电磁装置和状态监测和/或控制系统、方法和用途与流程

本公开涉及一种包括磁场发生电路的电磁装置、以及被配置用于监测该电磁装置的状态和/或控制该电磁装置的系统。本公开还涉及一种用于监测和/或控制电磁装置的方法。本公开还涉及电磁装置通过其监测和/或控制系统的用途。

背景技术：

1、监测包括磁场发生电路的电磁装置(例如变压器或电抗器)的状态的系统和/或控制此类电磁装置的系统是众所周知的。通过此类系统可监测和评估与此类电磁装置运行相关的各种感兴趣的物理特性，以预测和防止电磁装置的故障。

2、例如，温度和湿度传感器可用于确定变压器或电抗器的绝缘液的温度以及变压器箱体或电抗器箱体内的水分含量。来自状态监测系统的数据可用于触发警报，以便尽早发现问题和/或在问题升级之前采取适当的措施。附加或替代地，来自状态监测系统的数据可用于启动保护措施，例如启动冷却风扇或泵以循环绝缘液，以帮助冷却变压器或电抗器的绕组、芯和结构部件。控制系统可用于调节变压器或电抗器的温度和/或变压器或电抗器的输出电压。

3、位于变压器或电抗器附近的状态监测传感器和控制单元可以被配置为通过串行或并行通信和/或以太网链路使用光纤、电线、通常在mhz或ghz频率范围内运行的无线电系统或电力线通信系统(pcs)，将数据发送到本地和/或远程处理器、控制系统、用户连接装置或网关。

4、在现代电力传输设施(如变电站和换流站)中，数据的无线传输正在变得越来越重要，尤其是当需要向(或者从)位于高压位置的传感器和控制单元传输数据或电力时。然而，在这种恶劣的电磁环境中，可靠而鲁棒的信号传输要求接收天线位置的信号强度尽可能高。

5、在许多情况下，例如当需要在变压器箱体内进行通信时，信号的传输可能变得非常具有挑战性，因为周围复杂的三维几何结构包括许多导电部件，这些部件可能会屏蔽传播的电磁场。通常，唯一的解决方案是引入作为中继器或中继发送器的额外接收器或发送器，以便将来自传感器的信号可以传输到远程终端单元(rtu)或期望的网关。这不仅可能成本高昂，还可能导致与制造和安装相关的问题，并可能增加发生电气放电的风险。

6、众所周知，通过添加由调谐到用于传输的频率的电感或电容谐振电路构成的无源中继器，可以提高无线数据传输系统的范围(例如可参见christoph degen的标题为“inductive coupling for wireless power transfer and near-field communication”的文章，该文章于2021年在《无线通信与网络杂志(journal on wireless communicationsand networking)》上发表)。中继器吸收所接收到的信号并以非常高效的方式重新发射。因此，即使存在阻碍直接通信的导电结构，也可以在发送器和接收器之间建立通信。此外，使用此类中继器可以增加可能的通信范围。

技术实现思路

1、本公开的目的在于提供一种包括具有至少一个绕组的磁场发生电路的电磁装置以及被配置为监测该电磁装置的状态和/或控制该电磁装置的系统的改进布置。

2、该目的通过权利要求1中所述的包括至少一个绕组的电磁装置和状态监测和/或控制系统来实现。

3、状态监测和/或控制系统包括至少一个第一装置(包括发送器/收发器)以及至少一个第二装置(包括接收器/收发器)。至少一个第一装置被配置为将至少一个信号无线地发送到至少一个第二装置。至少一个第一装置被配置为以与电磁装置的至少一个绕组的谐振频率相对应的频率发送至少一个信号，由此电磁装置因此被配置为用作用于被发送的至少一个信号的无源中继器。

4、被监测和/或控制的电磁装置具有谐振(自然)频率，存在该频率是因为电磁装置的一个或多个绕组可视为多个串联电感和并联电容。当电磁装置以等于一个或多个谐振频率的频率振荡的电压激励时，发生谐振。因此，电磁装置将用作电感耦合器，其从监测和/或控制系统的信号发送装置收到至少一个信号并将其中继到监测和/或控制系统的信号接收装置。这使得位于电磁装置的至少一个绕组周围或内部的任意位置的发送器和接收器之间能够实现有效的信号传送。

