CN1773298A - Ac电力线阻抗监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种确定电力线阻抗电容和电阻分量的方法。测量电路切换电力线导线之间的负载或者消耗电阻来引起电压波形的下跌或下降。在电阻引入到电路中之前和之后进行采样，来识别下降。电力线之间的短路电路通过打开电路而被去掉，并且在测试电路中的电容器引起归因于电力线阻抗的电感分量的谐振环。基于共振环的周期或频率，以及在电路中具有和不具有电阻的情况下的电压测量，计算电力线阻抗的电感和电阻分量。

Description

AC电力线阻抗监测方法和系统

技术领域

本发明总的涉及电源监测器和测量装置领域。更具体的，本发明涉及确定电源阻抗参数的方法，特别是经由配电网分配的功率。

背景技术

能够确定电源参数的电源监测器和装置有着广泛的应用。例如，在许多应用中，不想要的情况可能出现在负载，配电装置以及线路上，它们的严重程度是线阻抗的函数。例如，线阻抗是计算短路电流、电弧电路、可利用的能量以及电源其他重要特征的先兆(precursor)。由于这些电流和能量在故障情况或者其他不想要的、或者甚至期望的状况下能够流动或者被释放，所以知道电力线阻抗是非常重要的。

在先有技术中有多种方法用来计算或试图确定电力线阻抗。例如，除了知道配电组件的物理和电特性外，可以基于确定设备上的铭牌信息计算阻抗。例如，变压器通常带有以百分比数值表示阻抗的铭牌信息。对电导体尺寸和长度以及变压器和负载之间的其它中间组件的认知可被用于计算和推算一个系统中特定点的阻抗。然而，这种方法是非常不精确的，并且依赖于对于组件和传输线的实际特性推算的程度。

用来直接测量电力线的阻抗的方法已经被开发出来。这种方法允许对电力线阻抗的一些程度的认知，但是在某种程度上仍旧不准确或不完全。例如，已知方法一般不容许电力线阻抗电感和电阻分量的同时测量。虽然，这些组件中的一个通常优于阻抗测量，但是两个分量对于确定由电力线释放的电流和能量的实际特性都是重要的，特别是在诸如故障的过渡周期期间。

对于测量和确定方法在先有技术中存在需要。特别是需要一种允许准确测量电力线阻抗的方法，包括其中的电阻和电感分量。

发明内容

本发明提供了一种以响应这种需求，用来确定电力线阻抗的新颖的方法。这种方法可以用在广泛的背景中，例如应用在可利用的能量的确定中，短路电流和电弧电流的识别中，为了识别出在电力不足等情况下可能的问题。这种方法通过很小的调整可以应用在单相和三相应用中。此外，这种方法可以应用在固定(例如，固定布线)电路中，或者能够成为移动或者甚至手持装置的一部分，用来仅在周期性或不规则基础上识别阻抗。更进一步的，这种方法可以通过模拟电路或数字电路的使用来实现，例如通过采样希望的输入数据和后续的处理来识别希望的阻抗参数。

根据本方法的具体方面，负荷或消耗设置在电力线上，测量其上的阻抗。消耗会导致可以测量到的电力线上电压波形的下降。随后该下降，从电路中去掉消耗或负荷，电容器与电力线阻抗的电感分量一起产生谐振环。该环的频率或周期可被识别，并且可被用来确定电力线阻抗的电感分量。此外，可以从电压下降识别出电阻分量以及电路的其它参数。结果确定可以用作后续的处理或推算，例如能量、短路电路、电路电流等等。

