CN101278473A - 电力传输系统的控制和诊断 - Google Patents
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Abstract
一种监控电力传输系统的方法包括：从电力传输系统的功率单元或其它部件接收选通信号分组。所接收到的分组包括与该部件内的一个或多个器件的状态对应的位。该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含从部件存储器中检索到的存储数据的子集。可选地，该方法也可以包括重复该接收直到接收到多个选通信号分组。该多个选通信号分组共同包含该存储数据，因此数据点的子集可以被组合成该存储数据。可选地，包含存储数据的子集的一个或多个位可以是选通信号分组的模式位。
Description
相关申请的交叉参考
本专利申请要求于2005年9月2日提交的、申请号为60/713198的、名称为“用于设置在多电平驱动器中的功率单元的增强控制和诊断的系统和方法(Asystem and method for enhanced control and diagnostics of power cells providedwithin a multi-level drive)”的未决的美国临时专利申请的优先权，并且将该申请整体引入作为参考。
关于联邦赞助的研究的声明
不适用。
联合研究协议的当事人的名称
不适用。
引入磁盘上的材料作为参考
不适用。
背景技术
用于在第一交流(AC)系统和第二AC系统之间控制能量流的电源在多种商业和工业应用、例如AC电动机操作的控制中都需要。一些这种电源将能量从第一频率和电压转换为第二频率和电压。一种实现这种系统的方式是利用包含两个具有中间DC链路的固态转换器的一个或多个功率单元。功率单元是一种具有三相交流输入和单相交流输出的电气设备。在Hammond的专利号为5,625,545的美国专利中描述了一种这样的系统，该专利的公开内容在此整体被引入作为参考。于此参考图1，Hammond披露了功率单元110，其包含AC-直流(DC)转换器112(在这里是三相二极管桥式整流器)、一个或多个DC电容114、和DC-AC转换器116(在这里是H桥逆变器)。整流器112将输入端118的AC电压转换成基本上恒定的DC电压，该DC电压由连接在整流器112的输出端间的电容器114支持。逆变器110的输出级包含H桥逆变器116，该H桥逆变器包含两个极，一个左极和一个右极，且每个极具有两个器件。逆变器110利用该H桥逆变器116中的半导体器件的脉冲宽度调制(PWM)将该DC电容器114上的DC电压变换为AC输出120。在一些实施例中，整流器112可以包含三对电流控制器件、例如绝缘栅双极晶体管(IGBTs)、二极管、开关或其它器件。在一些实施例中，逆变器116可以包含两对这样的器件。
当连接到负载、例如电动机时，包含例如图1中的110的功率单元的电路可以在运行在电动机模式下时从输入源向电动机提供功率。这样的功率单元有时可以被称为单向或两象限(2Q)单元。然而，当电动机的速度需要被降低时，来自电动机的功率需要被逆变器吸收。当功率必须被逆变器吸收时，这种操作模式被称为再生模式。在这种情况下，一些或全部功率单元典型地是再生或四象限(4Q)单元。
在现有技术中，诊断或预测一个或多个功率单元的故障的能力已受到限制。这里所包含的公开内容描述解决该问题的尝试。
发明内容
在一个实施例中，一种监控电力传输系统的方法包括从电力传输系统的部件接收选通信号分组。所接收到的分组包括与该部件内的一个或多个器件的状态对应的位。该分组也包含一个或多个位，该一个或多个位包含从部件存储器中检索到的存储数据的子集。可选地，该方法也可以包括重复该接收直到接收到多个选通信号分组。该多个选通信号分组共同包含该存储数据，因此数据点的子集可以被组合成该存储数据。可选地，包含存储数据的子集的一个或多个位可以是选通信号分组的模式位。
该方法也可以包括在该接收之前首先向该部件传输选通信号分组。所传输的分组包括命令该部件内的一个或多个器件的操作的多个位。该分组包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集。
该方法可以包括重复该传输直到多个选通信号分组被传输，其中该多个选通信号分组共同包含该命令，因此该命令的子集能被组合成该命令。该方法可以进一步包括利用组合后的存储数据来确定部件故障诊断。该分组也可以包括与预测部件的故障的数据对应的位，并且该方法也可以包括基于预测数据传输控制命令给功率单元。
该存储数据可以包括故障数据、例如故障代码、时间代码或者设备标识符。该存储数据可以包括波形信息、例如电流数据、电压数据、温度数据、或相位数据。
