CN111505405A - 在线电力测量 - Google Patents

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詹姆斯·斯陶皮斯
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Abstract

本申请案涉及在线电力测量。用于测量电力传输线路的参数的装置、系统和方法可改进电力使用,而无线电路系统可以提供来自现场定位装置的通信。用以从所述传输线路获取电力的连接可以不同于用以感测线路参数的连接。

Description

在线电力测量
技术领域
本发明涉及电力传输领域。更具体地,本发明涉及监测架空电力传输线路。
背景技术
在监测电力传输线路时,远程监测可能有利于评估沿着跨越远程地区的传输线路的操作。然而,远程监测的方法可能面临与使这些远程区域中的维护需求最小化的期望相关的挑战。此外,在此些远程地区中,传输线路的普及可能在促进监测操作方面引致相当大的费用。监测和传递有关传输线路操作的信息的合适装置可以辅助相关系统的高效操作和可观察性。
发明内容
根据本发明的一方面,一种用于测量及传递传输线路的传输参数的在线测量系统可包含适于与传输线路连接以测量一或多个传输参数的测量平台。测量平台可包含至少一个传感器,所述传感器适于与传输线路通信以感测传输线路的一或多个参数。测量系统可包含布置成与测量平台通信的监测组,以接收传输线路的一或多个参数的指示。监测组可包含至少一个处理器和通信电路系统。至少一个处理器可适于执行指令,以经由通信电路系统将传输线路的一或多个参数的指示传递给用户。测量系统可包含能量管理系统,所述能量管理系统适于与传输线路连接以收集和管理用于在线测量系统的操作的能量。能量管理系统可包含具有多个串联连接电容器的电容式分压器组。多个电容器中的一个可以适于与传输线路通信以接收传输线路电压。可连接多个电容器中的另一个以提供比传输线路电压低的输出电压。
在一些实施例中,测量平台可以适于在第一连接处与传输线路连接,且能量管理系统可以适于在第二连接处与传输线路连接。在一些实施例中,测量系统可进一步包括电力管理系统,所述电力管理系统用于调节到测量平台和/或监测组中的至少一个的电力。电力管理系统可包含与测量平台和监测组中的至少一个连接的电力供应器。
在一些实施例中,电力管理系统可包含电力转换器,所述电力转换器适于将从另一电容器接收的低压AC转换成低压DC以用于传递到电力供应器。所述电力管理系统可包含蓄电装置。测量平台可包含处理器,所述处理器适于转换和隔离来自至少一个传感器的测量数据。
在一些实施例中,至少一个传感器可包含可配置前端测量接口,其适于感测传输线路的至少一个电压和/或电流电平。至少一个传感器可包含两个传感器,每一传感器适于感测传输线路的电压的不同相位的参数。至少一个传感器可包含电阻式分压器和电流互感器中的至少一个。
在一些实施例中,监测组的通信电路系统可包含用于将传输线路的参数以无线方式传递到其它用户的无线通信电路系统。其它用户可包含外部用户。无线通信电路系统可以适于提供无线接入点。
在一些实施例中,能量管理系统可包含电容式分压器保护电路系统,通过所述电容式分压器保护电路系统,一个电容器可以与传输线路通信。电容式分压器保护电路系统可包含涌入(in-rush)电流限制保护电路系统和电涌放电器电路系统中的至少一个。辅助电力端口可以被布置为与能量管理系统通信以向辅助装置提供电力。
根据本发明的另一方面,一种用于测量和传递传输线路的传输参数的测量装置可包含安装在传输线路上和/或与传输线路连接的用于测量一或多个传输参数的测量接口。测量接口可包含至少一个传感器,所述传感器与传输线路通信以感测传输线路的一或多个参数。测量装置可包含监测组,所述检测组经布置成与测量接口通信以接收传输线路的一或多个参数的指示。监测组可包含至少一个处理器和通信电路系统。至少一个处理器可适于执行指令,以经由通信电路系统将传输线路的一或多个参数的指示传递给用户。测量装置可包含能量管理系统,所述能量管理系统与传输线路连接以收集和管理用于在线测量系统的操作的能量。能量管理系统可包含具有多个串联连接电容器的电容式分压器组。多个电容器中的一个可经布置成与传输线路通信以接收传输线路电压。可以连接另一电容器以输出比传输线路电压低的输出电压。
在一些实施例中,测量接口可在第一连接处与传输线路连接,且能量管理系统在第二连接处与传输线路连接。在一些实施例中,测量装置可包含电力管理系统,所述电力管理系统用于调节到测量接口和监测组中的至少一个的电力。电力管理系统可包含与测量接口和监测组中的至少一个连接的电力供应器。在一些实施例中,电力管理系统可包含电力转换器,所述电力转换器适于将从另一电容器接收的低压AC转换成低压DC以用于传递到电力供应器。所述电力管理系统可包含蓄电装置。
在一些实施例中,测量接口可包含适于转换和隔离来自至少一个传感器的测量数据的处理器。至少一个传感器可包含两个传感器,每一传感器适于感测传输线路的电压的不同相位的参数。至少一个传感器可包含可配置前端测量接口,其适于感测传输线路的至少一个电压和/或电流电水平。
