具有触电保护功能的传输配电系统及其操作方法
阅读说明：本技术 具有触电保护功能的传输配电系统及其操作方法 (Transmission and distribution system with electric shock protection function and operation method thereof ) 是由 刘建宏 张益华 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：一种具有触电保护功能的传输配电系统及其操作方法,其中具有触电保护功能的传输配电系统包含一传送端与一接受端。该传送端包含一开关、一电流测量器、一信号产生器以及一控制器。该接受端包含一滤波器。该开关耦接一第一直流电源与一传输线。该电流测量器耦接该传输线,测量该传输线的一电流,且提供一电流信号。该信号产生器提供一扰动信号至该传输线。控制器接收该电流信号,且提供一控制信号控制该开关。该控制器判断该电流信号具有该扰动信号时,该控制信号控制该开关关断。(A transmission and distribution system with electric shock protection function and an operation method thereof are provided, wherein the transmission and distribution system with electric shock protection function comprises a transmitting terminal and a receiving terminal. The transmitting terminal comprises a switch, a current measurer, a signal generator and a controller. The receiver includes a filter. The switch is coupled to a first DC power source and a transmission line. The current measurer is coupled to the transmission line, measures a current of the transmission line, and provides a current signal. The signal generator provides a disturbing signal to the transmission line. The controller receives the current signal and provides a control signal to control the switch. When the controller judges that the current signal has the disturbance signal, the control signal controls the switch to be switched off.)
技术领域
本发明涉及一种传输配电系统，特别涉及一种具有触电保护功能的传输配电系统及其操作方法。
背景技术
基站对于远端设备的供电，因为传输距离较远的原因，是通过在传送端将交流电源转换为高压的直流电压，再通过电力传输线的方式，传送该高压的直流电压(例如190伏特)至远端的接受端，并且再通过降压为低压的直流电压(例如48伏特)对直流负载设备供电。而因为传输的电压较高且传输距离较远的关系，有可能会发生人体或其它生物误触导致感电的危险，在远端传输产品的应用上，需要符合ATIS-0600030的规定，亦即需符合生物感电保护的规定。
一般而言，若人体碰触的位置是直流电压的某一端与大地之间时，因部分电流通过大地而没有回到直流电压，此时传送出的电流与返回的电流不相等，传送端可以得知发生了接地异常而断电。然而，若人体碰触的位置是位于直流电压的正、负端子之间，则传送端并无法判断是正常负载还是发生了人体感电意外，所以应考虑如何避免人体感电意外。
