CN104614639B - 评估电力线上的噪声和过流 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多种评估与电力线上噪声和过电流有关的参数的技术。这些技术特别适合描绘局部放电特性，并识别噪声源或过电流源的位置。

Description

评估电力线上的噪声和过流

分案申请

本发明是申请号为CN 201180012549.7的发明专利申请的分案申请。原申请的申请日为2011年3月4日，申请号为CN 201180012549.7，发明名称为“评估电力线上的噪声和过流”。

著作权声明

本发明文件包含的材料中的一部分公开物是受著作权保护的。该著作权的权利人不反对任何人复制专利文件或专利公开物，但其本人保持所有著作权的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及电力配送的电力线路，更特别地，是涉及一种为了识别噪声源或过电流源的位置，对电力线路上的噪声和过电流的评估。

2.相关背景技术的说明

在本部分中所描述的方法是可以实现的方法，而不一定是之前已证实或已实现的方法。然而，除非特别说明，本部分中所描述的方法对于本申请中的权利要求不是现有技术，并且不认为在此部分中包含现有技术。

局部放电(Partial Discharge,PD)是在受损的电力电缆绝缘层中发生的一种现象，受损原因可能是如：老化、物理特性损坏或处于过强电场中。PD可以损害电缆、连接件、避雷器以及其他高压设备。有缺陷的架空电缆用绝缘子也会引致噪声的产生，并伴有类似于PD的频率以及相位特性。PD产生短脉冲，该短脉冲的持续时间是纳秒级或更短。PD脉冲常常出现在交流(AC)电力电压的特定相位中，并大致与电力频率或电力频率的两倍同步。PD被认为是线路同步噪声或线路触发噪声这类已知噪声中的一种。PD脉冲具有连续的宽带频谱，该宽带频谱通常包括的范围是1千赫兹至数百兆赫兹。

美国专利7,532,012公开了多种捕捉PD脉冲的技术，也公开了多种用于评估波形的参数，以区分与线路频率同步化现象，例如PD脉冲，有关的波形，和名为“侵入”，不具有线路频率周期性的外部干扰。对于从PD中辨别出的波形，这些参数具有进一步量化该PD强度的实用性。

受损电缆也可能遭受到非常短暂的强电流脉冲，例如：可预计到的越过其自身的电弧或其他临时短路情况。在受损电缆完全失效之前需要识别它，更特别地是，发现它的特定位置。

发明内容

本发明公开了多种评估与电力线路上的噪声和过流有关的参数的技术。这些技术特别适合于描述局部放电(PD)的特征，并且适合于识别噪声源或过流源的位置。

这些技术中的一种技术是一种方法，包括(a)测量电力电缆上感应到的局部放电脉冲的第一频谱组分的最大振幅，(b)在第一频谱组分的最大振幅出现之处，确定电力电缆上电力频率信号的相位，(c)测量该相位的局部放电脉冲的第二频谱组分的最大振幅，以及(d)根据第一频谱组分的最大振幅与第二频谱组分的最大振幅之间的关系，确定电力电缆上局部放电脉冲出现的位置。

这些技术中的另一种技术包括(a)通过在电力电缆上的电源信号中一个循环周期的多个相位，测量所述电力电缆上感应到的PD脉冲的频谱组分的峰值振幅；(b)从所述峰值振幅中减去背景噪声电平，从而产生结果振幅，以及(c)将所述结果振幅相加，从而得出PD之和，这表明了所述电力电缆上PD的活跃程度。

这些技术中的另一种技术是一种方法，包括(a)在电力电缆的第一位置处，测量超出阈值的第一电流的第一幅度；(b)在电力电缆的第二位置处，测量未超出阈值的第二电流的第二幅度，以及(c)根据第一幅度和第二幅度之间的关系，确定电力电缆上的故障位置。