附图说明

当参考附图阅读下述的详细描述时，本发明的这些以及其他的特征、方面和优点会变得更容易理解，附图中类似的符号表示类似的部件，其中：

图1是根据应用到单相应用的本方法的方面的电力线阻抗测量系统的图示，；

图2是图1中的电力线阳抗测量系统中具体电路的更详细的视图；

图3是根据图1和2中的电路识别电力线阴抗值的特定典型步骤的图示；

图4是对于引起压降和被用于识别阻抗参数的谐振环的图2中电路的固态开关的电压波形和转换波形；

图5是根据本发明的方面的典型共振环的详细图示，该共振环被引起在电压波形中并且被用于确定特定阻抗参数的；

图6是在采样数据的典型滤波之前类似于图4的电压波形的图示；

图7是在高通滤波采样到的数据之后以展平共振环周围的部分波形的图6波形的图示；

图8是图7中可见的共振环的更详细的图示，从中可以实现计算阳抗参数的测量；和

图9是图8中示出的环的典型频率域的图表。

具体实施方式

现在转向附图，并且首先参考图1，一般由参考标记10说明和标示阳抗监测系统。阻抗监测系统被说明在在单向应用中。这也就是，该系统被说明以识别单相电源阻抗。如本领域技术人员可以理解并且将在后面更详细讨论的，该系统很容易适用于识别三相电力线和电源的阻抗参数。

图中示出了阻抗监测系统10与一对电力线12连接。电力线12以及任何上游电路，诸如变压器，连接器等等，都被当作具有图1的框14中等效电路示出的网络阻抗。为了本目的，阻抗14被认为是整个电源网络的集合或累积阻抗，一般用参考标记16表示到电源网和负载18之间的一点。如将在后面更详细讨论的，本系统提供了用于确定阻抗的电势，通过在负载18或者接近负载18的位置测量。在实际的应用中，监测系统10可以沿着电力线连接在任意点。

一般认为阻抗14包括电感分量20和电阻分量22。电感和电阻分量可存在于两个电力线中，尽管对于本目的，这些组件可以组合或累积成如在后面更详细描述的网络电感分量和网络电阻分量。

系统10包括线路测试电路24，用来干扰通过电力线传输的电压波形以及用来实现该电压波形测量。线路测试电路24与数据处理电路26连接并协同工作。如在后面将详细描述的，在具体应用中，线路测试电路24和数据处理电路26可以是模拟电路或者至少部分包括模拟电路。在本实施例中，尽管线路测试电路和数据处理电路数字采样电压测量并将采样数据存储在存储器28中。然后，存储的采样电压测量被分析来确定用来计算线阻抗电感和电阻分量数值的电压波形参数。如对于本领域技术人员来说明显的是，数据处理电路26和存储器28可以是任何合适的形式。例如，这两个组件可以包括在通用和特殊应用计算机中。此外，该电路可以是局部的且永久地与装置被安装在一起，或者可以是例如在手持装置中的便携式电路。相似的，数据处理电路和存储器可以完全远离线路测试电路，从而不必取代对测试点的设备或操作员来提供理想分析。

数据处理电路26可以通过接口电路30被访问并与操作员工作站接口。接口电路30可以包括任何合适的接口，诸如以太网卡和接口、国际互联网访问硬件和软件、或者其他网络接口。在合适的情况中，接口电路30可以允许通过常规串行口通讯等与数据处理电路接口。如在图1中描述的，可以想象出各种操作员接口，包括笔记本电脑、计算机工作站等等，如在图1中由参考标记32表示的。

在图2中更详细的示出了线路测试电路24以及其与电路其他部分之间的实际联系。如在上面提到的，电力线中的集合或者累积阻抗可以概括的用单一电感分量20和电阻分量22表示。线路测试电路包括电阻34，其与电容36串联连接。固态开关38与电容器36并联连接，从而使得在下面概括的测试序列期间在电力线之间生成短路电路来绕过电容器36。理想中，可以提供由参考标记40表示的使能开关，来与这些组件串联。开关40可用允许操作员启动一个测试序列，同时在正常操作期间从电力线电路中去掉该组件。因此，开关40可以避免电力线之间的任何漏电流。

