CN102782735A - 智能电网的负载管理和中断检测 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于管理电力线路负载和检测其中断的系统，其包括至少一个连接到电力线路裸导线的无线温度传感器，该传感器位于线路的连接部或线路的分流点，用于检测导体中电流所产生的温度。该系统还包括用于无线读取传感器所检测温度的电流测量单元(CMU)，从而通过使用温度-电流的转换公式和表格，在任何电压水平均实现对电力线路的便宜、快速和容易的RMS电流测量。

Description

智能电网的负载管理和中断检测
技术领域
本发明涉及智能电网的负载和中断监测以及管理领域；更具体地讲，本发明涉及在电力线路导线上创建廉价的实时电流测量的方法和系统。
技术背景
智能电网使用数字技术从电力供应商输电至用户，以节省能源。这项技术也应有助于根据负载的变化降低功率的峰值要求，提高可靠性，并控制电压水平。
智能电网(也称为：Smart Electric Grid、Smart Power Grid、Intelligent Grid、IntelliGrid、FutureGrid、Intergrid、Intragrid等)，需要更多的信息以实现操作控制器件，例如额外变压器绕组和断路器；其中，额外变压器绕组用于改变电压水平；断路器用于连接/断开负载或建立旁路连接，以从网络中的欠载线路增加电源供应至过载线路，并且当负载减小时反向操作。
电力公司的发电机产生中压电流至传输变压器。变压器将电压提升到非常高的水平。全部长度的传输线、变电站以及其配电变压器，再将电压转换至提供给城市的工业区和住宅小区的中等电压。
电力公司和变电站中的控制团队和控制设备，具有关于配电变压器两侧(输入线和输出线。每条线通常包括3相)电流和电压的良好信息和测量数据。但总是缺乏传输线的分流点(splitting point)的信息，在这些分流点上多于一个变电站连接至线路，也缺乏分流点上配电变压器输出线的电流的信息，这些电流供应至市区大量的二级线路。
这种问题在市区更加严重，在市区中，低压线路向小企业和居民提供电力，许多用户都连接到同一电力线路的各分支上，他们在电力消耗上互相依靠，影响其共有的电压水平。控制系统不能检测这种电流上的位置变化，电压水平通常由线路的其它分支补偿。他们只能看到从变电站输出的总电流和电压水平。在线路分支中的电流大幅增加的情况中，由于具有相关电压下降的过载(可能是温度超出限额的问题)，同一时间在相邻的线路分支有小的功耗，控制团队可能没有发现任何问题。
电网控制的另一问题是快速检测中断及其位置。很难知道，尤其是在冬季和/或晚上恶劣的天气条件下，一条或多条线路断裂的位置(倒下的树落在电线上，电塔被洪水冲垮等)。
局部网络中电流分配的信息缺乏，导致控制手段的缺乏。其往往发生在这些情况，即白天一些企业的工作时间中，电力消耗非常高，而在夜间非常低。因此，工作时间中电压过低，而在晚上电压过高。经常，用户的抱怨使电力公司检测这些区域，但除了对网络架构进行昂贵的改变，没有任何手段来控制这种现象，因为电力控制中心通常没有关于这些负载变化的线上信息以实现智能电源的备用开关。
现有的智能电网的发展，实现提高电压和电流曲线，减少瞬间峰值，提高
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并消除一些电力线路上的扰动。这些智能电网系统也通过减少繁忙时间的电力消耗(借助于一天中其它时间的低价格，通常称为动态定价)来调节网络。公司鼓励用户安装并使用可编程恒温器，其通过提供动态定价自动设置，以削减高峰负载。这种折扣有助于改变用户的行为，以核准需求响应。现有的智能电网负载控制测量手段，仅仅具有从变电站输出电流的标示，以及安装了数字智能电表的用户的电流消耗的标示。但是还没有网络中终端用户和变电站输出之间的电流分配的信息，以实现真正的和更好的负载控制和电压水平调节。
为了解决这些问题，并提供更有效的负载管理和中断检测，需要改进的智能电网。
本发明的目的是提供一种系统，其能够提供关于离开输出线的分流点的电流信息，特别是供应市区大量的二级线路的配电变压器的电流信息。
本发明的另一目的是提供一种用于快速检测中断及其位置的系统。
本发明的其它目的和优点将在后文进行详细描述。
发明内容
本发明涉及一种用于管理负载和检测电力线路中断的系统，其包括：a)至少一个连接到电力线路裸导线的无线温度传感器，其位于线路的连接部或线路的分流点，用于检测导体中电流所产生的温度；b)用于无线读取传感器所检测温度的电流测量单元(CMU)，从而通过使用温度-电流的转换公式和表格，在任何电压水平上均实现对电力线路的便宜、快速和容易的RMS电流测量。无线温度传感器是被动式温度SAWRFID标签、SAW谐振器、或任何其它类型的无线温度传感器。
