CN110168391B - 识别通过智能电源板的剩余电流的路径的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于检测特定电压相位的系统和方法，该特定电压相位来自与剩余电流相关联的多相电压源以及智能电源板的特定插座。该方法通过使用采用利用皮尔逊相关系数计算的统计时间序列分析的系统来依次测量离散采样的剩余电流波形和每个相位以及插座的离散采样的电流波形之间的线性相关性来实现这一点。可以精确地测量低至1mA的剩余电流并且可以可靠地确定剩余电流的相关的电压相位源以及剩余电流流出智能电源板的哪个插座。

Description

识别通过智能电源板的剩余电流的路径的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请请求于2017年1月6日提交的美国临时申请第62/443,308号的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用被并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及识别通过智能电源板(IPS)的剩余电流的路径的系统和方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本公开内容相关的背景信息且可能不构成现有技术。
由绝缘失效引起的剩余电流可能对电子系统的安全构成重大风险。可以使用适当的保护构思来检测剩余电流、快速地发现/消除绝缘故障从而确保系统的可用性。
缩略词“RCM”代表“剩余电流监测”并且意味着监测电子系统中的剩余电流。虽然本文提到的电子系统中的电流传感器是AC电流传感器，但是如果使用不同的传感器类型或配置，也可以使用相同的监测方法精确地测量DC部件。剩余电流计算为馈入电子系统的、流经除了保护接地(PE)之外的所有载流导体的电流的非零和。例如，剩余电流通常是电力供应中的绝缘故障或电磁兼容性(EMC)滤波器部件故障的结果。当RCD装置(剩余电流断路器)在超过特定剩余电流的情况下关闭电力供应时，RCM测量装置指示实际值、记录长期的发展并且在测量值超过临界值时报告。这个信息也可以用于经由外部开关装置(接触器、中继器)关闭电力供应。通过使用剩余电流测量(RCM)装置，可以及时检测和报告剩余电流。这使得可以在足够短的时间内启动应对措施，从而不必关闭系统。这有利于在系统关闭前，在例如由老化绝缘引起的绝缘值缓慢变差或剩余电流稳定上升的情况下实施措施。
通常称为“电源分配单元”(“PDU”)的电源板通常用在数据中心环境中为互联网技术设备(ITE)供电，其中一个或更多个单元安装在成排布置的机架中。单个PDU可以经由插座为每个机架的数十个装置提供电力，并且数据中心中采用的“智能”电源板或机架PDU可以测量和控制负载。被供电装置(例如，服务器或网络交换机具)有一个或更多个内部开关模式电力供应，所述内部开关模式电力供应有时可能由于各种原因(例如，暴露于过高的温度)而过早失效，暴露于过高的温度可能降低电子部件的寿命。此外，TNS(Terra中性点独立)接地系统的完整性可能会意外断开或失效。这些故障可能会随着时间的推移突然或逐渐地发展。故障模式可能是由于导体或部件绝缘间距的受损或完全击穿引起的，这导致装置的电力供应的线电压与保护接地之间的较低阻抗传导路径。虽然流经保护接地的剩余电流不足以大到使单元的分支过流保护装置跳闸，但是仅30mA的电流可以对触摸底盘的任何人构成安全隐患。虽然在产生过大的接地剩余电流的情况下识别并且提供警报是至关重要的，但同样重要的是，可以将问题装置与配电系统快速地隔离并且从电源分配中移除问题装置以保持其他系统部件的高可用性。
一种特定已知的用于测量剩余电流的技术涉及使用灵敏的电流变换器来检测和/或测量通过智能电源板的剩余电流或不会在返回路径上流回的电流。虽然这种方法能够检测到剩余电流状态存在，但是该方法不能识别多相电压供应的多个电压中的哪一个是剩余电流状态的来源以及PDU的哪个特定AC插座与剩余电流状态有关。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体摘要，并且不是对其全部范围或全部特征的全面公开。
在一个方面，本公开内容涉及一种用于检测流经具有至少一个交流(AC)电源插座的智能电源板的剩余电流的方法。所述方法可以包括：获取电流感测信息以及执行电流感测信息的模数(ADC)转换以获得ADC样本。所述方法还可以包括将ADC样本的时间序列集作为剩余电流波形样本和插座电流波形样本进行管理，然后针对所获得的剩余电流样本计算剩余电流(RC)RMS值。所述方法还可以包括根据具有相同相位的插座电流波形样本的集合来计算相电流，然后计算与剩余电流波形和相位插座电流波形有关的变量的皮尔逊(Pearson)相关系数。所述方法还可以包括计算与来自各个AC电源插座的剩余电流波形和单个插座电流波形有关的变量的皮尔逊相关系数，并且当剩余电流RMS大于预定剩余电流RMS阈值时，计算具有最大正皮尔逊相关性的相位。最后，所述方法可以包括当剩余大于预定RC阈值时，确定具有最大皮尔逊相关性的AC电源插座中的单个。