本发明也公开了一种执行上述方法的系统，以及一种存储介质，该存储介质包含控制处理器执行这些方法的指令。

此外，提供了一种系统，包括：

(i)开关，当开关闭合时，来自电力线的噪声通过该开关；当开关打开时，噪声不可通过该开关；

(ii)放大器，设于开关之后，其产生放大的输出量；

(iii)通道，其具有：

(a)滤波器，在特定频段内，其上有放大了输出的频谱组分通过，从而产生经滤波后的输出；以及

(b)检波器，多次检测经滤波后输出的值，从而产生一系列的值；以及

(iv)处理器：

(a)当开关打开时，该处理器确定该一系列值中的最小值，从而获得第一底线值；

(b)当开关闭合时，该处理器确定该一系列值中的最小值，从而获得第二底线值；以及

(c)确定第二底线值和第一底线值之间的差值，从而产生超出值，该超出值表示电力线噪声的过量值，该电力线噪声大于放大器噪声。

附图说明

图1表示设置多个组件的配电系统的一部分，这些组件用于检测配电系统中电缆线上的局部放电(PD)。

图2是PD检波器的方框图。

图3表示配电系统的一部分，其包括耦合器和PD检波器的网络，用以检测该配电系统内多个位置的局部放电。

图4是用于PD检波器单个频道的电力频率信号单个循环周期的背景噪声的曲线图。

图5A是PD检波器频道输出处的信号曲线图，其中该信号包括单个PD脉冲。

图5B是与图5A中同一信号的超出阈值的数据点的曲线图。

图6A是记录两个PD脉冲的曲线图，这两个PD脉冲在PD检波器的频道中捕获。

图6B是与图6A中相同的两个PD脉冲的曲线图，这两个PD脉冲在PD检波器的另一频道中捕获。

图7是采样信号的曲线图，其中每个采样值表示在电力频率的单个循环周期的单个频道或PD检波器中的一个独立的时间块，例如4个相位。

图8是状态机的状态图，其控制PD检波器中最大保持模式和单个循环模式之间的转换。

图9是峰值电流记录器的原理示意图。

在多幅附图中，共同的组件或特征都采用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

在电力线通信系统中，电力频率范围通常是50至60赫兹(Hz)，并且数据通信信号频率大于1兆赫兹(MHz)，通常范围是1至50兆赫兹(MHz)。用于电力线通信的数据耦合器，与电力线和通信装置，如调制解调器之间的数据通信信号耦合。

这种数据耦合器的一个示例是电感耦合器，包括磁芯、以及缠绕磁芯一部分的线圈。磁芯由磁性材料制成并且其中包括一孔。电感耦合器像变压器一样运行，并且其位于电力线上，使得电力线穿过该孔并充当变压器的初级线圈，同时该电感耦合器的线圈充当变压器的次级线圈。通过该磁芯，在电力线和次级线圈之间耦合数据通信信号。该次级线圈依次与通信装置耦合。

对电感耦合器的另一种使用，是将电感耦合器围绕相线或中线放置，并感应由局部放电(PD)产生的高频能量。功能组合实现的协同作用，包括电缆和绝缘子状况的持续感应，以及数据通信，是非常有优势的。

电容耦合器也可以用于局部放电感应及通信。然而，高压电容器本身易受其内在的局部放电的影响，难以将其内在的局部放电与电缆或绝缘的局部放电区别开来。因此，尽管电容耦合器也可以用于感应局部放电，但电感耦合器更适合本发明任务。

图1示出了配电系统100的一部分，该配电系统100设有多个组件，用以检测配电系统100中电缆上的局部放电。配电系统100包括中压地下电缆，即，电缆105；配电变压器101、接地棒118、电感耦合器，即，耦合器120，以及局部放电(PD)检波器130。

耦合器120包括具有贯通孔(未示出)的磁芯(未示出)。耦合器120用作变压器，并且其位于电缆105上，使得电缆105穿过该贯通孔并用作耦合器120的初级线圈。耦合器120还包括次级线圈，其具有经由电缆125接至PD检波器130的引线。电缆105具有多条同轴中线110，这些同轴中线110绞合在一起形成股线112，并且这股线穿过该贯通孔连接至接地棒118。

这股线112穿过贯通孔，导致没有了中线电流感应进入耦合器的次级。该网导致耦合器120感应电缆105的相线中的电流，包括电力频率电流，以及局部放电和“侵入”引起的电流。感应到的电流在耦合器120的次级线圈处是有效的，从而经由电缆125也作为一个信号出现。

作为电缆105上耦合器120的另一种配置，或当电缆105不包括同轴中线110时，例如，在多相电力电缆中的情况下，耦合器120可被直接放置在相线的绝缘体106上。在这种情况下，优选地，耦合器120应被包在结实且接地的导电屏蔽罩之内，该屏蔽罩能够将故障电流引向大地，除非相线的绝缘体已经失效。另一种方式是，耦合器120还可以放置在股线112之上。

配电变压器101由电缆105经过弯头连接器107供电。配电变压器101具有连接至接地棒118的中线115，以及次级终端140。从次级终端140，配电变压器101供应具有电力频率的低电压。在电缆105上的电压(和电流)的相位，和次级终端140上的低电压的相位之间，有一种基本固定的相位关系。这种相位关系随配电变压器101上的负载变化而稍微改变。

PD检波器130通过电缆125接收来自耦合器120的感应电流，并且通过电缆145接收来自次级终端140具有电力频率的低电压。该具有电力频率的低电压为PD检波器130提供了相位参考。PD检波器130处理来自耦合器120的感应电流，以检测电缆105中的局部放电，并且提供一输出135，该输出连接至通信链路(图1中未示出)，允许将持续的局部放电监测数据流传送至远程监测站(图1中未示出)。

耦合器120也可充当电力线通信数据耦合器。也就是，电缆125也可连接至通信装置，如调制解调器(图1中未示出)，并且耦合器120被用于耦合电缆125和该通信装置之间的数据通信信号。

图2是PD检波器130的方框图。PD检波器130包括开关205、峰值电流记录器211、放大器210、微控制器240、触发电路270、以及一组被分成五个通道的组件，即通道CH1、CH2、CH3、CH4、及CH5。微控制器240包括多路转换器245、模数转换器(A/D)265、处理器250、以及存储器255。

处理器250设有能够响应并执行指令的逻辑电路。

存储器255是采用计算机程序编码的计算机可读介质。就这一点而言，存储器255储存可被处理器250读取并执行的数据和指令，用于控制处理器250的操作。存储器255可以是随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、只读存储器(ROM)或它们的组合。存储器255中的一个组件是程序模块260。

程序模块260包含被处理器250读取的指令，使得处理器250执行PD检波器130所使用方法的动作。在此所用的术语“模块”是表示包含独立元件或多个次级元件的集成组件的功能性操作。因此，程序模块260可以是单个模块或相互配合操作的多个模块。再者，尽管程序模块260在此被描述成设于存储器255中，并被设置在软件中，但其也可以设置在任何硬件(如电子电路)、固件、软件、或它们的组合之中。

