CN102625916A - 电力系统传感器装置、电力系统监测方法以及电力系统监测系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一些方面披露了电力系统传感器装置、电力系统监测方法、以及电力系统监测系统。在一个方面，电力系统传感器装置包括传感器电路，传感器电路被配置来监测由电力系统的导体传导的电能的特性，所述装置还包括被配置来相对于导体排布传感器电路的连接组件，其中传感器电路监测由电力系统的导体传导的电能的特性，并且其中传感器电路电绝缘于电力系统的导体。

Description

电力系统传感器装置、电力系统监测方法以及电力系统监测系统

技术领域

本发明涉及电力系统传感器装置、电力系统监测方法以及电力系统监测系统。

相关专利数据

本申请主张2009年7月18日提交的名称为“无线电流互感器的发明文档(Disclosure Document for Wireless Current Transformer)”申请号为61/271,189的美国专利临时申请的优先权，其内容通过引用并入本申请。

背景技术

传感器已用于监测流经电力系统的电能。例如，传统电流互感器已经应用于监测流经母线的电流。传统电流互感器包括主线圈(绕组)和次级线圈。随时间变化的通过(连接)主线圈和次级线圈的磁通量使线圈间产生电能。当在主线圈中改变电流时，通过相互间的电磁感应在次级线圈中产生感生电压。

参考附图1，通过使一个主线圈(一根电力线路导线12)通过由许多线圈缠绕的、绝缘效果好的环形磁核芯(次级线圈14)来构建传统实例性的电流互感器10。通常用主线圈和次级线圈的比率来描述这些互感器，以及主线圈与电力线路导线16串联。

一些电流互感器常应用在电源行业中的测量和继电保护，以帮助安全测量通常在高压情况下的较大电流。电流互感器的绝缘电压表示当连接至电源时所提供的最大绝缘。在高压环境下，一些电流互感器利用大量的电绝缘来使主线圈12绝缘于次级线圈14。一些典型的电流互感器相对较大(例如，测量约为8x 8x 20英寸)，并且在适当绝缘时重量通常超过500磅。因此，具有较大强度和尺寸的结构应用于一些装置中以在坚实地面上支撑电流互感器，以及提供电绝缘。电流互感器典型的支撑结构高度范围是在4英尺(例如，115KV的应用)和10英尺(例如，500KV的应用)之间，并且可以在电流互感器结构和装置中其他装置之间提供额外空间。

传统设置包括使用绝缘的电缆以便将电流互感器的输出信号(从次级线圈14)传输至其他装置，例如继电器模块以及测量/继电器壳体内的监测电路。根据设置的排布，通常信号电缆可长达几百英尺。

如以下所述，本发明的至少一些方面提供了方法和/或装置，方法和装置用于监测流经电力系统中导体的电能的一个或多个特性。

附图说明

附图1是采用传统电流互感器的系统的功能框图。

附图2是在一个实施例中包括电网的电力系统的功能框图。

根据一个实施例，附图3是监测和控制系统的功能框图。

根据一个实施例，附图4是传感器装置的功能框图。

根据一个实施例，附图5是接收装置的功能框图。

根据一个实施例，附图6是感应电路的线圈和核芯的说明性图示。

根据一个实施例，附图7是霍尔效应电路的说明性图示。

根据一个实施例，附图8是关于被监测导体排布霍尔效应电路的说明性图示。

根据一个实施例，附图9是传感器电路的说明性图示，该传感器电路包括关于被监测导体排布的双霍尔效应电路。

根据一个实施例，附图10是传感器电路的说明性图示，该传感器电路包括关于被监测导体排布的三个霍尔效应电路。

根据另一个实施例，附图11和附图12是传感器电路的说明性图示，该传感器电路包括关于被监测导体排布的三个霍尔效应电路。

根据一个实施例，附图13a-b是传感器电路的说明性图示，该传感器电路包括关于被监测导体的共同侧排布的多个霍尔效应电路。

根据一个实施例，附图14是霍尔效应电路输出与其与被监测导体相距的距离之间的函数的图形表示。

根据一个实施例，附图15是对于传感器装置与被监测导体相距不同距离的电压与电流的图形表示。

根据一个实施例，附图16是多个传感器装置的图形表示，所述传感器装置邻近于被监测导体的一侧。

根据一个实施例，附图17是对于传感器装置与被监测导体相距不同距离的电流与距离的图形表示。

根据一个实施例，附图18是多个传感器装置的说明性图示，所述传感器装置邻近于被监测导体的不同部分。

根据一个实施例，附图19是测量到的信号的相移和幅度差的图形表示。

根据一个实施例，附图20是传感器装置的功能框图。

根据一个实施例，附图21是采用传感器装置产生帧的说明性图示。

根据一个实施例，附图22是传感器装置的电源电路的说明性图示。

根据一个实施例，附图23是轮询通信布置的说明性图示。

根据一个实施例，附图24是产生超帧的说明性图示。

根据一个实施例，附图25是关于监测操作的各操作等待时间的说明性图示。

根据一个实施例，附图26是用于无线通信的定向天线的说明性图示。

根据一个实施例，附图27是传感器装置的壳体的说明性图示。

根据一个实施例，附图28是变电站的配置的说明性图示。

具体

本发明的至少一些方面包括用于监测流经电力系统中一个或多个导体的电能的电子特性的方法、系统和传感器。在一个实施例中，传感器被配置为监测这些特性，并且传感器电绝缘于被监测导体以及电绝缘于地面和其他外部接地参考点。在另一个实施例中，多个传感器电路排布在邻近导体的一个或多个位置，以执行流经导体电能的监测操作。在另一个实施例中，传感器被配置为与远程接收装置无线通信，所述远程接收装置被设置为处理从传感器接收到的信息。在以下所描述的一个实施例中，在多个传感器之间创建共同的时序参考以便提供与随时间变化的电子信号有关的时间同步的信息。另外一个实施例披露了霍尔效应装置，霍尔效应装置被配置为测量导体中的电流，所述导体承载高压电能(例如，在一个实例中，600伏至800千伏范围的电能)。另外的实施例以及以上所提及的实例设置以下会进行详述。

参考附图2，电力系统包括包含输电网22和配电网24的电网20，配电网24示出在一个实例性实施例中。所述电网20的输电网22和配电网24都包括导体网络，所述导体网络将发电系统26产生的电能输送和分配至正在使用电能的用户28负载。实例性发电系统26包括煤矿厂、核电站、水力发电站、太阳能发电站以及风力发电站。实例性用户28包括厂房、居民区、农场和其他消耗电能的实体。

在该实例所披露的实施中，所披露的方法、系统和传感器监测在电网20内流动的电能。在更为具体的实例中，所披露的方法、系统和传感器可以监测在电网20的输电网22和/或配电网24的导体(例如，母线)内流动的电能，并且可以监测超高压能量(例如，＞265千伏)、高压能量(例如，110千伏-265千伏)或低压电能(例如，＜110千伏)。在一些实例中，被监测的电能可以为1-132千伏(分配)或345-800千伏(输送)。电网20中的一些导体可以通过较远地理位置间(例如，在不同州间)的较长距离来传导电能。所披露的方法、系统和传感器可以用于监测应用于其他实施例中的其他实施的其他导体。

所披露的实施例提供了与监测到的许多行业所使用的电能相关的实用、精确、高效的信息，这些行业包括电力传输和保护行业，例如，监控电网20的动态性和实施保护行动，以防止发生故障。监测结果所提供的信息可用于控制电网20的运行，以及可有利地避免、降低或控制其他可能会破坏电网的情况(例如，停电)。在一个实施例中，所述信息可用于以下一些情况，例如，广域检测系统(WAMS)，其旨在使电网20避免停电。监控和数据采集(SCADA)系统可利用所产生的信息来控制一个附加实施例中的电网20的运行(例如，执行电力系统的检测和预防)。

参考附图3，在一个实施例中描述了监测和控制系统30的实例性实施例。在一个实施例中，系统30被配置来监测电网20的一个或多个导体32，以及控制电网20的运行。系统30的其他配置可能在其他实施例中。

所披露的实例性实施例的所述系统30包括多个传感器装置34、接收装置36以及控制系统38。还可能存在其他装置，例如，提供被设置来与所述接收装置36通信的另外的传感器装置34，或进一步包括另外的接收装置36。

在一个实例性运行的实施例中，传感器装置34被设置为监测一个或多个导体32的一项或多项电子特性。在一个实施例中，多个传感器装置34可以监测相同或不同的导体32。在一个实施中，所述传感器装置34被设置为将数据(例如，与检测到的在各个导体32中流动的电能的电子特性相关的测量数据)传送至接收装置36。例如，但在一种配置中，传感器装置34可与接收装置36进行无线通信40。

在一个实施例中，接收装置36从传感器装置34中接收数据，组合数据并将数据传送至控制系统38。在一个实施例中，接收装置36经由光纤电缆42或其他适当的通信系统将数据传送至控制系统38。

