专利名称：公用电网的智能监测的制作方法
技术领域：
本公开一般地涉及公用电网(electrical utility grid)领域，并具体涉及管理公用电 网。更具体地，本公开涉及利用先进仪表基础设施(Advanced Meter Infrastructure，AMI) 中的智能用电仪表(intelligent electricity usage meter)来管理公用电网。
背景技术：
公用电网把电力从发电机(水电、核能、煤电，等等)输送到最终客户位置。 对公用电网的健康和工作的监测由检测主配电干线上的电压电平的中央传感器执行。但 是，这些传感器不提供为了在客户位置层次理解和/或控制公用电网的工作所需的粒度。

发明内容
一种管理公用电网的方法包括在地理上把沿着馈电线的客户智能用电仪表 的集合分组以便在电网上生成精细传感器网络(fine sensor web) 远程监测被分组的 用电仪表集合中的每一个智能用电仪表以便监测功率质量。根据来自沿着馈线的被选 择用于电压分析(voltage profiling)的仪表子集的电压读数，生成未补偿馈线电压简档 (Uncompensated Feeder Voltage Profile)。如果在仪表的子集检测到功率异常，则调整到公 用电网的功率以纠正所述异常。本发明的上述以及其他目的、特征和益处将从下面的详细书面描述变得清晰。从第一方面看，本发明提供了一种管理公用电网的方法，所述方法包含在地 理上把智能用电仪表的集合分组为电网上的精细传感器集合，其中，精细传感器集合中 的每一个智能用电仪表均能够被远程监测，并且其中，每一个智能用电仪表均耦合到从 多个客户设施选择的一个不同的客户设施；远程检测由精细传感器集合中的至少一个智 能用电仪表读取的功率的异常；和响应于远程检测到异常，调整到公用电网的功率以纠 正该异常。优选地，本发明提供了一种方法，其中精细传感器集合中的全部传感器通过本 地降压变压器耦合到相同的电力线。优选地，本发明提供了一种方法，其中，异常是到多个客户设施中的第一客户 设施的第一功率中断，并且其中，通过读取进入第一客户设施中的零输入电压来检测第 一功率中断。优选地，本发明提供了一种方法，其中，异常还包含到多个客户设施中的第二 客户设施的第二功率中断，并且其中，第一功率中断和第二功率中断指示同一本地降压 变压器的故障。优选地，本发明提供了一种方法，还包含远程检测第一客户设施处的断路器 跳闸；检测到多个客户设施中的第二客户设施的正常功率输送；和确定第一客户设施处 的第一功率中断只是因第一客户设施处的断路器跳闸所致。
优选地，本发明提供了一种方法，其中，异常是由对公用电网的电磁干扰引起 的功率噪声。优选地，本发明提供了一种方法，还包含产生异常的数字化电压简档；和把 数字化的电压简档传送到分析服务器。优选地，本发明提供了一种方法，其中，异常是在多个客户设施中的第一客户 设施和第二客户设施之间的电力线上的电压降，所述方法还包含确定电压降是否超过 预定的可接受水平；和响应于确定电压降超过了预定的可接受水平，产生纠正电压降的 工作命令。优选地，本发明提供了一种方法，还包含确定在预定的时间段期间异常已经 发生了多于预定的发生次数；和响应于确定在预定的时间段期间异常已经发生了多于预 定的发生次数，监测其他的用电仪表集合以监测与所述异常匹配的类似异常。优选地，本发明提供了一种方法，其中，异常是缺失在客户设施处接收的电功 率，所述方法还包含把询问信号从本地降压变压器传送到客户设施处的用电仪表中的 询问传感器；检测用电仪表处询问信号的缺失；响应于检测到在客户设施处的用电仪表 处电功率的缺失和询问信号的缺失这两者，推定从本地降压变压器到客户设施的用户引 入线(drop line)已被切断。从另一个方面看，本发明提供了一种公用电网，包含分析服务器，用于在地 理上把用电仪表的集合分组以便在电网上生成精细传感器网络，其中，精细传感器网络 中的每一个用电仪表均能够被远程监测，并且其中，每一个用电仪表耦合到一个不同的 电线监测点；数据收集引擎服务器，用于远程检测由精细传感器网络中的至少一个用电 仪表读取的功率的异常；和电网调整逻辑，用于响应于远程检测到异常，调整到公用电 网的功率以纠正该异常。