专利名称：用于配电机箱的多个配电装置之间的无线通信的系统的制作方法
技术领域：
本发明 一般涉及配电系统，特别涉及提供配电机箱的多个配电装置间 的通信的系统。
背景技术：
配电系统典型地由安装在机箱——例如开关i殳备(switchgear)或电 动机控制中心金属拒或合适的塑料机箱一一内的多个保护性、计量以及控 制装置构成，通常提供有线通信机构，其允许多种装置与机箱上的显示装 置通信或者与监视系统状况的远程位置通信。机箱中的有线通信机构典型 地^f吏用 一个或一个以上的有线现场总线。
配电装置(例如断路器)安装在金属开关i殳备拒中。许多这些装置能 够传送例如在线数据、警才PL/状态、跳闸原因和设置点信息。典型地，有线 现场总线是将装置互连到与开关设备根相关联的单节点的"双扭线"总线。 存在多种版本的该节点，包括(1)具有用在机根上的人机接口 (HMI) (例如显示器与开关)的本地节点；(2)"无头"的且作为用于将装置连 接到一个或一个以上的远程通信系统的接口或网关的节点；以及(3)既用 作本地功能又用作远程功能的节点。
图1示出了配电系统2——其包含与设备中的现场总线通信装置7、 8、 9、 IO等接口的"无头"节点6和双扭线现场总线网络4——以及以太网通 信系统12。
存在对配电系统中的通信进行改进的空间。
发明内容
这种需求以及其他需求通过本发明满足，其提供了一种用于配电机箱
的多个配电装置间的无线通信的系统。
根据本发明一实施形态，配电系统包含机箱；机箱内的多个第一装 置，第一装置为^:护性、计量或控制装置；至少一个第二装置，所述至少 一个第二装置安装在机箱上、位于机箱外或被结构化为监视该系统以及与 远程位置通信，其中，第一装置与所述至少一个第二装置之间的通信是无 线通信。
无线通信可以为无线电频率通信。
无线电频率通信可在网形网络、星形网络或星形-网形网络上提供。 所述至少 一个第二装置可以为便携式无线通信装置。 所述至少 一个第二装置可以为安装在机箱外的操作者接口或显示器。 所述至少一个第二装置可以为网关装置。 所述至少 一个第二装置可以为安装在机箱外的A^L接口装置。 所述至少 一个第二装置可包括安装在机箱内部的网关装置和机箱外的 显示装置。
结合附图由下面对优选实施例的介绍可获得对本发明的全面理解，其
中
图1为配电系统一一其包含双扭线现场总线网络以及与设备内现场总 线通信装置接口的"无头"节点一一以及以太网通信系统的框图2为才艮据本发明的配电系统的立体图，该系统在多种配电装置之间 使用无线通信；
图3为才艮据本发明一实施例的配电系统的框图，该系统在星形无线电 频率网络中使用无线通信；
图4为才艮据本发明另一实施例的配电系统的框图，该系统在星形-网形 无线电频率网络中使用无线通信。
具体实施例方式
这里所用的术语"无线，，应清楚包含但不限于无线电频率(RF)、红 外线、IrDA、低速率无线个人局域网(LR-WPANs)、其他类型的无线传 感器网络、无线局域网、IEEE802.il (例如802.11a;802.11b;802.11g)、 IEEE 802.15 (例如802.15.1; 802.15.3;802.15.4 )、其他的无线通信标准(例 如但不限于ZigBeeTM联盟标准)、DECT、 PWT、寻呼(pager) 、 PCS、 WiFi、 BluetoothTM以及蜂窝(cellular)。
这里所用的术语"通信网络"应当明确包括但不限于以太网、任何局 域网(LAN)、广域网(WAN)、现场总线、内特网(intranet)、外特 网(extranet)、全^Uf信网、互联网和/或无线通信网络。
这里所用的术语"便携式无线通信装置"应当明确包括但不限于任何 具有无线通信端口的便携式通信装置(例如便携式无线装置；便携式无线 显示器；便携式无线^Mt者接口；便携式个人计算机(PC);个人数字助 理(PDA);数据电话)。
本发明结合开关设备系统进行介绍，但本发明适用于广阔范围内的配 电系统(例如但不限于电动机控制中心(MCCs);組装式控制器(例如 机器/设备安装的)；仪表板；负载中心)。
