CN112771391A

CN112771391A - 使用线装设备的单端行波故障定位

Info

Publication number: CN112771391A
Application number: CN201980062758.9A
Authority: CN
Inventors: 埃德蒙德·O·施维泽三世; 雷蒙德·W·赖斯
Original assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Current assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-05-07
Also published as: WO2020076556A1; US20200110124A1; US11067617B2

Abstract

一种线装设备用于向设备提供电力系统信号以检测故障并使用由此发起的行波来计算故障位置。所述线装设备处的电流用于分离端子处的入射行波和反射行波。比较经过所述线装设备和所述端子的行波的时间和极性，以确定所述故障是位于所述端子与所述线装设备之间还是位于超出所述端子或所述线装设备的位置。可使用来自所述线装设备的电流来计算所述行波的电压。

Description

使用线装设备的单端行波故障定位

技术领域

本公开涉及对电力递送系统中的故障位置的计算的改进。更具体地，本公开涉及用于通过使用来自线装设备的信号在电力递送系统的单端处检测行波入射和反射并且进行区分来确定故障位置的系统。

附图说明

描述了本公开的非限制性和非穷举的实施例，包括参考附图的本公开的各种实施例，其中：

图1A示出了由电力递送系统上的故障发起的行波的简化单线图和相关联的时序图。

图1B示出了包括一个端子处的行波的入射、传输和反射部分的表示的简化单线图。

图1C示出了电力递送系统的端子附近的故障的行波时序图。

图2示出了根据本文所述的几个实施例的使用智能电子设备(IED)和线装设备来监测和保护的电力递送系统的简化单线图。

图3示出了具有故障的电力递送系统的单线图以及由故障发起的行波的时序图。

图4示出了在与图3的故障不同的位置处具有故障的电力递送系统的单线图，以及由故障发起的行波的时序图。

图5示出了具有故障的电力递送系统的单线图以及由故障发起的行波的时序图。

图6示出了用于使用来自IED和模拟线装设备的信号来定位故障的系统的简化框图。

图7示出了用于使用来自IED和模拟线装设备的信号来定位故障的系统的简化框图。

图8示出了用于使用来自IED和数字线装设备的信号来定位故障的系统的简化框图。

图9示出了用于使用来自IED和数字线装设备的信号来定位故障的系统的简化框图。

图10示出了用于向线装设备供电并通过光纤传输直接波形的系统的简化电路图。

图11示出了用于向线装设备供电并通过光纤传输模拟信号的系统的简化电路图。

图12A示出了用于向线装设备供电并通过射频传输的系统的简化电路图。

图12B示出了用于向线装设备供电、收集样本并通过射频传输的系统的简化电路图。

图13示出了用于向线装设备供电并通过射频传输模拟信号的系统的简化电路图。

图14示出了用于向线装设备供电并通过射频传输连续数字捕获的系统的简化电路图。

具体实施方式

本文的实施例描述了对检测和定位电力系统上的故障的技术的改进。改进包括使用线装设备以提供电力系统信息，该信息可用于区分由故障发起的行波的入射和反射。电力系统的单端处的行波可用于检测故障并使用行波原理来确定故障的位置。

在电力线的单端处观察到的入射行波与从故障位置的反射之间的时间可用于确定故障位置。需要行波的到达时间的精确测量值以准确计算位置。在端子处，将行波电压和电流测量为入射行波和反射行波的总和。确定行波特性需要分离入射波和反射波。事实证明，使用现有的仪表用互感器很难分离端子处的入射行波和反射行波。此外，在许多装置中，当故障接近端子时，现有的仪表用互感器可能无法提供足以准确区分入射行波和从故障位置的反射的信号。需要的是用于分离入射行波和反射行波以提供用于故障检测的准确行波特性的系统。还需要的是用于即使当故障在端子附近发生时也区分入射行波和从故障位置的反射的系统。本文公开了用于检测故障并根据传输线的单端处的行波确定故障位置的设备和系统。本文公开的实施例可使用现有的仪表用互感器和线装设备。

通过参考附图将最好地理解本公开的实施例，其中相似的部分始终由相似的数字表示。容易理解的是，如本文的附图中总体上描述和示出的，所公开的实施例的部件可能以各种不同配置来布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅表示本公开的可能实施例。此外，除非另有说明，否则方法的步骤不必一定以任何特定顺序执行，甚至不必顺序执行，也不必仅将步骤执行一次。

所描述的实施例的几个方面可被实现为软件模块或部件。在某些实施例中，特定的软件模块或部件可包括存储在存储器设备的不同位置中的不同指令，其一起实现模块的所描述的功能。实际上，模块或部件可包括单个指令或多个指令，并且可分布在几个不同代码段上、在不同程序之间以及在几个存储器设备上。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。