根据本发明一具体实施方式，该系统进一步包括参考温度传感器，用于向CMU提供环境温度标示。
根据本发明另一具体实施方式，CMU包括如下模块：a)读取器及其相应的天线，用于无限扫描所述度传感器，从而读取线缆电流所产生的温度；b)模-数转换器和数-模转换器；c)控制器，用于根据实验室对导体的类型、截面、材料以及环境温度实验调整的换算表，将温度读数转换成电流；d)电源模块。
电源可能进一步包括备用单元用于向CMU及其模块提供可选择的直流低电压。例如，备用单元可包括锂电池类型或者其等同，其根据用户的要求和区域气候条件，具有备用续航能力(如72小时)。其中，电源通过感应充电器、光伏太阳能电池板、直接连接到低压电力线路或者其任意结合进行充电。
根据本发明另一具体实施方式，读取器从以下组中选择：温度读取器、RFID读取器、SAW RFID读取器、或者其结合。
根据本发明另一具体实施方式，CMU进一步包括无线收发器和相应的天线，其中天线用于传输关于温度读取的数据至远程控制中心。其中，无线收发器的传输模式适应于网络架构和用户要求。可选地，网络架构包括传输线的屏蔽线内的光纤(或相电缆中)。
根据本发明另一具体实施方式，CMU系统进一步包括霍尔效应传感器/开关，用于实现线路中断的检测和定位。CMU具有解码器和霍尔效应开关，以相应地通过控制器模块和收发器模块传输电流读取的结果和突发中断信息。其中，每个CMU的地理坐标存储于控制中心的计算机中或CMU的控制器中，以向维修队提供实现线路中断定位的相关GPS数据，以及到电流仍然在分流线中流动的下游电力杆(电塔)的访问指令，以及到下一个已经断电的下游电力杆(电塔)的访问指令，以实现工作队的快速维修。
优选地，每个CMU都具有与其n-1条导线(和一条参考温度导线)相关联的唯一的ID号(例如，图9中CMU93的ID号码uvwxyz5)，代表安装CMU的电线杆/输电塔的数量，其地理坐标存储在控制中心的计算机，实现验证所述CMU提供的传输的温度和电流数据，并向工作队/维修队提供GPS访问指令至配备CMU、电流仍然在一条或多条分流线中流动的下游电塔，以及配备CMU、下一个已经断电的下游电塔，以实现工作组的快速定位和维修。
根据本发明另一具体实施方式，该系统进一步包括一个或多个数据采集扫描收发器，其连接到SCADA、SPC、HMI程序，完成对高速四核CPU完整的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)，以对负载控制显示器的操作人员提供实时负载管理信息和中断检测的标示及定位。其中，数据采集扫描收发器可能放置在变电站，以采集来自级联方式累积的CMU的数据，以节省扫描时间，并批量发送至电流上游的变电站，然后批量发送至中央或主要数据采集扫描收发器。
根据本发明另一具体实施方式，该系统进一步包括接口生成器，用于与其它用户程序和系统协调工作。
根据本发明另一具体实施方式，温度传感器通过任何热传导方式连接于裸电缆。其中，温度传感器通过结合到特定夹具下方的壁龛(niche)中，实现与裸导线的连接，其中该特定夹具的材料与导线相同(通常是铝铜合金)，其具有特定的齿状物及相应的凹槽以确保通过压力使夹具良好压合，其通过使用热传导环氧树脂或任何其它适当的散热膏而具有良好的导热性；其中，压合和粘合的夹具是或可能具有温度传感器天线的插槽，和/或覆盖防紫外线和隔温热收缩塑料，形成结合护套，该结合护套叠合在夹具区域的裸导线处，并环绕导线一层或多层，以确保对可能引起温度读数错误的例如雨或风的天气状况的快速变化的保护。
根据本发明另一具体实施方式，该系统进一步包括一个或多个连接到CMU的集成热相机，用于临时提供电缆温度或作为最终方案(尤其是对人们应该等到保管或维修起作用的输电线路，以实现如此高的电压水平下的标签附着，或者也需要电缆延伸标示/报警的场合)。
本发明进一步涉及用于对电力线路管理负载和检测中断的方法，包括如下步骤：a)提供至少一个无线温度传感器连接到所述电力线路的裸导线的线路结合部或者线路分流点处，用于根据所述导线中的电流检测温度；b)通过CMU无线读取所述检测的温度，同时使用温度至电流的转换公式和表格。其中通过CMU读取所产生的温度包括如下步骤：a)通过CMU读取器无限扫描用于读取所产生温度的温度传感器；b)将读取的所产生的温度从模拟信号转换成数字数据；c)根据实验室对导体的类型、截面和材料以及环境温度实验调整的转换表，将温度读数转换成电流。
根据本发明另一具体实施方式，CMU进一步包括通过无线收发器及其相应的地理坐标，传输关于温度读数的数据到远程控制中心，以及通过使用霍尔效应传感器/开关探测线路中断，并生成突发中断信息。其中，突发中断信息传输至控制中心的中断控制显示器，从而使操作人员读取消息，并获得该位置的GPS信息，并访问中断相关的中断发生的电力杆或输电塔，并获得其它相关的屏幕窗口，以实现更好的操作决策。