在一些实施例中,监测组的通信电路系统可包含用于将传输线路的参数以无线方式传递到其它用户的无线通信电路系统。其它用户可为外部用户。无线通信电路系统可以适于提供无线接入点。
在一些实施例中,能量管理系统可包含电容式分压器保护电路系统,通过所述电容式分压器保护电路系统,一个电容器可以与传输线路通信。电容式分压器保护电路系统可包含涌入(in-rush)电流限制保护电路系统和电涌放电器电路系统中的至少一个。辅助电力端口可以被布置为与能量管理系统通信以向辅助装置提供电力。
根据说明性实施例的以下描述,本发明的这些和其它特征将变得更加显而易见。
附图说明
在附图中通过实例而非限制的方式说明本发明中所描述的概念。为了说明的简单和清楚起见,图中未说明的元件不一定按比例绘制。例如,为了清楚起见,一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大。此外,在认为适当情况下,在诸图中重复了参考标号以指示对应或类似的元件。具体实施方式特别参考附图,其中:
图1为用于传递电力的电力传输线路的透视图,展示传输线路由塔架支撑在地面上方;
图2为图1的传输线路的示意图,所述传输线路具有安装在其上用于自动测量用于与其它用户无线通信的传输线路的传输参数的测量设备,并展示测量设备经布置在所述传输线路上,包含安装在塔架的上端上的壳体;
图3为图2的测量设备的示意图,展示所述设备包含与传输线路连接以感测线路参数的测量平台和与传输线路连接以接收用于设备操作的电力并将其降低的装置能量管理系统,且展示所述设备包含用于进行通信操作的监测器,以及用于从装置能量管理系统接收经降低电力以供在所述设备中使用的电力管理系统;
图4A和4B为在装置能量管理系统的电容器分压器的输出电容器上的输出功率曲线的示范性图;
图5为展示用于接收并处理原始传感器数据以供使用的测量平台的操作的过程流程图;及
图6为展示用于配置从测量平台接收用于传送到其它用户的信息的监测器的操作的过程流程图。
具体实施方式
尽管本发明的概念易受各种修改和替代形式的影响,但其特定实施例已通过实例在图式中示出,且将在本文中进行详细描述。然而,应理解,无意将本发明的概念限制为所揭示的特定形式,而是相反,其意图为涵盖与本发明和随附权利要求书相一致的所有修改、等效形式和替代形式。
电力传输可包含在一或多个电网上的电力分配。此类网络可包含跨越大距离的互连传输线路,以从发电源向用户(负载)提供电力。电网性能可受益于对通过输电线路传输的电力的监测。
在图1中展示多个传输线路10,其包含由传输线路塔架或支柱12悬挂在空中的架空电力传输线路。在说明性实施例中,传输线路10包含具有10kV到20kV范围的交流电(AC)线路,尽管在一些实施例中,传输线路10可载运任何合适范围和方式的电力,包含直流电(DC),且包含10V到20,000kV之间的电压。传输线路10的现场测量可以用于改进电网功能和/或性能。
如图2中所展示,测量设备14与传输线路10连接以感测传输线路10的参数。通过与传输线路10本身连接并安装在塔架12上,测量设备14经说明性地布置在传输线路上。在一些实施例中,可以任何合适的方式在现场支持测量设备14以与传输线路10通信。
在说明性实施例中,测量设备14经布置为与其它用户16通信。此些其它用户可包含集中控制系统和/或监督控制和数据采集(SCADA)系统。如本文中另外详细论述,测量设备14可经布置为与其它用户16进行无线通信(例如,Wifi、LPWAN、蜂窝、3G、4G、5G或任何其它合适的通信)。测量设备14可以将传输线路参数的指示传递给其它用户16,以促进电网控制和监测的改进。
如图3中所展示,测量设备14的图说明性地包含测量平台18和装置级能量管理系统20。测量平台18经布置成在现场与受测传输线路10通信,以在传输线路10被激励、部分地激励,和/或故障的同时自主地测量传输线路10的参数。测量平台18包含经布置以感测传输线路10的参数的一或多个传感器22。每一传感器22经布置以感测传输线路10的参数(例如,电(例如,电压、电流)参数、机械(例如,应变、挠度)参数、热(例如,温度)参数、化学(例如,组合物)参数)和/或任何其它直接感测参数中的一或多个;尽管间接参数可以从直接参数确定,例如但不限于,时间间隔内的电压和/或电流均方根(RMS)、数字和/或模拟经滤波电压、电流波形、平均电压和/或电流RMS量、所感测电压值与电流值之间的角度和/或时间差、电压和/或电流谐波、根据电压和/或电流测量值得出的总谐波失真,和/或任何其它合适参数。测量平台18说明性地包含前端测量和隔离电路系统24,用于对从传输线路10感测到的原始信号进行适当的转换、调节和/或相关处理,如下文另外详细论述。
测量设备14说明性地包含与测量平台18通信的监测器26,以接收传输线路10的参数的指示且将此些参数的指示传递给其它用户16。监测器26包含用于执行所存储指令的处理器28和用于根据处理器28的指导将传输线路10的参数的指示传递给其它用户16的通信电路系统30。
