СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИЛОВОЙ ЦЕПИ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ ЦЕПЬЮ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И СПОСОБ УСТАНОВКИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИЛОВОЙ ЦЕПИ
METHOD AND APPARATUS FOR POWER REGISTER CONTROL, ELECTRIC POWER SUPERVISORY POWER CONTROL SYSTEM, AND METHOD OF INSTALLATION OF DEVICE FOR CONTROLLING POWER CIRCUIT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к силовым цепям, и, более конкретно, к анализу силовой цепи и/или устройств, потребляющих электрический ток из силовой цепи, на основе дискретных измерений электрических параметров в силовой цепи. Также раскрыты способ, устройство и система для такого анализа.
Уровень техники
Силовые цепи используются, например, в зданиях для обеспечения питания подсоединяемых к ним электрических устройств. Потреблять ток из силовой цепи могут различные устройства. Например, к силовой цепи могут быть подсоединены электроприборы, такие, как развлекательные системы (например, телевизоры, аудиосистемы, домашние кинотеатры и др.), компьютеры, печи, холодильники, морозильные камеры, посудомоечные машины, стиральные машины, сушилки, утюги и подобные бытовые электроприборы, электроинструмент, осветительные приборы (например, флуоресцентные, галогенные и светодиодные светильники), инверторы, насыщенные трансформаторы, дуговые печи и так далее. Таким образом, нагрузку в силовой цепи может создавать множество различных электрических приборов. Это может затруднять оценку количества устройств, потребляющих электрический ток в цепи, и определение, какие именно это устройства. Также может быть сложной оценка нагрузки цепи в конкретный момент времени. Однако, пользователям может требоваться информация, по существу, в реальном времени, о потребляемой мощности и/или включенных устройствах, которые потребляют электрический ток в данный момент. Кроме того, желательно иметь информацию о возможных ситуациях перегрузки. Перегрузка может приводить к опасному перегреву и/или автоматическому отключению цепи или группы. Поэтому может быть желательным наличие удобной системы для управления силовыми цепями и для информирования пользователей, например, собственников жилья или управляющих, о состоянии и/или потребляемой мощности в конкретной силовой цепи. Такие системы, предпочтительно, должны обеспечивать удаленный контроль и/или управление цепью и/или подключенными к ней устройствами.
Этот сценарий использования осложняется резким ростом количества и номинальной мощности нелинейных электрических устройств. Нелинейные электрические нагрузки могут обуславливать наличие гармоник в силовой системе электропитания. Гармонические частоты в электрической сети могут являться причиной снижения качества электрической энергии. Силовые гармоники могут вызывать искажение напряжения, которое влияет на чувствительное оборудование. Также результатом может быть нежелательное срабатывание автоматических выключателей (предохранителей). Помимо этого, токи гармоник высшего порядка могут вызывать проблемы, связанные с перегревом, в таких устройствах, как трансформаторы и/или электрические провода и соединители, а также другие проводники, перебои в приводах с регулируемой частотой вращения и пульсации момента в двигателях. Поэтому силовые гармоники могут являться проблемами, влияющими на качество электроэнергии и даже на безопасность. Соответственно, требуется обеспечить эффективный и надежный способ анализа гармоник в силовой цепи.
Следует отметить, что недостатки и задачи, описанные выше, не ограничены какими-либо конкретной системой или силовыми цепями, но могут присутствовать в любой силовой системе, в которой могут требоваться анализ и/или удаленное управление силовой цепью и/или соединенными с ней устройствами.
Варианты осуществления настоящего изобретения нацелены на устранение одного или нескольких из указанных выше недостатков.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним из аспектов, предлагается способ для контроля силовой цепи, включающий выполнение дискретного измерения электрических параметров в силовой цепи посредством подключенного к цепи устройства регистрации, на основе первого окна дискретизации и второго окна дискретизации, причем второе окно дискретизации короче первого окна дискретизации, анализ результатов дискретного измерения с целью определения по меньшей мере одного устройства, потребляющего ток от цепи, и определения для по меньшей мере одного устройства вектора гармоник, на основе первого окна дискретизации и переходного вектора на основе второго окна дискретизации, и определение вектора сигнатуры для по меньшей мере одного устройства на основе вектора гармоник и переходного вектора.
В соответствии с более конкретным аспектом, определяют величину мощности, потребляемой от силовой цепи по меньшей мере одним устройством, идентифицируемым посредством вектора сигнатуры. Может быть осуществлено управляющее действие в отношении цепи и/или по меньшей мере одного устройства, соединенного с цепью. Управляющее действие может включать по меньшей мере одно действие из следующего перечня: выключение всей силовой цепи или по меньшей мере ее части, выключение или изменение иным образом рабочего состояния по меньшей мере одного устройства, потребляющего ток из силовой цепи, и обеспечение предоставления пользователю отображения, соответствующего силовой цепи.
Дискретное измерение и анализ силовой цепи может обеспечивать устройство регистрации, расположенное в блоке предохранителей силовой цепи.
Векторы сигнатуры, соответствующие силовой цепи, могут быть сохранены в базе данных. Может быть проведено сопоставление определенного вектора сигнатуры с базой данных. Если совпадающего вектора сигнатуры не найдено, определенный вектор сигнатуры может быть добавлен в базу данных. Если в базе данных найден совпадающий вектор сигнатуры, в базе данных может быть обновлено состояние устройства, соответствующего вектору сигнатуры.
