故障管理电力系统

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年10月13日提交的题为“故障管理电力系统”的美国临时申请第63/090845号和2021年10月13日提交的题为“故障管理电力系统”的美国临时申请第63/255370号的优先权，并在此引入作为参考。

技术领域

本文公开的实施例总体涉及电源中的故障保护，并且更具体地，涉及用于限制提供给故障的能量的方法和系统，包括触摸安全水平，其可以使用光纤电缆的硬连线等与以太网或其他通信协议相结合。

背景技术

PoE通常是指使用导线对(通常是双绞线或以太网电缆)来同时发送电功率和数据。因此，可以通过PoE被供电的设备(称为用电设备(PD))通常不需要单独的电源适配器来为设备供电。用电设备的示例包括VoIP电话、HD摄像机(全景变焦倾斜摄像机)、无线接入点(WAP)、网络路由器以及其他设备。随着对所谓“智能建筑”服务需求的增长，用电设备的数量预计将呈指数级增长。

PFC与PoE相似，都是通过单个电缆提供电功率和数据，因此不需要(或至少减少)单独的电源适配器来为设备供电。使用PFC时，数据通过光纤发送，而电源通常通过包围光纤的导电护套(通常为铜)提供。由于光纤的无损或几乎无损特性，与典型的PoE电缆相比，典型的PFC电缆可以在更远的距离上发送数据。

在PoE和PFC等应用中，功率通常以44至57Vdc且通常为48Vdc注入电缆。这个电压水平允许功率沿着电缆有效地传输，同时对于终端用户来说仍足够低以至于安全。PoE电源设备(PSE)的原始行业标准允许的最大功率水平是30W。新的PoE标准或PoE++(IEEE802.3bt)允许的功率水平高达100W。考虑更高功率水平的标准正在开发中。

随着PoE和PFC等应用中的功率水平不断增加，需要一种方法来确保提供给故障的能量是有限的。

发明内容

本文公开的实施例涉及用于管理提供给电力系统中的故障的能量的方法和系统。该方法和系统提供了一种故障管理电力系统(FMPS),其监测和检测PoE或PFC电缆中的小泄漏电流，该小泄漏电流指示除了诸如短路或过载电流状况之类的其他故障电流之外，可能有人与电缆导体接触。由故障管理电力系统检测到的泄漏电流被设置得足够低，以防止人受到严重的电击或经历心室纤维性颤动，这被称为触摸安全。在检测到这样的泄漏电流时，故障管理电力系统自动并立即从电缆移除电源。这限制了提供给故障的能量，从而保持了触摸安全操作，也防止了电气火灾。故障管理电力系统甚至可以在显著高于现有触摸安全标准的电压水平下实现这一点，例如2级(低于50Vac)电源。这种故障管理电力系统允许PoE和PFC等应用中的功率量安全地增加到比当前最大值(100W)大得多的水平。

一般而言，在一方面，所公开的实施例针对可操作来提供至少100瓦功率的故障管理电力系统。该系统尤其包括接收器，该接收器包括DC/DC转换器和接收器开关，该接收器开关可控制成以预定速率向DC/DC转换器提供一系列电流脉冲，该预定速率低于将导致人由于电击而进入心室纤颤的速率。该系统还包括通过一对电导体连接到接收器的源控制器，该源控制器包括源开关，该源开关可控制成将来自电源的电功率连接到该对电导体。该系统还包括在源控制器处的栅极控制器，该栅极控制器被编程以确定在该系列电流脉冲的电流断开间隔期间在任一个或两个电导体上是否存在泄漏电流，该泄漏电流大于任一个或两个电导体上的预定电流阈值。栅极控制器还被编程为响应于确定在一系列电流脉冲的电流断开间隔期间在任一个或两个电导体上存在泄漏电流来控制源开关将电源从电导体断开。