图2示出了配电系统20，其包含机箱22;机箱22内的多个第一装 置24、 26、 27、 28; —个或一个以上的第二装置，例如30、 31、 32、 33、 34。示例性第一装置24、 26、 27、 28包括保护性装置24、计量装置26与 27以及控制装置28。第二装置30、 31、 32、 33、 34包括安装在机箱22 上的装置30与31、机箱22外的装置32与33、结构化为对系统进行监视 以及与远程位置通信的监^L装置34。第一装置24、 26、 27、 28以及第二 装置30、 31、 32、 33、 34之间的通信使用无线通信。
实例l
例如，无线通信可以为RF通信，可由适当的RF通信网络提供，例 如低速率无线个人局域网(LR-WPAN)，其是低功率短距离RF通信网 络。用于LR-WPAN中的装置的合适收发器的实例在美国专利申请公开 No.2004/0233855与2004/0235468中公开，其引入此处作为参考。
实例2
配电系统机箱22可以为例如开关设备或电动机控制中心金属拒或合 适的塑料机箱。无线通信包括内部装置24、 26、 27、 28、 34以及外部装置 30、 31、 32、 33——包括机箱22的前表面36上的装置30、 31——之间的 内部与外部无线通信(例如无线数据(消息)传送(routing))。例如， 对于电动机控制中心机箱，多个保护性、计量和控制装置24、 26、 27、 28 典型地安装在单独的机柜38 (其被称为吊根(bucket))内。例如，对于 开关设备，这些单独的机柜38被称为盒(cassettes)，其可容纳断路器。 这些装置也可安装在母线或电缆(未示出)上。
保护性装置24的非限制性实例包括断路器、跳闸单元、保护性继电器 和电动机过载继电器。
计量装置26、 27的非限制性实例包括仪表(例如面板安装的电流/ 电压表；瓦特-小时表；功率因数表；电力品质表)；电压、电流和/或温 度传感器(例如但不限于安装在现有装置的端子上；安装在母线(未示出) 上)。
控制装置28的非限制性实例包括电动机启动器、接触器、可变速度驱 动器、定时器、可编程逻辑控制器(PLC)以及其他控制器装置。
系统20消除了目前用在开关设备或电动机控制中心柜中以便从保护 性、控制和/或计量装置向本地/远程显示器或远程计算机/数据中心传送信 息的电气布线(例如图l的现场总线网络4)。
实例3
至少某些第一装置——例如24——可为电流供电(current powered ) 装置。适当的电流供电装置的实例在2004年10月12提交的美国专利申请 No.10/962,682、 2005年1月19日提交的No.ll/038，899中公开，其引入此 处作为参考。
实例4
系统20可包括一个或一个以上的本地显示器，例如装置30与31，其 可如图所示地安装在机箱22的前表面36上。系统20可进一步包含一个或
一个以上的^"更携式无线通信装置，例如装置32 (例如无线便携式个人计算 机(PC)和33 (例如无线手持电子装置(例如但不限于PDA))，其优 选为至少在某种程度上远离机箱前表面36。
实例5
监视装置34可以为安装在机箱22内部的网关装置。装置34提供对通 信网络40的接口，其可向远程位置(例如但不限于数据中心；另一个计算 机；远程操作者接口显示器；另一个网关装置)(未示出)提供关于系统 20的信息。
实例6
装置31可以为机箱22内部或外的A^L接口 (HMI)装置(例如操作 者接口 )。
实例7
装置30、 31可以为显示器(例如但不限于显示装置；信号器(例如指 示器面板；灯塔柱(light stack poles)))或操作者接口，其安装在机箱 22内部或外部，例如安装在其外部的前表面36上。
实例8
装置32可以为例如个人计算机(PC)，其具有用于监视和/或控制机 箱22内的装置24、 26、 27、 28的定制软件。
实例9
优选的与远程位置的通信机构为合适的设备通信网络，例如以太网通 信网络40。监视装置34可以为安装在机箱22外部、附近或内部(如图所 示)的网关装置(例如RF到以太网网关装置)。装置34提供到有线通信 网络(例如示例性以太网通信网络40)的接口，其可向远程位置(未示出) 提供关于系统20的信息。
实例10
RF通信可通过合适的网形网络提供。优选的通信网络为ZigBee，联 盟标准(Zgibee)网络，其使用可允许几种结构拓朴的灵活的多跳网络， 以保证网络以最大的效率和可靠性运行。
