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1、(10)申请公布号 CN 102854428 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102854428 A *CN102854428A* (21)申请号 201110177465.0 (22)申请日 2011.06.28 G01R 31/02(2006.01) (71)申请人 西门子公司 地址 德国慕尼黑 (72)发明人 杜峰 马里奥丹克特 陈维刚 闵应宗 卓越 (74)专利代理机构 北京康信知识产权代理有限 责任公司 11240 代理人 李慧 (54) 发明名称 一种短路检测方法和装置 (57) 摘要 本发明公开了一种短路检测方法和装置。所 述方法包括 ： 获得电路的瞬时电流值。
2、和 / 或与瞬 时电流值对应的M个不同阶的电流导数值， 其中M 为大于等于1的整数 ； 从所述电流值和/或所述M 个电流导数值中选择至少两个值， 并判断所选的 至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的 约束关系 ； 如果所述预设的约束关系得到满足， 则确定所述电路出现短路。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 2 页 1/3 页 2 1. 一种短路检测方法， 其特征在于， 包括 ： 获得 (101) 电路的瞬时电流值和 / 或与瞬时电流值对应的 M 个不。
3、同阶的电流导数值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 从所述瞬时电流值和 / 或所述 M 个电流导数值中选择至少两个值， 并判断所选的至少 两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 (102) ； 如果所述预设的约束关系得到满足， 则确定 (103) 所述电路出现短路。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述约束关系是与预设的跳闸门限值、 功 率因数的最高门限值或最低门限值有关。 3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其特征在于， 所述 M 个不同阶的电流导数包括 ： 电流一 阶导数和二阶导数， 所述约束关系包括以下中的至少一个或其组合 ： 瞬时电流值及其一阶导数值。
4、之间的约束关系 ； 瞬时电流值及其二阶导数值之间的约束关系 ； 瞬时电流的一阶导数值和二阶导数值之间的约束关系 ； 瞬时电流值及其一阶导数值和二阶导数值之间的约束关系。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 所述约束关系包括以下中的一个或多个 ： 其中， i 为瞬时电流值， i为电流的一阶导数值， i为电流的二阶导数值， Ir为预设的 跳闸电流门限值， w 为电源频率， 1为采用最高功率因数时电流和电压之间的相移， 2为 采用最低功率因数时电流和电压之间的相移。 5. 根据权利要求 4 所述的方法， 其特征在于， 所述选择和判断所述瞬时电流值和所述 一阶导数值和二阶导数值中的至少。
5、两个是否满足所述约束关系包括 ： 判断所述瞬时电流值和所述 M 个导数值中的至少两个是否满足下列约束关系之一 ： 且 且 权 利 要 求 书 CN 102854428 A 2 2/3 页 3 且 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 获得电路的瞬时电流值和 / 或与瞬时电 流值对应的 M 个不同阶的电流导数值包括 ： 在不同的采样时刻获得所述瞬时电流值和 / 或 M 个不同阶的电流导数值。 7. 根据权利要求 6 所述的方法， 其特征在于， 确定所述电路是否出现短路的步骤包括 ： 针对不同的采样时刻， 重复执行所述选择和判断步骤以获得至少两个判断结果 ； 根据所述至少两个判断结果。
