CN101627313A - 线缆故障检测 - Google Patents
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Abstract
一种线缆故障检测部件(168)，接收表示电力系统中故障的输入数据。部件(168)分析输入数据，以确定该故障是否表示自净线缆故障，并生成相应的输出数据(276)。在一个实现中，线缆故障检测部件(168)实现为软件模块，其在变电站智能系统(104)的计算机(105)上运行。
Description
技术领域
本发明涉及电力传输和分配系统中的故障检测。其特别适用于对电力传输和分配中使用的地下线缆和其他线缆的故障进行检测和分析。
背景技术
地下线缆和其他线缆是电力传输和分配中的关键组成部分。然而，不幸的是，在两个或多个相(phase)之间或者一个或多个相与地之间，线缆可能倾向于短路或者是异常的低阻抗连接。这些以及其他线缆故障可以由多个因素引起，这些因素包括：人为错误(例如，突然切断或者撞击线缆)、气候状况(例如，降水、地震活动、或雷击)、动物活动以及线缆或其相关设备的失效或者老化。而且，线缆故障可能导致电力传输损耗，这会对受影响的客户带来不便，而且对于所涉及的电力设施而言可能是昂贵的。
一类故障是自净(self-clearing)故障。尽管自净故障可能具有许多的根本原因，其通常具有短暂的持续时间，尚不足以使相关的保护设备跳闸。实际上，多数自净故障的持续时间通常大约小于电力系统频率的两个(2)到三个(3)周期，并且在很多情况下小于一个(1)周期。
可能产生自净线缆故障的一个机制是线缆相之间或者线缆相与地之间的绝缘体破损。这种故障通常是由线缆接合或者连接处的潮湿导致或加剧的，并且其特征通常是增高的或者故障的电流，其持续大约是四分之一到二分之一个周期(也即，在六十赫兹(60Hz)的系统中，大约是四(4)到八(8)毫秒(ms))。故障电流的开始通常发生于电压峰值处或其附近。随着情况恶化，这些故障的频率和严重程度倾向于随着时间而恶化，最终导致线缆故障以及作为结果的电力传输损耗。
因此，在保护继电器平台中已经包含了故障检测装置，其可以用作智能电子设备(IED)。参见Kojovic等人的Sub-Cycle OvercurrentProtection for Self-Clearing Faults Due to Insulation Breakdown(1999)；授予Newton等人的2001年3月6日公布的美国专利No.6,198,401，其名称为Detection of Sub-Cycle，Self-Clearing Faults。更具体地，并如参考文件中完整描述的，装置在线缆电流信号发生时对其进行采样。检测超过阈值的电流信号，与此同时，装置确认断路器没有工作，并且还提升后继电流采样(同样，与其发生同时)，以确定故障的持续时间是否小于一个(1)周期。如果满足这些条件，则设备使故障计数器增加。如果这种故障发生的次数和/或频率超过了某个设置，则装置启动警报、信号通知和/或跳闸。在备选实现中，装置还确定故障是否发生在电压峰值附近。
然而，故障检测装置是在保护继电器层面提供的。这种以继电器为中心的架构的一个结果是：装置与变电站自动化(SA)系统、分配自动化(DA)系统、馈送器自动化(FA)系统或者其他自动化系统的集成较差。而且装置需要使用专用的硬件平台，其必须靠近耦合至保护继电器，并且检测技术相对并不成熟。
发明内容
本申请的各方面解决这些问题以及其他问题。
根据一个方面，公开了一种方法，包括：对来自电力传输线缆或者馈送器线缆的时变信号执行傅立叶变换；以及使用经过傅立叶变换的信号来标识线缆故障。
根据另一方面，公开了一种包含指令的计算机可读存储介质，当所述指令由计算机处理器执行时，其致使处理器执行一种方法。该方法包括：使用来自电力系统中故障的频域数据来标识自净线缆故障；以及生成指示所标识的线缆故障的输出信号。
根据另一方面，公开了一种线缆故障检测装置，包括：计算机可读存储器，其包含响应于故障而生成的数字故障记录数据；以及与该存储器可操作地通信的计算机处理器。该计算机处理器执行计算机可读指令，该指令致使处理器对数字故障记录数据进行分析，以确定故障是否表示线缆故障。
