用于验证数字电能线完整性的方法与流程

背景技术：

数字电力或数字电能可以被表征为以分立、可控的能量单元来分配电力的任何电力格式。包能量传递(pet)是美国专利号8,068,937、美国专利号8,781,637(伊夫斯2012)以及于2017年2月7日提交的国际专利申请pct/us2017/016870中披露的新型数字电力协议。

与传统的模拟电力系统相比，数字电力传输系统中的主要识别因素是电能被分离成离散的单元；并且单独能量单元可以与模拟和/或数字信息相关联，该模拟和/或数字信息可以用于优化安全性、效率、弹性、控制或路由的目的。由于pet系统中的能量被作为离散量或量子进行传递，所以这种能量可以被称为“数字电力”或“数字电能”。

如伊夫斯2012中所描述的，电源控制器和负载控制器通过电力传输线连接。伊夫斯2012的电源控制器周期性地将电力传输线与电源隔离(断开连接)，并且在线路被隔离之前和之后立即至少对源控制器端子处存在的电压特性进行分析。伊夫斯2012将电力线被隔离的时间周期称为“采样周期”，并且将连接电源的时间周期称为“传递周期”。线路上的电压在采样周期之前、期间和之后的上升和衰减速率揭示电力传输线上是否存在故障状况。可测量故障包括但不限于短路、高线路电阻、或不当接触这些线路的个人的存在。

伊夫斯2012还对可以在电源与负载控制器之间通过电力传输线发送的数字信息进行描述，以进一步增强安全性或提供能量传递(诸如总能量或负载控制器端子处的电压)的一般特性。美国专利号9,184,795(伊夫斯通信专利)中进一步描述并改进了一种用于在与电力所使用的相同的数字电力传输线上进行通信的方法。

数字配电系统的一个应用是用于以数字格式并且在升高的电压下安全地将直流(dc)电源从系统的电源侧分配到负载侧。

美国公开专利申请号2016/0134331a1(伊夫斯电力元件)描述了以各种配置将伊夫斯2012的电源侧部件封装到称为数字电力发射器的设备中。

美国专利号9,419,436(伊夫斯接收器专利)描述了将伊夫斯2012的负载侧部件的各种配置封装到称为数字电力接收器的设备中。

技术实现要素：

下文所述的方法以伊夫斯2012的早期工作为基础，着眼于新颖的方法，可最大程度地减少传输线故障检测中的错误。这些错误可能是由电噪声或在执行包能量传递协议时可能会影响从传输线感测到的数据的完整性的其他干扰引起的。

数字电力或数字电能可以被表征为以分立、可控的能量单元来分配电力的任何电力格式。数字电能系统周期性地将输电线路与电源和负载隔离开以分析模拟线路的特性，这些特性反映了可能的故障或与输电线路的人为接触。线路故障的检测涉及到传输线电压的周期性测量。然而，实际的传输线电压测量值通常会受到电噪声或有害振荡的影响。所披露的方法可以用于确保用于故障检测的模拟测量的完整性，从而防止误报或漏报线路故障确定。

在此描述了用于确保在执行包能量传递时用于确定传输线路故障的数据的完整性的方法，其中，方法和用于执行该方法的装置的各种实施例可以包括以下描述的一些或全部元件、特征和步骤。

在用于确保包括一个或多个发射器的数字电力系统中的传输线电压测量值的完整性的方法的实施例中，使用各自的发射器来监测并控制一个或多个传输线上的电压。通过使用以下四种方法中的至少一种来确保采样周期期间存在线电压干扰的情况下传输线电压测量值的完整性。

在第一种方法中，在该采样周期期间获取传输线电压的至少三个测量值，其中，这些电压测量值可能受到电干扰的影响。对这些测量值进行数值分析以产生多项式函数，该多项式函数对无干扰的传输线电压测量值进行近似。基于来自该近似的各个测量值的方差大小估算该多项式函数的精度，以及如果估算出的精度不满足最小精度要求，则中断该传输线的电力。

在第二种方法中，在该采样周期期间对该传输线施加负偏压或正偏压。获取电压测量值以确定施加该偏压后的电压变化率；以及如果该电压变化率超出预定的最小值和最大值，则中断到该传输线的电力。

在第三种方法中，其中，该数字电力系统至少包括第一传输线和第二传输线，将该第一传输线上的第一采样周期的开始时间参照该第二传输线上的第二采样周期进行移位以减少这两条传输线上的采样周期的重叠，从而防止电磁噪声从一条传输线感应到另一条传输线。