另外，关于监测到的电子特性的测量数据的监测和收集，接收装置36协调传感器装置34的至少一个操作。例如，在一些实施例中，所述接收装置36可以协调传感器装置34与其之间的通信，以及协调时序，在一些实施例中，多个传感器装置34和/或其传感器电路在该时序中获得采样值。

在以下所描述的实例性实施例中，接收装置36可将时序参考传送至传感器装置34，并且传感器装置34可利用该时序参考来调节其内部时钟。当获得产生的具有电能特性的数据信号的采样值时，传感器装置34的时序参考可应用于控制。例如，在一个实施例中，期望使传感器装置34同步以便在多个共同的适时时刻分别获得它们各自的采样值，这样便提供了与使用导体时所传导的电能相关的数据，在一个实例中，所述数据是可以随时间变化的AC波形。在一个实施例中，传感器装置34根据所给定的时间间隔在多个适时时刻获得了多个采样值，并且在一个实施例中，传感器装置34(以及传感器装置34中的传感器电路70)可根据共同的间隔来获得采样值，该共同的间隔与由接收装置36创建的共同的时序参考同步。根据本发明所描述的实例性实施例，传感器装置34在多个共同的适时时刻获得的采样值提供了与在一个或多个导体32的多个不同位置处随时间变化的信号有关的信息。在一个实施例中，所述接收装置36可为传感器装置34提供该共同的时序参考，或者在另一个实施例中，传感器装置34和接收装置36可使用共同的、独立的时序参考(例如，GPS)作为共同的时序。

此外，如上所述，在一个实施例中，接收装置36可以控制从传感器装置34到接收装置36的测量数据的通信使其同步。例如，多个传感器装置34可产生同时发生的无线通信，如果无线通信未能同步便会造成冲突。根据一个实施例，更多细节以下将会进行描述，其中，接收装置36使传感器装置34的通信同步以减少或消除冲突的发生，冲突的发生可能会延迟被监测的电子系统内故障状况的检测。

在一个实施例中，控制系统38可利用数据来监测流经被监测的电子系统(例如，电网20)的导体32内的电能，以及来控制该电子系统的运行。在所描述的实例性实施例中，控制系统38包括通信电路50，所述通信电路50被设置来接收从接收装置36输出的数据以及通过局域网51或其他适当的通信设施来输出数据。在所描述的实例中，网络51将数据传送至终端用户装置，而且网络51包括Ethernet、WiFi或光纤互联。在另一个实施例中，路由器、集线器和交换机也可用于在控制系统38内实施通信。在所描述的实例性实施例中，可以将数据传送至处理电路54和其他终端用户装置，所述终端用户装置包括电表56、继电器58、数字故障记录器60(DFR)和/或相位测量装置62(PMU)。该终端用户装置可以使用传感器装置34获得的测量数据来监测电子系统和执行与电子系统相关的操作，例如，防止电子系统出现过载状况(例如，如果电流超过阈值，则打开继电器)。在一个实施例中，通信电路50可进一步通过适当的数字/模拟转换电路来与模拟系统(例如，传统的电流互感器)进行通信。在一个可能的配置中，如需要的话，传感器装置34获得的数字化测量数据可以转换成模拟数据，用于与现有的模拟终端用户装置连接。因此，在实例性实施例中，可以采用数字终端用户装置56、58、60和/或62来直接处理数字化测量数据，或者将数字化测量数据转换成模拟数据用于模拟终端用户装置56、58、60和/或62的使用。

控制系统38进一步包括显示器52，其被配置为显示接收到的数据(该数据表示被监测的电子系统的当前状况)，以及显示其他诸如警报之类的信息。在一个实施例中，该数据可以通过被监测导体32的数据的时间和地理位置读数来表示成模拟或数字图。

处理电路54被配置为处理所接收的数据，以及控制显示器以显示数据、发出警报(例如，如果监测到的特性，诸如电流，超过阈值)、控制数据访问及存储(利用存储电路-未示出)、发出指令以及控制控制系统38的其他操作。在一个实施例中，处理电路54实质上提供了实时检测以及对被监测的信号大约延迟1-3个周期的监测。

在至少一个实施例中，处理电路54可包括被配置为执行所需程序的电路，该程序由适当的计算机可读存储介质提供。例如，执行所述处理电路54如同执行一个或多个处理器和/或其他结构，该结构被配置为执行包括(例如)软件和/或固件指令的可执行指令。所述处理电路54的其他实例性实施例包括硬件逻辑、PGA、FPGA、ASIC、状态机器、和/或其它单一结构或一个或多个处理器组合的结构。在实例性配置中，处理电路54可以包括功能强大的工作站、服务器或一系列工作站。处理电路54的这些实例旨在说明，且其他配置也是可能的。

参考附图4，附图4示出了传感器装置34的一个实例性实施例。在一个实施例中，所述实例性传感器装置34包括传感器电路70、处理电路72、存储电路74、通信电路76、电源电路78和GPS电路80。其他配置可能包括更多、更少和/或别的组件。

在一个实施例中，传感器电路70包括传感器，其被配置为监测流经导体的电能的电子特性。在以下所描述的实施例中，传感器电路70监测流经导体的电流。所使用的实例性的电流监测传感器电路70可以监测导体32周围电磁场的大小(EMF)，以及该电磁场大小表示在导体32内流动的电流。在一个实施例中，传感器电路70产生包括对应于检测到的电磁场幅度的模拟测量数据(例如，电压)的数据信号，并且这些数据信号可用于测定流经导体32的电流。传感器电路70的实例性配置会在以下进行描述，并且传感器电路70的实例性配置可以包括感应配置，在一个实例性实施例中该感应配置包括线圈和导体核芯，在另一个实例性实施例中该感应装置包括霍尔效应电路。

在一些实施例中，一个传感器装置34可以包括多个传感器电路70，它们排布在沿着导体32的不同轴向位置处和/或与导体32相距不同距离的位置处，这将会在以下所描述的实施例中进一步详述。根据一些实例性实施例中的不同方面，不同的传感器电路70被配置来提供关于特性的信息。例如，在实例性实施例中，电路70可以排布在沿着被监测的导体32的不同轴向位置处或排布在与被监测的导体32相距不同距离的位置处(能够监测不同范围的电磁场密度或强度)。

在控制系统的实施例中，处理电路72可被配置为如以上所描述的。所述处理电路72被配置为访问与来自传感器电路70的电能的电子特性相关的数据。所述处理电路72可被配置为执行模拟-数字转换操作以便提供AC电流波形的数字化表示。所产生的模拟信号以及表示监测到的特性的测量数据可在模拟-数字转换操作期间进行采样，从而提供测量数据的多个采样值的。在一些实施中，处理电路72可被配置来处理数据(例如，改变数据格式、对数据进行滤波、计算电流波形的相量)。处理电路72可利用通信电路76来控制将数据传送至传感器装置34外部，例如，传送至接收装置36。

存储电路74被配置来存储程序，例如，可执行的代码或指令(例如，软件和/或固件)、传感器电路70产生的数据、数据库、装置34安装期间所测定的配置数据以及装置34检测期间所测定的校准数据(例如，电磁增益、位置偏移、线性因素)或其他数字信息，以及存储电路74可包括计算机可读存储介质。使用程序来执行本发明所描述的至少一些实施例或方面，该程序存储在存储电路74的一个或多个计算机可读存储介质内并且被配置来控制适当的处理电路72。

在实例性实施例中，计算机可读存储介质可以并入一个或多个制造的产品中，制造的产品能够包含、存储、或维护程序、数据和/或数字信息，从而通过或结合包括处理电路72的指令执行系统来使用。例如，实例性计算机可读存储介质可以包括物理介质中的任意一个，例如，电的、磁的、光的、电磁的、红外的或半导体介质。计算机可读存储介质的一些更具体的实例包括，但不仅限于，便携式计算机磁盘，例如，软盘、Zip盘、硬盘驱动器、随机存取存储器、只读存储器、闪存、高速缓冲存储器，和/或其他能够存储程序、数据或其他数字信息的配置。

通信电路76被配置来传送至传感器装置34外部。例如，传感器装置34通常排布为接近被监测的导体32(例如，电网20的高压电源线)。接收装置36相对于多个传感器装置34远距离排布，并且通信电路76被设置来将传感器电路70提供的测量数据传送至接收装置36。在不同实施例中，通信电路76被设置为使用不同的介质(例如，无线电磁信号、有线导体或光纤)来传输数据。在许多实施例中采用无线通信，其中传感器装置34电绝缘于其他导体。

在所描述的实施例中，传感器装置34包括电源电路78，其被配置来为传感器装置34的电路提供操作电能。在以下所描述的一个实施例中，电源电路78在未电连接于任何外部导体(例如，电源电路78电绝缘于被监测的导体和其他外部导体)的情况下产生电能。在以下所描述的许多实例性配置中，电源电路78可以如电池、光伏电路、感应电路那样运行以通过流经导体的电能所感生出的电磁场来产生电能，或者电源电路78可以如被配置来由所接收的无线能量产生操作能量的装置那样运行。因此，在一些实施例中，在传感器装置34没有电连接于其外部的任何导体的情况下，在装置34内提供操作电能以供其使用。

