專利名稱：用于配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及配電系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及使配電系統(tǒng)可進行中央控制的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊。
背景技術(shù)：
工業(yè)配電系統(tǒng)通常將輸入電力分成多個支路。該支路提供電力給工業(yè)企業(yè)中的各種設(shè)備(即，負載)。在每個支路中一般提供斷路器，從而有助于保護支路內(nèi)的設(shè)備。斷路器設(shè)計成由非自動裝置打開和閉合電路，并且在預(yù)定的過電流上自動打開電路，而在它的額定值內(nèi)合適地施加時不損壞它本身。由于該自動保護基于電力狀態(tài)(例如電流)，因此斷路器的供應(yīng)商通常制造大范圍的斷路器以滿足各種電流需求，這將引起庫存問題。
輔助保護器使得庫存問題更加復(fù)雜，該輔助保護器經(jīng)常密封在斷路器的模壓本體內(nèi)。一種普通類型的輔助保護器作為電子跳閘單元已經(jīng)公知。電子跳閘單元一般包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器。電子跳閘單元從一個或多個傳感器接收信號，傳感器例如電流互感器(CT)和/或電壓互感器(PT)。傳感器監(jiān)測輸入電力狀態(tài)，并提供該狀態(tài)的模擬信號給模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器將來自傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且將該數(shù)字信號提供給微處理器。該微處理器運行一個或多個控制算法，這些控制算法提供指定的保護、監(jiān)測和控制特性。
當電子跳閘單元中的每個微處理器的電力處理增加時，每個斷路器的成本增加。即，當電子跳閘單元中保護特性的復(fù)雜性和數(shù)量增加時每個斷路器的成本增加。因此，斷路器的供應(yīng)商也通常制造在斷路器中的大范圍的電子跳閘單元，從而滿足各種消費者性能和價格要求。
大量的斷路器/跳閘單元結(jié)合也為配電系統(tǒng)的設(shè)計和安裝增加了成本和延遲。另外，可增加與升級現(xiàn)有系統(tǒng)相關(guān)的成本和延遲。
因此，存在一種對配電系統(tǒng)的連續(xù)需求，該配電系統(tǒng)成本低，容易安裝提供指定的增加的保護系統(tǒng)的元件。還可期望這種低成本元件如果其他方面的保護失敗可確?；镜倪^電流保護。

發(fā)明內(nèi)容
在一個代表性實施例中，提供一種配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊。該模塊具有微處理器和網(wǎng)絡(luò)接口。該微處理器采樣第一信號，該第一信號指示配電系統(tǒng)中的電力狀態(tài)。該網(wǎng)絡(luò)接口將微處理器置成與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行通信。該微處理器部分基于在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)耐叫盘柌蓸拥谝恍盘枴?br> 在另一個代表性實施例中，該數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊具有微處理器和網(wǎng)絡(luò)接口。該微處理器從配電系統(tǒng)中的電路采樣電力狀態(tài)信號。該網(wǎng)絡(luò)接口將微處理器置成與中央處理器進行通信，這樣使得該微處理器可發(fā)送包含電力狀態(tài)信號的第一消息給中央處理器，并且從該中央處理器接收第二消息以及同步脈沖。該微處理器部分基于該同步脈沖采樣電力狀態(tài)信號。該模塊可響應(yīng)該第二消息而操作配電系統(tǒng)中的斷路器，并且響應(yīng)與第二消息獨立的電力狀態(tài)信號來操作該斷路器。
在再一個代表性實施例中，提供一種用于配電系統(tǒng)的保護系統(tǒng)。該保護系統(tǒng)包括與第一模塊進行通信的第一斷路器，與第二模塊進行通信的第二斷路器，以及中央處理器。該中央處理器與第一和第二模塊進行通信，使得該中央處理器可發(fā)送同步信號給第一和第二模塊。第一模塊采樣第一斷路器上的第一電力狀態(tài)，并且部分基于同步信號將第一電力狀態(tài)發(fā)送給中央處理器。同樣，第二模塊采樣第二斷路器上的第二電力狀態(tài)，并且部分基于同步信號將第二電力狀態(tài)發(fā)送給中央處理器。中央處理器基于第一電力狀態(tài)控制第一斷路器，并且基于第二電力狀態(tài)控制第二斷路器，以及控制它們的結(jié)合。
從接下來的詳細描述，附圖以及所附的權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以注意到并且知道本發(fā)明的上述和其他特點以及優(yōu)點。


圖1是配電系統(tǒng)的代表性實施例的示意圖。
圖2是具有模擬后備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊的代表性實施例的示意圖。
