利用物联网技术的电气灾害预先探测及预防系统的制作方法

1.本发明涉及一种通过测量分析线路的电功率损耗和线路电阻等线路的特性来预先检测电力网的异常征兆而预防电气灾害的技术。若电流超过预先设定的阈值，则电气断路器切断负载供应电功率。虽然在电气断路器的安全极限值以下可能发生电气火灾，但是现有技术没有对此的解决方案。
2.本发明为了检测可能在配电网络中发生的火灾发生异常征兆，利用物联网(iot)技术等通信技术，在带电状态(live)下，在供电端和负载端始终测量着线路的物理量，并间接测量线路上损耗的电功率和成为其原因的线路电阻，从而检测线路的缺陷，进而检测火灾征兆。


背景技术：

3.在现有的火灾检测技术中，通常使用监测大部分火灾时出现的物理信号或者当超过允许电流时切断电路的方法，但是无法预防在过电流断路器的允许跳闸电流内因传输路径的劣化而发生的火灾。现有的电流切断技术难以检测由线路的电功率损耗引起的火灾因素。现有的过电流断路器对于在切断设定电流内由线路上的发热或接触不安全、电弧等火花引起的起火的对策不足。


技术实现要素：

4.技术问题
5.检测供应电功率的电力网的缺陷非常重要，影响安全管理及预防维护/维修。尤其，在灾害发生之前检测缺陷是非常重要的。电气实用化以后，到目前为止，为了早期发现电力系统的缺陷，进行了很多研究。
6.然而，尽管大部分的电力系统具有过电流断路器等安全装置，但是仍然存在对电力设备的负载的不适当的电功率供应和线路的缺陷，这可能是严重的危险因素。现有的安全装置存在即使发生危险情况也无法检测的区域。现有的电气安全技术由于作为电功率供应单元的线路或断路器连接部异常、化学变形及半断路等线路的劣化而在电功率供应中存在缺陷，但对此的考虑不足。即，与负载的大小、线路的条件无关地，依赖于相同的现有的安全装置。
7.现有的过载/漏电切断技术能够检测过载、短路及漏电，因此对于电气灾害的主要原因中的过载和漏电的事故预防对策(功能)在一定程度上得到解决，但是无法在额定电功率内检测因线路或开关等接触不良而产生的电弧/火花等。
8.目前安全相关的主要技术只能在电力网或电力系统中的电气缺陷导致装置发生故障或影响后才能检测到缺陷。现有的过电流断路器技术仍然存在无法检测到由传输线路的缺陷引起的事故的区域。
9.现有的关于电气安全的保护技术的阈值通过负载的可用电流容量的最大值乘以余量来设定。其在具有多个负载的电力系统中使用一个线路的情况下属于一个线路保护机
制。即，由于保护阈值由连接到线路的负载的电流容量的总和来确定，因此在具有重负载容量的装置和具有轻负载容量的负载混合使用的情况下，由于跳闸条件被设定为适合于重负载，因此轻负载(保护器的额定值内的短路)相对偏离保护范围。保护机制不根据负载或线路的允许容量适当地工作，而是统一应用，因此存在保护功能的不感测区域。
10.并且，现有的安全切断技术无法区分硬短路和正常负载，因此检测硬短路或触电的安全技术不足，从而存在不检测目前存在的火灾或触电危险的领域。
11.现有的断路器确认通过的电流是否不超过预先设定的电平。电弧故障断路器(afci：arc-fault circuit interrupter)为了找出表示arc缺陷的电流变化而检查通过的电流。该方法是确认电流是否超过预先设定的电平的方法。
12.由于线路的连接不良、接触不良及老化/劣化而产生“寄生”电阻。若在达到特定条件(r
para
≥vs/i
trip
η，η：1sec期间保持的跳闸(trip)倍率)，则该寄生电阻起到限流器的作用，妨碍具有缺陷的电路的电流超出该电路中使用的熔断(fuse)或电路断路器的预设跳闸电平范围时的保护操作。当总寄生电阻达到(r
para
＝vs/i
trip
η，η：1sec期间维持的跳闸(trip)倍率)这样的条件时，发生短路是非常危险的。此时，发生最坏的情况(p
loss
＝vs·itrip
·
η)。
13.参照(图5)
14.技术方案
15.电气事故通常由连接不良、短路、硬短路、负载的连接/断开、短期线路断开或其他电气缺陷而发生。因此，所述电气缺陷的检测非常重要，如果在事故发生之前或事故初期发现该电气缺陷，则能够使损害最小化。本发明可以通过实际测量在接收电功率的线路上损耗的电功率或线路电阻来估计线路上的发热量。
16.为了解决这种问题，本发明的技术构思是实现一种电气灾害防止系统，所述电气灾害防止系统通过利用(带电)测量技术和物联网技术(实时地)始终收集着具有分散网(mesh)电路网形态的电力网的数据并借由基尔霍夫(kirchhoff)的电流定律和电压定律的扩展分析而寻找因电力网的缺陷导致的能量损耗的方法，来事先检测/监视事故的异常征兆，(事先)实现能够维持电力网的完整性或仅在安全范围内运行电力系统的验证/探测机制，从而能够从根本上防止电气灾害。
17.在本发明中，引起电气灾害的原因大致分为如下两种电气缺陷。将漏电、绝缘体不良/损伤、绝缘击穿(水分/灰尘)、接地/混触、短路、跟踪、过载/过电流等电气缺陷统称为并联缺陷(parallel fault)，将导体破损(半断路)、连接缺陷(连接不良)、接点不良、压接损伤等电气缺陷统称为串联缺陷(serial fault)。
18.本发明中，所述电气缺陷大部分可以通过带电检测技术事先检测，从而可以实时检测所有非正常负载消耗的电功率。
19.本发明通过始终监视着电力网的电气缺陷而自动地采取适当措施的方法，针对慢性静态缺陷/进行性缺陷在发展为事故之前能够检测异常征兆，从而能够预测事故，如果采取措施，则能够预先地预防灾害。并且，在初期也可以检测出现有的保护器(断路器(circuit breaker)等)未能检测的带电充电电路的硬短路(跳闸电流以下的短路、触电)等任意性/突发性事故，因此通过切断向电力网供应电功率的方法，采取防止事故进行的有效措施。
20.本发明为了检测火灾异常征兆，通过如下的方法来检测异常征兆：在电路网的通电状态下测量供电端和负载端的电压、电流等基本的电特性，以测量线路电阻、连接寄生电阻、在线路损耗的电功率、漏电流、线路的最大允许电流、过载、电弧现象表现、电流不稳定等电特性，并且实时分析并实时跟踪其变化。
21.1.灾害异常征兆检测
22.根据本发明的电气灾害的征兆检测技术，在带电状态(live)下，始终测量着供电端和负载端的线路电压和电流等基本的物理量，并实时换算线路电阻和线路损耗电功率，并估算线路上可能产生的热量，从而在发生重大问题之前通知管理员或消除其原因，防止发生实际事故。
23.并且，能够以符合现实的方式重新计算因线路的劣化导致线路变形而造成的允许电流的减少所致的实际允许电流。如果对其进行统计分析，则可以感测线路劣化的进展，因此提供老化线路的更换等维修信息。虽然可以利用多种通信技术来测量供电端和负载端物理分离的远程分布的网络的物理量，但是，如果利用无线iot技术，则可以容易地实现测量物理量。
24.2.线路的缺陷检测
25.供应电功率的电力网可能由于各种原因存在多种电气缺陷。即，可能呈现电触点、连接部碳化、不完全连接、松散的连接状态、接触电阻、接触不良、连接缺陷、绝缘击穿、不适当的设置、损伤、半断线、物理性老化/变形及化学性腐蚀等多种形态，但在本发明中，将与基于该劣化现象的发热相关的电成分表示为寄生电阻(parasitic resistance)4。
26.图2是电源、传输路径及负载串联连接的基本电路。线路电气火灾的原因是线路的劣化和过电流。线路中发生的火灾的主要原因可以从由所述线路劣化引起的寄生电阻(r
para
、r
fs
)的增加等电特性变化中找到。若电流流过，则线路电阻的增加会产生电功率损耗，从而直接转换为焦耳(joule)热，若超过预定值，则成为起火的条件，因此，需要将其最小化或事先检测是否存在这种现象。
27.由于若电流流过，则寄生元件中的电阻成分变成焦耳热，因此检测由该电阻成分的增加引起的线路缺陷。所述线路劣化电阻集中于物理上的特定位置，因此比具有相同分布整数形态的线路的分散电阻更危险。
28.由线路的寄生电阻引起的电能损耗表现为线路两端之间的耗散电功率的增加或电压下降的增加，绝缘强度的降低则发展为漏电或短路。通常，在激活状态下，即使因电力网的漏电或半短路现象而发生能量损耗，也会放任。在这种能量损耗超过阈值而发生危险状况之前，呈现出温度上升、耗散电功率增加等异常征兆(symptom)。因此，如果早期检测到该电气异常征兆，则可以预防在线路上发生的电气火灾。并且，所述异常征兆可以测量并定量化，从而可以用作使线路的安全性客观化的要素。