总的来说，在另一方面，所公开的实施例涉及一种管理可操作来提供至少100瓦功率的电力系统中的故障的方法。该方法尤其包括在源控制器处将来自电源的电功率连接到一对电导体，并且在接收器处从连接到接收器的一对电导体上的电源接收电功率。该方法还包括在接收器处以预定速率向DC/DC转换器提供一系列电流脉冲，该预定速率低于导致人由于电击而进入心室纤颤的速率。该方法还包括在源控制器处确定在该系列电流脉冲的电流断开间隔期间在任一个或两个电导体上是否存在泄漏电流，该泄漏电流大于任一个或两个电导体上的预设电流阈值。该方法还包括在源控制器处响应于确定在一系列电流脉冲的电流断开间隔期间在任一个或两个电导体上存在泄漏电流来将电源从电导体断开。

总的来说，在又一方面，所公开的实施例涉及一种用电设备的网络。该网络尤其包括至少一个网络电缆、连接到该至少一个网络电缆并在该至少一个网络电缆上提供一系列电流脉冲的故障管理电力系统，该管理电源系统可操作来提供至少100瓦的功率。该方法还包括连接到至少一个网络电缆和故障管理电力系统的多个用电设备，每个用电设备由来自故障管理电力系统的电功率供电。该故障管理电力系统还可操作来确定在该系列电流脉冲的电流断开间隔期间在该至少一个网络电缆上是否存在泄漏电流，该泄漏电流大于该至少一个网络电缆上的预定阈值电流。

附图说明

通过阅读以下详细描述并参考附图，所公开的实施例的前述和其他优点将变得显而易见，其中：

图1示出了根据所公开的实施例的方面的示例性故障管理电力系统；

图2示出了根据所公开的实施例的方面的示例性故障电流检测；

图3示出了根据所公开的实施例的方面的另一示例性故障管理电力系统；

图4示出了根据所公开的实施例的方面的又一示例性故障管理电力系统；

图5示出了根据所公开的实施例的方面的又一示例性故障管理电力系统；

图6示出了根据所公开的实施例的方面的用于故障管理电力系统的示例性泄漏电流检测器；

图7示出了根据所公开的实施例的方面的用于故障管理电力系统的示例性接收器电路；

图8示出了根据所公开的实施例的方面的替代故障管理电力系统；

图9示出了根据所公开的实施例的方面的用于故障管理电力系统方法的监测和检测故障的方法；

图10示出了根据所公开的实施例的方面的为故障管理电力系统的接收器充电的方法；

图11示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性星形网络；

图12示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性点对点网络；

图13示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性本地网络；

图14示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性环形网络；

图15示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性基于以太网电缆的网络；以及

图16示出了根据所公开的实施例的方面的采用故障管理电力系统的示例性无线数据网络。

具体实施方式

首先，应该理解，结合所公开的实施例的各方面的实际的、真实的商业应用的开发将需要许多实现特定的决定，以实现开发者对于商业实施例的最终目标。这种实现特定的决定可以包括，并且可能不限于，符合与系统相关的、与商业相关的、与政府相关的以及其他约束，这些约束可以随特定的实现、位置和时间而变化。虽然开发者的努力在绝对意义上可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域技术人员来说，这种努力仍是例行的任务。

还应该理解的是，这里公开和教导的实施例可以有许多不同的修改和替代形式。因此，单数术语的使用，例如但不限于“一个”等，并不旨在限制项目的数量。类似地，在书面描述中使用的任何相关术语，例如但不限于“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”等，是为了在具体参考附图时清楚起见，而不是为了限制本发明的范围。

现在参考图1，示出了示例性故障管理电力系统100的高级图，其可用于向PoE和PFC等应用中的用电设备提供电力。如该图所示，故障管理电力系统100从AC或DC电源102接收电功率，其通常来自AC主线。电力由故障管理电力系统100的源控制器104接收，其通过电线或电缆106向接收器108提供电力。这里所示的电缆106包含一对导体，通常是铜导体，通常布置成双绞线，并且具有类似于AWG 12-2电缆的特性。这里所示的电源102具有高达1000伏的可能电压范围，但通常在100伏和450伏之间(即V1＝100伏至450伏)。