通信电路系统30经说明性地体现为用于与其它用户16发送和/或接收无线通信的无线通信电路系统。通信电路系统30经说明性地体现为包含用于经由广域网(WAN)进行通信的安全机载无线热点(接入点)生成电路,所述广域网可包含低功率WAN。在一些实施例中,通信电路系统30可以经由任何适当方式的无线通信(例如但不限于LAN、Wi-fi、蓝牙和/或蜂窝(3G,4G,5G))进行通信,和/或可包含连接包,所述连接包用于存取单独的无线网络以实现低功率消耗。通信电路系统30经说明性地配置为用于经由例如TCP/IP、Modbus TCP/IP、DNP 3.0和/或IEC61850标准之类的多种通信协议进行通信。处理器28经说明性地体现为一或多个微控制器单元(MCU),每一微控制单元具有至少一个中央处理单元(CPU)。但在一些实施例中,处理器28可体现为包含一或多个微处理器单元、一或多个集成电路和/或任何其它合适的控制装置。在一些实施例中,监测器26可包含一或多个辅助接收单元、控制器(例如电容器反向控制器)和/或到额外广域监测服务、监督控制和数据采集(SCADA)和/或用于接收所监测电压、电流和其它传感器数据的其它装置的连接。
仍参考图3,监测器26包含配电监测电路系统32和应用程序层模块34。配电监测电路系统32包含用于监测、管理和优化测量设备14的功率消耗的电路系统。配电监测电路系统32包含用于测量设备14的自校准的电路系统以及用于分析和本地处理的数据并基于可配置阈值向所连接的接收器提供警报的电路系统。
应用程序层模块34经说明性地体现为所存储指令,所述所存储指令可由处理器28执行以实施本地应用程序,控制用于传输数据的间隔和/或用于执行功率消耗优化、自校准和/或本地数据处理。应用程序层模块34可包含传感器健康和/或诊断应用程序,以提供基于状况和/或预防性的指示符,但在一些实施例中,此些应用程序可以远程执行。在一些实施例中,监测器26可包含对一或多个补充传感器的连接,例如但不限于,电场或磁场传感器、热电偶或其它温度传感器、加速度计、陀螺仪和/或倾斜计,用于感测传输线路10和/或测量设备14的辅助参数。可以经由装置能量管理系统20来提供用于操作18和/或26的电力。
仍然参考图3,装置能量管理系统20与传输线路10连接以接收电力。装置能量管理系统20包含电容式分压器组36,所述电容式分压器组36将从传输线路10接收的电压降低到较低电压,以供测量设备14使用。分压器组36说明性地包含串联连接到从传输线路10接收的降低电压的多个电容器381-n
初级电容器381与传输线路10通信以接收传输线路电压,所述传输线路电压为由传输线路10传输的全电压或非常接近全电压。电容器38的串联降低电压,逐渐接近较高编号的电容器(例如,38n)。输出电容器38n提供输出电压VO供使用。在说明性实施例中,输出电容器38n为通过分压器组36的其它电容器与传输线路10连接以接收中间电压并提供输出电压VO。输出电容器38n经体现为最终或最低电容器,但在一些实施例中,可为除初级电容器381之外的任何电容器38。可以根据测量设备14的电力需求,即监测器26和/或测量平台18的电力需求,来优化电容器38中的每一个的数目和额定值(大小)。电容器的优化可包含选择以最小化传输线路10上的无功负载。装置能量管理系统20包含与输出电容器38n通信的输出连接40,用于提供输出电压VO供使用。
图4A和4B说明具有变化的负载的电容器分压器36的输出电力曲线(在输出电容器38n上)。展示可以由分压器36提供的输出连接40的电力(基本上为输出电容器38n的输出)被限制为最大值(例如,对于特定实施例,大约4.2W)。同样,在输出电容器38n上的实际电力负载下,会有相当大的电压变化。因此,应基于最糟状况的负载情况适当地确定电容器38的大小。选择较大的电容器38可以提供较大的输出功率,但除了其增大的大小和成本之外,还可以增加传输线路10上的无功功率负载。
返回图3,测量设备14包含用于管理设备14内的功率使用的电力管理系统42。电力管理系统42说明性地包含电力转换器44和电力管理模块46。电力管理系统42与输出连接40连接,以接收来自输出电容器38n的输出。电力转换器44经体现为AC/DC转换器,其以输出电压VO接收AC以用于转换为DC。
在说明性实施例中,电压输出VO可随着时间而大幅波动。因此,电力转换器44经体现为隔离的宽输入电压范围转换器,其能够接受宽范围的输入电压,例如从约5到约240VAC,且提供约3到约5VDC以用于测量设备14,但在一些实施例中,可提供任何合适的电压供用于测量设备14,包含来自无电力转换器44的输出电容器38n的未经转换的电力。例如,在一些实施例中,转换器44适于接受来自电容式分压器的输入电压的宽幅波动,其超过典型的欠压电压限制(即,以50%标称电压到200%操作)。尽管宽的输入电力供应器可用于许多消费电子器件,但转换器44的输入范围可能仍然更宽,且转换器44可以适应于在不利的电压条件下以电流转换器效率为代价来收集能量。电力转换器44说明性地与电力管理模块46连接以提供DC电力用于数据采集及控制电子器件。
