CN101452014B - 感性供电的电力母线装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力母线(4)的装置(2)，其包含：感性电力获取单元(8)，其被结构化为提供由电力母线中流动的电流(6)所产生的第一电力输出(10)；能量储存单元(12)，其被结构化为存储来自第一电力输出的能量并提供第二电力输出(14)；选择器(16)，其被结构化选择第一和第二电力输出中的一个并由所选择的一个提供第三电力输出(18)。处理器(20)由选择器的第三电力输出进行供电。选择器进一步被结构化为通常由感性电力获取单元的第一电力输出提供第三电力输出。处理器被结构化为判断(36)感性电力获取单元的第一电力输出不足并使得(44)选择器由能量储存单元的第二电力输出提供第三电力输出。

Description

感性供电的电力母线装置
本发明是在由DOE裁定的DOE合作协议No.DE-FC26-04NT42071的政府支持下做出的。政府对本发明具有确定的权利。
技术领域
本发明一般涉及电力母线装置，尤其是例如从电力母线供电的传感器等装置。
背景技术
多种形式的电气传感器被用于检测流经导体的电流。例如，这样的传感器包括生成指示电流大小的输出电压的单霍尔效应传感器以及例如分流电阻等更为传统的电流传感器。
霍尔效应器件已被用于检测电流经过导体的流动导致的磁通量的变化。这些已知器件中的一些采用通量集中器，以便对由电流经过导体的流动所放射的磁通量进行集中。这已被可如由专利号为4587509和4616207的美国专利中公开的形式构建的电流检测装置在前提出。
已经知道，采用一个或两个恰当放置的、测量导体附近通量密度的霍尔传感器来测量导体中的电流并将其转换为与电流成比例的信号。例如，参见专利号为6130599、6271656、6642704和6731105的美国专利。
专利号为7145322的美国专利公开了一种电力母线电流传感器，其由自供电的感性耦合电路进行供电。传感器检测电力母线的电流或温度。微处理器输入来自传感器的、检测到的电流和检测到的温度，并向无线电收发器电路输出对应的信号。电源采用通过将电力母线磁耦合到一个或一个以上的线圈所产生的电压，从而由在电力母线流动的电流产生的通量为传感器、无线电收发器电路和微处理器进行供电。采用恰当的电源管理程序，以便有助于通过将微处理器引入休眠(例如低功率)模式并在数据将被传送时唤醒来节省电力消耗。在发送或接收的相对较短的持续时间内，峰值功率通过电源中的电容器来供给。除此以外，无线电收发器电路优选为被关闭。
公开号2007/0007968的美国专利申请公开了一种用于对包含一个或一个以上变送器(transducer)单元的电力系统进行监视的系统，每个变送器具有耦合至电力系统相导体中相应一个的电流测量器件和电压测量器件以及变送器无线通讯器件。该变送器单元包括用于向其元件提供电力的电池。电池连接到涓流充电器，涓流充电器又电气耦合至相导体。涓流充电器是从相导体吸取电力并用之对电池进行充电的已知的寄生电力充电器。
用于电力母线的传感器和其他装置存在改进的空间。
发明内容
本发明的实施例满足了这些以及其他需求，其提供了感性电力获取单元、能量储存单元和选择器，选择器通常选择来自感性电力获取单元的电力，且其检测来自感性电力获取单元的电力的丧失并做出响应地选择来自能量储存单元的电力。
根据本发明一实施形态，用于电力母线——其包含流经其中的电流——的装置包含：被结构化为提供由电力母线中流动的电流所生成的第一电力输出的感性电力获取单元；被结构化为存储来自感性电力获取单元的第一电力输出的能量并提供第二电力输出的能量储存单元；被结构化为选择感性电力获取单元的第一电力输出和能量储存单元的第二电力输出中的一个并由所选择的一个提供第三电力输出的选择器；由选择器的第三电力输出进行供电的处理器，其中，选择器进一步被结构化为通常由感性电力获取单元的第一电力输出提供第三电力输出，且其中，处理器被结构化为判断感性电力获取单元的第一电力输出不足并使选择器由能量储存单元的第二电力输出提供第三电力输出。
作为本发明另一实施形态，一装置用于具有流经其中的电流以及一特性的电力母线。该装置包含：被结构化为检测电力母线的特性的传感器；被结构化为提供由电力母线中流动的电流所产生的第一电力输出的感性电力获取单元；被结构化为存储来自感性电力获取单元的第一电力输出的能量并提供第二电力输出的能量储存单元；被结构化为选择感性电力获取单元的第一电力输出和能量储存单元的第二电力输出中的一个并由所选择的一个提供第三电力输出的选择器；由选择器的第三电力输出进行供电的处理器；由来自选择器的第三电力输出进行供电的无线收发器，其与处理器协作，并被结构化为输出包含或涉及所检测到的电力母线特性的无线消息，其中，选择器进一步被结构化为通常由感性电力获取单元的第一电力输出提供第三电力输出，且其中，处理器被结构化为判断感性电力获取单元的第一电力输出的不足并使选择器由能量储存单元的第二电力输出提供第三电力输出。