29.作为其解决方案，若实时测量供电端和受电端之间的电功率损耗并进行分析处理(若通过以下处理过程进行处理)，则能够检测出危险的异常征兆。
30.在图2的串联网络中，若测量供电端的电压(vs)、受电端的电压(v
l
)及负载电流(i
l
)并进行换算，则可求出线路损耗电功率(p
ln
，线路损耗电功率)、线路电阻(r
ln
)、负载电功率(p
l
)、负载电阻(r
l
)及总供应电功率(ps)。图3示出了当在通过图2建模的电力网的等效电路中不存在泄漏电阻(r
fp
)时，根据线路电阻(r
ln
)的变化的线路损耗电功率、负载功耗及
总功耗的趋势。
31.若线路的耗散电功率超过预定量，则可能发生起火。因此，如果该电功率超过设定基准值，则切断向负载供应电功率，从而能够防止起火。即使在过载断路器14的允许电流内，该耗散电功率也可能是起火的原因。在这种情况下，最大线路损耗电功率(p
ln
)可能达到负载额定电功率(p
l0
)的25％(r
ln
/r
l
＝1)。因此，即使具有相同的线路条件，负载的额定电功率也会越大，危险性也会越高。
32.3.线路损耗电功率测量及劣化异常征兆检测
33.线路的损耗电功率是线路起火的直接原因。线路损耗电功率由超过允许电功率或线路劣化(线路缺陷)老化物理/化学变形引起，劣化部分产生相对过多的焦耳(joule)热。这种热可能是起火的直接因素。
34.在图2所示的简单串联网络中，由于供电端的电流和受电端的电流相同，因此可以通过测量供电端的电压(vs)、受电端的电压(v
l
)及负载电流(i
l
)来通过以下公式(式1)求出线路损耗电功率(p
ln
)。
35.p
ln
＝(v
s-v
l
)i
l
ꢀꢀꢀ
(式1)
36.在此，p
l0
：负载额定电功率，r
ln0
：线路的正常电阻，r
p
：在线路的寄生电阻(r
para
，r
fs
)内发生的非正常损耗电功率。
37.异常电功率损耗(p
p
)从线路损耗电功率(p
ln
)中减去正常线路损耗电功率(p
ln0
)而得到(p
p
＝p
ln-p
ln0
)，由于是因缺陷而产生的寄生电阻，正常线路损耗电功率(p
ln0
)通常为几乎接近0的值，因此为
38.p
l0
在具有额定电功率的负载中，根据线路的寄生电阻(r
p
)增加的负载电功率(p
l
)及线路损耗电功率(p
ln
)的趋势在图3、图4中呈现出相对电功率损耗(p
ln
/
l0
)。当线路电阻(r
ln
＝r
ln0
r
p
)和负载电阻(r
l
)相同时，线路损耗电功率(p
ln
)在线路中产生最大电功率损耗。
39.通常，在线路劣化时，成为r
p
＞＞r
ln0
的条件，因此损耗电功率也成为p
p
＞＞p
ln0
，寄生电阻(p
ln
/p
l0
)集中于局部的部分，因此由相对电功率损耗(p
ln
/p
l0
)引起的发热集中于寄生电阻(r
p
)部分。由于该线路损耗电功率(p
ln
)被转换成焦耳热，因此若超过预定值，则存在起火的可能性，因此若超过预定值，需要切断负载或采取后续措施。
40.在此，即使是相同的损耗电功率，由于线路的劣化部分的发热集中，因此相对更危险。
41.图4、图6示出根据线路电阻(r
ln
＝r
ln0
r
p
)变化的线路两端的电压下降、负载电压及线路损耗电功率(p
ln
/p
l0
)之间的关系。线路劣化的症状如附图和公式(式5)所示，线路电阻的变化表现为线路损耗电功率的增减现象和线路电压下降的增加，因此，若对此进行监测，则可以检测出危险异常征兆。因此，这些值(p
p
/p
l0
，v
p
/vs)也可以用作表示配电线路的危险程度的尺度指标(line fault index)。如图所示，由于可以通过将异常征兆量化的值进行观察，因此若超过预定值(阈值(threshold))，则需要切断负载电功率。
[0042][0043]
4.线路及寄生电阻测量
[0044]
了解电力网中已建立的传输路径的特性是非常重要的。线路电阻作为能够不仅用
于事故预防维度，还作为劣化因素的分析或劣化的趋势/进展的分析的基础数据，提供在通电状态下计算线路电阻的方法。在以下方法中，即使在在线状态下也可以进行计算，从而可以在网络上收集测量值。
[0045]
若测量并换算供电端的电压(vs)、受电端的电压(v
l
)及负载电流(i
l
)，则可求出线路的线路电阻(r
ln
)、负载电阻(r
l
)。图6至图8、式2示出了供电端的相对电压比(v
l
/vs)与线路电阻(r
ln
)之间的相关性。
[0046]
本发明中，线路电阻可以通过测量供电端的电压、受电端的电压及线路电流而以间接的方法计算。线路电阻(r
ln
)可以通过测量供电端电压(vs)、受电端(负载)电压(v
l
)及受电端(负载)电流(i
l
)并利用下式(式2)换算而间接计算。通常，正常线路电阻(r
ln0
)是指线路电阻(r
ln
)中的正常部分，因此非正常线路电阻(r
p
)也可以视为合计的总线路电阻(r
ln
)。
[0047][0048][0049][0050][0051]
5.火灾发生征兆检测及预先措施(预防)
[0052]
电气火灾在发生前呈现出温度上升、气味、火焰、电弧/火星、火花、电力线路的电阻增加或线路损耗电功率增加、漏电流增加等多种异常征兆(symptom)。其中，由线路的缺陷引起的代表性的可电检测的异常征兆如下：
[0053]
1.线路电阻的增加或不稳定
[0054]
2.线路损耗电功率的增加(变化)
[0055]
3.线路下降电压的增加
[0056]
4.负载电压的下降
[0057]
5.电压变化率的增加
[0058]
6.线路漏电流增加
[0059]
7.线路绝缘强度降低
[0060]
8.负载电流的减小或不稳定
[0061]
9.线路的温度升高
[0062]
10.电弧/跟踪现象的出现
[0063]
图1、图12、图13、图14、图15、图19示出了本发明的如下技术的实施方式的示例：通过监测电力网的电气异常征兆中的易于测量的线路的两端(供电端-受电端)之间的电压下降或损耗电功率来预先检测火灾的发生的技术。电力线路的寄生电阻的增加表现为线路上
的电能损耗(消耗电功率)的变化。由于电气缺陷部位的电阻增加，因此线路的电压下降和损耗电功率增加。
[0064]
若所述电压下降超过预定极限，则可能发生起火。因此，若所述电压下降乘以电流，则可以求出线路损耗电功率。若仅在所述损耗电功率不超过预定值(阈值)的安全范围内供应电功率，则可以防止事故。所述电气火灾异常征兆可以测量和量化，因此可以用于火灾预测技术。因此，若具备检测并处理该电气异常征兆的手段，则可实现在线路上发生的电气火灾的预防系统。
[0065]
图10示出在预定负载下根据线路电阻变化的线路损耗电功率的变化，若线路电阻增加，则线路损耗电功率也呈现增加趋势，当具有与负载电阻相同的值时，具有最大值，此时，最大损耗电功率达到负载额定电功率的1/4，是最危险的状况。
[0066]
图10、图11示出了由于线路劣化而产生的寄生电阻可以起到减小负载电流的电流限制器的作用，从而可以防止过载断路器超出预先设定的阈值。
[0067]
本发明可以通过测量线路中损耗的电功率来检测线路上可能发生的火灾事故的征兆。这可以通过测量线路电压下降和负载电流，并计算损耗电功率，若超过阈值则切断负载电流的方法，来预防线路上发生的火灾。并且，若转换线路电阻值而增加预定值以上，则即使切断负载电流，也可获得相同的结果。在供电端的电压稳定的情况下，仅测量电压下降率也可简单地达到预期目的。
[0068]
优选地，若脱离安全运行区域110、120的绿色区域，则断开负载。
[0069]
现有的火灾预防主要以检测并切断过电流、漏电流及电弧发生的方式实现。然而，这种方法难以检测由于线路电阻的增加而发生的火灾。即，即使在允许电功率以内的正常负载下，也有可能因线路的劣化而发生火灾。虚线160是可能发生火灾的过多的电功率损耗的区域，若进入该区域，则需要立即切断供应的电功率。
[0070]