电力管理模块46包含用于调节到监测器26和/或测量平台18的电力的电子供应电路系统48。电子供应电路系统48包含与监测器26和/或测量平台18通信以提供操作电力的电路系统组件。可包含任选储能装置50,以在中断期间维持电力,例如,维持时间同步、时间戳和/或类似特征。储能装置50被实现为具有高可靠性和可再充电性的超级电容器,但是在一些实施例中,可包含任何合适的蓄电装置。电力管理模块46与监测器26和/或测量平台18连接,以为其操作提供电力。
测量设备14说明性地包含壳体52,在壳体52内容纳测量平台18、监测器26、能量管理系统20和/或电力管理系统42。装置能量管理系统20可以任选地包含串联布置在电容式分压器36和传输线路10之间的保护电路系统54。保护电路系统54可包含用于涌入电流限制保护的电路系统,和/或雷电/脉冲限制电路系统、输出保护电路系统和/或电流和/或电压限制电路系统,以提供用于操作的安全特征。在一些实施例中,用于电容式分压器电路系统的脉冲保护可以经布置在感测装置内部或被放置为一或多个单独的外部装置,例如但不限于电涌放电器或上游和下游外部电涌放电集合,断流器和/或重合装置。在一些实施例中,测量设备14可以与接地线路或中性线路58连接。
现在参考图5,展示前端测量和隔离电路系统24的操作的示意图。电路系统24说明性地提供主要功能,包含(i)将原始传感器输出处理成可用形式,以及(ii)计量,其可包含差分、前端、模数转换(ADC)和/或均方根(RMS)量的计算。原始传感器数据的处理可包含将原始传感器输出从高电压转换为低电压,以及将测量隔离以与数据采集电路系统具有共用接地。
主要功能的操作包含从传感器22接收传感器测量60。执行信号调节62以使原始传感器数据适应为更可用的形式,其可包含抗混叠和/或将测量噪声过滤出系统的其它装置。根据需要,所述操作包含电平移位和偏移处理64、差分测量66、ADC 68、采样率控制70、隔离和/或保护处理72,和/或RMS计算74。经处理的传感器信息作为串行输出被输出76到监测器26,以传输给其它用户16。在一些实施例中,这些操作可以由不同的处理器芯片执行,且由任一处理器执行的特定操作可以取决于所选择的处理器的特定模型。在一些实施例中,原始传感器数据(例如,电压和电流)可以被报告为输出而无需内置的前端处理。
现在参考图6,展示处理器28的操作的示意图。处理器28经配置以从前端测量和隔离电路系统24接收原始和/或RMS测量值作为串行输入80,计算计量82未提供的任何期望数量,且然后将信息84转换为欲由通信电路系统30通信的协议。处理器28可以经配置以执行用于无线通信的功率消耗优化86,其可包含对无线传输88的通信进行定时以减少功率消耗。如果未接收到消息,那么监测器26可经布置以从接收端接收确认90,以根据需要维持服务质量设置和重传逻辑。在一些实施例中,处理器28可以经配置以管理任选储能装置50的充电。
架空线路传感器传统上已用于多种典型应用,包含监测故障和中断,用于监督控制的反馈(例如,电压VAR优化、计量和使用细节以及电力质量监测),且能力差异很大。一些线路传感器提供例如故障指示符或定向故障指示符之类的单个功能,其仅用于检测超过给定阈值的电压或电流的预定条件。这些可以“带电操作”到线路上,或可能够通过带电操作杆或无需中断服务放置在一条线路上。其它“杆顶”架空线路传感器安装在电力杆的顶部上,且可为有源或无源的,为本地电容器组控制器或安装在电力杆上的其它装置提供隔离的测量。无源传感器向另一装置提供模拟测量值,且可能几乎没有或没有嵌入在传感器单元本身内的处理能力,从而基本上不需要电力来执行测量。有源传感器可能具有通信能力或对传送到另一控制器的计算和逻辑的本地嵌入式处理。无线电力线传感器为需要电源来起作用的有源传感器,且可能具有不同级别的嵌入式处理。这些无线传感器通常分为电池供电,由光伏电池供电或由电流互感器(主要来自线路电流的电力)或电容式分压器(主要来自线路电压的电力)供电的线路采集布置。在用于向电容器组控制器提供测量值的架空杆顶传感器的典型应用中,电缆可以从每一相位上的每一线路传感器延展到本地控制器。随着无线通信技术和嵌入式处理器不断达到新水平的性能、能量效率,和具有成本效益的定价,分布式通信概念(例如广域监测(WAM)、物联网、服务和人(IoTSP)以及智能城市或智能基础设施)提供将现有传感器集成到安全通信系统中以更好地了解情况、进行监测和控制的新机会。这些应用程序,无论是向集中控制器还是分布式节点或装置提供测量信息,均可以指示额外分布式或协作传感器向操作员提供线路属性的指示,以告知操作控制或监测。这些经测量线路属性可以为温度(导体或环境),倾斜度或加速度计(弧垂或风/天气)或线路电压和电流。在例如架空线路传感器的许多现有公用事业监测装置中,铜、光纤或其它通信线路均从感测装置延展到本地控制器,并具有通向变电站或其它操作中心的额外通信信道。其它高压监测系统依赖于电力线载波或无线通信方法,但通常仍需要电池或连接到低压电力供应器以操作内部电子器件。公用事业操作技术(OT)通常侧重于维持架空线路和电力线路连接的装置的长距离,而直接监督最少,且时间间隔要大得多,例如20到30年或更长的连续操作。在这些条件下,定期更换电池以维持有源感测装置并非所期望的。本发明包含用于具有广泛的通信选项和应用的杆顶无线感测的有源测量的装置、系统、方法。装置、系统、方法可包含从高压线路收集能量,且可以避免由于电池储能而引起的可靠性问题以及其它能量收集方法固有的其它问题。
