專利名稱：電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓輸配電系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及使用位于遠(yuǎn)方的電磁場傳感器確定未知的電力系統(tǒng)變量例如相電流、相電壓和/或從場傳感器到相導(dǎo)體的距離的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，環(huán)形電流互感器(CT)是一種用于測量三相輸配電線路中的相電流的最流行的技術(shù)。雖然非常精確，但是這些裝置當(dāng)用于高壓時(shí)卻非常昂貴。這大部分是因?yàn)樾枰垢邏弘娏鱾鞲衅鹘^緣，對(duì)于1000伏以上的電壓，這是十分昂貴的。還有使用其它類型的磁場傳感器的其它方法，例如使用位于每個(gè)相導(dǎo)體附近的霍爾效應(yīng)傳感器。在多相應(yīng)用中，這種技術(shù)由于來自相鄰相的磁場干擾而變得復(fù)雜，所述干擾導(dǎo)致不精確的測量。結(jié)果，使用這種技術(shù)的一種唯一成功的技術(shù)一直使用一種環(huán)形的磁場傳感器，其完全包圍著導(dǎo)體，以抵消來自其它相的外來的誤差信號(hào)。這種方法也需要用于磁場傳感器的昂貴的高壓絕緣，其只有在最高的傳輸線電壓下，才使得系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
關(guān)于高壓電流測量的另一種方法使用圍繞每個(gè)導(dǎo)體通過偏振光的光纖傳感器。由相電流產(chǎn)生的磁場和電流成比例地使偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然這種技術(shù)減少了在高壓下使電流傳感器絕緣的困難，但是所需的用于把偏振測量轉(zhuǎn)換成電流測量的復(fù)雜的解碼技術(shù)是十分昂貴的。此外，這種方法只有在最高的傳輸線電壓下才是在經(jīng)濟(jì)上可行的。
因?yàn)榇箅娏骱椭車諝饧訜犭妼?dǎo)體，使得它們伸長而從其架空的支撐下垂，存在另一種類型的未知的電力系統(tǒng)。如果下垂太大，則可能在電力線和另一個(gè)物體例如樹或小山之間發(fā)生電壓擊穿而引起閃爍。因此在正常操作狀態(tài)期間需要在重要位置監(jiān)視電力線的物理下垂。一直使用算法根據(jù)在變電站測量的電流值、環(huán)境條件和相關(guān)線路部分的物理結(jié)構(gòu)來估計(jì)電力線的物理下垂。但是這些算法只產(chǎn)生關(guān)鍵位置的物理下垂的估計(jì)，由于在大負(fù)載狀態(tài)期間在線路上的電壓降和無功負(fù)載，所述估計(jì)可能和實(shí)際狀態(tài)顯著不同。另一種方法是使用一般包括激光距離探測器和照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行直接的距離測量。但是這些光學(xué)系統(tǒng)非常昂貴，在黑暗中不能很好地工作，可能受到惡劣的氣候以及塵垢、鳥糞等等的污染帶來的不利影響。
因而，一直需要一種成本有效的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其避免了絕緣問題和成本高的譯碼系統(tǒng)。還需要一種不依賴于光學(xué)元件的電力線下垂監(jiān)視系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過一種用于多相電力線的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)滿足了上述需要，其使用電磁場傳感器例如廉價(jià)的電場或磁場傳感器，所述傳感器遠(yuǎn)程地位于相導(dǎo)體的旁邊，在那里它們測量由所有的相導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場。然后，系統(tǒng)根據(jù)由場傳感器獲得的測量值，在一些情況下根據(jù)一個(gè)或多個(gè)已知的系統(tǒng)的值，確定未知的系統(tǒng)變量，例如相電流、相電壓或限定相導(dǎo)體的物理下垂的距離。更具體地說，對(duì)于相導(dǎo)體和傳感器的任何給定的布置，可以導(dǎo)出并有效地解一組聯(lián)立方程，以便確定未知的系統(tǒng)變量，只要傳感器的數(shù)量至少等于未知系統(tǒng)變量的數(shù)量?？梢酝ㄟ^幾種不同的技術(shù)進(jìn)行求解，包括試錯(cuò)法、代數(shù)求解和統(tǒng)計(jì)方法。此外，在許多情況下，可以預(yù)先推導(dǎo)基于傳感器測量的加權(quán)和的用于未知系統(tǒng)變量的線性方程，用于根據(jù)傳感器測量直接確定未知系統(tǒng)變量。
換句話說，本發(fā)明通過有效地求解聯(lián)立方程解決了多相導(dǎo)體中的相間干擾問題，所述聯(lián)立方程是用于基于由場傳感器獲得的測量確定未知的系統(tǒng)變量所需的。在一些情況下，該方案可以使用其它已知的系統(tǒng)值，例如限定從每個(gè)場傳感器到每個(gè)相導(dǎo)體的距離的距離值。還可以使用一個(gè)或多個(gè)簡化的假設(shè)，例如平衡的相電流和相等的物理下垂，以減少場傳感器的數(shù)量。此外，當(dāng)電力線和電磁場傳感器的配置已知時(shí)，可以利用直接和傳感器的輸出相連的簡單的比例和求和裝置確定未知的系統(tǒng)變量。