当表明程序模块260已加载到存储器255时，为了后续能加载到存储器255，程序模块260可以设置在存储介质275上。存储介质275也是采用计算机程序编码的计算机可读介质，同时可以是任何传统的非闪存介质，这种非闪存介质以有形形式在其上存储程序模块260。存储介质275可以在介质，如软盘、光盘、磁带、只读存储器、光存储器介质、通用串行总线(USB)闪存盘、数字多功能光盘、或极碟驱动器中执行。另一方面，存储介质275也可以设置于随机存储器、或是其它类型的电子存储器件，这些器件位于远程存储系统(未示出)中，并通过网络(未示出)与存储器255耦合。

通道CH1由带通滤波器215A，对数(log)检波器220A，峰值检波器225A，和采样及保持器(S/H)230A组成。通道CH2至CH5的每个通道的配置组成都与通道CH1类似，包括带通滤波器215B-215E，对数检波器220B-220E，峰值检波器225B-225E，和采样及保持器230B-230E。在一种优选的实施方式中，带通滤波器215A-215E是表面声波(SAW)过滤器。

如图所示，开关205处于打开状态，但是当它闭合时，它从电缆125(参见图1)耦合信号206到放大器210。信号206包括通过耦合器120感应到的电力频率电流及局部放电和“侵入”引起的电流。放大器210放大信号206，并输出信号212。所以，信号212是放大了的信号206。信号212被传递到通道CH1至CH5的每个通道中。

每个带通滤波器215A-215E都被调谐成不同的中心频率并且拥有一个很宽的带宽(如1兆赫兹MHz)。因此，通道CH1至CH5的每个通道，在不同的频带上，都可从耦合器120中“听到”信号。一个或多个带通滤波器(如215A)具有低的中心频率，对此，电缆105不会明显的减弱局部放电，而其它带通滤波器(如215E)具有高的中心频率，对此，每单位距离的衰减较为显著。因此，带通滤波器215A-215E优选地是选择避开已知侵入源的频率，如无线电广播。

考虑通道CH1。带通滤波器215A接收信号212，并传递带通滤波器215A的通带范围之内的信号212的频率，产生信号217A。对数检波器220A收到信后217A后，将其转换为一个对数形式，称为信号222A。峰值检波器225A接收到信号222A后，检测其峰值，产生信号227A。采样及保存器(S/H)230A采样并保持信号227A的峰值，产生信号235A。

PD源可以靠近PD检波器130并产生一个强信号，或者PD源远离耦合器120并产生一个弱PD信号，并且该弱PD信号沿着电缆105传播而很快衰弱。因此，PD信号的幅度能够跨越一个宽的动态范围。相应地，信号206、212和217A，也可以覆盖一个宽的动态范围。对数检波器220A能够处理具有宽的动态范围的信号217A。尽管如此，为了计算方便，在此所描述的参数也可以从线性化而不是对数化的振幅或其他非对数函数中计算得出，该其他非对数函数压缩了振幅。

通道CH2至CH5的操作类似于通道CH1，并分别产生信号235B-235E。

触发电路270通过电缆145接收到具有电力频率的低电压，称作信号269，并产生电力线同步信号272。或者，触发电路270不接收信号269，而是可以接收信号212，并从信号212中提取电力频率组分。不管怎么说，电力线同步信号272显示出电力频率每个循环的一个脉冲，如每60Hz循环的一个脉冲或每50Hz循环的一个脉冲。

微控制器240接收到信号235A-235E和电力线同步信号272。信号235A-235E输入到多路转换器245，并有选择地从多路转换器245输出端传递到A/D 265。A/D 265将信号235A-235E转换成数字信号并传递到存储器255。多路转换器245的操作，以及信号235A-235E的路径和选择，将在下文中进一步描述。

微控制器240通过控制线242控制开关205，并且同时控制S/Hs 235A-235E。信号235A-235E是模拟信号。S/Hs 235A-235E的目的是保持信号235A-235E在短时间内的稳定模拟信号值，从而信号235A-235E可通过多路转换器245发送，并通过A/D 265转换成有序的数字信号。

考虑信号235A。包含一批信号235A样本的数据通过A/D 265被数字化。具体描述如下，假设这批样本包含了90个值，每个值代表了4度相位间隔，因为一个电力频率循环周期总共为360度，如：90度等于360度/4度。这样，每个间隔，可定义为一个时间块，为1/60/90秒，或对于60Hz电力频率，为185.19μs(百万分之一秒)，或对于50Hz电力频率，为222.22μs(百万分之一秒)。这个时间测定是通过微控制器240里的一个计时器(未显示)，从电力线同步信号272中获得。一批信号235A样本中的第一个样本，经信号272中的逻辑转换触发，该信号272出现在信号269的正向交叉零点之后，即，具有电力频率的低电压。每个这种数据样本与信号217A振幅的峰值的对数成比例，即，带通滤波器215A在每个时间块内的输出。将这90个样本值发送到存储器255中。因此，对于单个电力频率循环周期，微控制器240从通道CH1中获得了90个值。

