0139] 根据本发明的方法和系统尤其适用于监测结构破裂,如钻井平台的破裂,该钻井平台使用并行安装在该结构上的两个或更多个测量点并且计算影响该结构的振动模式的振幅和相位。裂缝会改变该平台的结构模式的腹点及节点的分布,并且也使它们的频率偏移。对分布进行监测允许检测一个破裂的诊断症状。根据本发明的方法允许在不同的测量点之间的无电缆低成本设备。典型地,这些测量点包括三维加速表、变形测量器及位移传感器。优选地,该时间同步将由GPS提供。在本方法执行的处理输出时,振幅、相位及结构模式频率值可被比作为一个疑似缺陷插入到其中的数字模型,以便观察对应的模式之间的对应关系并且确定该疑似缺陷的真实性。
[0140] 在半无源声纳或雷达定位的场景中,由根据本发明的方法处理的测量可衍生自两个或更多个并行的无源接收器、至少一个发射器及一个目标,该处理随后计算由该发射器传送并且由该目标反射的信号的至少一个分量之间的相位角并且计算这些所传送且反射的分量的精细频率。这些接收器及发射器可以是辐射测量的、超声的或声学的类型。该时间同步将由GPS、电气无线电或光波或其他任何能够提供所需的同步信号的通信手段提供。除波脉冲的瞬态波前所提供的信息之外,该相位信息提高了发射器、接收器及目标的对应的定位的精确度。该精细频率信息提高了发射器、接收器及目标的对应的速度的估算精确度。本方法允许以更低的成本实现更加精确的测量,并且准许当没有此所提出的方法时波前的使用会导致精确度被波长限制的情况下使用更低频率。
[0141] 根据本发明的方法还允许对若干个处于电位的测量点进行同步监测,防止了这些测量点的布线,并且因此要求PCU 1是自控传感器的形式。例如,对于高功率断路器的断电室的监测,振动-声学测量如无线电-电测量一样提供充满了设备的机电状态的诊断症状的信息。然而,在这两种情况中,该自控传感器应当被附装在断电室上,以将来自断电室的信号与其他室信号的比率最大化。该传感器因此被定位在高压线的电位上。除了可通过不同方式实现的自主供电的问题外,同步在总体上是有疑问的。根据本发明的相位同步解决了这个问题。所感兴趣的测量在断路器的切换时发生。该自控传感器被优选地配置成用于在两个开关之间休眠。为了节能的目的,在第一个同步信号到达前,可以强制执行一个测量(该GPS接收器12刚被关闭)。该方法可随后通过保留在所分析的时钟的附近时间区域中的两个连续同步跃迁的计数进行。应当注意这些断路器的断电室为一个相同的断路器被串联在一起。这些室的无线电-电及振动-声学特性是互相关的,并且要求对这些符号进行同步比较,包括对形成这些符号的分量的相位的同步比较。随着时间的过去,如曾用在PMU中的同步数字化的实施不能被考虑为用于自控传感器,因为此种手段不能允许该传感器的深度休眠,这是由实时同步涉及若干个高于被提议的手段的数量级的能量消耗导致的(在不提及同样更高的材料成本的情况下)。基于PCU 1的自控传感器典型地在内部或者近似地包括一个如加速表的振动-声学传感器、一个测量天线、一个通信天线、一个温度测量、一个电流测量,该电流测量也可能被用作为一个供电电源。可以不执行由PPU 2执行的从PCU 1接收数据的处理从而实现相位的后同步。
[0142] 如果一个GPS信号或者专用于精细时间同步的其他链接不是可获得的,使用所有PCU 1可获得的某些环境信号是可能的,如无线电-电传送(AM、FM、电视台)、声音或者光信号。本方法随后涉及测量一个公共环境信号,作为校正第一粗同步阶段的小振幅时间变差的参考。在此考虑了一个二重微分,即一个PCU 1的一个参考通道与它的其他通道之间的差别,以及衍生自两个PCU 1的值之间的差别。在一个可能的实施方案中,每个PCU 1将其模 拟通道之一用在该同步信号的测量和处理中。一个第一粗同步表示(如一个根据IEEE1588标准的简单的PCU间通信)实现对这些PCU 1的时钟13的近似调谐并且操作这些计数器14。本方法要求为精细同步源的位置创建这些PCU 1的接收延迟的校准表。在考虑对应的PCU 1及源位置的同时,该校准表的值可由简单的波传播计算来估算,所计算出的延迟值是相关的(例如PCU 1是与源最接近的)。可使用两个等效相位校正方法。在一个第一情况中,在同步参考通道上测量的相位被考虑以校正在PCU 1中的其他通道的分量的相位,其中在两个PCU 1之间的相位比较中的待执行的相位校正将会是一个存储在包括在此比较中的PCU 1的校正表中的相位延迟值的函数。在一个第二情况中,由两个PCU 1测量的分量的相位相减,其中待执行的相位校正将会是每个PCU 1所测量的同步信号的相位差与存储在每个PCU 1的校正表中的相位延迟值的函数。根据同步信号的频率,所有这些相位校正最终被送回到时域中,并且当考虑在该比较所涉及的通道上测量的分量的频率时,将这些相位校正转回到相域中。以此方式,节省了GPS的成本,但是失去了一个测量通道。
另外,采样率必须至少高于同步信号的采样率的两倍,并且第一阶段的粗同步的不精确度必须低于该同步信号的周期。
[0143] 虽然已在附图中展示并在以上描述了本发明的实施方案,对于那些本领域的普通技术人员来说,可以在其中做出的不违背本发明的修改是明显。
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