所得到的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)比現(xiàn)有的系統(tǒng)具有許多重要優(yōu)點(diǎn)。尤其是場傳感器遠(yuǎn)程地位于相導(dǎo)體的“旁邊”。在本說明書中，“旁邊”一詞指的是每個(gè)場傳感器位于一個(gè)相導(dǎo)體的一側(cè)，因而不包圍著相導(dǎo)體。不過應(yīng)當(dāng)理解，所有的場傳感器不必位于相導(dǎo)體的同一側(cè)，而是可以位于電力線的電磁場中的任何位置?！斑h(yuǎn)程”一詞指的是傳感器離開相導(dǎo)體大的距離，最好是在相導(dǎo)體下方的地面附近。實(shí)際上，這允許廉價(jià)的場傳感器例如霍爾效應(yīng)場傳感器被設(shè)置在離開相導(dǎo)體足夠遠(yuǎn)的位置，以使得周圍的空氣使場傳感器和高壓電力線絕緣。和現(xiàn)有的電力監(jiān)視技術(shù)不同，這種配置足夠廉價(jià)，使得該系統(tǒng)在較寬范圍的電力線電壓下能夠被經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)當(dāng)理解，使用磁場傳感器的這類電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)不受物理障礙例如氣候、建筑物、橋梁、電力線塔、變電站設(shè)備或位于磁場內(nèi)的其它物體的不利影響，這是因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度不受這些因素的影響。例如，當(dāng)確定位于變電站或多線傳輸線走廊內(nèi)的電力線中的相電流的值時(shí)，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，在這些場所，支撐結(jié)構(gòu)例如塔以及變電站設(shè)備通常位于被監(jiān)視的電力線的磁場內(nèi)。
把場傳感器設(shè)置在這樣的一些位置是有利的，在這些位置，從傳感器到電力線的距離不隨系統(tǒng)條件而改變。例如，傳感器可被設(shè)置在電力線塔的下面或者變電站內(nèi)，在這些位置，電力線通常由架空的絕緣體支撐著。這使得從傳感器到電力線的距離可以是已知的值，這使得用于監(jiān)視相電流所需的傳感器的數(shù)量最小。盡管如此，借助于確定相導(dǎo)體與傳感器測量的距離，該系統(tǒng)還可以用于確定在重要位置處電力線經(jīng)受的物理下垂。這使得能夠直接監(jiān)視電力線的物理下垂，而不依賴于昂貴的并可能受到天氣以及由塵垢、鳥糞等造成的污染的不利影響的光學(xué)設(shè)備。
此外，電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算的電力系統(tǒng)變量執(zhí)行合適的響應(yīng)動(dòng)作。例如，相電流中的尖峰可能表示一種系統(tǒng)故障，該故障需要操作一個(gè)或多個(gè)電路中斷器將其隔離。此外，持久的但非尖峰的大的相電流可能表示大的系統(tǒng)負(fù)載，其引起可借助于操作電壓維持設(shè)備例如電容器組、電壓調(diào)節(jié)器或其它電壓下降維持設(shè)備被減輕的電壓降。也可以啟動(dòng)其它的響應(yīng)裝置，例如傳輸線互聯(lián)開關(guān)、在戰(zhàn)略上布置的同步電容器、在戰(zhàn)略上布置的柴油機(jī)發(fā)電站、小型的水電站、電池以及其它功率存儲(chǔ)裝置、燃料電池、負(fù)載管理機(jī)構(gòu)，可切斷的負(fù)載以及卸載開關(guān)。這些類型的響應(yīng)動(dòng)作一般由控制中心諧調(diào)，在控制中心利用報(bào)告系統(tǒng)隨時(shí)間記錄、分析和報(bào)告系統(tǒng)變量。這類系統(tǒng)例如可以確定電流過載或電力線物理狀態(tài)是正在變壞，還是已經(jīng)達(dá)到了臨界點(diǎn)。
在關(guān)鍵位置的這類直接的電力系統(tǒng)改善了響應(yīng)設(shè)備的操作，避免不需要的破裂性的響應(yīng)動(dòng)作，有利于更精確更有效的響應(yīng)動(dòng)作，一般使得能夠更可靠地以更高的質(zhì)量提供輸電業(yè)務(wù)。這種類型的系統(tǒng)還幫助識(shí)別需要電壓維持設(shè)備的關(guān)鍵位置，并提供非常有效的手段用于早期檢查和避免級(jí)聯(lián)的停電，例如近些年來影響美國西部、中西部和東北部的停電。該系統(tǒng)還是一種用于識(shí)別其它類型的潛在的破壞性電力系統(tǒng)的干擾，例如動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的站振蕩、無功功率循環(huán)、間歇的異常負(fù)載行為、雷擊等的有效的機(jī)構(gòu)。
