CN105191039A - 具有传输线测试的电力分配系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节从电源的能量传递的电力分配系统包括响应于一个电源传感器的一个电源控制器，该电源传感器提供包括指示跨电源端子的电压的一个信号的反馈；一个电源断开装置，该电源断开装置响应于来自该电源控制器的一个控制信号，用于将该电源与这些电源端子电连接或断开，其中，当测量跨这些电源端子的电压时，该电源控制器通过打开该电源断开装置来中断电力供给；一个负载断开装置，该负载断开装置用于将负载与负载端子电解耦；以及一个逻辑装置，该逻辑装置在该电源控制器中，用于基于一组预先确定的条件确定该电源断开装置是否有待被打开以便中断该电源与这些电源端子之间的电连接，该组条件包括跨这些电源端子的电压相对于时间的改变是否落在一个预先确定的范围之外。

Description

具有传输线测试的电力分配系统
技术领域
本发明涉及电力分配系统安全保护装置——例如，具有电子监测以便当发生电气故障或安全隐患时尤其在个人已经接触暴露的导体的情况下检测和断开电力的电力分配系统。本发明适用于一般的电力分配，或更具体地适用于电动车辆充电、电信或替代性能量电力系统。
背景技术
在典型电力分配应用中，来自中心电源的电力通过许多分支电路分配至负载装置。这些分支电路装备有保护装置(如断路器或熔断器)。在电气故障(如短路)期间，保护装置被设计成用于检测反常高电平的电流，且在导致对分配系统的破坏或火灾前，将电源从负载断开或中断。
引入接地故障中断器(GFI)通过检测特定分支电路中的相电流之间的不平衡来向分配系统添加触电保护，该不平衡表明电流正流过交替性接地路径并且可能在使个人触电的过程中。
然而，在传统分配保护方法中存在明显的缺点。例如，火灾仍可从松动的连接处发生。在此情况下，活连接的电阻增加并且升温至点燃周围材料的点。这个热量积聚可以在远低于分支电路保护装置跳变点的电流下发生。在GFI保护的情况下，GFI电路可以仅保护同时与线导体和接地点接触的个人，比如如果个人用一只手触摸带电导体并用另一只手触摸水槽水龙头就是这种情况。然而，如果个人能够同时触摸带电导体和返回路径(诸如跨家庭电源插座的“火”线和中性线)，GFI将不激活并且人将受到电击。
另一重要概念为用于使电击致命率与流过身体的电流脉冲的持续时间和大小相关的度量。由电生理学家使用来描述此关系的一种度量被称为时值；是类似于工程师将其称为系统时间常数的概念。电生理学家通过使用长脉冲发现触发神经细胞的最小电流量来确定神经的时值。在连续测试中，将脉冲缩短。相同电流的更简短脉冲较少可能触发神经。时值被定义为以两倍于从那个第一非常长的脉冲确定的电流来触发细胞的最小刺激长度。在对于给定电流的时值以下的脉冲长度将不触发神经细胞。本披露的发明可以利用时值原理，以便使能量包的大小和持续时间安全地处于可导致触电的水平以下。
触电是通过电击导致心室纤维性颤动(VF)而诱发心脏骤停。VF是对正常心律的破坏。当心跳变得不稳定并且血流变得最低或完全停止时，死亡会发生。麦克丹尼尔(McDaniel)等人在《起博与临床电生理学(PacingandClinicalElectrophysiology)》、卷28、第1期、2005年1月的题为“神经肌肉失能性防御装置的心脏安全(CardiacSafetyofNeuromuscularIncapacitatingDefensiveDevices)”的论文中提供了在类似于所披露的发明的条件下用于估计诱发VF所必需的最小电荷的保守参考。进行该研究是为了探讨电神经肌肉失能装置的安全性方面，这些电神经肌肉失能装置通常由执法机构用于使暴力嫌疑犯失能。麦克丹尼尔测量了一系列的猪对施加至动物胸腔的多个、简短(150μs)电脉冲的响应。在这些测试中，720μC的阈值电荷可以在30kg动物中诱发VF。将带倒钩的镖放置在动物表面上，紧邻心脏并且足够穿透以便绕开皮肤的正常绝缘层。这导致身体电阻低至400欧姆。相比之下，美国职业安全与健康机构(OSHA)将潮湿的人类皮肤的电阻描述成近似于1000欧姆。
通过仔细监测由电源发送的所包含的电能到负载装置的传递，可以确定某些其他机构(如外部短路、或受到电击的人)是否影响了能量的传递。随后可以中断传递，以便保护设备或人员。如果电流脉冲周期低于肌肉时值，人类骨骼或心肌将较不容易受到脉冲影响。避免建筑或设备火灾也是至关重要的，但导致火灾的能量水平通常远小于将导致心脏骤停的水平。所披露的发明将以小增量监测和控制能量传递，并因此可以提供超过甚至通过结合断路器与接地故障中断器所提供的安全性的附加安全性。
存在两种有待检测的主要故障模式。第一模式为线中或串联故障，其中，反常电阻与电源和负载之间的路径串联放置，如由图3a中被电击的个人所示。第二故障模式为跨线或并联故障，如图3b中所示。线中故障可以通过对于给定电流在电源与负载点之间的反常电压下降来检测。在所披露的发明中，跨线故障可以通过在输出导体已通过电子开关与电源和负载两者隔离后它们之间的阻抗减少来检测。