5、由此，将实现无线信号传输范围的扩展，并且将增强与放置在复杂导电结构内部的屏蔽位置处的无线装置建立通信的可能性。此外，无需为了增强在至少一个第一装置和至少一个第二装置之间传送的至少一个信号而添加额外的部件，例如作为中继器或中继发送器的额外接收器或发送器。此外，这些改进无需额外成本即可实现，因为除了被监测和/或控制的电磁装置中已经存在的谐振结构之外，不需要额外的信号传送增强部件。

6、每个绕组的电感值和匝间电容值确定可以被至少一个第一装置激励的本征模态的频谱。最低谐振频率对应基础本征模态，其中沿绕组的总电导体长度具有波长级(theorder of the wavelength)。此模态具有全局性质，并且随着与绕组的距离增加，产生的电磁场衰减相对较慢。高阶模态，其中电导体长度是半波长的整数倍，具有更精细的结构，并且随着与绕组的距离增加，场衰减更快。

7、本公开文本中使用的术语“电磁装置的至少一个绕组的谐振频率”旨在表示至少一个第一装置被配置为以与由状态监测和/或控制系统监测和/或控制的电磁装置的绕组谐振的频率相对应的频率发送至少一个信号，这将用于确保谐振耦合得到优化。

8、根据本发明的一个实施例，包括磁场发生电路(该电路包括至少一个绕组)的电磁装置包括以下各项中的至少一个：变压器、电力变压器、电抗器、发电机、旋转电机、同步机、异步机、电动机、基于电力电子的装置(例如高压直流(hvdc)装置或柔性交流输电系统(facts)装置)。也就是说，本发明可用于监测任何应用中使用的包括磁场发生电路(该电路包括至少一个绕组)的电磁装置的状况和/或控制该电磁装置。

9、本公开文本中使用的术语“绕组”旨在表示形成电流可流过的连续通路的一匝或多匝电导体(例如电线)。术语“线圈”也可用于描述其中电导体以环形、连接的同心环序列、螺线、螺旋线或任何其他形状缠绕的一个或多个绕组。

10、根据本发明的一个实施例，至少一个信号是至少一个数据信号或至少一个功率信号、或至少一个数据信号和至少一个功率信号的组合。至少一个第一装置即可以被配置为发送一个或多个数据信号、一个或多个功率信号、或一个或多个数据信号和一个或多个功率信号两者。因此，被监测和/或控制的电磁装置可以用作用于数据通信和/或电力传输的无源中继器。

11、无线通信和/或电力传输系统可在靠近电磁装置的环境中建立，并且可以提供最大的电力传输效率，而无需在至少一个第一装置的信号发送器/收发器和至少第二装置的接收器/收发器之间添加任何信号传送增强部件。

12、根据本发明的一个实施例，监测和/或控制系统缺少仅用作中继器或中继发送器以增强至少一个信号的传送的额外接收器、发送器或收发器。由状态监测和/或控制系统监测和/或控制的电磁装置是状态监测和/或控制系统中被配置为用作用于被发送的至少一个信号的中继器的唯一部件。优选地，监测和/或控制系统中包括的仅有的发送器、接收器和/或收发器是至少一个第一装置中包括的发送器/收发器和至少一个第二装置中的接收器/收发器，其被配置为将至少一个信号从至少一个第一装置经由被监测和/或控制的电磁装置直接发送到至少一个第二装置，而无需通过额外指定的接收器、发送器或收发器来增强。

13、根据本发明的一个实施例，至少一个第一装置和至少一个第二装置可以是被配置为发送和/或接收数据和/或发送和/或接收电力的任意一个或多个装置。至少一个第一装置和至少一个第二装置可以包括以下各项中的至少一项：传感器、控制单元、能量采集装置、处理器、显示装置、用户连接装置(user interface)、远程终端单元(rtu)、数据存储单元、网关。也就是说，为了监测电磁装置的状况和/或控制电磁装置的目的，数据或电力可以在状态监测和/或控制系统的任意两个或更多个装置之间传送。