图1A示出了由电力递送系统的线102上的在时间t＝0时的故障150发起的行波的入射和反射的时序图。与端子104相距m的位置处的故障150发起沿两个方向的行波。波从故障朝向线端子L 104和R 106传播。时序图170示出了行波传播的时序。初始入射行波在时间t₁到达端子L 104。入射波的一部分从端子L 104反射回故障位置150。反射波的一部分从故障位置150反射并且在时间t₂到达端子L 104。类似的反射在时间t₃到达端子L 104。在已知的行波传播速度下，可使用所检测的入射行波t₁与反射t₂之间的时间差来计算距故障位置150的距离。因此，为了确定故障位置，需要准确地检测行波和反射以及时间。

图1B示出了图1A的单线图的一部分，具有行波的更多细节。如上所指示，故障150朝向端子L 104发起行波182。行波182由电压和电流分量组成，与电力线的特性阻抗相关。当具有电流i_I和电压v_I的入射行波到达线端子104时，入射行波的一部分以电流i_T和电压v_T透射，并且其余部分以电流i_R和电压v_R反射。透射和反射的能量的量取决于超出转化点的特性阻抗Z_T以及波在其上行进的线的特性阻抗Z_C。线端子处的设备测量电流和电压值，其为入射行波和反射行波的总和。在行波的感兴趣频率内，测量电压值的保真性可能较低，尤其是当经由电容耦接电压互感器(CCVT)进行电压测量时。如果可准确测量电压，则线端子处的设备可准确计算入射行波和反射行波。因为设备仅能够测量v和i，并且因为CCVT使电压测量值失真，所以设备无法准确计算入射波和反射波，并且此限制劣化准确计算故障位置的能力。

等式1和2示出了端子电压v和端子电流i作为入射电压v_I和反射电压v_R以及入射电流i_I和反射电流i_R的函数：

v＝v_I+v_R 等式1

i＝i_I+i_R 等式2

另外，等式3和等式4根据v_I和v_R示出i并且求解v_R：

v_R＝v_I-iZ_C 等式4

将来自等式4的v_R代入等式2A并求解v_I得出了等式5：

类似地，获得等式6以将线端子处的反射波的电压表示为v和i的函数：

使用线的对应特性阻抗对模态电流和电压执行等式5和6。分离入射行波和反射行波时的挑战是正确测量端子处的电压和电流。如上所讨论，因此，在单个线端处的高保真电压和电流测量值对于区分入射行波和反射行波很重要。典型的仪表用互感器诸如CT和PT(例如，CCVT)被优化用于在标称频率条件下使用。行波信号的频率比电力递送系统的典型标称频率高得多。可使用专用的高频换能器，但这些设备的高成本和定制特性使这种方法对于典型的电力系统装置不切实际。此外，通常电力系统装置中已经安装了仪表用互感器。通常使用被调谐到标称信号频率的CCVT来测量电压，并且电压对于较高频率(例如，处于kHz和MHz范围)显示出非常大的衰减。CCVT通常不适合使用其标准次级电压输出来进行行波测量。常规CT具有良好的高频响应，其中可用通带通常达到100kHz并且甚至可能接近200kHz或500kHz。

因此，第一问题是通过端子附近的设备来区分入射行波和反射行波以进行故障检测和位置计算。需要的是即使在端子处使用现有的仪表用互感器时也分离此类入射行波和反射行波的系统。

图1C示出了由故障150发起的入射行波和反射行波的另一个时序图。在此示出的图中，故障150是近距离故障，出现在距端子L 104仅1英里处。使用已知行波传播速度，可以看到入射行波的初始到达(与故障的时间相距5μs)与行波的从故障位置反射的一部分的到达时间(与故障的时间相距15.9μs)之间的时间小于11μs。更靠近线端子发生的故障导致入射行波的到达与从故障的反射之间的更短时间差。这些时间差可能接近负责检测故障和确定故障位置的设备的采样分辨率。因此，仪表用互感器可使初始行波和来自故障的反射模糊。因此，第二问题是，当故障靠近端子时，区分入射行波和从故障的反射。需要的是，将此类入射行波与从故障的反射分离的系统。

图2示出了根据本文的几个实施例的由提供故障检测和定位的IED210监测的电力递送系统200的简化单线图。IED 210可使用来自已经用于传统线监测和保护的仪表用互感器的信号来根据行波原理检测故障并计算故障位置。IED 210可包括处理器211，处理器211可包括一个或更多个通用处理器、专用处理器、专用集成电路、可编程逻辑元件(例如，FPGA)等。IED 210还可包括非暂时性机器可读存储介质212，具有一个或更多个磁盘、固态存储装置(例如，闪存存储器)、光学介质等。IED 210可与网络(未单独示出)通信，该网络可包括用于监测和/或控制电力系统200的专用网络(例如，SCADA网络等)。在一些实施例中，IED 210可包括人机接口(HMI)部件(未示出)，诸如显示器、输入设备等。