如图2所示，为了获得最大的灵活性和可靠性，Zigbee的网形拓朴是 一种选择，其中，每个节点(即多个装置24、 26、 27、 28、 30、 31、 32、 33、 34)与其直接邻近的节点直接通信。如果单个节点由于任何原因(包 括相对较强的RF干扰的引入)而故障，则RF消息自动通过替代性路径 传送。
实例11
作为使用图2的网形网络的系统20的替代物，RF通信可通过星形网 络提供。参照图3，配电系统20，使用基于星形拓朴50的无线通信网络来 提供高效率的本地化(一次跳跃)通信。在这种星形网络中，中心访问点 (或主导装置(master) ) 52控制54、 56、 58等节点(或从属装置(slave)) 之间的通信。然而，当物理或RF干扰阻塞访问点52和任何节点54、 56、 58之间的通信时，星形网络不能恢复，直到千扰源被移除或者系统20选 择或迁移到替代性频率通道。示例性星形网络拓朴是由主导装置52以及从 属装置54、 56、 58——例如保护性装置(例如断路器)、计量装置和/或控 制装置一一构成的简单无线通信网络。尽管相对简单，这种拓朴需要每个 从属装置54、 56、 58能够直接反向与主导装置52通信。
实例12
作为使用图2的网形网络的系统20或使用图3的星形网络的系统20' 的替代方式，RF通信可在星形-网形网络上提供。参照图4，配电系统20" 使用基于星形-网形拓朴60的无线通信网络。星形主导装置62由控制电压 供电，而从属装置64、 66、 68、 70可自供电。星形主导装置62是允许与 所有节点通信的网形网络的一部分。如果网形节点故障，则可自动发现替 代性的传送路径。IEEE 802.15.4的关键特征为网形概念。在示例性星形-网形网络中，不需要每个节点一一例如保护性装置、计量装置和/或控制装 置一一与单节点(例如图3的主导装置52)通信，节点仅仅需要与邻近的 装置通信。例如，节点72、 74、 76可分别通过节点64、 70、 68通信，以 便与主导装置62通信。或者，在此实例中，节点74可通过节点68通信， 节点76可通过节点78与66的组合与主导装置62通信。因此，物理或RT
干扰是小得多的问题。信息可在任何两个节点之间装置到装置地传送。重
要的是任何对传送来说必需的节点一一例如节点64、 74、 76—一总是被供 电和有效。相反，对于传送来说不是必需的节点一一例如66—一不需要总 是被供电(因为存在一个或一个以上的替代路径)，因此，该装置的电子 电路可以自供电，例如通过断路器的负载电流。
组合的星形-网形拓朴60或超级星形构造结合了网形与星形拓朴的优 点。这优先适用于集群型网络，其中，本地星形节点一一例如72——是可 被寄生供电的相对较为简单的节点，其与总是被供电并具有通过网形进行 通信的能力的全功能节点一一例如64——通信。因此，超级星形拓朴既提 供了效率，又提供了灵活性。
实例13
尽管上面的实例假设从与配电系统机箱22相关联的多个第一与第二 装置之间的有线通信到无线通信的完全转变，将会明了，可以为多个第一 与第二装置——例如24、 26、 27、 28、 30、 31、 32、 33、 34——提供混合 通信，使得一个或一个以上的这种第一与第二装置是有线部件的岛，这种 岛在使用无线通信的其他多个第一与第二装置之间通信。换句话说，任何 一个或一个以上的所述多种第一与第二装置可包括多个在它们之间通过有 线通信(例如但不限于使用有线现场总线)进行通信的子装置，使得这些 多个子装置中的一个作为用于其它这些多个子装置的单"无线"节点并在 其他的多个第一与第二装置之间提供无线通信。
所公开的使用RF通信的系统20、 20，、 20"具有超过先前的有线系统 2 (图1)的多个优点，其包含(1)与破坏性电压暂态隔离和免疫；(2) 由于低功率LR-WPAN通信，在不需要外部控制电力或附加布线的情况下 增加对附加装置(例如断路器)的通信的能力；(3 )至少一个通信节点一一 例如装置30、 31、 32、 33——可在机箱22外。这一特征提供了额外的安 全性(例如但不限于免遭电弧)，因为用户不需要直接位于例如开关设备 或电动机控制中心拒等机箱22的前面。
尽管这里出于公开清楚起见参照了用于显示与系统20有关的信息的
示例性显示器(例如30)，将会明了，这样的信息可被存储、在*更拷贝上 印刷、通过计算机修改或与其它数据组合。所有这些处理应当4皮视为属于 这里所使用的术语"显示器"或"显示"的范围。
