DE60128803T2

DE60128803T2 - Vorrichtung und verfahren zur messung und überwachung der elektrischen stromerzeugung und übertragung

Info

Publication number: DE60128803T2
Application number: DE60128803T
Authority: DE
Inventors: Sterling Louisville LAPINSKI; John Carroll Pewee Valley HILL
Original assignee: Genscape Intangible Holding Inc
Current assignee: Genscape Intangible Holding Inc
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-04-14
Also published as: EP1297347B1; EP1297347A1; EP1297347A4; DE60128803D1; ES2287121T3; ATE364182T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung und Überwachung der elektrischen Stromerzeugung und Übertragung, die mit einem oder mehreren Kraftwerken verbunden sind.
Gegenwärtig gibt es vielfältige Vorrichtungen und Verfahren zum Messen und Überwachen der Menge an elektrischer Leistung, die von einer bestimmten elektrischen Stromerzeugungseinrichtung erzeugt wird, welche mit einem elektrischen Stromübertragungsnetz verbunden ist. Allgemeine Vorrichtungen und Verfahren zum Messen und Überwachen der Menge der elektrischen Leistung, die über eine beliebige bestimmte Übertragungsleitung fließt, sind auch verfügbar. Insbesondere verwenden die meisten elektrischen Kraftwerksbetreiber ein System für die Überwachungssteuerung und Datenerfassung (SCADA-System: Supervisory Control and Data Acquisition System), um ihre elektrischen Stromerzeugungs- und Übertragungssysteme zu überwachen. Jede mit dem Übertragungsnetz verbundene Teilstation ist mit mehreren Spannungswandlern (PT) und Stromwandlern (CT) ausgestattet, um den Spannungs-, den Strom- und den elektrischen Leistungsfluß auf jeder Leitung und jedem Bus zu messen. Die PT- und CT-Daten werden in Echtzeit überwacht und von jeder Teilstation durch eine entfernte Endgeräteeinheit (Remote Terminal Unit: RTU) unter Verwendung verschiedener verdrahteter und drahtloser Nachrichtenübermittlungsverfahren an einen Zentralrechner zurück übermittelt. Derartige Daten werden übersetzt, um elektrische Kraftwerksbetreiber mit genauen und aktuellen Erzeugungs- und Übertragungsdaten zu versorgen.
Natürlich erfordert die Implementierung dieser Verfahren unmittelbaren Zugang zu den physikalischen Einrichtungen, die mit der Erzeugung und Übertragung der elektrischen Leistung verbunden sind. Der Eigentümer oder Verwalter dieser physikalischen Einrichtungen ist in der Lage, den unmittelbaren Zugang zu den genannten Einrichtungen zu kontrollieren oder zu beschränken, und ist folglich in der Lage, jede einzelne Partei, die aktuelle Technologie verwendet, davon abzuhalten, die Menge der über eine bestimmte Übertragungsleitung fließenden elektrischen Leistung oder die Menge der von einer bestimmten elektrischen Stromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Leistung direkt zu messen und zu überwachen. Informationen über elektrische Übertragungsleitungsflüsse und die Leistung elektrischer Stromerzeugungseinrichtungen ist nützlich und wertvoll für Firmen, die in dem Geschäft tätig sind, Elektrizität auf dem freien Markt zu kaufen und zu verkaufen, und Kraftwerksbetreiber geben diese Information gegenwärtig nicht an andere Marktteilnehmer heraus.
Es ist eine vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Messung und Überwachung der zu einer Vielzahl von Kraftwerken gehörenden elektrischen Stromerzeugung und Übertragung ohne die Notwendigkeit eines unmittelbaren Zugangs zu den physikalischen Einrichtungen, die an der Erzeugung und Übertragung des elektrischen Stroms beteiligt sind, zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die fähig sind, sowohl den Betrag als auch die Richtung der elektrischen Leistung zu bestimmen, die von einem beliebigen mit diesen Leitungen verbundenen elektrischen Kraftwerk erzeugt wird, ohne die Notwendigkeit eines unmittelbaren Zugangs zu den physikalischen Einrichtungen, die zu der Erzeugung und Übertragung der elektrischen Leistung gehören.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach Lesen der folgenden Beschreibung deutlich.
US-A-6 026 355 offenbart einen Stromverbrauchsmesser zum Messen des von einem Verbraucher an einem Stromleiter verbrauchten Leistung, wobei die Elektronik des Stromverbrauchsmesser gegen Blitzschlag und Spannungsimpulse isoliert ist. Das Meßgerät hat einen ersten GMR-Sensor (engl. Giant Magneto Resistance, dt. „Riesen-Magnetwiderstand"), der unmittelbar an dem Stromleiter angeordnet wird und mit dem Stromleiter magnetisch gekoppelt wird. Der erste GMR-Sensor detektiert die magnetische Flußdichte in dem Stromleiter und erzeugt ansprechend auf den detektierten Magnetfluß eine erste Ausgabe, die den durch die Stromleitung fließenden Strom kennzeichnet. Ein zweiter GMR-Sensor wird unmittelbar an dem Stromleiter angeordnet und mit dem Stromleiter magnetisch gekoppelt. Der zweite GMR-Sensor detektiert den magnetischen Fluß auf dem Stromleiter und erzeugt ansprechend auf den detektierten Magnetfluß eine zweite Ausgabe, welche die Spannung auf dem Stromleiter kennzeichnet. Eine Verarbeitungseinrichtung ist in einem kommunizierenden Betrieb mit den ersten und zweiten GMR-Sensoren verbunden und spricht auf die ersten Ausgabe und die zweite Ausgabe an, um eine dritte Ausgabe zu erzeugen, welche den Energieverbrauch des Verbrauchers auf dem Stromleiter kennzeichnet. In einer Ausführungsform stellt ein dritter GMR-Sensor eine Rückmeldung für die automatische Skalierung des ersten GMR-Sensors bereit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Messung und Überwachung der zu einem oder mehreren Kraftwerken gehörenden elektrischen Stromerzeugung und Übertragung, wie in Anspruch 1 bzw. 15 definiert. Insbesondere ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Bestimmung des Betrags und der Richtung der elektrischen Leistung, die über eine bestimmte Hochspannungsübertragungsleitung fließt, ermöglicht die Bestimmung der realen und Blindkomponenten der elektrischen Leistung und ermöglicht ferner eine Bestimmung des Betrags der elektrischen Leistung, die von einem beliebigen mit einem elektrischen Stromübertragungsnetz verbundenen elektrischen Kraftwerk erzeugt wird.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besteht in erster Linie aus einer oder mehreren Überwachungsvorrichtungen, welche die Informationen erfassen, die notwendig sind, um den elektrischen Leistungsfluß auf einer beliebigen überwachten Übertragungsleitung zu bestimmen. Insbesondere ist eine Überwachungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an einem festen Ort nahe einer elektrischen Hochspannungsübertragungsleitung installiert. Während des Installationsverfahrens werden geeignete Messungen gemacht, um die räumliche Beziehung zwischen der Überwachungsvorrichtung und den mehreren Phasenleitern der Übertragungsleitung einzurichten. Die Überwachungsvorrichtung besteht in erster Linie aus Abtastelementen, die auf das zu der Übertragungsleitung gehörende elektrische Potential und die magnetischen Flußdichten ansprechen, und ermöglichen daher regelmäßige oder kontinuierliche Messungen des zu der Übertragungsleitung gehörenden elektrischen Potentials und der magnetischen Flußdichten.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung betrifft nicht nur die Erfassung von Informationen, sondern auch die Übertragung und Verarbeitung der erfaßten Informationen. Insbesondere betrachtet das Verfahren der vorliegenden Erfindung diskontinuierliche oder kontinuierliche Datenübermittlungen erfaßter Informationen von entfernten Überwachungsvorrichtungen, von denen jede eine bestimmte Übertragungsleitung oder Leitungen überwacht, an eine zentrale Verarbeitungseinrichtung, wo eine Rechenanalyse durchgeführt wird, um den betrag und die Richtung sowohl der realen als auch der Blindleistung zu berechnen, die auf jedem überwachten Satz von Übertragungsleitungen fließen. Die sich ergebenden Leistungsdaten können weiter analysiert und übersetzt werden, um die elektrische Nettoausgangsleistung einer beliebigen mit den überwachten Übertragungsleitungen verbundenen elektrischen Stromerzeugungseinrichtung zu bestimmen.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen und Überwachen der elektrischen Stromerzeugung und Übertragung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht des Inneren des ersten wetterfesten Gehäuses der Vorrichtung von 1, welches die elektrischen und magnetischen Feldmessungsbestandteile enthält, die notwendig sind, um die Funktion der vorliegenden Erfindung auszuführen, wobei die Tür des Gehäuses in der offenen Stellung ist;
3 ist ein Blockschaltbild, welches das bevorzugte Verfahren zur Messung und Überwachung der elektrischen Stromerzeugung und Übertragung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist ein Blockschaltbild, welches das bevorzugte Verfahren zum Übermitteln von zu der gemessenen elektrischen Stromerzeugung und Übertragung gehörenden Informationen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Verstärkungs- und Filterschaltung für die zu der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gehörenden Magnetfeldmessungen;
6 ist ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Verstärkungs- und Filterschaltung für die zu der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gehörenden elektrischen Potentialmessungen;
7 ist eine schematische Darstellung des magnetischen Flusses, der mit einem Leiter, durch den Strom fließt, verbunden ist;
8 ist eine schematische Darstellung, welche die Phasenlage zwischen den Einheitszeigerkomponenten zeigt, die in einer unendlich langen elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitung vorhanden sind;
9 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitungsgeometrie mit einem Paar in Bodennähe angeordneter Magnetfeldsensoren zum Messen der mit der Übertragungsleitung verbundenen magnetischen Flußdichte;
10 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitung mit einem in einer vorbestimmten Entfernung über dem Boden angeordneten elektrischen Potentialsensor zum Messen des mit der Übertragungsleitung verbundenen elektrischen Potentials;
11 ist eine schematische Darstellung, welche die Kapazitäten zeigt, die sich aus der Wechselwirkung zwischen den Leitern einer elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitung und einem elektrischen Potentialsensor ergeben;
12 ist ein typisches Schaltbild, das die Beziehung der in 11 gezeigten Kapazitäten erläutert; und
13 bildet eine übliche Anordnung von elektrischen Stromübertragungsleitungen ab, in denen unabhängige parallele Schaltungen auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägermasts angeordnet sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Messung und Überwachung der elektrischen Stromerzeugung und Übertragung, die zu einem oder mehreren elektrischen Kraftwerken gehört. Dies wird vorzugsweise durch die Messung und Erfassung von Daten erreicht, die sich auf die Menge der über eine oder mehrere Übertragungsleitungen fließenden Leistung beziehen, welche betriebsbereit mit einem bestimmten elektrischen Stromnetz verbunden sind und betriebsbereit mit einem oder mehreren elektrischen Kraftwerken verbunden sind. Die Rechenanalyse dieser Daten ermöglicht eine Bestimmung der bestimmten Menge elektrischer Leistung, die von diesen elektrischen Kraftwerken erzeugt wird, welche mit dem Übertragungs- und Verteilungsnetz verbunden sind.
