CN100379168C - 线路分路和接地故障诊断设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测多处理器通信系统中的接地故障的系统和方法，该通信系统包括连接各处理器的通信链路。上述处理器将所述链路的多个不同部分隔离。测量该多个不同的隔离部分以确定故障的位置。处理器还可以对链路进行测量以确定链路中分路阻抗的大小。当检测到异常分路阻抗值时，相对应的装置可以启动或禁用固态隔离电路，以将表现出异常分路阻抗值的链路部分断开。

Description

线路分路和接地故障诊断设备和方法

本发明涉及用于通信链路的诊断装置和方法。具体涉及用于确定通信链路上的分路阻抗(shunt impedance)和接地故障存在与否的装置和方法。

多处理器通信系统利用双向通信链路来为每个处理器提供双向通信能力。这种系统经常涉及到报警或监视功能。

这种系统的一种已知形式包含有公用控制单元，该公用控制单元与伸展遍布于待监视区域的双线电缆相连。在与待监视区域的多个部位对应的位置处，可以在链路的电线间连接多个检测器。此外，也可将输出装置连接在链路的电线之间，并用以提供各种输出功能，例如激励/去激励螺线管，或将听觉/视觉报警器通电/断电。

人们已经认识到这种通信链路有时会由于分路阻抗或接地故障而导致性能下降。虽然在过去一段时间已发展出了一些方法，试图在A类环路中建立出现了一种或多种上述状况的位置，但仍然希望能够确定在该种链路的电线之间分路阻抗的存在或是在其它链路架构中接地故障的位置。最好是，对于给定数目的检测器能够在不实质性地增加这种系统的基本成本的情况下提供上述功能。此外，最好是能够在不实质性地增加系统复杂性的情况下提供上述功能。

根据本发明的一个方面，提供一种多处理器通信系统，其包括可以用双线电缆实现的公用通信链路。与该链路相连的是多个电气装置，其中一些电气装置可以基本相同。

典型的电气装置可以包括环境条件检测器，例如烟火检测器，位置检测器，运动检测器，气体检测器，湿度检测器等等。也可以使用其它类型的电气装置对螺线管激励/去激励，以便执行以下这些输出功能，包括锁定/解锁、开/闭门窗、将多种类型的听觉/视觉输出装置通电或启动以便传达消息或警报等等。根据本发明另一方面，可以将上述多种检测器集中在一条通信链路上，并且如果需要的话，可将上述输出装置的一些集中在另一条通信链路上。

每个电气装置都可以包括本机控制电路和相关的指令，该本机控制电路可用编程处理器(programmed processor)以及相关的指令来实现。根据本发明的一个方面，本机控制电路与固态或机械开关连接，其中该开关用于将电气单元附近的通信链路断路。如果有公用控制单元的话，则其可以包括类似的固态或机械开关，其中该开关在其内部电路的控制下可以将通信链路与该控制单元隔离。

为了测量通信链路的分路电阻，这些装置含有用于驱动在通信链路的两条电线之间电流的驱动电路。电流的驱动是以如下方式进行的，即连接在电线之间的装置不会干扰该两条电线之间的分路电阻的测量。

这些装置测量电流在电线之间产生的压降，并确定线路分路电阻是否大于预定值。如果分路电阻小于预定值，则会产生故障指示。

根据本发明的一个优选方面，以与向这些装置供电的极性相反的极性来驱动电流。以这种方式，当极性反向时，每个装置都好象是开路或至少是非常大的阻抗。那么线路之间产生的电压将由线路分路电阻决定。

根据本发明的另一方面，以与向这些装置供电的极性相同的极性来驱动电流。但是，在这种情况下，电流的驱动值非常低，使得通信链路的电线之间产生的电压小于向这些装置供电所需的电压值。由于这些装置不具有从线路抽取功率的足够电压，因此线路中的电压将由线路分路电阻决定。

