通信网络、功率变流器柜和用于其的方法与流程

本发明涉及一种功率变流器柜内的通信网络。本发明还涉及一种功率变流器柜以及一种用于在功率变流器柜内通信的方法。

背景技术：

通信是功率变流器必需和集成的部分。这类通信需要稳定、可靠且具有相当短的延时。控制单元需要与数个、甚至数百个或更多构件/电池/功率模块通信。通信单元可以被置于不同的电位(几千伏以上)，要求发射器和接收器之间具有电气绝缘。

解决这类通信问题的传统方法是使用光纤，光纤可以提供足够短的延时、充足的数据速率以及电气绝缘。这些光学部件的问题在于，它们的性能会随着时间下降。此外，它们还需要大量的安装工作，并且用于安装光缆的一些空间不一定总是可用，从而导致因过度弯折等而造成损坏。

现有技术解决方案通常应用

·光纤，价格高而且性能随着时间下降，以及需要费时安装

·其他光学解决方案，例如单独的自由空间光学方案，或者该方案与诸如以太网或工业以太网或类似的有线通信方案的组合，组合方案中自由空间光学部分提供电气绝缘。

jonghokim等人在“antennadirectivityeffectonthedelayspreadatmillimeter-wave”,advancedcommunicationtechnology(icact),201113thinternationalconferenceon,ieee,(2011-02-13),8-12页中，介绍了对毫米波段时延扩展特性的研究。

在us2012207138中，已经提出了无线控制功率网络开关设备的使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提升在柜体内功率变流器的通信可靠性。

根据第一个方面，介绍了一种功率变流器柜内的通信网络。功率变流器柜包括至少一个控制单元以及至少一个功率开关、传感器或执行器。通信网络包括：第一通信点以及第二通信点，第一通信点设置有第一天线，第一天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线发射/接收，其中第一通信点在功率变流器柜内连接到至少一个控制单元；第二通信点设置有第二天线，第二天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第二通信点在功率变流器柜内连接到至少一个功率开关、传感器或执行器；其中第一通信点和第二通信点被配置成设立具有多条传播路径的通信链路，以在功率变流器柜内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

毫米波频带可以是30-300ghz，优选40-100ghz，并且更优选约60ghz。

张角可以是在70度和150度之间，并且优选约120度。

通信网络可以包括第三通信点，设置有第三天线，第三天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第一通信点、第二通信点和第三通信点被配置成设立具有多条传播路径的通信链路，以在功率变流器柜内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

功率变流器柜体可以是至少部分封闭柜，以这种方式，无线毫米波信号在柜壁上反射，其中柜壁材料可以是金属。

柜体可以包括部件和支撑结构，来作为两个通信点之间直接视距的障碍物，并且部件和支撑结构为无线毫米波信号提供任意反射面。

根据第二个方面，介绍了一种功率变流器柜，包括至少一个控制单元以及至少一个功率开关、传感器或执行器，以及依据上文中第一个方面的通信网络。

根据第三个方面，介绍了一种在至少部分封闭功率变流器柜内的通信方法，其中所述功率变流器柜包括至少一个控制单元以及至少一个功率开关、传感器或执行器。本方法包括以下步骤：在功率变流器柜中布置第一通信点，该第一通信点被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线发射/接收，其中第一通信点在功率变流器柜内连接到至少一个控制单元；以及在功率变流器柜中布置第二通信点，该第二通信点被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第二通信点在功率变流器柜内连接到至少一个功率开关、传感器或者执行器；其中第一通信点和第二通信点被配置呈利用多条传播路径，在功率变流器柜内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

方法可以包括在功率变流器柜内布置第三通信点的步骤，第三通信点被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第一通信点、第二通信点和第三通信点被配置成利用多条传播路径，以在功率变流器柜内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

通常地，在权利要求书中所使用的所有术语应当根据它们在本技术领域中的一般含义来解释，在本文中另行明确定义的除外。所有提及“元件、设备、部件、装置、步骤等”的描述均应明确解释为涉及至少一个元件、设备、部件、装置、步骤等的示例，除非另有明确说明。在本文中公开的任何方法步骤，并不需要完全按照公开的顺序执行，除非明确说明。