圖3是具有模擬后備系統(tǒng)的代表性實施例的圖2模塊的示意圖。
圖4是具有數(shù)字后備系統(tǒng)的代表性實施例的圖2模塊的示意圖。
圖5是具有數(shù)字后備系統(tǒng)的可替換代表性實施例的圖2模塊的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖尤其是圖1，示出了總體由附圖標記10標注的配電系統(tǒng)的代表性實施例。系統(tǒng)10通過多個斷路器14從至少一個電力母線12分配電力給支路16。
電力母線12以實施例的方式示出為三相電源系統(tǒng)，該三相電源系統(tǒng)具有第一相18，第二相20以及第三相22。電力母線12也可包括中線相(未示出)。為了清楚起見，所示出的系統(tǒng)10將來自電力母線12的電力由四個斷路器14分配給四個電路16。當然，本發(fā)明考慮到電力母線12可以具有任意希望的相數(shù)和/或系統(tǒng)10可具有任意希望數(shù)量的斷路器14。
每個斷路器14具有一組可分離觸頭24(示意性示出)。觸頭24選擇性地將電力母線12置成與電路16上的至少一個負載(也示意性的示出)進行通信。該負載可包括設(shè)備，這些設(shè)備例如，但不局限于電動機，焊接機，計算機，加熱器，照明設(shè)備，和/或其他電氣設(shè)備。
配電系統(tǒng)10示于圖1中，為中央控制的和完全集成的保護、監(jiān)測以及控制系統(tǒng)26(此后稱作“系統(tǒng)”)的代表性實施例。系統(tǒng)26設(shè)置成從中央控制處理單元28(此后稱作“CCPU”)控制和監(jiān)測配電系統(tǒng)10。CCPU28在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)32上與多個數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊30(此后稱作“模塊”)進行通信。網(wǎng)絡(luò)32將來自所有的模塊30的所有信息基本上同時傳送給CCPU28。
因此，系統(tǒng)26可包括保護和控制方案。保護和控制方案考慮一個或所有斷路器14上的電信號值，例如電流大小和相位。此外，系統(tǒng)26將配電系統(tǒng)10的單個斷路器14的保護、控制、監(jiān)測功能集成在單個集中控制處理器(如，CCPU28)中。系統(tǒng)26為CCPU28提供一組同步信息的全部，該信息通過在網(wǎng)絡(luò)32上與模塊30和斷路器14進行數(shù)字通信而得到，并且系統(tǒng)26基于該全組數(shù)據(jù)提供該CCPU操作這些設(shè)備的能力。
特別是，CCPU28為配電系統(tǒng)10執(zhí)行所有的主要配電功能。即，CCPU28執(zhí)行系統(tǒng)26的所有的瞬時過電流保護(IOC)，短時過電流，長時過電流，繼電保護，以及邏輯控制，還有數(shù)字信號處理功能。因此，系統(tǒng)26使得設(shè)置可以進行改變，并且數(shù)據(jù)可以記錄在單個中央位置，即CCPU28。CCPU28在此通過實施例的方式描述為中央處理單元。當然，本發(fā)明可以考慮到CCPU28包括任何可編程電路，可編程電路例如但不局限于計算機，處理器，微控制器，微型計算機，可編程邏輯控制器，專用集成電路，以及其他可編程電路。
如圖1所示，每個模塊30與斷路器14之一進行通信。每個模塊30還與至少一個傳感器34進行通信，傳感器34檢測母線12和/或電路16的每相(如，第一相18，第二相20，第三相22，以及中線)中的電力狀態(tài)。傳感器34可包括電流互感器(CT)，電壓互感器(PT)，及其任一組合。傳感器34監(jiān)測電路16中的輸入電力的狀態(tài)，并且提供表示該電力狀態(tài)的第一信號36給模塊30。例如，傳感器34可為產(chǎn)生與電路16中的電流成比例的二次電流的電流互感器，這樣第一信號36為二次電流。
模塊30發(fā)送一個或多個第二信號38給斷路器14和/或從斷路器14接收一個或多個第二信號38。第二信號38可表示斷路器14的一個或多個狀態(tài)，該狀態(tài)例如但不局限于可分離觸頭24的位置，彈簧加載開關(guān)狀態(tài)，以及其他。另外，模塊30設(shè)置成通過發(fā)送一個或多個第三信號40給斷路器來操作斷路器14，從而如指定的打開/閉合可分離觸頭24。在第一實施例中，斷路器14不能打開可分離觸頭，除非系統(tǒng)26指令去這樣做。
系統(tǒng)26利用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)32以用于從模塊30進行數(shù)據(jù)獲取并數(shù)據(jù)傳送到該模塊上。因此，網(wǎng)絡(luò)32設(shè)置成在CCPU28和模塊30之間提供通信容量和業(yè)務(wù)管理的指定值。在代表性實施例中，網(wǎng)絡(luò)32可設(shè)置成在模塊30之間不進行通信(即，無模塊對模塊通信)。
另外，系統(tǒng)26可設(shè)置成提供一致的故障響應(yīng)時間。如此處所用，系統(tǒng)26的故障響應(yīng)時間定義為在故障情況發(fā)生時和模塊30發(fā)出跳閘命令給相關(guān)的斷路器14時之間的時間。在代表性實施例中，系統(tǒng)26具有故障響應(yīng)時間，該故障響應(yīng)時間小于60Hz(赫茲)波形的單個周期。例如，系統(tǒng)26可具有約三毫秒的最大故障響應(yīng)時間。