在本发明的优选设备中，每个装置还包含有隔离电路，使其能够将链路断路。该隔离电路可以利用固态半导体开关来实现。

由于每个装置均将链路断路，故每个装置仅检查它与它相邻装置之间的链路部分。如果通信链路的两条电线之间的分路电阻小于预定值，则会产生故障指示，并且该装置的地址指示出该分路电阻的位置。可以用电压驱动来代替电流驱动，因为这些参数是相关的。

当指示出有低分路电阻时，可以命令该相应的装置将链路断路，从而隔离具有低分路电阻的通信链路段。这将避免对通信过程产生不利影响。

在很多系统中，通信链路不与接地点或链路周围的外部屏蔽相连。从通信链路的任一条电线或全部两条电线可能出现向接地点的电阻性泄漏路径(resistive leakage path)，或接地故障。这可能造成潜在的通信问题。因此希望能够在遇到通信问题之前识别出该向接地点的泄漏电阻(或接地故障)的存在。

一种优选方法包括进行检查以确定链路是否表现出接地故障。在一个实施例中，该通信链路包括两条导线。

一条导线与所有装置连接并且不能被这些装置断路。每个装置都具有将第二导线断路的能力。

为测试该链路，这些装置在该链路的多个间隔开的位置上将第二导线断路。当某个装置位于接地故障和一预定单元之间时，相对于该预定单元该接地故障将消失。

当该接地故障位于该预定单元和该装置之间时，该单元将检测到该接地故障。通过确定离该接地故障最近并且仍位于该接地故障和该单元之间的装置，就可以确定该接地故障的位置。

该预定单元可以对应于另一个装置。作为另一种选择，如果该系统包括与该链路连接的公用控制单元，用以执行各种全系统的通信功能，那么该预定单元可以对应于该公用控制单元。

可以利用一种预定的搜索模式来确定接地故障的位置。对分搜索模式能以最少的步数找到接地故障。

一种用于确定通信链路的一个导线的接地故障位置的方法包括选择该链路中的初始位置。初始位置对应于该链路的一个末端，而后在该链路上选择另一个与之偏移的位置。该链路在该另一个位置处被断路。

而后可以通过使用电压类型的测试信号对各段进行测试，以确定哪段包含有故障。相对于该指示出或包含故障的段，在其中选择另一个偏移的位置并将该线路断路。然后测试每个被缩短的线路段以确定哪一段包含故障。如上所述，可使用对分搜索模式，其能以最少的步数确定故障的位置。

根据本发明的另一个方面，可以将每个电气单元的隔离开关断路。由此可以尝试使测试电流在大地与未被断路的通信链路的公用导线之间流动。可以使用连接在大地与通信链路的连续导线之间的接地故障检测电路来检测该测试电流的存在。该电流可由上述电气单元以并联方式提供，或可由另一个电源(诸如接地故障检测电路)提供，或可由与通信链路末端相连的公用控制单元中的电源提供。

在任一种情况下，都可以通过一个或多个相邻的电气装置检测到该链路的被断路的导线与接地点之间的接地故障的存在。由于相邻电气装置的隔离开关被断路，使得不相邻的电气装置与接地故障隔离。因此，接地故障的位置在两个相邻电气装置之间可以是未确定的。在这种情况下，通过将该两个相邻电气装置的隔离开关保持在它们各自的断路状态，并将剩余电气单元的隔离开关短路，可以将接地故障从通信链路中隔离，从而使正常通信重新开始。

通过以下附图以及对本发明及其实施例的详细说明，本发明的许多其它优点和特点将变得显而易见。

图1是根据本发明的通信系统的框图；

图2是图1中通信链路的一部分的框图，显示与该链路连接的电气单元和用于确定分路电阻存在位置的电路的附加细节；

图3是图1中系统的一种替换形式的一部分的框图，其被构造为用于确定所检测到的接地故障的位置；

图4是图1中系统的另一种形式的一部分的框图，其被构造为用于以另一种替换形式对接地故障定位；和

图5是图1中系统的另一种形式的框图，其可用于确定接地故障的位置。

虽然本发明可以用多种形式实施，但考虑到此处的公开应被认为是本发明原理的示例而且本发明不应被特定实施例所限制，因此这里仅对特定实施例加以图示和说明。

图1显示多处理器通信系统10，其可用于对所要监控的一个或多个区域中的多个状况进行监视。如图所示，系统10包括公用控制单元12，其可以用一个或多个互连的编程处理器和相关的预存指令来实现。