IED 210还可包括一个或更多个通信接口213。通信接口213可包括用于与线装设备222通信的有线和/或无线通信接口(例如，串行端口、RJ-45、IEEE 802.11无线网络收发器、光纤收发器等)。

IED 210可通过一个或更多个CT、PT(其可被实现为CCVT等)、合并单元等可通信地耦接到电力系统200。IED 210可从电力系统200接收以与电流相关的电信号、与电压相关的电信号、与电流和/或电压相关的数字化模拟信号等形式的激励208。

IED 210可包括多个保护元件，诸如行波故障定位元件220，故障定位元件220可体现为存储在计算机可读介质(诸如存储介质212)上的指令，该指令在处理器211上执行时致使IED 210检测行波的一个或更多个入射并计算故障的位置。故障位置计算可基于行波的时间。行波故障定位元件220可包括针对行波检测器244和被配置为确定故障位置的故障定位器246的指令。当在预定保护区内检测到故障时，IED 210还可包括用于采取保护动作的指令，诸如发信号通知断路器232断开，从而移除电力免于馈送到故障。可采取保护动作以防止对电力系统造成附加损害。另外，故障的计算位置有助于工作人员前往该位置并修理损坏的装备。

行波检测器244可使用电压和/或电流信号来检测行波入射和反射。行波的时间可基于从电力递送系统获得信号的时间。行波检测器244还可确定所检测的行波的极性。故障定位器246可使用以下信息来计算故障的位置：来自行波检测器的与行波相关的信息，以及使用利用线装设备来获得的信号的与行波相关的信息。线装设备222可提供经处理的行波信息(例如，行波时间和极性)或供IED 210处理的来自电力递送系统的原始信息，或其组合。

此外，IED 210可包括与受监测装备(诸如断路器232)电连通的受监测装备接口234。受监测装备接口234可包括用于响应于来自IED 210的命令而向断路器232提供信号以断开和/或闭合的硬件。例如，在检测到故障时，行波元件220可向受监测装备接口234发信号以向断路器232提供断开信号，因此对电力递送系统实现保护动作。在某些实施例中，保护动作可由附加或独立的设备(诸如合并单元)实现。

如上所述，行波入射与从故障位置的反射之间的时间差可用于计算到故障的距离。可使用等式7来计算与单端相距的故障位置：

其中：

m是与故障相距的距离；

t_L2是来自故障的第一反射在L端子处的到达时间；

t_L1是来自故障的初始波前在L端子处的到达时间；以及，

v_TW是行波传播速度。

为了解决上面介绍的两个问题，本文的改进使用了线装设备222。线装设备222可安装在线202上的预定位置处以提供有助于确定故障位置的信号。IED 210可与线装设备222通信以用于接收线装设备222的位置处的与电力递送系统相关的信息。在几个实施例中，线装设备222用于提供行波的入射电流i_I的测量值。在已知阻抗Z_C的情况下，可根据等式5计算行波的入射电压v_I。因此，无论是否有能力测量端子处的行波入射电压和电流，都可确定入射电压v_I并且可使用从故障的反射来计算故障位置。

线装设备222可包括用于将电力提供给线装设备222的几个部件的电源254。如本文中更详细描述的，电源可从电力系统200、从内部电源等获得电力。线装设备222可包括信号处理模块256，该信号处理模块256与电流互感器252通信以便从其获得电流信号并处理该信号以经由发送器258传输到IED 210。信号处理模块256可提供用于传输的经调制的模拟信号、用于传输的数字化信号等，如本文中更详细地公开的。

线装设备222可用于提供与经过线装设备222的位置的行波相关的信号以供IED210的行波故障定位元件220使用。在某些实施例中，线装设备222的位置可在CCVT的分辨率区之外。例如，如果最短分辨时间约为10μs，则可将线装传感器放置在距CCVT所位于的端子约一英里处。线装设备222检测经过线装设备的行波的波前及其极性；并且将与其相关的信息发送到IED 210以用于使用行波来确定故障位置。

行波故障定位元件220可使用来自线装设备222的信号来分离入射行波和反射行波。也就是说，使用线装设备222来测量的行波电流可用于确定行波电压(使用已知的系统阻抗)。也就是说，IED 210可使用来自线装设备的电流乘以阻抗来计算入射行波电压。因此，可使用来自线装设备的电流来计算入射行波的电压，从而无需分离端子处的入射和测量的行波电压。根据该改进，不需要在IED处进行高保真电压测量来分离入射行波和反射行波。

此外，所公开的线装设备可用于确定故障是否：1)在端子和线装设备之间；2)超出线装设备；或者3)在另一个导体上。该确定基于行波到达端子和线装设备处的相对时间，以及端子和线装设备处的行波的极性。IED可取决于故障的确定位置采取或阻止保护动作。