網(wǎng)絡(luò)32的配置和運行協(xié)議設(shè)置成提供前述的通信容量和響應(yīng)時間。例如，網(wǎng)絡(luò)32可為具有星型拓撲結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。在該實施例中，網(wǎng)絡(luò)32是具有帶有沖突檢測多路訪問(CSMA/CD)協(xié)議的全雙工網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議一般由取消和/或禁用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)而使用。相反，網(wǎng)絡(luò)32為用于管理沖突域的切換以太網(wǎng)。
在該結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)32提供至少約100Mbps(兆位每秒)的數(shù)據(jù)傳送速度。例如，數(shù)據(jù)傳送速度可為約1Gbps(吉位每秒)。另外，對CCPU28和模塊30之間通過網(wǎng)絡(luò)32進行的通信可進行管理，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)32的使用。例如，網(wǎng)絡(luò)32可通過調(diào)節(jié)一個或多個消息大小，消息頻率，消息內(nèi)容和/或網(wǎng)絡(luò)速度來進行優(yōu)化。
因此，網(wǎng)絡(luò)32為響應(yīng)時間提供包括預(yù)定通信，固定消息長度，全雙工運行模式，以及防止沖突的開關(guān)，這樣在下一組消息預(yù)定到達之前所有的消息移動到CCPU28中的存儲器。因此，系統(tǒng)26可在中央位置并以集中方式執(zhí)行指定的控制、監(jiān)測、和保護功能。
我們認識到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)32僅通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的方式在上面進行了說明，該以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有特定配置、構(gòu)形以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。當然，本發(fā)明考慮到使用任一數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)確保執(zhí)行功能性的指定范圍所必須的指定數(shù)據(jù)容量和一致的故障響應(yīng)時間。該代表性實施例得到CCPU28和模塊30之間的子周期傳輸次數(shù)以及全部采樣數(shù)據(jù)從而對具有與傳統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的精確度和速度的多個模塊執(zhí)行所有的配電功能。
CCPU28可互相依賴地執(zhí)行支路保護、區(qū)域保護以及繼電保護，這是因為所有的系統(tǒng)信息在一個中央位置，即在CCPU上。另外，CCPU28可在中央位置系統(tǒng)信息上執(zhí)行一個或多個監(jiān)測功能。因此，系統(tǒng)26提供不被現(xiàn)有系統(tǒng)所考慮的相關(guān)以及集成保護、控制以及監(jiān)測方法。例如，系統(tǒng)26以低成本集成并且協(xié)調(diào)負載管理、饋電管理、系統(tǒng)監(jiān)測以及其他系統(tǒng)保護功能，并且容易安裝系統(tǒng)。
模塊30的代表性實施例示于圖2中。模塊30具有微處理器42，數(shù)據(jù)總線44，網(wǎng)絡(luò)接口46，電源48，以及一個或多個存儲設(shè)備50。
電源48設(shè)置成從第一信號源52和/或第二信號源54接收電力。第一信號源52可為不間斷電源(未示出)，多個電池(未示出)，電源總線(未示出)以及其他電源中的一種或多種。在示出的實施例中，第二信號源54是從傳感器34得到的二次電流。
電源48設(shè)置成從第一和第二信號源52，54提供電力56給模塊30。例如，電源48可提供電力56給微處理器42，數(shù)據(jù)總線42，網(wǎng)絡(luò)接口44，以及存儲設(shè)備50。電源48也設(shè)置成提供第四信號58給微處理器42。第四信號58表示什么電源正在提供電力給電源48。例如，第四信號58表示電源48是否正從第一信號源52，第二信號源54或第一和第二信號源兩者接收電力。
網(wǎng)絡(luò)接口46和存儲設(shè)備50與微處理器42在數(shù)據(jù)總線44上進行通信。網(wǎng)絡(luò)接口46可連接到網(wǎng)絡(luò)32上，這樣微處理器42與CCPU28進行通信。
微處理器42接收第一信號36和第二信號38的數(shù)字表示。第一信號36為由傳感器34收集的連續(xù)模擬數(shù)據(jù)，同時第二信號38是來自斷路器14的離散模擬數(shù)據(jù)。因此，從模塊30發(fā)送到CCPU28的數(shù)據(jù)為實際電壓、電流以及設(shè)備狀態(tài)的數(shù)字表示。例如，第一信號36為表示電路16中的電流和/或電壓的模擬信號。