Анализ может быть запущен в ответ на обнаружение изменения состояния устройства, соединенного с силовой цепью.
Для измеренных устройством регистрации переходных сигналов и гармоник могут быть вычислены средние значения, и затем на основе средних значений может быть определен вектор сигнатуры.
В соответствии с другим аспектом, предлагается устройство для контроля силовой цепи, содержащее корпус, электронику для контроля, расположенную в корпусе и содержащую по меньшей мере один модуль обработки данных и по меньшей мере один модуль памяти, выполненные с возможностью идентификации отдельных устройств, соединенных с силовой цепью, на основе гармоник в силовой цепи, и соединители, выполненные с возможностью присоединения к силовой цепи для измерения напряжения и электрического тока, потребляемого устройствами, соединенными с силовой сетью. Устройство для контроля выполнено с возможностью крепления в стандартном крепежном модуле блока предохранителей вместо стандартного модуля предохранителей.
В соответствии с более конкретным аспектом, по меньшей мере, один из соединителей может быть выполнен с возможностью крепления к внешней части контактного элемента модуля предохранителей через отверстие в модуле предохранителей. По меньшей мере один соединитель может быть выполнен с возможностью прикрепления к концу винта крепления провода в модуле предохранителей. По меньшей мере один соединитель может содержать магнит для его крепления, например, нейтральный и фазный соединители могут быть выполнены с возможностью магнитного прикрепления. Электроника для контроля может быть выполнена с возможностью осуществления любых раскрытых здесь этапов способа.
Также может быть предложена система для управления силовой цепью электропитания. Такая система содержит устройство для контроля силовой цепи, которое содержит электронику для контроля, выполненную с возможностью идентификации отдельных устройств, соединенных с силовой цепью, на основе гармоник в силовой цепи, и соединители, выполненные с возможностью присоединения к силовой цепи для измерения напряжения и тока, потребляемого устройствами, соединенными с силовой цепью. Устройство для контроля выполнено с возможностью крепления в крепежном модуле блока предохранителей вместо стандартного модуля предохранителей. Система дополнительно содержит центральное устройство обработки данных, содержащее базу данных и процессорное устройство для приема информации от устройства для контроля силовой цепи, и интерфейс связи для передачи в пользовательский терминал данных, соответствующих силовой цепи.
В соответствии с дополнительным аспектом предлагается способ установки устройства для контроля силовой цепи, включающий прикрепление устройства для контроля на рейку блока предохранителей силовой цепи вместо стандартного модуля предохранителей. Способ включает прикрепление устройства для контроля на рейку блока предохранителей силовой цепи вместо стандартного модуля предохранителей с целью определения гармоник в силовой цепи, и соединение соединителей, отходящих от устройства для контроля, с силовой цепью для измерения устройством для контроля напряжения и тока, потребляемого устройствами, соединенными с силовой цепью.
Устройство для контроля может быть прикреплено на рейке посредством защелок, взаимодействующих с рейкой, и посредством подключения по меньшей мере части соединителей к силовой цепи посредством вставки щупов в отверстия модуля предохранителей блока предохранителей. Для крепления по меньшей мере одного из контактов устройства для контроля к электрическим компонентам модуля предохранителей блока предохранителей могут быть использованы магниты.
В соответствии с одним из аспектов предлагается долговременный машиночитаемый носитель информации, содержащий программный код, который обеспечивает выполнение процессором команд для осуществления одного или более раскрытых здесь способов.
Некоторые более конкретные аспекты будут ясны из подробного описания.
Краткое описание чертежей
Различные примеры вариантов осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы на приложенных чертежах. Этапы и элементы могут иметь другой порядок и расположение, могут быть опущены, или могут сочетаться с образованием новых вариантов осуществления, и каждый из этапов, отмеченный как выполненный, может быть вызван к исполнению другим устройством или модулем.
На фиг. 1 показан пример силовой цепи, в которой может быть осуществлено настоящее изобретение.
На фиг. 2 показан пример устройства регистрации.
На фиг. 3 показаны примеры блока предохранителей, содержащего устройство регистрации.
Фиг. 4-11 относятся к вычислениям, на основе которых выполняется определение вектора сигнатуры.
На фиг. 12 и 13 показаны диаграммы, относящиеся к конкретным вариантам осуществления.
На фиг. 14 показано устройство обработки данных.
Осуществление изобретения
Далее настоящее изобретение раскрыто на примере силовой цепи и блока устройств разъединения (предохранителей) силовой цепи. На фиг. 1 показан пример силовой системы 1 электропитания, содержащей бытовую силовую цепь 2 для электроснабжения множества различных бытовых электроприборов 5. К электроприборам могут относиться различные электрические устройства, состояние которых может быть включенным и выключенным, такие как печи, холодильники, стиральные машины, телевизоры, радиоприемники и другие бытовые электроприборы, электроинструмент, осветительные приборы, инверторы, насыщенные трансформаторы, дуговые печи и так далее. В качестве электроприбора также можно рассматривать совокупность отдельных электроприборов, которые могут быть включены (ON) или выключены (OFF). Устройства 5 могут потреблять электрический ток от цепи 2 и могут находиться в различных состояниях.