GPS电路80被设置为从GPS卫星接收GPS信号。这些信号包括共同的时序参考，因此，传感器装置34和接收装置36可以使用共同的时序参考来彼此同步化。使用共同的时序参考就能够监测电网20上的多个不同位置处的一个或多个动态变化的波形，并且多个传感器装置34监测的结果是参照于共同的时序参考。在一个实施例中，当产生测量数据的采样值和测量数据的时间戳时，该测量数据与监测到的运用于随后处理过程中的电能的电子特性有关，处理电路72可以使用共同的时序参考来进行控制。此外，在一个实施例中，共同的时序参考也可用于使得测量数据至接收装置36的通信同步化，所述接收装置36进一步包括各自的GPS电路。

另外，当产生测量数据时GPS电路80进一步提供关于传感器装置34位置的位置信息，并且该位置信息与所产生的测量时间相关。在一个实施例中，时间戳(timestamp)和地理位置可以与测量数据一起传送至接收装置36。

在一些实施例中，GPS电路80可从传感器装置34中省略，并且接收装置36可以被使用来创建共同的时序参考以用于装置34、36。

在以上所讨论的传感器装置34的一些实例性实施例中，电源电路78没有电连接于传感器装置34外部的任何导体，因此，在一些实例性实施例中，电源电路78与该外部导体(例如，被监测的导体、地面，等等)电绝缘。

在传感器装置34的其他实例性实施例中，传感器装置34的所有电路都电绝缘于传感器装置34外部的所有导体。在这些实施例中，传感器装置34电绝缘的，并且传感器装置34所有电路都电绝缘于被监测的导体32、地面、其他接地参考点，等等。例如，在一个实例中，通信电路76包括无线通信电路，所述无线通信电路被配置来与传感器装置34外部的不使用导体的其他设备进行通信。

参考附图5，附图5示出了接收装置36的一个实施例。接收装置36的所示配置包括通信电路90、处理电路92、GPS电路94和用户界面96。其他的实施例也可能包括更多、更少和/或可替代组件。

通信电路90可以配置为类似于传感器装置34的通信电路76。例如，通信电路90可被配置为例如使用有线电信号、光信号、或电磁(无线)信号来与外部设备通信。在一个更具体的实施例中，通信电路76被设置为在未电连接于传感器装置34的情况下与多个传感器装置34中通信电路76进行无线通信。另外，在实例性实施例中，通信电路90可进一步使用电导体或光导体来与控制系统38通信。光学配置可以使用短时间或可忽略不计的时间延迟来通过相对较长的距离(例如，一英里或更长距离)传送数据。

在一个实施例中，处理电路92被配置为控制数据的传送与打包，并且处理电路92还可被配置为类似于传感器装置34的处理电路72。在一个实施例中，处理电路92解码测量数据并且包括组合器，该组合器将来自多个传感器装置34的测量数据组合成复合信号。在一个实施例中，处理电路92将来自多个传感器装置34的具有共同的时间戳的测量数据组合到共同的组中(例如，超帧)，用于为了监测和分析的目的来与控制系统38通信。因此，在一个实施例中，每个超帧包括来自多个传感器装置34的测量数据，并且包括对应于获得测量结果时的各个共同的适时时刻。处理电路92进一步使地理位置数据(例如，对应于传送测量数据的传感器装置34的位置)与各个测量数据相关联。在一个所描述的实施例中，组合操作之后，接收装置36将测量数据传送至控制系统38。因此，在一个实施例中，所产生和传送的多个超帧分别包括分别在多个适时时刻所获得的测量数据。处理电路92可以从传感器装置34收集管理信息，如操作统计表(例如，关于所观测电流的测量数据)，以及组织该信息和将该信息传送至外部装置，例如附图28中所示的控制系统210。

GPS电路94可被配置为类似于传感器装置34的GPS电路80来提供共同的时序参考和地理位置信息。在一些实施例中，传感器装置34的GPS电路80可以忽略，而且接收装置的GPS电路94可被配置来为传感器装置34提供时序参考以用于使传感器装置34采样操作的时序同步化。在一个实施例中，GPS电路94的时序参考进一步用于从传感器装置34接收到的测量数据的时间戳。

在一个实施例中，用户界面96可以包括显示器和用户输入以使用户可以在设置/安装期间配置传感器装置34。此外，在一个实施中，用户界面96可以传送与从传感器装置34接收到的测量数据相关的信息，并且可以显示处理电路92所计算的报告和统计表。

参考附图6a-6c，附图6a-6c示出了包括核芯91和线圈93的传感器电路70a的感应装置的一个实施例。所描述的传感器电路70a被配置为检测由于流经在导体32中的AC电流所产生的电磁场，并且该电磁场可以在线圈93内产生感生电流并且通过输出95监测到该电流为模拟信号。在一个实施例中，可以对输出95处的信号进行采样及数字化处理。

在一个实施例中，核芯91包括磁芯。在至少一个实施例中，由于传感器电路70a检测流动电流所产生的电磁通量，所以传感器装置70a可以在其线圈93没有电连接于导体32的情况下产生表示流经导体32的电流的测量数据。因此，在一个配置中，传感器电路70a电绝缘于被监测的导体32。

核芯91可包括开口97，如示出在附图6c中的实例性实施例中，该实施例可以在不损坏导体32的情况下允许传感器电路70a相对于待监测的导体32进行安装和排布。在所描述的实施例中，核芯91可被认为具有Ω的形状。传感器电路70a可能具有其他配置。例如，在一个其他实施例中，电磁铁99可插入开口97中，并且可以在相对于导体32安装核芯91之后使用适当的连接系统来使电磁铁99与核芯91连接，从而为磁通量提供了闭合环路。

参考附图7，附图7示出了传感器电路70b的一个实施例，其采用霍尔效应电路100来执行。可以在其他实施例中使用霍尔效应电路的其他配置。所描述的霍尔效应电路100的实施例包括半导体封装中的霍尔元件和相关电路。根据一个实施例，霍尔效应电路100包括用作具有高的磁增益(magnetic gain)的磁通集线器的铁磁层，从而提供相对较高的磁灵敏度(magneticsensitivity)、低偏置、低噪音、动态带宽以及低线性误差。在一个实施例中，采用可从GMV应用(GMV Associates)获得的部分CSA-IV执行霍尔效应电路100。可使用霍尔效应电路100的其他设置。

在一种配置中，所述传感器装置34被配置来排布传感器电路70b，其中霍尔效应电路100可以测量在被监测的导体32中流动的电流所产生的电磁场102。在一个实施例中，类似于以上所描述的传感器电路70a，并由于霍尔效应电路100本身的检测方式，传感器电路70b在产生测量数据期间电绝缘于被监测的导体32，所述测量数据表示流经导体32的电流。因此，在一个实施例中传感器电路70b电绝缘于被监测的导体32。

传感器电路70b通过将流经导体32的电流所产生的电磁场转换成与电磁场成正比的电压来检测电流。一般情况下，实例性的电流-电压变换函数表示如下：

其中：

V输出：电压输出(毫伏)

I：电流变量的均方值(安培)

d：传感器封装的表面与母线中心之间的距离

C：特定霍尔效应电路100的恒定增益

D：霍尔效应电路100的内置距离偏移

方程式(E1)中的电流I也可根据以下方程式来表示为时间的函数：

I＝Ip×sin(ωt+θ)                            (E2)

其中：

I：电流值

Ip：电流峰值

ω：角频率(＝2πf)

t：时间

θ：初始相位偏移

组合方程式E1和E2，得到：

方程式(E3)可以采用从霍尔效应电路100检测到的电压输出来测定电流。对于感应电路70a的使用，d是指从导体32中心至核芯91中心的距离，D是指核芯91的横截面积，且c是指线圈的匝数。

参考附图8，根据一个实施例，附图8示出了包括霍尔效应电路100的封装相对于导体32进行排布的实例。

在所描述的实例性配置中，示出了一个装置中位于封装内部的霍尔效应材料层103。霍尔效应电路100另外可包括多根外部引线104，外部引线104被配置来将霍尔效应电路连接至外部电路(未示出)。在一个实施例中，霍尔效应电路100的引线104相对于导体32对称排布。例如，在该封装的相对两侧上的引线104在监测操作期间基本与导体32相距相等的距离(r)。期望以这样一种方式来相对于导体32排布霍尔效应电路100：使电路组件平行于磁通方向以及降低感生电压势能，否则会导致引线104排布在与导体32相距不同的距离处，并且会导致引线位于导体32的电磁场的不同强度中。