Elektrische Leistung wird über die meisten öffentlichen Übertragungsnetze in Dreiphasenform übertragen, wobei jede der Phasen über einen getrennten Leiter befördert wird. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Übertragungsleitung" verwendet, um auf die drei getrennten Leiter Bezug zu nehmen. Jede dieser getrennten Phasen erzeugt ihr eigenes zeitveränderliches magnetisches und elektrisches Feld. Die drei Phasen sind zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben, so daß die Summe der durch diese drei Phasen erzeugten Felder im wesentlichen null wäre, wenn alle drei Phasen über Leiter übertragen würden, die dicht gepackt sind. Die Physik der elektrischen Stromübertragung schreibt jedoch vor, daß die drei Phasen eine physikalische Trennung einhalten, für welche die Abstände durch Faktoren, wie etwa die Leitungsspannung, den Isolatorwirkungsgrad, etc., bestimmt sind. Diese physikalische Trennung bedeutet, daß die von jeder Phase erzeugten elektrischen und magnetischen Felder sich gegenseitig nicht ganz auslöschen. Gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz für Magnetfelder und der Laplace-Gleichung wird jeder Punkt im Raum um diese drei Phasen herum ein elektrisches Potential und ein magnetisches Feld enthalten, die durch einen bekannten Satz von Faktoren bestimmt sind. Diese Faktoren umfassen: die Leitungsspannung, den Strombetrag, die Stromrichtung, die räumliche Anordnung der drei Leiter relativ zueinander und zu dem Meßpunkt und die elektromagnetische Eigenschaften der umgebenden Umgebung.
Die vorliegende Erfindung verwendet Sensoren zum Messen des elektrischen Potentials und der verschiedenen Vektorkomponenten des die Übertragungsleitungen umgebenden magnetischen Felds. Für die Zwecke dieser Beschreibung wird auf die Einrichtungen, die entfernt, aber allgemein in der Nähe der Übertragungsleitungen angeordnet sind, als die „Überwachungsvorrichtung" Bezug genommen.
Nun Bezug nehmend auf 1 besteht die Überwachungsvorrichtung 10 der bevorzugten Ausführungsform aus (1) einem ersten wetterfesten Gehäuse (allgemein mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet), welches die Meßgerätbestandteile für das elektrische Potential und das magnetische Feld enthält, die notwendig sind, um die Funktion der vorliegenden Erfindung auszuführen (die „Sensoreinheit") und (2) ein zweites wetterfestes Gehäuse (allgemein mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet), das die notwendigen Verarbeitungs- und Nachrichtenübermittlungsbestandteile, einschließlich einer Stromversorgung und Datenübermittlungseinrichtungen, enthält. Natürlich könnten alle Bestandteile in einem einzigen Gehäuse vereint werden.
2 ist eine Draufsicht der Sensoreinheit mit der Tür 12a des wetterfesten Gehäuses 12 in der offenen Stellung, und die Meßgerätbestandteile sind allgemein gezeigt. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Potentialmessung durch die Verwendung eines leitenden Blechs 16 erreicht, das in Bezug auf den Boden vertikal ausgerichtet ist, wenngleich andere geometrische Anordnungen ebenfalls verwendet werden können. Das leitende Blech ist auf die Innentür 12a des wetterfesten Gehäuses 12 montiert und mit Hilfe einer Vielzahl von Isolatorbuchsen (an den Ecken des leitenden Blechs 16 gestrichelt angezeigt) gegen die geerdete Tür isoliert. Das leitende Blech 16 erzeugt zusammen mit der Eingangskapazität einer Operationsverstärkerschaltung einen kapazitiven Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung, eine Wechselspannung mit Leitungsfrequenz, proportional zu dem elektrischen Nettopotential ist, welches von den Spannungen der Phasen der Übertragungsleitungen erzeugt wird. Wenngleich in dieser bevorzugten Ausführungsform ein leitendes Blech 16 als der elektrische Potentialsensor 16 verwendet wird, könnten natürlich andere Sensoren, einschließlich eines Drahtgittersensors oder eines Drahtkäfigsensors, ebenfalls verwendet werden.
Wenngleich in 2 nicht gezeigt, wird die Ausgangsmessung von dem leitenden Blech 16 trotzdem zu dem Zweck, irrelevantes bzw. äußeres Rauschen aus den Ablesewerten zu entfernen, an eine Verstärkungs- und Filterschaltung angelegt. Die bevorzugte Verstärkungs- und Filterschaltung wird nachstehend unter Bezug auf 6 detaillierter diskutiert.
Die Messung der magnetischen Flußdichte wird, wie in 2 gezeigt, unter Verwendung der Spulen 18 und 20 erreicht. Wenngleich die magnetische Flußdichte das ist, was tatsächlich gemessen wird, wird für die Zwecke der Beschreibung hier der allgemeine Begriff „Magnetfeldsensor" als ein Bezug auf den Sensor, der die magnetische Flußdichte mißt, verwendet. Der erste Magnetfeldsensor 18 ist bevorzugt eine Spule, welche die horizontale Komponente des Magnetfelds mißt und derart montiert ist, daß die Spulenachse sowohl in der Richtung der Magnetfeldkomponente, die gemessen werden soll, d.h. horizontal, ausgerichtet ist, als auch senkrecht zu im allgemeinen parallelen Ebenen, die durch die Leiter der überwachten Übertragungsleitung definiert sind, ausgerichtet wird. Ebenso ist der zweite Magnetfeldsensor 20 eine Spule, die bevorzugt die vertikale Komponente mißt und daher relativ zu der darunterliegenden Bodenfläche vertikal ausgerichtet ist. Natürlich könnten auch nicht horizontale und/oder nicht vertikale Vektorkomponenten gemessen werden. Wie in der folgenden Rechenanalyse deutlich wird, wird außerdem tatsächlich nur ein Magnetsensor benötigt, um die notwendige magnetische Flußdichtemessung gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Die Spannung an jedem Magnetfeldsensor 18, 20 (eine Wechselspannung mit Leitungsfrequenz) ist direkt proportional zu der Änderungsrate der magnetischen Nettoflußdichte, die durch die Ströme erzeugt wird, welche durch die drei Leiter der Übertragungsleitung fließen. Obwohl Spulen die bevorzugten Magnetfeldsensoren 18, 20 sind, können auch andere Einrichtungen, z.B. Hall-Sensoren, zum Abtasten der magnetischen Flußdichte verwendet werden.
Weiter bemerkt können drei Spulen verwendet werden, um die Genauigkeit zu verbessern oder die Ausrichtung der anderen zwei Spulen zu unterstützen. Die dritte Spule könnte möglicherweise die Genauigkeit in Situationen verbessern, in denen die Leiter erheblich durchhängen. Die hinzugefügte dritte Spule würde derart ausgerichtet, daß die empfindlichen Achsen der drei Sensoren gegenseitig parallel sind. Natürlich würde das Hinzufügen dieser dritten Meßachse eine Änderung der Rechenanalyse erforderlich machen, so daß sie entsprechend eine dritte Koordinate umfaßt.
Wie weiter in 2 gezeigt, werden die Ausgangsmessungen von den Magnetfeldsensoren 18, 20 zu dem Zweck, irrelevantes bzw. äußeres Rauschen aus den Ablesewerten, zu entfernen, auch jeweils an Verstärkungs- und Filterschaltungen (allgemein mit den Bezugszeichen 22 und 24 bezeichnet) angelegt. Die bevorzugten Verstärkungs- und Filterschaltungen werden nachstehend unter Bezug auf 5 detaillierter diskutiert.
Die Lage der Überwachungsvorrichtung 10 und insbesondere der Sensoreinheit 12 wird von praktischen Erwägungen, wie etwa dem Zugang zu Grundbesitz in nächster Nähe zu den Übertragungsleitungen, die gemessen werden sollen, geleitet. In jedem Fall sollte die Sensoreinheit 12 hinreichend nahe an der Übertragungsleitung sein, daß die Sensoren 16, 18, 20 in der Lage sind, das bestimmte überwachte Feld genau zu messen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetfeldsensoren 18, 20 und der elektrische Potentialsensor 16 in nächster Nähe zueinander untergebracht, so daß sie Felder an im wesentlichen dem gleichen Punkt im Raum messen. Eine alternative Anordnung ist, die Sensoren an verschiedenen Stellen anzuordnen, d.h. den elektrischen Feldsensor dichter als die Magnetfeldsensoren an den Übertragungsleitungen zu positionieren. Ein bestimmter Vorteil einer derartigen alternativen Anordnung ist, eine verbesserte Genauigkeit in Situationen bereitzustellen, in denen Übertragungsleitungen durchhängen und hin- und herschwingen; insbesondere wird die erhöhte Genauigkeit in der elektrischen Potentialmessung erreicht, ohne die Möglichkeit für Interferenzen mit den Magnetfeldsensoren zu erzeugen. Mit anderen Worten kann es unter manchen Umständen ratsam sein, den elektrischen Potentialsensor in einem Gehäuse oder einer Verklei dung nahe der Übertragungsleitung anzuordnen, während die Magnetsensoren in einem getrennten Gehäuse oder einer Verkleidung enthalten sind, das/die weiter von der Übertragungsleitung entfernt angeordnet ist.
