CN101523678A - 电过程控制系统中的导电元件的电压测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与提供在地和用于控制电过程的系统中的导电元件之间的初级分压元件连接的电压测量设备(34)以及这种用于控制电过程的系统。设备(34)包括：次级分压元件的至少一个第一分支(RS1，RS2)，其中该分支适于与初级分压元件并联连接；以及第一测量单元(38)，所述第一测量单元(38)与第一分支的次级分压元件之一(RS2)连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并提供与导电元件的电压对应的第一电压信号(V1)。

Description

电过程控制系统中的导电元件的电压测量

技术领域

本发明涉及一种用于控制电过程的系统以及一种提供于这样的系统中的电压测量设备。

背景技术

在用于控制电过程、比如用于控制电力的生成和传输的系统(即，高压电力传输和生成系统)中，有必要对系统中各点处的、例如输电线中的电压进行测量，以便提供对系统的控制和保护。

为了提供可靠的系统，可提供关于控制和保护设备的冗余。这样的冗余意味着：在电过程中，若干个不同的并联的保护和控制设备可能需要从同一元件接收测量结果。

WO2006/128397公开了一种HVDC系统，其中提供与输电线的两个单独的连接，以便提供关于测量结果的冗余。

然而，当系统是高压系统时，常常有必要将与系统元件相接的触点的数目限制为尽可能少。否则，可能存在闪络(flashover)的风险。在超高HVDC(高压直流)电力传输系统中情况尤其如此。

解决此问题的一种方式可以是提供与分压元件连接的多个重复的放大器。通过与这样的初级分压元件直接连接的重复的放大器，可执行系统元件比如输电线的电压测量。然而，就此方案而言，可能无法确保足够高的可靠性。还可能无法在工作过程中更换放大器。

因此，需要有改进地测量用于控制电过程的系统中的导电元件的电压。

发明内容

本发明总体上涉及提供一种电压测量设备，该电压测量设备可容易地缩放，以使得能够提供与导电系统元件的电压有关的一个或多个电压信号而无需增加与系统元件相接的触点的数目。

根据本发明的原理，在导电元件上只测量一个电压。然后，该电压由初级分压元件划分成中间电压。然后，单个中间电压被提供给具有次级分压元件的、数目可缩放的并联分支，其中每个分支中的一个次级分压元件提供单独的电压信号。

因此，本发明的一个目的是提供一种与提供在地和用于控制电过程的系统中的导电元件之间的初级分压元件连接的电压测量设备，该设备可容易地缩放，以使得能够提供与导电元件的电压有关的一个或多个电压信号。

根据本发明的第一方面，此目的通过一种与提供在地和用于控制电过程的系统中的导电元件之间的初级分压元件连接的电压测量设备来实现，该电压测量设备包括：

-次级分压元件的至少一个第一分支，其中该分支适于与初级分压元件并联连接；以及

-第一测量单元，该第一测量单元与第一分支的次级分压元件之一连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并提供与导电元件的电压对应的第一电压信号。

本发明的另一目的是提供一种用于控制电过程的系统，该系统包括至少一个控制站、导电元件、提供在导电元件和地之间的初级分压元件以及电压测量设备，其中该电压测量设备可容易地缩放，以使得能够提供与导电元件的电压有关的一个或多个电压信号。

根据本发明的第二方面，此目的通过一种用于控制电过程的系统来实现，该系统包括至少一个控制站、导电元件、提供在导电元件和地之间的初级分压元件以及电压测量设备，其中所述电压测量设备包括：

-次级分压元件的至少一个第一分支，该分支与初级分压元件并联连接；以及

-第一测量单元，该第一测量单元与第一分支的次级分压元件之一连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并向控制站提供与导电元件的电压对应的第一电压信号。

本发明具有多个优点。它保证了各分压元件之间的闪络是有限的。如果次级分压元件是无源的，则还可以使初级分压元件和次级分压元件之间的任何温度偏差不影响测量结果。电压测量设备易于维护。可以在工作过程中检修和提供维护。该设备还是可缩放的，从而可根据需要提供更多或更少的分支。