霍尔效应电路100所描述的实例具有灵敏方向(sensitivitydirection)。当电磁场与灵敏方向一致时，霍尔效应电路100输出正电压波形(例如，正弦波的第一半)。当电流反向时，电磁场与灵敏方向相反，则霍尔效应电路100输出负电压波形(例如，正弦波的第二半)。

在实地安装之前，霍尔效应电路100可以在实验室中进行测试和校准。例如，霍尔效应电路100可以排布在与导体32相距初始距离处，将参考电流应用于导体32中，然后监测输出，最后采用监测到的输出来调节引线104与导体32相距的距离直到达到预期输出值，即表明引线104相对于导体32在正确的位置。

在一个实例中，霍尔效应电路100的实验室校准检测并记录了待监测导体32和传感器装置34之间由于装配过程而产生的对准偏差。对于采用多个霍尔效应电路(例如两个或三个)的装置，期望在传感器装置34内提供彼此位于合适位置的电路100，而且使电路100在与导体32相距合适的距离处间隔开。校准可用于检测和记录电路100彼此之间输出的差值并提供合适的校正因子，所述校正因子可实地用于计算差值。

在一个实施例中，实地安装期间，期望在装置中相对于导体32安装霍尔效应电路100，该装置尽可能的与实验室中进行测试和校准的装置一致。可以在实地安装时执行再校准，因为安装位置可以具有不同于执行初始校准的实验室中的地磁场，并且被监测的导体32可以具有不均匀的表面和不同的大小。

在一个实施例中，在工厂校准期间确定的一组电子参数可存储在传感器装置34的存储电路74中，并且在安装期间用于实地配置传感器装置34。此外，传感器装置34的一些描述的设置使用无线通信，并可以为特定安装测定适当的参数(例如，信号强度、SNR、相对于接收装置36的通信距离)。所给定的安装的其他配置数据可以包括参数，所述参数具体指定待监测的电压范围、采样率、每读取一次的输出率周期、警报级别、安全码、跳频，等等。

在一个实施例中，传感器装置34被配置为处理测量数据。例如，处理电路72可处理测量数据以测定流经导体的电流。在另一个实例中，处理电路72可以对测量数据执行数字信号处理以计算电力系统的相量。在一个更为具体的实例中，采用可应用于似稳(quasi-stationary)正弦信号(例如，50Hz或60Hz的电力系统)的基于傅里叶变换的滤波器来执行相量计算。该处理滤除信号的固定部分(stationary portion)，并显示正弦曲线的相对角度和信号的任何动态(即，不固定的)部分。在一个实例性实施例中，所测定的流经导体的电流是要被处理用于相量计算的信号。此外，可以采用GPS信号来计算参考正弦波以便能够计算有益的相量(meaningful phasors)。对于测量电力系统的相量和使用GPS信号来产生参考正弦波的另外细节在AG Phadke于1993年4月在IEEE《计算机电力应用》上发表的名为“电力系统中同步的相量测量”的第10-15页进行了描述，特此将其内容在此参引。在其他实施例中，接收装置36的电路、控制系统38或其他电路计算相量。

参考附图9-18，根据多个实例性实施例，它们示出和描述了传感器装置内的多个霍尔效应电路100的多个不同的配置。其他的实施例也是可能的，例如，使用如附图8中所示的霍尔效应电路100。

相比于一个电路的配置，使用多个霍尔效应电路100可提供多种益处，例如，提高的精确度、能够进行误差校正和/或有助于安装和校准。在一个实施例中，相比于一个电路100的配置，使用多个电路100提供了具有增加的信噪比的输出。而且，具有多个电路100的配置可以检测和量化杂散的磁场，可以在检测导体32的电流期间计算杂散的磁场。

附图9的配置可被称为两个对称芯片(SDC)模式实施例，其中在一个实施中，两个霍尔效应电路100a、100b排布在导体32的相对侧并且排布在与导体32相距基本相等的距离处。在所描述的实例性实施例中，霍尔效应电路100a、100b的灵敏方向112彼此平行，并且霍尔效应电路100a、100b输出彼此基本为0相移的正弦波。在附图9的一个实例性实施例中，期望在校准和操作期间在与导体32相距相同的距离处提供电路100。在导体32的一个安装实施例中，两个电路100a、100b的输出可以彼此进行比较，并且可以相对于导体32调节霍尔效应电路100a、100b的位置，直到电路100a、100b的输出幅度相等，即表示电路100a、100b相对于导体32在恰当的位置。

在操作过程中，导体32与一个或多个电路100a、100b之间的距离可以变化，例如，由于导体32倾斜。因此，在一些实施中，电路100a、100b的输出彼此间会不同。在所描述的实施中，即使电路100a、100b相对于导体32的位置会改变，电路100a、100b之间的距离也可以是固定的，并且可以组合电路100a、100b的输出(例如，平均的)来提供表示导体32内流动的电流的输出测量数据。

此外，在一个实施例中，多个电路100a、100b存在在与流经导体32的电流所产生的电磁场相反方向排布的灵敏度(sensitivities)，这些电路允许检测干扰磁场。在一个实例中，相对于附图9中的实例，静态磁场可在向下的方向流动，并且电路100a、100b可被配置为在向下方向上分别具有各自的灵敏度。根据电路100a、100b的灵敏方向，这种静态干扰将产生基本上恒定的地面噪声，该干扰或增加或降低电路100a、100b的输出。在一个实施例中，在导体32内不传导电流，并且可以处理电路100a、100b的输出以测定是否检测到一些干扰(例如，杂散的磁场)。在一个实施中，可以存储检测到的噪音，并且可以使用检测到的噪声来处理电路100a、100b的输出(例如，从电路100a、100b的输出中减去表示干扰的存储值以消除噪声)。

在一个实施例中，电路100a、100b的灵敏度与导体32的电磁场相反，处理过程中组合电路100a、100b输出的数据信号(例如，彼此相减)，这将抵消电路100a、100b输出的信号的噪声部分，因为电路100a、100b的灵敏方向的方向与杂散的磁场相同，但是电路100a、100b的灵敏方向相对于导体32内流动的电流所产生的待监测的电磁场却是相反的。在所描述的实施例中，输出的数据信号可彼此相减，这样大大地降低了输出中的噪声并且使得输出信号加倍，因而增加了动态范围和信噪比。

参考附图10，多个霍尔效应电路100a-c彼此之间大约成120°相对于导体32对称排布。在一个实施例中，电路100a-c排布在与导体32相距基本相同的距离处。附图10的实例性的排布有助于校准和安装。此外，使用电路100a-c中另外两个电路的输出可以容易地检测出霍尔效应电路100a-c中一个电路的误差。

更具体的说就是在实例中，电路100a-c彼此之间大约成120°有助于在调整电路100a-c的位置时通过监测它们的输出来确定电路100a-c的中心。在制造和校准过程中，采用测定的数据还可以有助于附图10中装置的安装。在操作过程中，如果电路100a-c中的一个电路不同于电路100a-c中剩下的两个电路相同的匹配输出，那么电路100a-c中的这一个电路的输出将被忽略。

参考附图11，附图11示出了包括多个霍尔效应电路100a-c的另一个实例性装置。所描述的实施例包括三个彼此之间大约成90°的电路100a-c。在一个实施例中，电路100a-c排布为与导体32相距相同距离的位置处。所描述的实施例被配置来检测和测量干扰，例如，由杂散的磁场113(如，地球本身的磁场)产生的干扰。在所描述的实施例中，电路100a-c的感应112彼此平行。在相对于导体32安装电路100a-c之后并且在对导体充电之前，所描述的装置可用于检测杂散的磁场113。在附图11的实例中，杂散的磁场113与电路100a-c大约成45°相交，这便在电路100a和100b中产生正输出，而电流100c产生负偏移输出。在一个实施例中，可以在校准期间计算这些偏移电压，并且可以调节电路100a-c的输出以减少偏移对电路100a-c输出产生的影响。

参考附图12，附图11中的装置进一步被配置来检测动态干扰，如动态变化的磁场(例如，对等导体、互感器或靠近电路100a-100c通过的车辆所产生的磁场)。在所描述的实例中，实例性干扰114基本上平行于电路100a和100c的灵敏方向并且基本上垂直于电路100b的灵敏方向。可以在导体32中不存在电流的情况下(例如，在安装到导体32之后且在对导体32充电之前或在对导体32断电之后)，测量电路100a-c的输出以检测是否存在干扰114。在所描述的实施例中，实例性干扰114在电路100a和100c中产生了极性相反的感生电压并在电路100b中产生了大约为零的输出。在一个实施例中，在安装和校准期间检测到的静态或动态磁场可用于校正电路100a-c的输出。