该处理器可进一步被结构化为判断能量储存单元的第二电力输出不足并做出响应地在进入休眠之前在预期到来自能量储存单元的第二电力输出的电力丧失的情况下使无线收发器发送预定数量的无线消息。
附图说明
结合附图，可由下面对优选实施例的描述获得对本发明的全面理解，在附图中：
图1为用于电力母线的装置的原理框图；
图2-4为示出了根据本发明其他实施例的图1中的选择器的原理框图。
具体实施方式
这里所采用的术语“多个”可指一个或大于一个的整数(即复数个)。
这里所采用的术语“处理器”指能够存储、取得以及处理数据的可编程模拟和/或数字装置；计算机；工作站；个人计算机；微处理器；微控制器；微型计算机；中央处理单元；大型计算机；小型计算机；服务器；网络处理器；或者，任何合适的处理装置或设备。
这里所采用的术语“天线”可明确包括但不限于任何适用于发射和/或接收例如射频信号等电磁波的结构。
这里所采用的术语“开关设备”可明确包括但不限于电路断路器(例如但不限于低压或中压或高压)等电路中断器；电动机控制器/启动器；和/或任何将电流从一个位置传送或传输至另一位置的适当设备。
这里所采用的术语“电力母线”意味着电力导体；电力汇流排；电力线；电力相导体；电力电缆；和/或用于电源、电路中断器或其他开关设备或由电力母线供电的负载的电力母线结构。
这里所采用的术语“无线”意味着没有导线、没有电导体且没有光缆或导波的射频(RF)、光、可见光、红外线、超声波、无线区域网络，例如但不限于IEEE802.11及其所有变体(例如但不限于802.11a；802.11b；802.11g)、IEEE802.15及其所有变体(例如但不限于802.15.1；802.15.3；802.15.4)、IEEE802.16及其所有变体、IEEE802.22及其所有变体、其他无线通讯标准(例如但不限于，ZigBeeTM联盟标准)、HyperLan、DECT、PWT、寻呼、PCS、Wi-Fi、BluetoothTM和/或蜂窝式。
这里采用的术语“无线信号”指在没有导线、没有电导体且没有光缆或导波的情况下发送和/或接收的射频信号、红外信号、其他合适的可见或不可见光信号或超声波信号。
这里所采用的术语“电容器”或“超级电容器”指典型地由介电材料薄层分隔的导电板组成的器件。在介电材料的相对的两侧上的板受到相反的充电，且被充电系统的电能被储存在极化的介质中。
这里所采用的术语“电池”或“蓄电池”指这样的电池单元或电气连接的一组电池单元：其通过可逆的化学反应将化学能转换为电荷或能量，并可通过以与其充电方向相反的方向流过电流来再度充电。
这里所采用的术语“感性电力获取单元”指由通过在电力母线中流动的电流产生的感应场进行自供电的单元，或感性耦合至包含在其中流动的电流的电力母线的电池充电器或电源。
这里所采用的术语“能量储存单元”指电池、蓄电池、电容器、超级电容器和/或用于储存电荷的其他合适的器件。例如，如果能量储存单元是电容或其变体，则对该电容器存在防止电容器放电回到电力获取单元的输入二极管。这样的输入二极管需要在使用来自电容器的能量时电气连接，而在电容器充电期间不需要采用。换句话说，电力获取单元在电容器被充电时可直接电气连接至电容器。
这里所采用的术语“特性”指电力母线的特性，例如但不限于母线温度、母线电压、母线电流和母线功率流(power flow)。
这里结合用于电力汇流排的电流传感器对本发明进行了介绍，但是，本发明适用于宽广范围内的电力母线装置。
参照图1，装置2用于包含在其中流动的电流6的电力母线4。装置2包含：感性电力获取单元8，其被结构化为提供由电力母线4中流动的电流6产生的第一电力输出10；能量储存单元12，其被结构化为存储来自第一电力输出10的能量并提供第二电力输出14；选择器16，其被结构化为选择第一电力输出10和第二电力输出14中的一个，并由所选择的一个提供第三电力输出18。处理器——例如示例性微型计算机(μC)20——由选择器16的第三电力输出18进行供电。选择器16进一步被结构化为通常由感性电力获取单元8的第一电力输出10提供第三电力输出18。示例性μC20被结构化为例如在第一电力输出10的输出电压降低至低于μC所需电压最小阈值(例如但不限于，ATMEL128需要2.7VDC的最小电源电压，其可以为用于由选择器16进行的切换的阈值)时判断感性电力获取单元8的第一电力输出10供电不足，并使选择器16由能量储存单元12的第二电力输出14提供第三电力输出18。
