CN111969725A - 一种用电安全超前预警的空气开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用电安全超前预警的空气开关，所述空气开关分布于目标用电区域的多个位置。所述目标用电区域包含多个目标预警设备，每个所述目标预警设备连接多个远程终端单元（RTU）以及至少一个空气开关。至少一个电压传感器以及至少一个电流传感器通过各自的通断控制开关连接至所述目标预警设备；RTU接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果；每个RTU在所述目标用电区域内广播各自的检测信号趋势分析结果，并接收其他RTU广播的检测信号趋势分析结果；基于所述检测信号趋势分析结果，所述RTU确定是否发出跳闸命令。本发明的空气开关能够实现实时预警以及超前预警。

Description

一种用电安全超前预警的空气开关

技术领域

本发明属于工业安全用电技术领域， 尤其涉及一种用电安全超前预警的空气开关。

背景技术

空气开关，又名空气断路器，是断路器的一种。空气开关是低压配电和电力拖动系统中极其重要的一种电器，广泛运用于各种领域。空气开关由于其良好的过载保护、短路保护及欠压保护等功能被广泛应用于工厂、公司的各种电气控制柜内。

低压空气开关是集控制和多种保护功能于一身，通过判断当前电流超过额定电流短路或者失压等情况，能切断过电流的用户线路以达到保护作用的一种电气设备。低压空气开关实际上是一种过载保护开关，采用热动原理，当电流超过额定电流时， 超负荷的电流会导致热元件产生热量使双金属片变形让脱扣器脱扣，断开电路。

申请号为CN201510971611.5的中国发明专利申请提出一种空气开关用系统，包括路由器、电力线载波服务器、电力载波信号隔离器和空气开关，所述空气开关用系统通过内网或者外网与对应通讯设备相连。所述路由器与电力线载波服务器相连，所述电力线载波服务器与各空气开关之间连有电力载波信号隔离器，从而可实现远程监控与控制，实现能源的可视化管理，由Rockwell Automation Technologies 公司提出的美国专利（US10,665,412）公开空气开关以及安全使用方法。

然而，发明人发现，上述现有技术有关空气开关的技术方案大多是针对已经发生的过载现象进行预警，并且都是针对单个空气开关本身，无法实现提前预警，也没有实现在预定范围内的空气开关整体情况进行超前预警。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用电安全超前预警的空气开关，所述空气开关分布于目标用电区域的多个位置。所述目标用电区域包含多个目标预警设备，每个所述目标预警设备连接多个远程终端单元；每个所述目标预警设备连接至少一个空气开关，所述空气开关与所述远程终端单元通信，用于接收所述远程终端单元的跳闸命令；至少一个电压传感器以及至少一个电流传感器通过各自的通断控制开关连接至所述目标预警设备；所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果；每个远程终端单元在所述目标用电区域内广播各自的检测信号趋势分析结果，并接收其他远程终端单元广播的检测信号趋势分析结果；基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令。

更具体的，所述通断控制开关包括控制电压传感器的第一控制开关和控制电流传感器的第二控制开关；

所述第一控制开关和所述第二控制开关交替通断。

在所述第一控制开关连通时，所述第二控制开关断开；

在所述第一控制开关断开时，所述第二控制开关连通。

在本发明中，所述目标用电区域包含M个目标预警设备S1-Sm；

第i个所述目标预警设备Si连接第一远程终端单元以及第二远程终端单元；

所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果，具体包括：

所述第一远程终端单元获取所述第一控制开关在连通时所述电压传感器检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，并生成所述电压信号随时间变化的第一曲线Qiv；

所述第一曲线Qiv包括所述已经检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，以及基于所述N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin预测得到的a个电压信号，a>1。

所述第二远程终端单元获取所述第二控制开关在断开时所述电流传感器检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin；并生成所述电流信号随时间变化的第二曲线QiI。

所述第二曲线包括检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin，以及基于检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin预测得到b个电流信号，b>1。

作为本发明的第一个优点，基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

判断所述第一曲线Qiv和所述第二曲线QiI的第一差异度；

当所述第一差异度大于第一预定阈值时，所述第一远程终端单元或者第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Si连接的空气开关。

作为本发明的第二个优点，基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

第i个目标预警设备的所述第一远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第一曲线以及自身生成的第一曲线Qiv；

所述第一远程终端单元分析上述M个第一曲线的第一整体变化趋势；若某个第一曲线的变化趋势与所述第一整体变化趋势的第二差异度超过第二预定阈值，则该第一曲线对应的目标预警设备Sk连接的第一远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

作为上述优点的另一个体现，基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

第i个目标预警设备的所述第二远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第二曲线以及自身生成的第二曲线QiI；

所述第二远程终端单元分析上述M个第二曲线的第二整体变化趋势；

若某个第二曲线的变化趋势与所述第二整体变化趋势的第三差异度超过第三预定阈值，则该第二曲线对应的目标预警设备Sk连接的第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