На фиг. 1 также показан блок или щиток 3 предохранителей цепи. Щиток пред представляет собой электрическое распределительное устройство (щит) системы электроснабжения, который разделяет подаваемое электропитание на отдельные цепи, и в котором в общем корпусе предусмотрен отдельный защитный предохранитель цепи для каждой цепи. Обычно также предусматривают главный выключатель и одно или более устройств защитного отключения, УЗО (RCD) или предохранителей цепи для остаточного тока с защитой от перегрузки по току (RCBO). Блок предохранителей известным образом подсоединен, например, к национальной электрической сети 4. Блок предохранителей может содержать множество модулей предохранителей, выполненных с возможностью управления конкретными устройствами и частями силовой цепи 2. Эти модули часто называют предохранителями цепи (устройствами разъединения) или просто разъединителями. Примеры модулей 6 предохранителей в блоке 3 предохранителей показаны на фиг. 3. Как будет более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 2 и 3, во взаимосвязи с блоком предохранителей может быть предусмотрено устройство регистрации, выполненное в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Устройство регистрации может быть оснащено соответствующими возможностями обработки и запоминания данных для осуществления анализа и других операций. На фиг. 2 показан пример устройства 10 регистрации, выполненного с возможностью контроля силовой цепи, изображенной на фиг. 1. В устройстве регистрации размещена необходимая электроника управления для выполнения операций управления и анализа, как будет более подробно описано ниже. Кроме того, устройство регистрации может содержать интерфейс связи, например, для беспроводной связи или связи по стационарной линии.
Устройство 10 регистрации может быть установлено внутри блока (щитка) 3 предохранителей. На фиг. 2 представлен конкретный вариант конструкции, который может быть установлен без использования каких-либо инструментов, за исключением, возможно, инструмента, ключа и/или кода, необходимых для открытия передней крышки щитка предохранителей. Крепление к компонентам щитка предохранителей может быть осуществлено посредством подходящих защелок, крючков и т.п. В устройстве, представленном на фиг. 2, предусмотрены крючки, которые захватывают крепежную рейку щитка предохранителей. Установка устройства также не требует отсоединения проводов. Таким образом, может быть обеспечена возможность быстрой и защищенной от ошибок установки устройства регистрации.
Щиток предохранителей может иметь обычную конструкцию. Например, в Европе используется стандартизированная конструкция щитков предохранителей, которая обеспечивает возможность крепления модулей предохранителей на DIN-рейку (DIN является немецким стандартом, от Deutsches Institut  Normung, Немецкий Институт по Стандартизации). Использование креплений, которые взаимодействуют с DIN-рейкой, позволяет применять стандартные устройства в различных сферах применения, облегчая сборку. Такое устройство также выглядит как установленное "изначально", нежели как "не оригинальное".
Пример предохранителя цепи стандарта DIN представлен на фиг. 3. Блок содержит различные типы модулей 6A, 6B и 6C предохранителей, причем каждый модуль соответствует стандарту DIN. Главный предохранитель 6A обычно имеет ширину в два или четыре модуля DIN. Модуль предохранителей или разъединитель может содержать защитный предохранитель цепи.
Устройство регистрации, представленное на фиг. 2, предпочтительно, устанавливают настолько близко к главному предохранителю 6A, насколько это возможно. При наличии такой возможности, устройство 10 регистрации располагают непосредственно рядом с главным модулем 6A предохранителей. Ширина устройства регистрации может равняться, например, ширине двух модулей DIN, то есть 35,6 мм. Глубина этого устройства, в соответствии со стандартом DIN, может составлять, например, 44 мм. Устройство регистрации и его провода, предпочтительно, выполняют так, чтобы ни одна из их частей не превышала зазор между предохранителем и задней стороной передней крышки щитка выключателей.
Устройство 10 регистрации может быть соединено с электрической цепью посредством двух контактов 14 и 16. Соединение может быть осуществлено в подходящем месте на главном предохранителе 6A или рядом с ним. Также предусмотрен тороид 12 для расположения вокруг фазового провода 20 цепи. Контакты 14 и 16 используют для измерения напряжения и для получения энергии, необходимой для работы электроники устройства. Тороид 12 служит для измерения тока, потребляемого устройствами, соединенным с цепью.
Устройство может содержать два специально выполненных щупа 14 и 16, выполненных с возможностью соединения с "неправильными концами" передних винтов 7, 8 стандартного модуля предохранителей. Расстояние между передними винтами определяется стандартом DIN и может составлять или быть кратно 17,7 мм. Поскольку возможны различные расстояния между отверстиями под винты, как показано на фиг. 3, щупы могут быть предусмотрены на свободных концах проводов 13 и 15, а не в виде жесткой сборки, за счет чего обеспечивается возможность монтажа при различных расстояниях.
Соединители могут быть выполнены с возможностью крепления к внешней части контактного элемента модуля предохранителей, например, концу винта другого видимого крепежного элемента, через отверстие в модуле предохранителей. Щупы 14 и 16 могут содержать магнитные соединители, которые достаточно просто вставить в соответствующие отверстия, такие как отверстия под винты на передней или боковой стороне под нейтральные и фазовые провода. Благодаря магнитам 17 щупы 14 и 16 самостоятельно крепятся к головкам винтов, и обеспечивают, таким образом, контакт между контактами 19 и концами винтов крепления проводов в модуле предохранителей. Тем самым для подключения устройства в блоке предохранителей инструменты не требуются. Также возможны другие способы присоединения контактов щупов к концам винтов.