本发明包含用于通用传感器接口的装置、系统和方法,用于监测来自能量传输或分布传感器(例如,架空线路测量装置)的电压、电流和/或其它测量输入,并将所收集数据以无线方式传输到单独接收器、基本单位或广域监测系统。无线传输可以使用点对点无线、网状无线和/或蜂窝技术实时地或作为时间延迟的信息包来实施。来自配电线路或传输线路的测量数据或感测数据的无线通信可使得例如能量网络的广域监测以及本地或配电反馈的多个应用程序能够控制和监测装置以及多个分层,例如电容器组控制器、远程终端单元以及配电或电力系统级能量管理系统。测量单元可能由以下组成:用于为架空或其它传输线路上的电子器件提供电力的能量收集元件、嵌入式感测和数据采集元件(例如电压和电流传感器),以及支持一或多种协议和标准的无线传输和通信媒体。能量收集系统可包含能够从所施加的线路电压提供电力的模块化电容式分压器,且可以使对配电或传输网络的能量损失最小化。所述单元可以内置在新的感测装置中,例如杆顶传感器,或作为改进装置提供用于现有传感器。
本发明内容内的装置、系统和方法可包含:用于向架空或其它传输线路上的电子器件提供电力的能量收集元件、嵌入式感测和数据获取元件(例如电压和电流传感器);以及支持多种协议和标准的无线传输和通信媒体。对于能量收集和转换,用于向有源传感器元件供电的电容式分压器可包含传输/配电线路能量收集装置,所述装置包含通常与具有脉冲和保护电路系统的传感系统分离并隔离的一组可互换电容器。电力和测量(感测)的此分离可能不需要借助于能量收集主动补偿从线路获取的电力。收集装置可包含电容式分压器保护电路系统,例如涌入电流限制保护,放电器或雷电/脉冲限制电路系统,安全操作还需要输出保护以及电流和电压限制。用于电容式分压器电路系统的脉冲保护可以在感测装置内部或经放置为一或多个单独的外部装置,例如但不限于电涌放电器或上游和下游外部电涌放电集合,断流器和/或重合装置。本发明内的装置、系统和方法可包含隔离的宽输入电压范围,交流电(AC)到直流电(DC)转换器以及用于数据采集和控制电子器件的电力供应器。本发明内的装置、系统和方法可包含任选高可靠性,例如超级电容器的储能元件可用于在从能量收集源产生的短暂中断期间维持电力或维持时间同步、时间戳或类似特征。在公用事业期望的典型OT使用寿命内,储能应在多个充电和再充电循环中为稳健的。
本发明内的装置、系统和方法可包含线路连接的电容器分压器,其用于向所提出的通用传感器接口的电子电路提供必要的电力。所述线路可对应于典型的配电系统,具有电压大约为10kV(RMS/相)。电容器分压器可以降低电压以满足AC-DC转换器的输入电压规格。除了跨次级电容器的小部分,初级电容器可几乎暴露于整个线路电压。取决于电子电路系统的预期负载(其由AC-DC转换器馈电),可选择经最佳定大小的电容器以使线路上的无功负载最小化。电子感测电路系统可以由AC-DC转换器的固定输出电压供电。电容器分压器的输出ac电压曲线(在次级电容器上)可以指示分压器电路所提取的电力可能限制为最大值。相当大的电压变化可能与次级电容器上的实际电力负载共存。因此,可以基于最糟状况的负载场景适当地选择电容器的大小。除了增加大小和成本外,选择较大的电容器可以提供较大输出功率,同时增加线路上的无功功率负载。
本发明内容包含应用最小大小的电容式分压器来为电子电路系统供电的架构。信号(线路电压、电流等)的感测可以使用电阻式分压器或电流互感器等单独执行。将电力收集与测量分开可以避免与使用相同的电容器分压器来感测电子器件并为其供电的复杂性,例如,需要在由电子器件获取的电力的准确在线估计进行恰当补偿。因此,可以针对其目的和/或最小成本来优化能量收集电路和感测装置。
代替单个集总初级(高压)电容器,说明性实施例将分布电容与多个低压电容器一起应用。这可以允许传感器壳体内的灵活定向,同时实现减小的整体大小。对于具有不同额定电压的配电系统,可以适当地变更电容器的数量(用于初级电容),而不会引致设计的高成本或重大变化。例如超级电容器的任选弹性储能元件可用于维持用于数据采集或避免嵌入式处理器的通电复位循环及实时时钟或时间戳信息的随后复位的电力。典型的能量收集电容式分压器的特征可以在于,使用大型电容式分压器为固态互感器(SST)的电子器件提供辅助电力。与本发明内的实施例不同,SST可能固有地需要相对较大的电容器以用于电力转换器的谐波滤波,其中提取辅助电力为其次要功能。然而,将最小大小的电容式分压器既用于为传感器供电又用于以对电子器件中所使用的电力的补偿进行测量可能需要准确的电子器件功率消耗估计,以维持所要的准确度水平。由于单独的电力和测量元件,本发明内的布置可能不会引致任何补偿问题。本发明内的一些实施例可以将具有电池的最小大小的电容式分压器既用于感测线路电压,又用于以单独的充电和感测间隔为电子电路系统供电。