发明内容
图1中示出电力分配系统的实施例的框图。电力分配系统调节从电源1至负载3的能量传递。周期性地，电源控制器5打开S1断开开关7持续预先确定的时间段，被称为“采样周期”。电容器C负载4电连接至负载端子。电容器存储存在于负载端子32a、32b上的电压，该电压仅在S1打开时刻前存在；此处和权利要求书中对“电压”的引用还包括随电压变化的电流和/或其他参数。电源端子之间的电阻由Rsrc2来表示。在特定实施例中，Rsrc具有1万至1千万欧姆之间的值。
在正常状况期间，当S1打开时，跨电容器C负载的电压将衰减，因为它通过Rsrc放电并放电至负载中。开关S213将C负载与负载电路隔离。S2可采用许多形式中的任一种，范围从不可控二极管至可控双向固态开关，如稍后将在详细描述部分中讨论的。此时，电源端子31a、31b和负载端子32a、32b与电源5和负载9电隔离。用于由C负载表示的电容的唯一放电路径应当是电源端子电阻Rsrc。然而，在图3b中描绘的跨线故障期间，引入了外部物体(如人体或导电元件)的电阻并且由R泄漏6表示。Rsrc与R泄漏的并联组合将明显增加C负载的电压衰减速率。刚好在S1打开前，在C负载上的电压由电源控制器5来测量。在预先确定的采样周期结束时，刚好在S1被命令返回闭合(导通)状态之前，再次测量C负载的电压，并且与刚好在采样周期开始之前进行的测量相比较。
如果跨C负载的电压已衰退或过快或过慢，登记故障并且S1将不返回闭合位置。如果S2是可控版本，它也将保持在打开(非导通)状态。高的衰减速率指示跨线故障，如图3b中描绘的。低的衰减速率指示线中故障，如图3a中描绘的。在DC电力正被传递的分配系统中，在正常操作期间与当存在跨线故障时的C负载上的电压衰减速率的差在图4中描绘。在AC电力正被传递的分配系统中，在正常操作期间与当存在跨线故障时的C负载上的电压衰减速率的差在图5中描绘。
如果不存在故障状况，S1再次被命令至闭合(导通)状态，并且如果S2是可控版本，其被命令至导通状态。随后在电源与负载之间转移能量直到下一采样周期。在采样周期之间的导通周期被称为“传递周期”。
用于图3a中描绘的线中故障的附加检查为其中在能量传递周期期间电源控制器和负载控制器在图1的感测点34、35处获得它们各自的端子电压。在结合高级监测选项的实施例中，将实现通信链路11，并且电源控制器将通过该通信链路得到负载端子电压。电源控制器随后计算两次测量之间的电压差。电源控制器还使用电流传感器8来获得经过电源端子的电流。电源控制器现在可以使用欧姆定律或关系式：电阻＝电压/电流来计算电源端子与负载端子之间的线路电阻。将所计算的线路电阻与预先确定的最大值和最小值相比较。如果超过最大值，立即打开S1和S2(如果是可控版本)并且登记线中故障。低于所预期的线路电阻也指示硬件故障。
用于测量线中电阻而没有至负载的通信链路的替代性方法为其中电源控制器使用电流传感器8来测量感测点34处的电源端子电压以及经过电源端子的电流。在相同能量传递周期期间，几乎同时进行电压和电流采样。随后打开断开开关S1，并且电源控制器在感测点34处取得另一电压样本。在S1打开后立即取得该样本。第一电压样本与第二电压样本之间的大小的差与线路电阻是成比例的。如图8中描绘的，第一电压样本与第二电压样本之间的电压下降独立于在采样周期的剩余时间发生的正常、较慢的电压衰减，因为第二电压样本是在C负载上的电压有时间来明显衰减前取得的。
附图说明
图1为安全电力分配系统的实施例的框图；
图2为电源控制器的实施例的更详细的框图；
图3a为描绘线中、或串联电击危险的图表；
图3b为描绘跨线或并联电击危险的图表；
图4为示出在具有直流(DC)电源的电力分配系统输出导体上的电压的图表；
图5为示出在具有交流(AC)电源的电力分配系统输出导体上的电压的图表；
图6a为使用具有阻塞二极管的单向开关安排所构造的DC断开开关的图表；
图6b为使用双向开关安排所构造的AC断开开关的图表；
图6c为仅用二极管所构造的单向DC断开开关的图表；
图7为交替性电源控制器配置的图表，该交替性电源控制器配置包括用于在电力线上通信的调制器/解调器；
图8为描绘用于线中电阻计算的电压采样的电源电压波形的图表；
图9为使用中心抽头式隔离变压器来结合用户数据和常用双绞线电缆上的电力的图表。
具体实施方式
本发明的各方面的上述以及其他特征和优点将因以下对本发明更宽阔的界限的各种构思和具体实施例更具体的描述而更明显。鉴于主题不受限于任何具体实施方式，上文引入并在下文更详细讨论的主题的各方面可以用很多方法中的任何一种实现。具体实现方式的示例和应用主要是为了说明的目的而提供的。
除非另外在本文中定义、使用或表征，本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)将解释为具有与其在相关领域的背景下所接受的相一致的意思，而不被解释为理想化或过分正式意义，除非在本文中明显这样定义。