Зазор между передней стороной модулей предохранителей и задней стороной крышки щитка предохранителей обычно невелик, и может составлять всего около 5 мм. Поэтому, можно считать желательным соединение устройства регистрации с проводами силовой цепи посредством трех тонких кабелей, слитых в одно целое. Кабели могут быть сверхгибкими и иметь силиконовую изоляцию, например, как кабели, используемые в щупах тестеров и осциллографов. Кабели такого типа обеспечивают более высокое напряжение пробоя изоляции и возможность изгиба с очень небольшим радиусом без повреждения.
Кабель 11, служащий для регистрации тока, может иметь цвет фазового провода. Два кабеля 13 и 15, служащие для измерения напряжения и отбора питания, могут иметь цвета фазы и нейтрали. Цвета проводов могут различаться в зависимости от страны предназначения.
Электроника, выполняющая операции по регистрации и анализу, может быть размещена в пластиковом корпусе, например, выполненном из ABS-пластика или поликарбоната. Для крепления устройства на DIN-рейку могут быть использованы скользящие пластиковые крючки 18 (подпружиненные). Также для упрощения механической конструкции могут быть использованы другие решения, такие как "защелкивающиеся" резиновые элементы.
Сборка устройства для контроля, таким образом, может включать операцию вставки устройства для контроля в разъем, предназначенный для модуля предохранителей, и крепление устройства для контроля на рейку блока предохранителей.
Возвращаясь к фиг. 1, система для контроля и управления может дополнительно содержать центральный модуль 40 обработки данных. Этот модуль может содержать центральную базу 44 данных и иметь соответствующие возможности по обработке данных с целью обработки информации от множества локальных силовых систем, таких как система 1. Локальное устройство 10 регистрации соединено с центральным модулем 40 посредством соответствующей линии 46 связи. По меньшей мере часть передачи данных может осуществляться по беспроводной линии. Например, локальное устройство 10 может иметь собственный IP-адрес и осуществлять связь через беспроводную локальную сеть (WLAN) или систему сотовой связи. Обработка и хранение информации, связанной с силовой системой 1 электропитания, устройством 10 регистрации могут быть распределены между устройствами 10 и 40.
На фиг. 1 дополнительно изображен пользовательский терминал 48. Пользовательский терминал может представлять собой, например, смартфон, планшетный компьютер, переносной компьютер или настольный компьютер. Предпочтительно, пользовательский терминал является мобильным устройством, осуществляющим связь с модулем 40 обработки данных по беспроводной линии 49. Пользователю, например, домовладельцу или управляющему недвижимостью, может отображаться информация о силовой цепи и/или соединенных с ней устройствах, полученная на основе информации, измеренной устройством 10. Пользовательский терминал также может быть использован для ввода управляющих команд, связанных с силовой системой 1 и/или соединенными с ней устройствами 5. При наличии возможности пользователь терминала загружает соответствующее клиентское приложение, обеспечивающее операции отображения и управления.
Как отмечено выше, нагрузку в силовой цепи 1 может создавать множество различных электроприборов 5. В традиционной системе питания переменного тока электрический ток изменяется по синусоиде с определенной частотой, обычно 50 или 60 Гц. При подсоединении к системе линейной электрической нагрузки, она потребляет синусоидальный ток с той же частотой, что и частота напряжения (хотя и не в одной фазе с напряжением). Однако существует тенденция использования все большего количества и большей мощности существенно нелинейных электрических устройств. Такие нелинейные нагрузки создают гармоники токов. При подсоединении к системе нелинейной нагрузки, такой как выпрямитель, она потребляет ток, который не обязательно является синусоидальным. Форма токового сигнала может становиться достаточно сложной, в зависимости от типа нагрузки и ее взаимодействия с другими компонентами системы. Вне зависимости от сложности формы токового сигнала, как описано для разложения в ряд Фурье, его можно разложить в ряд простых синусоид, который начинается с фундаментальной частоты силовой системы, и в который входят элементы, соответствующие произведениям фундаментальной частоты на целочисленные множители.
Силовые гармоники могут вызывать искажение напряжения, которое влияет на чувствительное оборудование. Они также могут вызывать нежелательное срабатывание предохранителей цепи. Кроме того, гармоники высшего порядка могут вызывать проблемы, связанные с перегревом, в таких устройствах, как трансформаторы и/или в электрических проводах и соединениях. Поэтому силовые гармоники могут являться проблемами, влияющими на качество электроэнергии, и даже на безопасность.
С другой стороны, анализ силовых гармоник может быть полезен для идентификации приборов, которые используются в данный момент и, например, управления возможными ситуациями перегрузки. Анализ силовых гармоник относится к изучению искажений формы сигнала, обусловленных нелинейностью электрических нагрузок в силовой цепи. Анализ силовых гармоник может быть выполнен во временной области или в частотной области. Информация о частотах может быть получена посредством таких способов, как преобразование Фурье (FFT) исходного сигнала во временной области. Упомянутые две различные области представляют собой две различных точки зрения на форму сигнала, и они обе могут быть использованы для анализа силовых гармоник.