因此，系統(tǒng)26通過網(wǎng)絡(luò)32提供實際原始參數(shù)或離散電氣數(shù)據(jù)(即，第一信號36)和設(shè)備實際狀態(tài)(即，第二信號38)給CCPU28，而不是處理過的歸納信息，該歸納信息由設(shè)備如跳閘單元，計量器，或繼電器進行采樣、產(chǎn)生以及存儲。結(jié)果，CCPU28具有完整的原始系統(tǒng)寬度的數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)以作出決定并且能因此基于從模塊30得到的信息來操作網(wǎng)絡(luò)32上的任一或所有的斷路器14，模塊30與駐留在CCPU28中的控制和保護算法要求的一樣多。
模塊30具有信號調(diào)節(jié)器60以及模-數(shù)轉(zhuǎn)換器62。第一信號36由信號調(diào)節(jié)器60進行調(diào)節(jié)，并由A/D轉(zhuǎn)換器62轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號64。因此，模塊30收集第一信號36并且將數(shù)字信號64呈現(xiàn)給微處理器42，該數(shù)字信號64表示第一信號中的原始數(shù)據(jù)。例如，信號調(diào)節(jié)器60可包括改進第一信號36信噪比的濾波電路(未示出)，放大該第一信號的增益電路(未示出)，將第一信號轉(zhuǎn)換成預(yù)定范圍的電平調(diào)節(jié)電路(未示出)，有助于第一信號到A/D轉(zhuǎn)換器62的轉(zhuǎn)移的阻抗匹配電路(未示出)，以及其任一組合。此外，A/D轉(zhuǎn)換器62可為采樣保持轉(zhuǎn)換器，其具有來自微處理器42的外部轉(zhuǎn)換開始信號66或由微處理器42進行控制的時鐘電路68，從而有助于數(shù)字信號64的同步。
期望來自系統(tǒng)26中所有模塊30的數(shù)字信號64可在基本上同一時間進行收集。特別是，期望系統(tǒng)26中所有模塊30的數(shù)字信號64表示配電系統(tǒng)10中基本相同時刻的電力。
模塊30至少部分基于如圖1所示的同步信號或指令70采樣數(shù)字信號64。同步指令70可從在CCPU28內(nèi)部或外部的同步時鐘72產(chǎn)生。同步指令70通過網(wǎng)絡(luò)32同時從CCPU28傳送到模塊30。同步時鐘72以規(guī)則的間隔將同步指令70發(fā)送給CCPU28，CCPU28在網(wǎng)絡(luò)32上把指令輸送到模塊30。
模塊30采用同步指令70來修改駐留采樣協(xié)議。例如，每個模塊30可具有在微處理器42上駐留的同步算法。微處理器42上駐留的同步算法可為軟件鎖相環(huán)算法。該軟件鎖相環(huán)算法至少部分基于來自CCPU28的同步指令70來調(diào)節(jié)模塊30的采樣周期。因此CCPU28和模塊30在系統(tǒng)26中一起工作，從而確保來自系統(tǒng)中所有模塊的采樣(即，數(shù)字信號64)進行同步。
因此，系統(tǒng)26設(shè)置成部分基于同步指令70收集來自模塊30的數(shù)字信號64，這樣數(shù)字信號代表相同時刻的瞬態(tài)，如彼此處于一個預(yù)定時間窗口內(nèi)。因此，CCPU28可具有代表配電系統(tǒng)10內(nèi)的每個監(jiān)測位置(如模塊30)的狀態(tài)的一組精確數(shù)據(jù)。該預(yù)定時間窗口可小于約10微秒。例如，該預(yù)定時間窗口可為約5微秒。
系統(tǒng)26的預(yù)定時間窗口可受到網(wǎng)絡(luò)32的端到端可變性的影響。在代表性實施例中，網(wǎng)絡(luò)32具有在約24納秒到約720納秒的范圍內(nèi)的端到端可變性。在可替換代表性實施例中，網(wǎng)絡(luò)32具有約2微秒的最大端到端可變性。
已經(jīng)確定由系統(tǒng)26控制所有模塊30到該預(yù)定時間窗口，確保在模塊的計量和矢量功能，具有坐標數(shù)據(jù)的系統(tǒng)波形捕獲，精確事件記錄，以及其他特點上精確度的指定值。在代表性實施例中，精確度的指定值等于傳統(tǒng)設(shè)備的精確度及速度。例如，約十微秒的預(yù)定時間窗提供在計量和矢量功能上約99％的精確度。
從每個斷路器14到每個模塊30的第二信號38表示一個或多個斷路器的狀態(tài)。將第二信號38提供給模塊30的分立I/O電路74。電路74與斷路器14和微機42進行通信。電路74設(shè)置成確保來自斷路器14的第二信號38在預(yù)定電壓上提供給微處理器42而沒有波動。例如，電路74可包括去跳動電路和多個比較器。
微處理器42采樣第一和第二信號36，38作為由CCPU28進行同步。然后，轉(zhuǎn)換器62將第一和第二信號36，38轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號64，該數(shù)字信號64由微處理器42打包到具有指定配置的第一消息76中。第一消息76可包括指示符，該指示符指示第一信號響應(yīng)哪個同步信號70。因此第一消息76正在響應(yīng)的那個同步信號70的指示符返還到CCPU28上以用于采樣時間識別。