请参见图1所示，其为现有传输配电系统用以检测触电与否的系统方框图。该传输配电系统具有一传送端(侧)与一接受端(侧)，其中该接受端是通过一传输线LX，例如一电力传输线，接收该传送端所传送的电力，进而对一负载100供电。该传送端包含一交直流转换器12A、一开关14A、一传送端电流测量器16A以及一传送端控制器18A。该接受端包含一直流转换器22A、一接受端电流测量器24A以及一接受端控制器26A。
该交直流转换器12A为一升压转换器，用以将一交流输入电源VAC转换为一第一直流电源VDC1，其中该第一直流电源VDC1可为例如但不限定为190伏特的直流高电压。该开关14A耦接该交直流转换器12A的输出侧与该传输线LX。该传送端电流测量器16A耦接该传输线LX与该传送端控制器18A，用以测量在该传送端流经该传输线LX的电流大小，且提供一传送端电流信号SIT。该传送端控制器18A接收该传送端电流信号SIT可得知在该传送端流经该传输线LX的电流大小，且提供一开关控制信号SW，以控制该开关14A的导通与关断，进而控制该传送端所提供的电力是否传送至该接受端。
该直流转换器22A为一降压转换器，用以将该第一直流电源VDC1降压为一第二直流电源VDC2，该第二直流电源VDC2可为例如但不限定为48伏特的直流低电压。该接受端电流测量器24A耦接该传输线LX与该接受端控制器26A，用以测量在该接受端流经该传输线LX的电流大小，且提供一接受端电流信号SIR。该接受端控制器26A接收该接受端电流信号SIR可得知在该接受端流经该传输线LX的电流大小。
再者，该传送端控制器18A与该接受端控制器26A是通过一通信线LC进行双向通信。具体地，该传送端控制器18A可通过该通信线LC将在该传送端流经该传输线LX的电流大小的信息传送至该接受端，或者该接受端控制器26A可通过该通信线LC将在该接受端流经该传输线LX的电流大小的信息传送至该传送端，借此，通过该传送端控制器18A或该接受端控制器26A判断该在该传送端流经该传输线LX的电流大小与在该接受端流经该传输线LX的电流大小两者之间的差异。
在现有传输配电系统用以检测触电与否的方式(作法)是通过利用该传送端与该接受端之间的网络传输电流信息，进而检测两者之间的该传输线LX是否发生人员误触感电的意外。
而，在现有传输配电系统由于该传送端与该接受端两者的距离甚远，若使用有线通信将产生通信线架设的问题，即便使用无线通信，一旦发生网络中断、网络传输功率不足或者无网络可用，则该通信线LC将失效而无法作为该传送端控制器18A与该接受端控制器26A之间的通信，如此将无法实现触电保护的功能，将造成人员生命财产安全的损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有触电保护功能的传输配电系统，解决现有技术的问题。
为实现前揭目的，本发明所提出的具有触电保护功能的传输配电系统包含一传送端与一接受端。该传送端通过一传输线传送一第一直流电源至该接受端。该传送端包含一开关、一电流测量器、一信号产生器以及一控制器。该开关耦接该第一直流电源与该传输线。该电流测量器耦接该传输线，测量该传输线的一电流，且提供一电流信号。该信号产生器提供一扰动信号至该传输线。该控制器接收该电流信号，且提供一控制信号控制该开关。该接受端包含一滤波器。该滤波器耦接该传输线。其中该控制器判断该电流信号具有该扰动信号时，该控制信号控制该开关关断。
在一实施例中，该扰动信号载于该第一直流电源上。
在一实施例中，该扰动信号为一电压高频信号。
在一实施例中，该扰动信号具有至少一种频率。
在一实施例中，该传输线的一正端(正极)和一负端(负极)之间有一阻抗时，该电流信号具有该扰动信号。
在一实施例中，该控制器具有一高通滤波器，用以过滤出该电压高频信号。
在一实施例中，该电流测量器为一霍尔效应感测器。
在一实施例中，该控制器对该电流信号进行快速傅里叶转换，以解析出是否具有该扰动信号。
在一实施例中，该接受端还包含一直流转换器。该直流转换器耦接该滤波器，用以将该第一直流电源降压为一第二直流电源。
在一实施例中，该直流转换器为一开关模式电源，且该开关模式电源的一最大开关切换频率小于该扰动信号的一频率。
在一实施例中，当该电流测量器无测量到该扰动信号时，该控制信号控制该开关导通。