在一个实施例中，对附图9中装置的电路100a、100b的输出进行滤波，以减少动态干扰的影响。在实例性实施例中，通过电路100a、100b检测由导体32内流动的电流所产生的磁场，电路100a、100b提供了大致相同的波形，它们相对于彼此是反相的，其中电路100a、100b的灵敏方向相对于导体32中流动的电流产生的电磁场处在相反的方向。假设来自其他来源的杂散磁场源自与电路100a、100b相距一定距离的来源处，该电路100a、100b与该来源相距的距离远远大于电路100a、100b相对于导体32的距离，因此假设当电路100a、100b全部检测到干扰时，该干扰相对于电路100a、100b具有大致相同的方向。电路100a、100b的灵敏方向102相对于杂散磁场是相同的(或者都是相反的方向)，因此由于具有共同方向的干扰而导致电路100a、100b输出具有大致相等的幅度，但是电路100a、100b输出彼此反相。相比较于采用单个电路100的装置，电路100a、100b输出彼此相减，这样大大地减少了干扰的影响，但是同时使得与导体32内流动的电流相对应的检测到的输出加倍。

参考附图13a-13b，根据一个实施例，附图13a-13b示出了多个霍尔效应电路100a、100b的一个实例性非对称装置。如附图13a所示，电路100a、100b非对称地排布在被监测的导体32的同一侧，并且与被监测的导体32相距不同的距离d1、d2。如附图13b所示，在另一个装置中，电路100a、100b可进一步相对于导体32的轴向彼此偏移或关于导体32的共同位置平行。参考附图14，电路100a、100b的输出(例如，电压)关于电路100a、100b与被监测的导体相距的距离来用图表示。如附图所示，电路100a、100b的输出随着电路100a、100b与导体32相距的距离而下降。

在一个实施例中，在如附图13a、13b所示的传感器电路的制造过程中，电路100a、100b彼此间隔预设的距离。此后在安装期间，电路100a、100b排布在与导体32相距预设的距离处。

参考附图15，以上所披露的方程式1(E1)可用于为电路100a、100b提供两个电流-电压变换函数(E4和E5)，电路100a、100b分别与导体32相距距离d1和d2：

$V1=\frac{C}{d1+D}\×I---\left(E4\right)$

$V2=\frac{C}{d2+D}\×I---\left(E5\right)$

$\frac{V1}{V2}=\frac{d2+D}{d1+D}---\left(E6\right)$

V_输出：电压输出(毫伏)

I：电流变量(均方值)(安培)

d：电路与导体中心之间的距离

C：特定芯片组的恒定增益

D：芯片组的内置距离偏移

方程式E4和E5是两个线性方程，其中电压和电流彼此线性相关并且具有如附图15中所示的不同斜率，其中D1的斜率＜D2的斜率。对于给定的电流值I0，在每个电路100a、100b的曲线D1、D2上具有相应的电压值。

提供方程式(E6)，假定C具有相同值并且V1与V2的比率变成了d2+D比d1+D，并且当距离d1和d2是固定的时，V1和V2分别与距离d1和d2相关。不符合上述关系的V1和V2的输出表示存在动态干扰或可能是硬件、机械或软件出现错误。可以执行测试来试图测定是否出现错误，或者可以执行补偿算法来试图模拟该干扰。在一些实施例中，为了提高准确性和纠错能力，结合附图9-12的不同装置来执行附图13a和13b中的单侧装置。例如，在另一个所描述的实施例中，多个电路100可排布在附图9中导体相对两侧中的一侧或两侧，或附图10-11的三个电路装置中的一侧、两侧或三侧。

在一个实例性应用中，电流传感器可用于提供电源保护，其中传感器被配置来可以承受高达正常监测范围3-4倍的过载状况。在一个实施中，以上所描述的具有与导体32相距不同距离的传感器电路70的实例性配置对于被监测的电子特性提供不同的感应，以及可用于在电源保护应用中提供电流监测。一些所描述的实施例继续监测导体32并提供关于在过载状况下传导的电流的信息，过载状况可用于提供警报信息以及在不损坏传感器电路的情况下控制下游设备。

参考附图16，配置为执行多范围切换(multi-range switching)的传感器电路的实例性实施例包括三个分别排布在与被监测的导体32相距d1、d2和d3距离的电路100a-c。在所描述的实施例中，电路100a-c对于由流经导体32的电能所产生的电磁场具有不同的感应。其他数量的电路100可运用在其他实施例中以提供另外的感应。

根据导体32内传导的电流的幅度，可在不同的适时时刻利用各个电路100a-c的输出。在正常电流工作范围内，最接近导体32的电路100a的输出可用于监测电流。电路100a排布在正常工作情况下流动的电流所产生的电磁场未饱和的位置处。可是，在导体32上出现过载状况时电路100a的输出饱和，于是电路100b可用于监测导体32内的电流。此外，如果过载状态使电路100b饱和，那么100c可用于监测导体32内的电流。当过载状况终止且传导的电流回到正常工作范围，那么重新通过电路100a来监测。非对称电路100的多个不同装置可被配置为根据应用在多个不同感应处监测不同范围的电流。在一个实施例中，电路100a-c连续监测导体32，而在另一个实施例中，处理电路72可以根据电磁场强度分别激活电路100a-c中的一个。

参考附图17，附图17示出了输出相对于被监测的导体与离霍尔效应电路之间的距离的图形表示。使用以上的方程式E1得出距离与电流之间的关系：

$d=\frac{c}{v}\×I-D---\left(E7\right)$

其中V是指特定霍尔效应电路的饱和范围。霍尔效应电路的偏移(D)通常很小(例如，0.5)也可忽略，其给出：

d＝kxI                (E8)

其中k是传感器电路的多个电路100a-c的恒定斜率值(k＝c/v)。在一个可能的实施例中，距离与电流成线性关系，并且当d2＝2d1且d3＝3d1时实例性传感器电路可以监测高达正常负荷三倍的过载状况。

在一个实施例中，所述传感器电路进一步被配置来提供关于电流方向的信息。再次参考附图13b，在一些实施例中，多个电路100a、100b排布在接近于被监测的导体32的不同轴向位置处。在一个实施例中，电路100a、100b彼此间隔已知的或限定的距离。此外，电路100a、100b可以在附图13b示出的一个实施例中排布在与导体32相距不同的距离处或如附图18所示排布在与导体32相距相同的距离处。

继续讨论附图18的实施例，其中电路100a、100b与导体32相距大致相同的距离。在一个实施中，在相同的适时时刻对电路100a、100b的输出进行采样。参考附图19，两个采样值之间的幅度差可用于计算两个信号的相移以协助确定流动方向。

电流传播速度极快(例如，近300x10⁶米/秒)以及电路100a、100b之间的距离d却相对较小。在一个实施例中，希望避免电路100a、100b位置之间的任何电容性或感性源或设备移动，电路100a、100b可产生信号相移。而且，在一个实施例中在多个电路100a、100b中彼此进行采样的时序是在微秒或纳秒内，以便提供精确的测量。在一个实施例中GPS可用于使电路100a、100b的采样同步化。对于两个采样值的每次比较，幅度和相移之差可以相对较小。在一个实施例中，差值可以随时间的推移而增加(例如，＞10万个采样值)以便确定电流方向。

在一个实施例中，在装置34之间没有(或具有恒定的)电容性的和感性负载的情况下，两个传感器装置34彼此尽可能合理的间隔固定距离(例如，3千米)。在该实例中，电流从一个测量点流动到另一个测量点需要花费大约10毫秒的时间，并且在相同的适时时刻在装置34上测量电流。如果在第二装置的测量滞后与在第一装置上的测量，那么流动方向是从第一装置34到第二装置34。其他的实施例是有可能的。

例如，电力系统中的电流可以是交流(AC)也可以是直流(DC)。在AC系统中，沿给定路径(诸如，单输电线路导线)流动的电流方向每秒可以反转许多次。在北美的大部分地区，例如，AC系统的电流方向每秒可以自身反转120次，形成双向电流的60个完整周期。AC系统中的瞬时功率流(instantaneous power flow)被定义为在相同的适时瞬时时刻精确测量的两点之间的电流与这两点之间电压的乘积。AC系统中的平均功率流被定义为瞬时功率流在AC波形的一个完整周期内的积分。平均功率流的方向(即，平均功率的符号为正或负)是用在电力系统运行和控制中的重要的参数。平均功率流的相位，也称之为功率因数角，是在积分期间电流波形相位与电压波形相位之差。平均功率流的相位也是重要的操作参数。在一个实施例中，期望测量导体上两点之间、受电路100a、100b影响的电压，以及在一周期的时间内使用电压和电流的测量值来计算平均功率流方向和功率因数角。载流导体长度的一英尺范围内，例如，可能存在几十毫伏的电势差。使用传统方法可以测量这种低电压。在一个实施例中，首先使用运算放大器放大毫伏信号。接着，将放大的信号输出到16位模拟-数字转换器(ADC)。一旦通过ADC数字化，毫伏信号被数字化地缩放，并运用被设计为采用数字积分法计算平均功率的计算机算法。