CCPU28在網(wǎng)絡(luò)32上從每個模塊30接收第一消息76，并且在所有第一消息中發(fā)送的數(shù)據(jù)上執(zhí)行一個和/或多個監(jiān)測算法?；趤碜砸粋€或多個模塊30的第一消息76，CCPU28可控制一個或多個斷路器14的動作。例如，當CCPU28從一個或多個第一消息76探測到故障時，CCPU通過網(wǎng)絡(luò)32發(fā)送第二消息78給一個或多個模塊30。
響應(yīng)第二消息78，微處理器42使得第三信號來操作(如，斷開觸頭24)斷路器14。斷路器14可包括多于一個操作機構(gòu)。例如，斷路器14可具有并聯(lián)跳閘裝置80以及磁控螺線管82。微處理器42設(shè)置成發(fā)送第一輸出84以操作并聯(lián)跳閘裝置80和/或發(fā)送第二輸出86以操作螺線管82。第一輸出84指令電力控制模塊88提供第三信號40(即，電力)給并聯(lián)跳閘裝置80，第三信號40可分離觸頭24。第二輸出86指令閘門電路90提供第三信號40給螺線管82(即，磁通移位器)以分離觸頭24。應(yīng)該注意的是并聯(lián)跳閘裝置80要求存在第一信號源52，而螺線管82僅當?shù)诙盘栐?4存在時進行操作。以這種方式，微處理器42可響應(yīng)第二消息78操作斷路器14而與第一和第二信號源52，54的狀態(tài)無關(guān)。
除操作斷路器14之外，模塊30可傳送到一個或多個本地輸入和/或輸出設(shè)備94上。例如，本地輸出設(shè)備94可為模塊狀態(tài)指示器，例如可視或可聽指示器。在一個實施例中，設(shè)備94為設(shè)置成對模塊30的狀態(tài)進行通信的發(fā)光二極管(LED)。在另一個實施例中，本地輸入設(shè)備94為用于手動操作模塊30的一個或多個部分的狀態(tài)修正按鈕。在又一個實施例中，本地輸入設(shè)備94為用于與模塊30進行本地通信的模塊接口。
因此，使模塊30適合從作為由CCPU進行同步的傳感器34采樣第一信號36。然后模塊30將第一和第二信號36，38的數(shù)字表示(即，數(shù)字信號64)，以及其他信息作為需要打包到第一消息76中。來自所有模塊30的第一消息76通過網(wǎng)絡(luò)32發(fā)送到CCPU28。CCPU28處理第一消息76并產(chǎn)生以及存儲指令從而以第二消息78控制每個斷路器14的動作。CCPU28發(fā)送第二信消息78給所有的模塊30。在代表性實施例中，CCPU28響應(yīng)同步指令70發(fā)送第二消息78給所有的模塊30。
因此，系統(tǒng)26可基于來自單個斷路器的信息，或與來自系統(tǒng)26中其他斷路器的一個或多個的信息相結(jié)合來控制每個斷路器14。在正常操作情況下，系統(tǒng)26在CCPU28上執(zhí)行所有的監(jiān)測、保護以及控制決定。
由于系統(tǒng)26的保護和監(jiān)測算法駐留在CCPU28中，這些算法可以使用而不需要在斷路器14或模塊30中進行硬件或軟件改變。例如，系統(tǒng)26可包括與CCPU28進行通信的數(shù)據(jù)錄入設(shè)備92，例如人機接口(HMI)。在該實施例中，CCPU28上駐留的保護和監(jiān)測算法的一個或多個屬性和功能可容易從數(shù)據(jù)錄入設(shè)備92進行修正。因此，與現(xiàn)有系統(tǒng)的斷路器/跳閘單元相比，斷路器14和模塊30可更加標準化。例如，需要超過一百個分立斷路器/跳閘單元，以提供對于配電系統(tǒng)的保護通常需要的全值范圍。然而，由系統(tǒng)26實現(xiàn)的斷路器14和模塊30的自身特性(genetic nature)能將該數(shù)量減少百分之六十以上。這樣，系統(tǒng)26能解決現(xiàn)有配電系統(tǒng)的庫存問題、更新能力(retrofittability)問題、設(shè)計滯后問題、安裝滯后問題、以及成本問題。
應(yīng)該認識到，系統(tǒng)26以上被描述成具有一個與模塊30經(jīng)由單個網(wǎng)絡(luò)32通信的CCPU28。然而，由本公開想到，系統(tǒng)26能具有在圖1中用虛線表明的冗余CCPU28和網(wǎng)絡(luò)32。例如，在圖2中表明的模塊30具有兩個網(wǎng)絡(luò)接口46。每個接口46設(shè)置成可操作地將模塊30通過分立的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)32連接到一個分立的CCPU28上。以這種方式，系統(tǒng)26即使在冗余系統(tǒng)之一失效的情況下也保持可操作。
已經(jīng)意識到CCPU28在某些情況下不能控制斷路器14。這些情況可包括第一信號源52中的電力中斷，CCPU28的初始啟動，網(wǎng)絡(luò)32的故障，以及其他。在這些故障情況下，系統(tǒng)26包括一個或多個后備系統(tǒng)，從而確保將至少某些保護提供給斷路器14。
模擬后備系統(tǒng)96的代表性實施例示于圖3中，其中為了清楚起見將模塊30的某些元件省略。模擬后備系統(tǒng)96為模擬電路98，該模擬電路98設(shè)置成即使另外系統(tǒng)26不工作時，對于選擇性故障情況操作斷路器14。另外，模擬后備系統(tǒng)96從由傳感器34(即，電流互感器)得到的二次電流供電。由于模擬后備系統(tǒng)96由第二信號源54提供電力，所以它即使在第一信號源52不存在的情況下也能操作。