一般地說，本發(fā)明可以作為用于確定和一條或多條多相電力線的相導(dǎo)體相關(guān)的系統(tǒng)變量的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括一組場傳感器，其遠(yuǎn)程地位于相導(dǎo)體的旁邊，并被定位用于同時(shí)測量由相導(dǎo)體產(chǎn)生的組合的電磁場。特別地，場傳感器可以借助于把其設(shè)置在離開相導(dǎo)體一足夠距離的位置處而利用周圍的空氣實(shí)現(xiàn)高壓絕緣，以避免在相導(dǎo)體和場傳感器之間的電壓擊穿。該系統(tǒng)還包括控制器，其被配置用于根據(jù)從場傳感器接收的測量值確定系統(tǒng)變量，并根據(jù)系統(tǒng)變量產(chǎn)生輸出信號(hào)。該輸出信號(hào)被配置用于使響應(yīng)設(shè)備根據(jù)輸出信號(hào)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)動(dòng)作。
在各個(gè)實(shí)施例中，控制器還可以根據(jù)場傳感器測量以及已知的系統(tǒng)值確定系統(tǒng)變量，所述已知的系統(tǒng)值一般是從場傳感器到相導(dǎo)體的距離值。場傳感器可以是磁場傳感器或電場傳感器，未知的系統(tǒng)變量可以是電壓、電流或距離值，所述響應(yīng)設(shè)備可以是顯示器、電路中斷裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電壓下降支持器、電容器組、通信設(shè)備或報(bào)告系統(tǒng)。響應(yīng)設(shè)備還可以包括本地控制器、中央控制器以及用于在本地控制器和中央控制器之間傳遞數(shù)據(jù)的通信設(shè)備。分析和報(bào)告系統(tǒng)一般隨時(shí)間保持、分析并報(bào)告系統(tǒng)變量，以確定例如電流過載或電力線的物理狀態(tài)是正在變壞或者達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，場傳感器是電場傳感器，已知的系統(tǒng)值是距離值，系統(tǒng)變量是電壓值?；蛘?，場傳感器可以是電場傳感器，已知的系統(tǒng)值可以是電壓值，系統(tǒng)變量可以是距離值。在另一個(gè)實(shí)施例中，場傳感器是磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值是電流值，系統(tǒng)變量是距離值?；蛘?，所述電場傳感器可以是磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值可以是距離值，系統(tǒng)變量可以是電流值。此外，可以沒有已知的值，例如電流和距離值可以由從足夠數(shù)量的磁場傳感器接收的測量確定。此外，對(duì)于一條以上的多相電力線，系統(tǒng)同時(shí)可由從足夠數(shù)量的磁場傳感器接收的測量值確定系統(tǒng)變量，例如電流值。
本發(fā)明還可以作為一個(gè)電力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其包括許多電力線以及相關(guān)的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，或者作為一種方法來實(shí)現(xiàn)，其用于確定和一條或多條多相電力線相關(guān)的系統(tǒng)變量，并響應(yīng)由系統(tǒng)變量確定的異常電力系統(tǒng)狀態(tài)。由下面實(shí)施例的詳細(xì)說明和附圖以及權(quán)利要求，可以清楚地看出用于實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的特定實(shí)施例因而實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)的特定技術(shù)和結(jié)構(gòu)。


圖1是包括環(huán)形電流傳感器的現(xiàn)有技術(shù)的電力監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖；圖2是包括遠(yuǎn)程地位于3個(gè)相導(dǎo)體的旁邊的3個(gè)場傳感器的多相電力監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖；圖3是包括許多遠(yuǎn)程地位于三相導(dǎo)體的旁邊的磁場傳感器的多相電力監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖；圖4是包括許多遠(yuǎn)程地位于三相導(dǎo)體的旁邊的電場傳感器的多相電力監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖；圖5是具有許多響應(yīng)設(shè)備替換物的電力監(jiān)視系統(tǒng)的方塊圖；圖6是使用3個(gè)磁場傳感器確定三相電力線的3個(gè)距離或3個(gè)電流值的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖；圖7是使用6個(gè)磁場傳感器確定三相電力線的3個(gè)距離和3個(gè)電流值的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖；圖8是使用2個(gè)磁場傳感器和一個(gè)簡化假設(shè)確定三相電力線的3個(gè)電流值的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖；圖9是使用一個(gè)磁場傳感器和兩個(gè)簡化假設(shè)確定三相電力線的物理下垂的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖；圖10是使用3個(gè)磁場傳感器和兩個(gè)簡化假設(shè)確定三相電力線的物理下垂以及3個(gè)電流的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)方塊圖；以及圖11是使用4個(gè)磁場傳感器和2個(gè)簡化假設(shè)確定在兩組三相電力線中的6個(gè)電流的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在用于多相電力線的監(jiān)視和故障保護(hù)設(shè)備中提供了重大的改進(jìn)。