附图说明

在下文中，将参照附图描述本发明，在附图中：

图1示意性地示出了可应用本发明的原理的电力传输系统；

图2示意性地示出了连接在图1的系统中的输电线和地之间的多个初级分压元件，其中一个初级分压元件连接到根据本发明的电压测量设备；

图3示意性地示出了根据本发明的电压测量设备；以及

图4示意性地示出了控制站中的多个单元连接到本发明的电压测量设备。

具体实施方式

在下文中，将给出根据本发明的设备和系统的诸优选实施例的详细描述。

在图1中，示意性地示出了用于控制电过程的系统。这样的过程包括用于控制电力的生成和传输的过程，即高压(50kV以上)或超高压(400kV以上)电力传输和生成系统。图1中的系统是一种呈高压电力传输系统10的形式的系统。在图1中给出的例子中，该电力传输系统还是HVDC(高压直流)电力传输系统。应当认识到，本发明不限于这样的系统，而是可以在其它类型的高压或超高压电力传输系统、例如FACTS(灵活交流输电系统)中使用。

图1中有第一交流输电线12，这里，第一交流输电线12是通向第一变压器14的三相输电线。第一变压器14连接到将交流电压转换成直流电压的第一转换器16。此第一转换器16又连接到第一直流输电线20，第一直流输电线20又通向第二转换器24，第二转换器24是将直流功率转换成交流功率的转换器。第二转换器24又连接到第二变压器28。第二变压器28又连接到在这里也是三相输电线的第二交流输电线30。第一和第二转换器16和24还连接到地，并且它们各自还与对应的第三和第四转换器18和26连接于这些接地连接，第三和第四转换器18和26又连接到第二直流输电线22。这里，第三转换器18与第一转换器16类型相同，而第四转换器26与第二转换器24类型相同。在图1中的系统中，直流输电线20和22可构成至少数千公里长度的直流链路以便用来以减少的损耗将电力传输相当长的距离。然而，还可以使用该配置将具有例如不同交流频率的两个交流输电线互连于同一个位置。

图1中所示的系统是所谓双极系统，其中第一直流输电线20被提供于第一正电压处，而第二直流输电线22被提供于第二相反的负电压处。这意味着第一直流输电线20提供正向电流路径而第二直流输电线22提供返回电流路径。然而，应当认识到，可以通过去除第二直流输电线22所提供的返回路径并且去除第三和第四转换器18和26而代之以提供单极系统。在单极系统中，第一和第二转换器16和24将代之以仅连接在第一直流输电线和地之间。在此情形下，可经由地而提供返回路径。

图2示意性地示出了多个分压元件连接到图1中的系统的一个元件，即，输电线之一，更具体而言是第一输电线20。这里，根据本发明为初级分压元件的这些分压元件串联连接在输电线和地之间。在图1中，第一初级分压元件RP1连接在输电线20和第二初级分压元件RP2的第一端之间。第二分压元件RP2的第二端又连接到第三初级分压元件RP3的第一端。此外，第四初级分压元件RP4连接在地和第三分压元件RP3的第二端之间。所有这些分压元件以可有利地具有相同电阻值的电阻器的形式提供。此外，第一电容器C1与第一分压元件RP1并联连接，第二电容器C2与第二分压元件RP2并联连接，第三电容器C3与第三分压元件RP3并联连接，第四电容器C4与第四分压元件RP4并联连接。初级分压元件之一(这里是第四初级分压元件RP4)还经由线缆32连接到电压测量设备34。这里，线缆32包括两个导体，其中一个连接到第四分压元件RP4的第一端而另一个连接到第四分压元件RP4的第二端。线缆32优选地是屏蔽线缆，且有利地是双屏蔽线缆。这里，应当认识到，仅提供四个分压元件以便简化本发明的描述，实际上可以在输电线和地之间串联地提供多得多的分压元件。

为了保护和控制图1中的系统，需要测量电过程中涉及到的各种导电元件的电流和电压等各种特性。这样做是为了控制和保护系统。一个这样的元件当然是输电线，比如第一输电线。在这样的保护和控制中，因此有必要测量电压比如输电线的电压，并将此测得的电压提供给控制和保护设备比如控制和保护计算机。在这些系统中，还常常需要提供关于保护和控制的冗余以便确保系统是可靠的。这意味着若干个控制和保护设备需要接收相同的测量电压。这通常将意味着用于获得测量值的分压元件也应当是冗余的。然而，如果一个以上这样的分压元件连接到具有高或超高电压电平的导电系统元件比如输电线，则存在闪络的风险，因为这通常将涉及到与该系统元件相接的两个接触点。因此，仅一个初级分压元件用于这样的电压测量将是有利的。