适用的其他领域将根据本文中所提供的描述变得明显。本概述中的描述和具体示例仅旨在说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于说明的目的而不旨在以任何方式限制本公开内容的范围。在附图中：
图1是根据本公开内容的一个实施方式的装置的一个实施方式的高级框图；
图2是更详细地示出了可以并入图1所示的微控制器的各种部件的高级框图；
图3是概括由图1的设备在检测剩余电流状态以及与剩余电流状态相关的特定电压相位时所执行的操作的高级流程图。如果图1的设备包括专用的电流计量电路以支持各个AC插座处的电流的测量，则还可以检测一个或更多个AC插座处的剩余电流状态；
图4A是说明由图1的设备在检测剩余电流状态以及特定电压相位时所执行的操作的详细流程图；以及
图4B示出了如果图1的设备包括专用的电流计量电路以支持各个AC插座处的电流的测量时可以由该设备执行的附加操作。
具体实施方式
以下描述在本质上仅为示例性的，并且不旨在限制本公开内容、应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同的或相应的部件和特征。
参照图1，示出了设备10的一个实施方式，设备10形成能够对与由设备10供电的多个机架安装器材(asset)中的任何一个或更多个机架安装器材相关的剩余电流进行监测的智能装备机架电力分配单元。为方便起见，设备10将在全文中简称为“PDU 10”。
PDU 10可以包含下文简称“RCMCT 11”的剩余电流监测电流变换器11，该剩余电流监测电流变换器11可操作地耦接至来自某些上游装置(例如，AC电源、UPS等)的三相AC电源并且感测影响PDU的多个AC插座10a中的任何一个或更多个AC插座10a的剩余电流状态。RCMCT 11的操作及其与PDU 10的其他部件的连接将在以下段落中更详细地描述。
在这个示例中的PDU 10还可以包含通信模块RPC2 12(下文中简称“RPC 12”)，该通信模块RPC2 12可以是安装在PDU 10中的热插拔网卡并且在这个示例中可以是从本公开内容的受让人Vertiv公司获得的RPC2TM网络接口卡。RPC 12可以包括微控制器14，并且优选地还包括非易失性(NV)存储器16。RPC 12还可以包括多个端口，这些端口包括但不限于LAN以太网端口18、扩展/管理端口20、用于耦接至显示模块(例如，从本公开内容的受让人处获得的“BDM”或“基础显示模块”)的端口22、一个或更多个1线传感器端口24、RS-232端口26和USB端口28。
PDU 10还可以包括具有微控制器32和非易失性存储器34的机架PDU控制器(RPDUC)30，以及一个或更多个分支插座控制器(BRC)36。RPDUC 30接收来自RCMCT 11的电流信息。每个BRC 36可以具有：复杂的可编程逻辑器件(CPLD)38，该复杂的可编程逻辑器件(CPLD)38具有感测AC输入电力的损耗的电压和电流感测子系统38a；多个双稳态继电器40；以及感测开路断路器状况的开路断路器(OCB)检测子系统42。RPDUC 30经由总线44与BRC36中的每一个进行双向通信。RPC12经由总线46与RPDUC 30进行双向通信。提供用户经由PDU 10的面板容易地可访问的复位开关48，用于使用户能够启动对PDU的硬复位。
图1还示出了多个分支断路器(CB)50，每个分支断路器50从通过RCMCT 11的载流导体直接地接收AC输入电力。通过“分支”断路器意味着CB 50中的每一个通常与一个特定的BRC 36相关联。OCB检测子系统42监测CB 50以检测任何一个或更多个CB 50何时跳闸到断开状态。并且如上所述，每个BRC 36包括多个双稳态继电器40，在一个特定实施方式中其包括八(8)个双稳态继电器。然而，应当理解的是，可以为每个分支提供更多或更少数目的双稳态继电器40。机械双稳态继电器具有线圈和机械接触件。它们可以是单线圈或双线圈继电器。此外，对于每个BRC 36，可以存在不止一个CB 50。例如，每个BRC 36可以将其双稳态继电器布置成两个子组，其中单独的CB 50与每个子组相关联。如本文所使用的，BRC 36的每个子组是BRC的分支。
图1还示出了多个AC电源插座10a。在这个示例中，每个插座是线中性或线-线配置中的单相位，其中插座的相关相位在制造时被建立并且保存在NV存储器16中。每个插座具有相关的第一光学元件10a1和第二光学元件10a2。光学元件10a1每个都可以是具有第一颜色(例如，绿色)的LED，其指示与其特定AC插座10a相关联的特定双稳态继电器40的状态。例如，第二光学元件10a2组也可以是具有不同颜色(例如，红色)的LED，用于向用户提供另外的信息。例如，绿色LED 10a1中的每一个可以指示与该特定AC插座10a相关联的双稳态继电器40闭合，因此熄灭的绿色LED 10a1指示相关联的双稳态继电器断开。每个AC电源插座10a可以用于为相关机架安装器材(例如，服务器、网络交换机等)供电。
