CN110691976B - 远供电源模块、直流电力系统和直流电力系统故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种远供电源模块(1)，用于为直流电力系统(4)中的远供电力接收器(2)提供直流电。一种剩余电流保护电路(12)包括打开正电压轨(16a)的第一开关(13a)和打开负电压轨(16b)的第二开关(13b)。第一电流传感器(14a)在所述第一开关(13a)闭合且所述第二开关(13b)断开时测量所述第一开关(13a)与所述远供电力接收器(2)之间的第一剩余电流。第二电流传感器(14b)在所述第二开关(13b)闭合且所述第一开关(13a)断开时测量所述第二开关(13b)与所述远供电力接收器(2)之间的第二剩余电流。控制器(15)在所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流高于剩余电流阈值时检测剩余电流事件。

Description

远供电源模块、直流电力系统和直流电力系统故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种包括远供电源模块和远供电力接收器的高压直流(highervoltage direct current，HVDC)电力系统。另外，本发明涉及一种直流电力系统故障检测方法。
背景技术
近年来，直流电力系统的电压有不断升高的趋势。电压已经从相对安全的–48VDC转变到数百伏。这导致了严重的电击危险，需要进行补救。同时，需要提高这种电力系统的可用性。因此，故障检测不应过度敏感，以免不必要地降低系统可用性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种远供电源模块、一种直流电力系统和一种直流电力系统故障检测方法，可以在有效防止电击危险的同时实现高系统可用性。
根据本发明第一方面，提供了一种远供电源模块，用于为直流电力系统，尤其是HVDC电力系统，中的远供电力接收器提供直流电。所述远供电源模块包括剩余电流保护电路，所述剩余电流保护电路又包括：电源接口，用于从电源接收直流电；直流接口，用于通过正电压线和负电压线将所述远供电源模块连接到所述远供电力接收器；以及第一开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的正电压轨。此外，所述剩余电流保护电路包括第二开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的负电压轨。另外，所述剩余电流保护电路包括：第一电流传感器，用于在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时测量所述第一开关与所述直流接口之间的第一剩余电流；以及第二电流传感器，用于在所述第二开关闭合且所述第一开关断开时测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流。此外，所述剩余电流保护电路包括控制器，用于在所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流高于剩余电流阈值时检测剩余电流事件。由此，可以很容易地检测所述电压轨中的一个与地面之间是否存在不需要的导电连接，例如其形式为用户触摸火线。换言之，能够更有效地进行剩余电流检测，从而更有效地防止电击危险。
根据所述第一方面的第一实施例，所述控制器用于以周期性并交替的方式控制所述第一开关和所述第二开关的运行。由此，可以在短时间内检测出两个电压轨上的故障。
根据所述第一方面的第二实施例或所述第一方面的所述第一实施例，所述控制器用于周期性并交替地闭合所述第一开关和所述第二开关、断开所述第一开关并闭合所述第二开关，和/或闭合所述第一开关并断开所述第二开关。由此，在以下两种情况之间切换：所述第一开关和所述第二开关均闭合的正常运行，以及在所述第一开关断开且所述第二开关闭合和/或所述第一开关闭合且所述第二开关断开时交替测量所述剩余电流。
根据所述第一方面的第三实施形式，所述控制器用于将所述第一开关的断开时间和/或所述第二开关的断开时间设置为1ms至100ms，优选地5ms至20ms，最优选地10ms，和/或将所述第一开关的闭合时间和/或所述第二开关的闭合时间设置为10ms至1000ms，优选地50ms至200ms，最优选地100ms。由此，可以非常快速地检测故障，同时将系统的故障时间减到最短。
根据所述第一方面的第四实施形式，所述控制器用于：如果检测到剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了安全性，因为当两个开关都断开时，不再有电流流动，防止了任何电击危险。