6、确定所述电路是否出现短路。 8. 根据权利要求 7 所述的方法， 其特征在于， 根据所述至少两个判断结果确定所述电 路是否出现短路包括 ： 当判断为满足约束关系时， 设置判断结果为第一数值 ； 否则， 设置判断结果为第二数 值 ； 将所述至少两个判断结果对应的数值相加 ； 如果相加的结果大于预设的阈值， 则判断所述电路出现短路。 9. 根据权利要求 8 所述的方法， 其特征在于， 将所述至少两个判断结果对应的数值相 加包括 ： 根据预设的策略为每个判断结果对应的数值分配一个加权因子， 将所述至少两个判断 结果对应的数值进行加权累加。 10. 一种短路检测装置， 其特征在于， 包括 ： 获取模块。
7、(401)， 用于获取一电路中的瞬时电流值和/或与瞬时电流值相对应的M个不 同阶的电流导数的值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 判断模块 (402)， 用于从所述瞬时电流值和 / 或所述 M 个导数值中选择至少两个值， 并 判断所选至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 确定模块 (403)， 用于在所述预设的约束关系得到满足时， 确定所述电路出现短路。 11. 根据权利要求 10 所述的装置， 其特征在于， 所述预设的约束关系是与预设的跳闸 门限值， 以及功率因数的最高门限值和最低门限值之一有关。 12. 根据权利要求 10 所述的装置， 其特征在于， 所述确定模块 。
8、(403) 根据针对不同采样时刻获得的至少两个判断结果确定所述电路 是否出现短路。 13.根据权利要求10所述的装置， 其特征在于， 所述M个不同阶的电流导数值包括电流 的一阶导数和电流的二阶导数。 14. 根据权利要求 13 所述的装置， 其特征在于， 所述约束关系包括以下中的一个或多 个或其组合 ： 权 利 要 求 书 CN 102854428 A 3 3/3 页 4 其中， i 为瞬时电流值， i为电流的一阶导数值， i为电流的二阶导数值， Ir为预设的 跳闸电流门限值， w 为电源频率， 1为采用最高功率因数时电流和电压之间的相移， 2为 采用最低功率因数时电流和电压之间的相移。 15。
9、. 根据权利要求 14 所述的装置， 其特征在于， 所述确定模块 (403) 用于确定所述电流值和所述一阶导数值和二阶导数值中的至少 两个是否满足下列约束关系之一 ： 且 且 且 16. 一种机器可读的存储介质， 其特征在于， 存储用于使一机器执行根据权利要求 1 至 9 中任意一项所述的短路检测方法的指令。 17. 一种计算机程序， 其特征在于， 当所述计算机程序运行于一机器中时使所述一机器 执行根据权利要求 1 至 9 中任意一项所述的短路检测的方法。 权 利 要 求 书 CN 102854428 A 4 1/8 页 5 一种短路检测方法和装置 技术领域 0001 本发明涉及电路技术领域，。
10、 特别涉及一种短路检测方法。 背景技术 0002 在电子网络中， 通常利用断路器对电路进行短路保护。 在断路器中， 短路电流会使 断路器， 如断路器中的机械触头受损。 如果短路电流在早期被发现， 可以在电流达到很大之 前使断路器跳闸， 从而可以减少对断路器的损坏、 增加断路器的安全性和使用寿命。 0003 目前， 已有的短路检测技术一般通过测量电流及其一阶导数， 并分别判断电流及 其一阶导数是否满足短路时各自应满足的约束条件， 从而判断是否出现短路。 但是， 这种方 法要么实现复杂度较高， 检测时间较长， 要么适用范围较窄。 发明内容 0004 由于现有技术存在上述问题， 本发明提出一种短路检。
11、测方法和装置， 其实现较简 单， 且适用于多数短路的情况。 0005 本发明提供的一种短路检测方法包括 ： 0006 获得电路的瞬时电流值和 / 或与瞬时电流值对应的 M 个不同阶的电流导数值， 其 中 M 为大于等于 1 的整数 ； 0007 从所述瞬时电流值和 / 或所述 M 个电流导数值中选择至少两个值， 并判断所选的 至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 0008 如果所述预设的约束关系得到满足， 则确定所述电路出现短路。 0009 本发明提供的一种短路检测装置包括 ： 0010 获取模块， 用于获取一电路中的瞬时电流值和 / 或与瞬时电流值相对应的 M 个不 同阶的。
