CN101551416A - 监控导体中的电流的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监控导体中的电流的系统和方法。本公开描述了一种用于测量导体中的电流幅度的系统，所述系统包括：至少一个罗柯夫斯基线圈；直接连接到所述至少一个罗柯夫斯基线圈的积分电路；微处理器电路，所述微处理器与所述积分电路通信，并且被配置成接收来自所述积分电路的输出，并且计算包括所述导体中的电流幅度的能量数据。本公开还提出了一种用于测量导体中的电流的方法。

Description

监控导体中的电流的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种监控能量数据的系统、装置以及方法。更具体地，本发明涉及监控电流幅度。
背景技术
罗柯夫斯基线圈(Rogowski coil)可用于测量流经导体的电流。罗柯夫斯基线圈提供与该电流的时间导数(di/dt)成比例的电压输出，而不是像传统变流器一样提供电流输出。罗柯夫斯基线圈的一个特定优点在于它不会受电压饱和的影响，因此可用于宽的电流范围。
一种已知的制造罗柯夫斯基线圈的方法涉及使用印刷电路。例如，美国专利No.5,414,400描述了一种配备有圆形切口的印刷电路板上实现的罗柯夫斯基线圈。所述线圈是通过在沿着半径延伸的所述板的两个面中的每一个面上沉积金属来实现的，其中一个面上的半径与相对面上的半径之间的电连接是经由穿过所述板的厚度的镀通孔来实现的。然而，上述公开没有提供消除外部噪声的适当手段。
美国专利No.6,624,624中描述了设计包括改进的噪声消除的罗柯夫斯基线圈的一种尝试。该公开描述了一种用于测量初级导体的一部分中的时变电流(Im)的电流传感器...使得由在顺时针干扰场环流部分中的正交于中面的磁干扰场分量所感生的电压基本上被在逆时针干扰场环流部分中感生的电压所抵消。然而，该电路导致显著减少的线圈密度，使得此设计不太适于低频(大约50/60Hz)电流测量应用。另外，虽然有所改进，但所有报告的几何形状会受到与Z轴(板厚度)有关的灵敏度效果方面的影响，其中误差通路通常在Z轴(板厚度)方向上偏移。
美国专利7,227,442公开了一种基于印刷电路板的罗柯夫斯基线圈，所述罗柯夫斯基线圈形成有孔，所述孔用于容纳通过其中的电通路。虽然此专利描述了用于消除外部磁场的电阻网络，但其也描述了沿着导体放置多个罗柯夫斯基线圈，这导致了更为复杂的母板。
因此，需要一种适于与罗柯夫斯基线圈一起使用的相对简单且无噪声的电路。
发明内容
本公开描述了一种用于测量导体中的电流幅度的系统，所述系统包括：至少一个罗柯夫斯基线圈；直接连接到所述至少一个罗柯夫斯基线圈的积分电路；与所述积分电路通信的微处理器电路，所述微处理器电路被配置为接收来自所述积分电路的输出并且计算包括所述导体中的电流幅度的能量数据。
在本发明的另一实施例中，本发明提供了一种用于监控电流的方法，所述方法包括：经由罗柯夫斯基线圈收集来自第一导体的电流数据；提供直接连接到所述罗柯夫斯基线圈的积分电路；经由串行、并行或无线通信将电流数据从所述积分电路传送到主电路板；以及处理所述数据以提供电流读数。
通过结合附图来参考下文描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
现在简要参考附图，其中：
图1是电流监控系统的框图。
图2是根据本发明的实施例的电路的示意图。
图3是描述根据本发明的另一实施例的步进方法的流程图。
在上述附图中相同的参考标记指示等同或者对应的部件和单元，除非另有指示，否则所述附图并非按照比例绘制。
具体实施方式
本发明的实施例涉及电流监控系统，所述电流监控系统包括至少一个罗柯夫斯基线圈和附接到所述罗柯夫斯基线圈的测量/积分电路，所述测量/积分电路输出电流幅度数据用于输入到处理器。本发明所提供的一个特定优点是在罗柯夫斯基线圈电路中增大的噪声消减以及减小的信号退化。
下面参考附图讨论的所要求保护的本发明的具体配置和布置仅是为了说明性的目的。在不偏离所附权利要求书的精神和范围的情况下，可制造、使用或者销售落入本领域技术人员的理解力范围内的其配置和布置。例如，虽然在此参照商业厂区(plant site)描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该认识到本发明的实施例能够在其中远程能量数据监控有利的任何环境下实施。
