CN116073352A - 用于管理电气系统中的能量相关应力的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的系统和方法。该方法包括：处理来自由电气系统中的至少一个智能电子设备捕获的能量相关信号的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变。量化至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备的影响，并且响应于其影响接近装备的应力容限的预定范围、在预定范围之内或高于预定范围而生成一个或多个瞬变相关警报。部分地基于装备的应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的应力以及装备上的累积能量相关应力中的至少一个，为瞬变相关警报分配优先级。响应于瞬变相关警报而在电气系统中采取一个或多个动作以减少电气系统中装备上的能量相关应力。

Description

用于管理电气系统中的能量相关应力的系统和方法
本申请是申请日为2020年10月12日、申请号为202011083282.8、发明名称为“用于管理电气系统中的能量相关应力的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月11日提交的美国临时申请第62/914,207号的权益和优先权，该申请通过整体引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及电气或电力系统，更具体地，涉及用于分析、量化和管理电气系统中的能量相关应力的系统和方法。
背景技术
众所周知，超过绝缘额定值的瞬变(transient)过电压会对电气绝缘体造成应力，导致电介质逐渐击穿或突然故障。工业设施每小时都会经历伴随电压脉冲超过标称系统电压的五到十倍的许多瞬变，这种情况并不少见。降低电压瞬变的幅度和持续时间可以延长装备绝缘体的寿命，从而延长装备运行寿命。
因为由于瞬变电压而引起的损坏可能不明显，所以识别装备损坏的根本原因具有挑战性并且通常被诊断为“未知”。许多集成电路和组件故障是电压瞬变引起的，并且诸如感应电机之类的大型装备也容易遭受代价高昂的电压瞬变损坏。据估计，由于电压瞬变，全球每年发生数十亿美元的电子装备损失，随着技术的发展，损失逐年增加。
发明内容
本文描述了与减少/管理电气系统中的能量相关应力相关的系统和方法，例如，由于瞬变电压和其它能量相关瞬变而引起的能量相关应力。例如，电气系统可以与至少一个负载、处理、建筑物、设施、船只、飞机或其它类型的结构相关联。在本公开的一方面，一种用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的方法包括处理来自由电气系统中的至少一个智能电子设备(intelligent electronic device，IED)所捕获的能量相关信号的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据，以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变。该至少一个能量相关瞬变可以包括例如电压瞬变和电流瞬变中的至少一个。
该方法还包括量化该至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备(例如，与特定应用、多个应用和/或(多个)处理相关联的机构、装置和/或组件)的影响。每件装备可以对至少一个能量相关瞬变具有相关联的应力容限，该应力容限用于量化至少一个能量相关瞬变的影响。
该方法还包括响应于至少一个能量相关瞬变的影响接近装备的应力容限的范围、在该范围之内或高于该范围而生成一个或多个瞬变相关警报。在一个实施例中，部分地基于装备的能量相关应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的能量相关应力以及装备上的累积能量相关应力中的至少一个，为瞬变相关警报分配优先级。另外，在一个实施例中，响应于瞬变相关警报而在电气系统中采取一个或多个动作，以减少电气系统中的装备上的能量相关应力。众所周知，能量相关瞬变可能产生或导致可能缩短电气系统中的装备的寿命的应力(例如，电、热和机械应力)。因此，希望减少能量相关瞬变的效应，并延长装备的运行寿命。在一些实施例中，响应于瞬变相关警报而采取的动作是基于瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个来采取的，以延长装备的运行寿命。这些动作可以包括，例如，以下中的至少一个：通信传达与至少一个能量相关瞬变相关联的瞬变相关警报的发生、以及控制电气系统中的至少一个组件(例如，装备)，这将在下面进一步描述。应当理解，术语“应力”和“能量相关应力”在整个申请中可互换使用，并且根据本公开的实施例被认为具有相同含义。
在一些实施例中，上述方法可以在至少一个IED上实施。另外，在一些实施例中，上述方法可以部分或完全远离至少一个IED来实施，例如，在网关、基于云的系统、现场软件、远程服务器等(其在这里也可以被称为“头端”或“边缘”系统)中实施。在一些实施例中，至少一个IED可以被耦合以测量能量相关信号，接收来自输入处的能量相关信号的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据，并且被配置为生成至少一个或多个输出。该输出可用来指示和/或分析能量相关瞬变对电气系统中的装备的效应。至少一个IED的示例可以包括智能功用电表、电力质量计和/或另一测量设备(或多个测量设备)。例如，至少一个IED可以包括断路器、继电器、电力质量校正设备、不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)、滤波器和/或变速驱动器(variable speed drive，VSD)。另外，在一些实施例中，至少一个IED可以包括至少一个虚拟仪表。
在一些实施例中，上述方法和下面描述的其它方法(和系统)可以单独地或者与其它特征结合地包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，由至少一个IED捕获的能量相关信号包括以下中的至少一个：电压信号、电流信号和推导出的能量相关值。在一些实施例中，推导出的能量相关值包括以下中的至少一个：根据电压信号和电流信号中的至少一个计算的、推导出的、发展的、内插的、外推的、评估的以及以其它方式确定的附加能量相关值。另外，在一些实施例中，推导出的(多个)能量相关值包括以下中的至少一个：有功功率、视在功率、无功功率、能量、谐波失真、功率因数、谐波功率、谐波电压、谐波电流、间谐波电流、间谐波电压、间谐波功率、单相电流、相角、阻抗、序列分量、总电压谐波失真、总电流谐波失真、三相电流、(多个)相电压、(多个)线电压或其它类似参数。此外，在一些实施例中，推导出的(多个)能量相关值包括至少一个能量相关特性，该能量相关特性包括幅度、相角、持续时间、相关频率分量、阻抗、能量相关参数形状和衰减率。应当理解，例如，能量相关信号可以包括(或利用)从电压和电流信号中的至少一个推导出的实质上任何电气参数(包括电压和电流本身)。
在一些实施例中，能量相关信号可以由至少一个IED连续地或半连续地捕获，并且响应于此，瞬变相关警报可以被更新(例如，生成/重新生成、评估/重新评估、分配优先级/重新分配优先级等)。例如，瞬变相关警报最初可以响应于从在第一时间捕获的能量相关信号中识别的至少一个能量相关瞬变而生成，并且可以响应于(例如，包括或并入)从在第二时间捕获的能量相关信号中识别的能量相关瞬变而更新或修改。随着能量相关瞬变被捕获，瞬变相关警报可以根据电气系统的独特响应被连续地更新(例如，重新生成、重新评估、重新分配优先级等)。
在一些实施例中，响应于瞬变相关警报而采取一个或多个动作以减少电气系统中的装备上的能量相关应力，包括：识别用于减少电气系统中的装备上的能量相关应力的至少一个手段；基于瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个，选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段；以及应用用于减少能量相关应力的至少一个手段中的所选择一个或多个手段。在一些实施例中，进一步基于至少一个手段中的一个或多个手段减少电气系统中的至少一个能量相关瞬变的幅度和持续时间中的至少一个的预期能力，选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段。另外，在一些实施例中，进一步基于与获取和/或应用至少一个手段中的一个或多个手段相关联的经济成本，选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段。在一些实施例中，用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段包括至少一个瞬变缓解设备。在一些实施例中，至少一个瞬变缓解设备包括以下中的至少一个：电涌放电器、避雷器、电涌抑制器、线路电抗器、缓冲器和瞬变电压电涌抑制器。