参考附图20，根据一个实施例，附图20示出了传感器装置34a的一个配置。所描述的传感器装置34a的实施例包括多个传感器电路70，传感器电路70可与包括模拟-数字转换器(ADC)130和CPU132的处理电路72连接。在一个配置中，CPU132控制传感器电路70的输出在恰当的适时时刻的采样以提供表示电流的测量数据，并且CPU132使用包括与总线136连接的适当内存134的存储电路74来存储测量数据。在一个实例中，模拟信号的采样是适时同步的。CPU132可进一步使用无线收发器形式的通信电路76来控制将测量数据传送至传感器装置34外部，所述无线收发器包括分别被配置来传送电磁信号(例如，无线电频率信号)的接收器138和发射器140。

在一个实施例中，ADC 130提供覆盖0-5000安培的实例性电流范围的14比特采样值分辨率，即1安培增量总共有+/-8,192的分辨率。对于SCADA应用，可以使用以每周期128个采样值提供16比特采样值的ADC 130。在一个实施例中可使用提供8ksps(例如，对于50Hz AC每周期160个采样值以及对于60HzAC每周期133个采样值)且具有小于10us的转换时间的ADC 130。根据设计的应用需求，ADC 130可以串联或并联输出数据。

在一个实施例中，发射器140从内存134接收存储的测量数据的采样值并将它们编码成可传输的数据流，为了传送至接收装置36，该数据流被调制到无线电波形上。在实例性电源分配或传输实施中，通常以50Hz AC或60Hz AC分配和传输电能。50Hz完整正弦波的电能的周期约为20ms。在一个配置中，传感器装置34每个周期(例如，在20ms内)传输一个数字化正弦波。因此，在一个实施例中，发射器140将测量数据编码成可传输的数据流的一帧、将该帧调制到无线电波形上、与接收装置36进行信号交换(信道接入)以及将无线电信号发送至接收装置36。

参考附图21，发射器140接收测量数据150的数字化采样值并创建数据帧152，数据帧152包括媒体控制部分154和数字化测量数据部分156。对数据帧152被编码、调制和传输为无线电信号159。媒体控制部分154代表用于被使用来传送数据的适当无线通信协议的数据编码、调制以及信道接入方法。

对于可靠的通信实施例，信息保护可应用到层1(PHY)和层2(MAC)以防止恶意攻击。可以采用软件或硬件装置和公共与私有密钥(例如，通信安全(COMSEC)或传输安全(TRANSEC))对数据加密以进一步提供安全性。

可以在传感器装置34和接收装置36之间使用不同的无线通信协议传送测量数据，这些无线通信协议对应于包括性能(例如，数据传输速率和时延)、容量(例如，给定的接收装置36所供应传感器装置34的数量)、成本等等的设计要素。可使用的各种协议包括蜂窝技术(例如，TDMA、CDMA、FDMA)，移动自组技术(mobile ad hoc technology)(例如，WiFi、WiMax、OFDM、DIMA、MINO、蓝牙)，以及军事波形(例如，Link16、JTRS、WNW、TCDL、FCS、TTNT、AMF和DIMA)。

实例无线电信号传输模式包括全方位广播模式和点对点模式。全方位广播模式能够实现CSMA(载波侦听多路访问)、MIMO(多输入多输出)以及MUD(多用户检测)技术，而点对点模式提供增强的安全级别(不易受到干扰和增强抵御恶意攻击和干扰的性能)。可以在全方位广播中利用定向天线以减少干扰并增加带宽效率。在一个实施例中以5GHz使用WiFi(802.11a，g)，其可在PHY层提供最大数据传输速率54Mbps或在应用层提供平均值为19-23mbps的传输速率。

如上所述，传感器装置34的一个实施例电绝缘于被监测的导体32。此外，传感器装置34的一些装置进一步电绝缘于其他导体。在一个特定的实施例中，传感器装置34从电源获取电能，所述电源电绝缘于传感器装置34外部的导体。而且，在一个实施例中，通信电路76可利用无线通信，并因此为了通信目的，传感器装置34未与外部电路进行电连接。因此，传感器装置34的一个实施例基本上电绝缘于所有外部导体。在其他实施例中，传感器装置34可电连接于外部导体用于一个或多个电流的监测、传输、操作电源，等等。

如上所述，根据特定的实施，传感器装置34的不同配置可利用不同的发电系统(例如，电池、光伏电路、感应电路或无线能源)。可以根据电源需求来使用不同的充电电池，并且传感器装置34可以在节电模式下操作以减少能源损耗。

参照附图22，附图22示出了电源电路78a的一个实例性实施例，电源电路78a被配置为通过流经导体32的电流来产生操作电能，其中，被监测的电流是交流电。电源电路78a包括环绕核芯162的线圈160，其中相对于导体排布核芯162。在一个实施例中核芯162和线圈160形成开口164，这样可以在不损坏被监测的导体32的情况下相对于导体32排布传感器装置32，因而有助于安装传感器装置34。流经导体32的变化的电能可以产生电磁场，该电磁场可以在线圈160内产生感生电能。使用交流-直流转换器166将该感生电能从交流电能转换成操作的直流电能，并且感生电能可以为充电电池168和传感器装置34的电源电流169充电(例如，一个实施例中的传感器电路70、处理电路72、存储电路74、通信电路76、GPS电路80和其他电路)。另外，当没有电流流过导体32时，充电电池168可在适时时刻提供操作电能。而且，可以控制传感器装置34以低功耗模式操作，以便当没有电流流过导体32时在适时时刻节省能量。

在一些装置中，内部光伏装置或无线电传输(例如，射频、微波、激光)可以用于在外部导体未连接于传感器装置34的情况下将操作电能传送至传感器装置34。

在一个实施例中，接收装置36从多个传感器装置34接收测量数据。接收装置36可以在各自适时时刻组织从传感器装置36接收到的测量数据(例如，在所给定的适时时刻将多个传感器装置34的测量数据组合在一起)。接收装置36可将组合的数据发送至本地和/或远程应用设备用于监测导体32内的电流和采取其他适当的作用(例如，出于成本考虑、电源保护或其他所需目的测定电流量)。接收装置36可被密封并与外部环境隔离，并因此可在室内或户外使用。

如上所述，在一个实施例中，接收装置36包括用于与多个传感器装置34进行通信的适当的通信电路90。不同的无线通信协议可应用在不同的实施例中，例如，包括时间同步和媒体访问协议。在一个实施例中，接收装置36可使传感器装置34的通信同步化。

在时间同步协议中，接收装置36在传输数据之前与传感器装置34同步。在一个同步的实施例中，不采用GPS时可采用主动模式和从属模式。在该实施例中，接收装置36作为主时钟/时间运行并且其时间参考不会改变。传感器装置34可分别将时间同步请求信息传送至接收装置36并且也将其内部时钟的本地时间传送至接收装置36。所述接收装置36采用传感器34的本地时间及其内部主时钟来计算偏移量，该偏移量相当于各个传感器装置34的时钟与主时钟的差值。所述接收装置36将上述偏移量传送至各个传感器装置34，传感器装置34采用该偏移量来调整其内部时钟以与主时钟一致。在一个实施例中，传播时延可通过装置34、36之间的已知距离来计算，并且可用于与上述偏移量相结合来调整传感器装置34的时钟使其与传感器装置36的主时钟一致。在一个实施例中，粗同步和精细同步处理之后可以在一毫秒或一微秒内调整时钟。

在另一个实施例中，可以使用GPS电路。例如，接收装置36可包括GPS电路94(在一个实施例中，传感器装置34中没有GPS电路80)。在一个可能的实施中，所述传感器装置34可采用GPS电路94以及上文讨论过的主动/从属操作实施例与全球时间同步。

在另一个实施例中，传感器装置34和接收装置36包括各自的GPS电路80、94并且装置34、36与全球时间同步。

在一个实施例中，接收装置36亦可作为主设备运行并且传感器装置34作为从属设备运行，以同步多个传感器装置34相对于接收装置36的通信。接收装置36查询各个传感器装置34，并且当接收装置36查询到传感器装置34时，该传感器装置34才传送各自的测量数据。该实施例方法可避免同时进行传送的多个传感器装置34之间的冲突。

在一个实施例中，传感器装置34和接收装置36形成没有网状网络的多对一网络或点对点连接。在该实施例中，各个传感器装置34和接收装置36直接进行通信，而传感器装置34之间没有通信。根据所披露的一些实施配置，可以使用多种媒体存取方法，包括多用户检测(MUD)，静态分配或下文中讨论的轮询机制。

MUD允许多个传感器装置34同时将信息传送至一个接收装置36。所述接收装置36依据传感器装置34的标识对接收的信息进行滤波。在实施例中，传感器装置34可采用编码的信息或跳频来同时传递信息。在一个具体的编码的信息例子中，传感器装置34包括作为传送的数据的一部分的训练序列(training sequence)，并且所述传送的数据可包括时间偏移和频率偏移。接收装置36通过标识辨识来自多个传感器装置34的混合无线电信号中的信息。采用跳频时，发射装置34在单个信息的传送时改变频率(例如，每几毫秒)。不同的发射装置34采用不同的频率模式以避免用户在同一频带上发生冲突。