图3示出了使用线装设备322来监测的电力系统的简化单线图以及由故障350引起的行波和反射的时序图。系统包括远程端子R 306、本地端子L 304和电力线302，它们可由IED(诸如IED 210)监测以获得电力系统信号并使用行波原理来确定故障状况和故障位置。此外，线装设备322与端子L 304相距已知距离312。已知距离312可被确定为来自现有装备的电压信号的有用分辨率所需的距离。线装设备322从线302获得电力系统测量值(诸如电流)并将与其相关的信息传输到IED。在某些实施例中，线装设备322可将电流测量值传输到IED。在其他实施例中，线装设备322可计算行波属性(例如，时间、电压、极性等)并且将与行波属性相关的信息传输到IED。IED可使用来自线装设备322的信息和该IED所获得的信息来确定故障350的位置。

第一极性的入射行波在时间326到达线装设备322并且在时间352到达L端子304。线装设备322可测量线装设备322的位置处的入射行波的电流。在某些实施例中，线装设备可将入射行波电压计算为特性阻抗Z_C与在线装设备322处测量的电流的乘积。在又一些其他实施例中，可在IED处使用由线装设备测量并且传送到IED的电流来计算线装设备处的电压。在已知时间358(其在各种实施例中可能接近零，或者在某些实施例中可能与处理时间相关)之后，线装设备322将行波信息或电流测量值传输到IED，它们在时间360到达IED。

当入射行波在352处到达端子时，IED可计算行波属性。当故障350在线装设备322之外(不在区312内)发生时，使用线装设备322的测量值来检测的入射波和使用端子L 304处的电压和电流来检测的入射波将具有相同的极性。因此，IED可确定故障在区312之外。IED可使用利用在线装设备处测量的电流和特性阻抗计算的电压来确定入射电压波。

因此，可确定故障在区312之外(由于入射行波在到达端子之前到达线装设备的时间，并且线装设备处的入射行波与端子上的入射行波具有相同的极性)。在线装设备322处测量的行波入射电流i_I可用于计算行波入射电压v_I。IED可使用来自线装设备322的测量值来将入射行波与从故障位置的反射分离。IED可使用这样的时间差，以使用初始波前的时间和从故障位置的反射的时间来计算到故障的距离。

在某些实施例中，线装设备322可仅传输电流测量值，并且IED可使用这些测量值和系统阻抗来计算线装设备处的入射波电压。在其他实施例中，线装设备322可计算关于入射行波的信息(诸如检测到入射行波的时间、电流测量值、电压测量值、电压计算值、极性等)并将其传输到IED。来自线装设备322的通信在时间360到达IED。

IED可包括来自线装设备322的延迟358和通信行进时间的设置，使得可将时间360处的接收测量值或计算值与在时间352处进行的测量值或计算值对准以用于正确的比较。

图4示出了图3的简化单线图，但其中故障450位于端子L 304和线装设备322之间(位于区312之内)。故障450发起朝向端子L 304的行波以及朝向线装设备322的行波。行波前沿在时间326到达线装设备322并且在时间352到达端子L 304。在线装设备处收集的行波信息在时间358发送并且在时间460到达IED处。线装设备处的行波和端子L 304处的行波表现出相反的极性。因此，IED可确定故障450在端子L 304和线装设备322之间。另外，CCVT的分辨率将不足以使IED将入射行波352与从故障454的反射分离。然而，因为IED确定故障在区312内，所以IED可确定对近距离故障采取保护动作。

此外，IED可使用入射行波在IED处的到达时间352和入射行波在线装设备322处的到达时间326来确定故障位置。可通过从来自线装设备322的通信的接收时间460减去处理时间358和通信时间来计算入射行波在线装设备322处的到达时间326。可根据等式8计算端子L 304和线装设备322之间的故障位置，其被表示为故障450与端子L 304的距离M：

其中：

SL是端子L 304和线装设备322之间的区段长度312；

t_L是行波前沿在端子L 304处的到达时间352；并且，

t_LMD是行波前沿在线装设备处的到达时间326，其由线装设备报告或使用处理和通信延迟来计算。

如图3和图4所示，可将在线装设备322处观察到的使用测量值的入射行波的极性与在端子L 304处观察到的入射行波的极性进行比较。当极性相同时，则可得出结论，故障在区312之外。来自端子L 304处的CCVT的电压测量值可用于分离入射行波与从故障的反射。入射行波与从故障的反射之间的时间可用于计算到故障的距离。当极性相反时，可得出结论，故障处于区312内，并且由端子L 304处的CCVT获得的电压可能不会用于将入射行波与从故障的反射分离以用于故障位置的计算。然而，由于已知故障接近端子，因此可采取保护动作。