根据所述第一方面的第五实施形式，所述控制器用于：如果检测到至少两个连续的剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了系统可用性，因为导致错误地检测到剩余电流事件的单个故障不会使系统运行中断。
根据所述第一方面的第六实施形式，所述远供电源模块包括绝缘监测器，用于检测所述正电压轨和/或所述负电压轨是否存在绝缘缺陷。这进一步显著提高了安全性。
根据所述第一方面的所述第六实施形式的第一实施形式，所述剩余电流保护电路用于仅在所述绝缘监测器已检测到所述正电压轨和/或所述负电压轨存在绝缘缺陷时运行。在这种情况下，当所述剩余电流保护电路未运行时，闭合所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了系统可用性，因为如果没有绝缘缺陷就无需检查剩余电流事件。
根据所述第一方面的第七实施形式，所述第一开关和所述第二开关是晶体管。这样可以非常简单地实施所述远供电源模块。
根据所述第一方面的第八实施形式，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器是分路电流传感器或磁性电流传感器。这也可以非常简单地实施所述远供电源模块。
根据所述第一方面的第九实施形式，所述远供电源模块包括电源，用于通过所述直流接口为所述远供电源模块提供直流电。这使得所述远供电源模块的构造很简单。
根据本发明第二方面，提供了一种直流电力系统。所述直流电力系统包括上述远供电源模块和至少一个远供电力接收器。这一系统可以有效地防止电击危险，同时实现高系统可用性。
根据所述第二方面的第一实施形式，所述远供电力接收器通过正电压线和负电压线连接到所述远供电源模块。这使得所述远供电源模块与所述远供电力接收器非常简单地连接。
根据所述第二方面的第二实施形式，所述远供电力接收器包括储能器，用于：当第一开关和第二开关闭合且电力从所述远供电源模块传输到所述远供电力接收器时，存储电能；以及当所述第一开关或所述第二开关断开且没有电力从所述远供电源模块传输到所述远供电力接收器时，提供所述存储的电能。这允许所述远供电力接收器持续运行，即使是在为了检测剩余电流事件而断开所述第一开关和/或所述第二开关的短暂时刻。
根据本发明第三方面，提供了一种直流电力系统故障检测方法。远供电力系统的远供电源模块为直流电力系统的远供电力接收器提供直流电。所述方法包括：通过电源产生直流电；接通布置在所述远供电源模块的正电压轨内的第一开关，并接通布置在所述远供电源模块的负电压轨内的第二开关；切断所述第一开关；测量所述第一开关与所述远供电源模块的直流接口之间的第一剩余电流，并测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；确定所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流是否超过剩余电流阈值；如果所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流超过剩余电流阈值，则确定剩余电流事件；接通所述第一开关和所述第二开关；切断所述第二开关；测量所述第一开关与所述远供电源模块的直流接口之间的第一剩余电流，并测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；确定所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流是否超过剩余电流阈值；如果所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流超过剩余电流阈值，则确定剩余电流事件；如果检测到至少两个剩余电流事件，则切断所述第一开关和所述第二开关。
由此，可以很容易地检测所述电压轨中的一个与地面之间是否存在不需要的导电连接，例如其形式为用户触摸火线。
根据所述第三方面的第一实施形式，控制器控制所述第一开关和所述第二开关以周期性并交替的方式所作的运行。由此，可以在短时间内检测出两个电压轨上的故障。
根据所述第三方面的第二实施形式，以下操作周期性并交替地进行：
-闭合所述第一开关和所述第二开关，
-断开所述第一开关并闭合所述第二开关，和/或
-闭合所述第一开关并断开所述第二开关。
由此，在以下两种情况之间切换：所述第一开关和所述第二开关均闭合的正常运行，以及在所述第一开关断开且所述第二开关闭合和/或所述第一开关闭合且所述第二开关断开时交替测量所述剩余电流。
根据所述第三方面的第三实施形式，所述第一开关的断开时间和/或所述第二开关的断开时间设置为1ms至100ms，优选地5ms至20ms，最优选地10ms。此外或者替代性地，所述第一开关的闭合时间和/或所述第二开关的闭合时间设置为10ms至1000ms，优选地50ms至200ms，最优选地100ms。由此，可以非常快速地检测故障，同时将系统的故障时间减到最短。