在第四种方法中，其中，该数字电力系统至少包括第一传输线和第二传输线，使该第一传输线上的第一采样周期的开始时间与该第二传输线上的采样周期的开始时间同步，以允许来自这两条传输线的电磁噪声在该采样周期结束前衰减到可接受的值，从而使剩余采样周期的至少一部分可用于无干扰的电压测量。

在执行数字电能固有的包能量传递(pet)协议时，总能量包周期的一部分被分配用于将能量从电源传递到负载。这部分称为传递周期。包周期中的剩余时间被分配用于检测故障以及传递数据。包的这部分称为采样周期。在一个实施例中，该系统的电源侧的控制器在该采样周期期间监测传输线电压的衰减。衰减率的变化可以指示各种故障状况，包括短路或与传输线导体的人为接触。

在pet协议中有许多与确保故障检测完整性相关的实际考虑事项。第一个考虑事项是，当该传输线上由于“反射波”而产生振荡时，在该采样周期期间获取传输线电压的有效测量值。当电流脉冲到达线路的末端并被反射回原始位置时，就会产生反射波。在该传输线的任何点观察到这些反射时，这些反射将表现为电压振荡。在pet采样周期期间，这些振荡可能会导致在确定线电压衰减率时出现错误。

第二个考虑事项是与长传输线相关联的线间电容过大。该电容可能达到一个水平，该水平会掩盖线间电阻减小的影响。

第三个考虑事项是电磁干扰(emi)与传输线对的耦合。干扰可能源自紧密相邻的其他传输线对，包括其他数字电能传输线对。

在此描述的方法通过预防和检测来解决这些考虑因素。

从预防的角度来看，使传输数字电能的多条并行传输线交织，这意味着一条传输线中的能量包的开始相对于其他传输线在时间上被有意地移位。具体地，尽可能多地布置多个能量包的采样周期，使得它们不会在紧密相邻的传输线中同时出现。如下面将更详细地描述，传输线反射会产生振荡，这些震荡是emi的根源；并且该emi可能会在相邻传输线对中产生干扰。线路反射受到由采样周期的起始所引起的线路电流突然减小的激励。如果采样周期期间出现emi，则包含数字电能的相邻传输线最容易受到emi的干扰，因为在这部分能量包中传输线串联阻抗要高得多，这意味着emi可能以更少的能量生成。

在此描述两种检测方法。

第一种检测方法使用偏压电路将传输线对驱动到所需电压。偏压电路的最简单形式是电阻分压器。通过在已知时间段内施加偏压的同时测量传输线电压，可以计算出指示线间阻抗的值。如果该值超出预定的可接受值，则将登记故障并中断到传输线的电力。除了检测传输线上的故障之外，该测量还用于检测硬件问题，例如线路断开设备的短路故障。如果线路断开设备没有成功中断到传输线的电流，则线电压在测量周期期间将不会衰减，这表明线路断开设备或所支持的电路系统已损坏。

因为主动地将线路偏置到目标电压，所以该方法可以克服emi或高电容对传输线的某些影响。使用偏置与简单地打开电源断开开关之间的折衷是，偏压电流可能掩盖低电流线间故障对传输线的影响，因为系统必须区分故障电流与偏压电流之间的差异以正确登记故障。

第二种检测方法涉及确定在采样周期期间在传输线上测量的电压是否噪声太大而无法支持有效的测量。该方法称为异常检测，其量化了采样周期期间的传输线电压与理想参考线的偏差。如果该偏差超过预定的最大值，则该测量被视为无效。在预定数量的无效测量之后，线路被视为处于故障状态，并且到传输线的电力将被中断。

附图说明

图1为安全配电系统的实施例的框图。

图2为包能量传递电压(pet电压)波形的图示。

图3展示了线路振荡对pet电压波形的影响。

图4展示了两个pet电压波形的交织。

图5展示了一个pet波形如何在相邻波形上引起噪声。

图6展示了在使三个pet波形交织时的局限性。

图7展示了三个pet波形的组合的交织与同步。

图8为具有同步信号的pet系统的框图。

图9展示了高线路电容在pet波形中的影响。

在附图中，贯穿不同视图，类似附图标记指代相同或相似部分；并且撇号用于区分相同项目的多个实例或共享相同附图标记的项目的不同实施例。所述附图不一定是按比例绘制的；相反，重点放在了展示下文所讨论的范例的具体原理上。对于包括文本(文字、附图标记和/或数字)的任何附图，没有文本的附图的替代版本应被理解为本披露的一部分；因此可以用没有这种文本的正式替换附图来代替。