12、电流导数的值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 0011 判断模块， 用于从所述电流值和所述 M 个导数值中选择至少两个值， 并判断所选 至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 0012 确定模块， 用于在所述预设的约束关系得到满足时， 确定所述电路出现短路。 0013 本发明提供的方法和装置从电流及其多阶导数之间的约束关系出发， 能够根据电 流及其多阶导数的值是否满足预设的约束关系来确定电路是否发生了短路， 实现起来比较 简单， 由于利用了多阶导数的值， 可靠性也大大提高。 附图说明 0014 图 1 为一个实施例提供的一种短路检测方法的流程图。 0015 图 2 为一。
13、个实施例采用的等效电路模型。 0016 图 3 为一个实施例提供的短路检测方法的流程图。 0017 图 4 为一个实施例提供的短路检测装置的示意图。 0018 标号说明 说 明 书 CN 102854428 A 5 2/8 页 6 0019 401 获取模块 0020 402 判断模块 0021 403 确定模块 具体实施方式 0022 为使本发明的实施例的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下参照附图并举 实施例， 对本发明实施例进一步详细说明。 0023 本发明除了考虑瞬时电流值、 电流一阶导数值应当满足的条件外， 还考虑了瞬时 电流值及其各阶导数之间的约束关系， 从这些参数之间的相互。
14、约束关系出发来判断是否发 生了短路， 而不是孤立地对各参数应满足的条件进行判定， 因而比现有的检测方法更加可 靠。 0024 例如， 图 1 为一个实施例提供的一种短路检测方法的流程图， 主要包括 ： 0025 步骤101， 获得电路的瞬时电流值和/或与瞬时电流值对应的M个不同阶的电流导 数值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 0026 步骤 102， 从所述瞬时电流值和 / 或所述 M 个电流导数值中选择至少两个值， 并判 断所选的至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 0027 步骤 103， 如果所述预设的约束关系得到满足， 则确定所述电路出现短路。 0028 其中。
15、， M 个不同阶导数可以包括 ： 一阶导数、 二阶导数、 三阶导数等， 这些参数之间 的约束关系可以是电流及其各阶导数之间的约束关系， 或者电流的 P 阶导数和 Q 阶导数之 间的约束关系等。例如， 可以包括以下中的至少一个 ： 电流及其一阶导数之间的约束关系、 电流及其二阶导数之间的约束关系、 电流的一阶导数和二阶导数之间的约束关系、 电流及 其一阶导数和二阶导数之间的约束关系等。 0029 根据导数的物理意义可知， 电流的一阶导数指的是电流变化曲线的斜度， 例如， 当 电流上升较快时， 其变化曲线较陡， 则其一阶导数的值就会较大。 电流的二阶导数指的是电 流变化曲线的曲率， 即弯曲的程度，。
16、 曲率的正负分别表示向上弯或向下弯， 曲率的绝对值越 大， 则变化曲线的弯曲程度越大， 当电流上升较快时， 电流的二阶导数越大， 说明电流增大 的速率也在增大。相应地， 电流更高阶的导数也能够以不同的角度反应电流变化的规律。 0030 实际中， 通常有两种方法可以得到电流的一阶导数。 0031 一、 利用连续的两次瞬时电流值 ( 如值 1、 值 2) 之差和连续两次的检测时间间隔 来计算电流的一阶导数。同理， 电流的二阶导数则可以利用连续两次计算得到的一阶导数 ( 分别利用电流的值 1、 值 2 和值 2、 值 3 计算得到 ) 来计算的。这些导数值的计算方法可以 使用现有的计算方法， 这里不。