在图2中更详细地示出了RPDUC 30。RPDUC 30的微控制器32可以包括静态随机存取存储器32a(以下简称“SRAM 32a”)和非易失性只读存储器或非易失性随机存取存储器32b(以下简称“NV存储器32b”)。SRAM 32a可以包含多个循环缓冲器32a1以保持电流波形数据样本，而NV存储器32b可以用于存储增益系数32b1和ADC偏差系数32b2。在以下段落中将进一步讨论循环缓冲器32a1、增益系数32b1和ADC系数32b2的使用。并且虽然在这个示例中SRAM 32a和NV存储器32b示出为微控制器32的一部分，但是应当理解的是，它们也可以仅实现为独立的存储器装置。
RPDUC 30包括电压感测子系统52和电流感测子系统54。子系统52和54分别执行实时RMS电压测量和RMS电流测量，从而监测来自AC电源的电力输入。RCMCT 11也与电流感测子系统54通信。三相LED 55a至55c可以并入和/或可操作地耦接至指示AC输入的每个相位的电压和电流状态(包括剩余电流状态)的RPDUC 30。所监测的电力信息可以经由总线44与RPC 12共享。如上面所指出的，每个BRC 36的电压和电流感测子系统38a还监测AC输入电力的损耗，因此在这方面，在RPDUC 30和BRC 36中存在该特征的冗余。RPDUC 30的电流感测子系统54接收来自分支BRC中的每个(为简单起见，在图2中统一用数字36标记)的输入电流信号，电流感测子系统54使用输入电流信号来执行其电流感测功能。每个分支BRC 36还包括多个电流变换器(CT)56，用于独立地测量由与双稳态继电器40的每个分支相关联的AC插座10a汲取的电流。来自每个分支CT 56的信号被输入至电流感测子系统54以供分析。
图1所示的RPC 12管理、监测并且向联网的软件客户端报告关于从RPDUC 30获得的PDU 10的电能计量和电力分配状态的信息。如上所述，RPDUC 30向RPC 12提供对于能量计量测量和计算、控制管理和通信接口的支持。RPDUC 30与每个BRC 36进行通信，并且除了当电力损耗时之外，通过向每个BRC发送命令消息来控制每个BRC的双稳态继电器40以独立地控制其相关联的双稳态继电器40中的每一个。
BRC 36，更具体地其CPLD 38直接控制其双稳态继电器40。BRC 36还通过由电压和电流感测子系统38a的电压感测部分执行的线路频率监测以及使用OCB子系统42检测开路断路器状况来管理各个LED插座操作状态并检测AC输入电力信号的失去。在这个示例中，每个BRC 36的双稳态继电器40需要给双稳态继电器40的线圈标称的16毫秒脉冲以改变状态，即断开或闭合其接触件。在本文中提及的双稳态继电器“断开”表示其接触件断开并且电力在双稳态继电器向其切换电力的插座10a处关闭或中断。如本文所使用的，“上电”、“掉电”、“电力故障”和“电力周期”是指输入的AC线路电压的特定状况，其是通过每个BRC 36的双稳态继电器40提供至插座10a的AC电力。当与双稳态继电器40结合使用时，术语“配置状态”是指当电力接通时给定双稳态继电器被配置为所处的状态(即，断开或闭合)。就本公开内容的目的而言，可以理解的是，术语“配置状态”是指双稳态继电器40在PDU 10上电后具有闭合的接触件以便在AC插座10a处通电。
RPC 12经由SMBus(I2C)通信总线(在这个示例中为图1的总线46)命令RPDUC 30，RPDUC 30又经由SPI通信总线(在这个示例中为总线44)命令BRC 36，以对每个双稳态继电器40的继电器状态进行配置。RPDUC 30能够在没有RPC 12命令的情况下自主实施。一个或更多个BRC 36均能够在没有RPDUC 30命令的情况下自主实施。
PDU 10及其操作方法通过结合统计分析显著地扩展了用于测量剩余电流的传统系统和方法的能力。统计分析被用于推断AC输入电压的哪个电压相位受剩余电流的路径的影响。如果PDU 10为每个插座10a(图1)配备有专用的电流计量电路，则也可以使用统计分析来推断PDU 10的AC插座10a中的哪一个受剩余电流的路径的影响。以这种方式，可以快速地检测连接至PDU 10的AC插座10a的多个机架器材中的哪一个是引起剩余电流的故障装置，以便可以将故障装置与PDU快速地断开。这使得在PDU 10上操作的其余正常工作的装置能够继续它们的操作，而无需为了识别出问题装置使耦接至PDU的正常工作的装置中的每一个单独地掉电。
参照图3，示出了提供由PDU 10在执行与AC输入电压的任何电压相位相关联以及与PDU 10的任何AC插座10a相关联的剩余电流的检测时可以执行的操作的高级概要的流程图300。图3还提供了为了执行高级操作中的每一个而可以执行的离散操作的列表，所述列表将在下面参照图4进行讨论。应注意，流程图300中所示的操作可以由PDU 10的RPDUC30的微控制器32执行，但是为方便起见，下文将说明可以由PDU 10或由微控制器32执行的操作。