在一些实施例中，响应于瞬变相关警报而采取的动作由与电气系统相关联的控制系统自动执行。控制系统可以用于例如响应于瞬变相关警报来控制与电气系统相关联的一个或多个参数(这是所采取的动作的示例类型)。控制系统可以是仪表、IED(例如，至少一个IED中的IED)、现场/前端/边缘软件(即，软件系统)、基于云的控制系统、网关、通过以太网或一些其它通信系统来路由数据的系统等。在控制系统不是至少一个IED或者不包括至少一个IED的实施例中，例如，控制系统可以通信地耦合到至少一个IED。控制系统还可以通信地耦合到以下中的至少一个：与电气系统相关联的基于云的系统、现场软件、网关和另一前端或边缘系统。
在一些实施例中，控制系统可以响应于瞬变相关警报而自动控制电气系统中的至少一个组件(这是可以采取的动作的另一示例类型)。该至少一个组件可以对应于至少一个装备，对于该至少一个装备，已经响应于至少一个能量相关瞬变的影响接近装备的能量相关应力容限的预定范围、在该预定范围之内或高于该预定范围而生成瞬变相关警报。在一些实施例中，响应于由控制系统生成的控制信号来控制至少一个组件，该控制信号指示/提供与至少一个组件、其它相关联的组件/负载/装备、或电气系统相关联的至少一个参数的调整。
在一些实施例中，来自由至少一个IED捕获的能量相关信号的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据在以下中的至少一个上处理：与电气系统相关联的基于云的系统、现场或边缘软件、网关和另一前端系统。在这些实施例中，例如，至少一个IED可以通信地耦合到以下中的至少一个：基于云的系统、现场或边缘软件、网关，以及在其上处理、分析和/或显示电气测量数据的另一前端系统。
在一些实施例中，与至少一个能量相关瞬变相关联的数据在预定时间段内被存储(例如，被存储在与电气系统相关联的至少一个设备或系统的存储设备中)和/或跟踪。在一些实施例中，预定时间段是用户配置的时间段。
在一些实施例中，至少一个能量相关瞬变对装备的影响基于以下中的至少一个来确定和量化：至少一个能量相关瞬变的性质和源、装备对至少一个能量相关瞬变的敏感性、装备对至少一个能量相关瞬变的效应、以及企业运营和/或基础设施对至少一个能量相关瞬变的成本敏感度。装备对至少一个能量相关瞬变的效应可以指，例如，装备和/或基础设施如何衰减或加剧能量相关瞬变。另外，企业运营和/或基础设施对至少一个能源相关瞬变的成本敏感度可以指，例如，由于瞬变的效应对企业运营和/或基础设施的货币影响。
在一些实施例中，量化至少一个能量相关瞬变的影响包括对至少一个能量相关瞬变对装备的效应和/或作用进行分类。在一些实施例中，至少一个能量相关瞬变的效应被分类为以下中的至少一种：间歇中断、慢性退化、潜在故障和灾难性故障。在本公开的具体实施方式部分中提供了这些示例类型的分类(和其它分类)的定义。应当理解，间歇中断、慢性退化、潜在故障和灾难性故障只是对至少一个能量相关瞬变进行分类的许多可能方式中的几种，这将通过本公开变得显而易见。
在一些实施例中，该方法还包括将瞬变相关警报通信传达给例如终端用户、装备制造商、服务团队和/或其它感兴趣的个人或某一方。通信可以包括例如以下中的至少一个：报告、文本、电子邮件、听觉、和屏幕/显示器的界面(例如，与电气系统相关联的计算设备或系统的显示设备)。报告、文本等可以呈现瞬变相关警报的优先级和严重性。另外，报告、文本等可以提供用于响应于瞬变相关警报的可行建议。例如，当装备接近和/或超过电压应力能量的预定阈值时，瞬变相关警报通知终端用户、装备制造商和/或服务团队。
在一些实施例中，装备的应力容限和装备上的累积能量相关应力可用于预测装备的寿命终止(end of life，EOL)。例如，众所周知，电涌设备(其为装备的一种示例类型)可能没有定义的累积应力寿命。根据本公开的实施例，电涌设备的EOL(以及缺乏定义的累积应力寿命的其它设备)可以例如使用累积的能量相关应力数据基于类似产品/装备的EOL数据来分析地预测/估计。在一些实施例中，可以使用平均故障时间(mean time to failure，MTTF)来预测装备(例如，电涌设备)的EOL。在一些实施例中，MTTF基于对能量相关应力的至少个别影响和累积影响的评估。在一些实施例中，装备制造公司可以规定能量相关应力极限。另外，终端用户(或其它相关方)可以独立地规定极限。在一些实施例中，装备的接近EOL或EOL可以被通信传达给例如终端用户、装备制造商和/或服务团队。类似于瞬变相关警报的通信，装备的接近EOL或EOL的通信可以包括例如以下中的至少一个：报告、文本、电子邮件、听觉、和屏幕/显示器的界面。例如，在装备具有定义的累积应力寿命的实施例中(与上面讨论的示例电涌设备相反)，当累积能量相关应力接近和/或超过定义的应力寿命时，可以传送指示来警告终端用户、装备制造商、服务团队和/或其它感兴趣的个人或某一方。
在一些实施例中，该方法还包括评估至少一个能量相关瞬变的一个或多个特性以隔离和识别瞬变源。另外，在一些实施例中，该方法还包括评估至少一个能量相关瞬变的一个或多个特性以识别至少一个能量相关瞬变的(多个)源和(多个)位置。
本文还提供了一种用于对电气系统中的干扰进行自动归类的对应系统。特别地，在本公开的一方面，一种用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的系统包括处理器和耦合到处理器的存储设备。该处理器和存储设备被配置为处理来自由电气系统中的至少一个IED捕获的能量相关信号的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据，以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变。该处理器和存储设备还被配置为量化至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备的影响。电气系统中的每一件装备对于至少一个能量相关瞬变可以具有相关联的能量相关应力容限。
该处理器和存储设备还被配置为响应于至少一个能量相关瞬变的影响接近装备的应力容限的预定范围、在该预定范围之内或高于该预定范围而生成一个或多个瞬变相关警报。该处理器和存储设备还被配置为部分地基于装备的应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的应力以及装备上的累积能量相关应力中的至少一个来为瞬变相关警报分配优先级。电气系统中的一个或多个动作可以由该处理器和存储设备(或电气系统中的其它系统和设备)响应于瞬变相关警报而采取，以减少电气系统中的装备上的能量相关应力。在一个实施例中，基于瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个来采取一个或多个动作。
在一些实施例中，上述系统可以对应于用于监视或控制与电气系统相关联的一个或多个参数的控制系统。在一些实施例中，控制系统可以是仪表、IED(例如，负责捕获能量相关信号的至少一个IED中的IED)、可编程逻辑控制器(PLC)、现场/前端软件(即，软件系统)、基于云的控制系统、网关、通过以太网或一些其它通信系统来路由数据的系统等。
如本文所使用的，IED是被优化以执行特定功能或一组功能的计算电子设备。IED的示例包括智能功用电表、电能质量计、微处理器继电器、数字故障记录器和其它计量设备。IED也可以嵌入变速驱动器(VSD)、不间断电源(UPS)、断路器、继电器、变压器或任何其它电气装置中。IED可用于在各种设施中执行监视和控制功能。安装可能包括功用系统、工业设施、仓库、办公楼或其它商业综合体、校园设施、计算协同定位中心、数据中心、配电网络或使用电能的任何其它结构、处理或负载。例如，在IED是电力监视设备的情况下，其可以耦合到(或安装在)输电或配电系统，并被配置为感测/测量和存储作为表示配电系统的操作特性(例如，电压、电流、波形失真、功率等)的电气参数的数据。例如，用户可以分析这些参数和特性以评估潜在的性能、可靠性和/或电能质量相关问题。IED可包括至少一个控制器(在某些IED中，该控制器可被配置为同时地、串行地、或同时并且串行地运行一个或多个应用)、固件、存储器、通信接口，以及将IED连接到处于任何电压水平、配置和/或类型(例如，AC、DC)的外部系统、设备和/或组件的连接器。IED的监视和控制功能的至少某些方面可以在IED可访问的计算机程序中体现。
在一些实施例中，本文使用的术语“IED”可以指并行和/或串行操作的IED的层级。例如，IED可以对应于能量计、功率计和/或其它类型的资源计的层级。该层级可以包括基于树的层级，诸如二叉树、具有从每个父节点或多个父节点下降的一个或多个子节点的树、或者它们的组合，其中每个节点代表特定的IED。在某些情况下，IED的层级可以共享数据或硬件资源，并可能执行共享软件。可以理解，层级可以是非空间的，诸如计费层级，其中分组在一起的IED在物理上可能是不相关的。
在一些实施例中，上述和以下描述的系统和方法的计量设备(例如，IED)和装备/负载被安装、定位在电气系统中不同的各个位置(即，多个位置)或计量点，和/或从电气系统中不同的各个位置(即，多个位置)或计量点处推导。例如，特定的IED(例如，第二IED)可以处于电气系统中的另一IED(例如，第三IED)的上行(或上游)，同时处于电气系统中的另一IED(例如，第一IED)的下行(或下游)。
如本文使用的，术语“上行”和“下行”(有时也分别称为“上游”和“下行线路”)用于指代电气系统内的电气位置。更具体地，“上行”和“下行”的电气位置是相对于收集数据并提供此信息的IED的电气位置而言的。例如，在包括多个IED的电气系统中，一个或多个IED可以定位(或安装)在相对于电气系统中的一个或多个其它IED的上行的电气位置，并且一个或多个IED可以定位(或安装)在相对于电气系统中的一个或多个其它IED的下行的电气位置。位于第二IED或负载上行的电路上的第一IED或负载可以例如在电气上比第二IED或负载更靠近电气系统的输入或源(例如，发电机或功用馈电装置)。相反，位于第二IED或负载的电路下行上的第一个IED或负载可以比另一IED更靠近电气系统的端部或终端。
