CN111095000A - 使用电容耦合电压互感器进行的高保真度电压测量 - Google Patents

使用电容耦合电压互感器进行的高保真度电压测量 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于检测电力输送系统中的行波的系统和方法。在一个实施例中，系统包括与电力输送系统电气通信的电容耦合电压互感器(CCVT)，该CCVT包括电容器堆叠和到第一接地连接的电触头。电流互感器布置在电容器堆叠和第一接地连接之间。电流互感器提供对应于与CCVT相关联的电流的电信号。与第一电流测量设备电气通信的智能电子设备(IED)基于来自电流互感器的电信号生成电压信号。IED基于第一电压信号来检测行波；并分析行波以检测电力输送系统上的故障。

Description

使用电容耦合电压互感器进行的高保真度电压测量
技术领域
本公开涉及在电容耦合电压互感器(CCVT)上使用一个或两个电流互感器来在电力输送系统中获得高保真度电压测量。
附图简述
描述了本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括参考附图的本公开的各个实施例，其中：
图1示出了符合本公开的包括CCVT的系统的简化图。
图2示出了符合本公开的实施例的包括寄生电容的CCVT系统的简化电路图，该寄生电容以虚线示出并且与调谐电抗器和降压互感器相关联。
图3示出了符合本公开的实施例的具有安装在接地点306附近的低比率电流互感器的CCVT电容分压器堆叠的示意图。
图4示出了符合本公开的实施例的监测穿过CCVT堆叠的电流i的系统400的简化电路图。
图5示出了符合本公开的实施例的监测穿过CCVT堆叠的电流i的系统的简化电路图。
图6示出了符合本公开的实施例的基于在CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统的简化图。
图7示出了符合本公开的实施例的基于在CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统的简化图。
图8示出了符合本公开的实施例的基于在CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统的简化图。
图9示出了符合本公开的实施例的利用在用于发出警报和/或控制行动的系统中的高保真度电压信号的系统的功能框图。
图10示出了符合本公开的实施例的相对于CCVT一致的系统的布置的表示。
图11示出了符合本公开的实施例的相对于CCVT一致的系统的布置的表示。
图12示出了符合本公开的实施例的三相CCVT系统的简化图。
图13示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和定位故障的系统的功能框图。
详细描述
行波是由电压的突然变化(例如，短路)引起的电涌，其以非常高的速度沿着电力线路传播。传播速度对于架空线路接近在自由空间中的光速，而对于地下电缆线路是在自由空间中的光速的一半。根据故障位置和线路类型，在传输线路上的短路的位置处发源的行波在故障之后少至1-2毫秒内到达线路终端。行波的相对定时、极性和幅度允许精确的故障定位，并启用几种线路保护技术。因为行波在线路短路之后非常快速地在线路终端处变得可用，所以它们允许超高速保护和相关好处。
行波具有电流和电压分量。当行波传播时，在沿着线路的任何点处可以观察到电压的突然变化(“电压行波”)以及电流的突然变化(“电流行波”)。远离线路末端的线路上的电压行波和电流行波通过线路特性阻抗是相关的，如在方程1中所表示的。
电压行波＝电流行波*特性阻抗 方程1
当行波到达特性阻抗中的不连续点(例如，连接多条线路和其他电力系统元件的汇流条)时，波的一部分在到达方向上反射回，而波的一部分在原始方向上继续。这些波被单独地称为入射波(到达不连续点的波)、反射波(反射回的波)和透射波(在原始方向上继续的波)。
电流行波可以由安装在变电站中的传输线路的末端处的电流互感器测量。电流互感器通常具有足够的保真度以用足够的准确度测量电流行波，用于实际保护和故障定位应用。然而，电流互感器测量它在线路终端的安装点处的电流——其总是特性阻抗中的不连续性，因此它测量入射电流行波和反射电流行波的总和。它不单独地测量入射波，且它不允许将波分为入射波、反射波和透射波。
目前在电力系统中使用的电压互感器可能缺乏足够的保真度来以足够的准确度测量电压行波。因此，本文公开的各个实施例可以包括电流互感器和各种技术以基于来自电流互感器的测量结果来确定电压信号。
由于电压行波和电流行波与线路的特性阻抗关联，因此可以将任何给定的行波分成入射、反射和透射分量。使用众所周知的方程[参考“Locating Faults by thetraveling waves they launch”论文]来执行这个分离：