根据本发明另一具体实施方式，报告中断的每个CMU的地理坐标存储于在控制中心的计算机中，以实现线路中断的定位，以及GPS访问指令到电流仍然在一条或多条分流线中流动的下游电塔，和下一个已经停电的下游电塔，以实现工作组通过使用GPS设备进行快速定位和维修。
由CMU传输的数据采集于计算中心中，该计算中心具有包括SCADA、SPC和HMI的MES程序，用于分析数据，并作出相关比较(根据网络管理的要求)：实时测量的电流和前一工作日或者非工作日或相同类型的电力消耗日等的相同时间测量的电流之间的比较，以根据控制中心的控制人员的要求向其提供正常额定电流的重大偏差的相关信息至其负载控制显示器。其中，MES程序包括如下步骤：a)使系统能够与其它用户程序和系统进行通讯和协同，以使用接口生成器进行数据交换；b)能够改变显示于监视器的屏幕上的数据和格式，也为了使用显示生成器显示其它用户程序和系统的信息。
根据本发明另一具体实施方式，远程控制中心能够通过每个分流点下游的电流总和，比较之前分流点上游的每相电流，以检测任何存在这种现象的泄漏或盗用。
本发明是智能电网系统，用于通过数据采集与监控系统(SCADA)、SPA、MES、HMI以及散布于整个电力供应网络的大量电流测量和检测单元，监控和管理负载及中断。更特别的是，本发明涉及一种方法和系统，用于对电力线路导线创建廉价的实时电流测量，通过使用无线温度传感器的通用技术，例如，被动式SAW RFID标签，连接到任何电压水平的电力网络的线导体。在某些情况下，可以引入成像设备，例如照相机。此外，本发明提供了一种廉价的系统和方法，以实现线路中断和温度超额报警的快速检测和定位。
根据本发明的一个方面，提供了大量的廉价电流测量单元(CMU)，其基于SAW RFID标签的通用技术，连接到电力线缆，可能在电力线路的每个分流点/连接部。热像仪可以提供传输电力线路的临时/永久的解决方案，通过矩阵图像处理，以测量线缆温度/电流，包括电缆延伸，其对于电力输送公司往往是非常重要的标示。
通过SCADA对来自CMU的实时传送信息的快速扫描，为制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)提供信息。该信息由统计过程控制(SPC)进行分析，并通过使用人机界面(HMI)呈现于电力控制中心的控制显示器。该快速扫描由高性能四核电脑支持，能够扫描每分钟或更短时间内来自CMU的输出信息，传输来自高达数百万的SAW RFID标签的信息。由其标签测量的每条电力线缆的高于环境温度的温度，转化为RMS电流，并根据网络管理的要求，与工作日前一天的相同时间的平均电流相比，或者与上一周的相同时间的平均电流相比，和/或任何其它需要的比较(考虑周末、节假日等)。在偏离正常功耗公差的情况下，该系统将提供实现手动或自动控制干预的标示。
根据本发明另一方面，在电流测量单元使用数字霍尔效应开关，通过传输突发报警信号，提供中断的标示。这些中断快速检测标示，将传输到电力控制中心特定的中断控制显示器。根据与特定的电流测量单元相关的SAW RFID的标签，操作人员能够点击消息，并看到电塔的GPS坐标，以及由该电流测量单元报告的相关中断相关的地图(已经停用的下游线路的最上端的CMU)。如果必要的话，这可以发送给工作组用于进行维修。
电流测量单元是低功耗的单位，其将通过检测进行供电，或者通过带有备用单元的太阳能电池板进行供电。在市区和低压电网，其可能直接将测量单元连接到网络，类似于街道照明系统(具有备用，例如锂离子电池或者其等同)。
根据本发明的另一方面，包括无线发射器的传输单元，将通过通信继电器或直接向电力控制中心的扫描系统，发送每相和每条线缆的SAW标签测量的所有温度至电流的转变结果。该系统还将提供与电力线路上的温度超额相关的报警，包括地理定位，以及根据MES的分析，对控制中心的操作人员提出的建议。
MES程序是操作人员的工具。它是完整的互联网/内联网的互动式网络管理系统(包括完整的维修系统)，具有通过个人用户名和密码的安全访问，以实现从任何地方进行访问。每个管理人员和操作人员可以访问其需要的相关信息(该系统具有用户友好的屏幕生成器)的访问。这种访问可以简单快捷地创建区域控制中心。接口发生器实现连接系统至网络上的其它操作系统，包括供电组织的ERP系统。
附图说明
在附图中：
-图1A是现有技术中带有两个分流三相线的典型电力杆示意图；
-图1B是根据本发明一具体实施方式的与智能电网系统一起提供的典型的电力杆示意图；
-图2是SAW RFID标签(芯片)的示意性描述，反映了由读取器发射的射频波，该射频波由波反射器的特殊配置调制为表面声波脉冲，其也受高温膨胀影响；