微控制器240，尤其是处理器250，根据程序模块260，来控制S/Hs 230A-230E和多路转换器245，获取通道CH1至CH5中每个通道的90个值，评估这些值，以描述多个PD脉冲中的一个PD脉冲的特征，并且通过输出135来给出评估结果。微控制器240可以获取单个电力频率循环周期中的这些值，或在特定环境下，如下所述，获取多个电力频率循环周期中的这些值。

图3是对配电系统，即：系统300，的一部分的说明，其包括了一个耦合器和PD检波器的网络，设置为在系统300内的多个位置检测局部放电。系统300包括了配电变压器303，329和349，电力电缆320，340和355，耦合器302，332和352，以及PD检波器304，333和353。配电变压器303，耦合器302和PD检波器304被安排在305位置。配电变压器329，耦合器332和PD检波器333被安排在330位置。配电变压器349，耦合器352和PD检波器353被安排在350位置。系统330也包括了监测站365。

主要的配电变压器303，329和349由电缆320，340和355设置成一串来输送，其通过电缆355供电。配电变压器329从电缆340获得供电，并通过电缆320传递电量至下游。

每个PD检波器304，333和353，类似于PD检波器130运作，如上所述，并且分别通过输出310，335和360提供结果。

耦合器332可以连接至通信节点(未示出)，该通信节点设置为转发器。这种节点可以合并至PD检波器333。类似地，耦合器302可以连接至通信节点，该节点可以合并到PD检波器304，同时耦合器352可以连接至通信节点，该节点可以合并到PD检波器353。

监测站365包括处理器379、用户界面375，和存储器380。处理器370配置为逻辑电路，该逻辑电路响应并执行指令。存储器380包括在程序模块385中的指令，这些指令可被处理器370读取，并且当处理器370读取时，将使处理器370执行监测站365所使用方法的动作。当程序模块385表示为已加载到存储器380时，为了后续能加载到存储器380，其也能设置在存储介质390上。存储器380可以应用在任何描述过的、针对存储器255的实施方式中，以及存储介质390可以应用在任何描述过的、针对存储介质275的实施方式中。

用户界面375包括一个输入设备，如键盘或语音辨识子系统，用于使用户与处理器370进行信息交流和命令选择。用户界面375还包括输出设备，如显示器或打印机。光标控制器如鼠标、跟踪球、或操作杆，允许用户操作显示器上的光标，从而与处理器370进行其它信息交流和命令选择。

在系统300中，由于PD检波器304、333和353中每个都处于不同的位置305，330和350，系统300获得电力线状态的指示，检测每个位置305，330和350。监测站365接收到输出310，335和360(图3，通过泡A、B和C的耦合连接)，基于此，确定电缆或设备是否已损坏。通过用户界面375，监测站365给出一份报告，该报告指出需要紧急修复或预先维护的地方。

与PD无关的是，一根老化的电缆也可能会遭受到瞬间高电流脉冲，例如：该瞬间高电流脉冲的范围在1毫秒至500毫秒，就像可预计到的越过其自身的电弧或其他临时短路情况。

再次参考图2，这种脉冲将被峰值电流记录器211测得(详见图9所示)。峰值电流记录器211通过电缆125从耦合器120接收到电压，其与电缆105的相线中的电流成比例。峰值电流记录器211测得电缆105中最大瞬时电流，并且以该最大瞬时电流作为输入，提供给多路转换器245。峰值电流记录器211用于峰值电流测量期间，这将在本发明的下文中进行描述。

下面，我们将考虑多个评估局部放电的参数。

噪声基底参数

同样参考图1和2

带通滤波器215A-215E的带通频率优选地应尽量避免选择有效的通信频带或广播频带，即，显著的侵入来源。虽然如此，发送器在滤波器波裙的频率中可以是有效的，例如在带通滤波器215A的波裙中，其中，滤波器的衰减不足以将侵入信号幅度降低至可以忽略的值。

数据的记录可以通过电力频率单个循环周期或电力频率多个循环周期来实现，其中，这些循环周期不一定是连续的。对单个循环周期的记录，在此指定为“单个循环模式”。对多个循环周期的记录，例如，5个循环周期，可以作为“最大保持”，类似于作用在频谱分析仪上的“最大保持”，因此，对多个循环周期的记录，在此指定为“最大保持模式”。在“最大保持模式”中，对于每个时间块，用于该时间块的最大振幅被保持在多个样本之中，这些样本记录在多个扫描或循环中。

一种用于区分线路频率同步性局部放电信号与其它信号的技术，包括测量每个通道输出的内在噪声基底。例如，通道CH1的内在噪声基底表示由放大器210产生的内在噪声，该内在噪声落入带通滤波器215A的通带范围之内。这种测量是在开关205处于打开位置时进行的，如图2所示。

处理器250控制PD检波器130，并根据程序模块260中的指令评估噪声基底。

图4是用于PD检波器130的单个通道，即：通道CH1的电力频率信号的单个循环周期的内在背景噪声，即：噪声405的曲线图。噪声405表示通道CH1的内在噪声，即，其中开关205是打开的。相轴，即X轴，表示电力频率的相位，其范围为0至360度表示单个循环周期，例如60赫兹(Hz)的电力频率，每度为16.6毫秒(ms)。零度表示电压的正向零点交叉相位。图4中的曲线表示90个离散数据值，然而，为了清楚起见，画一条线，连接该90个的数据值。