根据另一方面，公开了一种方法，包括：获取响应于电力系统故障而生成的示波器曲线数据；以及使用处理器来评估数字故障记录数据，以确定该电力系统故障是否表示自净线缆故障。
在阅读并理解了附图和说明书之后，本领域的技术人员将会理解本发明的其他方面。
附图说明
将在附图中以示例而非限制的方式示出本发明，附图中相同的标号表示类似的元件，其中：
图1描述了配电系统的部件。
图2描述了变电站智能系统。
图3描述了线缆故障检测模块。
具体实施方式
参考图1，变电站100包括：多个现场设备102、变电站智能系统104以及通信接口106。现场设备102包括：变压器、电容器、断路器、智能电子设备(IED)以及变电站环境中常见的其他设备和设施。在本例中，现场设备102包括一个或多个线缆160(诸如，传输线缆或者馈送器线缆)以及相关联的保护设备162。
现场设备102可操作地连接至变电站智能系统104。取决于给定系统的架构，智能系统104可以充当变电站自动化系统、馈送器自动化系统或者分配自动化系统中的一个或多个。如图所示，变电站智能系统104包括：服务器或者其他计算机105、数据库164、一个或多个客户端服务器部件166、线缆故障检测部件168以及可选的人机接口(HMI)109。
通信接口106将变电站智能系统104连接至广域网(WAN)、互联网或者其他通信网络108。
监控与数据获取(SCADA)系统110经由适当的通信接口112连接至通信网络108。SCADA系统110通常位于变电站100的远程位置，并且为多个变电站100和/或电力产生和分配系统的其他部件提供监控功能。
变电站智能系统104还可以连接至一个或多个企业计算机系统，诸如数据仓库、数据集市(data mart)、规划系统、地理信息系统(GIS)或者集中式维护管理系统(CMMS)114，该企业计算机系统同样通过通信接口116连接至通信网络108。
如上所述，线缆160可以包括一个或多个传输线缆或者馈送器线缆。传输线缆通常用来将来自发电站源或者变电站的高压电传输至配电系统中的另一变电站。馈送器线缆通常用来提供变电站的输出与下游主要电路的输入之间的电力连接。离开变电站的馈送器线缆有时称为变电站出口线缆(exit cable)。然而，应当注意，线缆160并非必须位于变电站100的物理边界之内，而是实际上可以与变电站具有一定距离。取决于地点和其他考虑，某些或者全部线缆160可以是地下线缆。
保护设备162通常包括一个或多个保护继电器以及相关联的断路器或者自动开关(recloser)。保护继电器有益地实现为基于IED的设备，除了其他功能以外，还监测其相关联线缆160的电压、电流和其他相关参数，以例如检测各种故障状况，例如由电流、电压和/或频率扰动导致的故障状况，以及可能或者不可能由线缆故障导致的那些故障状况。
在检测故障状况时，保护继电器捕获诸如电压、电流以及其他示波器曲线数据的数字故障记录(DFR)数据，并且设置指示故障发生的DFR标志。对DFR数据进行格式设置，以便按照用于瞬变数据交换(COMTRADE)的已知公共格式或者其他适当的文件格式来进行传输。取决于故障的特性和严重性，保护继电器还可以对相关联的断路器进行跳闸。
继续参考图1，客户端/服务器部件166有益地实现为软件或者固件模块，其存储在计算机105可访问的存储器或者其他计算机可读存储介质中。部件166的执行通常由定时器驱动(定时轮询)或者由基于触发(中断)的机制驱动，从而基本上实时地操作。由此，例如，客户端/服务器部件166可以不时地轮询特定的保护设备162，以获得关于其状态的信息。在保护设备162已经设置DFR标志的情况下，客户端/服务器部件166从保护设备162获得DFR数据，并且生成警报或者故障日志，其中DFR数据同样按照COMTRADE或者其他适当格式存储在数据库166中的适当位置。在基于触发的实现的情况下，从保护设备接收到DFR标志将触发对DFR数据的获取以及故障日志的生成。