在此所使用的术语用于描述特定实施例，并且不旨在限制示例性实施例。如在此所使用，单数形式(比如“一个(a)”和“一种(an)”)旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式表明。另外，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”指定了所述的元件或步骤的存在，但是不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或添加。
存在用于构造图1的S1断开开关7和S2断开开关13的许多工业标准方法。在一个实施例中，基于该系统正分配DC还是AC电力以及负载侧开关为可控二极管还是简单二极管来确定S1和S2的构造。对于DC电力分配，在负载控制器能够控制S2的行动的情况下，可以使用图6a的DC断开开关安排37。在此安排中，电流在负极至正极方向上被阻塞二极管39所阻塞。
在正极至负极方向上的电流流动根据控制信号40的应用由内部开关38控制。可控开关38在未授权的电源已连接至负载端子或电源控制器发生故障并且不再能中断来自电源1的电力的情况下提供负载控制器中断电力的能力。在诸如电池充电的应用中，不受控的过度充电会导致电池损坏或火灾，因此使得可控负载断开开关是有利的。基于电压和电流要求来选择用于内部开关38的晶体管类型。可以使用的工业标准晶体管包括FET、IGBT或IGCT。用于控制内部开关38的导通的控制信号40的电实现取决于晶体管类型，但对电力电子领域技术人员是众所周知的。
在负载控制器9不必要具有中断至负载端子的电力的能力的情况下，内部开关38可以如图6c中所示仅使用二极管39来构造，以便阻塞来自从负载电路至负载电容器C负载4中回流的电流。
对于AC电力分配，可以使用图6b的AC断开开关安排41。在此安排中，独立行动的内部开关43或46可以仅阻塞一个方向上的电流，因为在每个开关的相反方向上的电流流动由旁路二极管42或45所允许。然而，通过开/关(ON/OFF)控制信号44、47的组合行动，可以在任一方向或两个方向上阻塞通过断开开关41的电流。为了阻塞两个方向上的电流流动，将控制信号44、47都设置成关状态，从而将内部开关43、46置于打开(非导通状态)。为了允许在正极至负极方向上的电流，在阻塞在负极至正极方向上的电流的同时，将内部开关46置于闭合(导通)状态。电流随后自由地从正极端子流经旁路二极管42，经过内部开关46并从负极端子流出。相反地，为了允许在负极至正极方向上的电流，在阻塞在正极至负极方向上的电流的同时，将内部开关43置于闭合(导通)状态。电流随后自由地从负极端子流经旁路二极管45，经过内部开关43并从正极端子流出。基于电压和电流要求来选择用于实现内部开关43、46的晶体管类型。可以使用的工业标准晶体管包括FET、IGBT或IGCT。用于控制内部开关43、46的导通的控制信号44、47的电实现取决于所使用的晶体管类型，但对电力电子领域技术人员是众所周知的。
如图2中所示，电源控制器5包括微处理器20、通信驱动器17、22和信号调理电路24、26、28。图1的负载控制器9在构造上类似于电源控制器，但被配置具有不同的操作软件，以便执行在以下的操作序列部分中所描述的功能。参考图1，在开始操作前，在步骤(a)、(b)和(c)中执行自我检查和初始化步骤。命令S1断开开关7和S2断开开关13(如果是可控的)在初始化期间保持处于打开(非导通)状态。
操作序列
a)参考图1，电源控制器5验证在点33处的电源电压在预先确定的期望值内，并且在电源电力导体中没有电流流动，如由电流传感器8所报告的。电源控制器5还执行内置测试算法(如在工业中典型的)以便验证其硬件和固件正在正确地运行。
b)如果实施例结合高级监测选项，由电源控制器通过至负载控制器9的通信链路11来执行通信检查。对于提供安全能量传递的分配系统，在发起能量传递前，电源控制器5将期望数字验证代码，该数字验证代码匹配预先确定的值，以便确保电源和负载设备是电兼容的并且被授权来接收电力。例如，对其中正购买能量的应用而言验证代码可以是必要的。电源控制器5通过通信链路11将请求发送至负载控制器9，向其请求其状态。负载控制器9用在其导体上的电压和电流的值以及任何故障代码来作出响应。电源控制器5验证负载电压在预先确定的值内并且验证在负载电力导体中没有电流流动(指示可能出故障的电源断开、出故障的电流传感器或其他硬件问题)。负载控制器9还执行内置测试算法(如在工业中典型的)以便验证其硬件和固件正在正确地运行。如果没有故障被登记，该序列前进至步骤(c)。如果登记了故障，以步骤(a)开始重复该序列。
c)电源控制器5在点33处进行电源电压的另一测量，以便确定传递周期的持续时间，其中，能量将从电源传递至负载。电源电压越高，潜在的故障电流越高，并且所以传递周期越短。将电源电压测量应用于电源控制器5的处理器中的内部表格或函数，以便确定传递周期的安全持续时间值。可变传递周期的使用对所披露的发明的操作是不需要的，但将使得能量传递更高效并且较少倾向于虚假报警，因为根据周期的长度可以使测量次数最大化并且可以使开关实例的数量最小化。替代方案是为了维持固定持续时间传递周期，该固定持续时间传递周期被配置成用于最高的可能电源电压以及用于最坏情况的安全状况。