示例性感性电力获取单元8包括合适的电力获取单元22，其通过合适的电流变送器——例如示例性的钳式变送器24——从电力母线4收集电力。钳式变送器的非限制性实例在专利号为7145322的美国专利中公开，该专利并入此处作为参考。或者，也可采用任何合适的电流互感器、Rogowski线圈、分裂铁芯式电流传感器或其他合适的电流变送器。顺次地，来自所收集的电力的能量被储存在能量存储单元12中。
示例1
选择器16优选为包含电气连接在第三电力输出18和地28之间的、合适的瞬态抑制器26。
示例2
μC20包含：由模数转换器(ADC)32构成的电流传感器30，其被结构化为检测流经电力母线4的电流6；输出34，其被结构化为对检测到的电流进行输出。在该实例中，电力获取单元22提供信号36至ADC32，该信号指示了电力母线电流6的强度。或者，信号36可由钳式变送器24或其他合适的电流变送器产生，或由第一电力输出10产生。
示例3
μC20优选为包含合适的无线收发器38(例如射频(RF)TX/RX)，其也由选择器16的第三电力输出18进行供电。RF TX/RX38包含合适的天线39，如图所示。
示例4
在此示例中，电力获取单元22输出信号36，该信号指示感性电力获取单元8的第一电力输出10不足。μC ADC32接收信号36并将之转换为用于微处理器(μP)40的数字值，其使无线收发器38输出包含该信号的无线消息42。
示例5
无线收发器38可与μP40协作以输出例如42的、包含或涉及任何检测到的电力母线4的特性的无线消息。例如，无线消息42可为告警消息，其指示在电力母线4中流动的电流6过大和/或过小。同样地，无线消息42可包含其他检测到的电力母线4的特性(例如但不限于电流、温度、电压和/或功率流)。
示例6
每当来自电力获取单元22的信号36指示电力母线电流6的充足强度时，μC20通过信号44向选择器16发信号，以接收来自电力获取单元22的电力，电力获取单元22也继续对能量储存单元12进行充电。这允许能量储存单元12保持最大充电，或通过电力获取单元22从比小于最大充电继续充电至其最大充电。
然而，如果信号36指示电力母线电流6的不足的强度，则μC20通过信号44向选择器16发信号，以接收来自能量储存单元12的电力。接着，μC20采取所需要的任何动作，以便保存电力(例如进入休眠)和/或在预期到来自能量储存单元12的电力丧失的情况下(例如在通过任何合适的电子机构——例如另一个示例性的ADC输入通道46——检测到此能量储存单元的剩余能量的不足水平之后)发送适当数量的最后的无线消息42(图1仅示出了一个无线消息42)。μC20在信号36指示电力母线电流6的足够的强度时醒来，接着，选择器16通过信号44接收来自电力获取单元22的电力。
示例7
选择器16可为自主性的、可由μC20进行控制或者可由分立电路(未示出)进行控制。
示例8
所公开的装置2从由电力母线4产生的感应场独立供电。从电力获取单元22获取的电力用于连续对能量储存单元12进行充电。
示例9
例如，能量储存单元12可为合适的电容器、超级电容器、其他合适的用于储存电荷的器件或对可再充电电池进行充电的合适的电子电路。
示例10
相比于已知的现有器件，所公开的装置2可工作相对较长的时间周期，这是基于：(1)由电力获取单元22获取电力；(2)在不中断装置2的运行的情况下，在能量储存单元12中储存来自所获取电力的能量；(3)当所获取电力不足时，选择能量储存单元12以便提供所储存的能量用于供电；以及(4)在电力仅由所储存的能量供给时改变其运行行为以节省能量。
例如，μC20包括输出48。能量储存单元12被结构化为：至少对于μP40足够在输出48上输出告警的时间段，通过选择器16提供第二电力输出14以便对μC20进行供电。
作为另一实例，μP40被结构化为通过ADC通道46判断能量储存单元12的第二电力输出14不足并做出响应地在预期到来自选择器16的该电力丧失的情况下从无线收发器38发送预定数量的(例如一个或一个以上的)无线消息42。
作为另一实例，μP40被结构化为通过ADC通道46判断能量储存单元12的第二电力输出14不足并做出响应地进入休眠。优选为，在这样做之前，μP40使得预定数量的无线消息42从无线收发器38被发送。
作为另一实例，μP40被结构化为响应于通过比较器50由信号36所判断的感性电力获取单元22的第一电力输出10充足而醒来，比较器50的输出使得μP40醒来。顺次地，μP40通过信号44向选择器16发信号，以便从感性电力获取单元8的第一电力输出10接收电力。
示例11
电流变送器24可检测在电力母线4中流动的电流6并直接或通过受到电力获取单元22——其输出信号36——调节的合适信号向μC20提供对应的信号(未示出)。μC20可在本地对例如36等信号进行处理，可在本地对该信号进行告警(例如通过输出48)，或者可通过无线消息42向远程位置进行告警和/或无线发送该信号。
示例12