特定的實(shí)施例使用廉價(jià)的磁場傳感器例如霍爾效應(yīng)傳感器，它們?cè)谖锢砩媳辉O(shè)置于相導(dǎo)體的旁邊(即不包圍著)并離開相導(dǎo)體相當(dāng)?shù)木嚯x。優(yōu)選地，場傳感器位于地面上或地面附近并處于地電位。通過使用環(huán)境空氣作為絕緣介質(zhì)，解決了高壓電絕緣問題，這避免了用于傳感器的專用的昂貴絕緣。在一些情況下，從磁場傳感器接收的測量的磁場值和數(shù)學(xué)關(guān)系相結(jié)合。
為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)，推導(dǎo)一組方程，用于由等于或大于所測量的傳感器值的數(shù)量計(jì)算若干個(gè)未知系統(tǒng)變量的值。一般地說，系統(tǒng)變量可以包括相電流、相電壓和/或從傳感器到相導(dǎo)體的距離。這些值的任何一個(gè)可以是已知的，以便減少特定的電力監(jiān)視應(yīng)用所需的傳感器的數(shù)量。對(duì)于多相電力系統(tǒng)，例如，可以使用來自3個(gè)磁場傳感器的測量值計(jì)算相電流，假如從每個(gè)磁場傳感器到每個(gè)相導(dǎo)體的距離是已知的。
類似地，可以使用來自3個(gè)電場傳感器的測量值計(jì)算相電壓，假如從每個(gè)磁場傳感器到每個(gè)相導(dǎo)體的距離是已知的。因而，來自3個(gè)磁場傳感器和3個(gè)電場傳感器的測量值可用于計(jì)算在每相中流動(dòng)的電功率，假如從每個(gè)磁場傳感器到每個(gè)相導(dǎo)體的距離是已知的。還應(yīng)當(dāng)注意，可以使用相同的技術(shù)作為變量確定從每個(gè)傳感器到每個(gè)相導(dǎo)體的距離值。例如，可以使用6個(gè)磁場傳感器計(jì)算多相電力線的相電流和距離值。或者，可以使用6個(gè)電場傳感器計(jì)算多相電力線的相電壓和距離值。
應(yīng)當(dāng)理解，這種電力監(jiān)視技術(shù)不依賴于任何特定應(yīng)用的物理配置，因?yàn)檫@些因素只改變?cè)谙鄳?yīng)的方程中使用的常數(shù)。此外，因?yàn)橛蓚鞲衅鳟a(chǎn)生的值在理論上是線性的，可以應(yīng)用校正系數(shù)根據(jù)需要對(duì)改變進(jìn)行補(bǔ)償。特別地，對(duì)于例如基于導(dǎo)體下垂估計(jì)的距離值的改變，可以容易地確定校正系數(shù)。
對(duì)于下面所述的特定例子中所示的典型的物理配置，按照矩形幾何學(xué)確定距離。但是不需要這種類型的配置，因?yàn)閿?shù)學(xué)原理只要求測量的數(shù)量至少等于未知數(shù)的數(shù)量。其它的幾何方法也可以簡化求解，但是這不改變運(yùn)算的原理，其涉及使用廉價(jià)的傳感器和廉價(jià)的計(jì)算技術(shù)來提供一種非常經(jīng)濟(jì)的方法，用于連續(xù)地實(shí)時(shí)地確定在每個(gè)相導(dǎo)體中流動(dòng)的電流。和依賴于包圍著相導(dǎo)體并被設(shè)置在相導(dǎo)體附近的傳感器的現(xiàn)有的常規(guī)電力監(jiān)視技術(shù)相比，這帶來大的經(jīng)濟(jì)效益。
還應(yīng)當(dāng)注意，電磁場傳感器最好設(shè)置成在空氣中距離相導(dǎo)體足夠的距離，以避免需要高壓絕緣材料。此外，當(dāng)需要高的精度時(shí)，磁場或電場傳感器可能是復(fù)雜的。當(dāng)可以接受較低的精度時(shí)，則這些傳感器是非常簡單和廉價(jià)的。例如，磁場傳感器可以是線圈或霍爾效應(yīng)傳感器，電場傳感器可以是電容器。
類似地，控制器可以是任何類型的通?？傻玫降挠?jì)算機(jī)技術(shù)，并且軟件可以是簡單的或者較為復(fù)雜的。例如，復(fù)雜的控制器可能使用軟件和其它類型的故障檢測器，以精確地檢測和濾除來自不平衡的遠(yuǎn)場電流的干擾?；蛘?，控制器可以是一種簡單的算法，其忽略這種類型的干擾或者應(yīng)用粗略的校正系數(shù)。當(dāng)然，根據(jù)需要可以在系統(tǒng)中引入不同的復(fù)雜程度。這種技術(shù)的一種重要應(yīng)用是用于相對(duì)的低壓下級(jí)輸配電線路，其中常規(guī)的CT電流監(jiān)視技術(shù)不能被經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)，因此在此時(shí)是不合適的。