在实施例中，与第二IED或负载并联(例如，在电路上)电连接的第一IED或负载可以被视为所述第二IED或负载的“电气”上行，并且反之亦然。在实施例中，用于确定电力质量事件的方向(即，上行或下行)的(多个)算法位于(或存储在)IED、云、现场软件、网关等中。作为一个示例，IED可以(例如，通过对相应的信号进行采样)记录电气事件的电压和电流相位信息，并将该信息通信传达到基于云的系统。然后，基于云的系统可以分析电压和电流相位信息(例如，瞬时的、均方根(rms)、波形和/或其它电气特性)以确定能量相关瞬变的源是在IED被电耦合到电气系统(或网络)的地方的电气上行还是电气下行。
可以理解，存在多种类型的电力质量事件，并且这些类型的电力质量事件具有某些特性。例如，电力质量事件可以包括电压瞬变。下面是来自IEEE标准1159-2019(已知技术)的表格，其定义了电力系统电磁现象的各种类别和特性。
Figure BDA0004016187480000091
a量pu是指每单位，其是无量纲的。量1.0pu对应于100％。标称条件通常被认为是1.0pu。在该表格中，标称峰值被用作瞬变的基础，标称rms值被用作rms变化的基础。
b闪变严重性指数Pst在IEC 61000-4-15:2010和IEEE Std 1453TM中定义。
可以理解，上述表格是一个标准机构(在这种情况下是IEEE)定义/表征电力质量事件的方式。可以理解，还有其它定义电力质量类别/事件的标准，诸如国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)、美国国家标准协会(AmericanNational Standards Institute，ANSI)等，它们可能有不同的描述或电力质量事件类型、特性和术语。还可以理解，电力质量事件的类型和描述可以随着时间改变，并且本文公开的系统和方法旨在适用于电力质量事件的当前和未来的类型和描述。根据本公开的实施例，电力质量事件(例如，瞬变电压)可以附加地或可替换地是定制的电力质量事件(例如，由用户定义)。
瞬变电压通常来源于两个不同的源之一：1)闪电事件和2)开关事件。闪电事件通过以下三种机制之一将瞬变电压注入电气系统：1)直接撞击电路，2)间接撞击电路并将电压和电流感应到电路中，以及3)产生耦合到电气系统的接地系统中的大的接地电势。闪电每分钟撞击地球约6000次，例如，仅在田纳西州的纳什维尔地区，估计每年每平方英里就发生63次撞击。在北美，每年发生超过10亿美元的与闪电相关的保险业损失超过。
将瞬变电压注入电气系统的更常见情况是通过开关事件。给大系统负载(例如，电容器组、变压器)供能、给需求侧负载(例如，电机)供能、断开/闭合电路、正常负载操作(例如，受控整流器)和系统故障(例如，短路、电弧放电)都与开关相关事件相关联。开关事件是典型电气系统的日常运行中固有的。
随着瞬变源的流行及其影响的潜在严重性，对于源侧生产者和需求侧消费者而言非常重要的是具有用于帮助评估和解决瞬变问题的工具。许多计量系统终端用户不是能源专家(当然也不是瞬变专家)；然而，他们需要理解并为不断淹没他们的大量计量系统警报分配优先级。
在电涌保护领域，一个正在进行的问题是如何预测装备和装置的早期故障。本发明的示例性目标是简化对瞬变影响的分析，并向终端用户提供“预警系统(early warningsystem)”，该系统提供安装瞬变保护和/或检查/测试现有瞬变保护的建议，以确保其仍在其设计规范内运行。例如，它可以利用施耐德电气公司的ION9000T(和CM4000T)中的高端平台(high-end platform，HEP)计量能力。
例如，不仅仅基于幅度和持续时间，还基于能量/应力和累积的能量/应力来为瞬变相关警报分配优先级的能力将允许终端用户关注瞬变事件的后果。
除了其它特征以外，本发明还提供了一种新的能量应力警报(针对急性和慢性的瞬变问题)，其跟踪能量应力以指示缓解设备(SPD)的即将发生的故障，评估现有系统中瞬变能量的缓解能力并促进瞬变缓解建议，以及表征来自瞬变事件的能量应力以帮助定位和识别瞬变源。
可以理解，所公开的系统和方法还有许多其它优点，从下面的讨论中可以理解。
附图说明
根据以下附图的详细描述，可以更全面地理解本公开的前述特征以及本公开本身，其中：
图1示出了根据本公开实施例的示例电气系统；
图2示出了根据本公开实施例的可以在电气系统中使用的示例智能电子设备(IED)；
图3是示出根据本公开实施例的用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的方法的示例实施方式的流程图；
图4是示出根据本公开实施例的用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的方法的另一示例实施方式的流程图；
图5示出了经受瞬变事件的示例电气系统，并且对于该示例电气系统，可以发现本文公开的系统和方法适合于减少/管理电气系统中由于瞬变事件而引起的能量相关应力；
图6示出了电气系统(例如，诸如图1和图5所示的电气系统)的示例组件或与该电气系统相关联的示例组件在一段时间内的能量相关应力的累积；以及
图7示出了电气系统的示例组件或与该电气系统相关联的示例组件的预期寿命与示例组件暴露于能量相关应力的时间的关系。
具体实施方式
现在将更具体地描述本文寻求保护的概念、系统和技术的特征和其它细节。将理解，本文描述的任何具体实施例都是以说明的方式示出的，而不是作为对本公开和本文描述的概念的限制。在不脱离寻求保护的概念的范围的情况下，可以在各种实施例中采用本文描述的主题的特征。
为方便起见，这里收集了规范中使用的(以及从IEEE标准1159-2019中采用的)某些介绍性概念和术语。
如本文使用的，术语“非周期性事件”用于描述非周期性地、任意地或没有特定时间规律地发生的电气事件。为了本文的目的，瞬变被认为是非周期性事件(即，陷波被认为是谐波现象)。
如本文使用的，术语“瞬变”用于描述持续时间通常小于1个周期的电压和/或电流与标称值的偏差。瞬变的子类别包括脉冲(单向极性)和振荡(双向极性)瞬变。
在实施例中，有四种一般品质确定能量相关瞬变事件的影响：
1.瞬变的性质和源，
2.(多个)系统、(多个)处理和/或(多个)负载对(多个)瞬变的敏感性(susceptibility)，
3.(多个)系统、(多个)处理和/或(多个)负载对瞬变的效应，以及
4.对该效应的成本敏感度(sensitivity)。
由于每个设施都是独特的(即使是在同质的市场细分内)，因此难以断言几个(或甚至一个)能量相关瞬变事件将在多大程度上影响设施的运行。例如，能量相关瞬变事件可能会对一个设施的运行产生重大影响，而同一能量相关瞬变可能对另一设施的运行影响很小或没有明显影响。能量相关瞬变对设施的电气系统的一部分的影响也可能不同于其对同一电气系统的另一部分的影响。
参考图1，根据本公开实施例的示例电气系统包括一个或多个负载(这里为负载111、112、113、114、115)(本文有时也称为“装备”或“装置”)和能够采样、感测或监视与负载相关联的一个或多个参数(例如，电力监视参数)的一个或多个智能电子设备(IED)(这里为IED 121、122、123、124)。在实施例中，负载111、112、113、114、115和IED 121、122、123、124可以安装在一个或多个建筑物或其它物理位置，或者它们可以安装在建筑物内的一个或多个处理和/或负载上。这些建筑物可以对应于例如商业、工业或机构建筑物。
如图1所示，IED 121、122、123、124各自耦合到负载111、112、113、114、115中的一个或多个(在一些实施例中，这些负载可以位于IED的“上行”或“下行”)。负载111、112、113、114、115可以包括例如与特定应用(例如，工业应用)、多个应用和/或(多个)处理相关联的机械或装置。例如，机械可以包括电气或电子装备。机械还可以包括与装备相关联的控件和/或辅助装备。
在实施例中，IED 121、122、123、124可以监视并且在一些实施例中可以分析与它们所耦合的负载111、112、113、114、115相关联的参数(例如，能量相关参数)。在一些实施例中，IED 121、122、123、124也可以嵌入负载111、112、113、114、115内。根据各个方面，IED121、122、123、124中的一个或多个可以被配置为监视功用馈电装置，包括电涌保护设备(SPD)、跳闸单元、有源滤波器、照明、IT装备、电机和/或变压器(它们是负载111、112、113、114、115和IED 121、122、123、124的一些示例)，并且可以检测接地故障、电压骤降、电压骤升、短暂中断和振荡瞬变，以及冷却扇故障、温度、电弧故障、相间故障、短路的绕组、熔断的保险丝和谐波失真(它们是可能与负载111、112、113、114、115相关联的一些示例参数)。IED121、122、123、124还可以监视设备，诸如发电机，包括输入/输出(I/O)、保护继电器、电池充电器和传感器(例如，水、空气、气体、蒸汽、液位、加速度计、流速、应力等)。