图5示出了包括三条线502、504、506的电力递送系统的另一个简化图。每条线可以是单个导体，或者每条线可包含多个导体。对于该示出的示例，IED 210监测和保护线506，其中其他IED(未示出)可用于监测和保护其他线和装备。故障550在线502上发生。由此发起的行波通过端子L 304行进到其他线504、506。线502、504、506可以是如图所示的平行线、径向线、到不同变电站的传输线等。在时间352，IED 210检测到由线502上的故障550发起的入射行波。在行波的传播之后，线装设备322在时间526传输行波信息，该行波信息在时间556到达IED。如上所述，IED比较由IED 210检测到的行波的极性和到达线装设备322处的行波的极性。因为在IED 210处和线装设备322处的行波具有相同的极性，并且因此确定行波不在端子L 304和线装设备322之间。此外，因为行波在到达线装设备322之前到达端子L 304，所以IED确定故障在端子304之后发生(不在端子304和线装设备322之间，也不在线装设备322与远程端子R 306之间)。因此，由于线502上的故障的位置，IED可阻止对线506的保护动作。

图6-12大体上示出了可用于使用本文所述的行波原理向IED提供信号以进行故障检测和位置计算的线装设备的不同实施例。图6示出了与IED 210通信的线装设备622的简化框图。线装设备622可使用电源634来供电。在各种实施例中，电源634可经由CT 652或单独的CT从线202接收电力以用于从电力系统获得电力。电源634可调节和供应电力以供线装设备的各种元件使用。在一些实施例中，电源可使用电池、电容器或间歇性电源(例如，太阳能)来获得电力。

CT 652可将电流次级信号提供给调制器632，该调制器632被配置为使用电流次级信号来控制在光纤接口613上提供的信号。如本文所使用，“调制器”、“调制”等可指代用于表示电流的信号的任何修改，包括例如改变载波信号(例如，改变频率、幅度等)或将通信信号改变为信号的直接表示。光纤接口613可在光纤介质642上提供与经调制电流信号相对应的光信号。光纤介质642可以是线装设备622和IED 210之间的专用光纤。光学介质642可以是专用介质，或者可以是电力系统中已经存在的光学接地光纤(例如，光学接地导线“OPGW”)。IED 210可被配置为根据上文描述的几个实施例使用经调制信号来确定故障位置。具体而言，IED 210可使用激励104来获得本地电流和/或电压信号以确定行波的发生、时间和极性，并且可使用通信接口213来从线装设备622接收电流信息以确定线装设备622的位置处的行波发生、时间和/或极性。使用在端子和线装设备的位置处的行波信息，IED210可被配置为使用本文所述的技术来确定故障是否在区312内(相反极性)，在相同线上的区312之外(相同极性，行波在到达端子之前到达线装设备)，还是在另一条线上的区312之外(相同极性，行波在到达线装设备之前到达端子)。

IED 210可能已经在介质642上存储了线装设备622的与处理和通信时间相关的预定时间延迟。预定时间延迟可相对恒定。可基于对线装设备的测试、光纤介质642的长度以及光通过光纤介质642的已知传播速度来测试预定时间延迟。IED 210可使用预定时间延迟来计算行波经过线装设备622的CT 652的时间。

图7示出了使用射频通信系统来与IED 210通信的线装设备722的简化框图，类似于图6所述的系统。与调制器632通信的CT 652被配置为调制无线电接口713。无线电接口713使用适当介质来提供与经调制电流信号相对应的无线电信号。如上所述，提供经调制电流信号以供IED 210使用。

图8示出了用于使用根据仪表用互感器和行波原理可用的信号来确定故障位置的另一个系统的简化框图。来自CT 652的信号可使用A/D转换器832来进行采样和数字化。来自A/D转换器832的数字化模拟信号可被提供给处理器834。各种部件(诸如时间源836、处理器834和计算机可读存储介质840)可直接或使用附加部件(经由总线838)进行通信。

时间源836可以是任何适用的时间源(诸如晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器等)，或者可从公共时间源(诸如全球导航卫星系统(GNSS)、WWB信号、WWVB信号等)获得时间信号，或者甚至是使用例如IEEE-1588、NTP、SNTP等在公共网络上分发的时间信号。

计算机可读存储介质840可以是用于在处理器834上执行以致使线装设备执行某些功能的各种计算机指令的存储库。指令可包括在执行时致使线装设备822使用数字化模拟信号来确定行波发生、时间和极性的指令。根据这种确定，处理器可格式化包括行波属性的通信，并且致使使用光纤接口613经由光纤介质642将该通信发送到IED 210。尽管使用处理器和存储在计算机可读介质上的指令来描述实施例，但任何这样的处理机制都可用于执行本任务。例如，可使用具有驻留指令的现场可编程门阵列(FPGA)。可使用专用集成电路(ASIC)等。在另一个实施例中，指令可在被执行时致使线装设备822获得、格式化电流测量值并经由接口613将电流测量值传输到IED 210以供IED用来确定行波属性。

此外，从CT 652到在IED的通信接口213处接收到通信的已知时间延迟可能是已知的。IED 210可被配置为使用与所检测到的行波相关的传送信息和已知时间延迟来确定行波何时经过CT 652，并且如上所述将此与极性一起使用以确定故障的位置。