廉價(jià)的監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)也可用來更魯棒地實(shí)時(shí)地監(jiān)視和控制高壓電力線和相關(guān)的響應(yīng)設(shè)備，如前所述，這將產(chǎn)生重大的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在參看附圖，在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。圖1是用于電力線4的現(xiàn)有技術(shù)的電力監(jiān)視系統(tǒng)的概念性表示，其中使用常規(guī)的環(huán)形電流傳感器5a-c，一般被稱為“電流互感器”或CT。由CT產(chǎn)生的測量一般用于啟動(dòng)某種類型的響應(yīng)設(shè)備22，例如電路中斷器、電壓調(diào)節(jié)器或其它合適的裝置。在這種類型的系統(tǒng)中，通過使CT完全包圍著其相關(guān)的相導(dǎo)體來消除相間干擾。這使得每個(gè)CT只測量在其相關(guān)的相導(dǎo)體中的電流，如圖1所示。雖然這是一種消除相間干擾的有效方法，但是由于必須使CT絕緣以在高壓下工作，因此導(dǎo)致高的成本。特別是，CT的外殼處于地電位，而相導(dǎo)體處于線電位并離開非常短的距離設(shè)置。這需要足以阻止跨過CT的電壓擊穿的內(nèi)部絕緣6a-c，這是十分昂貴的，嚴(yán)重地限制了這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。
圖2是用于三相電力線4的成本低得多的電力監(jiān)視系統(tǒng)10的概念性說明。該系統(tǒng)由電磁場傳感器，在一些情況下，還由已知的系統(tǒng)值，確定若干個(gè)系統(tǒng)變量。系統(tǒng)變量和系統(tǒng)值可以是相電流、相電壓或從傳感器到相導(dǎo)體的距離值。對(duì)于不同的應(yīng)用，這些參數(shù)的任何參數(shù)可以是系統(tǒng)變量或已知的系統(tǒng)值。換句話說，在不同的應(yīng)用中，電力監(jiān)視系統(tǒng)10可用于確定相電流、相電壓和/或電力線的物理下垂，在特定的應(yīng)用中，任何這些參數(shù)可以是已知的或者是未知的。磁場傳感器一般用于確定相電流，電場傳感器一般用于確定相電壓，根據(jù)應(yīng)用，距離值可以是已知的系統(tǒng)值或系統(tǒng)變量。當(dāng)傳感器位于距離不變的位置時(shí)，距離值是已知的，例如位于變電站中或位于架空支撐著相導(dǎo)體的塔附近的電力線之下時(shí)?；蛘?，當(dāng)傳感器位于電力線的自由跨距之下時(shí)，距離值可以是變量。這種配置一般用于確定在重要位置電力線的物理下垂。
圖2所示的說明性的電力監(jiān)視系統(tǒng)10包括遠(yuǎn)程地位于相導(dǎo)體的旁邊的3個(gè)場傳感器12a-c，控制器20和響應(yīng)設(shè)備22。傳感器可以是磁場傳感器或電場傳感器，如圖3和圖4所示，圖5示出了典型的響應(yīng)設(shè)備。因?yàn)橄嚯娏魍ǔＪ窃陔娏ο到y(tǒng)的戰(zhàn)略位置被直接測量的最有效的系統(tǒng)變量，還因?yàn)橛呻娏€產(chǎn)生的磁場事實(shí)上不受位于磁場中的結(jié)構(gòu)的影響，可以預(yù)期，使用磁場傳感器直接測量相電流和物理下垂的配置占優(yōu)勢(shì)。不過本發(fā)明的基本原理可以完全同等地適用于電場或磁場傳感器，以及各種程度的精度和復(fù)雜性。
通過把傳感器遠(yuǎn)程地設(shè)置在相導(dǎo)體的旁邊，每個(gè)傳感器測量來自相A-C的組合電流。傳感器還被設(shè)置成離開相導(dǎo)體足夠的距離，以便使得周圍空氣能夠用作為高壓絕緣。這些是用于區(qū)分圖2所示的電力監(jiān)視系統(tǒng)10和圖1所示的常規(guī)的系統(tǒng)的主要因素。這些區(qū)別產(chǎn)生了前述的重要優(yōu)點(diǎn)。
因?yàn)槊總€(gè)相傳感器各測量相A-C的組合電流，使用控制器20由從傳感器接收的測量確定每個(gè)相導(dǎo)體中的電流。實(shí)際上，或者以電子方式或者利用軟件求解一組聯(lián)立方程，以便由傳感器測量確定相電流。理論上，只要未知值(在本例中是相電流)的數(shù)量至少和傳感器12a-c的數(shù)量一樣多，便可以有效地求解聯(lián)立方程。圖6和圖7表示兩種一般的情況，其中傳感器的數(shù)量等于未知值的數(shù)量。
不過實(shí)際上，一般使用某些已知值和/或一個(gè)或多個(gè)簡化的假設(shè)來減少確定所需值所需的傳感器的數(shù)量。在圖8到圖10所示的典型的應(yīng)用中，使用簡化的假設(shè)減少所需的場傳感器的數(shù)量。此外，在圖11表示的應(yīng)用中，同時(shí)對(duì)兩組三相電力線確定系統(tǒng)變量。應(yīng)當(dāng)理解，所有這些例子都是同一個(gè)主題的變型，對(duì)于其它的特定應(yīng)用，根據(jù)需要可以使用其它的配置。