3 ist ein Blockschaltbild des äußeren im Feld installierten Teils der Erfindung – der Überwachungsvorrichtung 10. Wie gezeigt, besteht die Überwachungsvorrichtung 10 im allgemeinen aus den elektrischen Potential- und Magnetfeldsensoren 16, 18, 20; Speicher- und Datenspeicherelementen; programmierbaren Datenverarbeitungselementen; fest verdrahteten oder drahtlosen Nachrichtenübermittlungselementen; und einer Stromversorgung. Die Überwachungsvorrichtung 10 ist derart programmiert, daß sie regelmäßig Daten von verschiedenen Sensoren erfaßt, sie in eine für die Übermittlung geeignete Form verarbeitet und die Informationen an eine zentrale Verarbeitungseinrichtung übermittelt, wo verschiedne Verarbeitungsroutinen auf den Daten ausgeführt werden, um den Betrag und die Richtung der elektrischen Leistung zu bestimmen, die über eine beliebige bestimmte elektrische Stromübertragungsleitung fließt.
Insbesondere umfaßt die bevorzugte Überwachungsvorrichtung 10, wie vorstehend unter Bezug auf 2 beschrieben, zumindest zwei Magnetfeldsensoren 18, 20, die derart ausgerichtet sind, daß sie auf die horizontalen (B_H) und vertikalen (B_V) Komponenten des Magnetfelds reagieren, wobei jeder Sensor insbesondere die Änderungsrate der magnetischen Nettoflußdichte mißt. Die Überwachungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt auch einen elektrischen Potentialsensor 16, der ebenfalls vorstehend unter Bezug auf 2 beschrieben ist.
Die Ausgangsspannung des ersten Magnetfeldsensors 18 wird an eine Verstärkungs- und Filterschaltung 22 angelegt, die eine Doppelfunktion hat. Die primäre Funktion der Verstärkungs- und Filterschaltung 22 ist, die relativ kleine Ausgangsspannung des ersten Magnetfeldsensors 22 auf einen Pegel zu verstärken, der als eine Eingabe für einen Analog- Digital-Wandler geeignet ist. Die zweite Funktion der Schaltung 22 ist, als ein Tiefpaßfilter zu dienen, das äußeres Rauschen aus der Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors 18 entfernt. Ebenso wird die Ausgangsspannung des zweiten Magnetfeldsensors 20 an eine andere Verstärkungs- und Filterschaltung 24 angelegt, um die Spannung zu verstärken und äußeres Rauschen zu entfernen. Schließlich wird die Ausgangsspannung des elektrischen Feldsensors 16 an noch eine andere Verstärkungs- und Filterschaltung 26 angelegt, um die Spannung zu verstärken und äußeres Rauschen zu entfernen.
Die Eingangsimpedanzen der Verstärkungs- und Filterschaltungen 22, 24, 26 beeinflussen die Frequenzantworten und Phasenverschiebungen der jeweiligen Sensoren 16, 18, 20, so daß in der Tat jeder Sensor und die zugehörige Verstärkungs- und Filterschaltungskombination als ein integrierter Sensor wirken. Dies ist insbesondere im Fall des elektrischen Potentialsensors 16 wichtig, da die Eingangsimpedanz der Verstärkungs- und Filterschaltung 26 sehr hoch sein muß, damit die Sensor-Verstärkerkombination bei so niedrigen Frequenzen wie 60 Hz arbeitet.
5 stellt bevorzugte Verstärkungs- und Filterschaltungen 22, 24 für die Magnetfeldsensoren 18, 20, wie vorstehend unter Bezug auf 2 erwähnt, dar. Obwohl von jemandem mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik verschiedene ähnliche Schaltungen verwendet werden könnten, um die gleiche Aufgabe zu lösen, wird in den bevorzugten Schaltungen von 5 die Ausgabe jedes Magnetfeldsensors 18, 20 von einem Kondensator 75a, 75b und einem Widerstand 76a, 76b gespeist, deren jeweilige Werte derart ausgewählt werden, daß sich eine Phasenverschiebung von null und ein Skalierungsfaktor von 1,0 mV/Milligauß für jeden Sensor 18, 20 ergibt, wenngleich sich versteht, daß andere Kondensatoren verwendet werden können und die Phasenverschiebungen rechnerisch korrigiert werden können. Jede gespeiste Ausgabe der Sensoren 18, 20 wird dann durch ein RC-Tiefpaßfilter 77a, 77b mit zwei Abschnitten geleitet, um eine Meßgröße für die Funkfrequenzstörspannungsunterdrückung bereitzustellen.
Schließlich werden die Ausgaben von den RC-Tiefpaßfiltern 77a, 77b an die Eingangsanschlüsse eines Standardmeßverstärkers 78a, 78b (z.B. eines Differenzverstärkers) angelegt, wobei die sich ergebenden Ausgangsspannungen proportional zu Vektorkomponenten der magnetischen Flußdichte sind, wie sie von den Magnetfeldsensoren 18, 20 gemessen werden.
6 stellt eine bevorzugte Verstärkungs- und Filterschaltung 26 für den elektrischen Potentialsensor 16, wie vorstehend unter Bezug auf 2 erwähnt, dar. Obwohl von Leuten mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik ähnliche Schaltungen verwendet werden könnten, um die gleiche Aufgabe zu lösen, ist der elektrische Potentialsensor 16 in der bevorzugten Schaltung von 6 durch einen Kondensator 79, der als eine Gleichstromsperre wirkt, mit Erde verbunden. Auf diesen zweiten Kondensator wird in der folgenden Rechenanalyse als „C_i" Bezug genommen. Die Spannung an dem zweiten Kondensator 80 ist die Eingangsspannung an einen Standardoperationsverstärker 81 mit aktivem Tiefpaßfilter, welcher das Signal invertiert und hochfrequentes Rauschen ausfiltert, wobei die sich ergebende Ausgangsspannung proportional zu der elektrischen Potentialdichte ist, wie sie von dem elektrischen Potentialsensor 16 gemessen wird.
Nach der Verstärkung und dem Filtern der jeweiligen Signale, wie vorstehend beschrieben, werden dann die Ausgangsspannungen an die Eingänge eines analogen Multiplexers (MUX) 56 angelegt.
Bevor die Beschreibung der Verstärkungs- und Filterschaltungsanordnung abgeschlossen wird, ist es jedoch bemerkenswert, daß es in einer alternativen Ausführungsform betrachtet wird, daß eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Abtast-Halte-Verstärker für die Ausgabe jedes gefilterten Spulensensors umfaßt. Die Ausgangsspannungen der jeweiligen Verstärkungs- und Filterschaltungen 22, 24, 26 würden an die Eingänge derartiger Abtast-Haltesverstärker angelegt, bevor derartige Ausgangsspannungen an den MUX 56 angelegt werden, um in der folgenden Umwandlung dieser Signale von der analogen in die digitale Form einen Zeitversatz zu vermeiden. Abtast-Halteverstärker sind in der Technik bekannt, und jede herkömmliche Einrichtung zum Ausführen der Abtast-Haltefunktion kann in die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wie sie hier betrachtet wird, eingebaut werden.
Von dem MUX 56 werden die zwei magnetischen Flußdichtesignale und das elektrische Potentialsignal getrennt durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 58 geleitet. Welches der drei Signale zu einem gegebenen Zeitpunkt durch den Analog-Digital-Wandler 58 geleitet wird, wird durch eine Steuerungslogik 60 bestimmt, die mit einem Mikroprozessor 62 verbunden ist. Dieser Mikroprozessor 62 führt Softwarecode aus, der in einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 64 und einem Nur-Lesespeicher (RM) 66 gespeichert ist. Derartiger Softwarecode leitet aus diesen digitalisierten Daten den Betrag der horizontalen Komponente der magnetischen Flußdichte (B_H), der vertikalen Komponente der magnetischen Flußdichte (B_V), den Betrag des elektrischen Potentialsignals (E), den Phasenwinkel von B_H relativ zu E (H_a) und den Phasenwinkel von B_V relativ zu E (V_a) ab.
Die umgewandelten Daten werden nun in digitaler Form in dem Direktzugriffsspeicher 64 des Mikroprozessors 62 gespeichert. Das von dem Mikroprozessor 62 ausgegebene Signal wird dann an einen Funkfrequenztransceiver (HF-Transceiver) 68 mit verbundener Sendeantenne 69 und/oder ein Festnetz 70 für die nachfolgende Übertragung des Signals an eine zentrale Verarbeitungseinrichtung übermittelt. Wieder Bezug nehmend auf 1 sind der Funkfrequenztransceiver (HF-Transceiver) 68 und jegliche zugehörige Datenübertragungseinrichtungen bevorzugt in dem zweiten wasserfesten Gehäuse 14 enthalten.
Schließlich werden die einzelnen elektronischen Bestandteile der Überwachungsvorrichtung 10 unter Bezug auf 3 bevorzugt von einer Batterie 72 gespeist, die ständig von einer Sonnenkollektoranordnung 74 neu aufgeladen werden kann. Wieder Bezug auf 1 nehmend ist die Batte rie 72 bevorzugt in dem zweiten wetterfesten Gehäuse 14 enthalten, und die Sonnenkollektoranordnung 74 ist außerhalb des Gehäuses 14, aber betriebsfähig mit der Batterie 72 verbunden.