在静态分配实施例中，各个传感器装置34可静态分配各自的分时时段以便与接收装置36通信。在一个实施例中，采用包括多个频道或时段的时帧结构，使得各个传感器装置34执行它们各自的通信以免冲突。在各自的时段内通信时，传感器装置34可包括标识信息，该标识信息可被接收装置用于辨识来自各个传感器装置34的测量数据。

轮询访问方法是一种避免冲突并且减少通信同步之耗时的有效方法。在一个轮询访问实施例中，接收装置36一次一个地查询用于通信的各个传感器装置36。来自接收装置36的查询信息包括传感器34的标识，该传感器装置34将在紧接的时段中传递其测量数据。直至传感器装置34从接收装置36接收到各自的轮询信息，该轮询信息分别包括传感器装置34中一个装置34的标识，传感器装置34才传送信息。轮询访问方法实施例的附图见附图23，其中接收装置36将各自的轮询信息连续地传递至传感器装置1-n，这些传感器装置在接收到轮询信息之后单独响应各自的测量数据。在一个实施例中，来自传感器装置34的响应信息可包括与响应中的测量数据相关的信息，例如获取采样值时的采样数和时间戳，以及采样值的长度和准确度。在一些实施例中，可采用跳频和编码的数据测量来增强通信的安全性。

参看附图24，根据一个实施例，描述了接收装置36的实例性组合操作。如上所述，多个传感器装置34构建多个帧180并将多个帧180(帧180包括与在已描述例子中的导体32中流动的电能有关的控制信息和测量数据)传送至接收装置36。在一个实施例中，接收装置36存取帧180并且解码该装置内的测量数据，并且组合来自多个传感器装置34的测量数据形成超帧182。构建的超帧182可包括相当于共同的适时时刻的时间戳，传感器34在该共同的适时时刻获取包含在超帧182中的测量数据。超帧182还可包括与沿着电导体32的传感器34的地理位置有关的信息，因而被用来产生测量数据。超帧182可被本地和/或远程传送(例如，传送至控制系统38和/或其他终端)以便分析和监测电力系统。

在一些应用中(例如，监测电网)，为了使被监测的电力系统出现断电或其他故障的可能性最小，可以执行实时监测、分析和响应。在这些应用中，期望快速检测到异常状况(例如，停电、电源干扰或其他异常状况)并且采取合适的行动。例如，可能期望在1-3个频率周期内检测到异常情况，对于50Hz或60HZ应用而言，所述1-3个频率周期是在16.6-60毫秒之间。

参考附图25，在一个实施例中描述了测量数据的获取等待时间、通信、处理和发送。获取时间包括检测和采样模拟信号。如果采用每个周期128个采样值的SCADA标准，50Hz信号的采样间隔约为156.25微秒，如果采用8KSPS

ADC进行模拟到数字的转换，采样转换时间约为10微秒。根据所述系统的应用和配置，可以获取单个采样值或一系列采样值。通信时间取决于无线电波形数据链路速率并且通常小于获取时间。例如，在一个例子中，采用20mbps的WiFi传送16比特的测量数据所需的通信时间约为0.8微秒。如果多个采样值组合在一起并且在一帧中传送，则传送时间成比例增加。处理时间包括已述实施例中的接收、解码和组合操作并且取决于所采用的硬件平台及软件。从接收装置36到控制系统38的发送时间对应于已述实施例中从接收装置36到控制系统38的终端用户设备的通信。所述发送之间可能小于用于其他操作所花费的时间并且完全可以忽略(例如，如果采用提供1000mbps通信的以太网)。

在一些实施例中，一个设计要素是包含在从传感器装置34传送到接收装置36的帧中的测量数据中的采样数。设计要素尝试获得等待时间(较少的采样数具有较小的等待时间)和开销(较多的采样数具有较少的相关开销)之间的平衡。对于上述一个例子中的查询配置，查询信息经由接收装置36输出至每一个传感器装置36。在一个配置中，查询信息用一个波形周期四分之一的采样查询各个传感器装置34(例如，每个周期128个采样的SCADA标准使用32个采样)。

在一个实施例中，处理时间被估量为大约与执行数据获取的时间相同，并且在已述实施例中获取、传送及处理的时间约为70微秒。在该实施例中，大约70个传感器装置34可与一个接收装置36通信。

其他设计要素包括数据完整性及完全性，还有系统应配置为减少通信过程中的干扰或使其最小化，这些干扰源自噪音，人为干扰，窃听，信息泄露及诈骗。

参考附图26，描述了采用定向天线的一个实施例。所述定向天线提供多个覆盖区域190，这些有效区域被设计为接收来自多个授权传感器装置34的通信。在一个实施例中，天线的覆盖区域被设计来排除未授权传感器装置192。此外，定向天线的使用可减少干扰，并且减少人为干扰和未授权访问的机率，并且增加带宽效率。此外，可对层2实施安全措施以提供保护以防止未授权用户诈骗和窃听，并且可对层1进行编码和跳频来进一步防范未授权用户。各个传感器装置34也可采用定向天线，其被配置来与接收装置36的天线通信。

参看附图27，依据一个实施例，附图27示出了传感器装置34的壳体200的实例。实例性壳体200包括多个贝壳形的半边202，这些半边202被配置来夹紧传感器装置34，或将传感器装置34安置到被监测的导体32。在一个实施例中，壳体200将传感器装置34安置在导体34固定的轴向位置，并且使传感器装置34的电路与被监测的导体32电绝缘。

壳体200可以根据应用做成不同的大小(例如，直径9″-20″)并且可用合适的材料(例如，Rovel ABS塑料)制作。壳体200保护内部元件和电路免受天气影响。此外，壳体200的实例配置作为连接组件操作，该连接组件被配置来在一个装置中排布传感器装置34的一个或多个传感器电路，该装置允许传感器电路监测电能的电子特性(例如，在上述一个实施例中，采用合适的未显示的位于壳体200内部及被配置来在相对于导体32的不同位置排布的结构)。在所述实施例中，壳体200被配置为物理上将传感器装置34连接至导体32。

根据所采用的电源类型及容量，传感器34的实施例重量约为7-10磅。壳体可根据FAA推荐进行油漆以达到最大可见度。在已述实施例中，没有采用壳体200外部的附加的支撑结构或硬件来相对于导体32排布传感器装置34的传感电路。在一个更具体的实施例中，传感器装置34足够轻以便传感器装置34可以完全由导体32支撑而不需要任何其他地面支撑或其他支撑结构。

在一些装置中，在WAMS执行中，大量导体32和/或给定导体32的大量位置可被监测。因此，给定系统可包括多个变电站，这些变电站各自包括一个或多个与传感器装置34通信的接收装置36。参看附图28，显示了变电所的控制系统210的一个实施例，控制系统210连接至合适的具有多个接收装置36的通信基础设施212。此外，变电站的控制系统210还可连接至区域控制系统，例如，通过因特网连接。在一个实施例中，控制系统210可从一个或多个接收装置36存取管理信息(例如，测量数据)并且可提供信息给区域控制系统或其他实体。

披露的一些实施例能够使与电力系统有关的实时监测信息在多个系统之间便捷地共享，且被不同的终端用户设备以不同的目的采用。此外，来自接收装置36的通信可以是一对多的配置，其中收集的测量数据可传送至多个接收装置。在一些实例中，测量数据可被用于断开保护继电器，发出警报，控制电网的平衡操作，计算相量，这些可被用于其他合适的目的。

本文所描述的一些实施例提供了监测系统，监测系统可安装来连接终端用户设备用于电源保护行业(例如，电表、数字故障记录器、或相位测量装置)。在其他实施例中，所述实施例可包含在终端用户设备中。

与一些传统的传感器(如，一些传统的电流互感器配置)相比较，本文所披露的至少一些方面提供了改进。例如，一些披露的传感器装置与被监测电流的导体电绝缘，然而一般的传统电流互感器有线连线至电源电路线路，因此，在安装一些传统电流互感器时需要使导体断电且移除电源，这样与披露的一些实施例的安装相比就会耗费额外的时间，因为披露的传感器装置与被监测的导体电绝缘，并且披露的实施例不需要使导体断电来安装本文披露的一些传感器装置。此外，在更换一些出现故障的传统设备和对设备进行预防性维护时需要使导体断电，这进一步给用户带来了不便。同时，在传统电流变压器的次级线圈上产生断路的安装错误或设备故障可能会破坏电源电路，然而根据一些传感器装置与导体电绝缘的实施例，通过采用本文描述的传感设备，前述弊端被减少或避免。

根据一个实施例，所述传感器装置34直接取代一些传统电流互感器。例如，在一个实例中，模拟输出终端不连接并且传感器装置34可被连接至作为传统设备的替代品的导体。此外，如果现有的传统设备和用户设备采用模拟方式，传感器装置34提供的数字化测量数据可被转化成模拟信息。