還應(yīng)當(dāng)理解，在其中距離是已知的應(yīng)用中，關(guān)于相電流的聯(lián)立方程簡化為來自磁場傳感器的測量的加權(quán)和。類似地，關(guān)于相電壓的聯(lián)立方程簡化為來自電場傳感器的測量的加權(quán)和。對(duì)于這些應(yīng)用，加權(quán)系數(shù)是可以根據(jù)關(guān)于特定配置的已知距離值預(yù)先確定的常數(shù)。結(jié)果，控制器20可以是一種簡單的電子電路，其把恒定的加權(quán)系數(shù)提供給傳感器的輸出，并對(duì)結(jié)果求和，以確定每個(gè)系統(tǒng)變量?；蛘?，可以配置在廉價(jià)的芯片上實(shí)現(xiàn)的一種廉價(jià)計(jì)算裝置，用于確定系統(tǒng)變量。一旦理解了本發(fā)明的基本原理，便可以根據(jù)需要開發(fā)特定的應(yīng)用。
圖3是多相電力監(jiān)視系統(tǒng)的示意圖，包括多個(gè)磁場傳感器32a-n，它們遠(yuǎn)程地位于電力線4的三相導(dǎo)體的旁邊。這些磁場傳感器位于接地的支撐結(jié)構(gòu)30上。電力線下方的最上面的接地結(jié)構(gòu)在這種情況下是接地支撐結(jié)構(gòu)。地平面消除了接地支撐結(jié)構(gòu)的最上部區(qū)域下方的電場，只不過對(duì)磁場有最小的影響。電力線被這樣設(shè)計(jì)，使得地平面離開在電力線和最上部的接地結(jié)構(gòu)之間能夠發(fā)生電壓擊穿的點(diǎn)一個(gè)安全距離，然而又在可以測量電磁場的區(qū)域內(nèi)。結(jié)果，磁場傳感器一般位于電力線下方剛好地平面之下，在該位置它們由磁場強(qiáng)度測量相電流，如圖3所示。電場傳感器被設(shè)置在剛好在地平面之上，在此位置它們由電場強(qiáng)度測量相電壓。
圖5是具有若干個(gè)響應(yīng)設(shè)備22的替代設(shè)備的電力監(jiān)視系統(tǒng)10的方塊圖。一般地說，響應(yīng)設(shè)備可以包括任何合適類型的顯示器、計(jì)算裝置、通信設(shè)備或可以由繼電器啟動(dòng)的其它電裝置。典型的例子包括用于補(bǔ)償持久的大電流或電壓下降狀態(tài)的遠(yuǎn)程裝置或本地裝置，例如電容器22a、電壓調(diào)節(jié)器22b或電壓下降支持器22c。在另一種重要的應(yīng)用中，響應(yīng)設(shè)備可以包括位于本地或遠(yuǎn)程的電路中斷器2n，例如響應(yīng)檢測到的電力線故障的電路斷路器或類似裝置。
響應(yīng)設(shè)備還可以包括通信設(shè)備，例如通常用于電力工業(yè)中的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)獲取(SCADA)設(shè)備。SCADA設(shè)備向中央控制中心22f傳送來自控制器20的輸出數(shù)據(jù)，中央控制中心接著控制響應(yīng)設(shè)備。典型的例子包括傳輸線互聯(lián)開關(guān)、在戰(zhàn)略上布置的同步電容器、在戰(zhàn)略上布置的柴油發(fā)電站、小型水電站、電池和其它功率存儲(chǔ)裝置、燃料電池、負(fù)載管理機(jī)構(gòu)、可切斷的負(fù)載以及卸載開關(guān)。
此外，響應(yīng)設(shè)備還包括分析和報(bào)告系統(tǒng)22g，其一般位于控制中心22f或者和控制中心通信。該系統(tǒng)一般隨時(shí)間存儲(chǔ)和分析電力系統(tǒng)值，包括相電流、相電壓和電力線下垂的物理狀態(tài)，以檢測正在復(fù)發(fā)和惡化的問題。這使得系統(tǒng)工程師能夠計(jì)劃和安裝長的或短的范圍的系統(tǒng)升級(jí)。因?yàn)殡娏ΡO(jiān)視系統(tǒng)10是廉價(jià)的并且容易操作，其可以在整個(gè)電力系統(tǒng)內(nèi)的戰(zhàn)略位置被安裝。
一旦使用這種系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)視、記錄和分析電力系統(tǒng)值，便可以根據(jù)實(shí)時(shí)的電力系統(tǒng)值實(shí)現(xiàn)一種綜合的戰(zhàn)略響應(yīng)系統(tǒng)。這個(gè)能力將幫助滿足重要的操作目標(biāo)，例如避免不需要的和破壞性的響應(yīng)動(dòng)作，有利于更精確和有效的響應(yīng)動(dòng)作，并通常實(shí)現(xiàn)更可靠的和更高質(zhì)量的供電服務(wù)。這種系統(tǒng)還根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)數(shù)據(jù)幫助進(jìn)行短期的和長期的計(jì)劃。這種能力作為一種成本有效方法將具有極大的價(jià)值，以用于滿足非常重要的電力系統(tǒng)目標(biāo)，例如識(shí)別需要電壓維持設(shè)備的關(guān)鍵位置，并提供一種非常有效的手段，用于早期檢測和避免級(jí)聯(lián)的停電，例如近些年來影響美國西部、中西部和東北部的停電。該系統(tǒng)還是一種用于識(shí)別其它類型的潛在的破壞性電力系統(tǒng)干擾，例如站振蕩的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生、無功功率循環(huán)、間歇的異常負(fù)載行為、雷擊等的有效的機(jī)構(gòu)。