4 ist ein Blockschaltbild von bevorzugten Nachrichtenübertragungsbestandteilen und der zentralen Verarbeitungseinrichtung der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Diese Bestandteile sind nicht mit der Überwachungsvorrichtung 10 auf dem Feld installiert, sonder werden eher an einer entfernten Stelle angesiedelt. Insbesondere wird das von dem in 3 dargestellten Mikroprozessor 62 ausgegebene Signal über einen zu der Sendeantenne 69 gehörenden Funkfrequenztransceiver (HF-Transceiver) 68 und/oder ein Festnetz 70 an die zentrale Verarbeitungseinheit übermittelt. Eine Empfangsantenne 100 oder eine ähnlicher Nachrichtenübertragungsbestandteil empfängt dieses übermittelte Signal, das die Messungen des elektrischen Potentials und von Magnetfeldvektoren in digitaler Form darstellt. Die Empfangsantenne 100 ist betriebsfähig mit einem analogen oder digitalen Nachrichtenübertragungsnetz 102 verbunden, welches das Signal an die zentrale Verarbeitungseinrichtung 110 übermittelt. Eine derartige Übermittlung kann zum Beispiel durch eine Satellitenverbindung 104, eine Mikrowellenverbindung 106 und/oder eine Lichtwellenleiterverbindung 108 ausgeführt werden, wenngleich sicherlich andere Datenübertragungseinrichtungen verwendet werden können.
An der zentralen Verarbeitungseinrichtung 110 wird, wie nachstehend detailliert beschrieben, von einem digitalen Computerprogramm 112 eine Rechenanalyse durchgeführt, um den Betrag und die Richtung des realen und des Blindleistungsflusses auf der Übertragungsleitung zu bestimmen. Für jede bestimmte elektrische Stromerzeugungseinrichtung, für die alle oder die meisten verbundenen Übertragungsleitungen gemessen werden und gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet werden, kann danach durch ein einfaches Summieren der Stromflüsse auf jeder Übertragungsleitung die elektrische Nettoleistungsausgabe der Einrichtung bestimmt werden. Dann kön nen derartige elektrische Stromerzeugungs- und Übertragungsdaten, die zu einer oder mehreren elektrischen Kraftwerken gehören, an Dritte übermittelt werden. Es wird betrachtet und bevorzugt, dass eine derartige Übermittlung an Dritte durch einen Export von Daten an eine zugangskontrollierte Internet-Website 114 erfolgt, welche auch eine umfassende Datenbank mit physikalischen und elektrischen Parametern verschiedener elektrischer Stromübertragungsleitungen pflegen kann. Die zu elektrischen Kraftwerken gehörenden Daten, die für eine bestimmte Partei von Interesse sind, sind dann für diese Partei durch ein gewöhnliches Internet-Browserprgoramm 116, wie etwa Netscape Navigator^® oder Microsoft Internet Explorer^® verfügbar.
Als eine zusätzliche Verbesserung kann der Nachrichtenübertragungskanal von dem Mikroprozessor 62 der lokalen Überwachungsvorrichtung 10 zu der zentralen Verarbeitungseinheit 110 bidirektional sein, so daß die in dem Mikroprozessor 62 gepflegten und gespeicherten Informationen auf einer zeitlich geplanten Basis ausgesendet werden oder abgerufen werden können. Außerdem ist der Mikroprozessor 62 durch bidirektionale Nachrichtenübertragung fernprogrammierbar.
Zurück zu der an der zentralen Verarbeitungseinrichtung 110 durchgeführten Rechenanalyse werden die Daten, wenn die erforderlichen Daten einmal erfaßt sind und an die zentrale Verarbeitungseinrichtung 110 übermittelt wurden, verwendet, um den Betrag der über die Übertragungsleitung übertragenen elektrischen Leistung, die zu den erfaßten Daten gehört, rechnerisch zu schätzen. Genauer sind für jede bestimmte Übertragungsleitung bestimmte der Variablen, welche das elektrische Potential und die Magnetfeldvektoren bestimmen, die von den Sensoren gemessen werden, unabhängig von dem Betrag der auf den Leitungen fließenden elektrischen Leistung Konstante. Für jede Übertragungsleitung ist es möglich, die Leitungsspannungsnennwerte und Isoliereigenschaften entweder durch direkte Beobachtung oder aus öffentlich verfügbaren Informationen zu ermitteln. Einfache Messungen, die mit einem visuellen Meßgerät, wie etwa einem Laserent fernungsmeßgerät, erledigt werden, werden verwendet, um die räumliche Anordnung der Leiter relativ zueinander und relativ zu dem Meßpunkt zu bestimmen. In dieser Hinsicht versteht sich, daß Messungen durch leichte Änderungen von Variablen, wie etwa der Temperatur und dem Leistungsfluß auf den Übertragungsleitungen, beeinflußt werden können; geeignete Korrekturen können jedoch rechnerisch vorgenommen werden. Die einzigen erforderlichen Variablen, die keine Konstanten sind, unabhängig von der Zeit, sind der Betrag der über jeden der drei Leiter fließenden Stroms und die Richtung des elektrischen Leistungsflusses. Die von der Überwachungsvorrichtung bereitgestellten Daten ermöglichen, diese Variablen zu berechnen.
Insbesondere können mit den von der Überwachungsvorrichtung bereitgestellten Daten der Betrag und die Richtung der durch eine gegebene Übertragungsleitung fließenden Leistung zusammen mit den realen und Blindkomponenten dieser Leistung durch eine Rechenanalyse, die vorzugsweise unter Verwendung eines digitalen Computerprogramms ausgeführt wird, bestimmt werden.
Die in der Analyse berechneten horizontalen und vertikalen Magnetfeldkomponenten hängen, wenngleich mit komplexen Koeffizienten, linear von den Leitungsströmen ab. Das heißt, die horizontale Magnetfeldkomponente kann durch eine komplexe Zahl (einen Zeiger) dargestellt werden, die eine Linearkombination der von jedem der drei Leiter der Dreiphasenübertragungsleitung bewirkten horizontalen Magnetfeldbeiträge ist, wobei die Koeffizienten der Kombination komplexe Zahlen sind, die aus der geometrischen Anordnung der Leiter und dem Sensorstandort relativ zu den Leitern bestimmt werden. Mit anderen Worten ergeben sich gleichzeitig n komplexe lineare Gleichungen mit n Unbekannten mit n quadrierten komplexen Koeffizienten. Ein derartiger Gleichungssatz ist umkehrbar (d.h. er kann mit einer Anzahl von Mitteln, wie etwa unter Verwendung der Cramerschen Regel oder des Gaußschen Eliminationsverfahrens gelöst werden) und wird analytisch gelöst. Bei perfekten Messungen (oder perfekt korrigierten aktuellen Messungen) werden die realen und imaginären Kompo nenten der elektrischen Leistung auf der Leitung genau bestimmt.
Das bevorzugte Verfahren der Rechenanalyse hat zwei Teile. Der erste Teil der Rechenanalyse wird offline ausgeführt. Er besteht aus der Berechnung der komplexen Koeffizienten des vorstehend angeführten Satzes gleichzeitiger linearer Gleichungen, welche die geometrische Anordnung der Leiter und den Sensorstandort relativ zu den Leitern definieren, worauf eine Umkehrung der Koeffizientenmatrix folgt. Diese Ergebnisse werden in eine Datenbank gespeichert. Der erste Teil der Rechenanalyse muß für eine gegebene Installation einer Überwachungsvorrichtung in Bezug auf eine bestimmte Übertragungsleitung nur einmal durchgeführt werden.
Der zweite Teil wird online ausgeführt. Er korrigiert den gemessenen Phasenwinkel bezügliche Meßfehlern und geometrisch eingeschleppten Fehlern, um aktuelle horizontale und vertikale Magnetfeldwerte zu erhalten, und multipliziert den sich ergebenden Meßvektor mit der umgekehrten Koeffizientenmatrix, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, um den Leitungsstrom und den Phasenwinkel zu bestimmen. In dieser Hinsicht unterscheidet sich der abgetastete Phasenwinkel von dem Phasenwinkel auf der Übertragungsleitung in einer sehr komplizierten Weise, wobei er beeinflußt ist durch: die geometrischen Beziehungen zwischen den Leitern der Übertragungsleitung und dem Standort der Übertragungsvorrichtung im dreidimensionalen Raum; das Durchhängen der Übertragungsleitung; und die inhärenten kleineren Ungenauigkeiten der Sensoren und ihrer zugehörigen Elektroniken. Nichtsdestotrotz können viele, wenn nicht alle, sich ergebenden Fehler berechnet und kompensiert werden, was zu einer rechnerischen Schätzung des Leistungsfaktors auf der Leitung führt. Da der Phasenwinkel auf der Übertragungsleitung berechnet wird und die realen und Blindleistungen als vorzeichenbehaftete Größen berechnet werden, kann die Flußrichtung sowohl der realen als auch der imaginären Komponenten der Scheinleistung ebenfalls berechnet werden.
Berechnungsverfahren
Unter Verwendung der Überwachungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, können Messungen des erzeugten Magnetfelds bestimmt werden, was dann durch sorgfältige Anwendung bekannter mathematischer Algorithmen auf die erfaßten Felddaten eine Bestimmung der Leistung auf der fraglichen Übertragungsleitung ermöglicht. Als ein Beispiel für das Verfahren wird eine typische Anwendung betrachtet, die aus einer einzelnen Übertragungsleitung besteht, welche aus drei Leitern (oder Phasen) besteht. Für Berechnungszwecke wird angenommen, daß die Übertragungsleitung parallel zu einer ebenen perfekt leitenden Erde ausgerichtet ist.
Der Betrag der magnetischen Feldstärke H, der von einem unendlich langen geraden Leiter erzeugt wird, wird durch die Gleichung bestimmt: H = I2πr A/m (1)wobei I der durch den Leiter fließende Strom ist und r die Entfernung von dem Leiter zu dem Punkt ist, an dem die magnetische Feldstärke gemessen wird. Es ist etwas üblicher, sich auf die Stärke eines magnetischen Felds in Form der magnetischen Flußdichte B zu beziehen. Die magnetische Flußdichte ist definiert als: B =μ0H Wb/m2 (2)wobei μ₀ = 4π × 10^–7 H/m, eine Konstante – die Permeabilität des leeren Raums ist. Da 1 Wb/m² = 10000 Gauß ist:
was sich auf die einfache Formel reduziert: B = 2Ir Milligauß (4)
Folglich kann diese Formel verwendet werden, um die magnetische Flußdichte B in Milligauß in einer Entfernung r (in Me ter gemessen) von einem unendlich dünnen Leiter, der I Ampere elektrischen Strom befördert, zu bestimmen.