作为图3所示的各种操作的概述，将理解的是，PDU 10检测剩余电流路径流动的电压相位。如果PDU 10支持在插座处进行单独的电流测量，则PDU 10还检测剩余电流路径所流经的AC插座10a。PDU 10通过使用统计时间序列分析连同皮尔逊相关系数计算来实现这一点，以依次测量每个相位的离散采样剩余电流波形与所计算的每个相位的AC插座10a离散采样电流波形的集合之间的线性相关性。每相位的集合可以根据专用于一组相同相位的插座的单个传感器或由每个插座的多个传感器的电流测量得到。皮尔逊相关系数是比较值的协方差除以其标准差的乘积。可以精确测量/检测低至1mA的剩余电流及其相关电压相源。根据该信息，可以可靠地确定剩余电流流出哪个AC插座10a。对存在的剩余电流进行不断地测量和实时监测。如果PDU 10的每个插座配备有专用的电流计量电路，当超过剩余电流阈值水平时，则可以发出声音警报、可以发送事件通知并且可以在相位LED 55a-55c和/或与智能电源板的插座相对应的LED上使相关相位的视觉指示器闪烁直至剩余电流路径消除或警报阈值增加。
进一步参照图3，PDU 10所采用的方法可以从操作302开始，使用模数转换(ADC)和剩余电流波形样本和插座电流波形样本的时间序列集。这是借助于将在下面讨论的离散操作106来完成的。在操作304处，可以借助于离散操作108、110、112、114、116、118、120、140、142、144、146、148、150和184来计算剩余电流的均方根(RMS)值。在操作306处，可以计算单个插座的电流和总插座(相位)电流。这可以借助于离散操作122、124、126、128、130、132、134、136、140和184来实现。在操作308处，可以执行离散操作180、182和152，以计算与剩余电流和相电流有关的变量的皮尔逊相关系数。在操作310处，与RC和单个插座电流有关的变量的皮尔逊相关系数可以借助于离散操作154、182和156来计算。应注意的是，操作310支持同相和高达15度的正交相移以及递增相移二者。在操作312处，当RC RMS超过RC RMS阈值时计算具有最大正皮尔逊相关性的相位；这是通过离散操作158完成的。如果PDU 10为每个插座10a配备有专用的电流计量电路，那么当RC RMS超过RC RMS阈值时可以执行操作314以确定具有最大正皮尔逊相关性的插座。这是以离散操作160、162、163、164、166、168、170、172、174、176和178的顺序来完成的。
参照图4A，示出了说明由PDU 10在执行与AC输入电压的任何电压相位相关联以及与PDU 10的AC插座10a相关的任何电压相位相关联的剩余电流的检测时可以执行的各种离散操作的流程图100。应注意的是，流程图100中所示的操作可以由PDU 10的RPDUC 30的微控制器32执行，但是为方便起见，下文将说明的是操作可以由PDU 10或由微控制器32执行。
进一步参照图4A，由PDU 10采用的方法可以从操作102处开始，其中将相位分析变量α(正交相位)和
Figure BDA0002120329840000082
(递增相位)初始化为零，并且在操作104处可以预先计算ADC偏差Kr和Ko。在后续的操作中，正交相位可以交替地分配为0°和90°。递增相位
Figure BDA0002120329840000083
具有的单位大小取决于每线周期捕获的等间距ADC样本的数目(例如，如果每线周期捕获64个样本，则递增相位的单位等于360°/64或大约5.6度)。ADC偏差Kr(对于剩余电流ADC通道)和Ko(对于每个插座电流通道)是预先计算的时间延迟，表示逐个捕获的连续样本之间的增量时间；如果每个样本持续时间为约n微秒，那么对于m个插座电流，在(m-1)*n微秒之后捕获最后一个样本。偏差调整使用线性外推来估计外推的归一化电流波形样本，就好像所有m个插座电流都是由微处理器32同时采样的一样。在操作106处，可以收集在AC电力线周期上接收的经采样的电流波形的时间序列。
在操作108处，根据下面的等式1对用于RCM电流波形样本的Sr循环缓冲器32a1的起始指数n进行初始化。
Figure BDA0002120329840000081
N←n+srsize
在操作110处，可以对sr缓冲指数(n<N)进行测试以确定何时时间序列已经被完全处理。如果测试产生“是”的回应，那么在操作112处，剩余电流样本通过其指数加权移动平均值进行滤波并且根据以下等式2被复制至缓冲器ir中。β1的值(在这个示例中为0.05)取决于采样率(在这个示例中，控制器每线周期采样64次)，并且针对1ma的精度提供可接受的平滑特性，同时保持对变化状态的响应。
sr[n]←sr[n]+β1＊(sr[n]-sr[n-1]) 等式2