d)在传递周期确定之后，电源控制器5闭合开关S1。如果负载电路结合可控断开开关，负载控制器9将感测在点35处由电压传感器测量的跨电容器C负 载4的电压的快速增加，并立即闭合开关S213。如果负载电路使用二极管作为断开开关，不必要采取行动。两个控制器5、9都继续测量在其各自端子处的电压和电流。
e)在传递周期结束时，采样周期开始。电源控制器5在点34处测量跨C负 载的电压，并随后打开开关S1。如果负载电路结合可控断开开关，负载控制器9感测当S1被打开时跨C负载的电压的快速降低，并立即打开开关S2。如果其正采用二极管作为断开开关，不必要从负载控制器9采取行动。
f)在S1打开之后，电源控制器立即使用电流传感器8在点34处测量跨C负载的电压以及通过电源端子的电流。如果电流值不是近似于零，登记硬件故障，使断开开关S1处于打开状态，并且该序列跳至步骤(j)。如果没有故障被登记，该操作序列继续至步骤(g)。
g)电源控制器5从步骤(d)、(e)、(f)中获得的电压和电流样本使用以上概述部分中所描述的两种方法中的一种来计算线路电阻。如果在电源控制器与负载控制器之间没有采用串行通信，将图1的在点34处的电压在S1打开前与紧接打开后之间的差除以电流以便计算线路电阻。如果电源控制器5和负载控制器9装备有串行通信，电源控制器5可以向负载控制器9请求负载电压读数，以便计算电源侧与负载侧之间的电压差。将电压差除以电流返回线路电阻的值。如果线路电阻大于预先确定的最大值，由电源控制器5登记线中故障。小于预先确定的最小值的所计算的线路电阻指示硬件故障。如果故障被登记，电源控制器5立即打开S1并且继续进行至步骤(j)。如果没有故障被登记，该序列前进至步骤(h)。
h)开关S1保持打开状态直到采样周期结束。在采样周期结束时，但在S1再次闭合前，电源控制器在点34处测量C负载的电压，并且将该电压读数与在采样周期开始时所获得的电压读数相比较。如果电压已经过快地衰减，小于第一预先确定的值，那么登记跨线故障。如果它已经过慢地衰减，并且已经不能下降至小于第二预先确定的值，其是线路电阻可能过高或具有硬件故障的指示。如果故障已被登记，该序列跳至步骤(j)。如果没有故障被登记，该操作序列继续至步骤(i)。
i)如果没有故障被登记，该操作序列重复，以步骤(c)开始；否则，该序列继续至以下步骤(j)。
j)由于线中故障、跨线故障或硬件故障，电力分配系统处于故障状态。在特定实施例中，系统将允许从故障状态自动重置或手动重置的配置。如果系统被配置成用于手动重置，其将保持S1开关打开，直到外部系统或直到操作员发起重启。系统随后将从步骤(a)重启该操作序列。如果系统被配置成用于自动重启，那么由电源控制器执行延迟周期，以便限制在可能仍与电力分配导体接触的设备或人员上的压力。在特定实施例中，该周期是从1秒至60秒。系统随后从步骤(a)重启该操作序列。为了附加的安全水平，可包括机械接触器与S1和/或S2串联，以便在S1或S2已发生故障时作为冗余断开。
总结、分支和范围
在此描述了一种新颖的电力分配系统，该电力分配系统可以安全地将能量从电源传递至负载，同时克服常规电路保护装置和接地故障中断器的缺陷。
在其最简单形式中，本发明可以被配置成用于仅感测跨线故障，比如如果个人同时触摸两个链路导体将发生的情况。在此情况下，仅测量图1的位置34中的跨电源端子的电压以便识别该故障。
在优选实施例中，在负载断开装置为可控的情况下，如以上在概述部分中所描述的，通过打开图1的电源断开开关S17来发起“采样周期”。负载控制器9感测S1打开时C负载上的快速电压下降，并立即打开断开开关S213以便开始采样周期。使用通信链路11，通过由电源控制器5将通信命令发送至负载控制器9以及通过由负载控制器9命令负载断开装置成打开状态或闭合状态，而不是使负载控制器9感测C负载上的电压下降以作为打开负载断开装置的触发，可以发起打开S2的行动。
图1的组件C负载4和Rsrc2各自表示当开关S17和S213处于打开(非导通状态)时的电容和电阻，如在电源端子31a、31b和负载端子32a、32b处所见的。在特定实施例中，这些组件是跨电源端子导体和负载端子导体放置的、具有已知值的离散组件。然而，即使没有这些离散组件，这些导体的电容和电阻也会由于它们的物理构造而具有固有的电阻和电容值。在某些实例中，该系统可以通过用这些固有值对电源控制器5进行编程来操作，由此取消对安装离散的电阻器和电容器组件的需要。