根据所述第三方面的第四实施形式，如果检测到剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了安全性，因为当两个开关都断开时，不再有电流流动，防止了任何电击危险。
根据所述第三方面的第五实施形式，如果检测到至少两个连续剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了系统可用性，因为导致错误地检测到剩余电流事件的单个故障不会使系统运行中断。
根据所述第一方面的第六实施形式，绝缘监测器检测所述正电压轨和/或所述负电压轨是否存在绝缘缺陷。这进一步显著提高了安全性。
根据所述第三方面的所述第六实施形式的第一实施形式，仅在所述绝缘监测器已检测到所述正电压轨和/或所述负电压轨存在绝缘缺陷时，所述电流保护电路才运行。当所述剩余电流保护电路未运行时，闭合所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了系统可用性，因为如果没有绝缘缺陷就无需检查剩余电流事件。
根据本发明第四方面，提供了一种在为远供电力接收器提供直流电的远供电源模块中使用的剩余电流保护电路。所述剩余电流保护电路包括：电源接口，用于从电源接收直流电；直流接口，用于通过正电压线和负电压线将所述远供电源模块连接到所述远供电力接收器；第一开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的正电压轨；第二开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的负电压轨；第一电流传感器，用于在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时测量所述第一开关与所述直流接口之间的第一剩余电流；第二电流传感器，用于在所述第二开关闭合且所述第一开关断开时测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；以及控制器，用于在所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流高于剩余电流阈值时检测剩余电流事件。
根据所述第四方面的第一实施例，所述控制器用于以周期性并交替的方式控制所述第一开关和所述第二开关的运行。由此，可以在短时间内检测出两个电压轨上的故障。
根据所述第四方面的第二实施例或所述第一方面的所述第一实施例，所述控制器用于周期性并交替地闭合所述第一开关和所述第二开关、断开所述第一开关并闭合所述第二开关，和/或闭合所述第一开关并断开所述第二开关。由此，在以下两种情况之间切换：所述第一开关和所述第二开关均闭合的正常运行，以及在所述第一开关断开且所述第二开关闭合和/或所述第一开关闭合且所述第二开关断开时交替测量所述剩余电流。
根据所述第四方面的第三实施形式，所述控制器用于将所述第一开关的断开时间和/或所述第二开关的断开时间设置为1ms至100ms，优选地5ms至20ms，最优选地10ms，和/或将所述第一开关的闭合时间和/或所述第二开关的闭合时间设置为10ms至1000ms，优选地50ms至200ms，最优选地100ms。由此，可以非常快速地检测故障，同时将系统的故障时间减到最短。
根据所述第四方面的第四实施形式，所述控制器用于：如果检测到剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了安全性，因为当两个开关都断开时，不再有电流流动，防止了任何电击危险。
根据所述第四方面的第五实施形式，所述控制器用于：如果检测到至少两个连续的剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。这显著提高了系统可用性，因为导致错误地检测到剩余电流事件的单个故障不会使系统运行中断。
根据所述第四方面的第六实施形式，所述第一开关和所述第二开关是晶体管。这样可以非常简单地实施所述远供电源模块。
根据所述第四方面的第七实施形式，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器是分路电流传感器或磁性电流传感器。这也可以非常简单地实施所述远供电源模块。
一般而言，须注意的是，本申请所述的所有配置、设备、元件、单元和构件等都可以通过软件或硬件元件或其任何种类的组合来实施。此外，设备可以是处理器或者可以包括处理器，其中，本申请所述的元件、单元和构件的功能可以在一个或多个处理器中实施。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和描述为将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。即使在以下描述或特定实施例中，将由一般实体执行的特定功能或步骤未在执行该特定步骤或功能的实体的特定详细元件的描述中反映，但是本领域技术人员应了解，这些方法和功能可以通过软件或硬件元件或者其任何种类的组合来实施。