模擬電路98接受來自傳感器34的二次電流(如，第二信號源54)，并且設(shè)置成確定是否瞬時過電流(IOC)故障出現(xiàn)在電路16中。當模擬電路98確定IOC故障出現(xiàn)時，電路提供第三輸出100給閘門電路90，從而操作螺線管82。第三輸出100指令閘門電路90提供第三信號40給螺線管82(即，磁通移位器)，第三信號可分離觸頭24。以這種方式，模塊30可操作與系統(tǒng)26和/或第一信號源52的運行狀態(tài)獨立的斷路器14。
當系統(tǒng)運行時，模擬后備系統(tǒng)96可與系統(tǒng)26同時運行。在該實施例中，模擬電路98也可提供第三輸出100給微處理器42，從而通知故障狀態(tài)的微處理器。
數(shù)字后備系統(tǒng)102的代表性實施例示于圖4中。即使系統(tǒng)26的部分不工作，數(shù)字后備系統(tǒng)102也可操作斷路器14。
數(shù)字后備系統(tǒng)102包括微處理器42以及后備算法104，該算法駐留在微處理器上。后備系統(tǒng)102設(shè)置成修正微處理器42的運行，從而將其電力使用與從電源48得到的電力進行協(xié)調(diào)。例如，微處理器42從電源48接收第四信號58。此處，第四信號58表示是否電源48正在從第一信號源52，第二信號源54，或第一和第二信號源兩者接收電力。
當?shù)谒男盘?8表示電源48正從第一信號源52或從第一信號源和第二信號源52，54兩者接收電力時，微處理器42正常運行。在微處理器42的正常運行下，系統(tǒng)26運行，需要從第一信號源52提供的電力。
然而，當?shù)谒男盘?8表示電源48正僅從第二信號源54接收電力時，后備系統(tǒng)102可控制微處理器42僅運行算法104。算法104設(shè)置成與從第二信號源54得到的電力一起運行。例如，算法104可為短時過電流算法，長時過電流算法，以及其任一組合。
在算法104確定故障情況出現(xiàn)在電路16中的情況下，微處理器42發(fā)送第二輸出86，從而操作螺線管82。另外，第二輸出86指令閘門電路90提供第三信號40給螺線管82，第三信號可分離觸頭24。以這種方式，數(shù)字后備保護系統(tǒng)102可響應(yīng)與系統(tǒng)26的運行狀態(tài)獨立的第一和第二信號36，38而操作斷路器14。
數(shù)字后備系統(tǒng)102也可設(shè)置成單獨通過其他方法或與算法104的結(jié)合而減小由微處理器42消耗的電力。例如，后備系統(tǒng)102可通過減慢微處理器的時鐘速度來減小由微處理器42消耗的電力。后備系統(tǒng)102也可通過切斷內(nèi)部和/或外部外圍設(shè)備的電力56來減小由微處理器42消耗的電力。內(nèi)部和/或外部外圍設(shè)備例如網(wǎng)絡(luò)接口46，存儲設(shè)備50，本地輸入和/或輸出設(shè)備94以及其他。
因此，數(shù)字后備系統(tǒng)102適合即使系統(tǒng)26部分不工作時而操作斷路器14。
數(shù)字后備系統(tǒng)106的可替換實施例示于圖5中。數(shù)字后備系統(tǒng)106具有第二微處理器142，信號調(diào)節(jié)器160，第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器162，以及過電流保護算法204，過電流保護算法駐留在第二微處理器上。
電源48提供電力56給第二微處理器142。由于第二微處理器142僅運行算法204，該第二微處理器可與從第二信號源54得到的電力一起運行。例如，算法204可為短時過電流算法，長時過電流算法，以及其任一組合。
在使用中，第一信號36由信號調(diào)節(jié)器160進行調(diào)節(jié)并由A/D轉(zhuǎn)換器162轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號164。因此，數(shù)字后備系統(tǒng)106收集第一信號36并將數(shù)字信號164呈現(xiàn)給微處理器142，該數(shù)字信號164代表第一信號的原始數(shù)據(jù)。
在算法204確定故障情況出現(xiàn)在電路16中的情況下，微處理器142發(fā)送第二輸出186以操作螺線管82。第二輸出186，與上述的第二輸出86很像，指令閘門電路90提供第三信號40給螺線管82，第三信號可分離觸頭24。以這種方式，數(shù)字后備系統(tǒng)106可操作與系統(tǒng)26的運行狀態(tài)獨立的斷路器14。
后備系統(tǒng)的各種代表性實施例為清楚起見除另一個外在上面進行描述。然而，本發(fā)明考慮到系統(tǒng)26具有一個或多個模擬和數(shù)字后備系統(tǒng)96，102，106的任一組合。
因此，每個模塊30可基于來自CCPU28的第二消息78控制斷路器14(即，遙控)，并且通過后備設(shè)備96，102，106的一個或多個本地控制斷路器。
優(yōu)點是，具有系統(tǒng)26的配電系統(tǒng)10提供多個保護冗余級。一個保護級由斷路器14提供，當檢測到電路16中瞬時過電流故障時，該斷路器14可自動斷開它的可分離觸頭24。