17、再赘述。 0032 二、 使用专门的电路来直接获得参数的导数。例如， 可以利用微分器、 差分电路等 直接得到电流的一阶导数。电流的 N 阶导数也可以通过多级的微分器或差分电路等来直接 获得。这样， 就不需要先获得瞬时电流值。这种方式下， 瞬时电流值还可以根据获得的电流 的导数值计算得到。 0033 短路发生时各参数应当满足的约束关系可以根据一个典型的电路模型计算得到。 当考虑不同的因素、 采用不同的电路模型时， 得到的约束关系也不相同。 0034 下面举一个具体的约束关系推导的例子， 该例子中考虑了预设的跳闸电流门限 说 明 书 CN 102854428 A 6 3/8 页 7 值、 功率因数。
18、的可能范围， 即最高门限和最低门限值。 0035 该例子采用的电路模型如图 2 所示， 由一交流电压源、 电阻 R 和电感 L 串联而成。 0036 根据图 2 的等效电路模型， 按照欧姆定律， 可以得到 ： 0037 其中， Vm是电源的最大电压， w 是以弧度 RAD 为单位的电 源频率，是接通角度， i 为瞬时电流值， i即 di/dt， 为电流的一阶导数 ； 0038 0039 0040 其中， cos 是功率因数， 由模型中的电感 L 和电阻 R 确定 ； 0041 根据欧姆定律， 预期的最大电流 0042 将 Ip 带入等效电路的欧姆定律公式中得到 ： 0043 0044 对上式进。
19、行变形后得到 ： 0045 然后令其中， Ir 为预设的跳闸电流门限值， 可以 推出 ： 0046 0047 对公式 (1) 两边同时求导数， 可以得到， 0048 0049 公式 (1) 和公式 (2) 相加可以得到 ： 0050 0051 如前所述， 电流、 电流的一阶导数和二阶导数均能够反映出电流的变化趋势， 因此 理论上讲如果电流、 电流的一阶导数和二阶导数中任一超过某个阈值， 则可确定 Ip 超过预 定的跳闸门限。这一思想以公式表示， 即为 ： 0052 如果满足 0053 或者或者 说 明 书 CN 102854428 A 7 4/8 页 8 0054 则可以推出 Ip Ir； 其。
20、中， 阈值 a、 b、 c 可以根据 I、 I和 I可能的最大值来确 定。 0055 I、 I和 I可能的最大值可以通过假定 Ip 达到预定跳闸门限来确定， 即可通过 将 Ip Ir代入公式 (1) 至 (3) 得到。 0056 同时， 考虑到因 而根据公式 (4) 可以得出 ： 0057 且 0058 且 0059 且 0060 其中， 1为采用最高功率因数时电流和电压之间的相移， 2为采用最低功率因 数时电流和电压之间的相移。 0061 如果测量的瞬时电流值以及根据瞬时电流值得到的其一阶导数、 二阶导数的值满 足上述公式 (5)、 (6)、 (7) 中任意一个， 则可以推出 Ip Ir， 。
21、即出现了短路。 0062 上面的公式 (4) 至 (7) 也可以分别表示为 ： 0063 | i |I rc 或| i|w I rb 或| i|w 2 I ra (8) 0064 且 0065 且 0066 说 明 书 CN 102854428 A 8 5/8 页 9 且 0067 因此， 可以利用公式 (4) 至 (7) 或 (8) 至 (11) 中的一个或多个来预测短路电流。 也就是说， 如果电流、 其一阶导数和二阶导数之间满足这些关系之一， 就可以早期发现短路 电流。其中， (4) 和 (8) 为分别基于 I， I， I的单独短路预测， 即当电流， 电流一阶导数 和二阶导数比任何预设的阈。
22、值大， 可判定出现了短路电流 ； (5) 和 (9) 表示基于 I， I的联 合短路预测， 即当电流和一阶导数满足该约束关系， 可判定出现了短路电流 ； (6) 和 (10) 表 示基于 I， I的联合短路预测， 即当电流一阶导数和二阶导数满足该约束关系， 可判定出 现了短路电流 ； (7) 和 (11) 表示基于 I， I， I的联合短路预测， 当电流， 电流一阶导数和 二阶导数满足该约束关系， 可判定出现了短路电流。 0068 从上述技术方案可以看出， 可以根据电路模型和预设参数得出很多约束条件， 可 以从中选择一些用于短路检测。 0069 根据本发明的一个实施例， 可以将上述公式 (5)。