单元12包括用于连接至例如通信介质14的接口，图1中出于例示目的仅将该介质表示为光缆或电缆。

介质14连接有多个环境条件检测器18和多个控制或功能单元20。可以理解，该多个检测器18和多个单元20的各成员相对于介质14的分布方式并不作为对本发明的限制。多个检测器18的各成员可以包括侵入传感器(intrusion sensor)，位置传感器，气体传感器，诸如烟雾传感器、热传感器之类的火警传感器等等，都没有限制。多个单元20的各成员可以包括螺线管驱动的控制或功能执行单元，显示装置，打印机等等。

控制单元12通过介质24还连接有多个输出装置26，出于例示目的仅将其显示为一对电缆。该多个输出装置26可以包括(不限于)听觉或视觉输出装置、语音输出装置等等。装置26被用于在一个或多个区域中广播可以指示报警状态的消息。

可以理解，系统10的用途并不作为对本发明的限制。例如，本发明可用于仅在其中连接的各种装置之间传送信息的局域网。在不偏离本发明的精神和范围的条件下，本发明还可用于对等类型的通信系统，该通信系统不包含对应于公用控制单元12的部件。

图2显示用于确定分路电阻位置的系统和方法。其显示了三个装置18a，b，c以及控制单元12。下面所述内容也适用于装置20，26中的各成员。

每个装置均包括一隔离器开关，例如18a包括隔离器开关SWa。每个装置18a，b，...n，20a，b，...n，26a，...26n均包括控制元件，其至少部分地可利用编程处理器P-18a，18b...18n和P-20a，20b...20m及其相关指令来实现。作为另一种选择，可以利用各种形式的硬连线逻辑来实现装置18，20，26的各成员。

上述每个处理器包括输出控制端口或驱动器A₁，A₂和模拟输入端口A₃。模拟接收器A₃包括A/D转换器。作为另一种选择，A/D转换器可以是其相应处理器外部的独立电路。该转换器被用于检测阈值。驱动器(A1，A2)可以是来自相应处理器的单个驱动管脚或是外部驱动电路的输出。

每个装置18a，…20m都包括例如INTa，INTb，…的本地电源。每个本地电源可以接收来自链路14的电能。作为另一种选择，每个这样的电源可以接收来自另一个电源(例如电池)的电能。

在分路测试过程中，所有开关SW12-a，SW12-b，SWa..SWn都断开。因此导线14a在每个装置处(包括在控制单元12处)被断路。

接着，驱动电路(A1，A2)被接通，使电流(I1，I2，I3)流向导线14b。电流I1没有到装置18a的内接地点的返回路径。因此，导线14b被驱动为高于该装置的内接地点电压的高的正电压。在输入端口A3测量该电压。

如果没有分路，所有装置将产生比它们的内接地点电压高的正电压。这表示在链路14中没有分路电阻存在。

另一方面，如果在装置18b和装置18c之间的L至L′处有分路电阻，那么电流I2和I3具有分别通过两个装置的Q2和Q1返回至它们各自的内接地点的返回路径。那么在链路14之间(分路电阻两端)产生的电压幅值将是每个装置中的电流路径中的内部电阻R的函数。[V(公用)-V(+)]＝[VINTi-V(D1)-V(D3)-V(Q1)]*(分路电阻)/(R/2+分路电阻)。