所公开的装置2可检测电力母线4的多个特性(例如，测量和/或检测电力母线4中的电流6)以及通过无线消息42向其它无线使能设备(未示出)或作为无线通讯网络的一部分(例如但不限于ZigBeeTM联盟标准)无线发送多个如此检测到的特性。
示例13
例如，选择器16可为如图2所示的电子继电器(例如但不限于具有共用输出配置的合适的双极单掷固态继电器(SSR)52)。例如，电力获取单元22(图1)通过SSR52的常闭极54电气连接至暂态抑制器26，能量储存单元12(图1)通过SSR52的常开极56电气连接至暂态抑制器26。共用输出58由单元22、12中所选择的一个输出第三电力输出18。
示例14
例如，选择器16可为如图3所示的电子继电器60(例如但不限于分别由两个μC输出66、68并行控制的两个FET62、64)。例如，电力获取单元22(图1)通过FET62电气连接至暂态抑制器26(图1)，能量储存单元12(图1)通过另一FET64电气连接至暂态抑制器26。FET62、64包括共用的输出70。
示例15
例如，选择器16可为电磁器件，例如图4所示的具有Form C触点(即常开触点74、常闭触点76和共用端子78)的继电器72。例如，电力获取单元22(图1)通过常闭触点76的端子80电气连接至暂态抑制器26(图1)(在公共端子78处)，能量储存单元12(图1)通过常开触点74的端子82电气连接至暂态抑制器26。
虽然详细描述了本发明的特定实施例，本领域技术人员将会明了，可根据本公开的总体教导对这些细节进行多种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅用于示意而并非对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附权利要求及其任何以及全部等价内容的全范围给出。

Claims (19)

1.一种用于电力母线(4)的装置(2)，所述电力母线(4)具有在其中流动的电流(6)，所述装置包含： 
感性电力获取单元(8)，其被结构化为提供由所述电力母线中流动的电流产生的第一电力输出(10)； 
可再充电电池能量储存单元(12)，其被结构化为存储来自所述感性电力获取单元的第一电力输出的能量并提供第二电力输出(14)； 
选择器(16)，其被结构化为选择所述感性电力获取单元的第一电力输出和所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出中的一个，并由所述选择的一个提供第三电力输出(18)；以及 
处理器(20)，其由所述选择器的第三电力输出进行供电， 
其中，所述选择器进一步被结构化为通常由所述感性电力获取单元的第一电力输出提供第三电力输出， 
其中，所述处理器被结构化为判断(36)所述感性电力获取单元的第一电力输出不足并使(44)所述选择器由所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出提供第三电力输出，且 
其中，所述处理器进一步被结构化为判断(46)所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出不足并做出响应地进入休眠。 
2.权利要求1的装置(2)，其中，所述处理器包含输出(34，38；48)；且其中，所述的可再充电电池能量储存单元进一步被结构化为：至少对于所述处理器足够在所述处理器的输出上输出告警(42；48)的时间段，通过所述选择器提供第二电力输出以便对所述处理器进行供电。 
3.权利要求1的装置(2)，其中，所述处理器包含由所述选择器的第三电力输出进行供电的无线收发器(38)。 
4.权利要求3的装置(2)，其中，所述电力母线包含从由母线温度、母线电压、在所述电力母线中流动的电流和母线功率流组成的组中选择的特性(6)；其中，所述处理器包含被结构化为检测所述电力母线的特性的 传感器(24，32)；且其中，所述无线收发器被结构化为输出包含检测到的所述电力母线的特性的无线消息(42)。 
5.权利要求3的装置(2)，其中，所述感性电力获取单元进一步被结构化为输出指示所述感性电力获取单元的第一电力输出不足的信号(36)；其中，所述处理器被结构化为接收(30)所述信号；且其中，所述无线收发器被结构化为输出包含所述信号的无线消息(42)。 
6.权利要求5的装置(2)，其中，所述无线消息是无线告警消息(42)。 
7.权利要求3的装置(2)，其中，所述处理器进一步被结构化为判断(46)所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出不足并做出响应地在预计到来自所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出的电力丧失的情况下从所述无线收发器发送预定数量的无线消息(42)。 