ir′＝Sr[n]，ir″＝sr[n-1]
在操作114处，如以下等式3所示，针对ir、ADC偏差、平均值和增益，计算消除制造时确定的电子和信号偏移并且应用校准标度的校正。
ir＝Gr＊(ir′-Kr/(ir′-ir″)-irμ) 等式3
在操作116处，如以下等式4所示，可以确定剩余电流样本的最小/最大峰值。可以保存这些数据以在以后确定电流波形的半波对称性(即全波或半波特性)。
ir∧←ir∧＞ir′∧ 等式4
ir∨←ir∨＜ir′∨
在操作118处，微控制器32可以根据以下等式5计算剩余电流样本积分。由于在半波对称周期波形的线周期上期望零值积分，因此操作118能够精确校正由于小的测量不精确而引起的漂移偏移误差。
ir∑＝Σir 等式5
在操作120处，根据以下等式6，可以根据其检测到的全波或半波特性来使用偏移对剩余电流样本进行校正。如果是全波，则在操作120处不会发生总偏移调整。如果是半波，则进行总偏移调整以将剩余电流波形的平基线重新定位在数学零偏移位置以便进行真实的RMS计算。
Ir←ir+irΔ 等式6
在操作122处，微控制器32可以对输出电流波形样本的io缓冲器的起始指数进行初始化(m＝0)，其中M是与AC插座10a相关的电流传感器的数目。如果PDU 10支持单独的插座监测，则M＝AC插座的数目(即图1中的AC插座10a的数目)。如果PDU 10不支持单独的插座监测，则每套或每组插座仅单个电流传感器是可用的，并且M＝每相位的插座的组的数目。
在操作124处，微控制器32则可以测试io缓冲器指数(m＜M)以检查是否需要处理另一AC插座电流样本。如果该测试产生“是”的回应，则执行操作126，其中根据以下等式7对AC插座电流样本进行滤波并且将AC插座电流样本复制至缓冲器io中。
so[n]←so[n]+β1＊(So[n]-so[n-1]) 等式7
io′＝so[n]，io″＝so[n-1]
在操作128处，微控制器32可以根据以下等式8对io[m]ADC偏差、平均值和增益进行校正。
Io[m]＝Go＊(io′-Ko[m]/(io′-io″)-ioμ[m]) 等式8
在操作130处，微控制器32可以通过将相同相位的M个插座电流波形样本中的每一个集合来为AC输入中的每个相位(在这个示例中为相位L1、L2和L3)计算相电流(在这个示例中为IL1、IL2和IL3)。根据如下所示等式9执行该操作。
Figure BDA0002120329840000101
Figure BDA0002120329840000102
Figure BDA0002120329840000103
在操作132处，微控制器32可以根据以下等式10计算插座电流样本积分。由于在半波对称周期波形的线周期上期待零值积分，因此该操作能够精确校正由于小的测量不精确而引起的漂移偏移误差。
io∑[m]＝∑io[m] 等式10
在操作134处，微控制器32则可以使用来自操作120的经校正的剩余电流值计算插座电流样本的皮尔逊的项(term)。根据以下等式11执行该操作。
ΣIr＊Io[m]，Σio 2[m] 等式11
在操作136处，插座指数递增(m←m+1)，然后可以重新执行从124开始的操作。
如果在操作124处的io缓冲器指数测试产生“否”的回应，这意味着所有的输出电流样本都已经被处理，并且微控制器32则可以执行操作180，其中微控制器根据以下等式12计算相电流样本的皮尔逊的项。
∑Ir＊IL1，∑IL1 2 等式12
∑Ir＊IL2，∑IL2 2
∑Ir＊IL3，∑IL3 2
在操作182处，微控制器32可以计算剩余电流样本(∑lr 2)的皮尔逊的项。然后，在操作184处可以使样本指数(n←n+1)递增，并且可以重复操作110，并且然后可以重新执行从110开始的操作。
如果在操作110处进行的sr缓冲器指数测试(n＜N)产生“否”的回应，那么在操作138处，时间序列已经被完全处理，并且微控制器32可以根据以下等式13计算RMS剩余电流。
IrRMS＝√(∑Ir 2/(N-n)) 等式13
然后，如操作140所示，根据以下等式14，微控制器32则可以根据在操作118和132中计算的加权样本积分计算剩余电流样本和插座电流样本的滑动平均值。
irμ+＝β2＊ir∑ 等式14
Ioμ[m]+＝β2＊io∑[m]
然后，如操作142所示，微控制器32则可以对半波/全波偏移进行初始化(irΔ＝0)，并且然后根据以下等式15通过半波对称性的幅度比较来对操作144处的正半波剩余电流执行测试。
(|ir∨-irμ|)＞β3＊(|ir∧-irμ|) 等式15
如果在操作144处的测试产生“是”的回应，那么在操作146处微控制器32根据以下等式16来计算正偏移。
irΔ＝+(|ir∧-irμ|) 等式16
如果在操作144处的测试产生“否”的回应，或者如果已经执行了操作146，那么在操作148处微控制器32根据等式17来测试负半波剩余电流。