Figure BDA0002408660630000031
Figure BDA0002408660630000032
或者
Figure BDA0002408660630000033
Figure BDA0002408660630000034
然而，执行符合本公开的波分离系统和方法目的在于准确地测量在线路上的给定终端点处的总的电流行波(iTW)和电压行波(VTW)。传统的电流互感器可以提供足够准确的电流行波测量结果，但传统的电压互感器不可能提供足够的保真度来测量电压行波。
相比于仅使用来自电流互感器的行波测量结果(该行波测量结果是入射波和反射波的总和)，波分离成入射、反射和透射行波可以允许更好地利用行波信息。下面是当入射、反射和透射行波是单独可用(被分离)时的高级应用的示例。
单端行波故障定位方法可以被改进，因为这样的系统也许能够识别每个接收到的波的方向。这可以允许系统将在正向方向上来自线路上的短路或不连续点的波与从在故障定位终端后面到达的波区分开。
可以通过提高这种系统适应不同类型的线路终端的能力来改进单端和多端行波故障定位方法。例如，当终端阻抗为无穷大(例如，开式断路器或在终端后面的电感器)时，电流测量结果为零，且入射和反射的电流波抵消。然而，当考虑分离的入射波和反射波时，故障定位器具有可靠的非零信号来分析。
可以通过以具有更高和更可靠的行波操作信号分离行波来改进行波差动保护方法。这特别适用于以高特性阻抗终止的线路，因为这种线路可以产生低电流或零电流波测量结果。此外，通过以类似于单端故障定位器的方式验证每个到达行波的方向，这些方案在与入射波一起工作时是更安全的。也可以通过使用分离的波来改进行波距离元件。
在符合本公开的各个实施例中，可以随后使用微分器平滑器技术或适于提取行波的其他技术来过滤高保真度电压测量结果。此外，在各个实施例中，电流和电压行波可以被分成入射波、反射波和透射波。特别地，本公开涉及使用用于获得高保真度电压信号的电容耦合电压互感器(CCVT)。CCVT的标准输出电压具有有限的带宽，且它不提供高保真度电压输出。
在本公开的另一方面中，高保真度线路电压信号可以提高距离(阻抗)元件的安全性和操作时间。在短路期间，CCVT次级电压包含低频分量，该低频分量可以高达标称电压的40％并可以持续一至几个电力系统周期。在一些故障条件期间，对于高源阻抗比条件，真实的次级电压可以是标称电压的小百分比。由CCVT产生的大低频瞬态分量可以阻止阻抗继电器以足够的准确度测量真实电压。作为结果，这些继电器针对区域内故障可能失去安全性和/或缓慢地操作。给这些阻抗继电器提供没有CCVT引起的瞬变的电压明显提高了安全性和阻抗保护的速度。
在本公开的又一方面中，本文公开的系统和方法可以用于监测CCVT系统以找出故障。如果电容器元件失灵并且出现电弧放电，则CCVT可能爆炸。这种爆炸可能产生危险的投射物并释放热油，这两者都对附近的人和财产造成重大危险。CCVT投射物可能对变电站中的其他元件造成损坏，引发可能将人的生命置于危险中的蜂涌而至的故障。与CCVT相关的危险可能在CCVT老化时增加且电容元件变得更容易失灵，尤其是如果CCVT操作环境温度是高的情况下。通过比较标准CCVT输出电压和高保真度电压，本文公开的系统和方法可以检测CCVT故障并实施保护行动以避免爆炸。
除了被包括在新进安装的系统中之外，本文公开的系统和方法也可以添加到现有的电力系统。在某些实施例中，本文公开的系统和方法可以添加到现有系统以提供高保真度电压测量结果。
图1示出了符合本公开的实施例的包括CCVT的系统100的简化图。电容器堆叠113与高电压部分102和低电压部分103电气通信，并连接在初级电压端子101和变电站接地104之间。行波114iTW可以传播通过电压端子101。初级电流测量设备115可以在行波114通过时检测行波114，并且可以检测关于行波的信息，该信息可以关于本文公开的各个实施例使用。
电容器堆叠113产生电容分压器，并在抽头端子105处产生中间电压。在各个实施例中，初级电压可以是110kV及以上，并且可以包括750kV和1MV网络。中间电压可以在5-30kV的范围内。降压互感器107进一步将中间电压降低到输出CCVT端子109处的标准次级电压。在各个实施例中，标准次级电压可以在60-250V的范围内。
降压互感器与电容器堆叠的直接连接可能引入角测量误差。为了减小该误差，调谐电抗器106串联连接在电容分压器105中的中间电压端子和降压互感器107之间。降压互感器107与电容器102和103的连接将产生铁磁谐振的危险。铁磁谐振是降压互感器107的非线性磁化支路与电容器102和103之间的自激励和潜在破坏性振荡。为了防止铁磁谐振，铁磁谐振抑制电路(FRSC)108连接到降压互感器107的次级绕组。CCVT次级端子109处的输出电压经由控制电缆110连接到终端设备112(例如，保护继电器)R的输入端子111。终端设备112处的连接通常包括安全接地114。