В соответствии с вариантом осуществления, устройство регистрации, соединенное с силовой цепью, осуществляет дискретные измерения и вычисляет преобразование Фурье первых девяти гармоник тока, выдавая информацию об амплитудах и фазах. Гармоники могут быть усреднены по окну дискретизации. Длительность этого окна дискретизации может составлять, например, пятнадцать секунд. Полученный вектор гармоник затем может быть использован для определения вектора сигнатуры для конкретного устройства или группы устройств, принимая во внимание определенную дополнительную информацию.
Далее со ссылкой на фиг. 4-10 и табл. 1-5 более подробно представлены конкретные принципы возможного анализа гармоник с целью определения вектора сигнатуры по меньшей мере одного устройства.
На фиг. 4 представлен пример нечетных гармоник. Их определение представлено в табл. 1 ниже:
На фиг. 5 показано, какой эффект на i-ую гармонику оказывает добавление электроприбора. Подробно это описано в табл. 2 ниже.
На фиг. 6 представлена диаграмма анализа различий вектора гармоник между отсчетами Т и Т+1. Детали этого анализа представлены в табл. 3 ниже.
В вычислении вектора, соответствующего электроприбору, может быть сделано допущение, что между отсчетами Т и Т+1 гармоник включают или выключают только один электроприбор.
Если на протяжении периода дискретизации включают или выключают более чем один электроприбор, в базе данных генерируется составная сигнатура электроприборов. Этот вектор сигнатуры может оставаться "сиротой", т.е. никогда не совпадать, или очень редко совпадать с другим вычисленным вектором электроприбора, кроме случая, когда эти два электроприбора всегда включают вместе. Однако, в случае некоторых устройств, работающих в группах, это может происходить, поэтому администратор системы может сохранять и такие векторы.
На фиг. 7 показаны флуктуации гармоник и их нормализация. Подробности даны ниже в табл. 4. Вычисления могут быть сделаны на основе того, что
R
где  - это отклонение от 1 корреляции между векторами A и An или девиация.
R
n
При вычислении вектора гармоник электроприбора на основе разницы гармоник, измеренных в моменты Т и Т+1, возникают флуктуации. Для определения разницы для каждого компонента вектора между вектором гармоник A (образцом) и A (вычисленным вектором) может быть использована функция ошибки .
n
0
n
n
R
Задача состоит в том, чтобы откалибровать  с точки зрения точности для обеспечения возможности отождествления вектора A электроприбора с опорным вектором А электроприбора, который хранится в базе данных векторов электроприборов. Поскольку . является функцией ошибки между A и A, алгоритм отождествления должен стремиться минимизировать значение функции ошибки, что дает наиболее точное соответствие A.
Вычисление среднего для вектора гармоник электроприбора показано на фиг. 8. Оно может быть записано как
где
являются отождествляемыми сигнатурами,
R
A(n) является скользящим средним, начиная с первой записи A(1) в базе данных,
R
0
При первом обнаружении электроприбора в электрической силовой цепи в базе данных сигнатур создается запись A(1). Значение А, которое хранится в базе данных и используется как образец гармоник электроприбора, усредняется для учета изменений электрических параметров.
R
R
Если сигнатура электроприбора совпадает с A(n), хранящейся в базе данных, значение в базе данных может быть изменено и заменено новым средним значением A(n+1) С течением времени среднее сходится к истинному значению сигнатуры электроприбора.
R
Для вычисления алгоритмом среднего значения, в базе данных может храниться число совпадений, n, а также среднее значение A(n).
В дополнение к относительно постоянным сигналам в окне дискретизации гармоник, предусмотрен также анализ переходных сигналов. Под переходными сигналами в целом понимаются кратковременные сигналы в силовой цепи. Переходные сигналы обычно возникают во время внезапных переходов между состояниями электрических устройств (включенное/выключенное), тогда как сигналы устойчивого состояния являются постоянными или циклическими сигналами, которые повторяются во времени при нахождении электрического устройства в состоянии стабильной работы. Из-за их кратковременности, анализ переходных сигналов может быть более сложным по сравнению с сигналами устойчивого состояния. Переходные сигналы обычно требуют непрерывного контроля и записи сигнала с большой частотой дискретизации. Для начала записи формы переходных сигналов могут быть использованы такие технологии, как обнаружение фронта. Сигналы устойчивого состояния, напротив, образуются только при достижении формой сигнала стабильности, поэтому для них допустимо более низкое разрешение.
В соответствии с описанными здесь принципами в качестве информации для анализа силовых гармоник используются как переходные сигналы, так и сигналы устойчивого состояния.
Устройство регистрации (датчик) может быть выполнено с возможностью дискретного измерения переходного сигнала вслед за изменением потребляемой мощности в течение окна дискретизации переходного сигнала, более короткого в сравнении с окном дискретизации гармоник. Например, окно дискретизации переходного сигнала может составлять порядка 250 мс. Окно переходного сигнала может быть разделено на десять значений, соответствующих пикам тока переходного сигнала на фундаментальной частоте 50/60 Гц.
На фиг. 9 показан график переходного и устойчивого (стационарного) состояний. Информация о кривой переходного состояния может быть дискретизирована и сохранена в базе данных. Подробнее такое определение представлено в табл. 4 ниже.
Характеристики переходного сигнала сильно зависят от мгновенного состояния электрической системы, при котором он возникает. Тем самым амплитуда волны переходного сигнала может существенно отличаться для каждого момента измерений. Точное моделирование является сложным и может требовать принятия во внимание всех возможных состояний.