-图3显示了的SAW RFID标签连接架构及其配件；
-图4是以特定的绝缘按压工具按压以便将它连接到裸导线上之前的金属标签连接夹具；
-图5是电流测量单元的框图，其包括SAW RFID标签和参考标签；
-图6是数字霍尔效应开关的架构，用作中断快速检测传感器；
-图7是三相电流的曲线图，用于解释霍尔效应开关作为中断探测器的操作；
-图8显示了通过感应充电器、太阳能电池板、或直接连接到低压电力线路对电源单元进行供电的选项；
-图9是整个系统的框图，其带有电流测量单元(CMU)、数据传输系统、具有操作人员控制显示器的计算数据分析中心。
具体实施方式
图1A示意性地说明典型的混凝土管桩电线杆10，其直接设置于土地25中，承载两个交叉的臂梁11、12，以销型绝缘13支持输入的三相导线14(即配电线路，供应变压器侧)和两个输出的分流线15、16。通常情况下，这种电线杆10可能还包括用于防止未经授权的人攀援的安全格子式护栏20。该实施方式显示了带有两个分流线的混凝土管桩电线杆的实施例。当然，该电线杆可能是任何类型的管状或其它类型的输电塔或电力杆，承载两个以上的臂梁或两个以上输出分流线。
图1B示意性地说明根据本发明一具体实施方式的典型的配备有智能电网系统的电线杆10。智能电网系统包括电流测量单元(CMU)19，以及一个或多个被动式温度表面声波射频识别(SAW RFID)标签(例如RFID标签17、18)，其中该两个输出的分流线15，16的每条裸导线上分别设置SAW RFID标签17、18。SAW RFID标签17、18用作电力线缆的温度传感器。
现在参考图5，根据本发明另一具体实施方式，CMU19是低功率单位，其包括射频识别(RFID)收发器26及其相应的天线22、模-转换器和数-模转换器(ADC/DAC)51、控制器52例如可编程逻辑控制器(PLC)、内部无线收发器53及其相应的天线24、霍尔效应传感器54(可选)、和供电单元55。根据本发明另一具体实施方式，电源55是低功率单位，该实施方式将关于图8进行详细描述。
在该具体实施方式中，CMU19安装于交叉式臂梁11、12的下方(例如2-3米)，并位于安全格子式护栏20的上方。CMU19可以通过任何合适类型的电源进行供电，如感应式、太阳能式、以备用单元直接连接电源等，提供能源至低功耗CMU19的太阳能电池板21。CMU通过RF收发器的天线22与位于相导体上的SAW RFID标签17、18进行通讯。可选地，该系统包括额外的SAW RFID标签23(其安装于同一类型和截面的线缆的短部，作为相导体的截面)。SAW RFID标签23用作环境温度参考测量。
根据本发明另一具体实施方式，CMU19包含中断检测单元。此外，该系统可包括一个或多个热成像摄像机(未显示)，其例如，可安装于电线杆10上每个分流线15、16之下。另外，热成像摄像机可以用于代替SAW RFID标签17、18来检测线缆温度(特别是在传输电力线路中)。
高于环境温度的标签温度，由控制器52以用于该特定电线杆10的特定线缆15、16的适当的校准转换表转化为RMS电流水平。内部无线收发器53通过其天线24发送数据至远程控制中心99(图9)的扫描收发器97(图9)。该数据传输可能是任何形式(例如，可以通过咨询用户来进行选择)。事实上，输电线路上的很多屏蔽线都可能包括光学纤维(OPGW)，用于通信及电力系统的控制。其它选项通过使用带有GSM/GPRS、RS485、RF、TCP、IP等等的遥测模块。数据传输可以使用实现连接至主要数据传输频道的本地通讯继电器。对于每个环境温度，有特定的转换表，表明每个测量温度在电流评估范围内的电流，其中表格的数量可能根据用户评估范围所要求的环境温度的间隔不同(例如，在环境温度-10℃至40℃范围内每0.5℃)。其中每个存储的转换表对应于特定的环境温度，并从该特定环境温度开始，至最高评估温度，标示与每个测量温度相关的电流(例如，对于25℃的环境温度，我们应当使用从25℃开始到150℃标示的转换表，例如，测量温度是95℃的情况下，RMS电流为121Amp)。
图2为SAW RFID标签17的示意性描述(但也类似于图1的SAWRFID标签18和23)，及其通过无线电波与CMU19的RFID读取器26和相应的天线22之间的通讯(CMU19的详细描述关于图5显示)。表面声波(SAW)现象，以及SAW RFID标签操作方式，将在后文关于本发明的系统进一步详细描述。
表面声波现象及其在本发明中的实施
表面声波(SAW)首先由瑞利勋爵于1885年解释，其描述了表面声波的传播模式，并在他的经典论文中预测了其属性。以其发现者的名字命名，瑞利波具有纵向和垂直剪切组件，可以与任何媒介接触表面耦合。这种耦合强烈影响波的振幅和速度，使SAW传感器直接检测质量和力学性能。