采用本发明的技术方案，不仅可以针对单个空气开关本身进行预警，也可以实现提前预警；更重要的是，可以结合预定目标区域范围内的整体用电安全情况进行超前预警。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的用电安全超前预警的空气开关的应用环境示意图

图2-图3是本发明确定是否发出跳闸命令的趋势分析原理图

图4是本发明使用的时间数据序列预测模型得到预测信号的示意图

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

参见图1，是本发明一个实施例的用电安全超前预警的空气开关的应用环境示意图。

图1中，所述空气开关分布于目标用电区域的多个位置，所述目标用电区域包含多个目标预警设备，每个所述目标预警设备连接多个远程终端单元；每个所述目标预警设备连接至少一个空气开关，所述空气开关与所述远程终端单元通信，用于接收所述远程终端单元的跳闸命令。

在本实施例中，使用到的远程终端单元，简称RTU（Remote terminal unit），一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。

RTU是基于微处理器的控制设备，然后连接到工厂控制或SCADA（监督控制和数据采集）系统。

RTU比PLC更简单。PLC需要特定的软件和梯形逻辑的特定技能和知识，结构化文本，功能块等，而有的RTU可以通过web页面进行编程。在其他情况下，RTU附带设置软件这可以帮助您配置输入输出以及通信。还有许多RTU具有预编程模块这可以只适用于所需的功能。同样这就让RTU丧失了灵活性，功能被限制。RTU最明显的优势就是高防护等级和远程通通信。RTU广泛用于极端温度的环境中并位于偏远地区。比如在很远的的山区，在离岸石油钻井平台上。RTU使用无线电，微波或卫星进行通信。

在图1中，至少一个电压传感器以及至少一个电流传感器通过各自的通断控制开关连接至所述目标预警设备；

所述通断控制开关包括控制电压传感器的第一控制开关和控制电流传感器的第二控制开关；

所述第一控制开关和所述第二控制开关交替通断。

在所述第一控制开关连通时，所述第二控制开关断开；

在所述第一控制开关断开时，所述第二控制开关连通。

所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果；每个远程终端单元在所述目标用电区域内广播各自的检测信号趋势分析结果，并接收其他远程终端单元广播的检测信号趋势分析结果；基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令。

如前所述，RTU具有预编程模块。因此，可以预先预置趋势分析模型进行所述趋势分析。

具体的，在图1基础上，参见图2-图3。

所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果，具体包括：

所述第一远程终端单元获取所述第一控制开关在连通时所述电压传感器检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，并生成所述电压信号随时间变化的第一曲线Qiv；

所述第二远程终端单元获取所述第二控制开关在断开时所述电流传感器检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin；并生成所述电流信号随时间变化的第二曲线QiI。

判断所述第一曲线Qiv和所述第二曲线QiI的第一差异度；

当所述第一差异度大于第一预定阈值时，所述第一远程终端单元或者第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Si连接的空气开关。

在图2中，所述第一曲线Qiv和所述第二曲线QiI的第一差异度并未超出阈值，因此一切正常。

需要指出的是，图2仅仅是一种示意图，实际的曲线图可能并不和该图显示的完全类似；

在实际生成两个曲线后，还可以对其中某个曲线进行扩展、压缩、拉伸等处理，本领域技术人员可知晓的已有关于曲线相似度/差异度的方法均可以采用。

图3中， 第i个目标预警设备的所述第一远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第一曲线以及自身生成的第一曲线Qiv；

所述第一远程终端单元分析上述M个第一曲线的第一整体变化趋势；

若某个第一曲线的变化趋势与所述第一整体变化趋势的第二差异度超过第二预定阈值，则该第一曲线对应的目标预警设备Sk连接的第一远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

与此对应的，第i个目标预警设备的所述第二远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第二曲线以及自身生成的第二曲线QiI；

所述第二远程终端单元分析上述M个第二曲线的第二整体变化趋势；

若某个第二曲线的变化趋势与所述第二整体变化趋势的第三差异度超过第三预定阈值，则该第二曲线对应的目标预警设备Sk连接的第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

图3中，框出的第二曲线的变化趋势与所述第二整体变化趋势的第三差异度超过第三预定阈值。

需要指出的是，图3仅仅是一种示意图，实际的曲线图可能并不和该图显示的完全类似；

在实际生成多个曲线后，还可以对其中某个曲线进行扩展、压缩、拉伸等处理，本领域技术人员可知晓的已有关于曲线相似度/差异度的方法均可以采用。

图4中，生成所述电压信号随时间变化的第一曲线Qiv，具体包括：

所述第一曲线Qiv包括所述已经检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，以及基于所述N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin预测得到的a个电压信号，a>1。

与此对应的，生成所述电流信号随时间变化的第二曲线QiI，具体包括：

所述第二曲线包括检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin，以及基于检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin预测得到b个电流信号，b>1。