10
10
В данном примере время Т можно считать точкой, в которой ток на фундаментальной частоте достиг устойчивого состояния. Поэтому Т может быть использовано в качестве входного значения для устойчивого состояния.
10
На фиг. 10 показана нормализация переходного состояния. Более конкретно, на верхнем графике представлено сравнение нормализованного значения переходного сигнала с переходным сигналом Tr, а на нижнем графике представлена кривая переходного состояния с учетом тренда. В табл. 5 представлены подробные вычисления.
1
9
Далее символами Tr' обозначен сигнал Tr после нормализации и восстановления формы. Только девять векторов переходных состояний можно считать эквивалентными (Tr', …, Tr').
Переходный вектор Tr может быть использован совместно с вектором гармоник для вычисления сигнатур.
В реальности существуют два различных переходных сигнала. Один соответствует событию включения, второй следует за событием выключения. В отличие от гармоник, которые абсолютно симметричны для включения и выключения, переходные сигналы отличны из-за природы электрических явлений, происходящих в цепях.
На фиг. 11A и B показаны вычисленные гармоники и переходные сигналы для восьми электроприборов. Для определения сигнатур электроприборов наборы данных (в данном примере 1000 наборов данных измерений) коррелируют в группы, и затем вычисляют среднее значение для каждой гармоники и переходного сигнала. Как видно на фиг. 11B, переходные сигналы образуют две различные группы. В одной из групп электроприборы выключали, и поэтому переходный сигнал быстро снижается до нуля. В другой электроприборы включали, что вызывает более длительные колебания.
R
Поскольку переходные сигналы при включении или выключении электроприбора могут быть сопоставлены с событиями включения или выключения, алгоритм должен только уловить верный переходный сигнал. Например, когда переходный сигнал включения электроприбора А совпадает с образцом R в базе данных, вектор Tr переходного сигнала пересчитывается следующим образом:
R
где Tr(ON, n) является образцом переходного сигнала, хранящимся в базе данных, вычисленным как среднее из n совпавших векторов.
В случае события выключения алгоритм работает точно таким же образом, используя, соответственно, переходный сигнал выключения.
Теперь вектор сигнатуры может быть вычислен следующим образом.
Определение вектора гармоник электроприбора А может быть записано как
Определение переходного вектора электроприбора А может быть записано как
и
Определение вектора сигнатуры электроприбора А может быть вычислено на основе этих двух векторов как:
A
Вектор S имеет 28 координат, и является вектором сигнатуры электроприбора, образованным из его вектора гармоник и переходного вектора.
Для определения факта нахождения вектора сигнатур может быть использована функция ошибки:
причем электроприбор А четко идентифицирован, когда ε(А, R) достигает минимума, и
Алгоритм использует технологию машинного обучения для подстраивания Weight(H) и Weight(Tr) при каждой установке. После окончания начального периода, эквивалентного нескольким тысячам отсчетов, в среднем от трех до пяти дней, алгоритм оценивает, какие значения коэффициентов (Weight) дают наибольшую точность, которая определяется вариацией между значениями отсчетов для данной сигнатуры, и диапазон распознавания. Распознавание соответствует доле отсчетов, которые успешно совпали с определенными таким образом сигнатурами.
R
Параметр S образца сигнатуры для распознанного электроприбора, который совпал в п случаях, определяется по формуле
Таким образом значение, хранящееся в базе данных в качестве образца сигнатуры, может быть усреднено по совпавшим сигнатурам. Посредством усреднения сигнатур алгоритм учитывает изменение электрических цепей с течением времени и небольшие изменения в общем характере работы электроприбора, то есть отражает электрические изменения в электроприборе.
В соответствии с вариантом осуществления, на этапе инициализации системы собирают данные в точках измерения данных. Систему запускают на начальном этапе с целью сбора достаточных данных и затем анализируют собранные данные. Результатами могут быть, например, сотни кажущихся различными сигнатур, которые могут соответствовать или не соответствовать одному устройству. Описанный выше алгоритм может быть первоначально использован для извлечения из сотен наборов данных сигнатур, которыми изначально наполняют базу данных. Преимущество инициализации системы на основе сотен наборов данных вместо записи сигнатур на основе первого электрического события состоит в том, что средние значения гармоник и переходных сигналов, используемые в качестве основы для сигнатур, опираются на десятки совпадений, вместо использования в качестве основы лишь одного или первого совпадения, и поэтому более точны.
На фиг. 12 показана диаграмма алгоритма, следующего за обнаружением изменения состояния устройства, соединенного с силовой цепью. Устройство регистрации осуществляет измерение на этапе 110, и на основе этого может быть обнаружено либо событие включения, либо событие выключения. Это может быть определено на основе возрастания (при включении) или убывания (при выключении) потребляемой мощности, отсчитанной в конце переходного периода.
Когда датчик обнаруживает событие включения, алгоритм следует по ветви, соответствующей включению. Результаты отсчета датчика сравнивают с предыдущим отсчетом для вычисления вектора сигнатуры устройства. Как описано выше, вектор сигнатуры может быть вычислен в виде совокупности переходного сигнала и гармоник, которые были вычислены на этапах 112 и 113, соответственно. Затем на этапе 114 может быть осуществлено сопоставление вектора сигнатуры с записями в базе данных.