如在本文中使用的，以单数引用并且用词语“一”修饰的元件或者功能应该被理解为不排除复数个所述元件或者功能，除非明确声明这种排除。此外，对要求保护的本发明的“一个实施例”的参考不应该被解释为排除同样包含所述特征的附加实施例的存在。
现在参考图1，在100大体示出了用于监控导体中的电流的示例性系统的框图。提供系统100以监控流经导体102的电流电平，并且系统100可包括至少一个罗柯夫斯基线圈104、测量/积分电路106以及处理器116。
罗柯夫斯基线圈104可以围着导体102环绕。在本发明的一个实施例中，该导体可包括三相布线、母线(bus bar)，或者与脱扣单元(tipunit)或电路断路器结合工作的其它布线。在本发明的实施例中使用罗柯夫斯基线圈进行电流测量是有利的，因为与变流器不同，罗柯夫斯基线圈的两端可以分开并且可以安装在大的母线周围。此外，与变流器中具有铁磁物质相反，罗柯夫斯基线圈包括空心芯，因此没有要饱和的真正的芯。
罗柯夫斯基线圈104可以包括两个线环，其中这两个环具有按照电学上相反方向缠绕的导线，由此大大减小了来自每个环外部的电场。另外，应该理解罗柯夫斯基线圈可以被设计成具有柔性芯(flexiblecore)，诸如同轴电缆，或者在高性能应用中，所述芯可包括一个(或多个)钢条。一般来说，在罗柯夫斯基线圈中从导体102感生的电压与流经导体102的电流的时间变化率成比例。通过对作为时间的函数的罗柯夫斯基线圈104的输出求积分(di/dt)，来提供电流幅度。
进一步参考图1，测量积分电路(此后称为“积分电路”)106可以直接连接到罗柯夫斯基线圈104。在此使用的术语“直接连接”应该理解成意为：以避免超过大约0.250英寸(6.35毫米)的电引线部分，和/或任何插入电气/电子部件的方式进行连接。
罗柯夫斯基线圈104可以经由线路128与积分电路106电连接，稍后将参考图2对此进行更详细的讨论。积分电路106可以被配置成执行积分步骤，以将从罗柯夫斯基线圈104输出的电压转换为电流幅度。积分电路106可以包括适当配置的硬件或者软件，并且积分电路106还可以与增益电路110通信。
增益电路110可以经由线路118电连接到积分电路106。在本发明的示例性实施例中，增益电路可以被配置为对来自积分电路的电流幅度进行放大。例如，在本发明的实施例中可用的增益电路可包括：用于对多个不同罗柯夫斯基线圈降额(derate)的任何硬件，使用微控制器的任何偏移/校准，或者用于通过最小化范围窗口来放大到(zoom in for)最大A/D分辨率的任何窗口/增益操作。
模数转换器电路112可以经由线路120电连接到所述增益电路。在本示例性实施例中，模数转换电路120可以被配置成通过诸如二进制码、格雷码或者二的二进制码(two’s binary code)的数字方案，将来自所述增益电路110的放大的输入模拟电流幅度转换成数字电流幅度数据。从模拟信号到数据信号的转换(例如，串行通信或者并行通信)可以极大地降低引入所述系统中的固有噪声。然而，应该理解，虽然数字信号对于避免与现有技术电路相关的噪声问题以及由此获得精确的电流读数可能最具优势，但也可使用适当放大的模拟信号。此外，虽然在本发明中线性响应型模数转换器可能最具优势，但应该理解在其中被数字化的信号的概率密度函数均匀的应用中也可以使用非线性响应型的模数转换器。
模数转换器还电子地耦合到微处理器114。微处理器114可包括微控制器，所述微控制器可进一步包括用于暂时数据存储的读写存储器，或者用于永久数据存储的只读存储器或者EEPROM。因为微控制器的低功耗(例如毫瓦级)，所以在节省成本的应用中使用微控制器是有利的。然而在高速应用中，使用ARM/DSP处理器可能是有优势的，因为它们具有高得多的吞吐量。微处理器114可被配置成获得电流幅度信息并且记录波形数据(例如在故障状况期间)，或者计算可以包括电流幅度和/或功率消耗的能量数据。此外，该处理器可以提供高设置硬件(High SetHardware)阈值(即硬件电路中的峰值检波器)和/或MCR的配置。