通道的噪声基底的底部，称作底线410，其被定义为90个样本中的最小值。在图4中，底线410为36分贝(dB)，0dB表示由系统增益和检波器特性决定的固定功率电平。由于本分析中未采用绝对信号电平，因此所有信号电平都是指超过一个固定参考电平的分贝(dB)。

即使不连接耦合器，即，开关205打开，每个通道的瞬时输出，例如信号235A，在最低底线410的值之上浮动。该浮动的振幅主要取决于通道的内在噪声及其滤波器的带宽。例如，在图4中，噪声405从36dB的低点浮动至43dB的高点。这一浮动被称为噪声浮动420，并且其具有7dB的值，即，43dB减去36dB等于7dB。阈值430被定义在一个水平上，不希望内在背景噪声超出该水平。在图4中，阈值430是在44dB处，其略高于底线410和噪声浮动420之和。

在下文所述的方法中，在开关205打开时测量噪声基底，并且在开关205闭合时也测量噪声基底。开关205打开时执行的测量被称作“初始底线410”，开关205闭合时执行的测量被称作“当前底线410”。

在优选的实施方式中，对数检波器是包络检波器，其0dB参考水平设置在背景噪声水平之下，在这种情况下，其输出是单极性的，如，通常输出是正的。正因如此，对数检波器220A的输出大于或等于零，因此，信号235A也大于或等于零。然而，当开关205闭合时测量噪声基底，如果PD脉冲是存在的，仅在单个时间块内，该PD脉冲将会进一步正向增大信号235A的振幅。在大多数PD脉冲中，它们出现的时间块不同于背景噪声的最低值410出现的时间块。正因如此，开关205闭合时，不管是否存在PD脉冲，底线410的测量都应大致接近同一低数值。

PD脉冲通常不出现在电力频率相的特定相位间隔上。换句话说，与电力线不同步的信号常常具有连续的载波，从而提高底线410。通过周期性监测底线410的值，以获取当前底线410值，并将其与开关205打开时测得的初始底线410进行对比，在安装PD检波器130时及后续监测期间内，微控制器240可以评估特定通道上的信号是否包含大量侵入的信号。

对于通道CH1至CH5的每个通道，底线410可以是不同的，并且对于单个循环模式与最大保持模式的单个通道，底线410也可以是不同的。最大保持模式对于与电力线频率不同步的侵入会很敏感，尤其是当这种侵入是脉冲信号、而不是连续信号的时候。

当开关205打开时，为通道CH1至CH5的每个通道测量初始底线410，并且当开关205闭合时，为通道CH1至CH5的每个通道测量当前底线410。

对于给定通道，如果当前底线410高于初始底线410，这就意味着通道内有某种程度的侵入。如果当前底线410明显高于初始底线410，例如大于5dB，则该通道遭受到大量侵入，并且可以被认为局部放电的检测不灵敏。因而，为补偿这较高的底线410，可以增大超出于底线410之上的脉冲振幅。当该增大幅度相当大时，例如10dB，通道将不再适合检测局部放电。

因此，在PD检波器130测试输出量期间，且PD检波器130的内部噪声水平引起关注时，处理器250将评估底线410。在PD检波器130的场配置中，处理器250评估底线410，以检测特定通道上的侵入，如果检测到大量侵入时，会将该通道移除，不再具有对局部放电测量或定位的资格。

因此，本发明提供了一种系统，包括：

(i)开关，当其闭合时，来自电力线的噪声通过该开关，而当其打开时，噪声不可通过该开关；

(ii)放大器，设于开关的下游，其产生放大的输出量；

(iii)通道，其具有：

(a)滤波器，在特定频带内，其上有传输了放大的输出的频谱组分通过，从而产生经滤波后的输出；以及

(b)检波器，多次检测经滤波后输出的值，从而产生一系列的值；以及

(iv)处理器：

(a)当开关打开时，该处理器确定这一系列值中的最小值，从而获得第一底线值；

(b)当开关闭合时，该处理器确定这一系列值中的最小值，从而获得第二底线值；以及

(c)确定第二底线值和第一底线值之间的差值，从而产生超出值，该超出值表示电力线噪声的过量值，该电力线噪声大于放大器噪声。

最大峰值振幅

图5A是通道输出处的信号曲线图，其中信号包括信号局部放电脉冲，即：PD脉冲540。

图5B是图5A中同一信号超出阈值430的数据点的曲线图。图5B是由图5A得到的。从图5A开始，所有数据点减去阈值430，即44dB，并且负值都设为零。然后，PD脉冲540A出现在水平基底之上，如图5B所示。

同样参照图3中的系统300。对于给定的PD检波器，在单个电力频率循环周期中，没有一个或多个PD脉冲可能出现。

考虑到位置330处的PD检波器333。假定其通道中的一个通道被指定为通道M，并且其通道中的另一个通道被指定为通道N。通道M和N具有不同的中心频率。同样考虑到出现在系统300中某处的独立PD脉冲，该独立PD脉冲可能包括一些落入通道M带通范围之内的频谱能量，以及一些落入通道N带通范围之内的频谱能量。

图6A是两个PD脉冲记录的曲线图，这两个PD脉冲在PD检波器333的通道N中被捕获。这两个脉冲被分别指定为PD脉冲605和PD脉冲610。PD脉冲605出现在大约80度的相位处，PD脉冲610出现在大约265度的相位处。