电压测量电路42被提供来跨接电力线导线。电压测量电路42可以包括任何适合的电压测量结构，并且特别适合于采样电力线之间的电压并且向数据处理电路44提供表示采样电压的数值。数据处理电路44包括图1中示出的数据处理电路26和存储器28，以及任何为了执行下述的功能、测量和分析的适合的程序。为了启动并进行测量电力线阻抗参数的测试程序，数据处理电路44与驱动电路46连接，其向固态开关状态38提供信号来开启和关闭开关，如在下面更详细描述的。

尽管本发明并不用于被限制到任何具体电路结构或组件值，但是下述组件值被发现在60Hz电源中识别阻抗参数是有效的。电阻34为1Ω的电阻，同时电容器36的值是22μF。开关38被选择为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，具有1200V的电压额定值和400A的电流额定值。可取的是开关38被超过额定值一定程度从而允许在开启和关闭开关时引起电压波形中出现的峰值，尤其是对紧接着关闭后的谐振环的影响。

图3中概略地示出了由图2中电路执行的具体测试程序的典型逻辑48。如上面提到的，电压测试电路42首先对如参考标记50所示的电力线间的电压开始采样。在波形上理想的点，开关38关闭，如图3中步骤52所示。开关38的关闭(通过闭合开关40启动电路，其中提供了这样一个开关)通过传送(routing)电容器36周围的电流，导致电力线之间的短路。电阻34的低值充当消耗或负载，引起在电压波形峰值的下降，如在后面将详细描述的。随后，打开开关38，如参考标记54所示。开关的开启引起线阻抗的电感分量20和电容器36之间的谐振环。谐振环通过电力线阻抗的电阻分量22和电阻34而衰减。

随着通过电压测量电路42的连续电压测量(也就是采样)，测量结果为了后续分析被存储在存储器电路中。在本执行中，在图3的步骤56处使用电压波形的数字采样，然后，确定用来识别线阻抗电感分量和电阻分量的电压和环参数。然后在步骤58，线阻抗的电感和电阻分量基于这些识别出的数据来计算。

因此，在步骤50到58被执行的情况下，系统响应通过采样数据被连续测量。这些测量被概括在图3的步骤60中，其中测量在线路测试电路开启下的电压值，并且在步骤62处，测量在电力线之间的短路电路中具有电阻34的电力线间的电压。步骤64表示用来在后续计算中用到的环的测量。

根据本方法，基于后续的计算方案，可以实现电力线阻抗电感和电阻分量的计算。如本领域技术人员能够容易地理解的，在开关38开启的情况下被建立的电感—电容(LC)谐振频率，在电路中很小或者没有衰减情况下，可以由下述关系式表示：

$2\mathrm{\πf}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LCload}}}$

方程1

其中f是LC电路的谐振频率，L是线阻抗的电感分量，参数Cload是上面提到的电容器36的值。

然而，应该注意的是，电阻34，特别是选择非常低的电阻值，会对共振环带来很大的衰减。事实上，如本领域技术人员可以理解的，选择的电阻34的值需要权衡恰当的采样由电阻表示的消耗引起的电压降的预期值，同时提供相当长(也就是，较少衰减)的谐振环来允许测量环周期或频率。考虑到这种衰减，方程1表示的关系变为由下述关系来表示：

$2\mathrm{\πf}=\sqrt{{\frac{1}{\mathrm{LCload}}-\left(\frac{R+\mathrm{Rload}}{2L}\right)}^2}$

方程2

其中，R值表示线阻抗的电阻分量的值，Rload值表示上述提到的电阻34的额定值。

基于方程2，求解线电感L的值，仅依据Cload，Rload以及频率f的值表示出下述关系：

$L=\frac{\frac{1}{\mathrm{Cload}}-\sqrt{{\frac{1}{{\mathrm{Cload}}^2}\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2{\mathrm{Rload}}^2}}{{2\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}$