R的值分为两个部分，因为装置18b与装置18c并联，使得两个R值实际上是平行的。如果链路14之间产生的电压低于预定值，那么上述装置将识别出存在有低于预定值的分路电阻。由此可以产生故障指示。上述识别出低分路电阻的装置可以使它们各自的隔离器开关SWa，SWb…，保持断开，以防止分路电阻影响两条导线14a，b上的通信。

所有未检测到低分路电阻的装置将闭合或使它们各自的隔离器开关短路。这样做将恢复导线14a与其它装置的连接。同样，控制单元12将闭合开关SW12-a，-b并恢复链路14的供电和通信。只有开关SWb，SWc将保持断开。

在很多情况下，将第二对电线从最后一个装置(例如20m)连接回控制单元12，使得电能和通信可以到达装置18c。于是所有装置将接收到电能以继续正常工作。但是，从L至L′的分路电阻被从通信线路中隔离。

图3显示用于检测接地故障位置的系统10-1。系统10-1的公用部件被指定了与图2相同的标识数字。在图3中，处理器P-18a′…P-18n′可以利用前述图2中的处理器P18-a…P18-n来实现，但其应具有扩展或附加指令以便执行接地故障测试功能。

系统10-1的控制单元12′包括控制开关SW12′-a和SW12′-b。这些开关可以采用场效应晶体管，双极晶体管或任何其它类型的可控固态或机械开关。开关SWa，SWb，SWc…也可以上述方式实现。

开关SW12′-a，SW12′-b将各自的导线14a，b断路。单元12′还包括接地故障检测电路12′-1。电路12′-1可以部分地利用用于对单元12′中一个或多个处理器进行控制的预编程指令来实现，其结构和操作如下所述。

一种接地故障定位方法包括从单元12′开始，并由此向外一次前进一个装置。该方法包括以下步骤：断开和闭合各隔离器开关SWa，SWb，SWc...并因此在各装置处将导线14a断路和短路，直至在所前进到的装置将导线14a断路时接地故障不再消失。这样可以识别出位于接地故障点与控制单元12′之间并且与接地故障点最近的装置。如果接地故障点在第一装置之后，那么只需检查两次。如果接地故障点在500个装置之后，那么需要检查501次。这种方法可以与通信链路中的T-分接头一起使用。

在另一种方法中，可以将这些装置设计为驱动流入接地点的电流。其可以确定在L至L′处接地分路电阻(接地故障)的位置。

在该测试过程中，控制单元12′中的SW12-a′断开而SW12-b′闭合。在每个装置中的隔离开关SWi将该装置处的导线14a断路。然后，每个装置驱动流入导线14b的电流(I1，I2，I3)，该电流可以流至控制单元(I)并从中流出至接地点(I′)。如果没有接地分路电阻，那么I′＝0并且因此I1＝0，I2＝0，I3＝0。

另一方面，如果在L至L′处有接地分路电阻，那么电流可以通过接地分路电阻流回与L点相邻的装置，形成完整的电流路径。在这种情况下，I′＝I2+I3，I1＝0，这是因为装置18b′中的隔离器SWb防止了返回装置18a′的完整电流路径的形成。

装置18b′和18c′都检测到电流在内部流动，并设置接地故障指示或故障信号。然后可将该故障信号传送至控制单元12′或其它装置以进行指示或显示。由于装置18b′和装置18c′都指示出接地故障，那么可以确定L至L′的接地故障分路电阻位于装置18b′和装置18c′之间。

在图4所示的另一种系统10-2和方法中，接地故障电路12′-2连接在控制单元12′和接地点之间。接地故障电路12′-2向接地点加载电压V′。可以脉冲或其它形式(包括调制信号)连续加载该电压(V′)。

如果存在接地故障，那么电流(I′)将流入接地线路。当隔离器开关SWa，SWb...断开时进行接地故障位置检查。

当隔离器开关SWa，SWb...断开时，电流I′将流过分路电阻(L至L′)，并在装置18b″的输入电路B2和装置18c″的输入电路B 1产生电压。该电流将通过上述装置流至导线14b并返回控制电路12′和接地故障电路12′-1。