附图说明
下文相对于本发明的实施例且参考附图详细阐述本发明，在附图中：
图1示出了示例性直流电力系统的一般设置。
图2示出了发生直接接触故障的示例性直流电力系统。
图3示出了发生间接接触故障的示例性直流电力系统。
图4示出了存在绝缘缺陷的示例性直流电力系统。
图5示出了存在绝缘缺陷且发生直接接触故障的示例性直流电力系统。
图6示出了存在绝缘缺陷且发生间接接触故障的示例性直流电力系统。
图7示出了存在绝缘缺陷且发生直接接触故障的包括剩余电流检测器的示例性直流电力系统。
图8示出了存在绝缘缺陷且发生间接接触故障的包括剩余电流检测器的示例性直流电力系统。
图9以框图示出了根据本发明第二方面的直流电力系统的第一实施例和本发明第一方面的远供电源模块的第一实施例。
图10以框图示出了根据本发明第二方面的直流电力系统的第二实施例和本发明第一方面的远供电源模块的第二实施例。
图11示出了本发明第一方面的远供电源模块的第三实施例中第一开关和第二开关在正常运行期间的开关时间。
图12示出了正常运行期间在本发明第一方面的远供电源模块的第四实施例中测量的电流。
图13示出了本发明第一方面的远供电源模块的第五实施例的第一开关和第二开关在故障运行期间的开关时间。
图14示出了故障运行期间在本发明第一方面的远供电源模块的第六实施例中测量的电流。
图15示出了另一故障运行期间在本发明第一方面的远供电源模块的第七实施例中测量的电流。
图16以流程图示出了根据本发明第三方面的直流电力系统故障检测方法的第一实施例。
图17以流程图示出了根据本发明第三方面的直流电力系统故障检测方法的第二实施例。
图18以流程图示出了根据本发明第三方面的直流电力系统故障检测方法的第三实施例。
具体实施方式
首先，我们通过图1展示了直流电力系统的一般结构。结合图2至图6描述了常规直流电力系统中的不同故障场景。结合图7和图8示出了剩余电流检测器的运行。通过图8至图10详细描述了根据本发明第二方面的直流电力系统和根据本发明第一方面的远供电源模块的结构和功能(工作原理)。结合图11至图15，通过本发明第二方面的直流电力系统和本发明第一方面的远供电源模块的实施例中出现的若干不同信号，进一步详细说明了功能。最后，通过图16至图18详细展示了直流电力系统故障检测方法的不同实施例的功能。已经部分省略了不同附图中的相似实体和参考编号。
以下展示了本文档中使用的一些关键缩略语的定义：
HVDC：高压直流，与行业中使用的常规48V直流相比。
RPU：远供电源模块，其为远端设备提供HVDC电力。
RPR：远供电力接收器，其连接到RPU并从RPU接收电力。
剩余电流：直流电力系统中的导体之间的电流不平衡，尤其是正电压轨与负电压轨之间的电流不平衡(将在下文说明)。
在图1中，示出了第一示例性直流电力系统4。直流电力系统4包括连接到远供电力接收器(remote power receiver，RPR)2的远供电源模块(remote power unit，RPU)1。RPU1产生直流电并通过正电压线和负电压线提供给RPR 2。在内部正压轨与负压轨之间以电压V0提供直流电，再将该正压轨和负压轨连接到正电压线和负电压线以进行传输。选择不同的术语“电压轨”和“电压线”来区分设备外的电源总线(＝电压线)和设备内的电压承载方(＝电压轨)。RPU 1内部包括变流器，用于例如从交流电产生直流电。正电压轨通过电阻R1连接到接地连接，而负电压轨通过电阻R2连接到接地连接。接地连接自身具有电阻RB。另一方面，RPR 2的外壳也通过接地连接电阻RA连接到地面。
在图2中，示出了直接接触故障期间的情况。这意味着一个人正在触摸有效线路中的一条，这里以负电压线为例。这个人通过具有接地电阻RC的接地连接接地。因此，电流Id从RPU 1内的正电压轨通过电阻R1、通过RPU 1的接地电阻RB、通过用户的接地电阻RC到达到用户。由于R1的电阻值较高，所以电流Id不成问题，不会对用户造成重大的健康风险。
在图3中，示出了发生间接接触故障的直流电力系统4。这里，负电压线被错误地连接到RPR 2的导电外壳。用户触摸RPR 2的外壳并通过具有电阻RC的接地连接接地。这也导致电流Id从RPU 1内的正电压轨通过电阻R1、通过具有接地电阻RB的接地连接、通过地面到达接地电阻RA，再到达RPR 2的外壳，并通过负电压轨流回RPU 1。由于用户相对于RPR 2的接地电阻RA形成了到地面的并联连接，所以地面与用户之间产生了电压U1。由于RPR 2的接地电阻RA和用户的接地电阻RC相仿，但是用户的电阻明显大于RPR 2的导电外壳上几乎不存在的电阻，所以电流Id只有很小一部分流经用户。这也导致非常小的健康风险。