(|ir∧|-irμ)＞β3＊(|ir∨-irμ|) 等式17
如果在操作148处的测试产生“是”的回应，那么在操作150处微控制器32根据以下等式18来计算负偏移。
irΔ＝-(|ir∨-irμ|) 等式18
如果操作148产生“否”的回应或者如果已经执行了操作150，那么在操作152处，微控制器32根据以下等式19来计算与剩余相电流和同相相电流有关的变量的皮尔逊相关系数。
Figure BDA0002120329840000121
Figure BDA0002120329840000122
Figure BDA0002120329840000123
在操作154处，微控制器32根据以下等式20来计算与剩余电流以及同相和正交相插座电流有关的变量的皮尔逊相关系数。
Figure BDA0002120329840000124
Figure BDA0002120329840000125
在操作156处，微控制器32根据以下等式21依据等式20的结果计算RMS皮尔逊相关系数。
roRMS＝√((roφ0)2+(roφ1)2) 等式21
在操作158处，微控制器32对相电流的皮尔逊相关系数进行排序(例如，rLv＝rL1＞rL2＞rL3)以确定最大正皮尔逊相关系数值(rLmax)。
如果PDU 10不支持单个AC插座的电流的测量，则在操作178A处，微控制器32报告剩余电流RMS(IrRMS)以及具有最大皮尔逊相关系数(rLV)的相位。然后可以重复操作108和110。
参照图4B，将理解的是，只有在PDU 10包括专用的电流计量电路以支持单个AC插座的电流的测量时，才能执行从160至178B的顺序操作。如果是这种情况，则在图4B中，在操作160处，微控制器32则对插座电流的皮尔逊相关系数进行排序(例如，rov＝roRMS(1)＞roRMS(2)......＞roRMS(m))以确定最大正皮尔逊相关系数值(romx)。
在操作162处，微控制器32对剩余电流阈值(IrRMS＞Irthres)执行测试。如果该测试产生“是”的回应，表明已经超过剩余电流阈值，则在操作163处对正交相位变量α的值(α＝1)针对四分之一周期的存在或正交相位偏移进行测试。如果该测试产生“是”的回应，则在操作164处，微控制器32对最大递增相移角
Figure BDA0002120329840000126
进行测试，以确定递增相移角是否已达到15°。这样做是为了在电阻故障具有产生剩余电流波形相对于插座电流波形的相应递增相移的较小的并联杂散电容的情况下，在很小的范围内评估最大皮尔逊相关系数。插座负载之间的小电力因数差异将导致更大、更具辨别力的最大相关性，以及因此导致更可靠的插座检测。如果该测试产生“否”的回应，那么在操作166处，微控制器32测试以确定是否已经超过最大插座相关性(rov>rov')。如果在操作166处的测试产生“是”的回应，那么在操作168处，微控制器32保存新的最大插座相关性及其相移(
Figure BDA0002120329840000131
和rov'←rov)。在操作168之后，或者如果在操作166处的测试产生“否”的回应，那么在操作170处，微控制器32使相移
Figure BDA0002120329840000132
递增。
如果操作162处的剩余电流阈值测试产生“否”的回应，那么在操作172处，微控制器32重置相移最大相关性(
Figure BDA0002120329840000133
和rov'＝0)。一旦操作170或172中的任何一个被执行，或者如果在操作163处的测试产生“否”的回应，那么在操作174处，微控制器32可以计算交替的同相和正交相移(α←(α+1)mod 1)。插座电流波形可以具有非线性正弦特性和/或针对无功负载相移，产生非同式电力因数。因此，考虑到最大皮尔逊相关系数测试中的同相和正交计算，获得更大的辨别结果。在执行操作174之后，可以重复操作108和110。
如果在操作164处对于最大递增相移角的测试产生“是”的回应，那么在操作176处，微控制器32设置递增的相移
Figure BDA0002120329840000134
并且然后在操作178B处报告剩余电流RMS(IrRMS)、具有最大皮尔逊相关系数的插座(rov)和具有最大皮尔逊相关系数的相位(rLv)。然后可以重复操作108和110。
如本文所述，PDU 10及其操作方法不需要每个相位和/或插座专用的高成本的电路来直接地测量剩余电流。PDU 10及其操作方法的特别重要和有用的特性是比较值的尺度或大小是不变的。在-1和+1之间对一组相关值进行计算，其中最接近+1的值意指线性相关性以及相位匹配是最高的，并且因此是剩余电流的最可能路径。可以准确测量低至1mA的剩余电流并且可以可靠地确定其相关电压相源和流经的插座。
与仅可以测量剩余电流状态的现有技术方法相比，本公开内容的各种实施方式提供了显著的优点。例如，Vertiv的MPH2机架PDU控制器固件可以用于支持本文所述的方法。