从另一个方面看，本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储计算机程序， 所述计算机程序包含计算机可执行指令，被配置用于在地理上把用电仪表的集合分组 以便生成被分组的精细电网传感器集合，其中，该被分组的精细电网传感器集合中的每 一个用电仪表均能够被远程监测，并且其中，每一个用电仪表被耦合到一个不同的电力 线监测点；远程检测由该被分组的精细电网传感器集合中的至少一个用电仪表读取的功 率的异常；和响应于远程检测到异常，调整到公用电网的功率以纠正该异常。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，被分组的精细电网传感器 集合中的全部传感器耦合到相同的本地降压变压器。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，异常是到多个客户设施中 的第一客户设施的第一功率中断，并且其中，通过读取第一客户设施在预定的时间段开 始和结束时所使用的功率的总量之间的零差别来检测第一功率中断。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，异常还包含到多个客户设 施中的第二客户设施的第二功率中断，并且其中，第一功率中断和第二功率中断指示同 一配电变压器的故障。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，计算机可执行指令还被配 置用于远程检测第一客户设施处的断路器跳闸；检测到多个客户设施中的第二客户设 施的正常功率输送；和推定第一客户设施处的第一功率中断只是因第一客户设施处的断路器跳间所致。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，异常是在多个客户设施中 的第一客户设施和第二客户设施之间的电压降，并且其中，计算机可执行指令还被配置 用于确定电压降是否超过预定的可接受水平；和响应于确定电压降超过了预定的可接 受水平，产生纠正电压降的工作命令。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，计算机可执行指令还被配 置用于确定在预定的时间段期间异常已经发生了多于预定的发生次数；和响应于确定 在预定的时间段期间异常已经发生了多于预定的发生次数，监测其他的用电仪表集合以 便监测与所述异常匹配的类似异常。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，计算机可读介质是远程服 务器的部件，并且其中，计算机可执行指令可从远程服务器部署到监管(supervisory)计 算机。优选地，本发明提供了一种计算机可读介质，其中，计算机可执行指令能够由 服务提供商按需提供给客户。从另一个方面看，本发明提供了一种可加载到数字计算机的内部存储器中的计 算机程序产品，包含用于当所述产品在计算机上运行时执行实现本发明的上述所有步骤 的软件代码部分。


在所附权利要求中给出了相信为本发明特有的新颖特征。但是，通过结合附图 参考下列对说明性实施例的详细描述，将最佳地理解本发明自身以及优选使用模式、其 进一步的目的和益处。图IA示出了其中可以采用本发明的示范性计算机；图IB绘出了用于监测基于馈线的传感器集合的示范性的基于SCADA的系统；图2绘出了使用现有的客户用电仪表用于功能监测和管理的配电网；图3示出了在客户设施处使用的示范性智能用电仪表；图4是描述如何采用智能用电仪表来管理配电网的高层次流程图；图5示出了在分析服务器显示的图形用户界面(GUI)，用于显示描述被配电网上 的多个远程终端单元(RTU)监测的电力的多个实时波形；图6绘出了智能电网基础设施的替换表示；图7示出了表明智能仪表位置的快照地图；图8绘出了图7中所示的智能仪表的示范性电压观察器；图9A到图9B是流程图，示出了为部署能够执行在图2到图8中描述的步骤和 过程而采取的步骤；和图IOA到图IOB是流程图，示出了使用按需服务提供方执行在图2到图8中示 出的步骤和过程所采取的步骤。