На этом этапе вектор сигнатуры может быть сопоставлен только со списком известных электроприборов, состояние которых в базе данных электроприборов отмечено как "выключенное". Нет необходимости сопоставлять сигнатуры с "включенными" элементами, так как устройство определено как только что включенное, и поэтому не могло быть включено до этого. Поэтому на этом этапе данное устройство обязательно остается отмеченным в базе данных как "выключенное", и обновление следует за этапом сопоставления.
Если сигнатура соответствует электроприбору, имеющему в базе данных выключенное состояние, его состояние в базе данных электроприборов изменяют на "включенное".
Если сигнатуре не может быть найдено соответствие в списке "выключенных" электроприборов, на этапе 116 для устройства может быть создана новая запись сигнатуры в базе данных, и добавлена в базу данных на этапе 117. На данном этапе вновь добавленному устройству может быть присвоен статус "включенного".
Аналогичная логика может быть применена при действиях в ответ на событие выключения. В ветви, соответствующей событию выключения, переходный сигнал в качестве части сигнатуры не требуется, на этапе 120 вычисляются только гармоники, и их используют для сопоставления на этапе 122 с записями для "включенного" состояния базы данных электроприборов. Это обусловлено тем, что электроприбор можно считать находящимся в устойчивом (стационарном) состоянии.
Если сигнатуре не может быть найдено соответствие в базе данных, в базу данных может быть добавлена запись о новой сигнатуре электроприбора. При этом на этапе 124 создают новую сигнатуру электроприбора и соответствующим образом обновляют базу данных.
При переключении электроприбора между включенным и выключенным состояниями устройство регистрации может передавать сообщение центральному модулю, представляющему собой платформу-посредник. Сообщение может информировать центральный модуль об идентификации нового электроприбора и о необходимости добавления новой записи. Таким образом, система узнает в результате самообучения новые устройства, подключаемые к силовой цепи. Если совпадение было найдено, то сообщение может уведомлять о найденном датчиком совпадении с его локальной базой данных, и датчик передает обновленную запись, которая заменяет существующую запись, соответствующую электроприбору.
Могут возникать и неопределенные ситуации. Процесс управления состояниями "включено" и "выключено" в базе данных, который устраняет аномалии, такие как ситуация, при которой электроприбор остается во "включенном" состоянии или при событии включения состояние того же самого электроприбора уже записано как "включенное", предусмотрен на этапе 130. В случае двойного события включения или выключения для одного и того же электроприбора, можно считать, что электроприбор включают и выключают, или выключают и включают, в течение одного и того же окна дискретизации. Фактически, электроприбор останется, соответственно, включенным, если он уже был включен, и выключенным, если он был выключен.
Как только устройство и его состояние идентифицированы, на этапах 118 и 126 может быть вычислена потребляемая мощность. Значения потребляемой мощности могут быть добавлены к записи соответствующего устройства на каждой ветви после идентификации устройства. Информация о потребляемой мощности может быть передана на соответствующие пользовательские терминалы, по существу, в реальном времени и/или сохранена для дальнейшего использования.
Сопоставление может быть выполнено локально в устройстве регистрации или централизованно. В первом упомянутом варианте сигнатуры хранятся локально в устройстве 10. В последнем сигнатуры хранятся в центральном модуле. В таком случае данные, которые передаются между локальным модулем и центральным модулем, зависят от технического решения.
При включении или загрузке датчика может быть передан запрос датчика к базе данных электроприборов с целью получения копии текущих записей, соответствующих электроприборам. Датчик заново выстраивает дерево электроприборов в том виде, в котором оно хранится в базе данных.
В соответствии с одним из вариантов осуществления систему используют для контроля потребления мощности. Он может быть обеспечен посредством определения всех включенных устройств и их потребляемой мощности. Вычисления могут быть произведены локально или централизованно. Пользователь терминала 48, представленного на фиг. 1, может получать статистические данные и/или, по существу, данные в реальном времени, относящиеся к потребленной мощности. Могут быть предоставлены данные о потреблении, сгруппированные по силовым цепям, конкретным группам устройств, комнатам, и т.д., или даже по конкретным устройствам.
В соответствии с вариантом осуществления предусмотрен таймер активного состояния, которому присваивается значение, причем если в этот период не отмечены события включения/выключения, датчик выдает информацию только о потребляемой из силовой цепи мощности и любых изменениях, влияющих на общую потребляемую мощность. Например, таймеру активного состояния может быть задана продолжительность от 45 до 60 секунд.
В соответствии с вариантом осуществления блок предохранителей оснащен аварийным выключателем. Управление им может осуществляться посредством центральной системы обработки данных в ответ на обнаружение, например, перегрузки, перегрева или других аномальных состояний. Может быть предусмотрено отключение конкретных устройств или групп устройств, или может быть отключена вся силовая цепь.
В дополнение к определению потребляемой мощности или вместо него могут осуществляться другие управляющие действия. Например, информация о включенных устройствах может быть передана на пользовательский терминал, и пользователь удаленно может видеть отображение такой информации о состоянии. Например, пользовательский терминал 48, представленный на фиг. 1, может отображать список включенных устройств, или указывать на устройства, которые включены в таких обстоятельствах, когда по всем признакам они не должны быть включены. Например, предупреждение может быть выдано, если определено включенное состояние чайника, кофемашины, утюга, духовки и тому подобного, когда никого нет дома.