系统100无意地充当带通滤波器。系统100使具有标称转换比以及小的幅度和角度误差的基频分量(通常50或60Hz)通过。系统100的部件使频率明显衰减到低于标称电力系统频率以及高频率。此外，CCVT在接近标称频率的频谱中产生瞬态分量，其可能损害如上所述的阻抗保护的操作。
对于非常高的频率分量，例如电压行波，理想的调谐电抗器106表现为开路，因此它不将任何特高频信号传递到降压互感器107。类似地，理想的降压互感器107对于非常高的频率是开路，因此它也防止任何高频信号传递到降压互感器107的低压侧109。作为结果，终端设备112在它的终端111处不接收与行波114相关联的高频信号。然而实际上，调谐电抗器106具有一些寄生匝间电容，其也可以被称为杂散电容。类似地，降压互感器107的绕组也包括寄生电容。
符合本公开的各个实施例可以利用来自初级电流测量设备115的测量结果连同与电容器堆叠113相关联的附加测量结果，以分析电流测量设备。这样的系统和方法可以使用这样的信息来利用方程2将行波信号分成入射行波和反射行波，并提供距离保护。电压和电流测量结果也可用于提供基于阻抗的保护。此外，这种系统和方法可以通过减少或消除在基本电力系统频率附近的CCVT瞬变来提供改进的阻抗保护。
图2示出了符合本公开的实施例的包括寄生电容的CCVT系统200的简化电路图，寄生电容以虚线示出并且与调谐电抗器206和降压互感器207相关联。电容201由构成调谐电抗器206的线圈的匝间电容产生。电容202由降压互感器207的匝间电容和绕组间电容产生。
系统200中的电容产生了使高频信号分量穿过系统200的路径。电容201为高频信号提供通过调谐电抗器206的路径。电容202产生了使高频信号分量传递到降压互感器的低压侧的路径。
控制电缆203具有复频响应，但它允许高频分量——尽管信号可能包括伪像和失真——到达终端设备204R。然而，杂散电容201、202不导致将初级电压中的高频分量的可靠副本传送到终端设备204。终端设备204可以看到第一波的正确极性，然后看到振铃。这足以允许行波保护元件的应用，但这种信号可能不允许以高保真度测量单独的电压行波。
图3示出了符合本公开的实施例的在高频处具有安装在接地点306附近的低比率电流互感器305的CCVT系统300的简化图。在第一近似中，未示出的调谐电抗器可以被考虑为开路而不管它的杂散电容。朝向调谐电抗器的电路由断开的开关304表示。流经理想电容器的电流与在电容器两端的电压的导数(d/dt)成比例。初级电压301(v)、CCVT电容器302和303以及经由比率为N的电流互感器307测量的电流(i)由方程3表示：
Figure BDA0002408660630000071
方程3可以用电压来表示，如方程4所示。
Figure BDA0002408660630000072
方程4构成高频带宽中的电压的测量；特别地，方程4提供了电压行波。方程4没有再现宽频率范围内的电压，因为方程4忽略了高电压电容器302和低电压电容器303之间的电流差，即转移到调谐电抗器的电流。方程4的电压信号可以被称为高频电压。在某些实施例中，符合本公开的系统可以使用微分器-平滑器滤波器从原始信号中提取行波。此外，一些实施例可以应用一连串数值微分器和数值平滑器。在这些实施中，数值电压导数(电压微分器)可以根据方程3用电流测量代替，后面是数值平滑器。换句话说，在这些实施中可以不利用方程4。更确切地，当提取电压行波时，这些实施可以使用在电容器堆叠中测量的电流作为电压导数。
在方程3和方程4中的C1、C2和N参数的值——如果是未知的并作为设置被提供——可以由符合本公开的系统确定。在各个实施例中，也可以监测来自CCVT的次级输出。方程4将匹配在稳态中的次级CCVT输出。通过比较在稳态中的两个电压，系统确定C1、C2和N的值。
在各个实施例中，电流互感器307可以被安装在电容器堆叠中的任何地方；然而，在改型安装中最容易接近并对电流互感器提出最少绝缘要求的位置在低电压堆叠和地之间。那个连接可以是操作员可接近的，并且在对地零电位处。在各个实施例中，电流互感器305可以被体现为夹持式电流互感器。此外，电流互感器303可以包括分芯式互感器(split-core transformer)，其打开它的铁芯以通过磁窗插入导体，或者可以通过解开CCVT的中性连接、使接地线通过固态电流互感器窗并重新连接接地线来被体现为常规互感器。分芯式互感器可以更易于应用在改型安装中。本公开不限于任何特定类型的电流测量设备；可以使用其他电流测量系统，例如包括电阻或电容分流器。