23、 至 (7) 或 (9) 至 (11) 拆成 6 个仅 包含 1或 2的公式， 即 ： 0070 0071 0072 0073 0074 0075 0076 从中选择一个或多个来进行短路检测。 0077 根据本发明的又一个实施例， 可以仅考虑最高功率因数或最低功率因数确定的约 束关系， 例如， 可以选取和来进行短路 检测。 0078 根据本发明的另一个实施例， 可以以 (I， I， I ) 或 (i， i， i ) 作为 3 维坐 标系中的变量绘制 3 维坐标系。从公式 (4)-(7) 或 (8)-(11) 中选取约束关系， 在该 3 维坐 标系中分别绘制选取的各约束关系对应的至少一个平面 (。
24、 带有绝对值的约束关系对应两 个平面 )。根据所选取的约束关系所绘制出的平面可围成一个封闭的多面体， 若采样值 (I， I， I ) 或 (i， i， i ) 落在该多面体之外， 则说明该采样值满足所选取的约束关系中 的至少一个， 可以判定发生了短路。 因此， 本实施例提出的短路检测方法也可以称为多面体 短路检测方法， 这种方法的判断准确度较高。 0079 在上述方法中， 测量瞬时电流值的时候可以在不同的采样时刻进行测量， 例如不 说 明 书 CN 102854428 A 9 6/8 页 10 断地、 等时间间隔地对瞬时电流值进行测量。判断步骤所需的电流的各阶导数的值可以根 据测量得到的瞬时电。
25、流值计算出来， 具体的计算方法可参照导数的定义获得， 也可以直接 采用现有的计算方法， 这里不再赘述。同样， 测量电流的 N 阶导数值时也是类似地， 例如可 以不断地、 等间隔地对微分器或差分电路的输出值进行测量得到， 此时， 可以不需要先获得 瞬时电流值再计算电流的N阶导数值 ； 此外， 瞬时电流值还可以根据获得的电流的N阶导数 值计算得到。 0080 由于现实中存在的各种因素， 有时根据上述约束条件进行一次判断就断定发生了 短路是不准确的， 为了进一步提高短路检测的可靠性， 本发明的一些实施例根据连续的多 次 ( 至少两次 ) 的判断结果确定电路是否出现了短路。连续的次数可以预先设定， 例。
26、如， 当 连续 3 次判断的结果都表示出现了短路， 则确定是出现了短路。 0081 或者， 还可以为肯定的判断结果和否定的判断结果分别分配不同的数值， 如 1 和 0， 或者 1 和 -1 等， 对连续的多次判断结果对应的数值进行累加， 根据预设的次数和阈值来 判断累加的结果是否超过该阈值， 若超过， 则判断出现了短路。 0082 再或者， 可以为不同的判断结果对应的数值分配加权因子， 对多次的判断结果进 行加权累加得到加权和， 根据加权和来判断是否出现了短路。 例如， 当满足的约束条件中带 有瞬时电流值时， 则认为该判断结果的可信度较高， 则分配较高的加权因子， 若满足的约束 条件中包含的最。
27、低阶导数为电流的二阶导数时， 则认为该判断结果的可信度相对低一些， 则分配较低的加权因子， 等等。 0083 以上只是几个例子， 实际应用时， 可以根据具体的情况灵活地设计判定策略。 0084 具体流程图如图 3 所示。图 3 为一个实施例提供的短路检测方法的流程图， 该方 法包括以下步骤。 0085 步骤 301， 在不同采样时刻 ( 例如连续的多个采样时刻 ) 确定瞬时电流值， 和 / 或 电流的一阶导数和二阶导数值。 0086 步骤 302， 判断瞬时电流值、 电流的一阶导数和二阶导数值是否满足预设的约束条 件， 例如公式 (4)(5)(6)(7) 中的一个或多个描述的约束关系 ； 若满。
28、足， 则执行步骤 303， 否 则返回步骤 301。 0087 步骤 303， 利用判断结果更新存储的判断结果之和。例如， 为肯定和否定的判断结 果设置不同的数值， 还可以为判决结果分配适当的权重因子， 与存储的先前的连续几次判 断结果对应的数值之和或者加权和进行相加， 得到新的总和。 0088 其中， 还可以采取一些策略， 例如， 如果在一次判断满足约束条件之和， 又连续若 干次判断不满足约束条件， 则可以将判断结果之和清零。 0089 步骤 304， 判断更新后的总和是否超过预设的阈值， 若超过， 则执行步骤 305， 否则 返回步骤 301。 0090 步骤 305， 确定电路出现短路。。