具体实施方式

根据以下对本发明更宽界限内的各种概念和具体实施例的更具体描述，本发明的各个方面的上述以及其他特征和优点将变得明显。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的各个方面可以以多种方式中的任何方式来实施，因为主题不限于任何具体实施方式。具体实施方式和应用的示例主要是为了说明的目的而提供的。

除非在本文中另有定义、使用或表征，本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)将被解释为具有与其在相关领域的背景下所接受的含义相一致的含义，而不在理想化或过度正式的意义上进行解释，除非本文中明确如此定义。

本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的并且不旨在限制示例性实施例。如本文所使用的，除非上下文另外指明，否则单数形式如“一个(a)”和“一种(an)”旨在也包括复数形式。另外，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”指定了所陈述的元件或步骤的存在，但不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或添加。

图1中示出了如伊夫斯2012中最初描述的代表性的数字电力系统。该系统包括电源1和至少一个负载2。由操作开关3来启动pet协议，以便周期性地使电源与电力传输线断开连接。当开关处于打开(不导通)状态时，线路也通过隔离二极管(d1)4而与可能驻留在负载2处的任何存储能量隔离开来。

伊夫斯2012提供了几种版本的替代开关，它们可以替代d1，并且在当前描述的方法中使用时，所有版本都可以产生相似的结果。电容器(c3)5表示在电路的负载侧上的能量存储元件。

传输线具有固有线间电阻(r4)6和线间电容(c1)7。如伊夫斯2012所描述的pet系统架构添加了附加线间电阻(r3)8和线间电容(c2)9。在开关3打开的时刻，c1和c2已经存储了以与r4和r3的附加值成反比的速率衰减的电荷。由于隔离二极管(d1)4的反向阻断行为，电容器(c3)5并不通过r3和r4进行放电。电容(c1和c2)中包含的电荷量与它们两端的电压成正比，并且可以由电源控制器18或负载控制器19在点16和17处测量。

如伊夫斯2012中所描述的，存储在c1和c2中的能量的衰减速率的变化可以指示传输线上存在跨线故障。图2中展示了如伊夫斯2012所提出的正常操作与故障之间的差异。

再次参考图1，开关(s1)3、电源控制器18、电阻器(r1)10、开关(s2)11、以及电阻器(r3)8的组合可以称为发射器20。开关(s4)15、电阻器(r5)14、负载控制器19、二极管(d1)4、电容(c2)9、以及电容(c3)5的组合可以称为接收器21。

图3展示了当执行pet时的第一实际考虑事项——由于反射或emi而引起的传输线电压的振荡。振荡会影响故障检测的完整性，由于振荡导致的干扰而增加了提取由线路电容中的正常能量消耗所引起的电压衰减率的难度。由于采样周期期间异常衰减的传输线电压指示传输故障，因此振荡可能会产生误报或漏报测试结果。当振荡幅度较小时，模拟或数字滤波可以改善测量；但是，如果振荡很大，则模拟测量会变得无法使用。

图3所示的振荡可能来自传输线外部的电磁干扰或者来自其他紧密相邻的传输线对，包括其他数字电能传输线对。具体地，较长的传输线会受到“反射波”的影响，其中，电流脉冲将到达线路的末端，然后反射回原始位置。在该传输线的任何点观察到这些反射时，这些反射将表现为电压振荡。紧密相邻的数字电能线对中的传输线反射产生的电磁辐射会加剧振荡。如果采样周期期间出现emi，则包含数字电能的相邻传输线最容易受到emi的干扰，因为在这部分能量包中传输线阻抗要高得多，从而允许干扰以更少的能量建立。

如之前所总结的，在此描述的方法可以同时应用预防方法和检测方法来管理传输线上的数字电能的实际操作方面。

图4中展示了一种防止振荡干扰的方法，其中，两个相邻的数字电能传输线对在时间上偏移或交织，使得它们的采样周期不会同时出现。如点26所例示，该偏移允许振荡在采样周期结束之前减小，从而一旦振荡幅度下降到可接受的水平，就允许有效地测量线路衰减。如果没有交织，采样周期可能会重叠；并且来自第一线对的电磁辐射可能会延长第二线对的振荡，可能直到该振荡消耗完整个采样周期，如图5的点28所示。

一种可接受的但不太理想的用于控制线路振荡的方法是使两条传输线的能量包同步，使得采样周期同时开始。以这种方式，线路振荡将会发生并以大约相同的速率衰减，从而在振荡衰减到可接受的水平时允许在采样周期的稍后时间进行测量。