在一个实施例中，系统可以测量电流并根据方程4将该电流积分成电压。在这样的实施例中，可以采用各种数值程序来实现稳定和准确的积分。例如，积分的电压可以跟随在CCVT的窄频带中的次级电压。因此，可以将CCVT的次级电压输出与该积分进行比较以修复不稳定性或不准确性。
图4示出了符合本公开的实施例的监测穿过CCVT堆叠的电流i的系统400的简化电路图。在所示实施例中，低比率电流互感器401连接到电容器402和电阻器403。电容器402两端的电压与由互感器401产生的电流信号的积分成比例。电容器402两端的电压可以用作方程4中的积分以确定与线路405相关的电压信号。模数转换器404(ADC)可以将模拟信号转换成可以由IED、控制系统和电力系统中的其他部件使用的数字信号。如本领域中的技术人员将认识到的，在互感器401的次级绕组与ADC 404以及下游电子器件之间提供了电绝缘，但为了简单起见而没有示出。在各个实施例中，绝缘可以包括电流绝缘，其可以进一步使ADC404与互感器的次级绕组绝缘。
图5示出了符合本公开的实施例的监测穿过CCVT堆叠501的电流i的系统500的简化电路图。电容器502产生与电流的积分成比例的电压降。可以结合方程4来使用跨过电容器502的信号以确定电压信号。该信号可以由ADC 503测量，并且可以用于确定结合行波的检测和其他应用使用的电压信号。由于电容器502可以与电容器堆叠串联地插入，因此确保它的插入不影响初始CCVT调谐是重要的。这通过确保在标称初级电压下电容器502两端的电压降足够小(例如，大约2V)来实现。
图4中所示的系统400和图5中所示的系统500的频率响应适于检测高频信号，例如行波；然而，较低频信号可能被系统400和500的频率响应衰减。在各个实施例中，第二电流测量设备可以用于增强带宽，信号可以在该带宽上进行监测。在各个实施例中，频率范围可以从几Hz(例如，大约5Hz)到几百kHz(例如，500,000Hz)。这个频率范围可以通过在1MHz或更大的范围下采样来实现。
在各个实施例中，第二电流测量设备可以测量从低压电容器堆叠朝向调谐电抗器和降压互感器转移的电流。在较低频率下，该电流是不可忽略的。此外，尽管电流在高频下可能很小，但电流不为零。因此，对于高频信号，多个电流测量设备可以提高符合本公开的系统的准确度。
图6示出了符合本公开的实施例的基于CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统600的简化图。在所示实施例中，第一电流互感器604与低压电容器603串联地安装在CCVT中。第二电流互感器606位于从降压互感器609的返回连接中。电流互感器604和606可以出于各种原因——包括低电位和电线的易接近性——而安装在接地608附近。在各个实施例中，电流互感器604和606中的一个或两个可以被体现为夹持式互感器。
使用基尔霍夫电流定律，通过互感器604和606的电流可以被表示为通过电容器602的电流的函数，如在方程5中所示的。
iC1＝i1+i2 方程5
流经电容器602的电流是相同的电流i1 605，如在方程6中所表示的。
iC2＝i1 方程6
在电容器602和603中有电流的情况下，可以使用方程7来计算电压。
Figure BDA0002408660630000091
方程7提供了在宽频率范围内的电压的准确表示。
图7示出了符合本公开的实施例的基于CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统700的简化图。与图6中所示的系统600相比，图7中所示的系统700具有安装在接地连接中而不是在电容器堆叠的下部中的第二电流互感器。
使用基尔霍夫电流定律，通过电感器710的电流可以被表示为通过电容器702的电流的函数，如在方程8中所示的。
iC1＝i1 方程8
通过电容器703的电流可以使用方程9来表示。
iC2＝i1-i2 方程9
方程9可以与方程8和方程7一起使用来确定用于结合本文公开的系统和方法使用的电压信号。
图8示出了符合本公开的实施例的基于CCVT中的电流测量结果来确定电压信号的系统800的简化图。与图6所示的系统600相比，系统800具有不同的接地配置。
使用基尔霍夫电流定律，通过电感器804和806的电流可以被表示为通过电容器802的电流的函数，如在方程10中所示的。
iC1＝i1+i2 方程10
通过电容器803的电流可以使用方程11来表示。
iC2＝i1 方程11
方程10、方程11和方程7可用于根据由电流互感器804和806确定的电流信号来确定电压信号。结合图6、图7和图8所示的系统，可以利用电流互感器、电阻分流器或电容分流器。这种系统可以例如使用针对电流互感器的电容器负荷来数字地或以模拟方式将电流积分成电压。