与直接地测量每个相位和/或插座处的差动电流相比，本公开内容的各种实施方式和方法呈现了较低成本的解决方案。本公开内容的各种实施方式和方法提供了经比较的电流波形之间的0.5％的电力因数的小相位差的高度敏感检测。本公开内容的方法自动地辨别单元外部的最可能的剩余电流路径，因此可以快速地移除引起故障的供电装置，以减少停机时间并且降低相关成本，而不需要通过试错法手动地识别剩余电流路径。
PDU 10的各种实施方式及其操作方法通过获得关于与正在使用的电缆相关联的绝缘系统的健康的附加间接信息的能力进一步利于预防性维护程序，并且因此可以有助于防止所有类型的电动装置的意外停机时间。PDU 10及其操作方法通过其快速地检测剩余电流并且识别与这些电流相关联的特定AC插座的能力还可以为使用本公开内容的设施提供防火措施。
尽管已经描述了各种实施方式，但是本领域的技术人员将认识到可以在不背离本公开内容的情况下做出修改或变型。示例说明了各种实施方式且并非意在限制本公开内容。因此，说明书和权利要求书应当被自由地解释为仅具有以就相关现有技术而言必要的限制。

Claims (19)

1.一种与智能装备机架电力分配单元一起使用的、用于检测流经所述智能装备机架电力分配单元的剩余电流的方法，以帮助识别在从所述智能装备机架电力分配单元对装置进行供电的情况下存在的故障，其中，所述智能装备机架电力分配单元具有与所述装置连接的至少一个交流AC电源插座，所述方法包括：
获取电流感测信息；
执行所述电流感测信息的模数转换ADC，以获得ADC样本；
获得所述ADC样本的集合作为剩余电流波形样本和负载电流波形样本；
使用微控制器执行操作，所述操作包括：
针对所获得的剩余电流波形样本计算剩余电流RMS值；
根据具有相同相位的负载电流波形样本的集合来计算相电流；
计算与剩余电流波形样本有关的变量和与相电流有关的变量的皮尔逊相关系数；
计算与来自每个AC电源插座的剩余电流波形样本有关的变量和与来自每个AC电源插座的单个负载电流波形样本有关的变量的皮尔逊相关系数；
当所述剩余电流RMS值大于预定的剩余电流RMS阈值时，确定具有最大正皮尔逊相关性的相位；以及
当所述剩余电流RMS值大于预定的剩余电流RMS阈值时，确定AC电源插座中的具有最大正皮尔逊相关性的单个AC电源插座，从而帮助识别导致故障的装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算剩余电流RMS值包括：对剩余电流波形样本进行滤波并且将其复制至循环存储器缓冲器中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述剩余电流RMS值还包括：根据如下等式通过指数加权的移动平均对所述剩余电流波形样本进行滤波：
sr[n]←sr[n]+β1*(sr[n]-sr[n-1])
ir′＝sr[n]，ir″＝sr[n-1]
其中，sr是所述循环存储器缓冲器；n是缓冲器指数，以及β1是取决于由所述微控制器通过每个AC线周期采集多个样本而采样的剩余电流的采样率的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，计算剩余电流RMS值包括：确定用于剩余电流ADC通道ADC kr和插座电流通道ADC ko的模数转换ADC偏差的校正，其中，ADC kr偏差和ADC ko偏差是表示针对剩余电流ADC通道和ADC插座电流通道中的每一个逐个捕获的连续样本之间的增量时间的、预先计算的时间延迟。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，根据具有相同相位的负载电流波形样本的集合来计算相电流包括：计算插座电流样本。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，计算剩余电流RMS值包括：计算剩余电流样本积分以消除由于测量不精确引起的误差。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：使用偏移来校正所获得的剩余电流波形样本中的每一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，计算与来自每个AC电源插座的剩余电流波形样本有关的变量和与来自每个AC电源插座的单个负载电流波形样本有关的变量的皮尔逊相关系数包括：计算与剩余电流波形样本有关的变量和与同相或正交相的负载电流波形样本有关的变量的皮尔逊相关系数。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：使用所述微控制器来对相电流样本和单个负载电流样本的皮尔逊相关系数进行排序，以便确定最大正皮尔逊相关性。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，计算剩余电流RMS值包括：
1)通过半波对称性的幅度比较来测试正半波剩余电流，并且当所述测试产生正回应时，然后计算正偏移；并且