仍然参考图1，线缆故障检测部件168同样实现为软件或者固件模块，其存储在计算机105可访问的存储器或者其他计算机可读存储介质中。部件168也由计算机105基于轮询、触发或者其他适当的基础来执行。如下文将进一步详细描述的，线缆故障检测部件168对DFR和/或其他相关输入数据进行分析，以检测与线缆故障相关联的表征(signature)。在检测这样的表征时，部件168生成表示故障的一个或多个输出，以存储在数据库164中。
HMI 109可以在软件层中实现，或者另外可以通过不同于各部件166、168的软件来实现，其提供期望的操作员接口功能，以例如允许用户与各模块166、168、数据库164或者变电站智能系统104的其他部件进行交互。在一个实现中，HMI 109实现为软件或者其他计算机可读指令，其在适当的计算机上实现图形用户界面(GUI)。与SCADA系统110或者企业系统114(如果存在)结合实现的用户接口还可以允许用户从一个或多个来源挖掘数据，或者提供期望的HMI功能。
图2中示出了关于其输入262和输出276数据来描述示例性线缆故障检测部件168的功能性框图。输入数据262包括示波器曲线记录数据268(诸如时间和采样数据向量)、示波器曲线记录中已采样数据点的数目266、时间戳数据264(例如，获取记录的日期和时间)、已采样信号的数量和标识272(例如，已采样的一个或多个相的数量和标识)、系统频率274以及其他相关数据292。
如图所示，检测部件268包括分析引擎288，其与傅立叶处理器246、线缆故障表征标准238以及警报标准290相结合进行操作。
另外，傅立叶变换处理器246也有益地实现为适当的计算机可读指令，其执行对示波器曲线记录268中的电压和/或电流采样的离散傅立叶变换(DFT)。在一个实现中，DFT在如下采样窗口或者时间段上计算：其开始于与电力系统频率的四分之一(1/4)周期相对应的间隔，并具有与系统频率的二分之一(1/2)周期相对应的持续时间，当然，还可以想到不同的窗口间隔和持续时间。将会理解，对时变线缆电流采样执行DFT将生成频域数据，其表示线缆电流在特定采样窗口期间的频率分量。该频域数据包括电力系统频率处的峰值，其大小表示DFT所覆盖时段期间的线缆电流。
线缆故障表征238包括表示线缆故障的内部电力系统限定器(qualifier)242以及可选的外部限定器244。在由线缆接合或者连接处绝缘体破损所引起的自净故障所关联的线缆故障表征238的示例性情况下，内部限定器242包括阈值线缆电流值、阈值故障持续时间以及故障开始标准，尽管还可以考虑其他的或者不同的限定器。另外，在结合绝缘体破损的情况下，外部限定器244可以包括气象数据，诸如降水、湿度和/或环境温度。
警报标准290包括那些用来信号通知警报状况的标准。在与绝缘体破损相关联的表征238的情况下，警报标准可以包括故障率或者故障的频率和/或次数，当然还可以想到其他或者不同的标准。注意，线缆故障表征238和警报290标准中的一个或多个可以是可调节的，例如，由用户经由HMI 109等实现的GUI来调节。
分析引擎288对输入数据262进行评估，以确定故障是否满足线缆故障表征标准238。另外，在由绝缘体破损导致的线缆故障的示例性情况下，分析引擎288对经过傅立叶变换的电流信号进行评估，以确定线缆电流的大小是否超过阈值。分析引擎288还确定：故障的持续时间是否小于阈值故障持续时间，故障的开始是否出现在电压峰值处或其附近，以及故障是否是自净的。在包括外部限定器244的实现中，分析引擎288还对相关的其他输入数据292进行评估，以例如确定相关的湿度是否超过期望值。在部件168包括警报标准290的情况下，分析引擎还确定是否已经满足期望的警报标准，例如，确定线缆故障的比率或者频率是否超过规定的故障率。
线缆故障检测部件168使用评估的结果来生成例如以下一个或多个的输出数据276：线缆故障检测信号或者标志280、线缆故障率或者频率282、线缆故障的次数283、线缆故障警报信号或者标志284、数字故障记录数据286(诸如，故障的程度和持续时间)、受到故障影响的一个或多个相278、或者其他数据294。有益地，输出数据作为一个或多个点与适当的时间戳一起存储在变电站智能系统数据库164中。