根据另一方面，IED 121、122、123、124可以检测过压和欠压条件(例如，瞬变过压)，以及诸如温度之类的其它参数，包括环境温度。根据又一方面，IED 121、122、123、124可以提供所监视参数和所检测条件的指示，所监视参数和所检测条件可以用于控制负载111、112、113、114、115和电气系统中安装有负载111、112、113、114、115和IED 121、122、123、124的其它装备。可以由IED 121、122、123、124执行各种其它监视和/或控制功能，并且本文公开的各方面和各实施例不限于根据上述示例来操作的IED 121、122、123、124。
应当理解，IED 121、122、123、124可以采取各种形式，并且可以各自具有相关联的复杂性(或一组功能能力和/或特征)。例如，IED 121可以对应于“基础”IED，IED 122可以对应于“中间”IED，IED 123可以对应于“高级”IED。在这样的实施例中，中间IED 122可以比基础IED 121具有更多的功能(例如，能量测量特征和/或能力)，高级IED 123可以比中间IED122具有更多的功能和/或特征。例如，在实施例中，IED 121(例如，具有基础能力和/或特征的IED)可以能够监视瞬时电压、电流能量、需求、功率因数、平均值、最大值、瞬时功率和/或长持续时间均方根变化，IED 123(例如，具有高级能力的IED)可以能够以更高的采样率监视所有附加参数，诸如电压瞬变、电压波动、频率转换速率、谐波功率流和离散谐波分量。可以理解，该示例仅用于说明的目的，同样，在一些实施例中，具有基础能力的IED可以能够监视被指示为与具有高级能力的IED相关联的一个或多个上述能量测量参数。还可以理解，在一些实施例中，IED 121、122、123、124各自具有独立的功能性。
在所示的示例实施例中，IED 121、122、123、124经由“云”150通信地耦合到中央处理单元140。在一些实施例中，IED 121、122、123、124可以直接通信地耦合到云150，如所示实施例中的IED 121。在其它实施例中，IED121、122、123、124可以例如通过诸如云连接的集线器130(或网关)之类的中间设备间接通信地耦合到云150，如在所示实施例中的IED 122、123、124。云连接的集线器130(或网关)可以例如向IED 122、123、124提供对云150和中央处理单元140的访问。
如本文所使用的，术语“云”和“云计算”意图指代连接到互联网的或另外可由IED121、122、123、124经由通信网络访问的计算资源，该通信网络可以是有线或无线网络或两者的组合。包括云150的计算资源可以集中在单个位置、分布在多个位置或者两者的组合。云计算系统可以根据特定的云系统架构或编程，在多个机架、刀片、处理器、核、控制器、节点或其它计算单元之间划分计算任务。类似地，云计算系统可以将指令和计算信息存储在集中的存储器或存储装置中，或者可以在多个存储装置或存储组件之间分发这样的信息。云系统可以将指令和计算信息的多个副本存储在冗余存储单元(例如RAID阵列)中。
中央处理单元140可以是云计算系统或云连接的计算系统的示例。在实施例中，中央处理单元140可以是位于其中安装有负载111、112、113、114、115和IED 121、122、123、124的建筑物内的服务器，或者可以是位于远程的基于云的服务。在一些实施例中，中央处理单元140可以包括与IED 121、122、123、124的计算功能组件类似的计算功能组件，但是通常可以拥有在数据处理中涉及的更大数量和/或更强大版本的组件，诸如处理器、存储器、存储装置、互连机制等。中央处理单元140可以被配置为实施各种分析技术来识别从IED 121、122、123、124接收的测量数据中的模式，如下文进一步讨论的。本文讨论的各种分析技术还涉及一个或多个软件功能、算法、指令、应用和参数的执行，这些软件功能、算法、指令、应用和参数存储在通信地耦合到中央处理单元140的存储器的一个或多个源上。在某些实施例中，术语“功能”、“算法”、“指令”、“应用”或“参数”也可以分别指代并行和/或串行操作的功能、算法、指令、应用或参数的层级。层级可以包括基于树的层级，诸如二叉树、具有从每个父节点下降的一个或多个子节点的树、或其组合，其中每个节点代表特定的功能、算法、指令、应用或参数。
在实施例中，由于中央处理单元140连接到云150，所以它可以经由云150访问附加的云连接的设备或数据库160。例如，中央处理单元140可以访问互联网并接收信息，诸如天气数据、功用定价数据或在分析从IED 121、122、123、124接收的测量数据时可能有用的其它数据。在实施例中，云连接的设备或数据库160可以对应于与一个或多个外部数据源相关联的设备或数据库。另外，在实施例中，云连接的设备或数据库160可以对应于用户可以从中提供用户输入数据的用户设备。用户可以查看关于IED 121、122、123、124的信息(例如，IED制造商、型号、类型等)和由IED 121、122、123、124使用用户设备收集的数据(例如，能量使用统计)。另外，在实施例中，用户可以使用用户设备来配置IED 121、122、123、124。
在实施例中，通过相对于IED 121、122、123、124利用中央处理单元140的云连接性和增强的计算资源，可以对从一个或多个IED 121、122、123、124检索的数据执行复杂的分析，以及在适当时对上述附加数据源执行复杂的分析。该分析可用于动态控制与电气系统相关联的一个或多个参数、处理、条件或设备(例如，负载)。
在实施例中，参数、处理、条件或装备由与电气系统相关联的控制系统动态控制。在实施例中，控制系统可以对应于或包括电气系统中的IED 121、122、123、124、中央处理单元140和/或电气系统内部或外部的其它设备中的一个或多个。
参考图2，例如，适用于图1所示的电气系统的示例IED 200包括控制器210、存储设备215、存储装置225和接口230。IED 200还包括输入输出(I/O)端口235、传感器240、通信模块245和用于通信地耦合两个或更多个IED组件210-245的互连机制220。
例如，存储设备215可以包括诸如DRAM和SRAM之类的易失性存储器。存储设备215可以存储在IED 200的操作期间收集的程序和数据。例如，在IED 200被配置为监视或测量与电气系统中的一个或多个负载(例如，图1中所示的111)相关联的一个或多个电气参数的实施例中，存储设备215可以存储所监视的电气参数。
存储系统225可以包括计算机可读和可写的非易失性记录介质，诸如磁盘或闪存，其中存储有定义了要由控制器210执行的程序或要由程序处理的信息的信号。控制器210可以根据已知的计算和数据传输机制来控制存储系统225和存储设备215之间的数据传输。在实施例中，由IED 200监视或测量的电气参数可以存储在存储系统225中。
I/O端口235可用于将负载(例如，图1所示的111)耦合到IED 200，并且传感器240可用于监视或测量与负载相关联的电气参数。I/O端口235还可以用于将诸如传感器设备(例如，温度和/或运动传感器设备)和/或用户输入设备(例如，本地或远程计算设备)(未示出)之类的外部设备耦合到IED200。外部设备可以是本地或远程设备，例如网关(或多个网关)。I/O端口235可以进一步耦合到一个或多个用户输入/输出机制，诸如按钮、显示器、声学设备等，以提供警报(例如，显示视觉警报，诸如文本和/或稳定或闪烁的光，或者提供音频警报，诸如嘟嘟声或持续很久的声音)和/或允许与IED 200的用户交互。
通信模块245可以被配置为将IED 200耦合到一个或多个外部通信网络或设备。这些网络可以是其中安装有IED 200的建筑物内的私有网络，或者是诸如互联网之类的公共网络。在实施例中，通信模块245还可以被配置为将IED 200耦合到与包括IED 200的电气系统相关联的云连接的集线器(例如，图1中所示的130)或者云连接的中央处理单元(例如，图1中所示的140)。
IED控制器210可以包括被配置为执行IED 200的(多个)特定功能的一个或多个处理器。(多个)处理器可以是商用处理器，诸如众所周知的可从英特尔公司获得的PentiumTM、CoreTM或AtomTM类处理器。还有许多其它处理器可用，包括可编程逻辑控制器。IED控制器210可以运行操作系统以定义与IED 200相关联的(多个)应用可以在其上运行的计算平台。
在实施例中，由IED 200监视或测量的电气参数可以在控制器210的输入处被接收作为IED输入数据，并且控制器210可以处理测量的电气参数以在其输出处生成IED输出数据或信号。在实施例中，IED输出数据或信号可以对应于IED 200的输出。例如，可以在(多个)I/O端口235处提供IED输出数据或信号。在实施例中，IED输出数据或信号可以由云连接的中央处理单元接收，例如，以用于进一步处理(例如，识别和跟踪能量相关瞬变，如上面简要讨论的)，和/或可以由IED所耦合到的装备(例如，负载)接收(例如，以用于控制与装备相关联的一个或多个参数，如下面将进一步讨论的)。在一个示例中，IED 200可以包括用于显示指示IED输出数据或信号的可视化的界面230。在实施例中，界面230可以对应于图形用户界面(GUI)。
IED 200的组件可以通过互连机制220耦合在一起，互连机制220可以包括一个或多个总线、布线或其它电连接装置。互连机制220可以使通信(例如，数据、指令等)能够在IED 200的系统组件之间交换。
可以理解，根据本公开的各个方面，IED 200只是IED的许多潜在配置之一。例如，根据本公开实施例的IED可以包括比IED 200更多(或更少)的组件。另外，在实施例中，可以组合IED 200的一个或多个组件。例如，在实施例中，可以组合存储器215和存储装置225。