阈值可以以多种方式设定。
[0071]
6.线路上允许的最大电流测量
[0072]
由于线路的劣化是火灾的主要原因，因此若为了预防火灾而预先计算预设的线路的电阻或最大可允许电流，则可以计算可用电功率，因此可以用于安全电力网的构建。
[0073]
线路的安全最大电流值(最大电流允许值，i
lmax：
)可以通过测量供电端电源电压(vs)、受电端(负载)电压(v
l
)和负载电流(i
l
)并应用允许最大电压下降率(ε0)来进行换算。
[0074][0075][0076]
安全最大电流值(最大电流允许值，i
lmax：
)供电端电源电压、受电端(负载)电压和负载电阻具有如下的相关关系。可以通过以下公式(式5)求出。
[0077]ilmax：
最大电流允许值
[0078]rln
＝(v
s-v
l
)/i
l
[0079]imax
＝vs(1-ε)/r
ln
[0080]
∴
[0081]
7.电力网缺陷的检测
[0082]
本电气火灾预防技术的核心原理是，通过测量/分析因在线路流动的电流引起的线路的电气特性被反映的线路的物理量来检测线路缺陷，并以此为依据找出火灾征兆。
[0083]
如图2所示，为了检测在电路网中传输电功率的线路的缺陷，根据线路电阻(r
ln
＝r
ln0
r
p
)变化，呈现线路两端的电压下降、负载电压及线路损耗电功率(p
ln
/p
l0
)的变化。线路劣化的症状如图3所示，线路电阻的变化呈现线路损耗电功率的增减现象和线路电压下降增加的异常征兆，因此通过对其进行监测来对危险状况进行预测检测。在控制器实现中的异常征兆检测，无论选择线路损耗电功率、线路电压下降、负载电压变动、线路电阻等任意物理量作为控制变量，都能够达到预期的目的。
[0084]
如图10所示，可以通过将电力网的异常征兆量化的值进行观察，因此若超过预定阈值(threshold)，则需要切断负载电功率。在此，阈值79有时具有固定值，若根据需要来根据电源供应时间、输入电源电压、负载的种类及特性来改变并动态设定，则可构建更加灵活且精准的系统。若使其发展，则当通过学习负载的特性来改变并设定阈值79时，可以构建更适合于情况的系统。并且，除了简单的导通/断开方式之外，负载电源的切断或投入也可以考虑软启动方式，并且可以与ac/dc无关地应用于所有电气装置。
[0085]
图1、图12、图13的概念图所示的一实施例包括：测量供电端11的线路电压的单元10；测量受电端的线路电压和电流的单元20、22；测量21、23反映线路的电特性的物理量，并对其进行计算比较，且根据其结果产生负载控制信号的计算单元44、46及控制单元50、82、98；能够根据所述控制信号控制供应到负载2的电功率的负载控制单元24，从而，
[0086]
1.向负载供应电力；
[0087]
2.测量供电端电压11、受电端电压21、负载电流23；
[0088]
3.通过从所述供电端电压1中减去受电端电压21来计算线路电压下降45；
[0089]
4.通过将所述电压下降乘以负载电流23来计算线路损耗电功率47；
[0090]
5.比较所述线路损耗电功率47和阈值58；
[0091]
6.如果比较结果超过阈值，则切断供应给负载的电功率并启动保护器。
[0092]
测量反映在线路流动的电流和线路的电特性的线路损耗电功率，如果超过特定值，则判断为缺陷，并采取适当的后续措施。结果，阈值成为允许线路损耗电功率的最大值。
[0093]
在线路损耗电功率等所述物理量测量中，若对测量的值进行积分并以累积值作为判断的依据而输入，或者应用移动平均化(moving average filtering)技术等过滤技术，则可以使噪声和针对过度现象的误操作最小化，从而可以提高可靠性。
[0094]
所述实现通过线路损耗电功率异常征兆检测方法示出了实施例，但可以通过应用以供电端和受电端之间的线路电压下降为基准进行比较的方法来更简单地实施。在这种情况下，即使在极端轻负载下发生微小线路电功率损耗，也存在操作敏感的区域。
[0095]
8.多重事故损耗电功率
[0096]
图10、图11示出了在过电流断路器允许跳闸电流内根据负载变化而在传输线路中损耗的电功率损耗。图10、图11示出了在过电流断路器无法检测到的线路上由于起火而可
能产生的线路损耗电功率。即，即使发生了危险情况，过电流断路器也无法检测到。在过电流断路器允许跳闸电流内损耗的最大电功率损耗如下。
[0097][0098][0099]itrip
：电流断路器的额定载流量跳闸电流
[0100]
在线路电阻与vs/2i
trip
值相同的情况下，在线路上发生v
sitrip
/2[w]的电功率损耗，因此，此时最危险(跳闸电流为额定电流的200％的情况)。
[0101]
现有的用于预防电气事故的过电流断路器技术中，通过以负载电流是否超过允许极限值基准为判断的基准而判断负载电流是否超过所述极限值的方式，以控制供应到负载的电功率的方式而能够防止由过电流引起的事故，但无法防止(检测)因保护器的额定内的漏电性短路(以下称为“硬短路”)或线路缺陷而发生的事故。
[0102]
现有的保护技术不是根据线路的实际电功率供应能力检测是否合适地工作的机制。如图10、图11所示，由于线路劣化，寄生电阻可能增加，或者由于硬短路，可能发生事故。
[0103]
线路的电功率损耗直接转换为焦耳(joule)热，若超过预定值，则成为起火条件，因此需要采取必要的措施(使其最小化)。在此，线路的劣化不仅包括线路上的所有电特性，还包括传输路径上的所有电特性。即，可以具有电触点、连接部碳化、不完全连接、松散的连接状态、接触电阻、物理变形、半断线及化学腐蚀等各种形态，但在本发明中，将这些电特性表现为寄生电阻(parasitic resistance)4。
[0104]
线路电气火灾的原因是线路的劣化和过电流。线路中发生火灾的主要原因来自于(电触点、连接部碳化、不完全连接、松散的连接状态、接触电阻、物理变形、半断线及化学腐蚀等)由所述线路劣化引起的寄生电阻的增加等电特性变化。线路电阻的增加在电流流过时会导致发生电功率损耗，从而直接转换为焦耳(joule)热，若超过预定值，则成为起火条件，因此，有必要将其最小化或事先检测是否存在这种现象。
[0105]
由于作为电气火灾原因的所述寄生电阻成分在通电状态下不能直接测量，因此为了知道准确的值，可以通过作为间接方法分析下一个电气成分的损耗电功率、线路电压下降的变化、电弧能谱等来导出或检测其存在(表现)。
[0106]
由于寄生元件中的电阻成分在电流流过时变成焦耳热，因此检测由该电阻成分的增加引起的线路缺陷。所述线路劣化电阻集中于物理上的特定位置，因此比具有相同分布整数形态的线路的分散电阻更危险。
[0107]
线路上的电能损耗表现为线路两端之间的电功率的增加或电压的增加。在这种能量损耗超过阈值而发生危险状况之前，呈现出温度上升、耗散电功率增加等异常征兆(symptom)。所述异常征兆可以测量，因此可以客观化或定量化，如果进行实测，则可以用作火灾预防技术。因此，如果早期检测到该电气异常征兆，则可以预防在线路上发生的电气火灾。所述检测单元可以包括在电力设备中并始终进行着所述检测，但也可以根据需要从安全度检查的角度进行检测。
[0108]
作为其解决方案，若实时测量供电端和受电端之间的电功率损耗并进行分析/处理(通过以下处理过程进行处理)，则可以检测出危险的异常征兆，从而可以预防事故。
[0109]
本发明基本上是在利用供应电功率的供电端(电源)1、传输电功率的线路、接收电功率的受电端(负载)2构成的串联网络中，测量由于连接两端的线路中流动的电流的反映线路的电气特性的物理量，并对其进行分析来检测缺陷的技术。
[0110]
线路测量技术有电阻计、阻抗计、漏电计、相位差计等，但不应用于通电状态的网络，为了应对没有预告的突发性事故，目标是实现能够始终进行检测的最优化的防电气灾害系统。
[0111]
9.线路阻抗测量器
[0112]
在图8中，可以测量通电状态的电力网中预设的传输路径的未知线路阻抗。如式3所示，若已知基准电阻，则即使没有电流测量单元，也可以测量内部阻抗。图8示出了能够测量线路阻抗并将测量值发送到网络以收集数据的基于网络的阻抗测量器。该方法能够准确地知道基准电阻的特性，因此测量误差低，从而能够进行精确的测量。