通过所提出的具有触电保护功能的传输配电系统，可检测出是否发生人员误触感电的情事，并且当误触感电的情事发生时，能够立即中断供电，立即地排除误触感电的情事，以达到触电保护的功能。
本发明的另一目的在于提供一种具有触电保护功能的传输配电系统的操作方法，解决现有技术的问题。
为实现前揭目的，本发明所提出的具有触电保护功能的传输配电系统的操作方法包含：通过一传输线从一传送端传送一第一直流电源至一接受端；提供一扰动信号至该传输线；测量该传输线的一电流，且提供一电流信号；及判断该电流信号具有该扰动信号时，关断该第一直流电源传送至该接受端。
在一实施例中，该扰动信号载于该第一直流电源上。
在一实施例中，该扰动信号为一电压高频信号，且具有至少一种频率。
在一实施例中，该传输线的一正端和一负端之间有一阻抗时，判断该电流信号具有该扰动信号。
在一实施例中，对该电流信号进行快速傅里叶转换，以解析出是否具有该扰动信号。
通过所提出的具有触电保护功能的传输配电系统的操作方法，可检测出是否发生人员误触感电的情事，并且当误触感电的情事发生时，能够立即中断供电，立即地排除误触感电的情事，以达到触电保护的功能。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1：为现有传输配电系统用以检测触电与否的系统方框图。
图2：为本发明具有触电保护功能的传输配电系统的方框图。
图3：为本发明具有触电保护功能的传输配电系统发生人员触电的示意图。
图4：为本发明具有触电保护功能的传输配电系统的操作方法的流程图。
附图标记说明：
VAC：交流输入电源
VDC1：第一直流电源
VDC2：第二直流电源
LX：传输线
LC：通信线
100：负载
12A：交直流转换器
14A：开关
16A：传送端电流测量器
18A：传送端控制器
22A：直流转换器
24A：接受端电流测量器
26A：接受端控制器
SW：开关控制信号
SIT：传送端电流信号
SIR：接受端电流信号
10：传送端
20：接受端
12：控制器
14：开关
16：电流测量器
18：信号产生器
22：滤波器
24：直流转换器
VD：扰动信号
SI：电流信号
SW：控制信号
IX：电流值
RL：线路阻抗
RB：阻抗
S11～S14：步骤
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图2所示，其为本发明具有触电保护功能的传输配电系统的方框图。该具有触电保护功能的传输配电系统包含一传送端(transmitting terminal)10与一接受端(receiving terminal)20，其中该传送端10与该接受端20相距甚远，有时可达数公里。该传送端10通过一传输线LX传送一第一直流电源VDC1至该接受端20，其中该传输线LX具有一等效的线路阻抗RL。其中该第一直流电源VDC1是经由一交直流转换器(图未示)将一交流电源(图未示)转换所得到，然不限于此。于某些实施例，该第一直流电源VDC1是经由一直流直流转换器将一直流电源转换所得到。该第一直流电源VDC1可为190伏特的直流电压，然不以此为限制本发明。
该传送端10包含一开关14、一电流测量器16、一信号产生器18以及一控制器12。该开关14耦接该第一直流电源VDC1与该传输线LX。其中该开关14不限制为机械式开关或者为功率晶体管开关。该电流测量器16耦接该传输线LX，用以测量该传输线LX的一电流值IX，且根据该电流值IX提供一电流信号SI，测量位置不限于正端或负端。其中该电流测量器16为一霍尔效应感测器(Hall sensor)或罗氏线圈(Rogowski Coil)，然不以此为限制。在本实施例中，该电流值IX是由该接受端20往该传送端10方向流动的电流大小。
该信号产生器18提供一扰动信号VD至该传输线LX。其中该扰动信号VD与该第一直流电源VDC1为叠加的关系，即该扰动信号VD载于该第一直流电源VDC1上。相较于该第一直流电源VDC1的大小(为190伏特)，该扰动信号VD可为5伏特的大小。在本实施例中，该扰动信号VD为高频的电压信号，例如500kHz，但不以此为限制本发明。又或者，该扰动信号VD具有两种以上频率所组成的信号，可根据人体或其它生物的等效阻抗模型来选择适当的扰动频率。该控制器12接收该电流信号SI，且提供一控制信号SW控制该开关14的导通或关断(容后详细说明)。