在一个替代的实施例中，一种操作功率单元的方法包括从功率单元接收选通信号分组。所接收到的分组包括与该单元内的一个或多个器件的状态对应的位，并且该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含从单元存储器中检索到的存储数据的子集。发生附加分组的接收，直到接收到多个共同包含该存储数据的选通信号分组。然后该方法包括将数据点的子集组合成该存储数据。在该接收之前，该方法可以包括传输选通信号分组给功率单元。所传输的分组可以包括命令该单元内的一个或多个器件的操作的位，并且该分组可以包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集。该传输可以被重复，直到多个共同包含该命令的选通信号分组被传输。然后该方法可以包括将该命令的子集组合成该命令。
在一个替代的实施例中，一种操作功率单元的方法包括传输选通信号分组给功率单元。所传输的分组包括命令该单元内的一个或多个器件的操作的多个位。该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集。该传输被重复直到多个选通信号分组被传输，其中该多个选通信号分组共同包含该命令。然后该方法可以包括将该命令的子集组合成该命令。该方法也可以包括响应于该命令从该功率单元接收选通信号分组，其中所接收的分组包括与该单元内的一个或多个器件的状态相对应的多个位。该分组也可以包括一个或多个位，该一个或多个位包含从单元存储器中检索到的存储数据的子集。该接收可以被重复直到多个选通信号分组被接收，其中该多个所接收到的选通信号分组共同包含该存储数据。然后该方法可以包括将该存储数据的子集组合成该存储数据。
附图说明
图1是显示现有技术的功率单元的示范性特征的电路图。
图2描绘包含多个连接到负载的功率单元的电路。
图3A和3B示出可以被包含在分别被传输到功率单元和从功率单元传输的示范性选通信号分组内的数据位。
图4示出可以被存储在单元存储器中的示范性故障和波形数据点。
图5示出从功率单元请求和接收故障和/或波形数据的示范性过程。
具体实施方式
在描述本方法、系统和材料之前，应理解的是，本公开内容不限于所描述的特定的方法、系统和材料，因为这些方法、系统和材料可以变化。也应理解的是，在说明书中所使用的术语仅仅用于描述特定的版本或实施例的目的，并且并不意图限制范围。例如，如在这里和在所附的权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数意思，除非上下文明确地以其它方式规定。此外，措辞“包含”意味着“包括但不限制于”。除非以其它方式定义，这里所使用的所有的技术和科学术语具有与本领域普通技术人员一般理解的意义相同的意义。
在各种实施例中，多电平电力电路包括多个用于驱动负载的功率单元。图2示出具有这样的功率单元的电路的示范性实施例。在图2中，变压器210通过单相逆变器(也被称作功率单元)的阵列将三相中压功率传输到负载230、例如三相感应电动机。变压器210包括激励多个次级绕组214-225的初级绕组212。尽管初级绕组212被示出为具有星形配置，但是也可以是网格配置。此外，尽管次级绕组214-225被示出为具有网格配置，但也可以是星形配置的次级绕组，或者可以采用星形和网格绕组的组合。此外，图2中所示的次级绕组的数目仅仅是示范性的，并且其它数目的次级绕组是可能的。该电路可以被用于中压应用或者，在一些实施例中被用于其它应用。如在这里所使用的，中压意味着大于690伏(V)且小于69千伏(kV)的额定电压。在一些实施例中，中压可以包括在大约1000V到大约69kV之间的电压。
任何数目的三相功率单元组可以被连接在变压器210和负载230之间。参照图2，该系统可以包括第一组功率单元251-253、第二组功率单元261-263、第三组功率单元271-273、和第四组功率单元281-283。少于四组或多于四组是可能的。中央控制系统295通过光纤或另外的有线或无线通信媒介290向本地控制器292和/或每个单元中的单元级控制器发送命令信号。
系统中的每一个功率单元的调制可以利用从控制器295传送到每一单元的选通信号来控制。选通信号可以是用作给单元内的一个或多个器件的“开/关”信号或“使能/禁止”命令的两极信号。该信号来源于控制器295以便减少由信号提供给负载的谐波含量。另外，这些单元可以返回确认单元的一部分的故障状态的选通信号。
选通信号内位的大小或数目和选通信号的传送速度可能受将信号传输到单元以及从单元传输信号的光纤、有线或无线载波的带宽限制。参照图3A，被传输到单元的8位选通命令信号分组310可以包括启动(fire)(使能/禁止)右极位311和启动(使能/禁止)左极位312。一个信号可以被用于单元内的每一对IGBT或其它开关，并且这些位可以控制每一个IGBT的开/关状态。该信号也可以包括温度同步位313、使能单元旁路位314、两个模式位315和316、使能输出位317、和奇偶校验位318。在现有技术中，模式位已经被设置为0，并且模式位有时候被用于当单元被断电时向单元请求信息。