在一个实施例中，线装设备可处理数字化模拟信号以确定行波信息并将行波信息传送到IED 210。在另一个实施例中，线装设备可继续监测电力递送系统，并且将与行波的进一步反射相关的信息传输到IED 210。在又一些其他实施例中，线装设备可不断地将数字化模拟信息从A/D转换器传输到IED 210以供IED 210进行处理以便从中检测行波和行波信息。在又一个实施例中，线装设备可被配置为检测行波，并且在检测到时可传输具有行波信息的通信，并且开始数字化模拟信号从A/D到IED 210的连续流。也可考虑此类传输的变化。电力系统信息可连续传输或者仅在线装设备检测到故障时传输。

图9示出了又一个系统的简化框图，类似于图8的系统，不同之处在于使用无线电接口713和射频信号将来自线装设备922的通信提供给IED210。

返回图6-9中描述和示出的几个实施例，在电力系统的标称操作期间，线装设备可保持在睡眠或低功率模式。在这种模式中，线装设备可能不会将通信发送到IED 210，或者只会周期性地发送指示线装设备尚未检测到故障的通信或心跳信号。在此低功率模式期间，线装设备可使用电源634来获得并存储电力以用于在需要时随时使用。线装设备可包括用于检测电流浪涌的电路并启动活动模式。在活动模式期间，线装设备可将通信传输到IED210。例如，图6和图7所示的模拟实施例可开始将经调制信号传输到IED 210；图8和图9所示的数字实施例可如上所述开始处理数字化模拟信号并且在进入活动模式(检测到故障)时传输通信。

电源634可包括具有足够容量的电力存储设备，以在足以检测和传送与故障相关的信息的时间段期间向线装设备922的各个部件供电。在一个实施例中，电力存储装置可以是具有足够大小的电容器以至少在将行波横穿电力线四次所花费的时间内向线装设备922的各个部件供电。即使故障在线的另一端处发生，这也足以检测到行波的第一发生、从IED的位置的反射以及从故障位置的反射。

图10-14示出了用于将信息发送到IED以进行故障定位的线供电的线装设备的几个实施例的电路图。图10示出了用于提供电力并经由光纤介质642传输与电流成比例的模拟信号的简化电路图。所示实施例使用在光纤介质上的直接波形传递。第一供电CT 1002可与整流器1004电连通以将交流电流整流为调节器1006的直流电流。经调节电力被供应到线装设备1022的各个部件。测量CT 1010产生在其被安装在的电力线上的电流的缩放版本。电阻器1016为缩放电流提供路径并且产生根据电流缩放的电压。与1018和1020的电阻的总和相比，1016的电阻足够小，使得在1016和1018公用的节点处相对于接地测量的电压几乎关于接地对称，即通过CT 1010的线圈的DC电流很小。电阻器1020和电阻器1018公用的节点是运算放大器1012的+端子的电压源。该电压是添加了DC电压的电阻器1016中的电流的表示。该DC电压的目的是使运算放大器1012始终偏置光学部件1014，使得它为电阻器1016中的所有预期电流水平(包括负电流)产生光。电阻器1021将通过光学部件1014的电流转换为电压，使得运算放大器1012可驱动电流通过光学设备，作为运算放大器1012的+端子处的电压的缩放表示。光源(例如，发光二极管、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)1014等)可将信号发到介质642上，作为线上电流的缩放版本。

图11示出了用于提供与线装设备1122处的电流相对应的连续频率调制信号的另一个简化电路图。除了向线装设备1122的部件提供电力外，还向偏置电流源1108提供经整流和调节的电源信号。使用信号调节器1112对来自测量CT 1010的电流信号进行调节，并将该电流信号提供给电压控制振荡器(VCO)1114，电压控制振荡器1114驱动光源1014以用于经由光纤642将频率调制光信号提供给IED。来自电源1108的偏置电流将光源1014的操作推到其阈值电流之上以允许VCO 1114发生负转变而不会关闭光源1014。此外，使用表示VCSEL中电流的低通滤波信号来产生反馈信号1132，并由偏置电流源使用该反馈信号1132以将偏置电流调整为预定值。进入低通滤波器的信号可由光耦接到VCSEL的光监测设备1142产生。因此，对应于电流的模拟频率调制信号经由光纤连续地提供给IED，以用于使用如上所公开的行波属性来确定故障位置。