圖6是一種電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖，其使用3個(gè)磁場傳感器12a-c，用于確定三相電力線的3個(gè)距離或3個(gè)電流值。即，圖6表示三相電力線的一般情況，其中傳感器的數(shù)量等于未知系統(tǒng)變量的數(shù)量。在這個(gè)例子中，控制器20可以根據(jù)3個(gè)磁場測量和已知的相距離值確定并輸出3個(gè)相電流值?；蛘撸刂破?0可以根據(jù)3個(gè)磁場測量和已知的相電流值確定和輸出3個(gè)相距離值。
圖7表示一種電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)的方塊圖，其中使用6個(gè)磁場傳感器12a-12f，用于確定三相電力線的3個(gè)距離和3個(gè)電流值。這也是一種一般的情況，其中傳感器的數(shù)量等于未知系統(tǒng)變量的數(shù)量。這種類型的配置例如可用于確定在戰(zhàn)略位置的相電流和電力線的自由跨距之下的物理下垂。
如前所述，具有可以采用來減少特定應(yīng)用所需的場傳感器的數(shù)量的一些簡化假設(shè)。特別地，可以假設(shè)相電流是平衡的，此時(shí)，它們的和是0。因而，第三相的電流可以由另外兩相的電流確定。這種配置示于圖8，其中三相電力線的每個(gè)導(dǎo)體的物理下垂由兩個(gè)磁場傳感器12a，12b確定。此外，如圖9所示，可以使用第二簡化假設(shè)，由單個(gè)磁場傳感器12確定物理下垂，在這種情況下，每個(gè)相導(dǎo)體的物理下垂是相同的。當(dāng)然，一般的電力線在正常操作狀態(tài)下實(shí)際上具有平衡的相電流和相等的物理下垂。只是在故障狀態(tài)期間這些值才顯著不同，此時(shí)的主要目的是識(shí)別和響應(yīng)于這種故障，而不是以高的精度測量相電流。因此，圖9所示的單個(gè)傳感器的系統(tǒng)可以用于確定其中電力線的物理下垂是所希望的唯一的系統(tǒng)變量的應(yīng)用中的電力線的物理下垂。
圖10表示一個(gè)例子，其中使用相同的簡化假設(shè)(即平衡的相電流和相等的物理下垂)和3個(gè)磁場傳感器確定三相電力線的物理下垂和3個(gè)電流。對(duì)于許多應(yīng)用，這種配置是優(yōu)選的，因?yàn)橄嚯娏骱臀锢硐麓挂话闶窃谘刂娏€的戰(zhàn)略位置所需的系統(tǒng)變量。圖11表示一種適合于變電站的應(yīng)用，其中在兩組三相電力線下方設(shè)置有4個(gè)磁場傳感器。在這種情況下，使用在兩組電力線中電流是平衡的假設(shè)(即兩個(gè)簡化假設(shè))和4個(gè)傳感器12a-12d，確定兩組三相電力線中的6個(gè)電流。
權(quán)利要求
1.一種用于確定和多相電力線的相導(dǎo)體相關(guān)的系統(tǒng)變量的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，包括一組場傳感器，其遠(yuǎn)程地位于各相導(dǎo)體的旁邊并被定位成同時(shí)測量由相導(dǎo)體產(chǎn)生的組合磁場；控制器，其被配置用于根據(jù)從場傳感器接收的測量確定系統(tǒng)變量，并根據(jù)系統(tǒng)變量產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及所述輸出信號(hào)被配置用于啟動(dòng)響應(yīng)設(shè)備，以根據(jù)所述輸出信號(hào)執(zhí)行響應(yīng)動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求1所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中響應(yīng)設(shè)備從由顯示器、電路中斷裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電壓下降支持器、電容器組、通信設(shè)備和報(bào)告系統(tǒng)構(gòu)成的組中選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中控制器還包括本地控制器、中央控制器和用于在本地控制器和中央控制器之間傳送數(shù)據(jù)的通信設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括磁場傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括電場傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中控制器還被配置用于根據(jù)場傳感器測量和已知的系統(tǒng)值確定系統(tǒng)變量。
7.如權(quán)利要求6所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器通過周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)高壓絕緣，因?yàn)樗鰝鞲衅魑挥陔x開相導(dǎo)體足夠的距離之處，以避免在相導(dǎo)體和場傳感器之間發(fā)生電壓擊穿。
8.如權(quán)利要求6所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括電場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括距離值，系統(tǒng)變量包括電壓值。