几乎所有的声波器件和传感器都使用压电材料以产生声波。压电效应由皮埃尔·居里和保罗·雅克·居里兄弟于1880年发现，于1881年从威廉·汉克尔得到它的名字，并保持强烈的奇特性，直到1921年沃尔特·卡迪发现了用于稳定电子振荡的石英谐振器。压电效应是指通过施加机械应力产生电荷。这种现象是可逆的。对压电材料施加适当的电场产生机械应力。压电声波传感器应用振荡电场，以产生机械波，该机械波通过基质传播，然后转换回用于测量的电场。
可用于声波传感器和设备的压电基质材料中，最常见的是石英(SiO2)、钽酸锂(LiTaO3)，以及程度较轻的铌酸锂(LiNbO3)。每种材料都有其特定的优点和缺点，包括成本、与温度的关系、衰减、传播速度。石英的有趣特性是，其可以选择通过切割角度和波的传播方向来选择材料的温度依赖性。如果具有合适的选择，一阶(first order)温度影响可以降到最低。可以通过最大化这种效应来设计声波温度传感器。
该传感器通过光刻工艺制造。通过仔细抛光和清洗压电基质来开始制造流程。然后将金属，通常是铝，均匀地沉淀在基质上。对该设备旋转涂敷光刻胶，并通过烘烤使其硬化。然后暴露在通过面罩的紫外线下，该面罩具有对应于最终设备上待金属化领域的不透明区域。暴露部位发生化学变化，使其能够通过显影液去除。最后，去除剩下的光刻胶。保留在设备上的金属图案称为叉指换能器(interdigitaltransducer)即IDT。通过改变IDT的长度、宽度、位置、厚度，可以最大化传感器的性能。
声波主要通过其速度和位移方向进行区分；取决于材料和边界条件，很多组合都是可能的。每个传感器的IDT提供必要的电场，以代替基质，从而形成声波。通过基质的波传播，在IDT的另一边转换回电场。图2显示了典型的声波设备架构，其用作本发明系统的无线温度传感器。横向或剪切波具有粒子位移，其为传播方向的法向，并可以极化，以使粒子位移或者平行于检测表面，或者为检测表面的法向。
所有声波设备都是传感器，因为它们对许多不同物理参数的微小变化敏感。声波传播路径特征的任何改变，都将导致输出的改变。
根据本发明一具体实施方式，无线温度传感器可以通过选择正确的传播方向来创建。传播媒介随温度变化，并影响输出。
表面波速度具有温度依赖性，并由用来制造传感器的晶体材料的方向和类型确定。基于SAW延时线振荡器的温度传感器具有毫度分辨率、良好的线性以及低滞后性。然而，它们对质量负载非常敏感，因此必须密封在密封包中。近日报道，124兆赫的ST-cut石英，掠面体波温度传感器具有32ppm/℃的温度系数、0.22℃的分辨率。其同时表明，其对于质量负载的灵敏度比SAW传感器少三个数量级。人们发现其响应时间是0.3秒，比BAW传感器快103倍。这些温度传感器具有额外的优势，其无需电源并无线，使其适合在偏远地区使用。
图3显示了SAW RFID标签17的横截面视图(也类似于图1的SAW RFID标签18和23)、连接架构(attachment configuration)和对于裸导体31的安装部分。标签17结合于并位于导体下方的小壁龛(niche)中，该小壁龛形成于金属标签连接夹具32中，其以合适的绝缘按压工具(未显示)按下，具有对应于夹具32的不同头部，以及用于评估电流的不同线缆的标准直径。按压之前，该线缆上或者夹具32内应使用特别的环氧树脂导热层。标签17是预先编程的(例如，通过使用由标签供应商提供的开发系统)，具有唯一的RFID代码，并且对于特定的夹具和导体的材料，已知其电流温度曲线。通过实验室的测试，其可以对于每个有用的截面、导体的类型和材料进行更好的调整。
防紫外线的以及良好的隔温热收缩塑料，形成导体上的结合护套(bonded jacket)，其具有夹具区域之外的一些重叠。应该提供一层或多层环绕导体的良好保护，以抵御极端情况的环境或天气，例如刮风或下雨，其可能导致关于导体的温度读取的错误。参考SAW标签23(图1)也应该安装这种塑料保护护套。
根据本发明一具体实施方式，每个SAW RFID标签应当相对紧邻(即尽可能接近)电流测量单元19(其安装于电线杆上)，很显然，其为场安装并且大部分位于高电压水平工作条件的网络之下。也可以利用当线路中断时对网络的维修工作，在线路导线上安装标签。在传输电力线路中，可以暂时(或永久，尤其是在需要电缆延长测量时)使用相机，直到可以在电力线路断开的维修过程中安装标签。
图4显示了根据本发明一具体实施方式，按适当的绝缘工具(如前文所述)按压之前的SAW RFID标签17的金属标签连接夹具(clip)32。SAW RFID标签17，应当在按压之前结合到夹具32的特定壁龛42之内。制造特定的齿状凸起40，以插入相应的凹槽41中，保证完美的封闭。用于制造夹具32的材料应当与导体的材料相同，以防止锈蚀的影响和温度膨胀差异，该两者可能会损害导体和夹具32之间的良好温度传输。