Zum Beispiel beträgt die magnetische Flußdichte in einer Entfernung von r = 50 Fuß = 15,244 Meter von einem Leiter, der einen Strom von I = 100 Ampere befördert: B = 2Ir = 2(100)15,224 = 13,22 Milligauß (5)
Da H ein räumlicher Vektor ist, ist B ebenfalls ein räumlicher Vektor. Aus diesem Grund ist die Richtung der magnetischen Flußdichte B senkrecht zu einer Geraden, die von dem Meßpunkt zu dem nächsten Punkt auf dem Leiter gezogen wird. Gemäß der bekannten „Rechte-Hand-Regel" zur Richtungsbestimmung sind bei einem magnetischen Flußdichtevektor B, dessen Richtung wie in 7 gezeigt ist, die magnetischen Flußlinien gegen den Uhrzeigersinn gerichtet, wenn der Strom in Richtung des Betrachters gerichtet ist.
Wie ebenfalls in 7 gezeigt, ist der Winkel Φ zwischen r (der von dem Meßpunkt P und dem Leiter gezogenen Geraden) und der positiven x-Achse. Da B senkrecht zu r ist, kann der räumliche Vektor B in seine horizontalen und vertikalen Komponenten B_x und B_y aufgelöst werden. Für einen einzigen Leiter, der Gleichstrom (DC) befördert, sind die x- und y-Komponenten einfach bestimmt durch: Bx = B sin Φ( 6) By = –B cos Φ (7)
Für eine Dreiphasenwechselstrom-übertragungsleitung gibt es drei Leiter, die Ströme befördern, die in der zeitlichen Phase um 120° getrennt sind. Die Zeitbeziehung zwischen den Strömen kann, wie in der Standardwechselstromschaltungsanalyse, durch Zeiger dargestellt werden.
8 ist ein Diagramm, das die Zeigerbeziehung zwischen den Einheitszeigerkomponenten zeigt, die in einer unendlich langen Dreiphasenübertragungsleitung über die ebene Erde vorhanden ist. Mathematisch: I1 = I0A (8) I2 = I0B (9) I3 = I0C (10)wobei 10 die (vorzeichenbehaftete) RMS bzw. effektive Amplitude des Stroms auf jedem Leiter ist, und A, B und C Einheitszeiger sind, die wie folgt derart gewählt sind, daß sie um 120° getrennt sind: A = 1,0 + j0,0 (11) B = –0,5 – j0,866 (12) C = –0,5 + j0,866 (13)
Der magnetische Flußdichtezeiger, der von dem Zeigerstrom in jedem Leiter bewirkt wird, kann berechnet werden durch:
Jede der drei in den Gleichungen (14), (15), (16) berechneten Flußdichten hat eine horizontale und eine vertikale Komponente. Folglich können die horizontalen und vertikalen Komponenten der Dreiphasenübertragungsleitung, die analog zu den Vektorkomponenten einer Einphasenleitung gemäß den obigen Gleichungen (6) und (7) sind, wie in 8 gezeigt, wie folgt berechnet werden:

Wieder Bezug nehmend auf 8 können die x- und y-Koordinaten der drei Leiter einer Dreiphasenübertragungsleitung jeweils als (x_C1, y_C1), (x_C2, y_C2) und (x_C3, y_C3) bezeichnet werden. Wie gezeigt, können die geometrischen Entfernungen und jeweiligen Winkel in den Gleichungen (17) bis (22) berechnet werden durch: r1 = √ [(xC1 – xS)2 + (yC1 – yS)2] (23) r1 = √ [(xC2 – xS)2 + (yC2 – yS)2] (24) r1 = √ [(xC3 – xS)2 + (yC3 – yS)2] (25)und Φ1 = tan–1[(yC1 – yS)/(xC1 – xS)] (26) Φ2 = tan–1[(yC2 – yS)/(xC2 – xS)] (27) Φ3 = tan–1[(yC3 – yS)/(xC3 – xS)] (28)
Die horizontalen (x) und vertikalen (y) räumlichen Komponenten, wie in den Gleichungen (17) bis (22) bestimmt, können überlagert werden, was Ausdrücke für die horizontale magnetische Flußdichte (B_H) und die vertikale magnetische Flußdichte (B_V) an der Meßstelle ergibt zu:
Die Gleichungen (29) und (30) wurden unter der Annahme abgeleitet, daß der Strom auf der ersten Leiterleitung (Phase 1) durch die Gleichung (3) bestimmt ist, das heißt: I1 = I0A (31)wobei I₀ ein skalares Element ist, das entweder positiv oder negativ sein kann. In der Tat kann der Strom auf dem ersten Leiter jede Phasenbeziehung haben. Seine Phase hat nur in Bezug auf eine wohldefinierte Phasenreferenz, welche nachstehend als die Phase der Spannung auf dem ersten Leiter definiert ist, eine Bedeutung. Mit anderen Worten ist I₀ kein Skalar, sondern ist eher auch ein Zeiger und wird nachstehend als I₀ bezeichnet, wobei: I0 = I0 ∠Φ (32)Folglich wird Gleichung (31): I1 = I0 A (33)mit I0 = |I0| (34)
In der gleichen Hinsicht müssen die Gleichungen (29) und (30) ebenfalls modifiziert werden:
Einige Deutungen sind nun angebracht. A, B, C, r₁, r₂, r₃, Φ₁, Φ₂ und Φ₃ sind bekannte Konstanten, die entweder definiert sind oder aus der Geometrie der Leitungsanordnung bestimmt werden. Die Gleichungen (35) und (36) können daher umgeschrieben werden als: BH = a1I0 (37) BV = a2I0 (38)wobei
a₁ und a₂ sind von der Leitungsgeometrie abhängige komplexe Konstanten, und die Gleichungen (37) und (38) geben an, daß die horizontalen und vertikalen magnetischen Flußdichten B_H und B_V, als Zeiger durch Multiplizieren des komplexen Zeigerstroms I₀ jeweils mit a₁ und a₂ erhalten werden können.
Dies sind lineare Beziehungen. Beide Gleichungen (37) und (38) bilden, trotz eines gegebenen komplexen Zeigers (B_H), des komplexen Koeffizienten (a₁) und des komplexen unbekannten Zeigers (I₀) eine Gleichung mit einer Unbekannten.
Bei einer linearen Gleichung mit einer Unbekannten ist die Gleichung lösbar. Auflösen von Gleichung (37) und (38) nach I₀: I0 = BH/a1 (41) I0 = BV/a2 (42)
Die obigen Berechnungen zeigen an, daß der Zeiger I₀ im Prinzip sowohl im Betrag als auch der Phase aus einer Messung der horizontalen Komponente der magnetischen Flußdichte B_H oder einer Messung der vertikalen Komponente der magnetischen Flußdichte B_V berechnet werden kann, indem durch die passende komplexe Zahl (a₁ oder a₂) dividiert wird.
Folglich reicht nur eine Messung – entweder von B_H oder B_V – aus, um I₀ innerhalb einer beliebigen Phasenverschiebung zu bestimmen. Das heißt, aus einer Messung kann man die Scheinleistung, aber nicht die Verteilung der Scheinleistung zwischen der realen Leistung (MW) und der Blindleistung (MVAR) bestimmen. Da die reale und die Blindleistung jeweils eine vorzeichenbehaftete Größe sind, kann die Richtung des Leistungsflusses nicht bestimmt werden, es sei denn die Phasenunbestimmtheit kann aufgelöst werden.
A Numerisches Beispiel
9 ist ein Beispiel für eine Leitungsgeometrie mit einem Paar magnetischer Feldsensoren 18', 20', die auf Bodenhöhe angeordnet sind. Die Sensoren 18', 20' sind fünfzig Fuß unter der Ebene der Stromleitungen und fünfzig Fuß seitlich der ersten Phase der Leitung angeordnet. In diesem Beispiel trennen die Leitungen 50 Fuß voneinander. Auflösen nach der Entfernung und den Winkelparametern: r1 = √ (50)2 + (50)2 = 70,7 ft (43) r2 = √ (100)2 + (50)2 = 111,8 ft (44) r3 = √ (150)2 + (50)2 = 158,1 ft (45) Φ1 = tan–1(50/50) = 45,0° (46) Φ2 = tan–1(50/100) = 26,56° (47) Φ3 = tan–1(50/150) = 18,43° (48)r₁, r₂ und r₃ müssen in Metern sein, daher: r1 = 70,7/3,28 = 21,56 m (49) r2 = 111,8/3,28 = 34,09 m (50) r3 = 158/3,28 = 48,20 m (51) sin Φ1 = sin(45°) = 0,707 (52) sin Φ2 = sin(26,56°) = 0,447 (53) sin Φ3 = sin(18,43°) = 0,316 (54) cos Φ1 = cos(45°) = 0,707 (55) cos Φ2 = cos(26,56°) = 0,8944 (56) cos Φ3 = cos (18,43°) = 0,949 (57)
Dann ergibt ein Substituieren in den Gleichungen (35) und (36): BH = 2I0[A(0,707)(21,56) + B(0,8944)(34,09) + C(0,949)(48,20) ] (58) BV = –2I0[A(0,707)(21,56) + B(0,447)(34,09) + C(0,316)(48,20) ] (59)
Angenommen, daß I0 = 1000 ∠0° = 1000 + j0 A (60)und A, B und C, wie in Gleichung (11), (12) und (13) gegeben, sind, haben wir: BH = 0,065584(1000 + j0) + 0,052473(–500 – j866) + 0,039378(–500 + j866) = 65,58 – 26,2365 – j45,441618 – 19,689 + j341 BH = 19,6545 – j11,34 = 22,692 ∠–29,98° (61) BV = –[0,065584(1000 + j0) + 0,026225(–500 – j866) + 0,013112(–500 + j866)] = –[65,584 – 13,1125 – j22,711 – 6,556 + j11,355] BV = –45,9155 + j11,3656 = 47,299 ∠166,108° (62)
Da B_H und B_V weder die gleiche Phase haben noch um 180° phasenverschoben sind, ist die magnetische Flußdichte elliptisch polarisiert, eine wohlbekannte Eigenschaft des Magnetfelds um Dreiphasenstromleitungen herum.