本发明内的装置、系统和方法可以在高压线路处于激励、部分激励或可能故障状态时从此线路感测各种电、热或机械或化学性质,并将这些性质传递给外部接收器。可以应用电压和电流传感器,例如但不限于用于电压的电阻式分压器和用于电流感测的电流互感器。额外类型的感测可以采用电场和/或磁场的测量(罗戈夫斯基线圈或霍尔效应传感器)。测量前端可由必要组件组成,所述必要组件与所有传感器、状态信号、电平移位、滤波器介接并将所感测值转换为模拟或数字值,所述模拟或数字值可由微控制器或其它处理单元视为输入。
本发明内的装置、系统和方法可包含可配置用于多个电压和/或电流电平连同任何补充传感器测量输入的模块化前端测量接口,用以转换并隔离从工业传感器收集且可配置前端电路收集的测量数据的模数转换集成电路或微控制器/微处理器装置。数据采集和控制电路系统可以在嵌入式处理器上计算与高压线路以及任何补充传感器上的电压和电流直接相关的各种参数。补充传感器的实例可包含电场或磁场传感器、热电偶或其它温度传感器、加速计、陀螺仪、倾角仪或其它传感器。本发明内的装置、系统和方法可包含微控制器、微处理器或其它用于处理所感测测量数据的控制装置。说明性实施例可包含到主处理单元的功率消耗监测输入,从而报告由数据采集和其它监测电路系统消耗用于功率管理及优化以及自校准的功率。这也可包含对临时储能元件(例如超级电容器)的充电管理。说明性实施例可包含无线自校准配置,所述无线自校准配置可以规则的间隔从单独的高精度测量装置接收偏移值,以减少传感器漂移并简化重新校准和认证工作。说明性实施例可包含基于经本地处理数据到所连接接收器的可配置阈值或警报;用于实施本地应用程序、控制传输数据的间隔和电力消耗优化的多组过程或嵌入式软件;传感器健康或诊断应用程序,其用以提供经本地或远程处理的基于状态或预防性指示符。
在本发明内,无线传输布置可包含用于存取针对低功率消耗而优化的单独无线网络的安全机载无线热点/接入点生成电路或连接包,且可以针对例如TCP/IP、Modbus TCP/IP和DNP 3.0或IEC61850标准的许多常规通信协议进行配置。说明性实施例可适用于以下各项的任何合适组合:次级接收单元、控制器(例如,电容器反向控制器)和/或到额外广域监测服务、监督控制和数据采集(SCADA)或用于接收所监测电压、电流和其它传感器数据的其它装置的连接。
本发明内的装置、系统和方法可以在高压线路处于激励、部分激励或可能故障状态时从此线路感测各种电、热或机械性质,并将这些性质传递给外部接收器。说明性实施例可在还在所述装置内或在其外部提供弹性储能媒体的情况下当高电压线路未激励时执行从所述线路感测这些相同的电、热或机械或化学性质,并将这些性质传递到外部接收器。说明性实施例可以对来自高压线路的电压和/或电流执行测量或感测,且可以将这些测量的原始值或经处理的平均/均方根量传递给外部装置。说明性实施例可以在嵌入式处理器上计算与高压线路上的电压和电流直接相关的各种参数,例如但不限于给定时间间隔内的电压均方根,给定时间间隔内的电流均方根,数字或模拟经滤波电压和电流波形,平均电压和电流RMS量,所感测电压与电流值之间的角度或时间差,以及电压或电流谐波或根据电压和电流测量值得出的总谐波失真。一些实施例可包含在嵌入式处理器上计算与从电压和电流导出的高压线路上的电力有关的各种参数,例如但不限于从所感测电压和电流值的功率因数计算,从电压和电流所测量值计算的视在功率,从电压和电流测量值计算的实数,和/或从电压和电流测量值计算或估算的无功功率。一些实施例可包含在嵌入式处理器上计算与从电压和电流导出的高压线路上的电能质量有关的各种参数,例如,欠电压或过电压条件和持续时间、非标称频率、电压或电流谐波或根据电压和电流测量值得出的总谐波失真,和/或其它可测量数量。一些实施例可包含在嵌入式处理器上计算与故障或其它电压、电流或其它传感器阈值的指示有关的各种参数,例如但不限于电压或电流谐波或根据电压和电流测量值得出的总谐波失真,反馈或逻辑检测瞬态或其它改变(例如根据电压和电流测量值得出的行波),和/或根据电压和电流测量值得出的经推断导体或其它温度计算。包含模块化前端的实施例可以允许添加除电压和电流以外的额外传感器,并提供测量和电力子系统的隔离。此模块化前端可经设计用于广泛范围的输入。本发明内的装置、系统和方法可包含无线通信,其可以实现额外应用,与现有公用事业系统的集成以及来自所连接传感器的广域监测能力。一些实施例可给可放置在架空线路上的其它低功率装置或电子器件供电。此类其它装置的实例可包含但不限于相机或无源红外监测器、单独的无线网关装置、临时电子平台或其它可能用途。