14、根据本发明的一个实施例，至少一个第一装置和/或至少一个第二装置被定位在以下位置中的一个位置：径向地位于电磁装置的至少一个绕组内、在电磁装置的箱体内部、距电磁装置的至少一个绕组小于50米、小于40米、小于30米、小于20米或小于10米的距离处。也就是说，本发明的任何实施例中的至少一个第一装置和至少一个第二装置中的至少一个、一部分或全部可被定位在距电磁装置的至少一个绕组小于50米、小于40米、小于30米、小于20米或小于10米的距离处。

15、本发明可用于电磁装置的一个或多个大型绕组(即一个或多个直径大于一米的绕组，例如，hvdc/facts装置中使用的绕组)附近。

16、根据本发明的一个实施例，频率是1khz至1ghz范围内的频率，例如，1khz-1000khz、1khz-500khz、500khz-1000khz、0.005khz-10mhz、0.01khz-10mhz、1.0khz-10mhz、1.0khz-100mhz、100mhz-1 ghz的范围内的频率。例如，电力变压器等电磁装置的相关频率可以在10khz至1mhz的范围内。例如，几何尺寸较小的电磁装置的相关频率可以高于1mhz并且不超过1ghz。

17、本发明还涉及一种用于监测包括至少一个绕组的电磁装置的状态和/或用于控制包括至少一个绕组的电磁装置的方法。所述方法包括以下步骤：提供包括至少一个第一装置(包括发送器/收发器)以及至少一个第二装置(包括接收器/收发器)的状态监测和/或控制系统；以及将至少一个信号从至少一个第一装置无线地发送到至少一个第二装置。所述方法还包括以下步骤：配置至少一个第一装置以与要由状态监测和/或控制系统监测和/或控制的电磁装置的至少一个绕组的谐振频率相对应的频率发送至少一个信号，从而将电磁装置用作用于被发送的至少一个信号的无源中继器。

18、这种方法可以通过以下各项实施：根据本文所述任一实施例的包括磁场发生电路(该电路包括至少一个绕组)的电磁装置和状态监测和/或系统的布置中的任一布置。

19、根据本发明的一个实施例，所述方法包括无线地发送至少一个数据信号和/或至少一个功率信号的步骤。

20、根据本发明的一个实施例，所述方法缺少以下步骤：使用仅用作中继器或中继发送器以增强至少一个信号的传送的额外接收器或发送器无线地传送至少一个信号，由此被监测和/或控制的电磁装置是根据本公开的方法中使用的唯一指定无源中继器。

21、根据本发明的一个实施例，至少一个第一装置和至少一个第二装置可以是被配置为发送和/或接收数据和/或发送和/或接收电力的任意一个或多个装置。至少一个第一装置和至少一个第二装置可以包括以下各项中的至少一项：传感器、控制单元、能量采集装置、处理器、显示装置、用户连接装置、远程终端单元(rtu)、数据存储单元、网关。

22、根据本发明的一个实施例，所述方法包括以下步骤：将至少一个第一装置和/或至少一个第二装置定位在以下位置中的一个位置：径向地位于电磁装置的至少一个绕组内、在电磁装置的箱体内部、距电磁装置的至少一个绕组小于50米、小于40米、小于30米、小于20米或小于10米的距离处。

23、根据本发明的一个实施例，频率是1khz至1ghz范围内的频率，例如，1khz-1000khz、1khz-500khz、500khz-1000khz、0.005khz-10mhz、0.01khz-10mhz、1.0khz-10mhz、1.0khz-100mhz、100mhz-1 ghz范围内的频率。

24、根据本发明的一个实施例，包括磁场发生电路(该电路包括至少一个绕组)的电磁装置包括以下各项中的至少一项：变压器、电力变压器、电抗器、发电机、旋转电机、同步机、异步机、电动机、基于电力电子的装置(例如，高压直流(hvdc)装置或柔性交流输电系统(facts))。

25、本发明还涉及由状态检测和/或控制系统监测和/或控制并且包括磁场发生电路的电磁装置的至少一个绕组作为无源中继器以增强从其状态监测和/或控制系统的发送器发送到接收器的至少一个信号的传送的用途。根据本文所述任一实施例的电磁装置和状态监测和/或控制系统的布置可以通过这种方式使用。