还可以想到各种备选方案和扩展。例如，备选地或者附加地，检测部件168使用其他运行数据或者非运行数据262作为线缆故障分析的输入，并相应地选择线缆故障表征238。在一个这样的实现中，还对所采样的电压波形加以考虑，以例如确定增高电流的时段是否伴有采样电压的下降。
作为另一示例，如果期望由相对较高的线缆电流值所导致的加热对线缆故障有所贡献，则可以适当地考虑平均电流值。作为又一示例，还可以考虑其他环境或者气象数据，诸如雷击、地震活动等。
检测部件168还可以例如通过为各表征标准238指派相对权重，来计算由特定故障机制导致特定线缆故障的概率或者似然性。检测部件168可以包括或者访问内部或者外部数据库，该数据库包含通过经验或者启发式地得出的、表示各种线缆故障机制的线缆故障表征238。在这种情况下，线缆故障输出信号或者标志280还可以指示最有可能的一个或多个故障机制。还可以提供独立的输出或者标志。
检测部件168可以在智能系统104中使用，其中智能系统104诸如Stoupis等人在2006年11月1日提交的、名称为“ElectricalSubstation Monitoring and Diagnostics”的共有美国专利申请序列号No.11/555,393中描述的，在此通过引用将其全部内容明确地并入。
如上所述，检测部件168有益地对具有COMTRADE或者其他期望格式的数据进行操作。由此，检测部件168可以在不同于服务器计算机的计算机或者过程上执行。例如，检测部件可以在与SCADA系统110或者企业系统114相关联的计算机上执行，或者在可以通过通信网络118访问所期望输入数据262的其他适当的通用或者专用处理器上执行。部件168的某些或者全部还可以在数字和/或模拟硬件中实现。
还可以想到各种备选的傅立叶变换算法。根据一个这种备选方案，可以使用适当的快速傅立叶变换(FFT)算法来实现离散傅立叶变换。尽管上文的讨论集中在对频域数据进行操作的分析引擎288，但可以想到其他分析引擎。由此，例如，分析引擎288可以执行以下一个或多个：基于时域的分析、基于规则的分析、神经网络分析、专家系统分析、解析分析或者其他适当的分析。
现在将关于图3来描述操作。在步骤302处检测故障。更加具体到上文描述的示例性实现，保护设备162设置DFR标志，并且生成COMTRADE格式或者其他适当格式的DFR数据。
在步骤304处获得DFR数据。由此，例如，通过智能系统104来获得DFR数据，并将其存储在数据库164中，以备检测部件168使用。备选地，检测部件168直接获得输入数据262。
在步骤306，对DFR和其他相关输入数据进行分析。如上所述，例如，线缆故障检测部件168对输入数据进行评估，以确定输入数据是否表示线缆故障。在检测部件168考虑表示各种线缆故障机制的表征的实现中，针对各种表征来评估输入数据。根据评估结果，生成诸如以下一个或多个的期望输出数据276：线缆故障检测信号、线缆故障次数或者比率、线缆故障警报或者线缆故障机制输出。
在步骤308，将输出数据276存储在数据库164中或者其他期望的位置。
在步骤310，在电力系统操作期间例如基本上实时地重复该过程。
当然，在阅读并理解了上述描述之后，可以想到修改和备选方案。意在将本发明解释为包括所有这种修改和备选方案，只要其处于所附权利要求书及其等效项的范围之内。
Claims (38)
1.一种方法，包括：
对来自电力传输线缆或者馈送器线缆的时变信号执行傅立叶变换；
使用经过傅立叶变换的信号来标识线缆故障。
2.根据权利要求1的方法，其中所述傅立叶变换包括离散傅立叶变换。
3.根据权利要求1的方法，其中所述时变信号是时变线缆电流信号。
4.根据权利要求1的方法，其中所述时变信号总体上是周期性的，并且执行包括：对在与所述信号的大约二分之一周期相对应的时段上获取的电流数据进行傅立叶变换。
5.根据权利要求1的方法，其中所述线缆故障包括绝缘体破损。
6.根据权利要求1的方法，其中使用包括：确定所述经过傅立叶变换的信号的大小。