При наличии возможности система использует информацию от устройства определения местоположения пользователя и уведомляет пользователя, например, о включенном состоянии духовки, когда пользователь находится не дома. При наличии возможности используется система позиционирования пользовательского терминала, например, GPS-позиционирование, позиционирование, основанное на сотовых сетях, и тому подобное. Если определено, что пользовательский терминал находится не дома или вблизи от него, через пользовательский терминал выдается предупреждение при обнаружении включенного состояния заранее заданных электрических устройств.
Таким образом, пользователь может быть предупрежден о ненормальной ситуации. Затем пользователь может использовать терминал для осуществления соответствующего управляющего действия, например, управления отключением всей системы или ее частей. То есть, пользователь может предпринять действия, такие как отключение всей силовой цепи или части силовой цепи, выключение или другое изменение режима работы, по меньшей мере, одного устройства, потребляющего ток от силовой цепи, и так далее, посредством пользовательского интерфейса, который отображает клиентское приложение, запущенное на терминале.
На фиг. 13 показана диаграмма в соответствии с вариантом осуществления. В представленном способе контроля силовой цепи выполняется дискретное измерение электрических параметров в силовой цепи на этапе 100 посредством подключенного к силовой цепи устройства регистрации на основе первого окна дискретизации и второго окна дискретизации, причем второе окно дискретизации короче первого окна дискретизации. Результаты измерения анализируются на этапе 102 с целью определения по меньшей мере одного устройства, потребляющего ток от силовой цепи, и определения для по меньшей мере одного устройства вектора гармоник на основе первого окна дискретизации и переходного вектора на основе второго окна дискретизации. Затем на этапе 104 на основе вектора гармоник и переходного вектора определяют вектор сигнатуры для по меньшей мере одного устройства.
На фиг. 14 показан пример управляющего устройства для устройства регистрации, которое может обеспечивать возможность описанных выше функций дискретного измерения и анализа силовой цепи. Управляющее устройство 30 может быть расположено, например, в корпусе устройства 10, представленного на фиг. 2. Управляющее устройство содержит по меньшей мере одну память 31, по меньшей мере один модуль 32, 33 обработки данных и интерфейс 34 ввода/вывода. Посредством этого интерфейса управляющее устройство может быть подключено к сети передачи данных, либо по беспроводному соединению, либо по стационарному соединению, и, дополнительно, к центральному модулю, содержащему базу данных, для обработки и/или хранения информации о векторах сигнатуры. По меньшей мере часть функций анализа и определения может быть обеспечена центральным модулем обработки данных. Управляющее устройство может быть выполнено с возможностью выполнения соответствующего программного кода для обеспечения функций управления. Управляющее устройство может также быть соединено с другими компонентами системы управления.
Варианты осуществления и их сочетания или их отдельные признаки могут быть реализованы в виде способов, устройств или компьютерных программных продуктов. Также могут быть предложены способы загрузки компьютерного программного кода для тех же целей. Компьютерные программные продукты могут храниться на долговременных машиночитаемых носителях данных, таких как микросхемы памяти или модули памяти, реализованные в процессоре, магнитные носители, такие как жесткие диски или гибкие магнитные диски, и оптические носители, такие как, например, DVD и его аналоги, предназначенные для данных, CD, магнитные диски, или полупроводниковые запоминающие устройства. Этапы способа могут быть реализованы с использованием команд, при выполнении которых компьютер выполняет этапы способа с использованием процессора и памяти. Эти команды могут храниться на любом машиночитаемом носителе, таком как память или постоянное устройство хранения.
Процессоры данных могут быть любого типа, подходящего в локальных технических условиях, и могут содержать одно или более устройств из перечисленных ниже не ограничивающих примеров: компьютеры общего назначения, специализированные компьютеры, микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры (DSP), интегральные схемы специального назначения (ASIC), логические интегральные схемы и процессоры, основанные на многоядерной процессорной архитектуре. Обработка данных может быть распределена между несколькими модулями обработки данных. Процессор данных может представлен, например, по меньшей мере одной микросхемой. Память или модули памяти могут быть любого типа, подходящего в локальных технических условиях, и могут быть реализованы с использованием любых технологий хранения данных, таких как устройства памяти на основе полупроводников, магнитные устройства и системы памяти, оптические устройства и системы памяти, постоянные запоминающие устройства и съемные носители данных.
Несмотря на то, что различные аспекты настоящего изобретения могут быть проиллюстрированы и раскрыты в виде структурных схем, блок-схем, или с использованием другого графического представления, должно быть ясно, что эти блоки, устройства, системы, методы или способы, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы, в качестве не ограничивающих примеров, в виде аппаратного обеспечения, программного обеспечения, встроенного программного обеспечения, цепей или логических схем специального назначения, аппаратного обеспечения общего назначения, или контроллера или других вычислительных устройств, или каких-либо их сочетаний.
Вышеприведенное описание, посредством не ограничивающих примеров, обеспечивает полное и содержательное раскрытие примеров вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако, специалистам в области техники из вышеприведенного описания, которое следует читать совместно с прилагаемыми чертежами и пунктами формулы, могут быть очевидны различные модификации и адаптации. Все эти модификации идей настоящего изобретения и им подобные также входят в объем и сущность настоящего изобретения.