图12A示出了可用于在故障检测时使用射频传输来提供电力系统测量值的另一个简化电路图。供电CT 1002向电力块1202提供电流，该电力块1202可包括如上所述的向线装设备1222的部件提供经整流DC电力所必需的各种元件(此类元件可包括例如电涌抑制器、最大化电容器、能量存储装置、降压转换器等)。可使用由模拟触发器1206操作的开关1204来选择性地供应这种电力。模拟触发器1206从测量CT 1010接收表示电力系统的电流的信号。高通滤波器1208可用来滤出处于标称频率(例如，60Hz或50Hz，取决于电力系统)的信号。剩余信号在窗口检测器1210的上下阈值之间。在超过任一阈值时，窗口检测器1210闭合开关1204以向信号调节1212、处理器1214和发送器1220供电以用于将数字化模拟信号传输到IED。

信号调节1212可包括抗混叠滤波器和信号增益。表示电流的经调节信号被提供给微处理器1214以用于将模拟信号转换成数字化信号、进行存储并传输到IED。微处理器可包括用于对模拟输入进行采样和数字化的模数转换器(A/D)1218(或与其相关联)。微处理器可包括接口(或与其相关联)，诸如用于将数字信号传输到RF发送器1210并经由无线电介质1224传输到IED的串行外围接口(SPI)1216。因此，线装设备可在检测到故障时存储关于所检测到的故障的信息，并且经由射频将所存储的信息传输到IED。

图12B示出了用于数字化和缓冲电力系统信息并在检测到故障时将数字化电力系统信息发送到IED的简化电路图，类似于图12A所示的实施例。A/D和缓冲部件1260连续从电力块1202接收电力。使用A/D 1262对来自1212的经调节信号进行采样和数字化，其中将样本存储在循环缓冲器1264中。缓冲器1264可用于微处理器1214，使得在由模拟触发器1206检测到故障时，闭合开关1204，处理器可获得存储在缓冲器1264中的样本以进行传输。处理器1214可被配置为从紧接在故障发生之前和期间传输样本。在某些实施例中，处理器1214可在故障检测之后的一段时间内继续从缓冲器发送样本。因此，循环缓冲器可用于在故障之前和期间获取电力系统测量值，并且在检测到故障时经由射频将其传输至IED。

图13示出了用于经由射频传输与电流相对应的模拟信号的简化电路图。所示的实施例可仅在检测到应当传输信号的条件时周期性地传输。供电CT 1002从电力系统获得电力信号以进行整流1004和调节1006，以便将操作电力提供给线装设备1322的各个部件。测量CT 1010获得次级电流，该次级电流在电阻器1016中被转换为电压信号。该信号被提供给锁相环(PLL)电压控制振荡器(VCO)合成器1304，以用于将与电力系统上的电流相关的经调制信号提供给射频功率放大器1306。因此，线装设备1322连续准备好传输功率放大器1306的待定启用。来自滤波器1208的经滤波信号被提供给如上所述操作的窗口检测器1210。在断言窗口检测器1210有效时，超时设备1308将启用信号提供给功率放大器1306，从而允许信号在与超时设备1308相关联的预定时间内进行RF传输。因此，仅在检测到故障时，线装设备1322才经由RF将模拟电力系统信号发送到IED。

图14示出了用于连续数字捕获和经由射频从线装设备1422到IED的周期性传输的简化电路图。如图所示，从电力块1202向微控制器1214连续提供经调节电力，该微控制器1214从测量CT 1010连续获得、采样、数字化并存储与电力系统上的电流相关的测量值。可将测量值存储在缓冲器(诸如循环缓冲器1262)中。微处理器1214还可使用数字化样本来确定故障的发生。可通过将电流幅度与预定阈值进行比较来进行确定。可使用信号的频率来进行确定。在替代实施例中，可使用模拟触发器，诸如图12A、图12B和图13中描述的高通滤波器和窗口检测器。在检测到故障时，微处理器1214可向开关1204发信号以使其闭合，从而向射频发送器1220提供电力。微处理器1214可被进一步配置为使用例如SPI 1216将存储的测量值输出到发送器1220。因此，与电力系统上的电流相关的数字信号可由线装设备1422连续地存储并且周期性地传输到IED以用于如上所述确定故障的位置。

尽管已经示出和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，可在不脱离本公开的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求确定。