实际上，对于大量的传输线对，可以同时使用同步技术和交织技术，因为随着传输线对数量的增加，单独使用交织技术不可能避免重叠。在图6的示例中，不可能偏移超过所示的两个传输线包，因为在这三个波形中的任何一个中都不存在将不受另一相邻传输线中的采样周期的开始影响的任何剩余采样周期。重叠将再次在采样周期期间延长振荡28。为了解决这个问题，如图7所示，可以使其中两条传输线的采样周期同步，并且可以偏移或交织第三条传输线的采样周期。

参考图1，为了促进交织功能，本实施例的发射器将同步输入合并到电源控制器18。参考图8，在特定实施例中，主控制器30生成同步信号，该同步信号可以是嵌入在串行通信流中的脉冲波形或数据元素的形式。每个发射器20、20’、20”在其单独的控制器中持有标识符，该标识符将控制器与其各自的传输线32、32’、32”相关联。当发射器控制器检测到同步脉冲时，发射器控制器将根据其传输线在传输线组32、32’、32”中的顺序位置，将适当的偏移应用于能量包的开始时间。

图9展示了在采样周期期间执行测量时的第二考虑事项。如图9中点34处的衰减所示，当传输线电容相对于较低电容线较高时，采样周期期间传输线电压的衰减可能非常小。这使得线间故障检测不太敏感，可能会导致错过某个故障情况。

图1有助于展示用于检测高线路电容和其他线间故障的第一方法。增加线路偏压提供附加的电流来对线路电容进行充电或放电。电源控制器18起闭合固态开关(s3)13的作用，该固态开关将电阻器(r2)12跨接在传输线导体上。这通过r2的“下拉”效应为传输线提供负偏压。通过同时闭合固态开关(s3)13和固态开关(s2)11，可以创建另一偏压电路，该偏压电路对偏置电压设定点提供更大范围的控制，这在传输线正极上形成了包括电阻器(r1)10和电阻器(r2)12的分压器。

然后将在采样周期期间施加偏压后的电压衰减率与预定的最大值和最小值进行比较。如果衰减率太高或太低(即，高于预定的最大值或低于预定的最小值)，则衰减率表示线路故障。由高衰减引起的故障可能是由人为接触或传输线上放置的异物引起的。低衰减故障可能是由线路电容过大或硬件故障引起的。然后，电源控制器18可以通过打开断开开关(s1)3来中断到传输线的电流。

第二种检测方法涉及确定在采样周期期间在传输线上测量的电压是否噪声太大而无法支持有效的测量。该方法称为异常检测，其量化了采样周期期间传输线电压与理想参考线的偏差。如果该偏差超过预定的最大值，则该测量被视为无效。在预定数量的无效测量之后，线路被视为处于故障状态；并且到传输线的电力将被中断。优选方法是在采样周期期间累积一系列电压样本，并使用数值回归将这些样本与想象的、非竖直的直线进行比较，如图3中的虚线24所示。如果线路不受线路反射或电磁干扰(emi)的干扰，则该线路表示传输线路的正常衰减率。有多种本领域技术人员熟知的用于执行线性数值回归的方法。当前方法中可以使用的一种方法是“最小二乘”法。如果只有很少的emi或线路振荡，则想象线与实际数据样本之间存在的方差将很小，因为大多数数据样本都将非常接近于该线。在有噪声或振荡的传输线的实例中，方差或“残差”会很大；因为许多样本将远离该想象线。常用于线性回归的确定系数(r²)用于预测想象线是否可以用作采样周期期间传输线的潜在实际衰减率的模型，其表达式如下：

r²＝cov(x，y)²/[var(x)²·var(y)²]，

其中：

r²为确定系数；

x为相对于采样周期的开始的采样时间；

y为在时间x处获取的样本的电压值；

cov(x,y)为x和y的协方差；

var(x)为x的方差；并且

var(y)为y的方差。

方差和协方差的计算对于数值回归领域的技术人员而言是众所周知的。r²的低值意味着该想象线不是用于传输线电压的潜在衰减的可行模型。如果r²的值低于预定值，则电源控制器将登记故障；并且电源控制器将中断到传输线的电力。

总结、分支和范围：

电源控制器18和负载控制器19可以包括逻辑设备，如微处理器、微控制器、可编程逻辑设备或用于执行控制算法的其他合适的数字电路系统。负载控制器19可以采用收集与系统的负载侧相关的数据的简单传感器节点的形式，并且不一定需要微处理器。

控制器18和19可以为计算设备，并且本披露的系统和方法可以在计算系统环境中实施。可以适合与这些系统和方法一起使用的众所周知的计算系统环境及其部件的示例包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持或膝上型设备、平板计算机设备、智能电话、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费者电子产品、网络pc、小型计算机、大型计算机机、包括上述系统或设备中的任一个的分布式计算环境等。典型计算系统环境及其操作和部件在许多现有专利(例如，由微软公司(microsoftcorp.)拥有的美国专利号7,191,467)中有所描述。