本发明内的装置、系统和方法可以避免需要从架空线路电压、电流传感器和/或其它电网传感器到电容器组控制器的昂贵军用级和/或全天候连接器。相反,传感器内的无线模块可以与外部控制器通信。然而,在传输此无线信号之前,可以先使用电子板将模拟电压测量值转换为数字值。电子板可能包含测量前端、微控制器和无线芯片组,且应可靠地供电并设计为持续电力公用事业所要的长安装周期。为传感器电子器件供电可通过能量收集来完成,且许多不同选型可用于以不同的利益和折衷来获得此电力。本发明内容中的电容式分压器(CVD)可以向无线传感器提供主要电力(代替在例如太阳能光伏(PV)、电阻式分压器、电流互感器、热电发电机和/或电池操作之类的远程电力替代方案上方)。由于在脉冲条件下性能不佳,因此将PV和电池用作主要电力可能对公用事业客户造成不利影响。光伏电池取决于可用的阳光和有利的天气条件,且可能需要电池或超级电容器作为电池操作的后援。电流互感器可能需要维修线路,所述维修线路在很多时候可能没有完全激励。在电流互感器初级侧的电流最小的情况下,能量可能不足以为传感器接口供电。本发明内的装置、系统和方法可以从所测量线路的高电压收集能量。当线路上存在电压时,不管线路上的负载如何,均可以使用电容式分压器作为收集能量的装置。单独的电阻器分压器可用于感测线路电压。用于供电和感测的单独组件可以改进可靠性,且还可以避免需要用于获得准确数据的补偿电路系统。
在本发明内,用于感测和电力的单独电路系统可以提供所测量数据的更高可靠性。无电池布置可以增加安装环境内的可靠性和寿命。电容的分布可以提供灵活的形状因数。由于分布式初级(高压)电容,因此可为多个额定电压提供设计简洁性。说明性实施例可利用可商购的(低压)电容器,其可以为成本有效的且可以避免对专门的高压电容器的需求。通信电路系统可以启用本地和/或广域监测应用程序。可以将额外传感器或一组传感器放置在适当位置来测量线路导体温度,方法为将其放置在导体上或其周围或与现有电压或电流测量相同的接触点处,或距这些感测元件一定距离处。可以将从放置的热电偶或其它装置感测到的温度增加与嵌入式处理装置内的电流测量进行比较,以获取额外导出的温度参数和/或故障指示。
在一些实施例中,由初级电容器接收的传输线路电压可包含传输线路的几乎整个电压。在一些实施例中,传输参数的测量和/或通信可以为自主的。
在本发明内,一或多种电流、电压、加速度计、温度和/或陀螺仪感测装置的组合可以用于采用线路弧垂检测或鉴定。这可能需要基于倾斜角度和此确定所需的先决条件感测来检测架空线路电缆与地面的距离的改变。本发明内的传感器的实施例可为使用来自一个相的单个电力收集元件、杆顶传感器和接线或连接到其余多相的卫星传感器(例如在三相系统内)的可能性。每一相可以具有其特有隔离测量装置或单元,由高压线路的一个相上的单个能量分配器供电。在一些实施例中,测量装置的改变对于更高的电压可能为必要的,例如使用严格地用于电压测量的额外电容式分压器的使用以及替换当前使用的电阻性分压器或不同的电流互感器。可以应用防篡改、IP额定的连接器,以向辅助连接装置提供外部辅助AC或DC电力输出。辅助电力输出的功率消耗可以由测量平台的主处理单元监测,并进行远程通信以防止能量盗窃。可以应用继电器或其它开关装置来禁用与此辅助端口的连接。在一些实施例中,可以应用一系列连续的传感器单元,其中可以在不替换整个单元的情况下替换数字电子部件(例如主处理单元、无线电和/或模数前端电路系统)。上述情形可实施为可以将电子卡或板插入或移除到其中的封闭式机架或机柜、附接板或外部单元,或通过其它方式实施。可以合并使用某些AMI(高级计量基础实施)技术的对等固件升级。基于人工智能的学习算法可以应用于向公用事业客户提供预防性维护数据。
在本发明内,可以布置与用户通信的测量设备,其可包含集中控制系统和/或监督控制和数据采集(SCADA)系统。测量设备的传感器可以各自测量传输线路的不同相位。一或多个模拟数字转换器可以针对每一相位将模拟传感器信号转换为数字信号,且可进行通信以将数字信号的无线通信传递给作为集中控制系统的中央接收器。此中央接收器可以与例如本文中所提到的电容器组控制器之类的电容式电容器组控制器连接,且可以提供本地通信/转换。在一些实施例中,测量设备可以直接连接到无线路由器(例如ABB TropOS 2410或2420),以将所感测到的参数传递到SCADA系统或数据历史记录。“集中控制系统”是指收集三相测量值的电容器组控制器或其它控制装置。在一些实施例中,集中控制系统可以为ABB产品(与其它系统可互操作),例如ABB COM600、MicroSCADA Pro SYS600或其它远程终端单元(RTU)。
在一些实施例中,测量设备可以直接连接到无线路由器,以将所感测到的参数传递到SCADA。“集中控制系统”是指收集三相测量值的电容器组控制器或其它控制装置。在一些实施例中,集中控制系统可以为ABB产品(可与其它系统互操作)。
尽管已在附图和前面描述中详细描述了某些说明性实施例,但此说明和描述应被认为是示范性的,而非限制性的,应理解,仅展示和描述说明性实施例,且在本发明精神之内的所有改变和修改均期望得以保护。存在本发明的从本文中所述的方法、系统和制品的各种特征产生的多个优点。应注意,本发明的方法、系统和物件的替代实施例可能不包含所描述的所有特征,但仍然受益于此些特征的至少一些优点。所属领域的普通技术人员可以容易地设计出其自己的并入本发明的一或多个特征的方法、系统和物件的实施方案。

Claims (21)

1.一种用于测量和传递传输线路的传输参数的在线测量系统,所述系统包括:
测量平台,其适于与所述传输线路连接以测量一或多个传输参数,所述测量平台包含至少一个传感器,所述至少一个传感器适于与所述传输线路通信以感测所述传输线路的一或多个参数;