Claims

1.一种用于检测电力递送系统上的故障的位置的系统，包括：

线装设备，所述线装设备处于所述电力递送系统上的第一位置处，包括：

电源，所述电源用于向所述线装设备提供操作电力；

电流互感器，所述电流互感器在所述第一位置处与所述电力递送系统电连通以便获得与所述第一位置处的电流相关的电信号；

信号处理器，所述信号处理器与所述电流互感器通信以接收所述电信号并提供第一位置电流测量值；以及，

发送器，所述发送器与所述信号处理器通信，被配置为传输第一位置电流测量值；

保护设备，所述保护设备与所述电力递送系统上的第二位置电连通，所述第一位置与所述第二位置相距已知距离，所述保护设备包括：

通信接口，所述通信接口与所述线装设备的所述发送器通信以接收所述第一位置电流测量值；

激励输入端，所述激励输入端从所述第二位置获得电力系统信号；

信号处理器，所述信号处理器用于处理来自所述激励输入端的所述电力系统信号；

行波检测器，所述行波检测器与所述信号处理器和所述通信接口通信以便：

使用所述第一位置电流测量值，确定所述第一位置处的行波的时间和极性；以及

确定所述第二位置处的行波的时间和极性；以及

故障定位器，所述故障定位器与所述行波检测器通信以便使用所述第一位置和所述第二位置处的行波的时间和极性来确定故障的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述行波检测器被配置为使用所述第一位置电流测量值和已知阻抗来计算所述第二位置处的所述行波的电压。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述发送器包括光纤发送器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述发送器包括射频发送器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源与供电电流互感器电连通，所述供电电流互感器与所述电力递送系统电连通。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电源包括用于将来自所述电力递送系统的交流电流整流为直流电流以供所述线装设备使用的整流器。

7.根据权利要求1所述的系统，其中当所述第一位置处的行波的极性与所述第二位置处的行波的极性相反时，所述故障定位器确定所述故障的位置在所述第一位置和所述第二位置之间的所述已知距离内。

8.根据权利要求1所述的系统，其中当所述第一位置处的行波的极性与所述第二位置处的行波的极性相同时，所述故障定位器确定所述故障的位置在所述第一位置和所述第二位置之间的所述已知距离之外。

9.根据权利要求8所述的系统，其中当所述行波在所述第二位置处的时间晚于所述故障在所述第一位置处的时间时，所述故障定位器确定所述故障的位置与所述线装设备在相同线上。

10.根据权利要求8所述的系统，其中当所述行波在所述第二位置处的时间早于所述故障在所述第一位置处的时间时，所述故障定位器确定所述故障的位置在与所述线装设备不同的线上。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述故障定位器使用利用来自所述第二位置的所述电力系统信号检测的行波来确定到所述故障的距离。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述线装设备的所述信号处理器包括调制器。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述线装设备的所述信号处理器包括锁相环和电压控制振荡器。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述线装设备的所述信号处理器包括：

模数转换器，所述模数转换器用于对来自所述电流互感器的所述电信号进行采样和数字化；以及

缓冲器，所述缓冲器用于存储数字化电信号。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述发送器被配置为连续地传输所存储的数字化电信号。

16.根据权利要求14所述的系统，还包括模拟触发器，所述模拟触发器用于确定故障并启动所存储的数字化电信号的传输。

17.一种用于计算电力递送系统中的故障的位置的方法，包括：

在所述电力递送系统上的第一位置处检测行波的第一观察值，所述第一观察值包括所述行波的所述第一观察值的第一极性；

使用电力递送系统信号来在所述电力递送系统的第二位置处检测所述行波的第二观察值，所述电力递送系统信号是使用距所述第一位置预定距离处的线装设备来获得的，所述第二观察值包括所述行波的所述第二观察值的第二极性；以及

当所述第一极性与所述第二极性相反时，确定所述故障的位置在所述第一位置和所述第二位置之间。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括当所述第一极性等于所述第二极性时，确定所述故障的位置不在所述第一位置和所述第二位置之间。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

当所述第二观察值的时间早于所述第一观察值的时间时，确定所述故障的位置所在的电力线与所述第二位置所在的线相同；以及

当所述第二观察值的时间晚于所述第一观察值的时间时，确定所述故障的位置所在的电力线与所述第二位置所在的线不同。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括所述线装设备调制所述电力递送系统信号，以及将经调制信号传输到所述第一位置处的智能电子设备。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括所述线装设备对所述电力递送系统信号进行采样和数字化，以及将数字化信号传输到所述第一位置处的智能电子设备。

22.根据权利要求17所述的方法，还包括所述线装设备连续地将电力递送系统信号传输到所述第一位置处的智能电子设备。

23.根据权利要求17所述的方法，还包括所述线装设备在检测到故障时周期性地将电力递送系统信号传输到所述第一位置处的智能电子设备。

24.一种用于计算电力递送系统中的故障的位置的方法，包括：

在所述电力递送系统上的第一位置处检测行波的第一观察值，所述行波的所述第一观察值包括所述电力递送系统的端子处的入射行波和反射行波的总和；

使用电力递送系统信号来在所述电力递送系统的第二位置处检测所述行波的第二观察值，所述电力递送系统信号是使用在距所述第一位置预定距离处的线装设备来获得的，所述第二观察值包括所述第二位置处的电流；以及

使用所述第二位置处的所述电流和已知系统阻抗来计算所述第一位置处的行波特性；以及，

使用所计算的行波特性来计算到所述故障的距离。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：

在所述第一位置处检测所述行波从所述故障的反射的到达时间；

其中所述行波特性包括所述行波在所述第一位置处的到达时间；并且

其中计算到所述故障的距离的步骤使用行波传播速度以及所述行波在所述第一位置处的到达时间与所述行波从所述故障的反射的到达时间之间的时间差。