在图4中，示出了在RPU 1内存在绝缘缺陷的直流电力系统4。这里，电阻R1短路。这意味着RPU 1内的正电压轨通过接地电阻RB直接连接到地面。在正常运行期间，这不成问题，因为电力仍然可以从RPU 1传输到RPR 2。但是，如果发生直接连接故障或间接连接故障，那么这个情况对用户来说就非常危险。这在图5和图6中进一步示出。
在图5中，示出了发生另一直接接触故障的图4的直流电力系统。这里，用户触摸负电压线，通过接地电阻RC接地。电流从正电压轨流向电阻R1，由于电阻R1短路，因此值为0。电流从那里直接通过具有接地电阻RB的接地连接到达用户的具有电阻RC的接地连接，再到达用户，并通过负电压线流回RPU。现在仅RPU 1的接地电阻RB和用户的接地电阻RC限制电流Id。因此，可能有大量电流流经用户，导致高健康风险。
在图6中，示出了存在如图4所示的绝缘缺陷且发生间接连接故障的示例性直流电力系统4。这里，如图3所示，负电压线与RPR 2的导电外壳之间存在意外连接。电流从RPU 1内的正电压轨流向电阻R1，电阻R1短路，因此显示其值R1＝0。因此，电流通过RPU 1的接地电阻RB直接流到RPU 1的接地连接，并流向RPR 2和用户。电流分成第一部分和第二部分，第一部分流经RPR 2及其相应接地电阻RA，第二部分流经用户及其相应接地电阻RC。由于电阻R1＝0，所以电流Id的值很大。即使一小部分电流流经用户也会造成健康风险。
为了降低这些风险，有一种在RPU 1内使用剩余电流检测器的方案。图7和图8示出了这一方案。在这里，监测通过正电压轨和负电压轨的电流。一旦正电压轨和负电压轨上出现明显的电流平衡，RPU 1就会停止运行，导致所有电流都停止。在图5和图6所示的情况下，现在通过额外使用剩余电流检测器，如图7和图8所示，不会再造成重大健康风险。
在图7中，只要剩余电流检测器检测到正电压轨与负电压轨之间的电流不平衡，剩余电流检测器就使RPU 1停止产生直流电，其中电流不平衡是由以下情况引起的：电流Id通过RPU 1的接地电阻RB从正电压轨流到用户的具有接地电阻RC的接地连接，并通过负电压线流回RPU 1。因此，在剩余电流检测器检测到电流平衡并关闭RPU 1之前，用户只会在非常短的时间内受到电流的影响。
图8所示的间接接触故障也是如此。这里，当用户触摸RPR 2的导电外壳时，Id电流自行产生并且其至少一部分流经用户。只要RPU 1内的剩余电流检测器检测到正电压轨与负电压轨之间的电流不平衡，其中电流不平衡是由以下情况引起的：电流Id从正电压轨流到RPU 1的外壳，通过接地电阻RB流到RPR 2的接地电阻RA，再流到用户的接地电阻RC，并通过负电压线流回。因此，这里用户也是只在非常短的时间内受到电流的影响，因而降低了严重的健康风险。
这种剩余电流检测器是磁性电流检测器或电流分流器等。然而，很难精确地测量这些电流，因为在正常运行期间，正电压轨和负电压轨上的电流的范围为几安培，而剩余电流值——正电压轨与负电压轨上的电流差仅在毫安范围内。这就需要通过非常精确同时昂贵的电流传感器来检测剩余电流。
在图9中，示出了根据本发明第二方面的直流电力系统4的第一实施例，该直流电力系统包括根据本发明第一方面的RPU 1。直流电力系统4包括通过正电压线18a、负电压线18b和直流接口17连接到RPR 2的RPU 1。
直流电力系统4包括提供直流电的电源10。直流电通过电源接口19提供给RPU 1。
此外，RPU 1包括剩余电流检测电路12，剩余电流检测电路12还包括通过正电压轨16a连接到电源10的第一开关13a和通过负电压轨16b连接到电源10的第二开关13b。开关13a、13b各自还连接到电流传感器14a、14b。第一开关13a连接到第一电流传感器14a，而第二开关13b连接到第二电流传感器14b。电流传感器14a、14b还连接到RPR 2。此外，剩余电流检测电路12包括连接到第一电流传感器14a和第二电流传感器14b的控制器15。
在运行期间，电源10通过电源接口19、正电压轨16a和负电压轨16b向第一开关13a和第二开关13b提供直流电。当开关13a和13b闭合时，相应的电压轨16a、16b连接到相应的电流传感器14a、14b。当开关13a和13b断开时，电源10与电流传感器14a、14b之间没有直流电连接。
在运行期间，当第一开关闭合且第二开关断开时，第一电流传感器14a测量第一开关13a与RPR 2之间的第一剩余电流。当第二开关闭合且第一开关断开时，第二电流传感器14b测量第二开关13b与RPR 2之间的第二剩余电流。这些电流值被传递给控制器15，控制器15将它们与剩余电流阈值进行比较。该剩余电流阈值设置为在确保安全运行的同时防止错误虚警的值。在一个示例中，可以从2mA至200mA中选择剩余电流阈值，优选为25mA。剩余电流事件定义为剩余电流超过剩余电流阈值。因此，如果开关13a、13b中的任何一个的剩余电流超过剩余电流阈值，那么控制器15就检测到剩余电流事件。
因此，电流传感器14a、14b的值的范围很小，这些值需要能够测量。由于剩余电流是在RPU 1与RPR 2之间没有电流运行的时间内测量的，所以在发生故障时，只需要区分正常运行时接近零的电流与毫安范围内的电流。因此，根据本发明实施例可以相当精确地检测剩余电流。