再次参考图5，其显示了电流测量单元(CMU)19的框图，电流测量单元19的RFID读取器26与SAW RFID标签17通讯，而SAWRFID标签17连接到高压电力线导体15上(对于标签18和导线16相同)。该单元可以读取序列中的大量SAW RFID标签(也同时在无干扰系统中)。在两线三相的高电压中，高功率传输线可能具有多达每相六导线(相同地以强垫片间隔，该强垫片能够在错误电流产生的强大反向力的情况下保持它们)，这意味着在分流点有36个标签或者72个标签。
ADC/DAC51和控制器52将SAW RFID标签17、18高于环境温度的温度值转变为RMS电流水平。根据预先输入(即预存或编程)给控制器52的电流与温度曲线，完成该转变。电流与温度的曲线对应于相关导体的物理参数(例如，相关导体的直径和材料)。在本发明的一些具体实施方式中，可能使用工业PC板，而不是控制器52，例如PC104(其为由PC/104协会控制的嵌入式计算机标准)，以获得CMU19相对较高的计算/分析性能，作为一个选项，以扩展系统的能力来测量和/或转换对电力线的额外参数和数据。
无线收发器53发射数据到整体监测和管理系统的数据采集和监控(SCADA)系统。数字霍尔效应开关54提供中断检测(如下文进一步的详细描述)。
可以通过突发信号优先传输至控制中心99(图9)的中断控制优监视器100，而实现快速干预。在温度逼近特定电力线路的额定上限时，也提供报警突发信号，并提供相关建议给控制中心99的操作人员，如何处理该危险温度升高(由于故障电流、高峰需求或过载导致的高速增加)。
图6示意性地说明数字霍尔(hall)效应开关54，其操作如下：在正常运行模式下输出FET晶体管64处于截止状态。在中断的情况下，没有磁场影响霍尔板60提供输出电压至差分放大器61，并且输出电压为零。通过变极器63，我们得到FET输出64的传导，并且报警信号提供给控制器52(图5)。报警信号作为优先突发传输发射至控制中心99。
霍尔效应原理以物理学家埃德温·霍尔的名字命名。在1879年，他发现，使矩形板垂直于磁场，当电流从导电或半导电的矩形板的一侧流向对面一侧，可以在垂直于电流路径和磁场的方向测量到电势差。换句话说，在x、y、z(3D)轴系统，如果矩形板的一边平行于x轴，其另一边平行于y轴，该电流、电压和磁场分别平行于x轴、y轴、z轴。
高功率电线杆(或电力杆)环境中的霍尔效应开关54工作在高磁场中。电子开关处于饱和状态，并且这种磁场的程度取决于与线导体之间的距离以及非对称的程度。这是因为通常三相导线的高压裸电缆彼此远离，并位于电流测量单元19之上。电缆与CMU19之间的距离总是有显著差异，这样，较为接近的电缆比其它电缆对霍尔效应开关54的影响更多。由于电线的三个电流的总和为零，距离电线的长距离(如30米)，非对称性的影响不大，磁场几乎为零。为了更好地理解，图7提供了另外的解释。在网络的低压和中压部分，人们遇见许多使用中的成捆电缆(在绝缘护套内部扭成一束)，电缆外的磁场更加低，但是对于霍尔效应开关54而言足够高，因为负载的非对称性、相移和电流水平，总有剩余的磁场。
图7显示了具有相同负载并完全对称的3相理想线的电流。很容易看到，在时间轴上的每个点，三个电流的总和为零。三个电流I1、I2、和I3的振幅相等，彼此间隔120°。很容易看到，在零交点，另外两条曲线的值sin(+π/3+nπ)＝±0.866，在峰值点(±1)，另外两条曲线的值sin((-/+)π/6+nπ)＝(-/+)0.5。
因此，如图所示，在理想的条件下，并且足够远离相导线(考虑导体之间的距离等于零)，磁场也将为零。但在我们的例子中，具有数字霍尔效应开关54的CMU19安装于电力杆上，只有当on/off开关标示线路中断(3相)，而没有可能提供一相中断的快速检测(3相线或更多)，电路才工作。这可以通过后面的导体温度下降进行检测，对于SAW RFID标签单位需要一些时间(约几分钟)。
图8显示了CMU19获取能量来源的3个选项。在图5中所示的电源单元55可以通过来自电力线路80的感应充电器83、或从太阳能光伏面板21、或在市区直接从低压电力线路81得到能量。备用单元82应该至少72小时(锂型或更先进的类型)，以实现太阳能电源，以克服冬季的阴天。