[0113]
通过在测量空载电压(v
t1
)之后，将已知的基准电阻(r
ref
)连接到被测量端，并且测量负载电压(v
t2
)以测量基准负载和电压的变化，从而获得内部合成阻抗z
x
的方法，若测量电压的绝对值和相位，则可以通过一个电压测量单元获得内部阻抗。
[0114]
在内部具有电源的系统中，可以测量未知的内部阻抗。为此，如果利用电压表和已知的电阻，则能够分析内部特性。首先，在被测量端去除负载，测量并存储空载电压(v
t1
)，然后连接负载，将已知的基准电阻(r
ref
)连接到被测量端，之后测量负载电压(v
t2
)，根据式3的公式求出内部阻抗。负载电压与负载电压的相对比和内部阻抗如图7所示。通过适当地选择基准电阻，可以提高测量的分辨率。
[0115][0116]
10.电力网缺陷检测机制
[0117]
图1是用于在连接有电源、传输路径及负载的网络中检测灾害的异常征兆及预防灾害的电气安全系统的概念图。
[0118]
为了实现电力网缺陷检测功能，需要用于测量供电端和受电端的电压的电压测量单元和用于测量供电端和受电端的电流的电流测量单元。
[0119]
需要用于在供电端和接收端交换消息的通信单元、数据分析单元、计算单元、处理单元和输出控制单元。由于通常供电端和受电端可能在物理上分开，因此需要合适的消息交换单元。所述传输单元可以使用有线、光通信或无线技术中的任何技术来实现。上述单元等均可以通过物联网技术实现。
[0120]
所述缺陷的电特性均可以通过电方法来测量。本发明作为通过始终监视着电力网的电气缺陷并自动采取适当措施的方法，能够在慢性静态缺陷或进行性缺陷发展为事故之前事先检测征兆，从而能够预测事故，如果采取措施，则能够预先地预防灾害。并且，针对现有的保护器(circuit breaker等)无法检测到的硬短路(跳闸(trip)电流内的短路、触电)等任意性/突发性事故可以在早期发现，从而可以防止最坏的事故，并可以采取有效的措施。
[0121]
10.1电力网的损耗电功率测量
[0122]
图12是测量在传输路径中损耗的电功率，并且若该电功率过多则切断向线路供应的电功率来防止灾害的系统。在电力系统中，在连接于一个供电端(上级节点)200和一个受电端(下级节点)400之间的电力网300中，上级节点的输入连接到电源1，输出290经由电力网30)连接到下级节点400的输入端390，并且配备有用于在上级节点200和下级节点400之间传输消息的通信单元500，
[0123]
①
对输入电压301和输入电流203进行测量后进行积分，得到供应电功率215；
[0124]
②
下级节点400测量负载电功率(受电端电功率)415；
[0125]
③
上级节点可以接收下级节点的负载电功率403t，并从自身的电源电功率215中减去负载电功率403t，以获得耗散电功率(图13中的205)；
[0126]
④
所述耗散电功率205是由传输路径的线路的串并联缺陷320、330、3引起的非正常电功率，可以得知传输路径的老化程度；
[0127]
⑤
将所述耗散电功率输入到比较器206，若超过预先设定的阈值(允许值)214，则产生跳闸信号209而切断供应电力，从而事先防止事故。
[0128]
在此，在负载为两个以上的多重负载的情况下，将负载追加连接于电源端290即可。若在所有步骤
③
中减去所有负载电功率，则也可以应用于具有多负载的电力网。
[0129]
图13作为用于测量具有多重负载的电力网300的耗散电功率的实施例，示出了具有一个电源(供电端)和n个(n为正整数)负载(受电端)的电力网构成。电源部(vs)1和利用电压计301和电流计构成的电源电力计以及所有负载端2(load-1至load-n)通过电功率测量单元414-1～414-n、运算、通信及控制单元构成。
[0130]
在正常的电力网中，从电源供应的电功率需要全部传递到负载端。在正常情况下，电源端供应的电功率与负载电功率加起来应相等。然而，当上述两个电功率不一致时，这意味着存在漏电。在本发明中，即使在激活状态下，也可以通过间接方法来计算耗散电功率。若求出在电源端测量的供应电力与在负载中测量的所有负载电功率的差，则可以获得由漏电引起的耗散电功率。因此，所有负载都需要能够测量电功率。
[0131]
可以通过将在所有负载测量的电功率(p
l1
，p
l2
，p
l3
，
…
p
l(n)
)求和并从供应电功率(ps)中减去该总和来测量耗散电功率(pf)。
[0132]
对于漏电、短路、接地等并联缺陷，通过求出供应电功率与传输到负载的实际电功率之间的差来测量由串并联缺陷引起的耗散电功率。耗散电功率215p是在电源端的总供应电功率中减去各负载测量的电功率的总和的差，可以用以下式表示。该耗散电功率包括因串并联缺陷而发生的所有电功率损耗。
[0133][0134]
图13可以提取在电力网中损耗的异常损耗电功率的定量值(pf)215。如果该耗散电功率增加而超过阈值(搁置)，则可能会发展为事故。若所述耗散电功率超过阈值，则在电源供应端切断供应电功率，从而能够预防事故或在事故初期进行应对。并且，若跟踪耗散电功率215p的增加趋势，则可以检测事故的征兆。
[0135]
并且，所述耗散电功率的定量值与危险水平的阈值214和之间具有函数关系，从而能够获得危险度(dangerous index)217。由于可以量化危险度，因此可以在发展为事故之
前采取预先的措施。
[0136]
在本实施例中，可以实时提取电力网耗散电功率的量化值215p，从而可以量化线路的完整性(无缺性)。并且，若确定了最大值，则可以量化危险的程度，从而可以导出电力网的维护/维修信息。
[0137]
电力网耗散电功率的测量
[0138]
在本发明中，可以通过以下方法测量由所有异常负载引起的耗散电功率。
[0139]
①
供电端通过电力网向负载端供应电功率；
[0140]
②
所有负载端测量自身的负载电功率并发送给供电端(反馈)；
[0141]
③
供电端合计所述所有负载的负载电功率；
[0142]
④
供电端求出向负载端的供应电功率与所述负载电功率的总和之差，求出耗散电功率(线路损耗电功率)。
[0143]
所述耗散电功率不仅因绝缘强度的降低而产生，而且还会因线路固有电阻或寄生电阻而产生。由于所述测量结果是除了正常负载之外的所有异常电功率，因此测量结果可以用作预防事故或判断电力网的异常征兆的基础数据。若耗散电功率增加，则会导致事故。在本发明中，由于在事故发生之前能够知道耗散电功率的定量值，因此能够知道漏电/短路事故的进行性。即，可以定量地表示由漏电引起的事故的异常征兆。并且，虽然还可以检测触电，但是所述方法无法被设计成具有比下文所述的通过漏电流检测的方法更高的灵敏度。
[0144]
并且，若通过连续地监测所述消耗电功率来系统地通过db管理数据，则可以跟踪漏电/短路事故的进行性事故的历史。
[0145]
10.2带电充电电路的漏电短路检测-漏电流检测(触电检测)
[0146]
图14示出为了检测电力系统中可能发生的线路上的缺陷及事故而追加的供电端200和受电端400的构成。检测原理是在测量耗散电功率(在传输路径消耗的耗散电功率)和漏电流、线路电压下降之后通过网络分析来计算非正常电功率的方法。
[0147]
在电源1连接于上级节点200的输入端，输出290追加到经由电力网而连接于下级节点400的输入端390的线路300，并且在上级节点200和下级节点400之间包括信息传送单元500的电力系统中，
[0148]
①
上级节点(供电端、电源端)200测量输入电压(电源电压)1并传送至下级节点(接收端、负载端)400；
[0149]
②
所述下级节点向所述上级节点发送负载的电力信息(电流403、电功率)；
[0150]
③
所述上级节点接收所述下级节点的供电电流403t，从自身的电源电流203中减去，从而测量漏电流205；
[0151]
④
判断所述漏电流是否超过预先设定的阈值(允许值)214，检测传输路径的缺陷330、3；
[0152]
⑤
若所述漏电流超过预先设定的阈值(允许值)414，则通过负载切断器210切断向负载供应的所有电源，从而能够防止发展成事故；
[0153]
⑥
并且，可以通过计算所述漏电流接近设定阈值的程度来量化风险度；