参考图3和图4，示出了几个流程图(或作业图)来说明本公开的用于减少/管理电气系统中能量相关应力的各种方法(这里是方法300、400)。在本文可称为“处理框”的矩形元素(由图3中的元素305代表)可以表示计算机软件和/或IED算法指令或指令组。在本文可称为“决策块”的菱形元素(由图3中的元素320代表)表示影响由处理框表示的计算机软件和/或IED算法指令的执行的计算机软件和/或IED算法指令或指令组。处理框和决策框(以及所示的其它框)可以表示由功能等效电路(诸如数字信号处理器电路或专用集成电路(ASIC))执行的步骤。
流程图没有描绘任何特定编程语言的语法。相反，流程图示出了本领域普通技术人员制造电路或生成计算机软件以执行特定装置所需处理所需要的功能信息。应该注意的是，许多常规程序元素(诸如循环和变量的初始化以及临时变量的使用)都没有示出。本领域普通技术人员将会理解，除非本文中另有指示，否则所描述的框的特定顺序仅是说明性的，并且可以改变。因此，除非另有说明，否则下面描述的框是无序的；这意味着，当可能时，可以以任何方便或期望的次序来执行这些框，包括可以同时执行顺序的框，并且反之亦然。还将理解，在一些实施例中，可以组合来自下面描述的流程图的各种特征。因此，除非另有说明，否则下面描述的流程图之一的特征可以与下面描述的流程图的其它特征相结合，例如，以捕获与寻求本公开保护的对电气系统中的干扰自动归类相关联的系统和方法的各个优点和方面。还可以理解，在一些实施例中，来自下面描述的流程图的各个特征可以被分离。例如，虽然图3和图4中所示的流程图被示为具有许多框，但是在一些实施例中，由这些流程图示出的所说明的方法可以包括更少的框或步骤。
参考图3，流程图示出了用于减少和/或管理电气系统中的能量相关应力的示例方法300。方法300可以例如在至少一个IED(例如，图1所示的121)的处理器上实施和/或远离至少一个IED实施，例如，在以下中的至少一个中实施：基于云的系统、现场/边缘软件、网关或另一前端系统。
如图3所示，方法300开始于框305，其中，由电气系统中的至少一个IED(和/或控制系统)测量能量相关信号(或波形)并且捕获、收集、存储数据等。至少一个IED可以安装或定位在例如电气系统中的多个计量点的各个计量点处。在一些实施例中，至少一个IED可以耦合到电气系统中的一个或多个负载/装备/装置，并且所测量的能量相关信号可以与至少一个IED所耦合到的负载相关联。
能量相关信号可以包括例如以下中的至少一个：电压信号、电流信号和推导出的能量相关值。在一些实施例中，推导出的能量相关值包括以下中的至少一个：从电压信号和电流信号中的至少一个计算的、推导出的、发展的、内插的、外推的、评估的以及以其它方式确定的附加能量相关值。应当理解，许多其它推导出的(多个)能量相关值是可能的，例如，如在本公开的发明内容部分中所讨论的。
在框310，来自能量相关信号(例如，电压和/或电流信号)的或从该能量相关信号推导出的电气测量数据被处理以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变。在一些实施例中，至少一个能量相关瞬变包括电压瞬变和电流瞬变中的至少一个。例如，可以在预定时间段内跟踪至少一个能量相关瞬变，并且可以在该预定时间段内存储与至少一个能量相关瞬变相关联的数据。在一些实施例中，预定时间段是用户配置的时间段。更具体地，用户配置的时间段可以对应于由终端用户或服务团队(例如，经由移动设备)配置的时间段，或者由装备制造商规定的时间段。由于随着时间的推移，每个相/能量路径被电压瞬变事件“压迫”，因此，例如，可以跟踪与这些事件相关联的个别的和累积的能量。可以理解，有许多不同的方法来“跟踪”能量相关瞬变。例如，瞬变相关活动的累积可以通过位置、幅度、持续时间、能量内容频率内容等来跟踪。这些也可以通过个别事件和/或通过将两个或更多个个别的事件累积到一起来跟踪。例如，来自多个事件的所测量或计算的能量可以相加在一起，以确定在IED特定位置处的累积瞬变应力。另外，在两个IED位置之间的一个或多个个别的瞬变特性可以被“内插”，并且可以随时间跟踪该信息。在一些实施例中，瞬变特性的“内插”可以发生在量化步骤中(例如，在框315中，如下所述)。
在框315，量化至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备的影响。在一些实施例中，量化至少一个能量相关瞬变的影响包括对至少一个能量相关瞬变对装备的效应进行分类。例如，至少一个能量相关瞬变的效应可以被分类为以下中的至少一种：间歇性中断、慢性退化、潜在故障和灾难性故障。
间歇性中断可能例如在瞬变事件被注入到数据或控制网络中时发生，导致数据丢失或损坏。这可能导致负载或设备锁定、跳闸或操作不当。影响瞬变干扰负载的能力的因素包括半导体的设计和运行速度、系统滤波器、接地配置、对电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)的敏感性以及数据或控制电缆的配置。
慢性退化可能例如在重复的瞬变事件降低外露组件(或多个组件)的完整性时发生。众所周知，装备通常对能量相关瞬变具有相关联的应力容限。然而，随着时间推移，通常是几天、几周或甚至几个月，能量相关瞬变(例如，瞬变电压)的累积效应可能导致脆弱组件最终不可操作。因为在这种情况下，能量相关瞬变是频繁且相对一致的，所以定位它们的源是可能的。
潜在故障类似于慢性退化，除了潜在故障是由损坏组件的重大瞬变事件引发的之外，但潜在故障不会导致组件无法执行其预期功能。在一段时间内——同样是几天、几周甚至几个月内——由于正常操作而引起的普通应力将最终导致组件无法操作。这种模式更难排除故障，因为故障的根本原因可能发生在过去的不确定时间。
由于瞬变电压而引起的灾难性故障有些明显，因为受影响的组件将立即停止操作，并且损坏可能是可见的。在这种情况下，瞬变的电压峰值幅度或上升速率超过了组件的额定阈值，以这种方式在组件内形成永久性开路或短路。在这种情况下，将组件故障与电力系统扰动联系起来的几率通常更大。
如上所述，根据本公开的实施例，至少一个能量相关瞬变的影响和分类可以基于至少一个能量相关瞬变的性质和源和/或装备对至少一个能量相关瞬变的敏感性。根据本公开的实施例，至少一个能量相关瞬变的影响和分类可以附加地或可替换地基于装备或系统对至少一个能量相关瞬变的效应和/或企业运营和/或基础设施对至少一个能量相关瞬变的成本敏感度。例如，在一些情况下，装备和/或与装备相关联的基础设施可以衰减或加剧至少一个能量相关瞬变(即，对至少一个能量相关瞬变具有效应)。在这些情况下，该效应可以用于对至少一个能量相关瞬变进行分类。在一些情况下，至少一个能量相关瞬变还可能对企业运营和/或基础设施具有货币影响(并且反映在企业运营和/或基础设施对至少一个能量相关瞬变的成本敏感度中)。在这些情况下，货币影响可用于对至少一个能量相关瞬变进行分类。
应当理解，根据本公开的实施例，存在许多不同的方式对能量相关瞬变进行分类。因此，应当理解，上述分类(例如，间歇性中断、慢性退化、潜在故障和灾难性故障)和分类因素只是可以对至少一个能量相关瞬变进行分类的许多可能方式中的几种。例如，如在本公开的发明内容部分中提供的，来自IEEE标准1159-2019的表格根据类型(脉冲和振荡)和根据持续时间/频率(低/中/高)等对能量相关瞬变进行分类。然而，可以理解的是，能量相关瞬变也可以被分类为对负载有影响/无影响，例如，基于与瞬变事件相关联的负载改变等来分类(就像我们在其它应用中对电压骤降所做的那样)。
在框320，确定至少一个能量相关瞬变的影响是高于还是低于装备的应力容限的预定范围。如上所述，装备通常对能量相关瞬变具有相关联的应力容限。装备的应力容限以及装备上的累积能量相关应力可能是对装备的寿命终止(EOL)“预警”的指示。众所周知，由于慢性退化、潜在故障和/或灾难性故障，装备可能会故障(并达到其EOL)。根据本公开的实施例，在装备的EOL未知的实施例中(例如，对于电涌设备)，装备的应力容限和装备上的累积能量相关应力可用来预测装备的EOL。例如，在装备包括不具有定义的累积应力寿命的至少一个电涌设备的实施例中，可以使用至少一个电涌设备上的累积能量相关应力数据，基于类似产品/装备的EOL数据来预测至少一个电涌设备的EOL。例如，可以使用平均故障时间(MTTF)来预测装备(例如，电涌设备)的EOL。例如，MTTF可以基于至少能量相关应力的评估。在一些实施例中，例如，装备的EOL或接近/近似的EOL可以被通信传达给终端用户、装备制造商和/或服务团队。这将允许终端用户计划停机来解决问题或相应地更换装备。
关于电涌设备，众所周知，这些设备通过以下方式来缓解电压瞬变：1)在电压瞬变事件期间为电流提供低阻抗路径，以及2)吸收与电压瞬变相关联的外来电流并将其转移到大地以保护负载/装备免受电压瞬变(例如电涌)的效应。这些设备具有有限的工作寿命，并且随着时间推移，当它们暴露于电涌能量(例如，瞬变事件的峰值振幅的平方与瞬变电压事件的持续时间的乘积)和/或能量应力(例如，标称电压信号之外的瞬变电压的区域)时将会故障。在使用旧MOV(metal-oxide varistor，金属氧化物变阻器)技术的一些情况下，设备可能会因导致故障电路的短路而发生故障。虽然较新版本的电涌设备具有在这种故障模式之后断开的集成保险丝，但是它仍然会产生不知道故障何时发生并且系统未被保护的问题(这是本公开解决的一个示例问题)。出于本公开的目的，电涌设备可以包括：电涌放电器、避雷器、电涌抑制器、瞬变电压电涌抑制器等。诸如电涌设备的装备(例如)基于其暴露于所述电压瞬变事件而具有固定的预期寿命。