更具体的，采用时间数据序列预测模型得到所述预测信号。

时间数据序列预测模型包括基于脉冲神经网络的短期预测模型、基于多层感知机（MLP）、支持向量机（SVM）和径向神经网络（RBF）进行短期预测的模型、利用 LTSM 挖掘时间关联信息的预测模型等。

图4给出了4种不同模型的预测结果。

由图4可知，四种模型中，基于MLP 的模型1预测具有较大偏差，相对其它模型表现最差。基于 LSTM 构建的模型 2 较模型 1 有更好预测效果，但是在波峰处也存在较大误差。由SNN构建的模型 3和模型4都具有较好预测效果，而具有多时间尺度突触动力学的模型4在两波峰之间的波动处比模型3具有更小的误差。

在本实施例中，对于同一个曲线，至少采用两种预测模型进行预测。

可见，由于引入了多种预测模型，本发明的技术方案不仅可以针对单个空气开关本身进行预警，也可以实现提前预警；更重要的是，可以结合预定目标区域范围内的整体用电安全情况进行超前预警。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用电安全超前预警的空气开关，所述空气开关分布于目标用电区域的多个位置，其特征在于：

所述目标用电区域包含多个目标预警设备，每个所述目标预警设备连接多个远程终端单元；

每个所述目标预警设备连接至少一个空气开关，所述空气开关与所述远程终端单元通信，用于接收所述远程终端单元的跳闸命令；

至少一个电压传感器以及至少一个电流传感器通过各自的通断控制开关连接至所述目标预警设备；

所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果；

每个远程终端单元在所述目标用电区域内广播各自的检测信号趋势分析结果，并接收其他远程终端单元广播的检测信号趋势分析结果；

基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令。

2.如权利要求1所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述通断控制开关包括控制电压传感器的第一控制开关和控制电流传感器的第二控制开关；

所述第一控制开关和所述第二控制开关交替通断。

3.如权利要求2所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述第一控制开关和所述第二控制开关以预定周期交替通断；

在所述第一控制开关连通时，所述第二控制开关断开；

在所述第一控制开关断开时，所述第二控制开关连通。

4.如权利要求2所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述第一控制开关和所述第二控制开关以预定周期T交替通断；

第i个所述目标预警设备Si连接第一远程终端单元以及第二远程终端单元；

所述远程终端单元接收所述电压传感器和/或电流传感器的检测信号，对所述检测信号进行趋势分析后得出检测信号趋势分析结果，具体包括：

所述第一远程终端单元获取所述第一控制开关在连通时所述电压传感器检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，并生成所述电压信号随时间变化的第一曲线Qiv；

所述第二远程终端单元获取所述第二控制开关在断开时所述电流传感器检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin；并生成所述电流信号随时间变化的第二曲线QiI。

5.如权利要求4所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

判断所述第一曲线Qiv和所述第二曲线QiI的第一差异度；

当所述第一差异度大于第一预定阈值时，所述第一远程终端单元或者第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Si连接的空气开关。

6.如权利要求4所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述目标用电区域包含M个目标预警设备S1-Sm；

基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

第i个目标预警设备的所述第一远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第一曲线以及自身生成的第一曲线Qiv；

所述第一远程终端单元分析上述M个第一曲线的第一整体变化趋势；

若某个第一曲线的变化趋势与所述第一整体变化趋势的第二差异度超过第二预定阈值，则该第一曲线对应的目标预警设备Sk连接的第一远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

7.如权利要求4所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述目标用电区域包含M个目标预警设备S1-Sm；

基于所述检测信号趋势分析结果，所述远程终端单元确定是否发出所述跳闸命令，具体包括：

第i个目标预警设备的所述第二远程终端单元获取其他（M-1）个目标预警设备广播的（M-1）个第二曲线以及自身生成的第二曲线QiI；

所述第二远程终端单元分析上述M个第二曲线的第二整体变化趋势；

若某个第二曲线的变化趋势与所述第二整体变化趋势的第三差异度超过第三预定阈值，则该第二曲线对应的目标预警设备Sk连接的第二远程终端单元发出所述跳闸命令给所述目标预警设备Sk连接的空气开关。

8.如权利要求4所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述第一远程终端单元获取所述第一控制开关在连通时所述电压传感器检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，并生成所述电压信号随时间变化的第一曲线Qiv，具体包括：

所述第一曲线Qiv包括所述已经检测到的N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin，以及基于所述N个电压信号Vi1、Vi2、……Vin预测得到的a个电压信号，a>1。

9.如权利要求4所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

所述第二远程终端单元获取所述第二控制开关在断开时所述电流传感器检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin；并生成所述电流信号随时间变化的第二曲线QiI，具体包括：

所述第二曲线包括检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin，以及基于检测到的N个电流信号Ii1、Ii2、……Iin预测得到b个电流信号，b>1。

10.如权利要求8或9所述的一种用电安全超前预警的空气开关，其特征在于：

采用时间数据序列预测模型得到所述预测信号。

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