该接受端20包含一滤波器22与一直流转换器24。该滤波器22耦接该传输线LX，其中该滤波器22可为但不限制为一电感或一电磁干扰滤波器(EMI filter)。该直流转换器24耦接该滤波器22，用以将该第一直流电源VDC1降压为一第二直流电源VDC2，以对一负载100供电之用。其中该第二直流电源VDC2可为48伏特的直流电压，然不以此为限制本发明。值得一提，图2的该传送端10并非限制是单独的模块，该传送端10亦可整合于图1所示的交直流转换器或直流直流转换器(依输入为交流或直流而定)；相同的，图2的该直流转换器24与该滤波器22亦可整合于同一个模块或分开。
以下，说明本发明该具有触电保护功能的传输配电系统的操作原理。如图2所示，由该传送端10传送至该接受端20的电源为该第一直流电源VDC1加上该扰动信号VD(即VDC1+VD)。当无人员误触感电发生时，该第一直流电源VDC1加上该扰动信号VD的电源传送至该接受端20。然而，经由该滤波器22，高频信号的该扰动信号VD将被滤除，因此得到的该第一直流电源VDC1通过该滤波器22到达该直流转换器24。经过该直流转换器24将该第一直流电源VDC1降压得到48伏特的该第二直流电源VDC2对该负载100(例如一直流负载)供电。
在此情况下，因为该滤波器22的存在，高频的该扰动信号VD无法在回路中形成相应的电流，该电流测量器16测量到的该电流值IX并没有明显高频的该扰动信号VD所造成的电流。因此，当该电流测量器16测量到该电流值IX，该电流测量器16提供该电流信号SI至该控制器12。该控制器12内部可通过例如快速傅里叶转换(Fast Fourier Transform,FFT)对该电流信号SI进行运算，但不以此为限制，可解析出是否具有该扰动信号VD的高频成分。在本实施例中，由于从该接受端20往该传送端10流经的该电流值IX并没有明显高频的该扰动信号VD所造成的电流，因此该电流信号SI经该控制器12进行快速傅里叶转换并没有解析出具有该扰动信号VD的高频成分，因此该控制器12提供的该控制信号SW控制该开关14导通，使得该第一直流电源VDC1能够正常且持续地传送至该接受端20对该负载100供电。
而另一实施方式，可通过该电流测量器16测量该电流值IX的涟波，例如使用一些感应线圈式的电流感测器来测量变动的电流大小，并提供该电流信号SI至该控制器12，该控制器12设定一个阈值，当判断该电流信号SI的涟波值低于阈值，则该控制器12提供的该控制信号SW控制该开关14导通，使得该第一直流电源VDC1能够正常且持续地传送至该接受端20对该负载100供电。
请参见图3所示，其为本发明具有触电保护功能的传输配电系统发生人员触电的示意图。由该传送端10传送至该接受端20的电源为该第一直流电源VDC1加上该扰动信号VD(即VDC1+VD)。当发生人员误触感电时，人体将等效在该传输线LX的正、负两端有一阻抗RB，此处以简单的电阻说明人体阻抗。在此情况下，流往该传送端10方向的该电流值IX存在高频信号的该扰动信号VD(由于该高频信号的该扰动信号VD未经过该滤波器22，并且人体不具滤波功能)，经过该阻抗RB所形成的回路流回至该传送端10。因此，该电流测量器16测量该电流值IX，该电流测量器16提供该电流信号SI至该控制器12，此时该电流信号SI的涟波值也会变大，控制器12可以判断出该涟波值已超过阈值，或该控制器12内部通过快速傅里叶转换对该电流信号SI进行运算，可解析出具有该扰动信号VD的高频成分。
由于发生人员误触感电使得该控制器12判断出具有该扰动信号VD的高频成分，因此该控制器12提供的该控制信号SW控制该开关14关断，以中断该第一直流电源VDC1传送至该接受端20，进而使人员误触感电的情事立即地排除，以达到触电保护的功能。
值得一提，该直流转换器24将该第一直流电源VDC1转换为该负载100所需的电压，该直流转换器24可使用例如线性稳压器或开关模式电源(Switch Mode Power Supply,SMPS)等来实现。当使用开关模式电源时，不管开关切换频率是变频控制或定频控制都会造成电流有开关切换频率的成分。因此，该扰动信号VD的频率选择必须能区隔开关切换频率，以避免造成检测的误判。举例说明，当该直流转换器24的最大开关切换频率在100kHz附近时，该扰动信号VD的频率可选择大于100kHz的500kHz，然不以此为限，只要该直流转换器24的最大开关切换频率小于该扰动信号VD的频率即可。频率愈接近会让控制器的设计较为复杂，通过适当的设计该扰动信号VD的频率，该控制器12便可通过设置简单的一高通滤波器将该电流信号SI的特定频率(例如，该扰动信号VD的频率)过滤出，并判断是否有超过一设定的阈值。或者，通过快速傅里叶转换对该电流信号SI进行运算，可解析出具有该扰动信号VD的高频成分。