[0154]
⑦
临界阈值的设定通常设定为能够无事故驾驶的值的最大值；
[0155]
在此，在负载为两个以上的多重负载的情况下，构成为负载经由受电端400即可。
如果在步骤
③
中对所有负载电流求和，则也可以应用于具有多负载的电力网。并且，线路的串联缺陷检测310可以在受电端400以如下的方法进行检测。
[0156]
⑧
所述下级节点接收所述上级节点的馈电电压203t，减去自身的电压(负载电压)401，求出电压下降(电压差)405，即反映线路特性的电压下降；在此，由于此电压在发生并联缺陷时会形成不同的路径，从而可能会发生错误，因此存在一些问题，但是其为检测线路缺陷的有用方法。
[0157]
⑨
判断所述电压下降405是否超过预先设定的电压下降的阈值414，检测传输路径的缺陷，若发生危险状况，则从超过线路容量的负载端400仅部分去除相应负载即可，因此不会对整个系统造成影响，因此有用。
[0158]
10.3多重负载配电力网的绝缘强度下降漏电、短路、触电的检测及防灾
[0159]
图13、图15作为用于检测电力网的并联缺陷的一实施例，示出了具有一个电源和n个(n是正整数)负载的电力网构成。电源部1和所有负载端load-1～load-n配备有电压测量单元(电压计)412-1～412-n和电流测量单元(电流计)414-1～414-n。
[0160]
现有的安全技术能够容易地检测线路的不平衡电流泄漏，但是平衡电流泄漏(线路间短路)与正常负载无法区分，因此难以检测。
[0161]
带电线路之间的漏电检测可以通过断开所有负载的电源并测量电源电流来实现，但是如果断开向负载的电源供应，不仅会出现其他问题，而且难以检测进行性缺陷(漏电)。在供应电功率的带电状态下测量/检测漏电的技术非常重要。在带电状态下，漏电检测技术可以始终进行着监视，从而在事故预防方面具有实效。
[0162]
输电线路5、300中，对固有的线路电阻和连接不良等串联缺陷fs201而言，可以通过负载电流反映线路的特性，但在带电状态下，由于横穿线路的并联缺陷fp204、fp206、fp208引起的漏电流无法直接测量向负载供应电功率的漏电流。在本发明中，可以通过间接方法计算由所述并联缺陷引起的漏电流。
[0163]
在正常的电力网中，从电源供应的电功率需要全部传递到负载端。在正常情况下，将负载电流全部相加则应与从电源端供应的电流相同。然而，当所述两个电流不一致时，这意味着存在漏电流。漏电流可以通过求出在电源端测量的供应电流与在负载测量的所有负载电流之差来求出。因此，所有正常负载必须能够测量电流。
[0164]
若将在所有负载测量的电流(i
l1
，i
l2
，i
l3
，
…iln
)求和并从供应电流(is)中减去该总和，则可以测量漏电流(i
fp
)。
[0165]
对于漏电、短路、接地等并联缺陷，可以通过获得供应电流与传输到负载的实际电流之间的差来测量由并联缺陷引起的漏电流。漏电流是在总供应电功率中与各负载测量的电功率的总和之间的差，可以用以下公式表示。由并联缺陷产生的漏电流如下。
[0166][0167]
本发明可以通过如下方法测量由所有非正常负载引起的漏电流。
[0168]
①
供电端通过电力网向负载端供应电功率；
[0169]
②
所有负载端测量自身的负载电流并发送给供电端(反馈)；
[0170]
③
供电端合计所述所有负载的负载电流；
[0171]
④
供电端求出从负载端传输的供应电流与所述负载电流的总和之间的差异，从而求出漏电流。
[0172]
在本实施例中，可以实时地提取电力网的漏电流的量化值，从而可以量化线路的完整性(无缺性)。并且，若确定最大限制，则可以量化危险的程度，从而导出电力网的维护/维修信息。该电流意味着存在漏电等横穿电源线路的并联路径(并联缺陷)。若漏电流增加并且超过(搁置)阈值，则可能发展成事故。如果漏电超过阈值，则在电源供应端切断供应电功率，从而能够预防事故，或者能够在事故初期进行镇压，并且，能够追踪漏电流的增加趋势，从而能够检测事故异常征兆。
[0173]
并且，所述总漏电流215与危险水平的阈值414具有函数关系，从而能够获得危险度(dangerous index)227。基于危险度，在事故发生之前可以采取预先的措施。
[0174]
10.4电力网得到漏电检测及非接地触电预防
[0175]
现有的漏电切断技术是通过检测线路之间的不平衡电流来检测漏电的技术，其作为预防触电事故的手段被广泛利用。但是，由于充电部活性线之间的非接地漏电流无法与正常负载相区分，因此无法进行保护。
[0176]
现有技术对接地有效，但无法检测非接地漏电，因此没有针对有源充电电路之间的硬短路触电的特别对策。如上所述，由于短路事故而流动的电流不能通过负载电流计，因此不被反映为负载电流。
[0177]
本发明可以测量包括接地电流在内的所有非正常负载引起的漏电流。若利用该方法，则可以检测有源充电电路之间的非接地硬短路或触电。
[0178]
所述电流包括由于接地电流和有源充电电路之间的绝缘强度降低而产生的非接地漏电流以及在触电事故时的触电电流，但是连接缺陷等由寄生电阻引起的串联缺陷几乎不受影响。因此，若检测到该电流为预定值以上，则连接到事故。在本发明中，可以在事故发生之前得知漏电流，因此可以知道漏电/短路事故的持续性。即，能够定量地检测由漏电引起的事故的异常征兆。并且能够检测接近预设阈值的程度。
[0179]
并且，在本充电电路漏电技术检测中，在设计安全断路器时，若根据需要可变设定地临界阈值，则可以调节灵敏度，从而可以使在难以维持电力网的无缺性的线路暴露的施工现场等临时架设的电力网中因失误而造成的损耗最小化。灵敏度调节功能若在电源投入初期设定为较高，并在确认安全性时进行适当的调节，则可以在架设电力网中有用地使用。另外，在漏电检测方法中，检测漏电流的方法比检测耗散电功率的方法更灵敏，从而可以使发生硬短路事故或触电时的损耗最小化。
[0180]
有益效果
[0181]
本发明涉及与现有的监测过载的过电流断路器不同地，用于检测并预防在电力传输路径上发生的事故或者预先识别弱不良线路的电力网线路检查(测量)技术，并且能够预先防止不适当的使用或者预先掌握弱信息而采取预先措施。
[0182]
通过在通电状态下始终进行测量并分析线路的电特性之后，若火灾发生可能性高，则控制(切断)负载的方法来预防火灾，并且，将线路状态信息利用物联网技术而实时监测输配电路的线路损耗电功率的方法，随着损耗电功率接近允许值，通过提前措施(alert)来预防火灾。
[0183]
通过预先测量线路的状态等线路的正常与否，并将最大允许电流数据库化来提
供，从而能够构建能够强化火灾安全管理并提供体系化的火灾电气火灾预防系统。由于可以实现线路的安全度提高信息的数据库，从而可以量化配电线路的风险度/安全度。
附图说明
[0184]
图1：本发明的线路缺陷检测系统的概念图
[0185]
图2：具有寄生电阻的代表性线路的串并联缺陷建模
[0186]
图3：寄生电阻对电力网的影响
[0187]
图4：根据线路电阻变化的线路损耗电功率、负载电功率、总消耗电功率及线路电压下降
[0188]
图5：根据电力网劣化的线路损耗电功率
[0189]
图6：根据电力网的化的线路损耗电功率、负载电功率及总消耗电功率的变化趋势
[0190]
图7：线路电压和线路电阻的函数(线路电阻测量)
[0191]
图8：远程线路电阻测量概念图
[0192]
图9：线路电压和最大允许电流函数(最大允许电流测量)
[0193]
图10：线路电阻增加和线路损耗电功率的函数相关及保护区域
[0194]
图11：超过过电流断路器的额定负载时的保护/非保护危险区域
[0195]
图12：电力网的耗散电功率测量
[0196]
图13：多负载电功率网的功耗测量
[0197]
图14：带电充电电路的漏电短路检测-漏电流检测(触电检测)
[0198]
图15：多负载电功率网的带电充电电路的漏电短路检测
[0199]
图16：能量转换器(变压器)的保护机构实施例
[0200]
图17：线路缺陷检测器的实施例
[0201]
图18：控制节点之间的关联控制机制操作图
[0202]
图19：具有单一负载的线路缺陷检测器的实施例
[0203]