现在返回到框320，如果确定至少一个能量相关瞬变的影响落在装备的应力容限的预定范围之外(例如，这可以指示装备的早期故障)，则该方法进行到框325。可替换地，如果确定至少一个能量相关瞬变的影响没有落在装备的应力容限的预定范围之外，则该方法可以返回到框305(以进一步捕获和处理能量相关信号)或者结束。例如，在希望连续(或半连续)地捕获能量相关信号并动态地识别和跟踪能量相关瞬变(并生成瞬变相关警报，如下所述)的实施例中，该方法可以返回到框305。可替换地，在希望表征(并响应于)在所捕获的能量相关信号的单个集合中识别的能量相关瞬变的实施例中，该方法可以结束。
在框325，可以响应于至少一个能量相关瞬变的影响接近装备的应力容限的预定范围、在该预定范围之内或高于该预定范围而生成一个或多个瞬变相关警报，例如，针对一个或多个相或电路(或剩余/计算路径)。瞬变相关警报可以例如在装备接近和/或超过电压应力能量的预定阈值时通知终端用户、装备制造商和/或服务团队。这些警报可以用于一个或多个相(或能量路径)上的单个事件，或者用于一个或多个相(或能量路径)上/通过一个或多个相(或能量路径)的累积事件。
在框330(在一些实施例中是可选的)，为在框325生成的瞬变相关警报(以及在一些情况下，先前生成的瞬变相关警报)分配优先级。根据一些实施例，部分地基于装备的应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的应力、以及装备上的累积能量相关应力中的至少一个，为瞬变相关警报分配优先级。在方法300已经被执行一次或多次的实施例中，有可能可以存在一个或多个先前生成的瞬变相关警报。在这些实施例中，在框330发生的优先级分配可以考虑这些先前生成的瞬变相关警报(并为其重新分配优先级)。作为一个示例，优先级分配可以考虑与这些先前生成的瞬变相关警报相关联的老化、严重性和/或(多个)成本，以及与新生成的瞬变相关警报相关联的严重性和/或成本。也可以基于发生瞬变(或似乎发生瞬变)的系统的重要性来为瞬变相关警报分配优先级。另外，如果电涌设备故障，并且负载装备变得直接暴露于能量相关应力，则可以基于对系统的影响来为瞬变相关警报分配优先级。
在框335，可以响应于在框325生成的瞬变相关警报，例如基于在框330的警报的优先级，来采取一个或多个动作。例如，在一些实施例中，采取一个或多个动作包括：识别用于减少电气系统中的装备上的能量相关应力的至少一个手段，基于瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个来选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段，以及应用用于减少能量相关应力的至少一个手段中的所选择的一个或多个手段。在一些实施例中，用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段包括添加至少一个瞬变缓解设备。至少一个瞬变缓解设备可以包括例如以下中的至少一个：电涌放电器、避雷器、电涌抑制器和瞬变电压电涌抑制器。
在一些实施例中，可以进一步基于至少一个手段中的一个或多个手段减少电气系统中的至少一个能量相关瞬变的幅度和持续时间中的至少一个的预期能力来选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段。此外，在一些实施例中，可以进一步基于与获取和/或应用用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段相关联的经济成本来选择用于减少能量相关应力的至少一个手段中的一个或多个手段。例如，它可能基于保护特定系统、子系统、装备或组件免受能量瞬变影响的重要性。
在一些实施例中，响应于瞬变相关警报而采取的动作还可以包括解决问题和/或安装/更换/移除/补充(多个)缓解设备(即，用于减少能量相关应力的至少一个手段)。随着时间的推移，由于瞬变事件而暴露于电压应力可能表明需要购买和安装更高质量或更具弹性的电涌保护设备(SPD)，或尽可能缓解产生瞬变事件的(多个)问题。例如，基于急性和慢性电压瞬变暴露来指示建议的SPD的尺寸/能力。SPD的一种示例类型是金属氧化物变阻器(MOV)SPD。众所周知，MOV SPD是非线性的电压相关组件，其可以提供有效的瞬变缓解能力。当高电压事件(例如，电压瞬变)施加到MOV的(多个)输入端子时，其阻抗从有效的开路转变为高导电。这为瞬变能量经过MOV流向中性和/或接地提供了路径。以这种方式“分流”瞬变能量有助于保护附近的电气装备/基础设施(例如，导体、变压器、负载、组件等)免于吸收瞬变能量和被损坏。虽然MOV是用于保护电气装备/基础设施免受瞬变电压影响的行之有效的方法，但是MOV也可能受到瞬变事件的不利影响。如果MOV的电气应力超过其额定值(例如，暴露于慢性或急性瞬变电压)，则它可能会在短路故障模式下故障。建议将限流保险丝与MOV一起安装，以确保在MOV由于短路而故障时，MOV(和系统)受到保护。
根据本公开的一些实施例，可以基于从系统有利位置测量的能量应力水平来确定上述SPD(MOV或其它)的位置或为其分配优先级。当一件装备被更换时，本发明允许终端用户(等)为所述装备被更换的至少一个相(或路径)重置累积能量应力水平。这将把已安装的新装备的能量应力值重置为零。可替换地，本发明可以允许同时跟踪原始累积能量应力和第二累积能量应力，原始累积能量应力是寿命累积，第二累积能量应力是新装备经历的能量应力的离散累积。后者是有用的并且与新装备寿命有关，前者是有用的并且通常与不可更换的装备和基础设施(例如，导体、变压器等)有关。就本申请而言，可以根据需要设置许多累积能量应力计数器。例如，两个分立的SPD可能会在不同的时间被更换。每个SPD的寿命暴露和/或累积值可能互不相同。
可响应于瞬变相关警报而采取的动作的其它示例包括控制电气系统中的至少一个组件(例如，一件装备)，并将瞬变相关警报通信传达给终端用户、装备制造商和/或服务团队。例如，与至少一个组件相关联的至少一个参数(例如，开-关电源状态)可以响应于瞬变相关警报而被控制或调整(例如，以防止或减少对电气系统装备的损坏)。例如，可以响应于从至少一个IED中的IED接收的控制信号和/或从控制系统接收的控制信号来控制参数。例如，控制系统可以通信地耦合到至少一个IED，和/或耦合到与电气系统相关联的基于云的系统、现场软件、网关和另一前端/边缘系统。
如上所述，在一些实施例中，瞬变相关警报可以被通信传达给终端用户、装备制造商和/或服务团队。根据本公开的实施例，通信可以包括例如以下中的至少一个：报告、文本、电子邮件、听觉、和屏幕/显示器的界面(例如，与电气系统相关联的计算设备或系统的显示设备)。报告、文本等可以呈现瞬变相关警报的优先级和严重性。另外，报告、文本等可以提供可行的建议以响应于瞬变相关警报。例如，当装备接近和/或超过电压应力能量的预定阈值时，瞬变相关警报通知终端用户、装备制造商和/或服务团队。
在框335之后，在一些实施例中，方法可以结束。在其它实施例中，方法可以返回到框305并再次重复(出于与以上结合框305所讨论的实质上相同的原因)。在方法在框335之后结束的一些实施例中，方法可以例如响应于用户输入和/或控制信号而被再次启动。
应当理解，在一些实施例中，方法300可以包括一个或多个附加的框或步骤。例如，在一些实施例中，方法300可以包括利用瞬变电压事件(或其它瞬变事件)的特性来评估/关联/趋向瞬变能量-应力水平，以解决瞬变问题。例如，评估/关联/趋向与瞬变电压事件相关联的频率分量对于识别瞬变电压事件的源和位置可能是有用的。高频分量的存在可以指示本地源，因为导体和变压器固有地充当更高频率的低通滤波器。随着瞬变电压源越远离计量设备，越高频率受到衰减。在这种情况下，通常主要表现为更低频率分量的瞬变电压事件将指示源可能更远离捕获数据的计量设备。
众所周知，瞬变源类型可能具有独特的能量应力特性，诸如形状、振幅、持续时间、上升速率、衰减速率、相关频率分量、周期性和形状等。根据本公开的实施例，使用多元线性回归技术关联瞬变电压特性可以帮助隔离和识别瞬变源。众所周知的示例是电机起动器接触器弹跳。电机起动器是操作电机的重要组件。弹跳接触会缩短起动器的寿命，并会直接或间接影响电机。当电机的磁接触器弹跳时，其产生损坏接触面的电弧(瞬变)。接触器的故障可能导致电机单相运行或触点一起熔断，从而使接触器不再断开。接触器弹跳还会对电机定子的初始绕组施加应力，因为它们弹跳时会产生瞬变。本发明的另一方面是识别接触器弹跳的独特特性，以便可以采取补救措施来缓解这些独特特性。例如，下面结合方法400描述本发明的其它示例方面。
参考图4，流程图示出了用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的另一示例方法400。类似于方法300，方法400可以例如在至少一个IED(例如，图1所示的121)的处理器上实施和/或远离至少一个IED实施，例如，在以下中的至少一个中实施：基于云的系统、现场软件/边缘、网关或另一前端系统。
如图4所示，方法400开始于框405，其中由电气系统中的至少一个IED捕获瞬变事件。在一些实施例中，瞬变事件从由至少一个IED测量的能量相关信号(或波形)中捕获。至少一个IED可以安装在或位于例如电气系统中多个计量点中的相应计量点处。在一些实施例中，至少一个IED可以耦合到电气系统中的一个或多个负载/装备，并且测量的能量相关信号可以与至少一个IED所耦合到的负载相关联。