图9是框图，描述了整个监测和管理系统，该系统能够在一分钟或更少的时间内循环扫描，并分析来自电力供应网络的数以百万计的传感器的电流，并分别显示于控制中心99的中断控制显示器100和负载控制显示器101，中断信息以及正常功耗的重大偏离信息，使操作人员采取措施来调节电压、连接及断开发电机、变压器、断路器等。在框图的上侧，显示了带有其普通数字(从uvwxyz3直到uvwxy20)的若干电流测量单元93。每个CMU应该以其标签的RFID读取器天线91进行读取，n个标签90对应于特定线路分流点的n相导体，并通过根据标准的网络管理的传输通讯频道发射。例如，通讯频道用于数据采集扫描收发器97以及天线96，其象征性地描述了SCADA(监控和数据采集)系统98的所有远程传感器的接收单元，其采集数据并在其CPU内分析该数据。
为了增加电流扫描速度，有必要通过使用CMU的控制器/PC板来分流数据累积量，以采集来自下游CMU的数据，并批量发送数据至上游的变电站，然后批量发送至控制中心99的计算系统。在那里，通过使用积累的数据基础和统计过程控制(SPC)来检测功耗的显著变化，由于控制应该起作用，其实现操作人员实时进行大规模或局部规模的干预。计算机化单元(例如SCADA98)，可能包括人机界面(HMI)，其实现在显示器上显示通常对于操作人员需要的相关信息。通过引入接口生成器102，其可以连接到系统的所有已经成功地在网络控制和监测中起作用的其它有用的程序和系统103。软件开发包括SCADA、SPC、HMI、接口生成器、显示生成器，形成完整的制造执行系统(MES)，由于其经常用于工业制造(在这种情况下是在电力生产业)。
虽然已通过说明，对本发明的具体实施方式进行了描述，显而易见的是，本发明可以通过许多修改、变化、调整，并通过使用本领域技术人员范围内的大量等同或替代的方案得以实现，而不脱离本发明的精神或者超出权利要求的范围。

Claims (30)

1.一种用于管理电力线路负载和检测其中断的系统，其包括：
a、至少一个连接到所述电力线路裸导线的无线温度传感器，其位于线路的连接部或线路的分流点，用于检测所述导线中电流所产生的温度；
b、用于无线读取所述传感器所检测温度的电流测量单元(CMU)，并通过使用温度-电流的转换公式和表格，在任何电压水平均实现对电力线路的便宜、快速和容易的RMS电流测量。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述CMU包括如下模块：
a、读取器及其相应的天线，用于不断地扫描所述温度传感器，从而读取线缆电流所产生的温度；
b、模-数转换器和数-模转换器；
c、控制器，用于根据实验室对导体的类型、截面、材料以及环境温度实验调整的换算表，将温度读数转换成电流；
d、电源模块。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述读取器选自于如下一组：温度读取器、RFID读取器、SAW RFID读取器、或者其结合。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述CMU进一步包括无线收发器和相应的天线，用于将针对温度的读取数据传输至远程控制中心。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述无线收发器的传输模式适应于网络架构和用户要求。
6.如权利要求5所述的系统，其中，网络架构包括传输线的屏蔽线(或相电缆)中的光纤。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述CMU系统进一步包括霍尔效应传感器/开关，用于实现线路中断的检测和定位。
8.如权利要求5所述的系统，其中，每个CMU的地理坐标存储于控制中心的计算机中或所述CMU的控制器中，以向维修队提供实现线路中断定位的相关GPS数据、以及到电流仍然在分流线中流动的下游电塔的访问指令，以及到下一个已经断电的下游电塔的访问指令，以实现工作队的快速维修。
9.如权利要求7所述的系统，其中，每个CMU都具有与其n-1条导线(和一条参考温度导线)相关联的唯一的ID号，代表安装CMU的电线杆/输电塔的数量，其地理坐标存储在控制中心的计算机，实现识别所述CMU提供的传输的温度和电流数据，并向工作队/维修队提供GPS访问指令至安装有CMU的电流仍然在一条或多条分流线中流动的下游电塔，以及安装有CMU的下一个已经断电的下游电塔，以实现工作组的快速定位和维修。
10.如权利要求2所述的系统，其中，所述CMU具有解码器和霍尔效应开关，以相应地通过控制器模块和收发器模块传输电流读取的结果和突发中断信息。
11.如权利要求2所述的系统，其进一步包括一个或多个数据采集扫描收发器，其连接到SCADA、SPC、HMI程序，完成对高速四核CPU完整的制造执行系统(MES)，以便为负载控制显示器的操作人员提供实时负载管理信息和中断检测的标示及定位。
12.如权利要求2所述的系统，其中，所述数据采集扫描收发器可能放置在变电站，以采集来自级联方式累积的CMU的数据，以节省扫描时间，并批量发送至电流上游的变电站，然后批量发送至中央或主要数据采集扫描收发器。