2)通过半波对称性的幅度比较来测试负半波剩余电流，并且当这个测试产生正回应时，然后计算负偏移。
11.一种与智能装备机架电力分配单元一起使用的、用于检测流经所述智能装备机架电力分配单元的剩余电流的方法，以帮助识别在从所述智能装备机架电力分配单元对装置进行供电的情况下存在的故障，其中，所述智能装备机架电力分配单元具有与所述装置连接的至少一个交流AC电源插座，所述方法包括：
获取电流感测信息；
执行所述电流感测信息的模数ADC转换，以获得ADC样本；
将所述ADC样本的时间序列集作为剩余电流波形样本和插座电流波形样本进行管理；
使用微控制器执行操作，所述操作包括：
针对所获得的剩余电流波形样本和插座电流波形样本计算剩余电流RMS值；
如果检测到所述剩余电流波形样本中的任何一个具有半波特性，则在进行RMS值计算之前通过实施总偏移调整而使用偏移来校正该剩余电流波形样本；
计算剩余电流波形样本和插座电流波形样本二者的模数ADC偏差、增益和平均值；
根据具有相同相位的插座电流波形样本的集合来计算相电流；
计算所述插座电流波形样本的皮尔逊相关系数；
计算与剩余电流波形样本有关的变量和与所述插座电流波形样本有关的变量的皮尔逊相关系数；
计算与来自每个AC电源插座的剩余电流波形样本有关的变量和与来自每个AC电源插座的单个插座电流波形样本有关的变量的皮尔逊相关系数；
当所述剩余电流RMS值大于预定的剩余电流RMS阈值时，计算具有最大正皮尔逊相关性的相位；以及
当所述剩余电流RMS值大于预定的剩余电流RMS阈值时，确定AC电源插座中具有最大正皮尔逊相关性的单个AC电源插座，从而帮助识别导致故障的装置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，计算所述剩余电流RMS值包括：保存剩余电流样本最小/最大峰值。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：计算剩余电流样本积分，并且使用偏移值校正所述剩余电流样本积分以消除由于测量不精确而引起的误差。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，根据具有相同相位的插座电流波形样本的集合来计算相电流还包括：使用微控制器来计算插座电流样本积分。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，计算所获得的剩余电流波形样本的剩余电流RMS值包括：通过半波对称性的幅度比较来测试正半波剩余电流波形样本，并且当所述测试产生正回应时，然后计算所述剩余电流波形样本的正偏移。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，计算所获得的剩余电流波形样本的剩余电流RMS值包括：通过半波对称性的幅度比较来测试负半波剩余电流波形样本，并且当这个测试产生正回应时，然后计算剩余电流波形样本的负偏移。
17.一种用于检测剩余电流的系统，所述剩余电流流经具有至少一个交流AC电源插座的智能电源板，所述系统包括：
微控制器；
循环缓冲器，其用于存储由所述微控制器测量的测量剩余电流样本；
插座电流缓冲器，其用于存储由所述微控制器测量的插座电流样本；
剩余电流监测子系统，其用于监测剩余电流流动；
所述微控制器被配置成：
使用剩余电流监测子系统对电流感测信息执行模数ADC转换，以获得ADC样本；
将所述ADC样本的时间序列集作为剩余电流波形样本和插座电流波形样本进行管理，并且将所述剩余电流波形样本保存在所述循环缓冲器中，并且将所述插座电流波形样本保存在所述插座电流缓冲器中；
针对所获得的剩余电流波形样本计算剩余电流RMS值；
根据具有相同相位的插座电流波形样本的集合来计算相电流；
计算与剩余电流波形样本有关的变量和与所述相电流有关的变量的皮尔逊相关系数；
计算与来自每个AC电源插座的剩余电流波形样本有关的变量和与来自每个AC电源插座的每个单个插座电流波形有关的变量的皮尔逊相关系数；
当所述剩余电流RMS值大于预定的剩余电流RMS阈值时，确定具有最大正皮尔逊相关性的相位；并且
当所述剩余电流RMS值大于所述预定的剩余电流RMS阈值时，确定AC电源插座中的具有最大正皮尔逊相关性的单个AC电源插座。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述微控制器还被配置成：计算与所述剩余电流波形样本有关的变量和与所述插座电流波形样本中的同相或正交相的部分有关的变量的皮尔逊相关系数。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，在计算所述剩余电流RMS值中的每一个时，所述微控制器被配置成通过指数加权的移动平均来对所述剩余电流RMS值进行滤波。
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