8.权利要求1的装置(2)，其中，所述处理器进一步被结构化为(50)响应于所述感性电力获取单元的第一电力输出充足而醒来并向所述选择器发信号(44)以便接收来自所述感性电力获取单元的第一电力输出的电力。 
9.权利要求1的装置(2)，其中，所述感性电力获取单元进一步被结构化为对所述可再充电电池能量储存单元连续充电。 
10.权利要求1的装置(2)，其中，所述选择器是电子继电器(52；60)。 
11.权利要求10的装置(2)，其中，所述电子继电器(52)是双极、单掷固态继电器(52)，其包含输入所述感性电力获取单元的第一电力输出的第一极(54)、输入所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出的第二极(56)以及由所述被选择的一个输出所述第三电力输出的共用输出(58)。 
12.权利要求10的装置(2)，其中，所述电子继电器(60)包含输入所述感性电力获取单元的第一电力输出的第一FET(62)、输入所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出的第二FET(64)以及来自所述第一和第二FET的共用输出(70)，所述共用输出(70)由所述被选择的一个输出第三电力输出；且其中，所述处理器包含控制所述第一FET的第 一输出(66)和控制所述第二FET的第二输出(68)。 
13.权利要求1的装置(2)，其中，所述选择器包括电气连接在第三电力输出和地(28)之间的暂态抑制器(26)。 
14.权利要求1的装置(2)，其中，所述选择器是电磁器件(72)。 
15.权利要求14的装置(2)，其中，所述电磁器件是包含form C触点(74，76)的继电器(72)。 
16.权利要求15的装置(2)，其中，所述form C触点包含具有第一端子(82)和第二端子(78)的常开触点(74)、具有第一端子(80)和第二端子(78)的常闭触点(76)以及电气连接至所述常开触点和所述常闭触点的第二端子的共用端子(78)；其中，所述常闭触点的第一端子输入所述感性电力获取单元的第一电力输出；其中，所述常开触点的第一端子输入所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出；且其中，所述共用端子由所述被选择的一个输出所述第三电力输出。 
17.权利要求1的装置(2)，其中，所述处理器包含被结构化为检测在所述电力母线中流动的电流的电流传感器(24，32)以及被结构化为输出所检测到的电流的输出(34，38；48)。 
18.一种用于电力母线(4)的装置(2)，所述电力母线具有在其中流动的电流(6)以及从由母线温度、母线电压和母线功率流组成的组中选择的特性(6)，所述装置包含： 
传感器(24，32)，其被结构化为检测在所述电力母线中流动的电流或所述电力母线的特性； 
感性电力获取单元(8)，其被结构化为提供由在所述电力母线中流动的电流所产生的第一电力输出(10)； 
可再充电电池能量储存单元(12)，其被结构化为存储来自所述感性电力获取单元的第一电力输出的能量并提供第二电力输出(14)； 
选择器(16)，其被结构化为选择所述感性电力获取单元的第一电力输出和所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出中的一个并由所述被选择的一个提供第三电力输出(18)； 
处理器(20)，其由所述选择器的第三电力输出进行供电；以及 
无线收发器(38)，其由所述选择器的第三电力输出供电，与所述处理器协作并被结构化为输出包含或涉及所检测到的所述电力母线的特性的无线消息(42)， 
其中，所述选择器进一步被结构化为通常由所述感性电力获取单元的第一电力输出提供第三电力输出， 
其中，所述处理器被结构化为判断(36)所述感性电力获取单元的第一电力输出不足并使(44)所述选择器由所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出提供第三电力输出，且 
其中，所述处理器进一步被结构化为判断(46)所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出不足并做出响应的进入休眠。 
19.权利要求18的装置(2)，其中，所述处理器进一步被结构化为判断(46)所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出不足并做出响应地在进入休眠前在预计到来自所述可再充电电池能量储存单元的第二电力输出的电力丧失的情况下使所述无线收发器发送预定数量的无线消息(42)。 
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