图9示出了符合本公开的实施例的利用在用于发出警报和/或控制行动的系统中的高保真度电压信号的系统900的功能框图。电流互感器905和906可用于生成高保真度电压信号901。
系统900将高保真度电压901与CCVT的次级电压输出902进行比较。可以使用匹配滤波器903来过滤该比较，以匹配正常运行的CCVT的频率响应。两个信号之间的差可以指示在CCVT内或测量结果的问题，并可以触发警报和/或控制行动，例如向适当的一个或多个断路器发出跳闸命令以使CCVT断电。例如，如果电容器907将它的值改变1％，则CCVT次级电压902也将改变大约1％。此外，电容的变化也可能引起在初级电压和次级电压之间的相移。相移可能起因于由于与CCVT的潜在故障相关联的电容变化而引起的与调谐电抗器908的不匹配。各个实施例可以利用电容器907的标称值。电容值的实际变化可能以与ic2电流的变化成比例的量改变输出，这可能不同于电容值的实际变化。作为这个差异的结果，由加法器909接收的信号将不匹配，从而允许系统900检测到可能的故障。
报警逻辑904可以基于几个不同的原理来操作。例如，报警逻辑可以测量加法器909的输出的基频分量，并将它的幅度与阈值进行比较。在一些实施例中，报警逻辑904可以在发出警报之前施加时间延迟。在另外其他的实施例中，报警逻辑904可以使用较低的阈值来报警，并且使用较高的阈值来发出跳闸命令。在另外其他的实施例中，报警逻辑904可以对差求积分，且如果积分是小的则用警报做出响应，而如果积分是大的则用跳闸命令做出响应。
图10示出了符合本公开的实施例的监测CCVT的系统1000的框图。两个电流互感器1001和1002与CCVT和CCVT次级电压1004电气通信。电流互感器通常不生成大信号，因此它们的连接到实施本发明的设备的引线的长度可能是有限的。作为结果，IED 1009可以安装在CCVT附近。在一个实施例中，IED 1009可以安装在变电站配电装置中。
在所示的实施例中，从CCVT的次级电压输出端1004汲取IED 1009的功率。在可替代的实施例中，功率可以由其他源提供。如图所示，电源1005可以向系统1000中的其他部件提供功率。电源1005可以被设计成接受CCVT输出电压，而不对该电压引入任何因而引起的失真，从而不影响系统1000中的其他终端设备或连接到同一电压1004的其他设备的准确度。从次级CCVT输出到设备的连接可以被熔断，但熔丝为了简单起见而未示出。典型的CCVT被额定为负荷100W以上。由IED 1009产生的实际负荷可能低得多，因此CCVT可以提供几瓦的功率给系统1000中的设备供电。在一些实施例中，来自所有三个电力系统相的次级电压可以用于给设备供电，从而分配负载。
在所示实施例中，电位互感器1010提供与来自降压互感器1011的次级输出端相关联的电压的测量结果。使用在稳态时期期间来自降压互感器1011的次级输出端的电压测量结果，系统1000可以确定N、C1和C2的值，这些值可以结合各个方程——包括方程3、方程4和方程7——来使用。
除了来自电流互感器1001和1002的信号之外，次级电压1004也被提供到测量系统。在一些实施例中，警报子系统可以被包括在测量系统1006中。测量系统1006可以包括ADC以产生来自电流互感器1001和1002的信号的数字化表示。
测量结果被提供到处理系统1007。处理系统1007可以分析测量结果并生成警报和/或控制行动。处理系统1007可以使用通信系统1008来传输高保真度电压、次级电压、警报信号和跳闸信号。通信系统1008可以使用各种通信介质和协议进行通信。在一些实施例中，通信系统1008提供高保真度满标度电压信号的表示作为输出。仍然进一步地，通信系统1008可以直接提供电压导数的表示作为电压行波的表示。在一些实施例中，通信系统1008可以经由光纤介质进行通信。也可以使用其他形式的通信介质。
符合本公开的系统和方法可以产生在高达几百kHz的频谱中的高保真度电压信号。因此，用于数字化感兴趣的信号并将它们提供到消耗信息的设备的采样率可以在1MHz或更高的范围内。
图11示出了符合本公开的实施例的相对于CCVT一致的系统的配置的表示。符合本公开的CCVT监测系统1106可以布置在靠近编组机柜1105的变电站配电装置中。感兴趣的信号可以经由通信信道1107被提供到其他设备。在一些实施例中，其他设备可以位于控制室中。通信信道1107可以被体现为光纤连接或其他类型的通信介质。
编组机柜1105通常是实际CCVT装置的一部分。它允许在朝向控制室延伸的电压控制电缆和在配电装置中的单相CCVT 1101A、1101B和1101C之间的交叉连接和分界点。这些CCVT服务于三相电力系统的A、B、C相，并可具有在底部处的它们自己的机柜1102A、1102B和1102C。符合本公开的CCVT监测系统可以将电流互感器放置在1102A、1102B和1102C机柜内，并且可以使用与次级电压电缆相似的路径和导管——如果可能的话——经由屏蔽双绞线电缆1103A、1103B和1103C连接到编组机柜1105。次级电压可以用单相电压电缆1104A、1104B和1104C连接到编组机柜1105。CCVT监测系统1106可以放置在编组机柜1105内部(如果空间允许的话)，或者在安装在编组机柜1105附近的它自己的机柜中。