图6B是如图6A中所示的同样两个PD脉冲记录的曲线图，也就是，一个脉冲大约为80度且另一个脉冲大约为265度，在PD检波器330的通道M中被捕获。在图6B中，这两个脉冲被指定为PD脉冲615和PD脉冲620。

为了清楚起见，这两个PD脉冲的每个脉冲都在通道N和通道M中被捕获。这两个PD脉冲的第一脉冲，出现在大约80度，在通道N中作为PD脉冲605被捕获，并且在通道M中作为PD脉冲615被捕获。这两个PD脉冲的第二脉冲，出现在大约265度，在通道N中作为PD脉冲610被捕获，并且在通道M中作为PD脉冲620被捕获。

在通道N中，即图6A，PD脉冲605具有比PD脉冲610更大的振幅。在这种情形下，PD脉冲605具有最大振幅，即24dB，称作Vpeak_N，并予以记录。该最大振幅采样的相位，即80度，称作Φ_Ν，也予以记录。因此，通道N的峰值PD脉冲由数据对(Φ_Ν,Vpeak_N)表示。该同一PD脉冲也是通道M中的最大振幅采样(参照附图6B)。更具体地是，PD脉冲615具有10dB的振幅，由数据对(Φ_Μ,Vpeak_M)表示。Φ_Μ与Φ_Ν相等，表示两个通道，M和N，在它们各自的频带中，记录同一PD脉冲。

现在考虑位置305处的PD检波器304以及位置350处的PD检波器353。三个PD检波器304、333和353中每个PD检波器都包括通道M和通道N，并记录了同一相位即80度的最大振幅。以实施例的方式，我们假定通道M的中心频率大于通道N的中心频率，并且它们的最大峰值振幅如表1所示。

表1在背景噪声电平(dB)之上PDM最大峰值的振幅

来自每个PD检波器304、333和353的数据被传输至监测站365，并且在该监测站365中处理表1中的数据。

系统300中的局部放电(PD)源产生PD脉冲，该PD脉冲的最大频率组分减弱至小于PD检波器304、333和353检测到的所有PD脉冲。所以，在监测站365处执行的PD源位置的第一近似法是(a)在局部放电存在的情况下，为一组相邻PD检波器确定最大频率通道；在这种情况下，该组PD检波器包括PD检波器304、333和353，并且通道M是具有最大频率的通道，(b)从该最大频率通道中获得最大峰值，在这种情形下，通道M具有数值5dB、10dB和7dB，以及(c)选择具有这些数值中最大值的PD检波器作为最接近PD源的PD检波器，在这种情况下，位置330处的PD检波器333具有最大值，即10dB。因此，PD源最有可能靠近位置330。

因此，本发明提供一种方法包括(a)测量电子电缆上感应到的局部放电脉冲的第一频谱组分的最大振幅，(b)确定该电力电缆上产生该第一频谱组分最大振幅的电力频率信号的相位，(c)测量电子电缆上感应到的局部放电脉冲的第二频谱组分的最大振幅，以及(d)根据第一频谱组分的最大振幅和第二频谱组分的最大振幅之间的关系，确定电力电缆上出现局部放电脉冲的位置。

局部放电(PD)总和

补充最大峰值振幅参数，是表示局部放电的放电程度的参数，在此称作“PD总和”，并定义为：超出单个通道的单个循环周期内采样的阈值430的振幅值之和，参见图5B。在图6A中，PD总和表示PD脉冲605之下的区域和PD脉冲610之下的区域之和。PD总和会跟随这两个PD脉冲的振幅和持续时间增大。

图7是采样信号的曲线图，其中每个采样表示在用于电力频率的单个循环周期的PD检波器的单个通道中单独的时间块，如4度的相位。对于第一PD脉冲，在80度的相位处获得采样705并在84度相位处获得采样710。因此，第一PD脉冲具有比一个时间块更长的持续期。对于第二PD脉冲，在264度的相位处获得采样720以及在268度的相位处获得采样715。因此，第二PD脉冲也具有比一个时间块更长的持续期。在图7中，PD总和等于采样705、710、715和720的振幅值之和。

给定故障位置的PD在给定循环周期期间，通常产生零次、一次或最多两次放电。但是，在不同的循环中，PD脉冲的相位会有一些度数变化，例如，第一循环中的86度和第二循环中的90度。经历若干个循环周期的最大保持模式记录会捕获发生在不同相位角的多次放电。

与单个循环模式相比，当使用最大保持模式时，PD总和是更灵敏的局部放电指示器。这是因为，在单个循环模式，只考虑电力频率的信号循环，并且如果在该单个循环期间没有发生局部放电，则检测不到局部放电。但是，即使在间歇性局部放电条件下，局部放电也只出现在一些循环周期上，而不是所有循环周期上，通过使用最大保持模式，PD总和将不为零。

随着PD源(如电缆、连接器等)的恶化，PD脉冲将出现在较低的瞬时电压水平处，从而在较宽的相位范围产生放电分布。因此，最大保持模式记录的PD总和，开始时，是作为电缆的较小值，仅在电压峰值(如90度或270度)处放电，但随着电缆的恶化，放电的相位扩展成比例地增长。因而，最大保持模式记录的PD总和对PD振幅和相位扩展非常敏感。