Das obige numerische Beispiel sagt für die in 9 gezeigte Geometrie voraus, daß die magnetische Flußdichte am Ursprung eine horizontale Komponente von 22,692 Milligauß und eine vertikale Komponente von 47,299 Milligauß haben würde. Mit I₀ = 1000 ∠0° haben wir: BH = 22,692 ∠–29,98° (63)
Dieses Ergebnis kann als die Bedeutung ausgelegt werden, daß die Phase der gemessenen horizontalen magnetischen Flußdichte (–29,98°) mit einem ziemlich großen 29,98°-Fehler etwa gleich wie die Phase des ersten Leiters (0°) ist. Da der 29,98°-Fehler nur von der Geometrie der Leiteranordnung abhängt, kann er berechnet und berücksichtigt werden.
Wieder Bezug nehmend auf die Gleichungen (39) und (40): a1 = [(1 + j0)(0,707)(21,56) + (–0,5 – j0,866)(0,8944)(34,09) + (–0,5 – j0,866)(0,949)(48,20) ] = 0,022692 ∠–29,98° (64) und a2 = –2(1 + j0)(0,707)(21,56) + (–0,5 – j0,866)(0,447)(34,09) + (–0,5 – j0,866)(0,316)(48,20) ] = 0,047299 ∠166,11° (65)
Folglich ist es mit den Messungen von B_H und B_V, wie den in dem obigen Beispiel berechneten, möglich, die Wissenschaft umzukehren, und, wie durch die Gleichungen (41) und (42) angegeben, I₀ aus den Messungen zu bestimmen. Insbesondere folgt aus einer Messung von B_H = 22,692 ∠–29,98° und der Anwendung von Gleichung (41): I0 = BH/a1 = 22,692 ∠–29,98°0,022692 ∠–29,98° = 1000 ∠0° (66)
Aus einer Messung von B_V = 47,299 ∠166,108° und der Anwendung der Gleichung (42) folgt: I0 = BV/a2 = 47,299 ∠166,108°0,047299 ∠166,108° = 1000 ∠0° (67) was die frühere Behauptung beweist, daß I₀ entweder aus der Messung von B_H oder B_V bestimmt werden kann. In beiden Fällen erhält man die gleiche Antwort.
Eine andere sehr häufige Anordnung, die von vielen Versorgungsunternehmen verwendet wird, ist, zwei parallele Dreiphasenschaltungen auf einem einzigen Mastaufbau anzuordnen. Ein derartiges Szenario kann im wesentlichen mit dem gleichen Verfahren abgewickelt werden, abgesehen davon, daß sowohl B_H als auch B_V verwendet werden müssen und ein Satz aus zwei gleichzeitigen Gleichungen mit zwei Unbekannten, an denen vier komplexe Koeffizienten beteiligt sind, mathematisch gelöst werden muß. Zuerst ist es jedoch notwendig, zu zeigen, wie die Phasenunbestimmtheit in der obigen Analyse beseitigt werden kann.
Elektrische Potentialsensoranalyse
Aufgrund der direkt auf die Gleichung (63) folgenden Diskussion kann man meinen, daß die Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensors eine Fernmessung sowohl des Betrags als auch der Phase des Stroms auf dem ersten Leiter darstellt. Die Phase des Stroms hat jedoch nur einen Wert, wenn sie mit der Phase der Spannung auf der Leitung verglichen wird, da die reale und die Blindleistung gegeben sind durch: MW = VLILcosΦ (68) MVAR = VLILsinΦ (69)wobei V_L die Leitungsspannung ist, I_L der Leitungsstrom ist und Φ die Differenz zwischen der Phase der Leitungsspannung der Phase des Leitungsstroms ist. Daher muß auch die Phase der Spannung auf der Leitung bestimmt werden.
10 zeigt die drei Leiter einer elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitung, wobei ein elektrischer Potentialsensor 16' in einer Entfernung y_S über der Erde angeordnet ist. Angenommen, daß die Erde eine ebene perfekt leitende Bodenebene ist, kann das elektrische Feld in dem Bereich über der Erde bestimmt werden, indem ein Satz von Spiegelleitern hinzugefügt wird, die in Bezug auf die x-Achse symmetrisch angeordnet sind, wobei jeder im Vergleich zu den realen Leitern über dem Boden das entgegengesetzte Spannungsvorzeichen hat. Folglich ist die Spannung auf dem ersten Leiter V₁, während die Spannung auf seinem Spiegelleiter –V₁ ist. Die zweiten und dritten Leiter werden auf die gleiche Weise gespiegelt.
Der elektrische Potentialsensor 16' selbst ist ein Metallblech, das ungefähr senkrecht zu der Sichtlinie von dem Sensorstandort an den Koordinaten (0, y_S) zu der mittleren Position der Übertragungsleitungsleiter ausgerichtet ist. Jeder gegebene Übertragungsleitungsleiter bildet zusammen mit dem Metallblech 16' zwei Stücke aus leitendem Material mit einem Isolator (Luft) dazwischen. In dieser Hinsicht bilden der Übertragungsleitungsleiter und das Metallblech 16' einen Kondensator, der als zwei leitende Objekte definiert ist, welche durch ein dielektrisches Medium getrennt oder in dieses eingetaucht sind. Daher gibt es eine Kapazität zwischen jedem Leiter (einschließlich den Spiegelleitern) und dem elektrischen Potentialsensor 16'. Der elektrische Potentialsensor 16' ist durch einen herkömmlichen elektrischen Kondensator C_i mit der Erde verbunden, wobei eine elektrische Schaltung gebildet wird, für die in 11 ein Beispiel gezeigt ist.
Obwohl die Geometrie komplex ist, können die hier beteiligten Kapazitäten unter Verwendung der Standardformel für die Kapazität eines parallelen Plattenkondensators genähert werden, die lautet: C = εAd (70)wobei ε₀ = 8,854 × 10^–12 F/m, eine Konstante – die Permeabilität im freien Raum ist. A ist die Fläche der Platte in Quadratmetern, und d ist der Plattenabstand in Metern. Obwohl die Gleichung (70) nur für zwei Platten mit endlicher Fläche mit großer Ausdehnung im Vergleich zu ihrem Abstand (so daß Randgebiete vernachlässigt werden können) gilt, kann sie verwendet werden, um die Größe der in 11 gezeigten Kapazitäten anzunähern.
Zum Beispiel wird angenommen, daß r₁ = 70,7 Fuß = 21,56 m und die Plattenfläche A = 0,1 Quadratmeter. Ferner wird angenommen, daß die andere Platte, d.h. der Übertragungsleitungsleiter, die gleiche Wirkfläche hat. Dann gilt:
oder C1 = 0,0411 × 10–12 = 0,0411 pF
Folglich können die in 11 beteiligten Kapazitäten nach normalen Maßstäben sehr klein sein, aber die Kapazitäten sind nichtsdestotrotz real.
Der elektrische Potentialsensor 16' kann nicht auf Bodenebene angeordnet werden, da das elektrische Potential auf Bodenebene aufgrund der vollständigen Auslöschung der Felder, die von den realen Leitern erzeugt werden, mit den von den Spiegelleitern erzeugten null ist. Die Entfernungsberechnungen der Gleichungen (43) bis (45) müssen folglich gemäß den allgemeineren Ausdrücken der Gleichungen (23) bis (25) ersetzt werden: r1 = √ [(xC1 – xS)2 + (yC1 – yS)2] = √ [(50 – 0)2 + (50 – 4)2] = 67,94 ft (72) r2 = √ [(xC2 –xS)2 + (yC2 – yS)2] = √ [(100 – 0)2 + (50 – 4)2] = 110,07 ft (73) r3 = √ [(xC3 – xS)2 + (yC3 – yS)2] = √ [(150 – 0)2 + (50 – 4)2] = 156,89 ft (74) d1 = √ [(xC1 – xS)2 + (yC1 – yS)2] = √ [(50 – 0)2 + (50 + 4)2] = 73,59 ft (75) d2 = √ [(xC2 – xS)2 + (yC2 – yS)2] =√ [(100 – 0)2 + (50 + 4)2] = 113,65 ft (76) d3 = √ [(xC3 – xS)2 + (yC3 – yS)2] = √ [(150 – 0)2 + (50 + 4)2] = 159,42 ft (77)
In Meter umgewandelt: r1 = 67,94/3,28 = 207,1 m (78) r2 = 110,07/3,28 = 33,56 m (79) r3 = 156,89/3,28 = 47,83 m (80) d1 = 73,59/3,28 = 22,44 m (81) d2 = 113,65/3,28 = 34,65 m (82) d3 = 159,42/3,28 = 48,60 m (83)
Dann können die in 11 gezeigten Kapazitäten 11 geschätzt werden, wenn angenommen wird, daß A = 0,10 Quadratmeter ist:
In 12 ist ein herkömmliches Schalbild dieser Anordnung gezeigt, wobei angenommen wird, daß die Kapazität C_i zu C_i = 0,01 μF gewählt ist.