参照图3B，中央控制器从单元接收的8位返回信号分组350可以包括电源状态或有效性位351、单元旁路使能位352、单元温度反馈位353、单元失相位354、指示故障是否存在的故障位355、通常为0的两个模式位356和357、和奇偶校验位358。在现有技术中，由返回信号提供的故障数据只包括故障是否存在的“是/否”指示器。
参照图4，在这里描述的实施例中，一些或所有功率单元400可以包括存储器部分、例如非易失性存储器，其存储故障信息以便为系统创建故障日志410。该故障信息可以包括故障代码411，并且可选地包括时间戳412和功率单元中的哪个器件发生故障的指示器413。故障代码可以是对应于故障类型的多字符代码、例如二进制、数字或字母数字代码。故障代码的例子可以包括条目，例如：0000100-直流过压故障；0010110-在单元内检测到的电弧；和0001101-右极上的热传感器的损耗。可选的时间戳可以与实际的时间相关，或者它可以与计数器相关，使得该时间与计数器上的0计数相关。故障一发生，保存故障日志的存储器就可以从设备内的单元接收数据。故障日志可以包括有助于诊断故障的原因和/或后果的数据。故障日志数据可以例如包括：在单元内的各个点处的电流测量结果；在单元内的各个点处的电压测量结果；频率；电压和电流不平衡；DC波纹；和其它数据。尽管不需要，但优选的是，故障数据被存储在非易失性存储器中以便创建永久或半永久的故障数据记录。
单元也可以包括存储器部分、例如易失性存储器部分，其存储单元波形数据420、例如电流幅值421、电压422、和相位423。该数据可以在实时的基础上被获取并被存储在易失性存储器内，以便在接收到一定数量的更新的波形数据之后较老的数据被清除。在存储器中保存的波形数据的数量可能受存储器的大小、缓冲器或高速缓存的大小、预定的设置、或任何其它因素所限制。
在这里所设想的实施例中，选通信号可以被用于从故障日志中获取故障数据，例如从故障日志中获取对一个或多个数据点的请求。在一些实施例中，参照图5，这可以由中央控制器通过选择命令501以提供确定的故障信息来完成。该命令可以是多位命令，该方法可以包括将命令划分为位的子集503并将每个子集放置505到选通命令信号分组的适当部分、例如两个模式位中。如果没有将所有的命令位放置到命令信号中，该过程选择下一选通分组507并重复该过程直到该命令已经被完全放置在一组选通信号分组之中。当该命令已经被划分并且该分组已经被传输时，该命令在单元或本地控制器处被组合509。因此，尽管单个分组的两个模式位可能不足以提供整个命令，但该命令可以在多个连续的或多路复用的选通信号分组之间被分离，因此当一组分组被单元接收时，该单元可以从多个选通信号分组中提取并组合该命令。例如，16位命令可以在8个选通信号分组之间被划分，并且当所有的这8个选通信号分组都被单元或本地控制器接收时，该命令被组合。作为另一个例子，16位命令可以在16个选通信号分组之间被划分，其中每一个选通信号的一个模式位包含该命令的一位。在这种情况下，可能理想的是给每个命令提供用于同步的第17个分组。另外，多个命令可以被组合成一个信息分组。
然后，该系统可以通过相似的过程将所请求的数据返回到中央控制器，该相似的过程包括将数据划分成子集511、将该数据分配到多个选通信号的两个模式位或另外的适当部分中513、重复该过程直到数据已经完全被传输515、以及在中央控制器或另外的适当设备处组合数据517。例如，16位数据点可以在17个选通信号分组(各自具有一个模式位的16个分组加上一个用于同步的分组)或8个选通信号分组(各自具有两个模式位)之间被划分，并且该数据点可以利用被中央控制器接收的所有的这17或8个选通信号分组来组合。
在一些实施例中，一些或所有故障和/或波形数据点可以在预定的时间、计数或其它间隔被自动传输到中央控制器。替代地，一些或所有故障和/或波形数据点可以响应于特定的请求被传输到中央控制器。该数据点可以以任何适当的方式、例如以多路复用方式或者简单地以“循环(round robin)”方式被传输，使得当一组共同包含数据点的分组被完全传输时，可以在随后的一组分组中传输下一个数据点。当该单元正在运行时，可以传送请求并且返回数据点，以便不必为了数据搜集的目的而关闭该单元。
因此，利用例如以上描述的过程，中央控制器可以接收比仅仅关于是否发生了故障的指示器更加多的关于故障的信息。例如，该信息可以包括故障时间(时间戳)、发生故障的设备的指示器、和故障代码。另外，选通信号所包括的其它信息、例如图3B中所示的单元温度和输入电压可以提供预测故障的数据。预测数据可以被用于自动关闭单元、将单元旁路、或采取其它适当的行动来防止故障的发生。