图12示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和定位故障的系统1200的功能框图。系统1200包括通信接口1216以与设备和/或IED进行通信。在某些实施例中，通信接口1216可便于与其他IED的直接通信或通过通信网络与系统进行通信。与本公开的实施例一致，接口1216可以包括与CCVT高保真度电压IED的通信，目的是接收高保真度电压、次级CCVT电压、电压TW、CCVT警报和跳闸信号或者上述的组合。此外，接口1216可以向其他设备提供所述CCVT信息。通信接口1216可便于通过网络进行通信。系统1200还可包括可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)的时间输入端1212，该时间信号允许系统1200将时间戳施加到所采集的样本。在某些实施例中，可经由通信接口1216接收公共时间基准，因此单独的时间输入端对于时间戳记和/或同步操作可能不是需要的。一个这样的实施例可以采用IEEE 1588协议。被监测的设备接口1208可从一件被监测的设备(例如电路断路器、导体、互感器等)接收状态信息，并向该被监测的设备发出控制指令。
处理器1224可处理经由通信接口1216、时间输入端1212和/或被监测的设备接口1208接收的通信。处理器1224可以使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器1224可以执行本文描述的各种算法和计算。处理器1224可被体现为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。
在某些实施例中，系统1200可包括传感器部件1210。在所示的实施例中，传感器部件1210使用电位互感器和/或电流互感器直接从常规电力系统设备(例如导体(未示出))收集数据。在各个实施例中，传感器部件1210可以与结合本公开的各种实施例所描述的CCVT中的夹持式CT电气通信。传感器部件1210可使用例如互感器1202和1214以及A/D转换器1218，该A/D转换器1218可以对经滤波的波形进行采样和/或数字化以形成被提供到数据总线1222的相应的数字化电流和电压信号。A/D转换器1218可以包括用于每个传入信号的单个A/D转换器或单独A/D转换器。电流信号可以包括来自三相电力系统的每一相的单独的电流信号。为了清楚起见，只示出单个线路图。
A/D转换器1218可通过数据总线1222连接到处理器1224，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线1222被传输到处理器1224。在各个实施例中，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量，用于如本文中所描述的检测和定位电力系统上的故障。
计算机可读存储介质1230可以是执行本文所描述的任何方法的各种软件模块的存储库。数据总线1242可将被监测的设备接口1208、时间输入端1212、通信接口1216以及计算机可读存储介质1230链接到处理器1224。
通信模块1232可允许系统1200经由通信接口1216与各种外部设备中的任一个进行通信。通信模块1232可被配置用于使用各种数据通信协议(例如，以太网上的UDP、IEC61850等)来进行通信。
数据采集模块1240可收集数据样本，例如电流量和电压量以及增量。数据样本可与时间戳相关联，并且可用于检索和/或经由通信接口1216传输到远程IED。行波可以实时地被测量和记录，因为它们是在电力输送系统中快速消散的瞬态信号。数据采集模块1240可结合故障检测器模块1234进行操作。数据采集模块1240可控制由故障检测器模块1234使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块1240可选择性地存储和检索数据，并且可使该数据可用于进一步处理。这样的处理可包括通过故障检测器模块1234进行的处理，该故障检测器模块1234可对电力分配系统确定故障的出现。
行波距离模块1244可以检测在保护区域内的电力输送系统上的故障。