附图说明

参照附图，本发明以示例的方式描述如下，其中：

图1示意性地示出了功率变流器柜内的多条传播路径。

图2示意性地示出了根据说明书的实施例的功率变流器柜。

图3示意性地示出了根据说明书的实施例的功率变流器柜。

图4示意性地示出了根据说明书的实施例的功率变流器柜。

图5示出了根据说明书的实施例的方法步骤。

具体实施方法

在下文中，将参照附图对本发明作更为详细的描述，其中将示出本发明的特定实施例。然而，本发明可以用许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例；更确切来说，这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且向本领域的人员充分地传达本发明的范围。在整个说明书中，相同的数字代表相同的元件。

本发明的基本思想是利用毫米波无线电的非视距传播，在功率变流器应用中实现时序要求严格的通信。

在功率变流器应用中时序要求严格的通信的解决方案可以是应用基于电磁波传播的无线通信。然而，在ism波段(不同于远程通信，用于工业、科学、医疗目的)中众所周知的无线标准或无线技术，不能轻易地满足这类至关重要应用的要求。除此之外，这种频率波段几乎在世界各地都处于过度拥挤状态，并且因此使用该波段会在容量和严重干扰方面都存在问题。为了避免进入功率变流器系统的干扰和通信中可能的错误所造成的重发和延迟，并且也避免引起对其他系统的干扰，本发明在所述应用中使用毫米波频率(即30-300ghz)。在这些频率中，存在大量的可用的、几乎无需许可的带宽。另一个优点是，在这些高频率下衰减相当高，这在避免功率变流器系统发出或受到干扰方面很有帮助。合理的毫米波频率在40-100ghz之间。由于氧吸收，60ghz左右的衰减特别高。在60ghz附近的波段，60ghz处的大气吸收略大于10db/km。由于氧共振，60ghz点的大气吸收可高达15db/km。

然而，在功率电子领域应用中应用毫米波通信存在挑战。并不能期望在发射器和接收器之间具有视距。这是因为很多金属物体、变压器、电容以及其他电子器件阻塞了发射器和接收器之间的信号传播。因此，在功率变流器应用中，我们无法依靠毫米波通信中通常使用的窄天线波束和直接视距通信。

在有很多反射物体的环境当中，接收器收到的信号会含有发射信号延时后和衰减后的复制信号。这样给出的信道传递函数将随频率变化而显著变化。由于信号分量经历不同的相位偏移，对于某些频率和距离，信号分量有益地增加，而在其他频率和距离，信号分量则会破坏性地增加。这在信道传递函数中，将会体现为顶点(高增益)和零点(或很低增益的谷点)。这些信道传递函数特性已经在有限元计算和现场测量中都得到了证实。

为了在功率变流器柜内实现可靠性高、容量大、延时短的无线通信，使用了具有非视距通信特性的毫米波波段、以及具有合适张角的天线。柜体具有金属和非金属的阻塞物和反射物，通常用来阻塞两个通信点之间的视距通信。

本发明的优点可概括如下：在节点或者通信点之间的电气绝缘、归因于众多ghz可用带宽的高容量无线通信可能、归因于高数据速率(gbit/s)的低延时通信；以及归因于小干扰的有限的重发、灵活的低成本安装、系统设计者仅需建立逻辑连接(不是在部署期间)、以及天线朝向并不重要、归因于毫米波(尤其是在60ghz左右)的高衰减，受到外界系统干扰有限，这产生高可靠性、因高衰减而对其他系统的干扰小、几乎免许可运行；以及灵活的网络连接拓扑可能，包括但不限于星形结构(一点对多点)。

在图1中，示意性地示出了具有数个通信点的通信情形。这些通信点中的每个通信点都使用毫米波无线通信以及为允许非视距通信而具有某些张角的天线，与网络中的其他通信点中的一个或数个进行通信。网络中的无线发射器和接收器例如使用一点对多点通信，以灵活的方式为所有单元或者通信点服务。

本应用的张角用于宽波束贴片天线。对于其他类型天线，可以为相同波束宽度提供其他的张角限定。

从无线点传播的角度来看，通信点的布置可以任意选择。设计目标是将天线放置在离具有通信需求的节点尽可能近的地方，优选在节点上。

图1示出了一个在功率变流器柜内的具有发射/接收通信点(每个通信点既有发射又有接收功能)的无线通信网络、以及障碍物阻塞直接视距信号路径的快照。不同的线型示出一组不同和可能的信号传播路径，从而导致多路径信道特性。