图5中和以上描述的过程也可以适用于从单元的保存波形数据的存储器部分获得波形数据。该数据、例如电流、电压和相位数据也能够被用于预测故障发生的可能性。然后，系统或操作员可以采取行动，例如关闭单元，将单元旁路，改变运行条件，或者派遣技术人员，以防止或减少在该单元中故障的发生概率。
通过在多个选通信号分组内包括故障和/或波形数据，系统可以在不中断正常的到单元的和来自单元的命令信号流的情况下向该单元请求数据并从该单元收集数据。因此，在各种实施例中，在保持单元控制的正常水平的同时，可以收集一批充足的数据。
通过阅读某些示范性实施例的上述详细描述和附图，对本领域技术人员来说，其它实施例将变得容易显而易见。应该理解的是，许多的变化、修改和另外的实施例是可能的，并且相应地，所有的这种变化、修改和实施例应被认为在本申请的精神和范围之内。
Claims (20)
1、一种监控电力传输系统的方法，包括：
从电力传输系统的部件接收选通信号分组，其中所接收到的分组包括与该部件内的一个或多个器件的状态相对应的多个位，并且其中该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含从部件存储器中检索到的存储数据的子集。
2、权利要求1的方法，进一步包括：
重复该接收直到多个选通信号分组被接收，其中该多个所接收到的选通信号分组共同包含该存储数据；并且
将数据点的子集组合成该存储数据。
3、权利要求1的方法，进一步包括，在该接收之前：
将选通信号分组传输给该部件，其中所传输的分组包括命令该部件内的一个或多个器件的操作的多个位，并且其中该分组包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集。
4、权利要求3的方法，进一步包括：
重复该传输直到多个选通信号分组被传输，其中该多个选通信号分组共同包含该命令；并且
将该命令的子集组合成该命令。
5、权利要求1的方法，其中该存储数据包括故障数据。
6、权利要求5的方法，其中该故障数据包括故障代码。
7、权利要求6的方法，其中该故障数据进一步包括时间代码或器件标识符。
8、权利要求5的方法，其中该存储数据包括波形信息。
9、权利要求8的方法，其中该波形信息包括电流数据、温度数据、电压数据或相位数据。
10、权利要求1的方法，其中包含存储数据的子集的该一个或多个位是选通信号分组的模式位。
11、权利要求2的方法，进一步包括使用组合后的存储数据来确定部件故障诊断。
12、权利要求2的方法，其中该分组也包括与预测部件的故障的数据对应的多个位，并且该方法也包括基于预测数据将控制命令传输给功率单元。
13、一种操作功率单元的方法，包括：
从功率单元接收选通信号分组，其中所接收到的分组包括与该单元内的一个或多个器件的状态对应的多个位，并且其中该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含从单元存储器中检索到的存储数据的子集；
重复该接收直到多个选通信号分组被接收，其中该多个所接收到的选通信号分组共同包含该存储数据；并且
将数据点的子集组合成该存储数据。
14、权利要求13的方法，进一步包括，在该接收之前：
将选通信号分组传输给该功率单元，其中所传输的分组包括命令该单元内的一个或多个器件的操作的多个位，并且其中该分组包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集；
重复该传输直到多个选通信号分组被传输，其中该多个选通信号分组共同包含该命令；并且
将该命令的子集组合成该命令。
15、权利要求13的方法，其中该存储数据包括故障代码并且包括时间代码或器件标识符中的一个或两个。
16、权利要求13的方法，其中该存储数据包括电流数据、温度数据、电压数据或相位数据。
17、权利要求13的方法，进一步包括利用组合后的存储数据来确定功率单元故障诊断。
18、一种监控功率单元的方法，包括：
将选通信号分组传输给功率单元，其中所传输的分组包括命令该单元内的一个或多个器件的操作的多个位，并且其中该分组包括一个或多个位，该一个或多个位包含请求数据点的命令的子集；
重复该传输直到多个选通信号分组被传输，其中该多个选通信号分组共同包含该命令；
将该命令的子集组合成该命令；
响应于该命令，从该功率单元接收选通信号分组，其中所接收到的分组包括与该单元内的一个或多个器件的状态对应的多个位，并且其中该分组也包括一个或多个位，该一个或多个位包含从单元存储器中检索到的存储数据的子集；
重复该接收直到多个选通信号分组被接收，其中多个所接收到的选通信号分组共同包含该存储数据；并且
将该存储数据的子集组合成该存储数据。
19、权利要求18的方法，其中：
组合后的存储数据包含故障代码或波形数据。
20、权利要求19的方法，进一步包括利用组合后的存储数据来确定功率单元故障诊断。
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