Daher beträgt die Zeigerausgangsspannung der Schaltung von 6: V0 = C1V1/Ci + C2V2/Ci + C3V3/Ci – C1'V1/Ci – C2'V2/Ci – C3'V3/Ci = (C1 – C1')V1/Ci + (C2 – C2')V2/Ci + (C3 – C3')V3/Ci = (0,0428 – 0,0395) × 10–12V1/0,01 × 10–6 + (0,0264 – 0,0256) × 10–12V2/0,01 × 10–6 + (0,0185 – 0,0182) × 10–12V3/0,01 × 10–6 = 0,0033 × 10–12V1/0,01 × 10–6 + 0,0008 × 10–12V2/0,01 × 10–6 + 0,0003 × 10-12V3/0,01 × 10–6 = 0,33 × 10–6V1 + 0,08 × 10–6V2 + 0,03 × 10–6V3 (90)
Somit ist die kapazitive Teilerausgabe eine stark gedämpfte Linearkombination der Spannungen zwischen der Leitung und Erde, die auf jeder der drei Phasen der elektrischen Stromübertragungsleitung erscheinen.
Wenn zum Beispiel die Spannung der Schaltung von Leitung zu Leitung V_LL = 345 kV ist, dann ist der Betrag der Spannung zwischen Leitung und Erde V_LG = 345/√3 = 199,19 kV und V1 = 199 × 103 ∠0° = 199 × 103(1+ j0) (91) V2 = 199 × 103 ∠–120° = 199 × 103(–0,5 – j0,866) (92) V3 = 199 × 103 ∠+120° = 199 × 103(–0.5 – j0,866) (93)und Substituieren in Gleichung (90) ergibt: V0 = 0,33 × 10-6[199 × 103(1+ j0)] + 0,08 i × 10–6[199 × 103(–0,5 – j0,866)] + 0,03 × 10–6[199 × 103(–0,5 + j0,866)] = 0,06567(1 + j0) + 0,01592(–0,5 – j0,866) + 0,00597(–0,5 + j0,866) = (0,06567 – 0,00796 – 0,002985) – j(0,01387 – 0,00517) = 0,054725 – j0,00862 = 0,0554 ∠–8,95° (94)
Die an dem Kondensator C_i entwickelte Spannung hat einen Betrag von 55,4 mV mit einem Phasenwinkel von –8,95°. Da für die Spannung in dem ersten Leiter angenommen wurde, daß sie einen Phasenwinkel von 0° hat, stellt die Ausgangsspannung des kapazitiven Teilers nicht nur eine Spannung bereit, deren Betrag proportional zu der Spannung zwischen den Leitern der elektrischen Stromübertragungsleitung ist, sondern deren Phase etwa die Phase der Spannung auf dem ersten Leiter, dem nächsten Leiter in diesem Beispiel, ist. Der Fehler beim Messen der Phase der Spannung zwischen Leitung und Erde auf dem ersten Leiter (–8,95° in diesem Fall) hängt nur von der Geometrie des Leitungsleiters in Bezug auf den Standort der Überwachungsvorrichtung 10' ab. Daher kann er berechnet und korrigiert werden, wenn die Geometrie bekannt ist.
Fernbestimmung des Leistungsfaktors auf einer elektrischen Stromübertragungsleitung
Wenn der Strom I₀ = 1000 ∠0° Ampere wäre, wie unter Bezug auf Gleichung (63) beschrieben, wäre die Ausgabe des Magnetfeldsensors 18' BH = 22,692 ∠–29,98° (95)
Und, wie in Gleichung (94) bestimmt, ist die Ausgangsspannung des elektrischen Potentialsensors 16': V0 = 0,0554 ∠–8,95° (96)
Folglich hinkt die Ausgabe des elektrischen Potentialsensors 16' der Spannung in dem ersten Leiter um 8,95° hinterher, und die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors 18' hinkt dem Strom durch den ersten Leiter um 29,98° hinterher. Unter der Annahme, daß der Phasenwinkel auf der Übertragungsleitung Θ_L, Grad ist, so daß I₀ = 1000 ∠Θ_L, wäre die Ausgabe des Magnetfeldsensors: BH = 22,692 ∠Θ–22,698° (97)und der Winkel H_a zwischen der elektrischen Potentialsensorausgabe V₀ und der magnetischen Flußdichte B_H wäre Ha = ∠V0 – ∠BH = –8,95° – (ΘL – 22,698°) = (22,698° – 8,95°) – ΘL (98)
Und folglich: ΘL = –Ha + (22,698° – 8,95°) (99)
Folglich kann aus einer Messung von H_a, der Phasendifferenz der zwei experimentell beobachtbaren Signale V₀ und B_H, der Phasenwinkel Θ_L in der Übertragungsleitung erhalten werden, indem diese Differenz durch Addieren der Differenz der zwei Sensorfehler – und diese können vorab aus der geometrischen Anordnung der Sensoren in Bezug auf die Übertragungsleitungsleiter berechnet werden – korrigiert wird.
Wenn zum Beispiel H_a zu +45° gemessen wird, dann folgt aus Gleichung (99): ΘL = –45° + (22,698° – 8,95°) = –31,252° (100)so daß der Leistungsfaktor auf der Leitung beträgt: PF – cos ΘL = 0,855 (101)und die Leistung pro Phase beträgt: PPhase = VLG |I0| cos ΘL = (199 × 103)(1000)(0,855) = 170,145 MW (102)so daß die gesamte Übertragungsleitungsleistung ist: MW = 3P = 510,435 MW (103)und die Blindleistung auf der Leitung beträgt: MVAR = 3[VLG|I0| sin ΘL] = 3[199 × 103(1000)(–0,519)] = –309,843 MVAR (104)
Das algebraische Vorzeichen der obigen Größen ist von entscheidender Bedeutung. Für das in 7–11 definierte Koordinatensystem entsprechen positive Werte für die reale (MW) und die Blindleistung (MVAR) dem Leistungsstrom parallel zu der Überwachungsvorrichtung 10' von links nach rechts vorbei an der Überwachungsvorrichtung 10', wenn die Übertragungsleitung von hinter der Überwachungsvorrichtung 10' aus betrachtet wird. Für das obige Beispiel fließen 510 Megawatt realer Leistung nach rechts, und 310 Megawatt Blindleistung fließen relativ zu der Überwachungsvorrichtung 10 nach links.
Da es die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die gesamte Leistungsausgabe eines elektrischen Kraftwerks mit Fernsensoren zu bestimmen, ist die exakte Bestimmung der Richtung des Leistungsflusses auf einer Leitung genauso wichtig wie die Bestimmung des Betrags des Leistungsflusses. Insbesondere ist es notwendig, zwischen der elektrischen Leistung, die aus einem elektrischen Kraftwerk kommt, und der Leistung, die hineingeht, zu unterscheiden.
Gemischte Sensorverallgemeinerungen und alternative Mechanismen:
Folglich ist es mit einem elektrischen Potentialsensor und zumindest einem Magnetfeldsensor, wie vorstehend vollständig beschrieben, möglich, sowohl den Betrag als auch die Richtung des Leistungsflusses auf einer elektrischen Dreiphasenstromübertragungsleitung von fern (d.h. mit berührungsfreien Mitteln) zu bestimmen. Mit zwei Magnetfeldsensoren, von denen einer die horizontale magnetische Flußdichte B_H mißt und einer die vertikale magnetische Flußdichte B_V mißt, können folglich zwei unabhängige Schätzungen des Leitungsstroms und folglich der realen Leistung (MW) und der Blindleistung (MVAR) bestimmt werden. Diese können in einer Vielzahl an Arten kombiniert werden, um eine genauere Schätzung von MW und MVAR zu erzeugen als von jeder getrennt genommen erzielbar ist. Insbesondere, wenn MW_H und MVAR_H die Leistungsflußergebnisse aus den horizontalen magnetischen Flußdichtemessungen darstellen, und MV_V und MVAR_V aus den vertikalen magnetischen Flußdichtemessungen stammen, dann: MW = w1MWH + w2MWV (105) MVAR = w1MVARH + w2MVARV (106)wobei w₁ und w₂ Gewichtungsfaktoren sind, die gewählt werden können, um die verschiedenen Messungen abhängig davon, welche Messungen für am genauesten gehalten werden, auf mehrere Arten zu mischen. Wenn die horizontalen und vertikalen Messungen gleich genau sind, dann ist w₁ = w₂ = 0,5 angemessen, was ergibt: MW = 0,5 MWH + 0,5 MWv = (MWH + MWV)/2 (107) MVAR = 0,5 MVARH + 0,5 MVARV = (MVARH + MVARV)/2 (108)
In diesem Fall liefert das Mittel der horizontalen und vertikalen Messungen eine genauere Messung als von einer Messung für sich genommen bereitgestellt würde.
Alternativ, wenn kleine Magnetfelder verrauschtere Messungen erzeugen, können die Gewichtungsfaktoren definiert werden als: w1 = |BH|/(|BH| + |BV|) (109) w2 = –|BV|/(|BH| + |BV|) (110)was die Wirkung hat, daß die Gewichtung der Daten von dem stärksten Magnetfeld höher als von dem schwächeren Magnetfeld ist.
Eine ausgeprägtere Tendenz in die Richtung des stärkeren Feldergebnisses wird bereitgestellt, indem gewählt wird: w1 = |BH|2/(|BH|2 + |BV|2) (111) w2 = |BV|2/(|BH|2 + |BV|2) (112)
In jeder der obigen Gleichungen ist w1 + w2 = 1 (113)was notwendig ist, um die Schätzung des Betrags des Leistungsflusses nicht künstlich aufzublähen oder zu dämpfen.
Im allgemeinen können komplexere Kombination von MW_H' MVR_H, MW_V und MVAR_V verwendet werden, wie MW = f(MWH,MVARH,MWV,MVARV,|BH|,|BV|) (114)wobei „f" eine lineare oder nicht-lineare Funktion von sechs Variablen ist.
Ein wichtigerer Vorteil als die einfache Rauschverringerung entsteht jedoch aus der Einbeziehung beider Magnetfeldsensoren, die sowohl die horizontalen als auch vertikalen Flußdichtekomponenten messen. Eine häufig auftretende Anordnung in den elektrischen Stromübertragungsleitungen ist der Fall paralleler Schaltungen, die auf gegenüberliegenden Seiten eines einzigen Trägermasts angeordnet sind, wie in 13.