在一般操作中，源控制器104处的栅极控制器110根据需要打开或关闭源开关S

在图1中，源开关S

振荡器112切换接收器开关S

现在参考图2，检测非触摸安全电流是通过在源控制器104处监测电缆106上的一系列电流脉冲来实现的，如200所示。每个电流脉冲具有由时间间隔t

如果人接触电缆106中的一个或两个铜导体，导致漏电故障状况，那么由于人接触导体所提供的路径，额外的电流将会流动。在电流断开间隔t

图3示出了另一示例性故障管理电力系统300，其包括类似于图1的故障管理电力系统100的部件。可以看出，故障管理电力系统300在源控制器304处接收来自AC电源302的电功率，源控制器304通过电线或电缆306向接收器308提供电力。这里示出的电缆306再次包含一对导体，通常是铜导体，通常布置成双绞线，并且具有类似于AWG 12-2电缆的特性。在源控制器304处，栅极驱动器1断开或闭合源开关S

在图3的示例中，在源控制器304处提供了与电源302一致的电流传感器316，用于测量电流I

电流传感器316的输出被提供给栅极控制器320，特别是其中的模数(A/D)转换器。栅极控制器320对电流传感器316的输出进行采样，并确定电流I

在一些实施例中，电流传感器316的采样在电流接通间隔t

注意，在图3的实施例中，栅极驱动器1和栅极驱动器2是分立的栅极驱动器。如上所述，用于S

图4示出了另一示例性故障管理电力系统400，其包括类似于图1和图3的故障管理电力系统的部件。如前所述，故障管理电力系统400在源控制器404处接收来自AC电源402的电功率，源控制器404通过电线或电缆406向接收器408提供电力。这里示出的电缆406再次包含一对导体，通常是铜导体，通常布置成双绞线，并且具有类似于AWG 14-2电缆的特性。在源控制器404处，栅极控制器410控制栅极驱动器1断开或闭合源开关S

在图4示例中，除了电流传感器416之外，提供泄漏电流检测器422来检测泄漏电流，作为确保触摸安全操作的一部分。与电流传感器416相比，该示例中的泄漏电流检测器422可以检测小得多的电流，约为1mA至100mA，这远低于类似TMCS1100系列传感器的电流传感器的最小感测电流(通常为0.125A)。在所示的示例中，泄漏电流检测器422由运算放大器(op-amp)OP

在一般操作中，栅极控制器410在电流接通间隔t

在一些实施例中，泄漏电流开关S3是具有例如约5mΩ的低漏源电阻R

在图4的示例中，故障管理电力系统400被示为仅在电缆406的导体之一上实现电流传感器416和泄漏电流检测器422，以便降低成本和复杂性。在其他实施例中，其他拓扑可以使用双极布置，其中传感器和检测器在两个导体上实现。

图5示出了使用双极布置的故障管理电力系统500的示例。可以看出，故障管理电力系统500类似于图4的故障管理电力系统400，除了在电缆406的第二导体上实现附加电流传感器416’和附加泄漏电流检测器422’。在源控制器404处提供第二源开关S

尽管在图5中没有明确示出，但应该理解，在一些实施例中，来自电流传感器416和416’的输出也可以直接连接到栅极控制器410，以在导体406上短路的情况下提供控制器开关S

图6示出了泄漏电流检测器600的示例，其可以用作上述故障管理电力系统400或500的泄漏电流检测器422或422’。在该示例中，示例性泄漏电流检测器600由op-amp 602构成，op-amp的输入端子(Vin+，Vin-)经由过压网络604与电缆406的导体之一成直线连接。任何合适的运算放大器可以用作op-amp 602，包括零件号为ACM1200B的来自TexasInstruments公司的隔离放大器。这里的过压网络604包括跨接在op-amp输入端子上的第一二极管D

根据本文的实施例，在op-amp 602的输入端子(Vin+，Vin-)上提供泄漏感测电阻器R

MOSFET 606也设置在op-amp 602的输入端子(Vin+，Vin-)上。MOSFET 606优选地是N沟道SiC MOSFET，其具有例如约5mΩ的低R