在本发明的一个特定实施例中，微处理器114被配置成当被处理器116接通(poled)时，经由线路124向该处理器116发送计算出的能量数据。任选地，微处理器114可以被配置成连续地或者按照预定的规则间隔向处理器116发送所述能量数据信息。线路124可包括用于串行通信的单对导线或者用于并行通信的电缆。
处理器116可被配置成收集并且管理从微处理器114接收的能量数据。处理器116可被进一步配置成自动执行一般选择(optioning)步骤以匹配电路断路器的要求。这消除了通常在工厂中发生的选择(即根据多种应用，将罗柯夫斯基线圈要求与电路板以及电路断路器要求相匹配)。这样又消除了在将多个罗柯夫斯基线圈添加到已适当配置的系统时重新设计主处理器的需要。此外，由于经由积分电路106在罗柯夫斯基线圈104处进行积分，所以严格限制了外部噪声和测量恶化。这给操作员赋予了将处理器116以及该系统的决策制定方面放置得更加远离执行测量的位置的能力，由此消除了对另外的降噪步骤(例如电阻网络)的需求。
在本发明的另一实施例中，处理器116可以经由线路128电连接到电路断路器组件126。该断路器组件可以包括磁通变换器(flux shifter)(未示出)，所述磁通变换器可以进一步与处理器116通信。而处理器116又可以被配置成在超过脱扣时间(trip time)时闭合该磁通变换器。
在本发明的任选实施例中，所述系统可进一步包括故障检测，诸如一个或多个闭路接点释放(Make Contact Release，MCR)电路(如下所述)，以及电路断路器126。MCR电路可被配置成在电流电平达到预定电平(例如逻辑高)时，驱动到(power into)故障位置。
现在参考图2，在200大体示出了本发明的实践中可使用的积分电路的示例性实施例。积分电路200包括和第一输入支线204，第二输入支线206以及输出支线208接成电路的差动放大器202。
第一输入支线204包括与罗柯夫斯基线圈的绕组212和电阻器214串联连接的端子210。为了过滤目的提供高通电容器216以及另一电阻器218。
第二输入支线206包括与该罗柯夫斯基线圈的第二绕组222和电阻器214串联连接的端子220。同样为了过滤目的提供高通电容器226以及另一电阻器228。电容器230将第一和第二输入支线230相互连接以消除残余噪声。
平滑电路232与第二输入支线206并联连接，并且包括由第一MCR电路237隔开的电容器234和电阻器236。平滑电路232还被配置成使得差动放大器202被参考到2.5伏。
输出支线208包括反馈电路238，反馈电路238又包括并联布置的电阻器240和电容器242。反馈电路238在节点244处连接到第一输入支线204。
所述差动放大器可由电源电路246供电，所述电源电路246包括与电容器248串联的MCR电路。所述差动放大器的输出可被传送到缓冲器250，并且被传送到端子252上。
在本发明的另一实施例中，本发明提供了一种监控电流的方法，所述方法包括：经由罗柯夫斯基线圈收集来自第一导体的电流数据；提供直接连接到所述罗柯夫斯基线圈的积分电路；将电流数据从所述积分电路发送到处理器；以及处理所述数据来提供电流读数。
现在参考图3，在300处大体示出了流程图以便更好地帮助图解说明用于监控能量数据的方法。虽然该流程图示出了示例性的逐步骤的方法，但应该理解本领域技术人员可以对这些步骤重新排列或者重新排序同时保持相同结果。
经由罗柯夫斯基线圈302收集来自第一导体的数据可包括使用沿着导体通路的各个位置放置的多个罗柯夫斯基线圈。所述导体可包括例如典型的三相电功率系统，或者在高电压应用中使用的大型母线。
在304处示出提供直接连接到积分电路并且可用于至少两个目的的积分电路。因为罗柯夫斯基线圈不直接测量电流电平，而是收集与导体中的电流的时间变化率成比例的电压数据，所以必须执行积分(di/dt)来求出电流。因此，可提供测量/积分电路来执行提供电流输出所必需的计算。此外，因为罗柯夫斯基线圈与测量之间的间隔受限(即，如果从处理器到罗柯夫斯基线圈存在太多导线，则可能发生显著的信号退化和大量噪声，从而使输出读数变得模糊)，所以将积分电路直接附接到所述罗柯夫斯基线圈可极大地减少系统中的固有噪声。因此，将所述积分电路直接附接到所述罗柯夫斯基线圈可消除系统中大量的输出退化和噪声。