在某些应用中，能量可以从负载装置3流动至电源装置1，如在“并网”应用中举例说明的，比如具有替代性能量源的住宅，如光电太阳能阵列。在夜晚，住宅将作为负载装置3，公用电网为能量源；但在白天期间，当住宅生成将被卖回电网的太阳能电力时，其可以变成电源1而非负载3。在这种情况下，系统的操作基本与以上在详细描述中所描述的那些相同。由于电源控制器5和负载控制器9检测电力分配系统内的电流和电压的大小和极性，电源控制器5固有地开始执行这个新的操作模式。例如，如在详细操作部分中所描述的，通过将线路电流与最坏情况的线路电阻相乘来计算电力分配系统导体中的电压下降。当负载开始供给电力而不是汲取电力时，电流极性将反转，并且线路下降计算仍将是有效的。
电源控制器5和负载控制器9可以包括逻辑装置，如微处理器、微控制器、可编程逻辑装置或用于执行控制算法的其他合适的数字电路。负载控制器9可以采用收集与系统的负载侧相关的数据的简单传感器节点的形式。它不是必需地需要微处理器。
控制器5和9可以为计算装置，并且本披露的系统和方法可以在计算系统环境中实现。可以适合与这些系统和方法一起使用的众所周知的计算系统环境及其组件的示例包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持或膝上型装置、平板计算机装置、智能手机、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费者电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机机、包括上述系统或装置中的任一个的分布式计算环境等。典型计算系统环境及其操作和组件在许多现有专利(例如，由微软公司(MicrosoftCorp.)拥有的美国专利号7,191,467)中有所描述。
这些方法可通过非瞬态计算机可执行指令(如程序模块)来执行。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实现特定数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。这些方法也可以在其中任务由通过通信网络所链接的远程处理装置执行的分布式计算环境中实践。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储装置在内的本地和远程计算机存储介质中。
在此所描述的过程和功能可以非瞬态地以软件指令的形式存储在计算机中。计算机的组件可以包括但不限于计算机处理器、用作存储器的计算机存储介质、和将包括该存储器的各种系统组件耦联至计算机处理器的系统总线。该系统总线可以是若干类型的总线结构中的任何一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种各样的总线体系结构中的任一种的局部总线。
计算机通常包括处理器可访问的并且包括易失性和非易失性介质以及可移除和不可移除介质的各种各样的计算机可读介质中的一种或多种。举例来讲，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。
计算机存储介质可以存储处于非瞬态状态的软件和数据，并且包括以任何方法或技术所实现的用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的软件和数据的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储设备、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁性存储装置、或者能用于存储所需信息且可以由处理器访问和执行的任何其他介质。
存储器包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质，如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。包含如在启动期间帮助在计算机内的元素之间传递信息的基本例程的基本输入/输出系统(BIOS)通常存储在ROM中。RAM通常包含处理器可以立即访问和/或目前正在其上操作的数据和/或程序模块。
计算机也可以包括其他可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质，如(a)从不可移除、非易失性磁性介质读取或写入其中的硬盘驱动；(b)从可移除、非易失性磁盘读取或写入其中的磁盘驱动；以及(c)从可移除、非易失性光盘(如CDROM或其他光学介质)读取或写入其中的光盘驱动。计算机存储介质可以通过通信接口与系统总线耦联，其中，接口可以包括例如用于在组件之间传输数字信号或光学信号的导电电线和/或光纤通道。可以在示例性操作环境中使用的其他可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质包括磁带盒、闪存卡、数字多功能盘、数字录像带、固态RAM、固态ROM等。
驱动及其相关联的计算机存储介质为计算机提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。例如，计算机内部或外部的硬盘驱动可以存储操作系统、应用程序、和程序数据。