请参见图4所示，其为本发明具有触电保护功能的传输配电系统的操作方法的流程图。所述具有触电保护功能的传输配电系统包含一传送端与一接受端，该传送端与该接受端是通过一传输线连接。该操作方法包含以下步骤：首先，通过该传输线从该传送端传送一第一直流电源至该接受端(S11)。该第一直流电源是经由一交直流转换器将一交流电源转换所得到，或者该第一直流电源是经由一直流直流转换器将一直流电源转换所得到。
然后，提供一扰动信号至该传输线(S12)。通过一信号产生器产生该扰动信号，其中该扰动信号与该第一直流电源为叠加的关系，即该扰动信号载于该第一直流电源上。该扰动信号为高频的电压信号，例如500kHz，但不以此为限制本发明。又或者，该扰动信号具有两种以上频率所组成的信号，可根据人体或其它生物的等效阻抗模型来选择适当的扰动频率。
然后，测量该传输线的一电流，且提供一电流信号(S13)。通过耦接该传输线的一电流测量器测量该传输线的电流大小，且根据该电流大小提供该电流信号。
最后，判断该电流信号具有该扰动信号时，关断该第一直流电源传送至该接受端(S14)。当无人员误触感电发生时，该第一直流电源加上该扰动信号的电源传送至该接受端。然而，由于该接受端具有耦接该传输线的一滤波器，因此，经由该滤波器，高频信号的该扰动信号将被滤除，因此得到的该第一直流电源通过该滤波器到达该接受端。在此情况下，因为该滤波器的存在，高频的扰动信号无法在回路中形成相应的电流，该电流测量器测量到的该电流大小并没有明显高频的该扰动信号所造成的电流。因此，当该电流测量器测量到该电流大小，该电流测量器提供该电流信号至一控制器。该控制器内部可通过例如快速傅里叶转换(Fast Fourier Transform,FFT)对该电流信号进行运算，但不以此为限制，可解析出是否具有该扰动信号的高频成分。当从该接受端往该传送端流经的该电流大小并没有明显高频的该扰动信号所造成的电流，因此该控制器控制连接于该传输线的一开关导通，使得该第一直流电源能够正常且持续地传送至该接受端对一负载供电。而另一实施方式，可通过该电流测量器测量该电流值的涟波，例如使用一些感应线圈式的电流感测器来测量变动的电流大小，并提供该电流信号至该控制器，该控制器设定一个阈值，当判断该电流信号的涟波值低于阈值，则该控制器提供的该控制信号控制该开关导通，使得该第一直流电源能够正常且持续地传送至该接受端对该负载供电。
当发生人员误触感电时，人体将等效在该传输线的正、负两端有一阻抗。在此情况下，流往该传送端方向的该电流大小存在高频信号的该扰动信号(由于该高频信号的该扰动信号未经过该滤波器，并且人体不具滤波功能)，经过该阻抗所形成的回路流回至该传送端。因此，该电流测量器测量该电流大小，该电流测量器提供该电流信号至该控制器，此时该电流信号的涟波值也会变大，该控制器可以判断出该涟波值已超过阈值，或该控制器内部通过快速傅里叶转换对该电流信号进行运算，可解析出具有该扰动信号的高频成分。由于发生人员误触感电使得该控制器判断出具有该扰动信号的高频成分，因此该控制器控制该开关关断，以中断该第一直流电源传送至该接受端，进而使人员误触感电的情事立即地排除，以达到触电保护的功能。
综上所述，本发明具有以下的特征与优点：
1、通过简单的提供扰动信号载于电源上，即可达到人员误触感电与否的判断。
2、一旦发生人员误触感电，则通过立即地切断供电，使人员误触感电的情事立即地排除，以达到触电保护的功能。
以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以相关申请文件的保护范围为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本公开的权利要求。
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