方程3

为了使计算线阻抗的电感和电阻分量的所预期的方程系统完整，根据本发明，由开关38的闭合以及消耗或负载电阻34的存在引起的电压下跌或者下降可以这样表示，依据线路测试电路开启时采样到的电力线间的电压，由数值Vo表示，以及电路闭合时采样到的电力线间的电压，Vr，这也就是，电阻34串联在电力线之间情况下，表示如下：

$\mathrm{Vr}=\mathrm{Vo}\frac{\mathrm{Rload}}{j377L+R+\mathrm{Rload}}$

方程4

其中，Vo和Vr或者是峰值或者是均方根(RMS)交流(ac)电压值。应该注意的是，方程4中(以及在下面的后续方程中)的值377由2π和线路频率60Hz的乘积导出。如本领域技术人员容易理解的，尽管线阻抗参数的计算原理保持不变，但是对于其它的线路频率方程会不同，方程4可以重写为如下形式：

$\mathrm{Vr}=\mathrm{Vo}\frac{\mathrm{Rload}}{\sqrt{{\left(377L\right)}^2{(R+\mathrm{Rload})}^2}}$

方程5

注意到方程5可以根据线阻抗的电阻分量R的值解出，如下：

$R=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{VoRload}\right)}^2-{\left(V_{r}377L\right)}^2}{{\mathrm{Vr}}^2}}-\mathrm{Rload}$

方程6

因此，基于仅仅三个测量值，线阻抗的电感分量的值L，以及电力线阻抗的电阻分量R可以由方程3和6计算。根据本方法，测量值是值Vo，Vr以及频率f或者周期，周期是频率的倒数，这是本领域技术人员容易理解的。

图4表示了典型的交流电压波形和对于开关38的开关波形，是在根据图3的典型测试程序期间，为了测量根据上述方程3和6计算阻抗参数用的值。图4示出了一般由参考标记56表示的波形。电压波形是根据在由轴70表示的时间上的由轴68表示的电压所表示的。波形的电压轨迹72具有正弦波的形状。轨迹74表示开关38的状态，或者更具体的，表示施加用来在测试过程中改变它的导通状态，驱动开关的控制极的信号。

如从图4中可以看出的，一旦开始波形的采样，会以超出奈奎斯特(Nyquist)速率的预期的频率采样，以提供对于分析可靠的数据。在波形的第一个周期76，当测试电路开启时，在检测并存储的其他数值中相应于Vo的峰值电压78被检测到。在第二个周期82期间或者之前的一些点，开关38处于导通状态来使得导线之间的电流传送路径完整。开关的状态的变化以波形的上升沿74表示，并且发生在时间80处。作为由电阻34引起的显著电压消耗的结果，在电压波形的峰值84中检测到下跌或下降，峰值一般相应于值Vr。随后，如在图4中示出的在时间86发生的波形74的下降示出的，开关38开启。开关38的开启导致一般在参考标记88示出的谐振环。如上述提到的，谐振环可能具有超过正弦曲线波形峰值电压的峰值电压，并且可以选择开关38来配合这种峰值。

图5示出了从线路测试电路开关开启出现的谐振环的更详细的示图。还是以电压轴68和时间轴70绘图，当线间电压减小时环出现，如由轨迹72的起始斜率表示的。波形74的下降沿表示去掉导致电路开启的开关的驱动信号。得到的共振环88具有一周期，或者一频率，其是电路组件参数的函数且是线阻抗电感分量的函数。因为电压波形的连续采样，所以可以使用完整的周期由图5中的参考标记90表示来测量频率或周期。如对于本领域技术人员很明显的，周期可以以多种方式测量，频率也是一样。例如，一半周期可以单独用来确定周期或频率，或者可以采用完整的或者甚至多个周期。相似的，在本实施例中，由电路采样的环的值可以与正弦曲线波形的自然下降值比较或处理，以提供谐振环周期的准确表示。基于测量到的电压Vo，Vr以及或者谐振环的周期或其频率，然后方程3和6可以用来确定L和R的值。