在最大保持模式记录期间，PD总和可能从单个数字值，如偶然的单个PD脉冲，变成几千个，例如每个循环周期中剧烈的局部放电。在方便用户范围内表述PD总和的一种便利方式是采用“PD强度”，这里定义为20log(PD总和+1)。PD强度通常的范围从0至大约70，并且最大保持模式的PD强度大于单个循环模式记录的PD强度。通过在最大保持模式测量到的PD强度减去补偿因子，在最大保持模式测量到的PD强度，可与在单个循环模式测量到的PD强度对比。

例如，最大保持模式中的PD强度可能是35，而该同一信号在单个循环模式下测量其PD强度为21。通过最大保持测量值减去14，得到值21，该值等于在单个循环模式中获得的值。

因此，本发明提供了一种方法，包括(a)通过在所述电力电缆上电源信号循环周期的多个相位，测量电力电缆上感应到的局部放电(PD)脉冲的频谱组分的峰值振幅，(b)从所述峰值振幅中减去背景噪声电平，从而产生合成振幅，以及(c)将所述合成振幅相加，从而产生PD总和，该PD总和表示在所示电力电缆上PD活动的幅度。

最大保持-单个循环状态机

如上所述，PD脉冲的记录可以在单个循环模式或最大保持模式中执行。对于电力电缆和仅开始出现局部放电的装置，PD脉冲不会出现在电力频率信号的大多数循环中。因此，单个循环模式不能检测任何的局部放电，尤其是当该局部放电是每隔几分钟一次时。因此，在最初，采用最大保持模式的优势是，在多个循环周期之上，如5个循环周期，检测最高信号点。

随着PD源，如电力电缆或装置，的恶化，并且局部放电变得更普遍时，最大保持模式会倾向于显示在不同循环周期上记录到的、大量的放电重叠。也就是，PD脉冲通常出现在多个循环的每个循环中同一相位处，并因此重叠，所以，最大保持模式的PD总和不增加。然而，随着PD源进一步恶化，这些放电的相位扩展通常会增大。例如，PD脉冲起初出现在90度，并随后扩展至包括一个从86度至94度的范围。正因为如此，多数高振幅点易于使记录达到饱和。在这种情形下，单个循环模式需要一个开关。当之后局部放电减少时，PD检波器优选地会切换至最大保持模式。

因此，如果PD活动是低水平的，PD总和也变小，并且最大保持模式更适合于记录该PD活动。如果PD活动是高水平的，PD总和也变大，并且单个循环模式更适合于记录该PD活动。最大保持模式和单个循环模式之间的自动转换，增加了PD检波器的动态范围，并允许对波的波形分析既不会空白，也不会饱和。

在PD总和的某些阈值水平处，采用状态机在两种记录模式之间“切换”，其中，引入滞后量来防止超出转移。为对两种模式使用可比较的尺度，可以用最大保持模式测得的PD总和除以一个补偿因子。

图8是状态机的状态转换图，该状态机控制PD检波器130(如图2所示)内最大保持模式和单个循环模式之间的转换。该状态机可以在微控制器240内应用，例如，通过处理器250、根据程序模块260中的指令运行。

在最大保持模式下进行记录。在最大保持模式记录开始时，PD总和清空为零，并且为多个电力频率循环周期，如5个循环周期，执行记录。在该记录之后，根据记录期间所获得的数据计算PD总和。如果PD总和除以补偿因子的所得值大于数值500，则PD检波器130转换至单个循环模式。如果PD总和除以补偿因子的所得值小于或等于500，则PD检波器130保持在最大保持状态。

在单个循环模式中，开始记录时，PD总和清空为零，并且为单个电力频率循环执行记录。在记录之后，根据记录期间所获得的数据，计算PD总和。如果PD总和大于或等于300，则PD检波器130保持在单个循环模式。如果PD总和小于300，则PD检波器130转换至最大保持模式。

原始数据规模-线性或对数的

如上文所定义的PD参数，也就是底线、噪声浮动、最大峰值振幅、PD总和以及PD强度，在单个循环模式和最大保持模式都可以计算出。每个数据采样(如信号235A的采样)的值与带通滤波器(如，带通滤波器215A)的输出(如，信号217A)的对数成比例。或者，这些值可以直接与滤波器输出(如，信号217A)的振幅成比例。

警报标准(尤其是，关于快速变化的警报)

再次参照图3，如上文所述的多个参数，即底线、噪声浮动、最大峰值振幅、PD总和以及PD强度，都与监测站365通信，以定位馈电线上一个或多个的故障点，以及随着电缆和装置的恶化，考虑日常维护的时间表，可很好地预防故障。通过避免断电和避免昂贵的大量电缆替换，将昂贵的紧急服务减至最少，那些所谓需要替换的电缆，其实可能还可以继续提供很多年的可靠服务。

排遣线路维护人员去维修或替换电缆和装置，每次都是一项较大的开支，因此，定义产生真实警报的标准也很有用。警报使管理者在断电之前，注意到特定的位置。上文所述的一个或多个参数，根据是否超出绝对阈值，可产生一个警报，称作“水平警报”；并且根据是否超出增量阈值，独立地可产生另一个警报，称作“变化警报”。

在安装PD检波器的阶段，将多个通道的局部放电(PD)水平都储存于存储器中。远在绝对阈值达到之前，也就是，远在水平警报出现之前，将产生变化警报，以响应在一个或多个通道上PD参数的增加，并且更新一个新的PD水平，将该值储存至存储器中。短时间内重复出现变化警报可以被理解为表示一个快速老化的电缆，并且需要引起管理员对嫌疑位置的注意。