电源控制器5和负载控制器9可以用于计量能量传递，并且将该信息传达回用户或远程位置。例如，所披露的发明可以在电动车辆公共充电站上实现，并且可以用于将电力消耗发送回中央信用卡处理器。信息传递可以通过外部通信链路15进行，如图1中所描绘的。用户也可针对从他的电动车辆传递并卖到电网的电力而被记贷。外部通信链路15还可用于传递其他操作信息。例如，电动车辆可以在其底盘下具有触点，所述触点下降使连接至嵌入在道路表面中的充电板。通信链路15可以传递指示汽车位于充电板上方的邻近信息。信息可以禁止给充电器板供能，除非汽车被正确地定位。
电源断开装置7可以通过添加机电继电器或“接触器”来增补，这提供从电源端子断开电源1的冗余方法，以便在电源断开装置7故障的情况下提供后备。负载断开装置13可以由机电继电器或接触器以相同方式来增补。机电接触器激活线圈可以通过本领域技术人员已知为“看门狗电路”的那些来供电。看门狗电路连续地与电源控制器5或负载控制器9进行通信；否则，接触器将自动打开，提供针对控制器5、9中的“冻结”软件或受损电路的故障安全措施。
电源控制器5可编程有算法，该算法调整电源断开装置7导通的时间相对于其不导通的时间之比，以便调节从电源1至负载3的能量传递量。此方法对本领域技术人员众所周知为“脉宽调制”。
数据通信链路11和/或外部通信链路15可以使用本领域技术人员众所周知的各种方法和协议来实现。通信硬件和协议可以包括RS-232、RS-485、CAN总线、火线及其他。通信链路11可使用铜导体、光纤来建立，或在管理机构(诸如联邦通信委员会(FCC))所允许的任何电磁波谱区域上无线地建立，如在FCC规则的部分18中所提出的。可以使用本领域技术人员众所周知的许多协议(包括Wi-Fi、IRDa、Wi-Max及其他)中的任何一种来建立无线通信。数据通信链路11可以在电源控制器与负载控制器之间传达操作信息，其中，该操作信息至少包括由负载控制器所获得的指示跨负载端子的电压的值。
用于实现图1的通信链路11和/或外部通信链路15的功能的另一选项为本领域技术人员称为“电力线上通信”、或“通信或电力线载波”(PLC)，又称为“电力线数字用户线路”(PDSL)、“干线通信”、或“电力线上宽带”(BPL)的那些。参考图7的所修订的电源控制器，使用调制器/解调器48将由微处理器20生成的通信信号叠加在电源端子上。调制器/解调器48的硬件和软件方法对本领域技术人员是众所周知的。尽管将电源控制器用作示例，可以将调制器/解调器48的完全相同实现包含在负载控制器中，允许电源控制器与负载控制器之间的双向通信。发送侧(或电源或负载)将通信信号与电源端子或负载端子上的电力波形结合。接收侧(或电源或负载)随后将把通信信号与电力波形分离。
为了允许同时进行电力传递和用户数据通信，系统可以如图9中所描绘的那样进行配置。在一个示例中，使用CAT5通信电缆来在终端用户的计算机与以太网交换机之间传递以太网数据；并且相同的电缆导体可以用于使用在此所描述的方法将400-600瓦特的电力提供至计算机本身。参考图9，电源电路50可以包括所有的电源组件；或参考图1，电源电路可包括电源1、电源控制器5、电源断开装置7和所有相关的电源组件。负载电路51可以表示所有的负载组件；或参考图1，负载电路51可以包括负载3、负载控制器9、负载断开装置13和所有相关的负载组件。电源电路50的输出导体被应用至该配置的电源侧上的隔离变压器52和54的中心抽头点。隔离变压器53和55上的相应中心抽头点在该配置的负载侧上并且通过变压器绕组电连接至变压器52和54上的中心点。在电源侧上，以太网数据可以被应用至变压器52和54的绕组，这些变压器绕组是使用本行业技术人员众所周知的平衡导体对配置而与中心抽头侧电隔离的。在负载侧上，在与包含电力的中心抽头侧电隔离的变压器53和55的相应绕组上拾取这些对。因为电力是基本上直流的，它经过电源侧上的变压器至负载侧而不导致磁力激发，并且因此不破坏也驻留在通信线路上的数据。所描述的中心抽头式变压器的硬件配置是本行业中通常用于实现以太网供电(PoE)的，如PoE标准IEEE-802.3a中所描述的。PoE不具有在此所描述的安全特征，并且因此限制在近似于48V以避免电击的可能性。
因此，所披露的发明的范围应当由所附权利要求书及其法律等效物而不是给定的示例来确定。在描述本发明实施例的过程中，为了清晰性，使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括技术的和功能的等效物，这些等效物以相似的方式操作从而实现相似的结果。此外，在其中本发明的特定实施例包括多个系统元素或方法步骤的某些实例中，那些元素或步骤可以用单个元素或步骤替换。同样地，单个元素或步骤可以用达到相同目的的多个元素或步骤来替换。而且，尽管已经参照其具体实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以在不背离本发明的范围的情况下，做出形式及细节方面的不同替换和变更。仍进一步，其他方面、功能和优点也在本发明的范围内；并且不一定需要本发明的所有实施例都达到所有的优点或具有以上所描述的所有特征。此外，结合一个实施例在此所讨论的步骤、元素及特征同样可以结合其他实施例使用。仍进一步，在背景部分所标识的组件、步骤和特征对本披露是不可或缺的，并且在本发明的范围内可以结合在本披露的其他地方所描述的组件或步骤使用或替换它们。在方法权利要求中，以特定的顺序直接引用多个阶段(增加或不增加有序的引语符号方便参考)，这些阶段并不解释为被暂时地限制于它们被引用的顺序，除非另有说明或被这些术语和措辞所隐含。