这些方法可通过非暂态计算机可执行指令(如程序模块)来执行。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实施特定数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。这些方法也可以在其中任务由通过通信网络所链接的远程处理设备执行的分布式计算环境中实践。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在此所描述的过程和功能可以以软件指令的形式非暂态地存储在计算机中。计算机的部件可以包括但不限于计算机处理器、用作存储器的计算机存储介质、和将包括该存储器的各种系统部件耦合至计算机处理器的系统总线。该系统总线可以是包括以下各项的若干类型的总线结构中的任何一种：存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种各样的总线架构中的任一种的局部总线。

计算机通常包括处理器可访问的并且包括易失性和非易失性介质以及可移除和不可移除介质的各种各样的计算机可读介质中的一种或多种。举例来讲，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。

计算机存储介质可以存储处于非暂态状态的软件和数据，并且包括以任何方法或技术实施的用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的软件和数据的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储设备、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁性存储设备、或者能用于存储所需信息且可以由处理器访问和执行的任何其他介质。

存储器包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质，如只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram)。包含如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传递信息的基本例程的基本输入/输出系统(bios)通常存储在rom中。ram通常包含处理器可以立即访问和/或目前正在处理器上操作的数据和/或程序模块。

计算机也可以包括其他可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质，如(a)从不可移除、非易失性磁性介质读取或写入其中的硬盘驱动器；(b)从可移除、非易失性磁盘读取或写入其中的磁盘驱动器；以及(c)从可移除、非易失性光盘(如cdrom或其他光学介质)读取或写入其中的光盘驱动器。计算机存储介质可以通过通信接口与系统总线耦合，其中，接口可以包括例如用于在部件之间传输数字信号或光学信号的导电电线和/或光纤通道。可以在示例性操作环境中使用的其他可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质包括磁带盒、闪存卡、数字多功能盘、数字录像带、固态ram、固态rom等。

驱动器及其相关联的计算机存储介质为计算机提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。例如，计算机内部或外部的硬盘驱动器可以存储操作系统、应用程序、和程序数据。

也可以由控制传输线32、32’、32”的电源控制器之一来生成用于使在此描述并如图6所示的pet波形同步或偏移的同步信号，从而消除对单独的主控制器的需要。产生信号的电源控制器将成为主控制器。有几种方法可以确定哪个控制器为主控制器。例如，序列号最低的电源控制器可以承担主任务。

可以使用有源电源或运算放大器电路来构造在此描述的偏压电路，该有源电源或运算放大器电路被设计成将传输线电压驱动至预定的电压设定点。尽管比简单的分压器电路复杂，但是有源器件(例如运算放大器)能够比电阻分压器更快地将传输线电压驱动至目标设定点。

构造电阻分压器偏压电路的替代方法是采用部分增强的固态开关3(例如图1的s1)。如果开关(s1)3被实施为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，则通过使用低于正常栅极驱动电压的电压来部分地增强该器件。在部分增强的状态下，mosfet的性能类似于电阻器。

在此描述的用于导出传输线衰减的想象线的线性回归方法也可以通过模拟滤波电路系统或数字滤波算法来实现。由于电源控制器执行算法所需的处理器资源最少，因此在本说明书中描述了线性回归。然而，可以采用很多本领域技术人员众所周知的数值回归技术。这些技术一般可以分为线性、多线性和非线性数值回归。

在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定术语。为了描述的目的，特定术语旨在至少包括以类似方式操作以实现类似结果的技术等效物和功能等效物。另外，在本发明的具体实施例包括多个系统元件或方法步骤的一些实例中，那些元件或步骤可以利用单个元件或步骤替代。同样，单个元件或步骤可以利用起到相同目的的多个元件或步骤替代。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可以对其做出形式和细节上的各种替代和更改。仍进一步地，其他方面、功能和优点也处于本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不必实现所有优点或者具有上文描述的所有特性。另外，本文结合一个实施例所讨论的步骤、元件和特征可以同样结合其他实施例使用。出于所有目的，贯穿本文所引用的参考文献(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)的内容通过引用以其全文结合在此；并且来自这些参考文献和本披露的实施例、特征、特性和方法的所有适当组合都可以包括在本发明的实施例中。仍进一步地，背景技术部分中标识的部件和步骤与本披露是一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用或代替所述部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中(或者在其他地方叙述方法的情况下)——为了便于引用而添加了或未添加顺序性的前序字符，这些级不应被解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非通过术语和短语另外指明或暗示。