另外，保護和監(jiān)測的較高級由系統(tǒng)26提供。CCPU28基于從模塊30在網(wǎng)絡(luò)32上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供高級保護和監(jiān)測。另外，系統(tǒng)26可包括與每個模塊30進行通信的冗余CCPU28和網(wǎng)絡(luò)32，從而在一個冗余通信系統(tǒng)故障時確保高級系統(tǒng)保護和監(jiān)測。
最后，系統(tǒng)26通過后備設(shè)備96，102，106提供后備保護給配電系統(tǒng)10。當系統(tǒng)26的特定部分出現(xiàn)部分故障時，當檢測到電路16中的選擇性故障情況時，后備設(shè)備可斷開斷路器14的可分離觸頭24。
另外，系統(tǒng)26提供這些多個保護冗余而不需要現(xiàn)有設(shè)計的高成本，高復(fù)雜度跳閘單元。此外，系統(tǒng)26在系統(tǒng)中提供這些易于安裝，設(shè)計，以及升級的多個保護冗余。
應(yīng)該注意的是，術(shù)語“第一”，“第二”，“第三”，“上”，“下”等可在此進行使用而改變各種元件。這些改變并不隱含著所改變的元件空間，時間或等級上的順序，除非有特定說明。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考一個或多個代表性實施例進行描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道在不脫離其范圍情況下可以進行各種改變，并且可用等同物替換其元件。另外，在不脫離其范圍的本發(fā)明的教導(dǎo)下，可進行許多改變從而適應(yīng)特定位置或材料。因此，本發(fā)明并不局限于作為實現(xiàn)該發(fā)明所考慮的最佳模式所披露的特定實施例，而本發(fā)明包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的全部實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊，包括用于采樣一個或多個第一信號的微處理器，所述第一信號表示所述配電系統(tǒng)中的電力狀態(tài)；以及用于將所述微處理器置成與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行通信的網(wǎng)絡(luò)接口，所述微處理器部分基于所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)耐叫盘杹聿蓸铀鲆粋€或多個第一信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，其中所述微處理器設(shè)置成接收一個或多個第二信號，所述第二信號表示所述配電系統(tǒng)中斷路器的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，還包括提供電力給所述微處理器的電源，所述電源接收來自第一信號源，第二信號源或其組合的所述電力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的模塊，其中所述電源提供第三信號給所述微處理器，所述第三信號表示所述電源是否正在接收來自所述第一信號源，所述第二信號源或所述組合的所述電力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，其中所述微處理器設(shè)置成將所述一個或多個第一信號打包在第一消息中，并將所述第一消息在所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上進行發(fā)送。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的模塊，其中所述微處理器響應(yīng)從所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收到的第二消息操作所述配電系統(tǒng)中的斷路器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的模塊，還包括基于與所述第二消息獨立的所述一個或多個第一信號來操作所述斷路器的后備系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的模塊，其中所述后備系統(tǒng)包括模擬電路，所述模擬電路接收所述一個或多個第一信號并基于所述一個或多個第一信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的模塊，還包括提供電力和第三信號給所述微處理器的電源，所述電源從第一信號源，第二信號源或其組合接收所述電力，所述第三信號表示所述電源是否正在從所述第一信號源，所述第二信號源或所述組合接收所述電力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的模塊，其中所述后備系統(tǒng)包括駐留在所述微處理器上的算法，當所述第三信號表示所述電源正僅從所述第二信號源接收所述電力時所述微處理器采用所述算法處理所述一個或多個第一信號，所述算法基于所述一個或多個第一信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的模塊，其中所述后備系統(tǒng)包括第二微處理器，所述第二微處理器具有駐留其上的算法，所述算法基于所述一個或多個第一信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