Claims (27)

1.一种用于调节从在一个电源侧上且包括多个电源端子的一个电源至在一个负载侧上且包括多个负载端子的一个负载的能量传递的电力分配系统，该系统包括：
a)一个电源控制器，该电源控制器在该电力分配系统的该电源侧上，响应于将反馈提供至该电源控制器的一个电源传感器，该电源控制器至少包括指示跨这些电源端子的电压的一个信号；
b)一个电源断开装置，该电源断开装置响应于来自该电源控制器的一个控制信号，用于将该电源与这些电源端子电连接或断开，其中，该电源控制器被配置成用于通过打开该电源断开装置周期性地中断向该负载的电力供给，允许至少该电源端子电压在该所中断的间隔期间被测量；
c)一个负载断开装置，该负载断开装置用于将该负载与这些负载端子电解耦；以及
d)一个逻辑装置，该逻辑装置至少在该电源控制器中实现，用于基于一组预先确定的条件确定该电源断开装置是否有待被打开以便中断该电源与这些电源端子之间的电连接，该组条件至少包括跨这些电源端子的电压相对于时间的改变是否落在一个预先确定的范围之外。
2.如权利要求1所述的电力分配系统，进一步包括一个负载控制器，该负载控制器在该电力分配系统的该负载侧上，响应于将反馈提供至该负载控制器的一个负载传感器，该负载控制器至少包括指示跨这些负载端子的电压的一个信号。
3.如权利要求2所述的电力分配系统，进一步包括一个数据通信链路，该数据通信链路被配置成用于在该电源控制器与该负载控制器之间交换操作信息，其中，该操作信息至少包括由该负载控制器获得的指示跨这些负载端子的电压的一个值。
4.如权利要求3所述的电力分配系统，其中，该数据通信链路包括以在联邦管理机构所允许的电磁波谱内的多个载波频率操作的多个无线通信电路。
5.如权利要求3所述的电力分配系统，其中，该数据通信是通过该电源控制器和该负载控制器中的调制器/解调器来完成的，该电源控制器和该负载控制器中的调制器/解调器是可操作的以便将一个通信信号与存在于这些电源端子或这些负载端子上的电压波形结合，并且稍后将该通信信号与存在于这些电源端子或这些负载端子上的这些电压波形分离，从而使得该电源控制器和该负载控制器可以仅使用这些电源端子和这些负载端子之间的连接来彼此通信。
6.如权利要求5所述的电力分配系统，其中，该数据通信是仅当该电源从这些电源端子断开时完成的，其中，这些通信信号不被从这些电源端子流动至这些负载端子的电流所破坏。
7.如权利要求3所述的电力分配系统，其中，在可发起能量传递之前，该电源控制器和该负载控制器交换一个数字验证代码，该数字验证代码必须匹配一个预先确定的值。
8.如权利要求2所述的电力分配系统，其中，该电源控制器被配置成用于计算由该电源控制器获得的该电源端子电压与由该负载控制器获得的该负载端子电压之间的差，并且如果该差不落在预先确定的高值与低值之间，发布一个命令以便打开该电源断开装置。
9.如权利要求1所述的电力分配系统，其中，该电源断开装置响应于来自该电源控制器的一个控制信号，以便改变该电源连接至这些电源端子的时间相对于该电源从这些电源端子断开的时间之比，从而调节从该电源传递至该负载的平均能量。
10.如权利要求1所述的电力分配系统，进一步包括一个电流传感器，该电流传感器允许该电源控制器获得指示从该电源流动至这些电源端子的电流的一个信号，并且其中，该电源控制器被配置成用于如果该电流超过一个预先确定的最大值则打开该电源断开装置，以便将该电源从这些电源端子断开。
11.如权利要求10所述的电力分配系统，其中，该电源控制器被配置成用于周期性地将这些电源端子电压测量与这些电源电流测量相乘得到一个所计算的瞬时电力值，并且用于对连续电力值进行积分以便导出一个总能量值。
12.如权利要求11所述的电力分配系统，其中，该电源控制器还被配置成用于为从该电源所提取的能量对用户记贷一个财务费用。
13.如权利要求1所述的电力分配系统，其中，该负载断开装置包括一个二极管。
14.一种用于实现为将能量从一个电源传递至一个负载的一个电力分配系统的方法，其中，该电力分配系统被配置成用于检测不安全状况，这些不安全状况包括电导通已经与该电力分配系统中暴露的导体相接触的多个外部物体或个人，该方法包括以下步骤：
a)在一个电源控制器中产生一个响应信号以便打开一个电源断开装置，导致该电源与这些电源端子之间的电连接中断；