因为隔离器防止任何电流流至与装置18a″连接的导线14a，所以装置18a″的输入不会有任何电压。装置18b″和18c″则将报告它们接收到了接地故障信号。这样就可以确定接地故障的位置。

如果隔离器位于负极侧电线而不是正极侧电线中，上述原理同样适用。接地故障电路可以加载电压(V′)，并且上述装置中的检测装置检测与分路电阻相邻的装置所产生的电压。可加载负电压V′，并且上述装置检测输入端B1或B2处的电压。

如图5所示，每个装置可以使用两个隔离器，其中每个隔离器的两端并联有二极管，使得电流以一个方向流动。其基本概念是这种隔离器可防止其它装置检测接地故障信号。

只有与分路电阻连接处相邻的装置才检测接地故障信号。如果隔离器位于负极侧电线而不是正极侧电线中，上述原理同样适用。接地故障电路可以加载电压(V′)，并且上述装置中的检测装置检测与分路电阻相邻的装置所产生的电压。可加载负电压V′，并且上述装置检测输入B处的电压。

可以使用其它等效的检测装置，使得当隔离器断开时只有与分路电阻相邻的装置才检测到接地故障电路信号。可以向接地点加载除了脉冲以外的调制波形或其它信号。根据上述装置中输入电路的类型和极性，可以使用正或负电压(V′)。

根据以上说明，应理解在不偏离本发明精神和范围的情况下可以极性多种修改和变型。因此这里对特定装置的说明不应理解为对本发明的限制。所有上述修改都属于权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种通信系统，包括：

通信链路；

与所述链路耦合的多个相同的电气单元；其中，所述多个单元中的每一个包括：用于实现原始非检测功能的电路；用于断开所述链路的电路；以及用于在故障条件下，在断开所述链路之后，检测所述链路的电路。

2.根据权利要求1的系统，其中所述的多个单元选自如下的一类，它们包括：火警检测器、运动检测器、位置检测器、气体检测器、以及条件指示输出装置。

3.根据权利要求1的系统，其中所述单元的一部分包括多个环境条件传感器以及原始的功能，该原始功能包括感知各自的环境条件。

4.在带有已安装有多个装置的双线路通信系统中，用于在其中一条通信线路上确定接地故障位置的方法，该方法包括如下步骤：

测量从接地端流向选定单元的电流；

利用在所述通信线路端点之间安装的装置，从线路上选定的位置开始，按顺序，在多个位置，断开所述通信线路中的一条，直到所述接地故障消失；

确定所测量的从所述接地端流向所选定单元的电流是否与所选定的装置一致，该选定的装置断开了所述通信线路的正极线路。

5.根据权利要求4的方法，包括接地故障的定位步骤，所述定位是在所述最后一个装置和倒数第二个之间进行的，其中所述最后一个装置是在断开所述通信线路期间接地故障消失的那个装置，而倒数第二个装置是在断开所述通信线路期间接地故障没有消失的那个装置。

6.根据权利要求5的方法，其中所述定位模式包括对分搜索模式。

7.根据权利要求6的方法，其中实施对分搜索模式包括如下步骤：

在一段线路中间的装置处断开所述线路，如果所述接地故障消失，则将位于沿该段线路所选定的方向的其中一半位置处的所述单元与所述通信线路断开；如果所述接地故障没有消失，则将沿该段线路与所选定的方向相反的另一半处的所述单元与所述通信线路断开；重复上述步骤，直到确定出所述接地故障的位置。

8.一种利用耦合在一对导体端点之间的单元确定所述导体之间故障条件的方法，其中所述故障条件是在所述一对导体之间的泄露量，所述方法包括：

沿所述单元不干扰所述导体测量的方向，在所述导体之间提供驱动电流；

测量所述导体之间产生的电压；和

将该电压与存储在所述单元中的预定值进行比较，其中该预定值代表所述导体之间的过多的分路，其中所述单元对比较结果作出响应，断开至少一个导体的部分。

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