行波距离模块1244可以使用利用本文描述的系统和方法获得的高保真度电压信号来确定行波的出现和时间戳记行波的出现。时间戳可用于确定故障的出现时间和行波从故障到达CCVT的时间。行波距离模块1244可以将故障的时间和行波的到达时间之间的时间差与预定的范围设置进行比较，以便发起行波距离信号TW21。行波距离信号TW21可以由其他模块(例如，保护行动模块1252、故障检测器模块1234等)使用。在一些实施例中，行波距离模块1244可以分析与行波的地面和空中模式相关联的色散，以估计到故障的距离。
保护行动模块1252可基于通过故障检测器模块1234的故障的声明来实施保护行动。在各个实施例中，保护行动可以包括使断路器跳闸、选择性地绝缘电力系统的一部分等。在各个实施例中，保护行动模块1252可以与和系统1200通信的其他设备协调保护行动。在各个实施例中，系统1200可基于瞬时电压和电流来提供保护。这样的信号分量需要更短的数据窗口但便于更快的保护。系统1200的各个实施例可实现约1毫秒的操作时间。
虽然已经示出并描述了本公开的特定实施例和应用，但应理解，本公开不限于本文公开的精确配置和部件。因此，在不背离本公开的基本原理的情况下可以对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求确定。

Claims (20)

1.一种检测电力输送系统中的故障的系统，包括：
电容耦合电压互感器(CCVT)，其与所述电力输送系统电气通信，所述CCVT包括电容器堆叠和到第一接地连接的电触头；
第一电流测量设备，其布置在所述电容器堆叠和所述第一接地连接之间，所述第一电流测量设备提供对应于流经所述CCVT的第一电流的第一电信号；
智能电子设备(IED)，其与所述第一电流测量设备电气通信以：
接收通过与所述CCVT电气通信的电气总线的初级电流的测量结果；
基于来自所述第一电流测量设备的所述第一电信号来，生成第一电压信号；
基于所述第一电压信号和所述初级电流的测量结果，识别入射行波和反射行波；
基于所述入射行波和所述反射行波，检测故障；以及
保护行动模块，其基于对所述故障的检测来实施保护行动。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
调谐电抗器，其电气连接在所述电容器堆叠中；
降压互感器，其包括电气连接到所述调谐电抗器的初级绕组；以及
第二电流测量设备，其电气耦合在所述初级绕组和所述第一接地连接之间，所述第二电流测量设备提供对应于流经所述初级绕组的第二电流的第二电信号；
其中，所述IED进一步：
基于来自所述第二电流测量设备的电信号，生成第二电压信号；以及
基于所述第一电压信号和所述第二电压信号，识别所述入射行波和所述反射行波。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述初级绕组电气连接到所述第一接地连接，并且所述第二电流测量设备布置在所述初级绕组和所述第一接地连接之间。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一电压信号和所述第二电压信号包括从5Hz到500kHz的频率范围。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述IED基于在第一稳态操作周期期间在所述降压互感器的次级输出端上测量的第三电压信号来确定所述电容器堆叠的电容值。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述IED基于在第二稳态操作周期期间在所述第二电压信号和所述第三电压信号之间的差来确定所述电容值的变化；以及
所述保护行动模块基于所述电容器堆叠的所述电容值的变化来生成警报。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述IED在检测到所述电容器堆叠中的所述电容值的变化时进一步实施第二保护行动。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述IED通信并耦合到所述电气总线的初级电流测量设备。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
调谐电抗器，其电气连接在所述电容器堆叠中；以及
降压互感器，其包括电气连接到所述调谐电抗器的初级绕组；
其中，所述初级绕组电气连接到第二接地连接，并且所述第二电流测量设备布置在所述初级绕组和所述第二接地连接之间。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护行动包括在检测到所述故障时生成信号以驱动电路断路器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电流测量设备包括夹持式电流互感器以在现有系统的改型中耦合在所述CCVT和所述第一接地连接之间。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括：