如图1中示例所示，从发射通信点3a到接收通信点2存在数条不同的传播路径。三条不同的传播路径被示出，一条点线、一条虚线和一条实线。尽管在通信点2和通信点3a之间缺乏视距通信传播，这允许建立通信链路。这和典型毫米波通信特性形成对比，典型毫米波通信期望直接视距链路。

在功率变流器柜内，在非视距传播条件下，只要天线张角足够大而能够接收反射波，通信就可以进行。需要注意的是，天线张角原则上能在小于1度至360度之间变化。通过使天线具有很窄波束以及减小的张角，信道的多路径特点被削弱，使得根据频率的波动减小(更加扁平)。在这种情况下，若通信点之间的障碍物很多，存在无法在通信点之间建立连接的风险。通过增加天线的张角，将更容易建立连接，但同时传递函数变量也会根据频率而增加。较大的天线张角还会增加接收更多进入系统内部外界干扰的可能性。这转而导致一个事实，即天线的张角的选择是重要的设计决定。

约120度的天线张角使得在本应用中有足够多的反射射线被接收，并且有利于建立通信链路。如果张角过小，例如小于20度时，可能会出现某些位置(通信点)因没有视距路径而无信号覆盖的情况，并且过小的张角无法捕捉反射射线。如果张角过大，例如大于180度时，可能会出现接收过多反射的情况，导致极端的多路径情况，这种情况即使采用先进的信号处理技术也无法解析。采用70度和150度之间的天线张角为通信网络提供了合理的稳定性。

信号处理技术会根据特定系统情形的多路径特点被应用，而特定系统情形的多路径特点取决于例如系统实体布局、天线特点、柜体尺寸、作为障碍物的部件类型以及障碍物数目。为有利于正常接收，例如包括一些用于信道估计、载波恢复、载波频率和相位跟踪的训练序列可以更有利。在某些情况下，采用一个简单均衡器甚至不用均衡器就已足够，而在其他情形中，与均衡技术的合理结合的例如正交频分复用(ofdm)或者码分多址(cdma)，扩频技术或者这些技术的组合的高级调制方法可能更有利。有利地，其他情形也可以包括某种形式的分集接收技术与高级错误控制编码和/或混合自动重传请求技术(arq)的组合。

通信网络的拓扑可以采取不同形式，包括例如具有中央单元和若干节点的星形网络、或者环形网络或混合网络。

归因于天线特点(频率和张角)、多条传播路径以及阻塞物/反射物，即使在发射通信点2和接收通信点3a之间没有视距的情况下，由于功率变流器柜内存在任意反射，通信也被建立。

结合图2至图4来描述本发明可能的应用情形示例。

图2示意性地示出了功率变流器的单个柜1。在这种情况下，通信网络被用于在控制器5和多个功率开关6a-d之间提供数个gbit/s的高数据速率信息。这些功率开关接收数据来判断他们应该导通或者关断，并且往回向控制器5或者其他相邻的功率开关提供快速故障数据。控制器5设置有第一通信点2，并且功率开关6a-d各自都具有其自己的通信点3a-d。

图3示意性地示出了多个不同功能柜体放置在一起，形成在封闭柜体内的功率变流器系统1。在这个系统中，功率变流器柜1的左侧部分可以设置多个控制器5，7a-b以及甚至是冗余的控制器7a-b。在此处，无线系统连接到控制器。无线数据继而被发送到在功率变流器柜1中间部分的功率开关6a-d处，并且也发送到在功率变流器柜右侧部分的传感器8-10处。所述传感器/测量设备可以既是高速的又是低速的。

功率变流器柜的右侧部分可以包括功率变流器的诸如电感器8、电容器9以及机械开关10的非有源部件。作为总体控制过程的一部分，例如电压v、电流±和温度t的各种信号可以被测量并且被发回到控制器5，7a-b。控制器也可以向功率变流器内的不同执行器发送指令，例如开启和关闭风扇，断开和闭合接触器等。这些执行器可以接收和发射低速和高速数据。

图4示意性地示出了一个冗余无线系统，放置在可能以不同频率和不同实体路径发送数据的位置。在这种情况下，控制器7a和7b是两个冗余控制器，并且控制器5是监管单元。两个冗余控制器都能够从例如高速电流传感器8的传感器接收数据，并将开关数据发送至功率开关6a。其中一个控制器(例如7a)作为有效控制器，并且控制功率开关6a，而另外的冗余控制器(例如7b)处于闲置待机。若控制器7a故障，则控制器7b随即可以自动地、或者由监管控制器(例如5)发出指令时来接管控制操作。