尽管详细介绍了本发明的具体实施例，本领域技术人员将会明了，在 本公开的总体教导下，可开发对这些细节的多种修改和替代。因此，所公 开的特定布置意p未着仅仅是说明性的，不对本发明的范围进行限制，本发 明的范围由所附权利要求及其任何以及全部等价内容的全部宽度给出。
权利要求
1.一种配电系统(20，20′，20″)，其包含机箱(22)；所述机箱内的多个第一装置(24，26，27，28)，所述第一装置为保护性、计量或控制装置；以及至少一个第二装置(30，31，32，33，34)，所述至少一个第二装置安装在所述机箱上(30，31)、位于所述机箱外(32，33)或作为被结构化为监视所述系统以及与远程位置通信的监视装置(34)，其中，所述第一装置与所述至少一个第二装置之间的通信是无线通信。
2. 根据权利要求l的配电系统(20, 20'， 20")，其中，所述无线通 信为无线电频率通信。
3. 根据权利要求2的配电系统(20, 20'， 20")，其中，所述无线电 频率通信由无线电频率通信网络提供。
4. 根据权利要求3的配电系统(20， 20，， 20")，其中，所述无线电 频率通信网络为低速率无线个人局域网。
5. 根据权利要求2的配电系统(20)，其中，所述无线电频率通信通 过网形网络提供。
6. 根据权利要求2的配电系统(20，)，其中，所述无线电频率通信 通过星形网络提供。
7. 根据权利要求2的配电系统(20")，其中，所述无线电频率通信 通过星形-网形网络提供。
8. 根据权利要求l的配电系统(20， 20'， 20"),其中，所述机箱为 开关设备或电动机控制中心柜(22 )。
9. 根据权利要求l的配电系统(20， 20，， 20")，其中，至少一些所 述第一装置为电流供电的装置(24)。
10. 根据权利要求1的配电系统(20， 20，， 20")，其中，所述第一 装置选自保护性装置(24)、控制装置(28)以及计量装置(26, 27)。
11. 根据权利要求10的配电系统(20， 20'， 20")，其中，所述保护 性装置(24)选自断路器、跳闸单元、保护性继电器和电动机启动器。
12. 根据权利要求1的配电系统(20， 20，， 20")，其中，所述至少 一个第二装置为便携式无线通信装置(32, 33)。
13. 根据权利要求12的配电系统(20， 20', 20")，其中，所述便携 式无线通信装置为个人数字助理(33)。
14. 根据权利要求1的配电系统(20， 20，， 20")，其中，所述至少 一个第二装置为安装在所述机箱外的操作者接口 (31)或显示器(30)。
15. 根据权利要求1的配电系统(20， 20，， 20")，其中，所述机箱 包含外表面(36);且其中，所述至少一个第二装置为安装在所述机箱的 外表面上的操作者接口 (31)或显示器(30)。
16. 根据权利要求1的配电系统(20， 20'， 20")，其中，所述至少 一个第二装置为网关装置(34)。
17. 根据权利要求16的配电系统(20， 20'， 20")，其中，所述网关 装置安装在所述机箱的内部。
18. 根据权利要求16的配电系统(20， 20，， 20"),其中，所述网关 装置为以太网网关装置(34)。
19. 才艮据权利要求1的配电系统(20， 20'， 20")，其中，所述至少 一个第二装置为安装在所述机箱外的人机接口装置(31)。
20. 根据权利要求1的配电系统(20， 20'， 20"),其中，所述至少 一个第二装置包含安装在所述机箱内部的网关装置(34)和所述机箱外的 显示装置(30， 31)。
全文摘要
一种配电系统，其包含开关设备或电动机控制中心柜；机柜内的多个第一保护性、计量或控制装置；一个或一个以上的第二装置。第二装置包括安装在机柜上的显示装置、机柜外的显示装置、被结构化为对系统进行监视并与远程位置通信的监视装置。第一装置与第二装置之间的通信是无线通信。
文档编号H02J13/00GK101341644SQ200680047934
公开日2009年1月7日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者C·J·利布基, J·A·韦弗, J·C·恩格尔, J·L·拉格雷 申请人:伊顿公司