因此，需要使得能够向冗余控制和保护设备提供测量结果，而无需增加与用于控制电过程的系统中的导电元件(比如输电线)连接的初级分压元件和测量点的数目。

接下来，描述解决此问题的电压测量设备。

图3示意性地示出了根据本发明一个实施例的电压测量设备34。设备34包括接口单元36以及与此接口单元36连接的第一、第二和第三测量单元38、40和42。接口单元36包括与图2中的线缆连接的滤波器44。此滤波器44具有两个输入端口，一个输入端口连接到线缆的导体之一而另一个输入端口连接到线缆的另一个导体。滤波器44可以是设置成滤除例如20-30kHz以上的信号分量的低通滤波器。滤波器44还有利地是无源滤波器。滤波器44还具有两个输出端口。在接口单元中，在这里提供有连接在滤波器44的输出端口之间的次级分压元件的三个分支。这些分支彼此并联连接。这样，这些分支因此还适于与图2的第四初级分压元件并联连接。第一分支包括彼此串联连接的第一次级分压元件RS1和第二次级分压元件RS2，第二分支包括彼此串联连接的第三次级分压元件RS3和第四次级分压元件RS4，第三分支包括彼此串联连接的第五次级分压元件RS5和第六次级分压元件RS6。这里，这些次级分压元件都以电阻器提供。这里，第一和第二次级分压元件RS1和RS2之间还可存在约10∶1的关系。还可在第三和第四次级分压元件RS3和RS4之间以及在第五和第六次级分压元件RS5和RS6之间提供同一关系。这里，所有次级分压元件还是无源元件，即，它们无需连接到任何电源来工作。

第一测量单元38连接到第一分支的次级分压元件之一(这里是第二次级分压元件RS2)并且测量此次级分压元件上的电压。通过此测量，它还提供与导电元件的电压对应(即，在这里与图2中的第一输电线的电压对应)的第一电压信号V1。这里，第二测量单元40连接到第二分支的次级分压元件之一(这里是第四次级分压元件RS4)。第二测量单元40测量此次级分压元件上的电压并提供与第一输电线的所述电压对应的第二电压信号V2。同样地，第三测量单元42连接到第三分支的次级分压元件之一(这里是第六次级分压元件RS6)，第三测量单元42测量此次级分压元件上的电压并提供第三电压信号V3。这里，此第三电压信号V3也与第一输电线的所述电压对应。

然后，这些电压信号V1、V2和V3将被转移到控制站80(见图4)以便使用于系统的冗余控制和保护中。为此，每个测量单元38、40和42可设有与对应次级分压元件RS2、RS4和RS6连接的放大器46、52和58，放大器46、52和58可以是高速高精度放大器。每个放大器46、52、58又可连接到逻辑电路48、54、60，逻辑电路48、54、60具有用于将对应电压信号从模拟表示转换至数字表示的模数转换装置、用于可能的寻址的装置以及用于可能的错误和校正编码的装置。每个逻辑电路48、54、60以串行形式转发在对应次级分压元件上测得的电压的多个电压样本。这里，错误和校正编码装置可用于向控制站80通知检测到的故障。每个逻辑电路48、54、60还可连接到对应的电光转换单元50、56和62，电光转换单元50、56和62用于将对应电压信号从电学域转换至光学域。这些电光转换单元50、56和62可以是LED(发光二极管)或激光器。每个测量单元38、40和42还连接到控制站80中的控制和保护单元。为此，每个电光转换单元50、56和62连接到对应的光纤64、66和68，光纤64、66和68通向控制站80。这样，每个测量单元38、40、42提供通向控制站80的测量通道。

如上所述，接口单元36仅包括无源部件，因此这些部件无需任何电力。然而，测量单元38、40、42的部件通常是有源的。根据本发明的一种变形，这些部件可由提供于控制站80中的冗余电池系统来供电。为此，可存在从控制站80通向电压测量设备34的第一和第二电连接76和78。这里，电压测量设备34还包括两个直流/直流转换器70和72，其中一个转换器70连接到一个电连接76而另一个转换器72连接到另一个电连接78。这两个转换器70和72又可连接到二极管电路74，二极管电路74又连接到各测量单元38、40和42。这里，二极管电路74被布置成如果电连接76和78中的至少一个提供电力就总是向测量单元38、40和42供电。