在306处示出的将所述电流数据从所述积分电路发送到所述处理器可以经由模拟或者数字(并行或者串行协议)通信来进行。在本发明的一些实施例中，可在数据传输期间执行中间步骤。例如，如果对性能以及精确度有好处，则所述测量/积分电路可电连接到增益电路来放大所述信号。另外，如果需要数字通信，则本发明可使用模数转换器电路。此外，此步骤可以包括添加微控制器或者微处理器，所述微处理器或者微处理器被配置用于：用于数据存储的读写存储器，只读存储器，用于永久数据存储的EEPROM，或者位于MCU或者等同处理器上的闪存/存储器。
处理数据并且提供电流读数308可包括被配置用于收集、存储以及测量目的的处理器。所述处理器可执行全周期或者半周期积分(真RMS)、峰值检波、SSO(平方和)操作；在故障发生之后捕获高峰值/波形数据；记录通信的任何类型的错误；执行增益设定；识别MCR/HSET故障并且与断路器的中央脱扣单元进行通信。此外，所述处理器可被配置成自动执行一般选择步骤，以匹配电路断路器要求。这消除了通常发生在工厂中的选择(例如根据各种应用，使罗柯夫斯基线圈的要求与电路板以及电路断路器的要求相匹配)。这又消除了在将多个罗柯夫斯基线圈添加到已适当设置的系统时重新设计主处理器的需求。
虽然在一些附图中示出了本发明的各种实施例的具体特征，而在另一些附图中未示出，但这仅仅是出于方便性的考虑。根据本发明的原理，一个附图的一个(或多个)特征可以与其它任何附图中的任何或者全部特征相结合。在此使用的词语“包括”、“包含”、“具有”、以及“带有”应该被广泛而全面地解释，并且并不限于任何物理互连。此外，在此公开的任何实施例不能被解释为唯一可能的实施例。相反，旨在将修改例以及其它实施例包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1、一种测量导体中的电流幅度的系统，所述系统包括：
至少一个罗柯夫斯基线圈；
直接连接到所述至少一个罗柯夫斯基线圈的积分电路；以及
微处理器电路，所述微处理器电路与所述积分电路通信并且被配置成接收来自所述积分电路的输出并且计算包含所述导体内的电流幅度的能量数据。
2、根据权利要求1所述的系统，进一步包括增益电路，所述增益电路电连接到所述积分电路并且被配置成对从所述积分电路接收到的输出进行放大。
3、根据权利要求1所述的系统，进一步包括电连接到所述增益电路的模数转换器电路。
4、根据权利要求1所述的系统，进一步包括处理器，所述处理器被配置成与所述微处理器进行通信并且将所述能量数据传递到主控制单元，并且其中所述处理器还被配置成识别所述至少一个罗柯夫斯基线圈的特征，并且由此其能够将自身配置成基于所述至少一个罗柯夫斯基线圈来匹配所述能量数据计算。
5、根据权利要求1所述的系统，其中，所述导体包括三相电布线。
6、根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理器被配置成与磁通变换器通信，其中所述处理器被进一步配置成当超过脱扣时间时闭合所述磁通变换器。
7、根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括闭路接点释放，所述闭路接点释放电连接到断路器，并且被配置成如果电流电平在预定范围之外，则将所述断路器驱动到故障状态。
8、一种监控导体中的电流的方法，所述方法包括：
经由罗柯夫斯基线圈收集来自第一导体的电流数据；
提供直接连接到所述罗柯夫斯基线圈的积分电路；
将电流数据经由串联、并联或者无线通信从所述积分电路传送到主电路板；以及
对所述数据进行处理以提供电流读数。
9、根据权利要求8所述的方法，进一步包括模数转换电路，所述模数转换电路电连接到所述增益电路并且配置成将放大的信号从模拟通信转换成数字通信。
10、根据权利要求8所述的方法，其中，所述积分电路被配置成对从罗柯夫斯基线圈获得的作为时间的函数的电压数据进行积分，从而计算出电流数据。
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