此外，大量的绝缘保护通常被用于一些传统传感器，这些传感器电连接于高压实施的导体。这些传统设备的尺寸相对较大并且因为绝缘也使得重量增加。在一些装置中，一些尺寸相对较大的传统传感器使变电站的容量受到限制。一些披露的传感器装置可便捷地安装在电力系统的多个位置，而传统设备可能无法实现，因此披露的实施例减少了电网上的“盲点”。

一些披露的实施例在与导体不同的位置连接的传感器装置和远程监测站之间采用无线通信。这些实例提供通信，而不需要具有一些传统无线安装中使用的大量有线连接。披露的一些实施例中的传感设备尺寸相对较小而且重量相对较轻，因此，可被安装在导体上不适于安装传统电流互感器的位置。与传统的电流互感器设计相比，一些披露的传感器装置可以更加广泛地部署在电网中。

尽管一些实施例进行关于电能分配和输送的讨论，这些披露的实施例是本文披露的方法、传感器及系统可能的应用实例，披露的方面可被应用于监测除其他实施例中的电能分配和输送之外的在其他环境中使用的导体。

此外，一些所述的装置披露了传感器装置，这些传感器装置可直接取代传统电流互感系统并且提供测量数据，这些数据可被现有终端用户设备或在全新的监测控制设计中组合和使用。

保护研究不限于披露的实施例，仅以实例方式给出，但是仅限于所附权利要求的范围。

此外，本文内容旨在引导构建和/或操作披露的说明实施例。申请人在此认为这些说明实施例亦可包括、披露及描述除明确披露的内容之外的发明内容。例如，另外的发明内容可包括比示意性实施例中披露的更少、更多和/或可替代的特征。在更具体的实施例中，申请人认为披露的内容包括、披露和描述了包括比明确披露的方法更少、更多和/或可替代的步骤的方法，并且披露的内容包括、披露和描述了包括比明确披露的结构更少、更多/或可替代的结构的装置。

Claims (39)

1.一种电力系统传感器装置，包括：

传感器电路，被配置为监测由电力系统的导体传导的电能的特性；

连接组件，被配置为相对于导体排布传感器电路，其中传感器电路监测在电力系统的导体内传导的电能的特性；以及

其中传感器电路电绝缘于电力系统的导体。

2.根据权利要求1所述的装置，其中传感器电路被配置来检测导体周围的电磁场以便监测电能的包括电流的特性。

3.根据权利要求2所述的装置，其中传感器电路包括霍尔效应电路，霍尔效应电路监测电能的特性，电能包括等于或大于近似600伏特的高压电能。

4.根据权利要求3所述的装置，其中霍尔效应电路包含在封装内，并且其中从所述封装开始延伸的多根引线在与导体相距相同的距离处间隔。

5.根据权利要求2所述的装置，其中电路包括缠绕磁芯的线圈，磁芯环绕导体的至少一部分排布。

6.根据权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括被配置为产生操作电能的电源电路，传感器电路使用所述操作电能以便监测电能特性，并且其中电源电路电绝缘于传感器装置外部的所有导体。

7.根据权利要求1所述的装置，其中传感器电路被配置来产生表示电能特性的数据信号，并且所述装置进一步包括通信电路，所述通信电路被配置来将数据信号的测量数据无线通信地传送至传感器装置外部。

8.根据权利要求1所述的装置，其中由于使用导体而产生感生电能，传感器电路被配置来监测导体产生的电磁场。

9.根据权利要求1所述的装置，其中传感器电路包括第一传感器的电路，第一传感器的电路被配置来监测由导体传导的电能的特性的第一方面，并进一步包括第二传感器，第二传感器被配置来监测由导体传导的电能的特性的第二方面，并且其中所述第一方面和第二方面是不同的。

10.根据权利要求1所述的装置，其中传感器电路电绝缘于所有传感器装置外部的接地参考点。

11.根据权利要求1所述的装置，其中传感器电路电绝缘于传感器装置外部的所有导体。

12.根据权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括包含连接组件的壳体，并且其中所述连接组件被配置来将传感器装置物理连接于导体。

13.根据权利要求12所述的装置，其中壳体和连接组件不是由远离导体的地面来支撑。

14.根据权利要求1所述的装置，其中整个传感器装置仅由导体支撑。

15.根据权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括处理电路，处理电路被配置来处理传感器电路的输出以便计算相量。

16.一种电力系统的监测方法，包括：

使用多个传感器电路，监测由电力系统的导体传导的电能的特性；

使用传感器电路，产生多个数据信号，所述数据信号对应于由导体传导的电能的电子特性的不同方面；

处理数据信号以提供关于在导体内传导的电能的电子特性。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括，

分别使用多个传感器电路中的各自相关的传感器电路检测导体周围的电磁场以监测包括电能的电流的特性。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述监测包括，

使用传感器电路监测电能的特性，所述传感器电路被配置来监测不同范围的电磁场强度。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括，

在导体的不同轴向位置处使用多个传感器电路中的各个传感器电路来监测电子特性，所述传感器电路排布在邻近导体的不同轴向位置处，并且其中数据信号包括测量数据，所述测量数据与导体的不同轴向位置处的电能的电子特性有关。

20.根据权利要求19所述的方法，其中测量数据包括多路采样值，并进一步包括在那些共同时间点对多路数据信号产生采样值。

21.根据权利要求20所述的方法，在一个共同时间点上产生采样值包括在一个共同时间点上同时使用多个传感器电路来产生采样值。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括，

在与导体相距不同的距离处使用多个传感器电路中的各个传感器电路来监测电子特性，所传感器电路排布在与导体相距不同的距离处，并且其中数据信号包括测量数据，测量数据包括与离导体相距不同距离处的电能的电子特性。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括，

使用多个传感器电路监测电子特性，所述传感器电路排布在邻近于导体的相对侧的位置处。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述处理包括：

组合传感器电路产生的数据信号，所述传感器电路排布在邻近于导体的相对侧的位置处。

25.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括处理数据信号以检测是否存在干扰。

26.根据权利要求16所述的方法，其中所述处理包括：处理数据信号以减少数据信号中的噪声。

27.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法进一步包括使传感器电路相对于时间同步，并且所述方法进一步包括使用多个传感器电路来产生多个数据信号的采样值和多个共同的适时时刻，所述多个传感器装置彼此同步。

28.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括在导体的不同轴向位置处使用传感器电路来监测电子特性，所述传感器电路排布在邻近于导体的不同轴向位置处，并且其中所述处理包括处理来提供由导体传导的电能的流动方向的信息。

29.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测包括：

使用电绝缘于导体的传感器电路来进行监测。

30.根据权利要求16所述的方法，其中传感器电路包含在单个传感器装置内，并所述方法进一步包括，在处理前，使用单个传感器装置的无线通信电路将数据信号的测量数据无线通信地传送至接收装置。

31.一种电力系统的监测系统，包括：

多个传感器装置，分别被配置来监测由电力系统的导体传导的电能的电子特性，以便产生多个数据信号，所述数据信号表示电能的监测到的电子特性，并且将数据信号传到各个传感器以外去；以及

接收装置，被配置为接收传感器装置传送的数据信号，以及遵循于监测电能的电子特性来协调传感器装置的至少一个操作。

32.根据权利要求31所述的系统，其中数据信号分别包括测量数据，所述测量数据表示分别通过多个传感器装置中的各个传感器装置监测的电子特性，并且其中接收装置被配置来将来自不同传感器装置的测量数据组合成复合信号。

33.根据权利要求31所述的系统，其中传感器装置包括无线通信电路，无线通信电路被配置来无线通信地将数据信号的测量数据传送至接收装置，数据信号的测量数据表明来自各路传感器装置监测的电子特性。

34.根据权利要求31所述的系统，其中接收装置被配置来使得从多个传感器装置传送至接收装置的测量数据同步，以协调传感器装置的至少一个操作。

35.根据权利要求31所述的系统，其中接收装置被配置来使得传感器装置在多个共同时间点上进行的数据信号采样同步，以协调传感器装置的至少一操作。

36.根据权利要求31所述的系统，其中使用导体传导的电能如随时间变化的信号一样，并且传感器装置在共同时间点上产生数据信号的多个采样值，以提供在共同适时时刻在导体的多个不同位置处随时间变化的信息。

37.根据权利要求36所述的系统，其中接收装置被配置来使得传感器装置的采样时序同步以协调至少一个操作。

38.根据权利要求31所述的系统，其中传感器装置被配置来在多个共同时间点上产生电子特性的多个采样值，以及接收装置被配置来根据多个共同适时时刻将不同传感器装置的采样值合并到多个组中。

39.根据权利要求38所述的系统，其中所述接收装置被配置来连接时序信息，所述时序信息是用来确定各个组件中的共同时间点。

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