模数转换器，其生成来自所述第一电流测量设备的所述电信号的数字表示；以及
数字积分器，其通过对所述数字表示进行积分来生成积分数字表示；
其中，所述积分数字表示用于生成所述第一电压信号。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：
模拟积分器，其通过对来自所述第一电流测量设备的所述电信号进行积分来生成积分模拟表示；以及
模数转换器，其生成所述积分模拟表示的积分数字表示；
其中，所述积分数字表示用于产生所述第一电压信号。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括通信系统以将所述第一电压信号的表示传输到网络，所述网络与和所述电力输送系统相关联的其他设备通信。
15.一种检测电力输送系统中的故障的系统，包括：
电容耦合电压互感器(CCVT)，其与所述电力输送系统电气通信，所述CCVT包括：
调谐反应器；
第一电容器，其电气耦合在高压电气总线和所述调谐电抗器之间；以及
第二电容器，其电气耦合在所述调谐电抗器和接地连接之间；
降压互感器，其包括：
初级绕组，其电气耦合到所述调谐电抗器；以及
次级绕组，其电磁耦合到所述初级绕组；
第一电流测量设备，其布置在所述第二电容器和所述接地连接之间，所述第一电流测量设备提供对应于流经所述第一电容器的第一电流的第一电信号；
第二电流测量设备，其布置在所述初级绕组和所述接地连接之间，所述第二电流测量设备提供对应于流经所述初级绕组的第二电流的第二电信号；
处理系统，其：
接收通过所述高压电气总线的初级电流的测量结果；
基于所述第一电信号和所述第二电信号，生成高保真度电压信号；
基于所述高保真度电压信号和所述初级电流的测量结果，识别入射行波和反射行波；
基于所述入射行波和所述反射行波，检测故障；以及
保护行动模块，其基于对所述故障的检测来实施保护行动。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一电流测量设备和所述第二电流测量设备中的至少一个包括夹持式低比率电流互感器以耦合到所述CCVT作为现有系统的改型的一部分。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述高保真度电压信号包括从5Hz到500kHz的频率范围。
18.一种检测电力输送系统中的故障的系统，包括：
电容耦合电压互感器(CCVT)，其与所述电力输送系统电气通信，所述CCVT包括：
调谐电抗器；
第一电容器，其电气耦合在高压电气总线和所述调谐电抗器之间；以及
第二电容器，其电气耦合在所述调谐电抗器和接地连接之间；
降压互感器，其包括：
初级绕组，其电气耦合到所述调谐电抗器；以及
次级绕组，其电磁耦合到所述初级绕组；
第一电流测量设备，其包括电容分流器以测量通过所述第二电容器的第一电流；
第二电流测量设备，其测量通过所述初级绕组的第二电流；
智能电子设备(IED)，其与所述第一电流测量设备通信以：
接收通过所述高压电气总线的初级电流的测量结果；
基于所述第一电流，生成第一电压信号；
基于所述第二电流，生成第二电压信号；
基于所述第一电压信号、所述第二电压信号和所述初级电流的测量结果，识别入射行波和反射行波；以及
基于所述入射行波和所述反射行波，检测故障；以及
保护行动模块，其基于对所述故障的检测来实施保护行动。
19.一种检测电力输送系统中的故障的方法，包括：
提供与所述电力输送系统电气通信的电容耦合电压互感器(CCVT)，所述CCVT包括电容器堆叠和到第一接地连接的电触头；
从布置在所述电容器堆叠和所述第一接地连接之间的第一电流测量设备接收对应于流经所述CCVT的第一电流的第一电信号；
基于来自所述第一电流测量设备的所述第一电信号，生成第一电压信号；
基于所述第一电压信号，识别入射行波和反射行波；
基于所述入射行波和所述反射行波，检测故障；以及
基于对所述故障的检测来实施保护行动。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
提供电气连接在所述电容器堆叠中的调谐电抗器；
提供包括初级绕组的降压互感器，所述初级绕组电气连接到所述调谐电抗器；
从电气耦合在所述初级绕组和所述第一接地连接之间的第二电流测量设备接收对应于流经所述初级绕组的第二电流的第二电信号；
基于来自所述第二电流测量设备的电信号，生成第二电压信号；以及
基于所述第一电压信号和所述第二电压信号，识别所述入射行波和所述反射行波。
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