在框410，评估在框405捕获的瞬变事件，以确定由于瞬变事件而引起的电气系统中的能量相关应力。例如，如本公开中先前所讨论的，瞬变事件(或能量相关瞬变)可能影响电气系统中的装备，例如，导致电气系统中的装备和/或相关联的系统、处理等的间歇性中断、慢性退化、潜在故障和/或灾难性故障。根据本公开的实施例，类似于方法300的框315，可以例如基于以下中的至少一个来确定能量相关应力：至少一个能量相关瞬变的性质和/或源、装备对至少一个能量相关瞬变的敏感性、装备对至少一个能量相关瞬变的效应、以及企业运营和/或基础设施对至少一个能量相关瞬变的成本敏感度。在能量相关瞬变是电压瞬变的实施例中，能量相关应力可以例如以伏特-秒来量化。
在框415，能量相关应力可以在IED、边缘计算设备、网关、云或其它组件和/或系统中的至少一个中递增地累积，并且与能量相关应力和/或瞬变相关联的数据可以被存储或以其它方式记录(例如在IED、边缘计算设备、网关、云或其它组件和/或系统中)。
在框420，确定累积能量相关应力是否是接近、等于或超过装备的累积应力容限的预定范围。如上所述，装备通常对能量相关瞬变具有相关联的应力容限。如果确定累积能量相关应力是接近、等于或超过装备的累积应力容限的预定范围(例如，这可以指示装备的早期故障)，则方法前进到框425。可替换地，如果确定累积能量相关应力不是接近、等于或超过装备的累积应力容限的预定范围，则方法可以返回到框405(用于进一步测量能量相关信号以捕获瞬变事件)或结束。
在框425，响应于已经确定累积能量相关应力是接近、等于或超过装备的累积应力容限的预定范围，可以生成指示，例如，以警告终端用户和/或操作者由于累积能量相关应力而造成装备故障可能即将发生。该指示可以例如指定电气系统中装备的类型和位置，以及装备的预期EOL(即，提供故障的“预警”)。根据本公开的实施例，该指示可以采取各种形式，例如，报告、文本、电子邮件、听觉、以及屏幕/显示器的界面。
在框430，响应于装备对能量相关应力的累积暴露，采取一个或多个动作。例如，可以在电气系统中采取一个或多个动作来防止装备累积进一步的能量相关应力。作为一个示例，能量相关应力的(多个)源可以被隔离并潜在地从电气系统中移除(例如，自动地、半自动地或手动地)，以防止装备累积进一步的能量相关应力。
还可以在框430采取一个或多个动作来修理和/或更换装备。例如，终端用户可以计划停机以解决问题或相应地更换装备。在一些实施例中，可以由实施方法的(多个)系统或(多个)设备提供(多个)建议，例如，以减少停机的停机时间和影响。例如，(多个)系统或(多个)设备可以确定和指定特定的时间段，在该时间段内，计划的停机将对装备和/或与装备相关联的系统和/或(多个)处理的操作影响最小。
在框430之后，在一些实施例中，方法可以结束。在其它实施例中，方法可以返回到框405并再次重复(例如，用于动态瞬变事件检测和响应)。在方法在框430之后结束的一些实施例中，方法可以例如响应于用户输入和/或控制信号而被再次启动。控制信号可以例如从控制系统或实施方法的其它(多个)系统或(多个)设备接收。类似于以上结合图3讨论的方法300，可以理解，在一些实施例中，方法400可以包括一个或多个附加的框或步骤。
由于瞬变电压事件和引起能量相关应力的其它类型的事件可能对设施的装备造成大量损坏并影响其运行，因此用于评估其影响和效应的特征至关重要。本发明可能基于表明需要采取动作的累积数据而带来新的服务机会。例如，与施耐德电气的SPD产品供应相结合，本发明提供的各种区别特征可以为工程研究和服务、新产品、附加的产品销售以及最终更强的与客户的能量合作伙伴关系提供线索。
参考图5，示出了已经遭受瞬变事件的电气系统500的示例表示，并且对于该电气系统，可以发现本文公开的系统和方法适合于减少/管理由瞬变事件引起的电气系统中的能量相关应力。根据本公开的一些实施例，电气系统500表示图1所示的电气系统100的示例实施方式。如图所示，电气系统500包括多个计量设备(M1、M2、M3等)、多个电涌保护设备(SPD1、SPD2、SPD3等)和多个降压变压器(T1、T2)。在示出的实施例中，SPD被提供为MOV型SPD，其经历设备的电压和阻抗之间的反比关系(例如，随着电压增加，阻抗降低)，如结合图3更详细描述的。随着电压瞬变被施加到MOV的端子，MOV的阻抗显著降低，以允许来自瞬变事件的能量通过MOV分流到大地。如图5所示，在电气系统当中分散多个MOV有助于在瞬变事件的能量在整个系统中传播时更高效地分散该能量。
瞬变事件的传播类似于将一颗卵石丢入池塘，其中最高震级发生在能量注入点(这里是靠近计量设备M3的点)。由于电气系统的固有电感(例如导体、变压器、负载等)在电气系统内产生电压梯度，瞬变的能量将会被分散；随着与瞬变事件源的距离增加(如围绕瞬变事件源的同心圆所示)，变得不那么严重。例如，在题为“Method and Apparatus toEvaluate Transient Characteristics in an Electrical Power System”的美国专利第7,526,391号中描述了用于确定瞬变事件在已知层级中的何处发生的系统和方法，该专利被转让给与本公开相同的受让人，并通过引用整体结合于此。
现在回到图5，在示出的实施例中，变压器#1(即T1)也将显著地阻碍瞬变的能量向上游传递(即，除了由MOV提供的分散之外)，尽管对变压器的绝缘体产生应力。众所周知，对变压器的绝缘体以及电气系统中其它电气设备的绝缘体的应力可能会导致介电材料的击穿和电气装备的最终故障。
参考图6，曲线图600示出了一段时间内能量相关应力的累积，特别是能量相关应力的幅度、时间和故障阈值之间的关系。根据本公开的实施例，曲线图600可以针对一件装备(例如，电机定子、VSD)、电气系统的基础设施中的组件(例如，导体)、IED(例如，计量设备)、保护设备(例如，SPD)或电气系统(诸如图1和/或图5所示的电气系统)的一些其它元件和/或方面。在示出的示例中，元件和/或方面正经历对于能量相关应力(例如，瞬变电压事件)的慢性/反复暴露。随着时间的推移，经历对于这种能量相关应力的暴露的元件和/或方面会退化。退化速率取决于许多因素，包括但不限于元件/方面的设计、对于能量相关应力的暴露的特性(例如，幅度、持续时间、频率等)、在电气系统内的位置、电气系统周围的其它元件/方面(及其相应的特性)、SPD的放置等。
如曲线图600所示，随着时间的推移(通常是几天、几周、几个月甚至几年)，能量相关应力的累积效应可能导致元件/方面的最终故障。根据本公开的实施例，与关联于元件/组件的累积能量相关应力相关的信息(例如，在如图4所示的方法400的框405、410、415等处收集的信息)可以被分析以确定元件/组件的故障是否是预期的和/或即将发生的。如本文所使用的，术语“预期故障”用于描述具有高概率会很快发生的故障。另外，如本文所使用的，术语“即将发生故障”用于描述具有合理概率会很快发生的故障。这并不是说故障很快就会发生，也不是说故障可能还没有发生，而是说故障可能会发生。即将发生故障阈值和预期故障阈值都可以通过多种方式确定，包括但不限于：
-从(多个)设备/组件/元件/方面的累积能量相关应力暴露和预期寿命累积故障阈值推导出，
-从(多个)设备/组件/元件/的预期寿命推导出，
-根据制造商对所述(多个)设备/组件/元件/方面的建议来确定，
-基于运行经验和/或要求，
-任意地确定，或
-其它可行的方式。
所推导、确定、基于、任意地确定的等可以使用统计方法(例如，预定数量的标准偏差、使用正态分布的故障率等)、平均故障间隔时间(MTBF)数据、故障率数据、其它制造商数据、设计标准、(多个)放置或任何其它可行的途径来获得。每个并且任何途径(和/或阈值)可以基于一个或多个内部和/或外部环境和/或参数来动态调整。例如，一种途径可以是使用对设备/组件/元件/方面在寿命期间的累积能量相关应力的简单评估来确定即将发生故障阈值和预期故障阈值。另一途径可以是使用瞬变事件的周期性和/或幅度来确定和/或推导出即将发生故障阈值和预期故障阈值。第三种途径可以是前面两个示例的组合，等等。预期故障阈值可以从所确定的即将发生故障阈值推导出(部分或全部)，反之亦然。例如，如果已经确定了(多个)设备/组件/元件/系统/处理/方面的预期故障值或阈值，则所述(多个)设备/组件/元件/系统/处理/方面的即将发生故障值或阈值可以被选择为预期故障值或阈值的某个百分比(例如，将即将发生故障阈值设置为预期故障阈值的90％)。
如以上结合图4所讨论的，例如，响应于确定(例如，由于瞬变事件而引起的)累积能量相关应力接近、等于或超过装备的累积应力容限的预定范围，可以生成指示(例如，在框425)，以指示由于累积能量相关应力而造成装备故障可能即将发生。另外，可以响应于装备对于能量相关应力的累积暴露而采取一个或多个动作(例如，在框430)，例如，以减少装备上的能量相关应力或解决/缓解对于瞬变能量的暴露。例如，使用本文公开的系统和方法来减小能量相关应力的幅度、持续时间和量，可以总体上延长装备绝缘体和装备的寿命。如图7所示的曲线图700所示，例如，(多个)设备/组件/元件/方面(即，装备)的预期寿命通常与故障的概率相关。
如上所述，并且如本领域普通技术人员将理解的，本文公开的实施例可以被配置为系统、方法或其组合。因此，本公开的实施例可以包括各种构件，包括硬件、软件、固件或其任意组合。
应当理解，本文寻求保护的概念、系统、电路和技术不限于在本文描述的示例应用(例如，电力监视系统应用)中使用，而是可以在希望减少/管理电气系统中的能量相关应力的实质上任何应用中使用。虽然已经示出和描述了本公开的特定实施例和应用，但是可以理解，本公开的实施例不限于本文公开的精确构造和组成，并且在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的精神和范围的情况下，各种修改、改变和变化根据前述描述可以是明显的。