如果在电缆406的第二导体上实现泄漏电流检测器600，则关于电流I

图7示出了接收器700的示例性电路，该接收器可以用作上述接收器108、308、108中的任何一个。一般而言，接收器700设计成与源控制器和电源侧的其他部件隔离操作。也就是说，没有辅助电力被提供给接收器700。接收器仅通过电缆(106、306、406)从源控制器获得电力。此外，接收器700配备有自举特征，该自举特征允许其在全功率施加到电缆导体之前以降低的充电电压启动。降低的充电电压有助于确保接收器700在全功率施加到电缆导体之前正常工作。

可以看出，接收器700包括一些与前面讨论的相同的部件，包括振荡器412，其控制栅极驱动器2，用于切换接收器开关S

在一般操作中，源控制器(此处示为704的局部视图)最初使用从主线间源电压馈电的开关电阻分压器电路706在电缆线406上施加48Vdc信号。开关电阻分压器电路706用作分流电源，向接收器700提供降低的接收器充电电流。这使得充电电容器C

图8示出了另一示例性故障管理电力系统800，其具有类似于前面附图中的故障管理电力系统的部件。然而，故障管理电力系统800不在源处将AC电力转换成DC电流。在图8中，故障管理电力系统800在源控制器808处接收来自AC电源802的AC电力，但该电力然后作为AC电流通过电线或电缆806被提供给接收器808。这里示出的电缆806再次包含一对导体，通常是铜导体，通常布置成双绞线，并且具有类似于AWG 12-2PFC电缆或CAT 5以太网电缆的特性。与前面的实施例相比，该实施例具有更简单和更有效的优点，因为在源控制器808处不执行AC到DC转换。

在图8的示例中，在接收器808处使用了两个开关S

至此，已经示出和描述了故障管理电力系统的多个具体实施例。然而，本公开的实施例不限于所示的具体实施例。例如，虽然图3和图4分别示出了208Vac倍压器和240Vac单相中点接地中性AC电源，但许多其他电压源也是可用的，包括3相、480Vac、60Hz电压源、400Vac、50Hz电压源以及其他标准电压和相位组合。同样，根据所需传输的电压，也可以使用升压变压器、n倍频器和DC电源。例如，可以使用升压变压器来选择所需的电压，并提供隔离和隔离式AC/DC转换器。下面是可用于故障管理电力系统的各种实施例的一般方法。

参考图9，示出了流程图900，其详细描述了根据本公开的实施例的故障监测和检测的方法，该方法可以由源控制器使用或与源控制器一起使用，或者更具体地，由源控制器的栅极控制器编程并执行。流程图900通常开始于902，其中栅极控制器检测电流断开间隔的开始，该电流断开间隔可以是上述的电流断开间隔t

在904，栅极控制器经由泄漏电流检测器获得在预定采样周期的电流断开间隔期间电缆导体中的电流样本。采样周期可以是预设的时间量(例如30μsec)或足以以栅极控制器采样速率获得特定数量的样本(例如3个样本)的时间量。在任一情况下，用于故障检测的电流样本应该在从电流断开间隔(例如约58μsec)的开始的系统时间常数τ

在906，栅极控制器在系统时间常数τ

在908，栅极控制器确定在906量化的任一电流(即I

如果在908的确定为是，意味着可能存在故障，则在910，栅极控制器增加故障计数器。故障计数器允许栅极控制器跟踪故障总数，以及预定时间跨度内的故障总数。短时间量内的高故障计数可能指示在故障管理电力系统中存在实际故障或一些其他问题。另一方面，时间跨度内的低故障计数或单个故障可能指示最小或间歇的人接触，这不需要使系统离线。

在912，栅极控制器确定故障计数器是否超过预定阈值故障计数。阈值故障计数可以是预定时间量内的特定数量的计数，或者可以是检测到的连续故障的数量，例如两个或更多个连续故障。