功率变流器柜的应用可以包括用于泵送、牵引和船舶应用的电机调速系统。此外，功率变流器柜可以用于风力涡轮机的静态换流器、用于发电的励磁系统等。

所考虑的功率变流器应用中的一种可能需要具有高数据速率以及低延迟通信解决方案的高可靠性通信。在本发明中，利用毫米波无线技术来提供所需要的系统特征。除了大量免许可的可用带宽之外，毫米波技术的自然限制(高衰减、短距离、多路径独立传播)也是十分有益的。

尽管在上文已经主要描述了对功率开关的控制，对于诸如控制单元、功率开关、传感器以及执行器的有源设备/部件之间的通信，发送读取/写入的数据同样是适用的。功率开关可以使用无线通信将例如状态信息的数据发回。数据也可以从传感器发回到控制器，或者，控制器可以向执行器发送指令信号。

参照图1至图4，接下来将对功率变流器柜1中的通信网络作一般地介绍。功率变流器柜1包括至少一个控制单元5或7a和7b以及至少一个功率开关6a-d、传感器8-10或执行器。通信网络包括：第一通信点2以及第二通信点3a-d，第一通信点2设置有第一天线，第一天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线发射/接收，其中第一通信点2在功率变流器柜1内连接到至少一个控制单元5或7a和7b；第二通信点3a-d设置有第二天线，第二天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第二通信点3a-d在功率变流器柜1内连接到至少一个功率开关6a-d、传感器8-10或执行器；其中第一通信点和第二通信点被配置成设立具有多条传播路径的通信链路，以在功率变流器柜1内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

毫米波频带可以是30-300ghz，优选40-100ghz，并且更优选约60ghz。

天线张角可以是70-150度，并且优选约120度。

通信网络可以包括第三通信点3a-d，设置有第三天线，第三天线被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第一通信点、第二通信点和第三通信点被配置成设立具有多条传播路径的通信链路，以在功率变流器柜1内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

功率变流器柜体1可以是至少部分封闭柜，以这种方式，无线毫米波信号在柜壁上反射，其中柜壁材料可为金属或者非金属(例如塑料)，和/或带有气隙。

可以预见，通过在壁上设置气隙，使得允许外部接收某些rf信号的功率变流器柜能够与外部节点(例如移动电话、智能设备、平板等)进行通信。然而，柜壁仍然可以反射某些无线信号，来改善柜内的通信。

功率变流器柜1可以包括部件和支撑结构，部件和支撑结构作为两个通信点2，3a-d之间直接视距通信的障碍物4a-g，并且为无线毫米波信号提供任意反射面。

介绍了一种功率变流器柜1，包括至少一个控制单元5、7a-b以及至少一个功率开关6a-d、传感器8-10或执行器，以及上文中描述的通信网络。

参照图5，介绍用于在至少部分封闭功率变流器柜1内通信的方法。功率变流器柜1包括至少一个控制单元5或7a和7b以及至少一个功率开关6a-d、传感器8-10或执行器。该方法包括如下步骤：在功率变流器柜1中布置20第一通信点2，该第一通信点2被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线发射/接收，其中第一通信点2在功率变流器柜1内连接到至少一个控制单元5或7a和7b；以及在功率变流器柜1中布置21第二通信点3a-d，第二通信点3a-d被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第二通信点3a-d在功率变流器柜1内连接到至少一个功率开关6a-d、传感器8-10或执行器；其中第一通信点和第二通信点被配置成利用多条传播路径在功率变流器柜1内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

所述方法还可以包括如下步骤，在功率变流器1中布置24第三通信点3a-d，第三通信点3a-d被配置成以20度和180度之间的张角在毫米波频带中无线接收/发射，其中第一通信点、第二通信点和第三通信点被配置成利用多条传播路径在功率变流器柜1内不同的有源设备和/或有源部件之间发送数据。

无线毫米波信号可以在柜壁上反射，其中柜壁可以由金属材料制成，以利于毫米波信号的反射。

无线毫米波信号可以在功率变流器柜1内部的部件和支撑结构4a-g处任意反射，以利于在功率变流器柜内部通过多路径传播通信。

在上文中，已经参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如本领域技术的人员所容易理解的那样，在如所附专利权利要求所限定的本发明范围内，除上文已公开之外的其他实施例同样是可能的。