图20：控制节点的串联缺陷检测操作流程图
[0204]
图21：控制节点的结构
[0205]
图22：通过iot云网络连接的独立控制系统的实施例
[0206]
最佳实施方式
[0207]
图13至图18是本发明的用于检测电力网的缺陷的检测器的实施例，在以电源(供应源)-》控制节点(上级)-》电力网(线路)-》控制节点(下级)-》负载(消耗端)的顺序以从属(阶层)结构连接而供应电功率(电能)的电功率控制网络中，上述各个构成元件分别根据能量流连接为起到电源(输入)和负载(输出)这两个功能的结构，并且下级节点和负载构成为至少一个。
[0208]
各个控制节点配备有用于测量经由其自身的能量(电力信息)的测量单元、用于在控制节点之间交换消息的通信单元以及用于控制或警报输出的控制单元，并且各个控制节点可以彼此通信，并且具有测量并控制经由其自身的能量(电力信息)的功能。
[0209]
控制节点通过以下方法测量/监视并控制电力网的缺陷以最小化灾害。
[0210]
(1)上级控制节点将其自身的电气信息(电压)提供(前馈)给下级节点；
[0211]
(2)下级节点求出与上级节点的电压差，并根据其结果对负载进行控制；
[0212]
(3)所有下级节点分别测量经由其自身或其自身消耗的能量(电功率和电流)，并将其提供(反馈)给上级节点；
[0213]
(4)上级节点对传递到多个下级节点的所有能量测量值求和；
[0214]
(5)上级节点计算/比较下级节点的能量(电功率、电流)测量值和经由其自身的能量(电功率、电流)测量值而导出结果(求出损耗的能量(电功率、电流)的步骤)；
[0215]
(6)输出控制步骤，根据上述导出结果控制输出或向外部传递；
[0216]
在此，控制通过与阈值(预先设定的特定值)进行比较并根据比较结果切断向下级节点供应能量或发送警报的方法来进行。
[0217]
电力网的缺陷可以是进行性或者突发性(随机性)的。尤其，在为进行性的情况下，可以通过观察输出变化趋势的方法来检测电力网的异常征兆，从而可以预测灾害并预先应对。即，通过根据检测结果进行预先的应对，可以保持电力网的完整性而预先防止灾害。
[0218]
节点控制器实施例
[0219]
构成控制通过电力网连接的两个以上的远程点(节点)中的能量的供应和分配，并且物理上分离为两个以上但是功能上耦合的关联机制，
[0220]
电力控制装置包括：
[0221]
测量单元，测量其自身的电压和通过(贯通)其自身的电力信息(电流或电功率)；
[0222]
输出发送单元，向外部发送上述电力信息；
[0223]
计算单元，计算其自身的电压和从外部输入的电压而求出电压差；
[0224]
比较单元，将上述电压差与上述阈值进行比较，
[0225]
外部信息收集单元，收集多个外部电力信息(电功率和电流)并求和；
[0226]
输出单元，计算或比较其自身的电力信息和收集的上述外部电力信息，并根据计算/比较结果输出控制量，
[0227]
其中，上述电力控制装置测量输电力网的耗散电功率或漏电流，从而控制电功率输出。
具体实施方式
[0228]
1.实施例
[0229]
图21为用于监视作为线路缺陷的异常征兆的线路电压下降、线路损耗电功率的变化及超过负载电力的极限值来预防事故的保护器的一实施例。
[0230]
初始化，设定作为判断的基准的各个阈值54、56、58；
[0231]
2.测量空载线路电压21并存储于虚拟电源寄存器52；
[0232]
3.向负载2供应电功率；
[0233]
4.若可测量供电端电压11，则更新虚拟电源寄存器阈值52；
[0234]
5.计算线路电压下降45，若超过阈值54，则切断对负载的电功率供应；
[0235]
6.通过将上述电压下降45乘以负载电流23-1来计算线路损耗电功率47；
[0236]
7.若上述耗散电功率47超过电功率阈值56，则切断向负载供应的电功率，并启动保护器；
[0237]
8.通过将上述负载电压21-1乘以负载电流23-1来计算负载电力49；
[0238]
9.若上述负载电功率49超过电功率阈值58，则切断向负载供应的电力，并启动保
护器；
[0239]
10.发出警报，并从第三步骤开始无限反复而测量由于在线路中流动的电流而引起的线路的电特性被反映的物理量，并对其进行分析来检测缺陷，为了防止在线路中可能发生的事故，若出现异常征兆，则进行适当的后续处理。
[0240]
在此，后续措施可以根据异常征兆的程度而可变地发出警报，也可以采用切断电力供应的方法，或者向管制系统或人员通报线路缺陷的程度，使得能够迅速采取缺陷原因的分析、维修及修复措施。
[0241]
为了应对由于通信问题等导致无法获取作为控制基准的电源电压而造成系统混乱的情况，在初始化过程中将空载电压视为电源电压进行处理。之后，当能够正常获得供电端电压时，更新为实电源电压并进行处理。
[0242]
图1、图12是示出本发明的操作原理的实施例的概念图。虽然表示为利用多种要素构成的硬件电路，但是测量单元及控制单元的大部分要素可以利用微处理器和软件来实现。
[0243]
本发明的火灾异常征兆检测方法有检测线路损耗电功率、累积损耗能量的量或线路电压下降的方法等。
[0244]
除了上述两个电压测量单元和一个电流测量单元之外，为了进行数字离散处理，还配备有用于将由模拟-数字转换器(adc)获得的数据发送到处理端的通信单元，从而，
[0245]
1.设定作为用于危险情况的判断基准的损耗电功率的允许上限值的阈值58；
[0246]
2.为了测量供电端与受电端的电功率，将两端的电压和电流转换为数字数据(a/d)；
[0247]
3.在处理单元收集上述数字转换的数据；
[0248]
4.通过将从上述供电端的电压11减去受电端的电压21而求出的线路两端的电压差45与上述电流23相乘而提取线路损耗的电功率(线路损耗电功率)47。
[0249]
5.比较上述线路损耗电功率47和预先设定的阈值58；
[0250]
6.若上述线路损耗电功率47超过上述阈值58，则通过发出警报或限制向负载(受电端)2供应危险的电功率的方法，检测火灾的异常征兆，事先预防事故。
[0251]
一种动态断路器，其特征在于，执行包括如下步骤的方法：
[0252]
(1)设定允许电压下降率；
[0253]
(2)切断对负载的供电，测量空载线路电压，将此值作为供电电压进行存储；
[0254]
(3)计算上述空载线路电压和上述允许电压下降率而设定阈值；
[0255]
(4)向负载供应电功率；
[0256]
(5)测量供应给负载的负载电压；
[0257]
(6)将所述负载电压与所述阈值进行比较；
[0258]
(7)若上述比较结果不低于上述阈值，则从步骤(4)开始重复，若低于上述阈值，则作为限制向负载供应电功率的方法，检测线路的缺陷(电气特性变化、根据劣化导致的超过允许载流量)而切断负载。
[0259]
在配备有能够可变地设定负载切断基准值71的阈值设定单元54的火灾预防系统中，供电端始终测量着供电电压，并始终进行传播(broadcasting)，以使受电端能够获知上述供电端的物理量1、13，若输入负载的外部导通信号91，则控制单元40使负载控制单元24
导通，从而在向负载2供应电功率之前，按如下步骤进行处理。
[0260]
(1)若输入向负载2供应电源的控制信号99，则在向上述负载供应电功率之前，测量并存储负载端25的空载电压21；之后
[0261]
(2)在导通负载控制单元24而向负载2供应电功率之后，测量线路3x的电压和电流，从而监视收敛于预先设定的阈值的程度。
[0262]
在此，若计算允许最大线路电压下降率和电源电压并根据情况确定为相对值，则即使不一一设定为特定值，也能够动态地自动确定线路缺陷检测检测阈值，从而能够与电源电压及负载容量无关地动态地应用于所有负载，因此更加有用。然而，由于这是对电功率供应线路上的缺陷的预防，因此本发明技术的断路器之后的电功率容量允许达到线路的最大可用容量，因此为了保护负载，优选地将最大负载电流并用为电流阈值。该值的阈值是根据负载的需要的固有电功率，因此不能自动计算。
[0263]
本发明是防止供应线路中发生的问题的技术，超出了检测预防在所有种类的负载内部发生的缺陷的领域。但是，由于测量负载电流/电功率，因此与现有的方法相同地，还提供设定确定负载电流的上限的阈值而并用或以负载电功率为基准切断过负载的并用方法。