在图10中，示出了直流电力系统4的第二实施例和RPU 1的第二实施例。这里，电源10集成到RPU 1中。
此外，RPU 1还包括连接在电源10与剩余电流保护电路12之间的绝缘监测设备11。绝缘监测设备11监控RPU 1内正电压轨16a与负电压轨16b之间的绝缘完好性。这通过测量RPU 1的外壳与各电压轨16a、16b之间的电流来完成。只要外壳与正电压轨16a和/或负电压轨16b之间的电流值很大，表明其超过绝缘监测阈值，就检测到了绝缘缺陷。这一绝缘缺陷对于正常运行不成问题，因为电源10提供的电力中只有很小一部分经过外壳流到地面。也有可能向RPR 2传输电力。但是，如上文所述，如果发生其它直接或间接接触故障，如图5和图6所示，那么这一绝缘缺陷就很成问题。
在一种非常谨慎的方法中，一旦绝缘监测设备11检测到绝缘故障，RPU 1就可以停止运行。这可以通过将开关13a和13b切换到断开状态或甚至切断电源10来完成。在一种谨慎程度略低的方法中，更多地针对系统4的可用性，绝缘监测设备11在检测到绝缘故障后只会激活剩余电流保护电路12，然后，剩余电流保护电路12监测是否发生其它直接或间接接触故障。如果没有检测到绝缘缺陷，则剩余电流保护电路12无需运行。开关13a、13b可以始终处于闭合状态或位置。
另外，在本实施例中，控制器15还连接到第一开关13a和第二开关13b。控制器15控制开关13a、13b的运行。特别地，控制器以交替、周期性的方式断开和闭合开关13a和13b。特别地，控制器将开关的断开时间控制为1ms至100ms，优选地5ms至20ms，最优选地10ms，并将闭合时间控制为10ms至1000ms，优选地50ms至200ms，最优选地100ms。断开时间是指开关13a、13b处于断开状态的时间，闭合时间是指开关13a、13b处于闭合状态的时间。可以理解“断开”是指对应的开关被切断，“闭合”是指对应的开关被接通。
当检测到表明第一电流传感器14a或第二电流传感器14b的剩余电流超过剩余电流阈值的剩余电流事件时，控制器15可以切断开关13a和13b，从而将它们都设为断开状态。这使电力传输停止并防止对用户的健康风险。为了避免错误地切断开关13a、13b，控制器15还可等到检测到两个连续的剩余电流事件，这样，导致错误地检测到单个剩余电流事件的单个故障不会触发切断。
此外，在图10中，更详细地示出了RPR 2的内部运作。这里，RPR 2包括连接到正电压线18a和负电压线18b的变流器20。正电压线18a通过接口17连接到正电压轨16a。负电压线18b通过接口17连接到负电压轨16b。因此，变流器20从RPU 1接收直流电，并将其转变为对RPR 2所操作的设备22有用的电力形式。此外，变流器20与设备22之间连接有存储单元21。存储单元21在电力从RPU 1传输到RPR 2时存储电能。电力传输在第一开关13a和第二开关13b都闭合时进行。当测量剩余电流时，意味着第一开关13a或第二开关13b断开，存储单元21为设备22提供电能，以使设备22即使在没有电力从RPU 1传输到RPR 2时也能够连续运行。
在图11中，示出了表明正常运行期间的开关状态的信号。这些信号可以是例如开关的实际控制信号。在时间0与t1之间，两个开关均为接通，意味着它们处于闭合状态。从t1到t2，第一开关为切断，意味着其处于断开状态。在t2与t3之间，两个开关均为接通。现在，在t3与T之间，第二开关为切断。这里，可以很容易地看到切断其中一个开关和接通两个开关的交替方式。这里也很明显，两个开关同时接通的时间明显长于两个开关交替性地切断的时间。
在图12中，示出了展示电流传感器测量出的电流的信号。这里还示出了正常运行。当两个开关都闭合时，稳定的工作电流就会自行产生。只要其中一个开关被断开，就会检测到接近于零的剩余电流。该剩余电流明显低于图12所示的剩余电流阈值。因此，没有检测到剩余电流事件。
在图13中，示出了表明发生故障时开关的切换状态的信号。这里的信号也可以是例如用于控制开关的实际控制信号。在本示例中，无论是否发生故障，开关都同时切换。但是，这并不理解为限制。
在图14中，示出了表明负电压轨和正电压轨上的电流的信号，如图12中的那样。由于故障发生在负电压轨上，所以在属于正电压轨的第二开关的运行期间，没有检测到问题。因此，电流I1在稳定的工作电流与几乎为零的剩余电流之间振荡。但是，只要发生故障，电流I2展示出的值就明显高于围绕图中各区域的圆所表明的剩余电流阈值。因此，控制器15在这些时间会检测到剩余电流事件。在已发生第一个剩余电流事件时，或者至少在发生第二个剩余电流事件时，控制器将两个开关都切换到切断状态，以防止对用户造成健康危害。
在图15中，示出了表明当正电压轨上发生故障时电流传感器测量出的电流的信号。这里，只要发生故障，电流I1就显示出高于剩余电流阈值的剩余电流。