图6-9中示出了上述识别参数的一种替换方法。如图6所示，由电压测量电路采样的电压波形可以具有示出的连续周期76和82，在因上述的电阻34在周期82引起的电压下降或下跌。去掉电力线间的短路电路，后续的环还由附图标记参考标记88示出。数据可以通过高通滤波一般来展平波形，如图7中的参考标记92所示。因此，高通滤波的波形会显示出环，该环可以被定时出现在正弦波形的一般线性部分，如图7的参考标记94所示。从数据中，可以提取出环94，如图8中所示。可以确定环的周期或者半个周期或者频率，如图8中参考标记90所示。最后，期望的是，波形可以通过一维快速付立叶变换被转换成如图9所示的频率响应关系。频率响应可以通过振幅轴98和频率轴100表示。图9中的频率轨迹102表示在峰值104的谐振频率，其一般相应于对于上述谐振环测量到的波长。如所述的，波形的频率或者周长都可以用来计算阻抗参数。

尽管在这里仅描述并示出了本发明的特定特征，但是对于本领域技术人员可以进行很多的改进和改变。因此，应该理解的是附加的权利要求覆盖落入本发明实际宗旨下的所有改进和改变。

Claims (15)

1、一种确定电力线阻抗的方法，包括：

测量施加到电线上的交流波形的第一电压；

消耗来自于线路的电流，并且在由于电流消耗导致的电压下降期间测量交流电压波形的第二电压；

去掉电流消耗以引起在线路中电压的谐振环；

测量谐振环的参数；并且

基于测量到的第一和第二电压以及测量到的谐振环参数计算线阻抗。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：消耗电流的步骤包括关闭固态开关以在线路和不同的电势之间设置电阻。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括在线路和一不同电势之间设置电容器，其中谐振环的周期或频率是电容器的电容和线阻抗的电感分量的函数。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括计算线阻抗的电感和电阻分量。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括在测量步骤期间周期性地采样电压并且存储其典型的数值。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：测量电压包括基于存储的采样电压值测量峰值电压。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：谐振环的参数是谐振环的周期或者频率。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于：电线传输单相电。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于：第一和第二电压是在交流波形连续周期期间的峰值电压。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于：谐振环的参数是频率。

11、一种确定电力线阻抗的系统，包括：

配置为连接在电力线导线之间的电阻；

与该电阻串联的电容；

开关，其用来在电力线导线之间设置电阻短路电路，并且中断短路电路以引起电容器和电力线阻抗电感分量之间的谐振环；

在测试序列期间测量电压的测量电路，在测试序列中开关开启和关闭；以及

基于测量到的电压确定电力线阻抗电感和电容分量的处理电路。

12、如权利要求11所述的系统，其特征在于：处理电路基于电容器的电容值，电阻的电阻值以及谐振环的频率或周期确定电力线阻抗的电感分量。

13、如权利要求12所述的系统，其特征在于：处理电路基于下述关系确定电力线阻抗的电感分量：

$L=\frac{\frac{1}{\mathrm{Cload}}-\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{Cload}}^2}-{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2{\mathrm{Rload}}^2}}{{2\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}$

其中L是电力线阻抗的电感分量，Cload是电容器的电容值，Rload是电阻的电阻值，f是谐振环的频率。

14、如权利要求11所述的系统，其特征在于：处理电路基于电力线导线之间的短路电路中的具有和不具有电阻的电压测量、电力线阻抗的电感分量以及电阻的电阳值确定电力线阻抗的电阻分量。

15、如权利要求14所述的系统，其特征在于：处理电路基于下述关系确定电力线阻抗的电阻分量：

$R=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{VoRload}\right)}^2-{\left(\mathrm{Vr}377L\right)}^2}{{\mathrm{Vr}}^2}}-\mathrm{Rload}$

其中R是电力线阻抗的电阻分量，Vo是在电力线导线之间的短路电路中不具有电阻的电压测量，Vr是在电力线导线之间的短路电路中具有电阻的电压测量，L是电力线阻抗的电感分量，Rload是电阻的电阻值。

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