如果在912处的确定为否，则在914处，栅极控制器暂时断开源控制器处的电力达预设时间量。这可以例如通过控制源开关(例如S

如果在912处的确定为是，则栅极控制器进行到916，以发出断路器跳闸命令或一些其他命令，用于使故障管理电力系统离线。

图10示出了流程图1000，其详细描述了根据本公开的实施例的确定接收器是否被正确充电的方法，该方法可以由源控制器使用或与源控制器一起使用，或者更具体地，由源控制器的栅极控制器编程并执行。如前所述，在一些实施例中，接收器以降低的电压启动，以确保在将全部功率施加到电缆导体之前，接收器正常工作，例如，使用分流电源。为此，流程图1000通常开始于1002，其中栅极控制器向电缆导体施加接收器充电电流。接收器充电电流相对于通常施加到电缆导体上的全电压具有降低的充电电压。在一些实施例中，降低的充电电压是48V。

在1004，栅极控制器试图在预定等待时间内检测电缆导体上的确认电流脉冲。确认电流脉冲是由接收器充电电流产生的电流脉冲。例如，可以通过部署在一个或两个电缆导体上的电流传感器之一来检测这些脉冲。在一些实施例中，等待时间可以是约0.5秒或其他合适的等待时间，这取决于系统等待时间。

在1006，栅极控制器确定在预定等待时间内是否已经在电缆导体上检测到确认电流脉冲。如果确定为是，则在1008，栅极控制器对在预定计数周期内检测到的脉冲数进行计数。

在1010，栅极控制器确定来自1008的确认电流脉冲的数量是否超过某个最小阈值脉冲数量。最小阈值脉冲数量可以是任何合适的数量，只要它能提供足够程度的确认，表明接收器正常工作。如果确定为是，则在1012，栅极控制器向电缆导体施加全部可用功率。例如，这是通过禁用分流电源并控制源开关(例如S

如果在106或108的判定为否，意味着接收器没有正常工作，则栅极控制器进行到114，使系统离线。这可以例如通过断开源开关和/或发出错误消息来完成。

从前面的描述中，可以理解，这里的故障管理电力系统的实施例可以为许多应用供电。例如，尽管标准PoE系统(参见IEEE 802.3系列)在48Vdc下使用以太网电缆，最高每通道功率为100W，但对于最新标准，替代系统用供电光缆取代传统PoE系统中用于传输数据信号的铜导体(CAT 5或CAT 6)，包括单模和多模PFC。以下是基于PFC的系统拓扑结构示例。

参考图11，示出了星形网络1100的一部分，其使用如本文所述的故障管理电力系统。故障管理电力系统包括源控制器1102，其具有耦合到多个供电光缆1104的集成光源。源控制器通过供电光缆1104向每个功率接收器和光纤分配器1106提供高达2kW的功率。每个功率接收器和光纤分配器1106又向与其连接的各种用电设备(PD)1108提供电力。相比之下，可比较的PoE系统限于100W。并且像标准PoE系统一样，故障管理电力系统1102不要求电缆1104由导管保护，因为该系统满足NEC4级要求。应注意的是，星型配置没有冗余源，如果电缆损坏，很容易失去连接/电力。点对点配置同样容易受到影响。同样适用于本地拓扑，但这种拓扑使用较短的电缆线路，更适合距离源(即办公空间)较近的大量PD。对于电缆长度超过1km的本地拓扑，应使用更大的电缆规格。

图12示出了点对点网络1200的一部分，其使用如本文所述的故障管理电力系统。点对点网络1200采用与图11的星形网络1100相同的部件，除了部件以点对点配置连接。这些部件包括源控制器1202，其具有耦合到供电光缆1204的集成光源，以向组合功率接收器和光纤分配器1206提供功率，用于为各种PD1208供电。如这里可以看到的，每个功率接收器和光纤分配器1206包括将来自源控制器1202的功率转换成DC功率的接收器/转换器1210，以及将电缆1204上承载的数据信号分配给多个PD1208的光纤分配器1212。在点对点网络1200中，对每个接收器/转换器使用单个源控制器提高了冗余度，并减少了从每个源控制器提供的功率。