7.根据权利要求1的方法，其中执行包括：对响应于电力系统故障而生成的示波器曲线数据进行傅立叶变换。
8.根据权利要求1的方法，包括：接收表示所述时变信号的COMTRADE示波器曲线数据。
9.根据权利要求8的方法，其中所述示波器曲线数据由保护继电器生成。
10.根据权利要求1的方法，包括：使用变电站自动化系统、分配自动化系统或者馈送器自动化系统的计算机，来执行使用所述经过傅立叶变换的信号的步骤。
11.根据权利要求1的方法，包括：通过广域网获得表示所述时变信号的示波器曲线数据，并且执行步骤包括对所述获得的数据进行傅立叶变换。
12.根据权利要求1的方法，包括：生成表示已标识故障的输出信号，并且将所述输出信号存储在变电站自动化系统、馈送器自动化系统或者分配自动化系统的数据库中。
13.一种包含指令的计算机可读存储介质，当所述指令由计算机处理器执行时，其致使所述处理器执行方法，所述方法包括步骤：
使用来自电力系统中故障的频域数据来标识自净线缆故障；
生成表示所述标识的线缆故障的输出信号。
14.根据权利要求13的计算机可读存储介质，其中所述方法包括：
获得时变信号数据；
对所述时变信号数据执行离散傅立叶变换，以生成所述频域数据。
15.根据权利要求14的计算机可读存储介质，其中获得包括：从变电站自动化系统数据库获得所述时变信号数据。
16.根据权利要求13的计算机可读存储介质，其中所述方法包括：从IED获得COMTRADE数据，并且使用所述COMTRADE数据来生成所述频域数据。
17.根据权利要求13的计算机可读存储介质，其中所述方法包括：确定线缆故障机制，并且其中所述输出信号标识所述确定的机制。
18.根据权利要求13的计算机可读存储介质，其中使用所述频域数据包括：计算线缆中电流的大小，并将该大小与阈值进行比较。
19.一种线缆故障检测设备，包括：
计算机可读存储器，其包含响应于故障而生成的数字故障记录数据；
与所述存储器可操作地通信的计算机处理器，其中所述计算机处理器执行计算机可读指令，所述指令致使所述处理器对所述数字故障记录数据进行分析，以确定所述故障是否表示线缆故障。
20.根据权利要求19的设备，其中所述数字故障记录数据包括示波器曲线数据。
21.根据权利要求20的设备，其中所述示波器曲线数据包括时变线缆电流数据。
22.根据权利要求19的设备，其中所述数据包括示波器曲线数据，并且所述处理器对所述示波器曲线数据执行离散傅立叶变换。
23.根据权利要求19的设备，其中所述处理器对所述数字故障记录数据进行分析，以确定所述故障是否表示线缆绝缘体破损。
24.根据权利要求19的设备，包括：用于检测所述线缆故障的装置。
25.根据权利要求19的设备，包括：用于生成所述数字故障记录的装置。
26.根据权利要求19的设备，其中所述故障是自净线缆故障。
27.根据权利要求19的设备，其中所述线缆包括变电站出口线缆。
28.一种方法，包括：
获得响应于电力系统故障而生成的示波器曲线数据；
使用处理器来评估数字故障记录数据，以确定所述电力系统故障是否表示自净线缆故障。
29.根据权利要求28的方法，包括：将所述评估的结果存储在计算机数据库中。
30.根据权利要求28的方法，其中所述线缆包括电力系统传输线缆。
31.根据权利要求28的方法，包括：从IED获得所述示波器曲线数据。
32.根据权利要求31的方法，其中所述示波器曲线数据包括COMTRADE数据。
33.根据权利要求28的方法，其中所述方法包括对所述示波器曲线数据进行傅立叶变换。
34.根据权利要求28的方法，其中所述故障的持续时间小于大约三个周期。
35.根据权利要求28的方法，其中所述处理器位于变电站处。
36.根据权利要求28的方法，包括：确定所述线缆故障是表示线缆故障的似然性。
37.根据权利要求28的方法，其中使用处理器包括：使用所述处理器来评估表示潮湿的信号。
38.根据权利要求28的方法，包括：基本上实时地重复所述获得和评估的步骤。
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