9.如權(quán)利要求6所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括電場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括電壓值，系統(tǒng)變量包括距離值。
10.如權(quán)利要求6所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括電流值，系統(tǒng)變量包括距離值。
11.如權(quán)利要求6所述的電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括距離值，系統(tǒng)變量包括電流值。
12.一種用于確定和多相電力線的相導(dǎo)體相關(guān)的系統(tǒng)變量并響應(yīng)由系統(tǒng)變量確定的異常電力系統(tǒng)狀態(tài)的方法，包括以下步驟設(shè)置一組場傳感器，其遠(yuǎn)程地位于各相導(dǎo)體的旁邊并被定位成同時(shí)測量由相導(dǎo)體產(chǎn)生的組合磁場；配置一個(gè)控制器，用于根據(jù)從場傳感器接收的測量確定系統(tǒng)變量，并根據(jù)系統(tǒng)變量產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及根據(jù)所述輸出信號(hào)使響應(yīng)設(shè)備執(zhí)行響應(yīng)動(dòng)作。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中控制器包括本地控制器和控制中心，所述方法還包括從本地控制器向控制中心傳送系統(tǒng)變量和從控制中心向響應(yīng)設(shè)備傳送輸出指令的步驟。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括距離值，系統(tǒng)變量包括電流值。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括電流值，系統(tǒng)變量包括距離值。
16.一種電力系統(tǒng)，包括具有相導(dǎo)體的多條多相電力線，每條電力線具有電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)，每個(gè)電力監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)包括一組場傳感器，其遠(yuǎn)程地位于各相導(dǎo)體的旁邊并被定位成同時(shí)測量由相導(dǎo)體產(chǎn)生的組合磁場；控制器，其被配置用于根據(jù)從場傳感器接收的測量確定系統(tǒng)變量，并根據(jù)系統(tǒng)變量產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及響應(yīng)設(shè)備，其被配置用于根據(jù)所述輸出信號(hào)執(zhí)行響應(yīng)動(dòng)作。
17.如權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中響應(yīng)設(shè)備從由顯示器、電路中斷裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電壓下降支持器、電容器組、通信設(shè)備和報(bào)告系統(tǒng)構(gòu)成的組中選擇。
18.如權(quán)利要求17所述的電力系統(tǒng)，其中控制器還包括本地控制器、中央控制器和用于在本地控制器和中央控制器之間傳送數(shù)據(jù)的通信設(shè)備。
19.如權(quán)利要求17所述的電力系統(tǒng)，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括距離值，系統(tǒng)變量包括電流值。
20.如權(quán)利要求17所述的電力系統(tǒng)，其中場傳感器包括磁場傳感器，已知的系統(tǒng)值包括電流值，系統(tǒng)變量包括距離值。
全文摘要
一種使用遠(yuǎn)程地位于相導(dǎo)體的旁邊的電磁場傳感器(12a－c)的電力監(jiān)視(10)和響應(yīng)系統(tǒng)(22)。該系統(tǒng)根據(jù)從場傳感器獲得的測量值，在一些情況下還使用已知的系統(tǒng)值，確定一條或多條三相電力線(4)的未知的系統(tǒng)變量。對(duì)于給定的物理配置，場傳感器可以包括磁場或電場傳感器，已知的系統(tǒng)值和未知的系統(tǒng)變量可以包括相電流、相電壓和用于限定系統(tǒng)的物理配置的距離。響應(yīng)設(shè)備可以是顯示器、電路中斷裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電壓下降支持器、電容器組、通信設(shè)備或報(bào)告系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101027562SQ200580026072
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2005年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者約瑟夫·R·羅斯特朗, 瑞·安安德, 萊勒·T·凱斯特 申請(qǐng)人:Ssi動(dòng)力有限公司