最后，图4示意性地示出了控制站80中的一些单元，根据本发明，这些单元用于系统中的控制和保护。控制站80由此包括控制和保护设备。这里，光纤64从第一测量单元38出发而通向第一接口单元82，第一接口单元82包括用于将以串行形式接收的第一电压信号从光学域转换至电学域以及用于将转换的信号转移到第一控制设备(这里是第一控制计算机CCA 88)和第一保护设备(这里是第一保护计算机PCA 90)的装置。这里，光纤66从第二测量单元40出发而通向第二接口单元84，第二接口单元84包括用于将第二电压信号从光学域转换至电学域以及用于将转换的信号转移到第二控制设备(这里是第二控制计算机CCB 92)和第二保护设备(这里是第二保护计算机PCB 94)的装置。这里，光纤68从第三测量单元42出发而通向第三接口单元86，第三接口单元86包括用于将第三电压信号从光学域转换至电学域以及用于将转换的信号转移到第三保护设备(这里是第三保护计算机PCC 96)的装置。最后，第一电池系统98连接到第一电连接76，且第二电池系统100连接到第二电连接78，以便向电压测量设备34的测量单元38、40和42供电。这些电池系统98和100通常供应120V的直流电，而直流/直流转换器将该直流电转换成24V的直流电。

设有两个控制计算机的原因是为了冗余。这里，设有三个保护计算机的原因是为了具有所谓“三取二”操作。这意味着如果大多数保护计算机决定执行某一保护动作则执行该保护动作。

根据本发明的电压测量设备可有利地提供于初级分压元件附近，并因此亦可与控制站分开或者提供于距控制站一定距离处。然而，为了便于在工作过程中进行维护，在可提供于这些输电线的每一侧的安全护栏之外提供电压测量设备是有利的。

根据本发明，在输电线上只测量一个电压。然后，该电压由第四初级分压元件划分成中间电压。然后，此单个中间电压被提供给三个分支，从这三个分支获得三个电压信号，这三个电压信号被分别提供给控制站。这样，保证了各分压元件之间的闪络是有限的。

通过提供与初级分压元件并联地提供的各单独分支，还提供了冗余。这意味着如果一个通道出错，则其它两个通道仍可提供测量结果，这提高了可靠性。通过在电压测量设备的接口单元中设有无源元件，还可以使初级分压元件和次级分压元件之间的任何温度偏差不影响测量结果。这可能要求初级分压元件的尺寸相等并且分支中流动的电流不太高。因此，电压测量设备的安全性很高。此电压测量设备还易于维护。可以在电压测量设备的工作过程中检修和提供维护。电压测量设备还是可缩放的，从而可根据所需数目来提供更多或更少的分支。光纤的使用具有提供对EMI(电磁干扰)的高抗干扰性这又一优点，由此降低了EMC(电磁兼容性)问题的风险，这对于通过高压开关装置的长线缆而言可能尤其如此。当对测量电压的快速瞬态响应要求高时，EMC可能成为问题。

可以向本发明增添若干特征。可以提供用于确定室外温度和电压测量设备内(且更具体而言是接口单元中)的温度的装置、以及用于基于此差异调整电压测量值的装置。这可提供测量值的更高精度。

还可以在每个测量通道上提供用于检测电压测量设备中的低气压的输入端。这可用来生成停止电力转移的警报，因为电压测量设备在气压下沉时可能无法处理高压。

每个测量单元的逻辑电路中提供错误和保护编码例如CRC编码的部件可视为用于内部监控和检测对应测量通道上的故障的装置以及用于向控制站通知检测到的故障的装置。然后，不正确的代码可生成警报，此警报可用于在控制计算机之间进行切换。这里，一个控制计算机可以是在用控制计算机，而另一个控制计算机可以是热备用的控制计算机。这意味着备用计算机执行在用计算机的所有功能。然而，其生成的任何命令不用于系统控制，这些命令是失活的。一旦备用计算机成为在用计算机，这些命令就被激活。这使得所讨论的计算机能够从备用快速变为在用，这在闭环控制中常常是必要的。因此，基于不正确的错误和保护代码而生成的上述警报可用于在在用和备用控制计算机之间迅速地切换。对于保护计算机而言，可基于警报而关断对应的保护系统。在保护计算机根据“三取二”方案来工作的情形下，这意味着警报可使得保护计算机切换至正常的冗余工作。