b)在打开该电源断开装置后，使用多个电源端子电压传感器获得跨这些电源端子的电压的一个第一测量，并且存储该第一电压测量用于由该电源控制器访问；
c)在一个预先确定的时间期满后，使用该电源端子电压传感器获得这些电源端子的电压的一个第二测量，并且存储该第二电压测量用于由该电源控制器访问；
d)计算该第一存储的电压测量与该第二存储的电压测量之间的差，其中，该差表示跨该电源和负载和端子的电容的放电速率；并且
e)如果该第一存储的电压测量与该第二存储的电压测量之间的差落在一个预先确定的上限和下限内，从该电源控制器产生多个信号以便关闭该电源断开装置，其中，在该预先确定的上限和下限之外的一个放电速率指示存在与这些电源端子或这些负载端子电接触的一个导通的外部物体或个人，或在该电力分配系统硬件中的一个故障。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该电源控制器使用光通信链路、导电通信链路和无线通信链路中的至少一个来与该负载控制器通信。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该电源控制器通过该通信链路从该负载控制器获得一个数字验证代码，并且如果该数字验证代码不匹配驻留在该电源控制器的存储器中的一个先前存储的代码，采取行动以致使该电源断开保持在一个打开状态。
17.如权利要求14所述的方法，其中，该电源控制器采取行动以便改变相对于该电源断开装置的非导通时间段的该电源断开装置的导通时间段，从而使得可根据由该电源控制器所执行的一个算法来调节从该电源传递至该负载的平均能量。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
f)在该电源控制器中执行代码，以便使用一个电流传感器获得流经这些电源端子的电流的一个测量；
g)将该电流值存储在该电源控制器存储器中；并且
h)如果该电流超过一个预先确定的最大值，打开该电源断开装置以便将该电源从这些电源端子断开。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括在该电源控制器中执行一个算法，以便计算使用该电源端子电压传感器由该电源控制器获得的该电源端子电压与由该电源控制器从该负载控制器获得的该负载端子电压之间的差，并且如果该电源端子电压与该负载端子电压之间的差不落在预先确定的上限与下限之间，采取行动以便打开该电源断开装置。
20.如权利要求14所述的方法，进一步包括在该电源控制器处：
f)使用一个电流传感器获得流经这些电源端子的电流的一个测量；
g)使用一个电压传感器获得该电源端子电压的一个测量；
h)周期性地将这些电源端子电压测量与这些电源电流测量相乘，以便导出一个瞬时电力值；并且
i)相对于时间对连续的所计算电力值进行积分，以便导出一个总能量值。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括为由一个能量用户从该电源所提取的能量对该用户记贷一个财务费用。
22.如权利要求14所述的方法，其中，该电源控制器在该电源断开装置被关闭时，使用一个电压传感器获得该电源端子电压的一个第一测量，随后在该电源断开被打开后，立即获得该电源端子电压的一个第二测量，并且计算该第一电压测量与该第二电压测量之间的差，并且其中，如果该电压差落在预先确定的上限或下限之外，该电源控制器采取行动以便打开该电源断开。
23.如权利要求22所述的方法，其中，该电源控制器在该电源断开被关闭时，还使用该电流传感器获得流经这些电源端子的电流的一个测量，并且将该电压差除以该电流测量，以便导出这些电源端子与这些负载端子之间的这些导体的一个电阻值，并且其中，如果该电阻值落在预先确定的上限和下限之外，该电源控制器采取行动以便打开该电源断开。
24.如权利要求14所述的方法，进一步包括将一个第一电源电路输出导体连接至一个第一隔离变压器的一个次级线圈上的一个中心抽头点，以及将一个第二电源电路输出导体连接至一个第二隔离变压器的一个次级线圈上的一个中心抽头点，并且其中，一个第一负载电路输入导体连接至一个第三隔离变压器的一个主线圈上的一个中心抽头点，以及一个第二负载电路输入导体连接至一个第四隔离变压器的一个主线圈上的一个中心抽头点，从而使得该配置基本上消除了在这四个变压器中由于从该电源电路流向该负载电路的电流所产生的任何通量，并且其中，这四个变压器的剩余的未使用端子可以用于发送和接收数据，该数据是电隔离的并且独立于从该电源电路流至该负载电路的电流。
25.如权利要求24所述的方法，其中，使用以太网技术来传达该数据。
26.如权利要求24所述的方法，其中，使用数字用户线路技术来传达该数据。
27.如权利要求24所述的方法，进一步包括使该电源承担该负载的功能，并且使该负载承担该电源的功能，从而导致该系统中能量流动的反转。
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