监测组,其经布置成与所述测量平台通信以接收所述传输线路的所述一或多个参数的指示,所述监测组包含至少一个处理器和通信电路系统,所述至少一个处理器适于执行指令以经由所述通信电路系统将所述传输线路的所述一或多个参数的指示传递到用户;及
能量管理系统,其适于与所述传输线路连接以用于收集和管理用于操作所述在线测量系统的能量,所述能量管理系统包含具有多个串联连接电容器的电容式分压器组,所述多个电容器中的一个适于与所述传输线路通信以接收传输线路电压,且所述多个电容器中的另一个经连接以提供比所述传输线路电压低的输出电压。
2.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述测量平台适于在第一连接处与所述传输线路连接,且所述能量管理系统适于在第二连接处与所述传输线路连接。
3.根据权利要求1所述的在线测量系统,其进一步包括:电力管理系统,其用于调节到所述测量平台和所述监测组中的至少一个的电力,所述电力管理系统包含与所述测量平台和所述监测组中的所述至少一个连接的电力供应器。
4.根据权利要求3所述的在线测量系统,其中所述电力管理系统包含电力转换器,所述电力转换器适于将从所述另一电容器接收的低压AC转换为低压DC以传递到所述电力供应器。
5.根据权利要求3所述的在线测量系统,其中所述电力管理系统包含蓄电装置。
6.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述测量平台包含处理器,所述处理器适于转换和隔离来自所述至少一个传感器的测量数据。
7.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述至少一个传感器包含可配置前端测量接口,所述可配置前端测量接口适于感测所述传输线路的至少一个电压和/或电流电平。
8.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述至少一个传感器包含电阻式分压器和电流互感器中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述监测组的所述通信电路系统包含用于将所述传输线路的参数以无线方式传递到外部用户的无线通信电路系统。
10.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述无线通信电路系统适于提供无线接入点。
11.根据权利要求1所述的在线测量系统,其中所述能量管理系统包含电容式分压器保护电路系统,所述一个电容器通过所述电容式分压器保护电路系统与所述传输线路通信。
12.根据权利要求11所述的在线测量系统,其中所述电容式分压器保护电路系统包含涌入电流限制保护电路系统和电涌放电器电路系统中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的在线测量系统,其进一步包括辅助电力端口,其与所述能量管理系统通信以向辅助装置提供电力。
14.一种用于测量和传递传输线路的传输参数的测量装置,所述装置包括:
测量接口,其安装在所述传输线路上并与其连接用于测量一或多个传输参数,所述测量接口包含与所述传输线路通信以感测所述传输线路的一或多个参数的至少一个传感器;
监测组,其经布置成与所述测量接口通信以接收所述传输线路的所述一或多个参数的指示,所述监测组包含至少一个处理器和通信电路,所述至少一个处理器适于执行指令以经由所述通信电路系统将所述传输线路的所述一或多个参数的指示传递到用户;及
能量管理系统,其与所述传输线路连接以用于收集和管理用于操作所述在线测量系统的能量,所述能量管理系统包含具有多个串联连接电容器的电容式分压器组,所述多个电容器中的一个与所述传输线路通信以接收传输线路电压,且另一电容器经连接以输出比所述传输线路电压低的输出电压。
15.根据权利要求14所述的测量装置,其中所述测量接口在第一连接处与所述传输线路连接,且所述能量管理系统在第二连接处与所述传输线路连接。
16.根据权利要求14所述的测量装置,其进一步包括:电力管理系统,其用于调节到所述测量接口和所述监测组中的至少一个的电力,所述电力管理系统包含与所述测量接口和所述监测组中的所述指示一个连接的电力供应器。
17.根据权利要求16所述的测量装置,其中所述电力管理系统包含电力转换器,所述电力转换器适于将从所述另一电容器接收的低压AC转换为低压DC以传递到所述电力供应器。
18.根据权利要求16所述的测量装置,其中所述电力管理系统包含蓄电装置。
19.根据权利要求14所述的测量装置,其中所述测量接口包含处理器,所述处理器适于转换和隔离来自所述至少一个传感器的测量数据。
20.根据权利要求14所述的测量装置,其中所述至少一个传感器包含可配置前端测量接口,所述可配置前端测量接口适于感测所述传输线路的至少一个电压和/或电流电平。
21.根据权利要求14所述的测量装置,其中所述监测组的所述通信电路系统包含用于将所述传输线路的参数以无线方式传递到用户的无线通信电路系统。
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