[0264]
(3)测量供应给负载的负载电压21及电流23；
[0265]
本发明通过以下四种方法检测线路异常，若检测到一个以上，则判断为存在线路问题并采取后续措施。可以通过多种方法进行检测。
[0266]
(a)输电线路的损耗电功率；
[0267]
(b)传输线路的损耗电量(区间累积电功率损耗)
[0268]
(c)传输线路的电压下降；
[0269]
(d)传输线路的阻抗；
[0270]
(4)测量所述供电端电压1并传送给控制单元40，若控制单元接收到正常数据，则乘以允许电压变动率54，更新存储于作为判断基准值的rdmax54的阈值；
[0271]
(5)从所述供电端11的供电电压1(或上述存储的空载电压21和当前负载电压21-1)求出线路电压下降31、45，并与预先设定的阈值71进行比较，若低于阈值，则判断为线路上的缺陷，从而切断或检测向负载2供应的电功率。
[0272]
(6)从上述供电端11的供电电压1(或上述存储的空载电压21和当前负载电压21-1)求出线路电压下降31、45，并乘以负载电流22来计算在线路损耗的损耗电功率85；
[0273]
(7)通过将上述线路损耗电功率65与预先设定的阈值74进行比较，如果超过阈值而判断为线路上的缺陷，则通过切断向负载2供应的电功率或进行通知的方法来预防事故。
[0274]
2.实施例2
[0275]
由于难以获取远程的供电端电源电压，因此简单实施的独立模型在初始化过程中将空载电压视为电源电压进行处理。
[0276]
为了解决所述独立方式中发生的问题，若发生第一次跳闸条件，则为了确认根据上述供电端的条件变化引起的错误，暂时转换为短时间切断负载的空载状态，并测量空载电压，重新检查供电端的电压的稳定性，从而在跳闸信号的原因不是电源电压变动的情况下，结论为线路的缺陷，否则，在原因是电源电压变动的情况下，更新空载电压值，重新执行初期电源投入步骤，从而防止误操作，进而防止可靠性降低。此后，在相同负载下，也可以将通过上述步骤学习的数据反映于阈值设定。即，分析学习负载电流的变化模式，导出适合负
载条件的阈值，根据负载电流的模式联动而动态地改变。
[0277]
为了在连接供电端与受电端的单一串联线路中求出损耗电功率，测量所述两端的电压电流并计算电功率，从而能够通过p
ln
(i)＝p
s-p
l
(i)关系求出线路的损耗电功率。
[0278]
图1、图12示出了在本发明中将缺陷检测及控制装置安装在受电端的示例。
[0279]
p
ln
(i)＝p
s-p
l(i)[0280]
p
ln
(i)＝p
s-p
l(i)[0281]
若测量并计算(基本上与线路损耗电功率相关的)供电端电压、受电端电压和负载电流，则可以计算线路损耗电功率。然而，在供电端和受电端(负载)物理分离的情况下，需要新的附加线路。因此，为了应用该原理而增设附加线路是不现实的，因此实用性低。然而，无线通信技术的最新发展可以容易地解决这个问题。作为现实性高的技术，若利用无线iot技术，则可以实现具有高实用性的防灾系统。(基于以下等式表示的基本原理)
[0282]
即使无法实测供电端的实时电源电压1或在供电前端之间发生传输错误，也需要能够独立地(自动地，stand-alone)执行基本功能。
[0283]
为此，将受电端空载线路电压v
l0
视为(代替)供电端电压1、15，并处理为基准值，直到情况发生变化而更新为新值为止。若负载开启，上述受电端空载线路电压v
l0
维持开启之前的电压，若负载切断，上述受电端空载线路电压v
l0
实时更新该值。
[0284]
但是，该方法在供电端11的电压发生变化的情况下发生错误。负载在活性化状态下，无法准确地获知原因是供电端电压变动还是线路特性的变化，从而伴随着一些问题。在供电端电压1的变动严重的情况下，无法进行精准的动作，但在供电端电源稳定的情况下，由于不使用用于测量供电端电压的外部测量单元10及通信单元34、36，因此结构简单。以下等式支持上述说明。
[0285][0286][0287]vli
|i
li
＝0＝vs：伪电源电压
[0288]
为了防止对噪声或浪涌电流敏感的操作，也可以将因线路电功率损耗而产生的热量用作判断的基准值。
[0289][0290]
上述近似式在电源供应端的容量不充分或供电电压的变动严重的情况下误差增加，但实际上v
li
(0)为在供电端和受电端从配电网去除负载的空载状态下可获得的物理量，因此实用性高。
[0291]
另外，线路串联配电网的损耗电功率与两端的电压下降成比例，因此即使没有电流测量单元，也可以检测线路缺陷，因此即使测量供应电压与负载电压的变化比，也可以检测线路缺陷。在这种情况下，由于所有线路阻抗(电阻)被累计求和，因此无法获知特定区间之间的信息，因此有可能不准确，从而有可能误判情况，但可预防因串联配电路径上的负载
增设而导致的超出允许容量而发生的脆弱部分的事故。
[0292]
4.实施例-能量转换器保护
[0293]
本发明的基本概念也可以应用于电力网中变压器等能量转换器的安全管理。即，可以实时测量变压器中损耗的电功率，从而可以获得安全运行信息，并且可以获知危险水平信息，从而可以预防爆炸等事故。
[0294]
图16是基于通过检测电力系统的能量损耗来检测缺陷的构思来实现的，并且可以应用于能量传输转换的所有领域。例如，变压器810、逆变器等电力转换器等事故的主要原因被分析为层间短路812、814、过热、绝缘油劣化、连接缺陷、过载等。这是检测与上述原因相关的物理量是否超过阈值并采取适当措施的方式。然而，在上述方法中，由于外部条件和老化/劣化等而发生老化变化，因此最大可允许电功率降低。在本实施例中，为了使这种问题最小化，若以变流器的效率和损耗电功率205设定极限电功率214，则可根据老化适当地进行安全运行。并且，示出了并用作为换能器810的劣化的症状的过热检测820的示例。若适当地反映状态，并通过iot技术的远程监测，则能够在不使用复杂的附加传感器的情况下进行适当的运行。若本发明的灾害预防/监视系统与智能电力网技术联动，则具有以比现有方法更便宜且更简单的方法容易进行远程管理的结构。下面示出根据劣化程度的合适的跳闸条件的示例。
[0295]
转换效率：
[0296]
损耗电功率：δp＝p
1-p2[0297]
最大允许电功率损耗率：ρ
th
[0298][0299]
作为输入输出之间的通信单元500，能量转换器802通常根据输入输出之间的电绝缘的需要而采用rf、电磁耦合方式、光通信等任意单元也无妨，但是变压器等能量转换器的输入输出接近，且需要高绝缘耐压，因此考虑到emi等，光纤光学通信方式有利。
[0300]
5.电力控制区域(power control domain)
[0301]
电力节点(power node)(电力桥控制器(power bridge controller))作为从电源(上级电力网)接收电功率供应(输入)并向负载(下级电力网)分配电功率的控制单元，测量电功率传输线路的电气信息并根据状态控制电功率供应。电力网具有阶层结构，并且具有上级节点-电力网-下级节点形态重复的阶层树状结构(tree topology)。本发明的没有节点(bridge)的物理分支在逻辑上视为同一层。
[0302]
层的区分在成为本节点的控制对象时有效。若将下级节点添加到节点管理的电力网，则其从属节点被视为一个负载。通常，电力网在物理上呈网状(mesh)多点总线(bus)树(tree)形态。在本发明中，以控制节点为基准，对层(layer)和分支(branch)进行分类。
[0303]
在图17(b)的本发明中，电力控制区域(power control domain)(电力段平面(power segment plane)、电力类(power class))(图17b)是在具有一个电源1(供应端、输入)和一个以上负载(受电端、输出)的电力系统中，与能量的供需无关地，以检测区域和保护等控制机制与其他电力网分离(独立客体)的电力网单位，通常，电力网以阶层(hierarchy)结构扩展，因此虽然是电源的物理上相同的层(layer)，但在具有能够利用控制区域及具备相关性的电气/逻辑区域进行控制和监视的一个电源(供应端、输入)和一个