具体实施例方式现在参考图1A，绘出了其中可以采用本发明的示范性计算机102的框图。注意，为计算机102所示的示范性架构的部分或者全部可被分析服务器150、SCADA服务 器160a-n (图IB中所示)、数据收集引擎(DCE)服务器202 (图2中所示)、分析服务器 204(图2中所示)、智能用电仪表302(图3中所示)、门户服务器642、门户客户端646 和/或在图6的数据中心中所示的服务器采用。计算机102包括耦合到系统总线106的处理器单元104。驱动/支持显示器110 的视频适配器108也耦合到系统总线106。系统总线106通过总线桥112耦合到输入/ 输出(I/O)总线114。I/O接口 116耦合到I/O总线114。I/O接口 116承担与各种I/O 设备(包括键盘118、鼠标120、紧制盘只读存储器(CD-ROM)驱动器122、软盘驱动器 124和发射机126)的通信。发射机126可以是有线或者无线发射机，能够在有线或者无 线信号(例如无线电波)上传送信号。连接到I/O接口 116的端口的格式可以是计算机 架构领域技术人员已知的任何格式，包括但不限于通用串行总线(USB)端口。计算机102能够使用网络接口 130通过网络128与分析服务器150通信，网络接 口 130耦合到系统总线106。网络128可以是例如互联网的外部网络，或者例如以太网或 者虚拟专用网(VPN)的内部网络。硬驱动器接口 132也耦合到系统总线106。硬驱动器接口 132与硬驱动器134连 接。在优选实施例中，硬驱动器134占据系统存储器136，系统存储器136也耦合到系统 总线106。系统存储器被定义为计算机102中的最低层次的易失性存储器。这种易失性 存储器包括额外的更高层次的易失性存储器(未示出)，包括但不限于高速缓存存储器、 寄存器和缓冲器。占据系统存储器136的数据包括计算机102的操作系统(OS) 138和应 用程序144。OS 138包括外壳140，用于提供对例如应用程序144的资源的透明的用户访问。 一般地，外壳140是在用户和操作系统之间提供解释器和接口的程序。更具体地，外壳 140执行输入到命令行用户接口或者来自文件的命令。因此，外壳140(也称为命令处理 器)一般是操作系统软件层次结构的最高层次，并且起到了命令解释器的作用。外壳提 供系统提示，解释通过键盘、鼠标或者其他用户输入媒体输入的命令，并把经解释的命 令发送到操作系统的适当的较低层次(例如内核142)供处理。注意，虽然外壳140是基 于文本的、面向行的用户接口，但是本发明将同样很好地支持其他的用户接口模式，例 如图形、语音、姿态，等等。如所绘出的那样，OS 138也包括内核142，内核142包括OS 138的功能的较低 层次，包括提供OS 138的其他部分和应用程序144所需的必要服务，包括存储器管理、 进程和任务管理、盘管理，以及鼠标和键盘管理。应用程序144包括网络门户(web portal) 146。门户146包括使万维网客户端(即 计算机102)能够使用超文本传输协议(HTTP)消息来发送和接收对互联网的网络消息的 程序模块和指令，从而为电网用户提供了用户友好的用户接口。计算机102的系统存储器(以及软件部署分析服务器150的系统存储器)中的应 用程序144也包括电网管理逻辑(GML) 148。GML148包括用于实施在图2到图IOB中描 述的过程的代码。在一个实施例中，计算机102能够从分析服务器150下载GML 148， 包括如下面在图9A到图IOB中更详细地描述那样以“按需”方式。还要注意在本发明 的优选实施例中，分析服务器150执行与本发明相关联的所有功能(包括GML 148的执行)，因而使计算机102不必使用其自身的内部计算资源来执行GML 148。在计算机102中描绘的硬件元件并非旨在穷尽，而是代表性的以突出显示本发 明所要求的必要部件。例如，计算机102可以包括替代的存储器存储装置，例如磁带、 数字多功能盘(DVD)、伯努利盒式存储器，等等。预期这些以及其他变化在本发明的精 神和范围内。现在参考图1B，展示了用于本发明的示范性的监管控制和数据获取(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)网络 158。SCADA 网络 158 可以包括多个 SCADA 服务器160a-n(其中“η”是整数)。SCADA服务器160a-n监测和处理来自不同馈线 (包括所描绘的示范性馈线166和168)的信息。