在图16中，示出了直流电力系统故障检测方法的第一实施例。在第一步骤100中，电源产生直流电。在第二步骤101中，第一开关和第二开关都处于接通状态。在第三状态102中，切断第一开关，而使第二开关保持接通。在这个状态下，测量电流I1和I2。在第四步骤103中，检查电流I1、I2中是否有一个或者甚至这两个电流都低于剩余电流阈值。如果情况不是这样，则在第八步骤107中，检测剩余电流事件。但是，如果情况如此，则在第五步骤104中，再次接通两个开关。之后，在第六步骤105中，切断第二开关，而使第一开关保持接通。在这个状态下，再次测量电流I1、I2。在第七步骤106中，再次检查电流I1、I2中是否有一个或者两者都低于剩余电流阈值。如果情况不是这样，则再次继续第八步骤107中的剩余电流事件检测。但是，如果两个电流都低于阈值，则继续执行第二步骤101。因此，只要在步骤107中检测到剩余电流事件，那么在第九步骤108中，将两个开关都切断，从而停止所有电流流动并保护用户。
在图17中，示出了直流电力系统故障检测方法的一个替代性实施例。这里，步骤200至步骤207与图16的步骤100至步骤107相同。这里，在步骤207中检测到剩余电流事件后，在第九步骤208中，剩余电流计数n递增。之后，在第十步骤209中，检查剩余电流事件计数n是否大于1。如果情况不是这样，则方法继续执行步骤200。如果剩余电流事件计数大于1，则在第十一步骤210中，将两个开关都切断。在本实施例中，需要检测到两个连续的剩余电流事件，以便确保确实发生了故障。这提高了系统可用性，但代价是略微降低了对用户而言的系统安全性。
在图18中，示出了直流电力系统故障检测方法的第三实施例。这里，示出了绝缘缺陷监控器的运行。在第一步骤300中，电源产生直流电。在第二步骤301中，将两个开关都接通。在第三步骤302中，例如通过绝缘监测器，检查是否存在绝缘缺陷。如果不存在绝缘缺陷，则方法继续执行步骤300。但是，如果存在绝缘缺陷，则方法继续执行图16的步骤100或图17的步骤200。这意味着只有当绝缘监测器检测到绝缘故障时才真正使用图16和图17所示的剩余电流保护方法。只要不存在绝缘缺陷，就无需检查是否有剩余电流，因为不可能有剩余电流。
本发明不限于这些示例，尤其不限于系统的特定直流电压电平。示例性实施例的特性能够以任何组合来使用。
在此结合各种实施例描述了本发明。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，“一”不排除多个。单个处理器或其它单元可满足权利要求中描述的几项的功能。在仅凭某些措施被记载在通常不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分发。

Claims (17)

1.一种远供电源模块，用于为直流电力系统中的远供电力接收器提供直流电，其特征在于，所述远供电源模块包括：
-剩余电流保护电路，包括：
-电源接口，用于从电源接收直流电；
-直流接口，用于通过正电压线和负电压线将所述远供电源模块连接到所述远供电力接收器；
-第一开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的正电压轨；
-第二开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的负电压轨；
-第一电流传感器，用于在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时测量所述第一开关与所述直流接口之间的第一剩余电流；
-第二电流传感器，用于在所述第二开关闭合且所述第一开关断开时测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；以及
-控制器，用于在所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流高于剩余电流阈值时检测剩余电流事件。
2.根据权利要求1所述的远供电源模块，其特征在于，所述控制器用于以周期性并交替的方式控制所述第一开关和所述第二开关的运行。
3.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述控制器用于周期性并交替地执行以下操作：
-闭合所述第一开关和所述第二开关，
-断开所述第一开关并闭合所述第二开关，和/或
-闭合所述第一开关并断开所述第二开关。
4.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述控制器用于：
-将所述第一开关的断开时间和/或所述第二开关的断开时间设置为1ms至100ms，和/或
-将所述第一开关的闭合时间和/或所述第二开关的闭合时间设置为10ms至1000ms。