13.如权利要求11所述的系统，进一步包括接口生成器，用于与其它用户程序和系统协调工作。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述无线温度传感器是被动式温度SAW RFID标签、SAW谐振器、或任何其它类型的无线温度传感器。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述温度传感器通过任何热传导方式连接于裸电缆。
16.如权利要求1所述的系统，其中，所述温度传感器通过结合到特定夹具下方的壁龛(niche)中，实现与裸导线的连接，其中该特定夹具的材料与导线相同(通常是铝铜合金)，其具有特定的齿状物及相应的凹槽以确保通过压力使夹具良好压合，其通过使用热传导环氧树脂或任何其它适当的散热膏而具有良好的导热性；其中，压合和粘合的夹具具有温度传感器天线的插槽、和/或覆盖防紫外线和隔温热收缩塑料，以形成结合护套，该结合护套叠合在夹具区域的裸导线处，并环绕导线一层或多层，以确保对可能引起温度读数错误的例如雨或风的天气状况的快速变化的保护。
17.如权利要求1所述的系统，其进一步包括参考温度传感器，用于向CMU提供环境温度指示。
18.如权利要求1所述的系统，其进一步包括一个或多个连接到CMU的集成热相机，用于临时地或作为最终方案而提供电缆温度(尤其是对于应该等待维修工作的输电线路的场合，以实现如此高的电压水平下的标签附着，或者是对于需要电缆延伸标示/报警的场合)。
19.如权利要求2所述的系统，其中，所述电源进一步包括备用单元，用于向CMU及其模块提供可选择的直流低电压。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述备用单元包括锂电池类型或者其等同，其根据用户的要求和区域气候条件，具有备用能力。
21.根据要求2所述的系统，其中，所述电源通过感应充电器、光伏太阳能电池板、直接连接到低压电力线路或者其任意结合而进行充电。
22.一种管理电力线路负载和检测其中断的方法，该方法包括如下步骤：
a、提供至少一个连接到所述电力线路的裸导线的线路结合部或者线路分流点处的无线温度传感器，以根据所述导线中的电流检测温度；
b、通过CMU无线读取所述检测的温度，同时使用温度-电流的转换公式和表格。
23.如权利要求22所述的方法，其中，通过CMU读取所产生的温度包括如下步骤：
a、通过CMU读取器不断地扫描用于读取所产生温度的温度传感器；
b、将所述读取的所产生的温度从模拟信号转换成数字数据；
c、根据实验室对导体的类型、截面和材料以及环境温度实验调整的转换表，将所述温度读数转换成电流。
24.如权利要求22所述的方法，其中，所述CMU进一步包括通过无线收发器及其相应的地理坐标，将针对温度读数的数据传输到远程控制中心。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述CMU进一步包括通过使用霍尔效应传感器/开关探测线路中断，以及生成突发中断信息。
26.如权利要求22所述的方法，其中，报告中断的每个CMU的地理坐标存储于在控制中心的计算机中，从而对线路中断进行定位、并给出GPS访问指令到电流仍然在一条或多条分流线中流动的下游电塔、和下一个已经停电的下游电塔，以便维修队通过使用GPS设备而进行快速定位和维修。
27.如权利要求24所述的方法，其中，由CMU传输的数据采集于计算中心中，该计算中心具有包括SCADA、SPC和HMI的MES程序，以便分析数据，并作出相关比较(根据电网管理的要求)：比较实时测量的电流与前一工作日或者非工作日或相同类型的电力消耗日等的之前相同时间的测量电流，以根据控制中心的控制人员的要求，提供与正常额定电流出现重大偏差的相关信息至其负载控制显示器。
28.如权利要求25所述的方法，其中，所述突发中断信息传输至控制中心的中断控制显示器，从而使操作人员读取消息，并获得该位置的GPS信息，并访问中断相关的所述中断发生的输电塔或电线杆，并获得其它相关的屏幕窗口，以实现更好的操作决策。
29.如权利要求24所述的方法，其中，所述远程控制中心能够通过每个分流点下游的电流总和，比较之前分流点上游的每相电流，以检测任何存在这种现象的泄漏或盗用。
30.如权利要求27所述的方法，其中，所述MES程序包括如下步骤：
a、使系统能够与其它用户程序和系统进行通讯和协同，以使用接口生成器进行数据交换；
b、能够改变显示于监视器的屏幕上的数据和格式，也为了使用显示生成器显示其它用户程序和系统的信息。
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