每一馈线包括多个仪表(分别是162a-n 和164a-n)，它们是测量客户位置处的设施的仪表。现在参考图2，展示了具有本发明所描述的新颖特征的示范性电网200。电功 率最初由发电机206产生，发电机206可以由水(水电)、化石燃料(例如煤电)、核材 料(即核能)等供以动力。然后，电功率沿着沿着传输线208 (通常是称作“主干线” 的高压线)传送到配电变电站210，配电变电站210在把功率传递到配电线212之前把 电压降低。配电线212可以是配电变电站210内的次干线，和/或从配电变电站210出 来的次干线。然后，电功率传递到把最终电压降低到客户所要求的电压的配电变压器 214a-n(其中“η”是整数)。每一个客户具有用电仪表216a-n，它们对来自各个用户引 入线(馈线)218的功率进行计量。注意，如图所示，功率可以顺次地通过不同的配电变 压器214a-n，或者，功率可以直接从配电线212传递到每一个配电变压器214a-n。监测和收集来自各智能用电仪表216a-n的数据的数据收集引擎(Data Collection Engine, DCE)服务器202处于分析服务器204的控制之下。因此，分析服务器204最好 不与智能用电仪表216a-n直接接触，而是把对信息的请求从智能用电仪表216a-n发送到 DCE服务器202。注意，DCE服务器202耦合到馈线215a-n，馈线215a-n包括被分组的 仪表集合216。分析服务器204根据由DCE服务器202提供的来自智能用电仪表216a-n 的所请求读数来监测和管理电网200。分析服务器204包括描述沿着电网(电力线/馈 线)的每一个智能用电仪表216a-n的位置的表格220。表格220也包括客户名以及与每 一个用电仪表216a-n相关联的客户设施、每一个用电仪表216a-n的物理位置、可被每一 个智能用电仪表216a-n测量的电学参数(例如电压、电流、瓦数、波形、功率因数、功 率损耗，等等)、被每一个智能用电仪表216a-n测量的总谐波失真测量值，和/或从配电 变电站和/或配电变压器214a-n之一到每一个智能用电仪表216a-n的距离。分析服务器204也包括电网调整逻辑224，电网调整逻辑224能够响应于下面描 述的对异常的分析，使用继电器、遥控开关装置等调整通过电网200分配的功率。现在参考图3，展示了示范性智能用电仪表302(即本发明所采用的示范性远程 终端单元-RTU)，其架构可在每一个用电仪表216a-n中使用。智能用电仪表302包括功 率传感器304，其监测从进入客户设施318的客户服务线306 (例如，图2中所示的用户引 入线218之一)读取的电功率的电流、电压、功率使用、相位，和/或其他特性。智能 用电仪表302包含信号处理器308，处理器308能够从功率传感器304取得读数以便使用 离散傅立叶变换、奇偶抽取、电压或电流的均方根、电压的总谐波失真(THD)、RMS/ THD关系、电压峰值因子、电流k因子、电流的三次谐波序列、功率因数、通过点积的有效功率、电弧检测器和数字滤波器、全球定位系统(GPS)时间等识别电压和/或电流 和/或功率的高级分析。上面所有这些计算可由分析服务器(例如上面图2中所示的分 析服务器204)计算。继续图3，一旦信号处理器308处理了来自与智能用电仪表302相关联的一个或 更多个功率传感器304(其可以是电压传感器、电流计等)的传感器数据，则处理过的数 据被发送到发射机310 (例如图1中所示的发射机126)，发射机310通过传输介质312 (例 如传输线208、无线信号等)把处理过的数据传送到DCE服务器202。继续图3，注意智能用电仪表302也可以包括时钟322，其描述传感器数据被功 率传感器304采集的精确时间。类似地，GPS接收器322能够精确定位智能用电仪表302 的物理位置。所记录的时间和GPS定位这二者可被信号处理器308和发射机310打包并 传送到DCE服务器202和/或分析服务器204。智能用电仪表302也包括询问传感器316，其能够从分析服务器204 (或者DCE 服务器202)接收询问信号。此询问信号实质上是“你在那儿吗”信号，并被沿着客户服 务线306传送。当询问传感器316接收到询问信号时，信号处理器把确认信号返回DCE 服务器202和/或分析服务器204。具有询问传感器316 (用于询问信号检测)和功率传 感器304(用于功率检测)这两者使分析服务器204能够确定到降压变压器314(例如图2 中所示的配电变压器214a-n其中之一)的客户服务线306是否已被切断。进一步考虑表 1中所示的真值表表 权利要求