5.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述控制器用于：如果检测到剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的远供电源模块，其特征在于，所述控制器用于：如果检测到至少两个连续的剩余电流事件，则断开所述第一开关和所述第二开关。
7.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述远供电源模块包括绝缘监测器，用于检测所述正电压轨和/或所述负电压轨是否存在绝缘缺陷。
8.根据权利要求7所述的远供电源模块，其特征在于，所述剩余电流保护电路用于仅在所述绝缘监测器已检测到所述正电压轨和/或所述负电压轨存在绝缘缺陷时运行，以及
当所述剩余电流保护电路未运行时，闭合所述第一开关和所述第二开关。
9.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关是晶体管。
10.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器是分路电流传感器或磁性电流传感器。
11.根据权利要求1或2所述的远供电源模块，其特征在于，所述远供电源模块包括电源，用于通过所述电源接口为所述远供电源模块提供直流电。
12.根据权利要求4所述的远供电源模块，其特征在于，
所述第一开关的断开时间和/或所述第二开关的断开时间为5ms至20ms，和/或
所述第一开关的闭合时间和/或所述第二开关的闭合时间设置为50ms至200ms。
13.一种直流电力系统，其特征在于，包括根据权利要求1至12中任一项所述的远供电源模块，以及远供电力接收器。
14.根据权利要求13所述的直流电力系统，其特征在于，所述远供电力接收器通过正电压线和负电压线连接到所述远供电源模块。
15.根据权利要求13或14所述的直流电力系统，其特征在于，所述远供电力接收器包括储能器，用于：
-当第一开关和第二开关闭合且电力从所述远供电源模块传输到所述远供电力接收器时，存储电能；以及
-当所述第一开关或所述第二开关断开且没有电力从所述远供电源模块传输到所述远供电力接收器时，提供所述存储的电能。
16.一种直流电力系统故障检测方法，其特征在于，远供电力系统的远供电源模块为直流电力系统的远供电力接收器提供直流电，
其中，所述方法包括以下步骤：
-通过电源产生直流电；
-接通布置在所述远供电源模块的正电压轨内的第一开关，并接通布置在所述远供电源模块的负电压轨内的第二开关；
-切断所述第一开关；
-测量所述第一开关与所述远供电源模块的直流接口之间的第一剩余电流，并测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；
-确定所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流是否超过剩余电流阈值；
-如果所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流超过剩余电流阈值，则确定剩余电流事件；
-接通所述第一开关和所述第二开关；
-切断所述第二开关；
-测量所述第一开关与所述远供电源模块的直流接口之间的第一剩余电流，并测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；
-确定所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流是否超过剩余电流阈值；
-如果所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流超过剩余电流阈值，则确定剩余电流事件；
-如果检测到至少两个剩余电流事件，则切断所述第一开关和所述第二开关。
17.一种在为远供电力接收器提供直流电的远供电源模块中使用的剩余电流保护电路，其特征在于，所述剩余电流保护电路包括：
-电源接口，用于从电源接收直流电；
-直流接口，用于通过正电压线和负电压线将所述远供电源模块连接到所述远供电力接收器；
-第一开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的正电压轨；
-第二开关，用于打开所述电源接口与所述直流接口之间的负电压轨；
-第一电流传感器，用于在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时测量所述第一开关与所述直流接口之间的第一剩余电流；
-第二电流传感器，用于在所述第二开关闭合且所述第一开关断开时测量所述第二开关与所述直流接口之间的第二剩余电流；以及
-控制器，用于在所述第一剩余电流和/或所述第二剩余电流高于剩余电流阈值时检测剩余电流事件。
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