图13示出了使用如本文所述的故障管理电力系统的本地网络1300的一部分。本地网络1200具有与先前网络相同的部件，例如具有集成光源的源控制器1302，其耦合到供电光缆1304以向接收器/转换器1310供电。然而，单个接收器/转换器1310为多个光纤分配器11312供电，每个光纤分配器11312可以将电缆1304上承载的数据信号分配给多个PD1308。这极大地减少了布线，但本地电缆上的故障可能会导致所有连接负载(PD)的丢失。

图14示出了环形网络1400的一部分，该环形网络1400使用如本文所述的故障管理电力系统。在这种布置中，使用了多个具有集成光源的源控制器，如1402a、1402b、1402c所示，每个耦合到供电光缆1404。每个供电光缆1404又连接到组合电力接收器和光纤分配器1406，以形成环形配置。这种环形配置为PD1408提供了冗余电源，因此提高了可靠性和电源安全性。

尽管上述应用是基于供电的光纤电缆，但这里的管理电力系统也可以用于采用标准以太网电缆的应用中。基于以太网电缆的应用具有不需要额外的光电转换设备的优点。

图15示出了PoE网络1500的一部分，该PoE网络1500使用如本文所述的具有以太网电缆的故障管理电力系统。网络1500包括耦合到以太网电缆1504的源控制器1502，以向接收器/转换器1506供电，从而为各种PD1508供电。网络1500的电力由208Vac电源提供，尽管也可以使用其他合适的AC或DC电源。以太网电缆1504可以是标准的CAT 5或CAT 6以太网电缆，假设电缆1504的额定电压用于源控制器1502的最大电压输出。源控制器1502连接到标准CAT 5或CAT 6电缆中的两个备用导体，如1510a、1510b所示，并通过这些备用导体对1510a、1510b向接收器/转换器1506供电。

使用标准PoE数据传输设备1514通过标准CAT 5或CAT 6电缆中的两个独立导体发送数据，如1512a、1512b所示。这是因为标准PoE设备通常额定电压低于75V，因此不应该占用承载来自源控制器1502的更高电压(V1高达1000V)的相同导体。为此，任何标准PoE设备都需要与源控制器1502隔离，优选通过1:1，1500Vac隔离。在接收器/转换器1506处，两个备用导线1510a、1510b上的较高电压(例如290Vdc)被向下转换成用于标准PoE交换机1516的较低电压(例如48Vdc)。PoE开关1516接收通过单独的导体对1512a、1512b传输的数据，并以通常的方式将数据分发给PD1508。

图16示出了无线数据网络1600的一部分，其结合本文所述的故障管理电力系统使用无线数据传输。网络1600再次包括耦合到2线电缆1604的源控制器1602，以向接收器/转换器1606提供电力，用于为各种PD1608供电。在该应用中，网络1600的电力由120Vac电源提供，尽管也可以使用其他合适的AC或DC电源。2线电缆1604可以是标准的CAT 5或CAT 6以太网电缆，其中仅使用两根线，或者它可以是简单的双绞线电缆，只要电缆1604的额定电压用于源控制器1602的最大电压输出。

使用Wi-Fi通过网络1600发送数据，尽管当然可以使用其他无线数据传输(例如蓝牙、ZigBee等)。因此，例如，数据可以经由Wi-Fi路由器1612从控制室中的控制站1610发送到经由另一个Wi-Fi路由器1614的设施的另一部分中的远程工作站。标准PoE交换机1616连接到第二路由器1614，用于以通常的方式接收数据并将数据分发到PD1608。第二Wi-Fi路由器1614和PoE交换机1616的电力由接收器/转换器1506供应，接收器/转换器1506将较高电压(例如290Vdc)向下转换成所需电压(例如48Vdc)。

虽然已经示出和描述了本公开的特定方面、实现和应用，但应当理解，本公开不限于这里的精确构造和构成，并且在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，各种修改、改变和变化从前述描述中是显而易见的。