已经描述了用于说明作为本专利主题的各种概念、结构和技术的优选实施例，现在对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以使用结合这些概念、结构和技术的其它实施例。此外，本文描述的不同实施例的元素可以被组合以形成上文未具体阐述的其它实施例。
因此，认为本专利的范围不应限于所描述的实施例，而应仅由所附权利要求的精神和范围来限定。

Claims (27)

1.一种用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的方法，所述能量相关应力包括由于所述电气系统上的能量而引起的装备上的电、热和/或机械应力，所述方法包括：
处理来自由电气系统中的至少一个智能电子设备(IED)捕获的能量相关信号的或从所述能量相关信号推导出的电气测量数据，以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变；
量化所述至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备的影响，所述装备对所述至少一个能量相关瞬变具有相关联的应力容限，所述应力容限包括针对所述装备的电、热和/或机械应力的容限；
响应于所述至少一个能量相关瞬变的影响接近所述装备的应力容限的预定范围、在所述预定范围之内或高于所述预定范围而生成一个或多个瞬变相关警报；
部分地基于所述装备的应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的应力、以及装备上的累积能量相关应力中的至少一个，为所述瞬变相关警报分配优先级；以及
响应于所述瞬变相关警报而在电气系统中采取一个或多个动作，以减少电气系统中的所述装备上的能量相关应力，其中所述一个或多个动作是基于所述瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个来采取的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，采取所述一个或多个动作包括：
识别用于减少电气系统中的所述装备上的能量相关应力的至少一个手段；
基于所述瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个，选择用于减少能量相关应力的所述至少一个手段中的一个或多个手段；以及
应用用于减少能量相关应力的所述至少一个手段中的所选择的一个或多个手段。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，进一步基于所述至少一个手段中的一个或多个手段减少电气系统中的所述至少一个能量相关瞬变的幅度和持续时间中的至少一个的预期能力，选择用于减少能量相关应力的所述至少一个手段中的一个或多个手段。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，进一步基于与获取和/或应用所述至少一个手段中的一个或多个手段相关联的经济成本，选择用于减少能量相关应力的所述至少一个手段中的一个或多个手段。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，用于减少能量相关应力的所述至少一个手段中的一个或多个手段包括至少一个瞬变缓解设备。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个瞬变缓解设备包括以下中的至少一个：电涌放电器、避雷器、电涌抑制器和瞬变电压电涌抑制器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个动作由与电气系统相关联的控制系统自动执行，其中，所述控制系统通信地耦合到所述至少一个IED，和/或与所述电气系统相关联的基于云的系统、现场/边缘软件、网关和另一前端系统。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，来自由所述至少一个IED捕获的能量相关信号的或从所述能量相关信号推导出的电气测量数据在与所述电气系统相关联的基于云的系统、现场软件、网关和另一前端系统中的至少一个上被处理，其中，所述至少一个IED通信地耦合到在其上处理所述电气测量数据的基于云的系统、现场软件、网关和另一前端系统中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述至少一个能量相关瞬变相关联的数据在预定时间段内被存储和/或跟踪。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定时间段是用户配置的时间段。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个能量相关瞬变对所述装备的影响是基于以下中的至少一个来确定的：所述至少一个能量相关瞬变的性质和源、所述装备对所述至少一个能量相关瞬变的敏感性、所述装备对所述至少一个能量相关瞬变的效应、以及企业运营和/或基础设施对所述至少一个能量相关瞬变的成本敏感度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，量化所述至少一个能量相关瞬变的影响包括对所述至少一个能量相关瞬变对所述装备的效应进行分类。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个能量相关瞬变的效应被分类为以下中的至少一个：间歇性中断、慢性退化、潜在故障和灾难性故障。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个能量相关瞬变的影响用于预测所述装备的早期故障。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：在显示设备上呈现所述瞬变相关警报的优先级和严重性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述显示设备是与所述电气系统相关联的计算设备或系统的显示设备。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述装备接近和/或超过电压应力能量的预定阈值时，所述瞬变相关警报通知终端用户、装备制造商和/或服务团队。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述装备的应力容限和所述装备上的累积能量相关应力用于预测所述装备的寿命终止(EOL)。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：将所述装备的EOL或接近EOL通信传达给终端用户、装备制造商和/或服务团队。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述装备包括不具有定义的累积应力寿命的至少一个电涌设备，并且所述至少一个电涌设备的EOL是使用所述至少一个电涌设备上的累积能量相关应力数据基于类似产品/装备的EOL数据来预测的。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，使用平均故障时间(MTTF)来预测所述装备的EOL。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述MTTF基于对至少能量相关应力的评估。
23.根据权利要求1所述的方法，还包括：评估所述至少一个能量相关瞬变的一个或多个特性，以隔离和识别瞬变起源。
24.根据权利要求1所述的方法，还包括：评估所述至少一个能量相关瞬变的一个或多个特性，以识别所述至少一个能量相关瞬变的一个或多个源和一个或多个位置。
25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量相关瞬变是电压瞬变和电流瞬变中的至少一个。
26.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述至少一个能量相关瞬变所起源的电气位置的重要性/关键性，为所述瞬变相关警报分配优先级。
27.一种用于减少/管理电气系统中的能量相关应力的系统，所述能量相关应力包括由于所述电气系统上的能量而引起的装备上的电、热和/或机械应力，所述系统包括：
处理器；
耦合到所述处理器的存储设备，所述处理器和所述存储设备被配置为：
处理来自由电气系统中的至少一个智能电子设备(IED)捕获的能量相关信号的或从所述能量相关信号推导出的电气测量数据，以识别和跟踪电气系统中的至少一个能量相关瞬变；
量化所述至少一个能量相关瞬变对电气系统中的装备的影响，所述装备对所述至少一个能量相关瞬变具有相关联的应力容限，所述应力容限包括针对所述装备的电、热和/或机械应力的容限；
响应于所述至少一个能量相关瞬变的影响接近所述装备的应力容限的预定范围、在所述预定范围之内或高于所述预定范围而生成一个或多个瞬变相关警报；
部分地基于所述装备的应力容限、与一个或多个瞬变事件相关联的应力以及所述装备上的累积能量相关应力中的至少一个，为所述瞬变相关警报分配优先级；以及
响应于所述瞬变相关警报而在电气系统中采取一个或多个动作，以减少所述电气系统中的所述装备上的能量相关应力，其中，所述一个或多个动作是基于所述瞬变相关警报的优先级和严重性中的至少一个来采取的。
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