1.一种管理公用电网的方法，所述方法包含在地理上把智能用电仪表的集合分组为电网上的精细传感器集合，其中，精细传感 器集合中的每一个智能用电仪表均能够被远程监测，并且其中，每一个智能用电仪表被 耦合到从多个客户设施中选择的一个不同的客户设施；远程检测由精细传感器集合中的至少一个智能用电仪表读取的功率的异常；和 响应于远程检测到异常，调整到公用电网的功率以纠正该异常。
2.如权利要求1所述的方法，其中，精细传感器集合中的全部传感器通过本地降压变 压器耦合到相同的电力线。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述异常是到多个客户设施中的第一客户设施的 第一功率中断，并且其中，通过读取进入第一客户设施中的零输入电压来检测第一功率 中断。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述异常还包含到多个客户设施中的第二客户设 施的第二功率中断，并且其中，第一功率中断和第二功率中断指示同一本地降压变压器 的故障。
5.如权利要求4所述的方法，还包含 远程检测第一客户设施处的断路器跳闸；检测到多个客户设施中的第二客户设施的正常功率输送；和确定第一客户设施处的第一功率中断只是因第一客户设施处的断路器跳闸所致。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述异常是由公用电网上的电磁干扰引起的功率 噪声。
7.如权利要求1所述的方法，还包含 产生所述异常的数字化电压简档；和 把数字化电压简档传送到分析服务器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述异常是在多个客户设施中的第一客户设施和 第二客户设施之间的电力线上的电压降，所述方法还包含确定所述电压降是否超过预定的可接受水平；和响应于确定所述电压降超过了预定的可接受水平，产生纠正该电压降的工作命令。
9.如权利要求1所述的方法，还包含确定在预定的时间段期间所述异常已经发生了多于预定的发生次数；和 响应于确定在预定的时间段期间所述异常已经发生了多于预定的发生次数，监测其 他的用电仪表集合以便监测与所述异常匹配的类似异常。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述异常是缺失在客户设施处接收的电功率， 所述方法还包含把询问信号从本地降压变压器传送到客户设施处的用电仪表中的询问传感器； 检测用电仪表处询问信号的缺失；响应于检测到在客户设施处的用电仪表处电功率的缺失和询问信号的缺失这两者， 推定从本地降压变压器到客户设施的用户引入线已被切断。
11.一种公用电网，包含分析服务器，用于在地理上把用电仪表的集合分组以便在电网上生成精细传感器网络，其中，精细传感器网络中的每一个用电仪表均能够被远程监测，并且其中，每一个 用电仪表被耦合到一个不同的电力线监测点；数据收集引擎服务器，用于远程检测由精细传感器网络中的至少一个用电仪表读取 的功率的异常；和电网调整逻辑，用于响应于远程检测到异常，调整到公用电网的功率以纠正该异常。
12. —种可加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，包含当所述产品在 计算机上运行时用于执行以实现如权利要求1到10中所述的方法的所有步骤的软件代码 部分。
全文摘要
一种管理公用电网的方法包括在地理上把客户用电仪表的集合分组以生成电网上的精细传感器集合。被分组的集合中的每一个用电仪表均能够被远程监测，并且，每一个用电仪表沿着电力线处于不同的位置。如果在仪表子集处检测到功率异常，则调整到公用电网的功率以纠正异常。
文档编号G01D4/00GK102016511SQ200980116630
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月9日
发明者J·D·塔夫特, 朱炎 申请人:国际商业机器公司