12.一種用于配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊，包括微處理器，用于采樣來自所述配電系統(tǒng)中的電路的電力狀態(tài)信號；網(wǎng)絡(luò)接口，將所述微處理器置為與中央處理器進行通信，這樣使得所述微處理器可發(fā)送包含所述電力狀態(tài)信號的第一消息給所述中央處理器，并且可從所述中央處理器接收第二消息和同步脈沖，所述微處理器部分基于所述同步脈沖采樣所述電力狀態(tài)信號；用于響應(yīng)所述第二消息來操作所述配電系統(tǒng)中的斷路器的裝置；以及用于響應(yīng)與所述第二消息獨立的所述電力狀態(tài)信號來操作所述斷路器的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的模塊，其中所述用于操作與所述第二消息獨立的所述斷路器的所述裝置包括模擬電路，所述模擬電路接收所述電力狀態(tài)信號并且基于所述電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的模塊，其中所述用于操作與所述第二消息獨立的所述斷路器的所述裝置包括駐留在所述微處理器上的算法，所述算法基于所述電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的模塊，其中用于操作與所述第二消息獨立的所述斷路器的所述裝置包括第二微處理器，所述第二微處理器具有其上駐留的算法，所述第二微處理器接收所述電力狀態(tài)信號，這樣使得所述算法可基于所述電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述斷路器。
16.一種用于配電系統(tǒng)的保護系統(tǒng)，包括與第一模塊進行通信的第一斷路器；與第二模塊進行通信的第二斷路器；以及與所述第一和第二模塊進行通信的中央處理器，這樣所述中央處理器可發(fā)送同步信號給所述第一和第二模塊，所述第一模塊部分基于所述同步信號采樣所述第一斷路器處的第一電力狀態(tài)，所述第一模塊發(fā)送所述第一電力狀態(tài)給所述中央處理器，所述第二模塊部分基于所述同步信號采樣所述第二斷路器處的第二電力狀態(tài)，并且所述第二模塊發(fā)送所述第二電力狀態(tài)給所述中央處理器，其中所述中央處理器設(shè)置成基于所述第一電力狀態(tài)控制所述第一斷路器，基于所述第二電力狀態(tài)控制所述第二斷路器，以及控制其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的保護系統(tǒng)，其中所述第一模塊進一步包括后備系統(tǒng)，用于基于與所述中央處理器獨立的所述第一電力狀態(tài)本地操作所述第一斷路器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的保護系統(tǒng)，其中所述后備系統(tǒng)包括模擬電路，所述模擬電路接收所述第一電力狀態(tài)，并基于所述第一電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述第一斷路器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的保護系統(tǒng)，其中所述后備系統(tǒng)包括駐留在所述微處理器上的算法，所述算法基于所述第一電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述第一斷路器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的保護系統(tǒng)，其中所述后備系統(tǒng)包括第二微處理器，所述第二微處理器具有駐留其上的算法，所述算法基于所述第一電力狀態(tài)信號產(chǎn)生輸出，所述輸出設(shè)置成操作所述第一斷路器。
全文摘要
提供一種用于配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和傳輸模塊(圖2)。該模塊具有微處理器(42)和網(wǎng)絡(luò)接口(46)。該微處理器(42)采樣表示配電系統(tǒng)中電力狀態(tài)的第一信號(52)。該網(wǎng)絡(luò)接口(46)將微處理器(42)置成與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(44)進行通信。微處理器(42)部分基于在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(44)上傳輸?shù)耐叫盘杹聿蓸拥谝恍盘?52)。
文檔編號H01H83/20GK1639651SQ03804613
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月25日
發(fā)明者戴維·G·弗萊徹, 托馬斯·F·帕帕洛, 約翰·J·多爾蒂, 厄圖格魯爾·伯坎, 伊曼德·安達拉維斯·安達拉維斯 申請人:通用電氣公司