以上负载(受电端、输出)的电力系统中，与能量的供应无关地，检测区域和保护等控制机制被定义为与其他电力网分离(独立客体)的电力网单元。
[0304]
控制节点200、400、600从上级节点接收电功率，并将电功率直接传递到下级负载。控制和测量只能在上下1个步骤进行。然而，在获得供应电压的测量值时，如果与其自身的供应控制节点(n-1层)的通信不顺利，则可通过从具有更高电平的上级节点200(n-2)获得测量值而扩展控制区间。在此，节点200、400、600能够传输电功率，并能够与具有能够测量上述电压、电流、电功率且能够控制输出的手段的节点进行消息交换。网关节点400是具有如下功能的节点400：从具有供电端和受电端的功能的上级节点接收电功率并传递给下级节点或区域(domain)，必要时控制向下级节点600的电功率供应。
[0305]
以电源的供应及检测/控制区域，下级电力网以阶层性的结构扩展，因此对电能传递流动产生影响。在所有的电力平面(power plane)中，将相对于其自身为上级平面(plane)视为电源并接收电源供应，将下级平面(plane)600、600-2、600-3视为负载并供应电功率。控制和测量仅对相同区域的负载有效，并且除了相同级别的邻居之外，两阶段以上的上级区域(domain)或下级区域(domain)的电力信息不是判断的对象。
[0306]
6.智能电网(smart grid)联动
[0307]
图21示出了应用iot技术的电力网的管理系统。在本发明的系统中可测量的物理量中，作为能够判断事故的异常征兆的电气数据的线路电压下降v
ln
、线路损耗电功率p
ln
、线路电阻r
l
及最大允许电流i
ln(max)
为与事故直接相关的信息，若其中一个超过允许范围，则连接到事故，因此需要始终进行监视。其中线路电阻r
l
、最大允许电流i
ln(max)
与线路设备有关，需要事先掌握和维修，本发明的动态测量技术不切断线路的电功率供应，即使不使用特殊的测量仪，也可以通过间接的方法在通电状态下估算线路电阻r
l
和最大允许电流i
ln(max)
。
[0308]
如实际蜘蛛网一样连接的商用配电网，只要提取线路电阻r
l
和最大允许电流i
ln(max)
线路信息并进行数据库(db)化，并对线路供应电压vs、负载电压v
l
、负载电流i
l
、负载电功率p
l
进行实时实测信息分析管理，就可以构建能够创新性地减少因线路引起的事故的系统。如果实时收集配电网的信息，建立线路的安全度、最大允许电流i
ln(max)
、电功率损耗p
ln
等网络状态db，就可以进行故障预防等预先的措施，从而能够提供维护/维修信息。
[0309]
对电力网缺陷检测技术而言，由于可以通过结合现有的iot技术等信息通信技术而得知实时电功率、供应量、甚至电力网的状态，从而能够实现电力网安全地图(map)。通过利用技术构建社会安全网，能够事先检测电气事故，从而能够最大限度地提高安全度。
[0310]
对提取的上述线路信息而言，如果基于通过损耗电功率记录和分析来分析电气火灾原因或早期发现线路劣化等的更发展的方法来分析处理的信息来应用到多路配电力网络并收集/分析数据，则可以导出关于电力网的安全的量化信息(风险度指数、安全指数)。
[0311]
若结合警告发生次数、维修信息、线路连接点、分支线及位置/地址等信息，则在线路管理中，不仅可以将节点的位置信息和事故状况按线路的危险信息(安全度)显示在地图上，而且可以显示电功率供应状态，从而可以直观地确认，因此较有用。
[0312]
上述安全度-地图考虑到电压下降v
ln
、线路损耗电功率p
ln
、线路电阻r
ln
及最大允许电流i
ln(max)
而将安全度显示在地图，并实时测量比较线路供应电压vs、负载电压v
l
、负载电流i
l
、负载电功率p
l
，若超过预定值，则发出警报并向电力网管制中心通报。通过警报或sms消息通知用户。若危险指数高而判断为严重，则立即切断向负载供应的电力，从而能够
预防大部分的线路事故，然而虽然在过载的情况下上述方法是合适的，但是由于能够事先识别由线路劣化引起的事故，因此如果能够通过事先预告来事先应对，则可以成为更加实用的系统。通过将阈值设定为多级别，并根据风险度逐级警告，可以构建更实用的系统。
[0313]
与智能电网的连接可以通过利用已商业化的iot技术经由网关300连接到互联网云来实现。可以从包括在网关的单独的电力网信息收集装置发送关于多条线路信息的监测数据。在此，互联网可以是在有限区域内提供各种信息装置的通信的有线/无线通信网络中的任何一个，或者可以是两个以上的组合。另外，与互联网相对应的网络的传输方案标准不限于现有的传输方案标准，并且需要应用将来开发的所有传输方案标准。
[0314]
并且，如果通过本发明的电力网线路诊断技术收集的配电网信息通过iot网关系统地存储在db并与大数据技术相关联，则在事故征兆、事故原因分析方面也将取得创新性发展，并且可以实现更有用的电力网管理智能电网技术。
[0315]
由于电力网管制中心能够实时掌握电力线路现状，因此能够检测线路缺陷及过载引起的电力网缺陷，从而能够提前获得维护/维修信息，进而能够预防故障。
[0316]
由于电力网的过度电功率损耗直接预示着事故，因此可以量化风险度，从而可以将风险度反映为客观安全等级指数的决定因素。
[0317]
10.考察
[0318]
本发明通过检测电力网的电气缺陷和线路的异常征兆并采取适当的事先措施来事先预防事故。它被设计为应对通信网络中存在问题的情况而基本上以独立模式操作。
[0319]
不断连续地监测电气缺陷，自动检测线路缺陷，而不受供电电源电压等外部条件的影响。
[0320]
本发明的线路缺陷检测器基本上不从属于线路的物理位置，因此无论位于何处，都将检测到测量点(电源供应端)与受电端(负载)之间的线路缺陷。上述缺陷检测的是表现为电压下降的增加或线路损耗电功率及漏电流的增加的形态的异常征兆。
[0321]
电气缺陷可能发生在电力网的任何位置。因此，若线路缺陷检测器密集地布置，则可以更有效地找到缺陷原因。在此情况下，各个节点向外部管制中心或周边的节点通知自身测量的信息和控制信息，从而可以构建更加有效且细密的精密的安全网。但是，本发明的各节点系统可以构成为具有关联关系，但是，也可以实现作为各节点独立(stand-alone)地操作的结构的，不会相互产生不良影响的扩展结构。通过从相关节点接收信息并仅处理与自身相关的数据，在构建网络时扩展的灵活性高，因此不受限制。
[0322]
在各测量单元的测量值和基于此而根据处理/验证算法计算的值超出预先设定的正常范围的情况下，控制装置判断为超过了线路允许电流容量或超过了电流容量的过载中的一个以上发生了错误，并采取后续措施。该步骤的各测量及处理优选地利用中断技术同步而并行地实时处理，这样能够提高精密度。
[0323]
后续措施可以根据超出基准值范围的程度，按阶段发出警报，也可以根据警报次数和危险度，向管理中心发送切断向作为其原因的负载供应的电功率的危险度，从而可以基于数据库构建危险度地图等，进而还可以采取多种措施，并且可以利用iot技术，作为智能电网的节点等，可以在管制控制网中起到主要构成要素的作用。
[0324]
若缺陷状态被去除，则通过再次闭合触点而使错误检测回路循环，以使中断的电路恢复电源。
[0325]
本发明的技术可以与ac/dc无关地应用于所有电气系统，也可以以多种形态应用于变压器、电力逆变器、太阳光发电系统、ess等能源转换系统。
[0326]
本发明的构思不限于说明书中的示例，并且可以以多种形态反映并实现多种修改、替换、变更及等同物。实施例作为应用将本发明的构思充分传达给具有通常知识的本领域技术人员的示例而提供。本发明的原理并不限于以上说明的实施例，可以以其他形态具体化和变形。虽然以上说明包括大量特征，但是这些特征是为了易于说明，而不应被解释为限制本发明的范围。
[0327]
产业上的可利用性
[0328]
由于预先的安全技术能够有效地减少由电气火灾引起的生命、财产上的损耗社会比率，因此期待商业化，并且期待通过基于物联网的安全相关智能设备部件/产品产业的需求的增长和基于物联网的测量技术相关产业的同步增长。