除了已经提到的修改以外，还可对本发明作出多种进一步修改。本发明可应用于除了输电线以外的其它导电元件，例如断路器。可省略接口单元中的滤波器。每个分支可包括两个以上的次级分压元件，只要一个用于获得电压信号即可。还可改变分支的数目。电压测量设备可例如包括仅一个分支、两个分支或甚至三个以上的分支，这都取决于需要多少来自导电元件的同一测量点的电压信号。自然地，于是仅有与分支一样多的测量单元。在测量单元中，可以省略放大器、逻辑电路和电光转换单元。上面还描述了电压测量设备连接到第四初级分压元件，第四初级分压元件是位置距导电单元最远并因此与地最近的元件。这从安全和可达性的观点来看是有利的。然而，应当认识到，电压测量设备可连接到任何初级分压元件。直流/直流转换器和二极管电路还可提供于控制站中。

根据前面的讨论，显然，本发明可以多种方式加以变化。因此，应当认识到本发明仅由后面的权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种电压测量设备(34)，与提供在地和用于控制电过程的系统(10)中的导电元件(20)之间的初级分压元件(RP4)连接，所述电压测量设备(34)包括：

-次级分压元件的至少一个第一分支(RS1，RS2)，其中所述分支适于与所述初级分压元件(RP4)并联连接；以及

-第一测量单元(38)，所述第一测量单元(38)与所述第一分支的所述次级分压元件之一(RS2)连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并提供与所述导电元件(20)的电压对应的第一电压信号(V1)。

2.根据权利要求1所述的电压测量设备(34)，还包括：次级分压元件的第二分支(RS3，RS4)，所述第二分支(RS3，RS4)与所述第一分支并联连接；以及第二测量单元(40)，所述第二测量单元(40)与所述第二分支的所述次级分压元件之一连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并提供与所述导电元件的所述电压对应的第二电压信号(V2)。

3.根据权利要求1或2所述的电压测量设备(34)，还包括：每个测量单元(38，40，42)中的电光转换单元(50，56，62)，用于将所述对应电压信号(V1，V2，V3)从电学域转换至光学域以便被传送到所述系统(10)的控制站(80)。

4.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，还包括：每个测量单元(38，40，42)中的模数转换装置(48，54，60)，用于将所述对应电压信号从模拟表示转换至数字表示。

5.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，还包括：每个测量单元(38，40，42)中的放大器(46，52，58)。

6.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，还包括：在每个分支和所述初级分压元件(RP4)之间的滤波器(44)。

7.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，还包括：用于确定室外温度和所述电压测量设备内的温度的装置以及用于调整电压测量值的装置。

8.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，其中每个测量单元(38，40，42)向所述系统(10)的控制站(80)提供测量通道。

9.根据权利要求8所述的电压测量设备(34)，还包括：每个测量通道上的用于检测低气压的输入端。

10.根据权利要求8或9所述的电压测量设备(34)，还包括：用于内部监控和检测每个测量通道上的故障的装置(48，54，60)以及用于向所述控制站(80)通知检测到的故障的装置。

11.根据任一前述权利要求所述的电压测量设备(34)，还包括：用于从所述系统(10)中的冗余电池系统(98，100)冗余地接收电力的装置(70，72，74)。

12.一种用于控制电过程的系统(10)，包括至少一个控制站(80)、导电元件(20)、提供在所述导电元件和地之间的初级分压元件(RP4)以及电压测量设备(34)，其中所述电压测量设备(34)包括：

-次级分压元件的至少一个第一分支(RS1，RS2)，所述第一分支(RS1，RS2)与所述初级分压元件(RP4)并联连接；以及

-第一测量单元(38)，所述第一测量单元(38)与所述第一分支的所述次级分压元件之一(RS2)连接，并且布置成测量此次级分压元件上的电压并向所述控制站(80)提供与所述导电元件(20)的电压对应的第一电压信号(V1)。

13.根据权利要求12所述的系统(10)，其中所述控制站(80)包括接收所述第一电压信号的控制和保护设备(88，90)。

14.根据权利要求12或13所述的系统(10)，其中所述电压测量设备(34)与所述控制站(80)是分开的。

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