例如，如果PD检波器333(如图3所示)的通道1至5中任何通道的PD强度达到或超过数值40，则将向监测站365发送水平警报。单独地，一旦PD强度从之前测量的水平显著增大(例如，从23增加至33，即，增大10)，则将向监测站365发送变化警报。

峰值电流测量

如上所述，老化的电缆也可能遭受非常短暂且较大的电流脉冲，例如：可预计到的越过其自身的电弧或其它临时短路情况，并且这种脉冲可由峰值电流记录器211(如图2所示)测量得到。再次参照附图3，PD检波器304、333和353的每个检波器也都包括峰值电流记录器211。

利用电感耦合器302、332和352、PD检波器304、333和353、以及将该PD检波器304、333和353连接至监测站365的数据通信基础设施，例如通过电力线通信、无线通信或其他媒介通信，每个PD检波器304、333和353将记录电流脉冲的电平。一旦电流脉冲超出一定水平，例如电缆的最大额定电流值，则它们各自的微控制器240将(通过其输出135)向监测站365发送警报。监测站365依次被监控，例如被人监控，发送至监测站365的警报也会被评估，决定是否进行电力电缆维修。

考虑到电缆短路的情形，将导致由电力电缆供电的所有消费者断电。每个PD检波器的峰值电流检波器将测量PD检波器位置处电缆的电流。在短路的上游位置，即，电缆的馈电点和PD检波器之间，将测量到非常高的故障电流，而在PD检波器的下游，将测量到正常的负载电流，直至某些保护装置，如保险丝，与来自其馈电点的电缆断开连接。沿着电缆线测量到的电流的类型可以指示出短路的大概位置。但是，如果PD检波器不能在其自身由于故障而掉电之前传递该信息，则这一信息可能会丢失。

在优选的实施方式中，每个PD检波器，例如PD检波器304，具有其自身的后备电源，如电池(未示出)，该后备电源可以保证PD检波器304在一时间段内的操作，该持续的时间段足以使PD检波器向监测站365发送警报。对于沿着电力线设置的多个PD检波器304、333和353，峰值电流的类型将在断电之前指示出短路故障的位置。例如，电力输入位置和故障位置之间的PD检波器将测量故障电流，而故障范围之外的PD检波器仅能检测到正常的负载电流。

本发明提供了一种方法包括(a)在电力电缆上的第一位置，测量超出阈值的第一电流的第一幅度，(b)在电力电缆上的第二位置，测量未超出阈值的第二电流的第二幅度，以及(c)根据第一幅度和第二幅度之间的关系，确定电力电缆上的故障位置。该阈值可以设定为电力电缆的最大额定电流值。第一电流和第二电流可以是持续一段时间的连续电流，或者它们可以是瞬时电流，持续时间的范围大约为1毫秒至500毫秒。处理器370依照程序模块385执行该方法。

图9是峰值电流记录器211(参照附图2)的原理示意图。峰值电流记录器211包括放大器和低通滤波器，即放大-滤波器905，以拒绝侵入和局部放电；对电流峰值的任一极都同样灵敏的全波整流器910；将信号送至A/D转换器的输入范围的放大器915，以及峰值检波器920。峰值检波器920具有电容C44，其充当模拟存储器，并存储最近一次记录的最大值，该值被转换至数字数据存储器。

在正常操作中，峰值电流值将等于馈电线电流乘以波峰因子的均方根(rms)值，等于正弦波形的二的平方根。典型的电缆额定电流为200安培rms，正常峰值电流值可以达到282安培。任何超出于该值的值都会发出警报到监测站365。

在此所描述的技术都是示范性的，并且不能被解释为是对本发明公开内容的任何特定限制。应当理解的是，本领域技术人员可以作出各种各样的改变、组合及修正。例如，以任何顺序执行本文所述的方法的步骤，除非是这些步骤本身指定或规定。本发明意图囊括所有的这种改变、修正及变形，这些改变、修正及变形将落入所附权利要求的保护范围。

术语“包括”或“包含”应被理解为指定存在的所述特征、整体、步骤或组分，但不排除存在一个或多个其他特征、整体、步骤或组分或它们的组合。

Claims (2)

1.一种用于确定在电力电缆上的故障位置的方法，包括：

在电力电缆上的第一位置，测量超出阈值的第一电流的第一幅度；

在所述电力电缆上的第二位置，测量未超出阈值的第二电流的第二幅度；以及

根据所述第一幅度与所述第二幅度之间的关系，确定在所述电力电缆上的故障位置，

其特征在于，所述第一电流和所述第二电流是瞬时电流，其持续时间的范围为1毫秒至500毫秒。

2. 一种用于确定在电力电缆上的故障位置的系统，包括：

处理器；以及

存储器，所述存储器储存可被所述处理器读取的指令，并且当指令被所述处理器读取时，将使所述处理器执行以下动作：

在电力电缆上的第一位置，测量超出阈值的第一电流的第一幅度；

在所述电力电缆上的第二位置，测量未超出阈值的第二电流的第二幅度；以及

根据所述第一幅度与所述第二幅度之间的关系，确定在所述电力电缆上的故障位置，

其特征在于，所述第一电流和所述第二电流是瞬时电流，其持续时间的范围为1毫秒至500毫秒。