29、 0091 本发明的实施例还提供了一种短路检测装置， 该装置可以实现上述的短路检测方 法。图 4 为一个实施例提供的短路检测装置的示意图， 包括 ： 0092 获取模块 401， 用于获取一电路中的瞬时电流值和 / 或与所获得的瞬时电流值相 对应的 M 个不同阶的电流导数的值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 0093 判断模块 402， 用于从所述瞬时电流值和 / 或所述 M 个导数值中选择至少两个值， 说 明 书 CN 102854428 A 10 7/8 页 11 并判断所选至少两个值是否满足所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 0094 确定模块 403， 用于在所述预设的约束关。
30、系得到满足时， 确定所述电路出现短路。 0095 获取模块 401 还可以用于在不同采用时刻获得瞬时电流值和 / 或 M 个导数值， 例 如等时间间隔地获得一系列值。判断模块 402 可选择并判断每次获得的参数 ( 瞬时电流值 和 / 或 M 个导数值 ) 是否满足相应的约束关系。 0096 确定模块403可以根据针对不同采样时刻从判断模块402获得的至少两个判断结 果确定所述电路是否出现短路。例如， 根据连续的至少两次的判断结果确定所述电路出现 短路 ； 或者， 根据预先设定连续的次数， 如 3 次， 当连续 3 次判断的结果都表示出现了短路， 则确定是出现了短路。 或者， 为肯定的判断结果。
31、和否定的判断结果分别分配不同的数值， 对 连续的多次判断结果对应的数值进行累加， 判断累加的结果是否超过预设的阈值， 若超过， 则判断出现了短路。 再或者， 还可以为不同的判断结果对应的数值分配加权因子， 对多次的 判断结果进行加权累加得到加权和， 等等。 0097 判断模块 402 可以判断瞬时电流值、 电流的一阶导数值和二阶导数值中的至少两 个是否满足与预设的跳闸门限值、 功率因数的最高门限值和最低门限值之一有关的约束关 系。 0098 例如， 判断模块可以判断所述瞬时电流值、 电流的一阶导数值和二阶导数值中的 至少两个是否满足以下约束关系中的一个或多个 ： 0099 0100 0101 。
32、0102 0103 0104 0105 其中， i 为瞬时电流值， i为电流的一阶导数值， i为电流的二阶导数值， Ir为 预设的跳闸电流门限值， w 为电源频率， 1为采用最高功率因数时电流和电压之间的相移， 2为采用最低功率因数时电流和电压之间的相移。 0106 又例如， 判断模块可以判断瞬时电流值和所述一阶导数值和二阶导数值中的至少 两个是否满足下列约束关系之一 ： 0107 |i| Irc 或 |i | wIrb 或 |i | w2Ira ； 0108 且 0109 且 说 明 书 CN 102854428 A 11 8/8 页 12 0110 且 0111 本发明公开了一种短路检测方。
33、法和装置。所述方法包括 ： 获得电路的瞬时电流值 和 / 或与瞬时电流值对应的 M 个不同阶的电流导数值， 其中 M 为大于等于 1 的整数 ； 从所述 电流值和 / 或所述 M 个电流导数值中选择至少两个值， 并判断所选的至少两个值是否满足 所述至少两个值之间预设的约束关系 ； 如果所述预设的约束关系得到满足， 则确定所述电 路出现短路。 0112 本发明提供的短路检测方法和装置， 由于采用线性计算， 实现简单， 同时， 由于考 虑了电流及其各阶导数之间的约束关系， 可靠性大大增加， 适用范围更广。 0113 综上所述， 以上仅为本发明的部分实施例而已， 并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的范围之内所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围 之内。 说 明 书 CN 102854428 A 12 1/2 页 13 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102854428 A 13 2/2 页 14 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102854428 A 14 。