Eine parallele Analyse zu der hier für die einzelne Dreiphasenschaltung gegebenen führt exakt zu der gleichen Schlußfolgerungsform wie der in Gleichung (37) und (38) vorgestellten, abgesehen davon, daß Gleichung (37) und (38) werden zu: BH = a11I1 + a12I4 (115) BV = a21I1 + a22I4 (116)wobei I₁ der Phasenstrom auf dem obersten Leiter der linken Schaltung ist, während 1₄ der Phasenstrom auf dem obersten Leiter der parallelen linken Schaltung ist. (Die zwei Dreiphasenschaltungen können verschiedene Ströme befördern.) In Vektormatrixform ausgedrückt werden die Gleichungen (115) und (116):
wenn angenommen wird, daß V_LL für beide Gleichungen gleich ist, und wobei:

r_ij ist die Entfernung von dem Sensorstandort zu dem j-ten Leiter, und Φ_1j ist der Winkel zwischen der Sichtlinie des j-ten Leiters und der positiven x-Achse.
Die Gleichung (117) kann in Vektormatrixform umgeschrieben werden zu: B = AI (122)was die Standardform für einen Satz gleichzeitiger linearer Gleichungen mit n Unbekannten ist: AI = B (123)
Die Gleichung (123) kann auf mehrere Arten nach I aufgelöst werden: I = A–1B (124)oder die Gleichung (123) kann durch Gaußsche Eliminierung gelöst werden. Natürlich ist I in Gleichung (123) ein 2-Vektor aus komplexen Zeigern, B ist ein 2-Vektor aus komplexen Zeigern, und A ist eine 2×2-Matrix komplexer Koeffizienten.
Gleichung (123) kann auch unter Verwendung der Cramerschen Regel gelöst werden, was führt zu:
Mit anderen Worten kann der häufig auftretende Fall von zwei parallelen Übertragungsleitungsschaltungen mit einer Sensorbaugruppe abgewickelt werden, die einen elektrischen Potentialsensor, einen horizontalen Magnetfeldsensor und einen vertikalen Magnetfeldsensor enthält – mit der rechnerischen Anforderung, daß zwei Gleichungen mit zwei (komplexen) Unbekannten mit komplexen Koeffizienten gelöst werden müssen. Da sowohl die Programmierspachen Fortran als auch C++ die Unterstützung komplexer Datentypen bereitstellen, wird diese Analyse leicht durch eines der vorstehend angegebenen drei Verfahren numerisch ausgeführt.
Die vorangehende Rechenanalyse ermöglicht daher die Berechnung des Betrags und der Richtung der elektrischen Leistung, die durch eine gegebene Übertragungsleitung fließt, aus Daten, die von der Überwachungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung erfaßt werden. Wie diskutiert, wird diese Rechenanalyse bevorzugt unter Verwendung eines digitalen Computerprogramms an der zentralen Verarbeitungseinrichtung ausgeführt. Es wird jedoch bevorzugt, daß die von dem Mikroprozessor ausgeführte Rechenanalyse mit der Überwachungsvorrichtung selbst verknüpft wird.

Claims

Vorrichtung zum Fernmessen und -überwachen einer Stromübertragungsleitung, die Folgendes umfasst: einen ersten Sensor (18), der auf eine erste Komponente einer magnetischen Flussdichte in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung anspricht und eine Spannung proportional zu der magnetischen Flussdichte ausgibt, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird, ein Mittel (58) zum Umwandeln der Ausgangsspannung von dem genannten ersten Sensor in einen repräsentativen numerischen Wert, ein Speicherregister (64) zum Speichern des genannten repräsentativen numerischen Wertes, einen zweiten Sensor (16) zum Ausgeben einer Spannung proportional zu einem elektrischen Nettopotential in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung, ein Mittel (58) zum Umwandeln der Ausgangsspannung von dem genannten zweiten Sensor in einen repräsentativen numerischen Wert zur Speicherung im Speicherregister, ein Mittel zum Übertragen von in dem genannten Speicherregister gespeicherten Daten (68, 69, 70) zu einer zentralen Verarbeitungseinrichtung, ein Mittel (62) zum Kombinieren der Phase des gemessenen elektrischen Potentials mit der Phase der gemessenen Flussdichte, um die Phase des elektrischen Potentials relativ zur magnetischen Flussdichte zu ermitteln und um anhand der Phase des elektrischen Potentials relativ zur magnetischen Flussdichte den Phasenwinkel des Stroms durch die Übertragungsleitung mit Bezug auf die Spannung auf der Übertragungsleitung zu ermitteln und um den Leistungsfaktor auf der Übertragungsleitung zu berechnen und um die Größe und Richtung von auf der Übertragungsleitung fließender Leistung zu ermitteln, und ein Mittel zum Übermitteln von Informationen über Leistung, die über die genannte elektrische Leistungsübertragungsleitung zu einem Endbenutzer fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen dritten Sensor (20), der auf eine zweite Komponente der mit der genannten Übertragungsleitung assoziierten magnetischen Flussdichte anspricht und eine Spannung proportional zu der magnetischen Flussdichte ausgibt, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird, wobei sich der genannte dritte Sensor ebenfalls entfernt von der genannten elektrischen Stromübertragungsleitung befindet; und ein Mittel (58) zum Umwandeln der Ausgangsspannung von dem genannten dritten Sensor in einen repräsentativen numerischen Wert zur Speicherung im Speicherregister.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte zweite Sensor (16) eine leitende Platte umfasst, die funktionell mit einer Operationsverstärkerschaltung (26) verbunden ist, um so einen kapazitiven Spannungsteiler zum Ausgeben einer Spannung proportional zu dem mit der genannten Übertragungsleitung assoziierten elektrischen Nettopotential zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der genannte erste Sensor (18) so orientiert ist, dass er auf eine im Wesentlichen horizontale Vektorkomponente der magnetischen Flussdichte anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der genannte dritte Sensor (20) so orientiert ist, dass er auf eine im Wesentlichen vertikale Vektorkomponente der magnetischen Flussdichte anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der genannte erste Sensor (18) eine Spule umfasst, deren Achse in der Richtung der genannten ersten Komponente der magnetischen Flussdichte orientiert ist, wobei die Spannung über die genannte Spule proportional zu einer zeitlichen Änderungsrate der magnetischen Nettoflussdichte ist, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der genannte dritte Sensor (20) eine Spule umfasst, deren Achse in der Richtung der genannten zweiten Komponente der magnetischen Flussdichte orientiert ist, wobei die Spannung über die genannte Spule proportional zu einer zeitlichen Änderungsrate der magnetischen Nettoflussdichte ist, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das genannte Mittel zum Übertragen von in dem genannten Speicherregister gespeicherten Daten zu der zentralen Verarbeitungseinrichtung ein Funksende-/-empfangsgerät (68) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die genannten Sensoren (16, 18, 20) in einem wetterfesten Gehäuse (12) untergebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner eine Batterie (72) zum Speisen der Sensoren (16, 18, 20) der Vorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die genannte Batterie (72) von einer Solarplattenanordnung (74) kontinuierlich aufgeladen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die genannten Sensoren in einem ersten wetterfesten Gehäuse (12) untergebracht sind und wobei das genannte Sende/Empfangsgerät in einem zweiten wetterfesten Gehäuse (14) untergebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner eine Batterie (72) zum Speisen der Sensoren der Vorrichtung umfasst, wobei die genannte Batterie (72) in dem genannten zweiten wetterfesten Gehäuse untergebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die genannte Batterie (72) von einer Solarplattenanordnung (74) kontinuierlich aufgeladen wird.
Verfahren zum Überwachen von elektrischer Leistungsübertragung durch wenigstens eine elektrische Leistungsübertragungsleitung mit Leitern in einer bestimmten physischen Anordnung und zum Übermitteln von Strom- und/oder Übertragungsinformationen, das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Messen von wenigstens einer Komponente der magnetischen Flussdichte in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung von einem Ort fern und in einer vorbestimmten Distanz von der genannten Übertragungsleitung und ohne Nahzugang zu der genannten Übertragungsleitung zum Erzeugen eines Datensatzes; (b) Messen des elektrischen Potentials von einem Ort fern und in einer vorbestimmten Distanz von der genannten Übertragungsleitung und ohne Nahzugang zu der genannten Übertragungsleitung, wobei das elektrische Potential eine Phase hat, die relativ zu der wenigstens einen Komponente der magnetischen Flussdichte gemessen wird, und mit einem/r gemessenen elektrischen Potential und Phase in dem genannten Datensatz; (c) Übertragen des genannten Datensatzes zu einer zentralen Verarbeitungseinrichtung; (d) Kombinieren der Phase des gemessenen elektrischen Potentials mit der Phase der gemessenen Flussdichte zum Ermitteln der Phase des elektrischen Potentials relativ zu der magnetischen Flussdichte, Ermitteln, anhand der Phase des elektrischen Potentials relativ zur magnetischen Flussdichte, des Phasenwinkels des Stroms durch die Übertragungsleitung mit Bezug auf die Spannung auf der Übertragungsleitung, Ausführen einer Rechenanalyse an dem genannten Datensatz, um den Leistungsfaktor auf der Übertragungsleitung zu berechnen und um die Größe und Richtung von auf der genannten Übertragungsleitung fließendem Strom zu ermitteln; und (e) Übermitteln der genannten Leistungsinformationen zu einem Endbenutzer.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Messen der wenigstens einen Komponente der magnetischen Flussdichte für die genannte Übertragungsleitung durch einen ersten Sensor (18) erfolgt, der auf eine erste Komponente der magnetischen Flussdichte in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung anspricht und eine Spannung proportional zur zeitlichen Änderungsrate der magnetischen Nettoflussdichte ausgibt, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Messen des elektrischen Potentials für die genannte Übertragungsleitung durch einen zweiten Sensor (16) zum Ausgeben einer Spannung proportional zu dem elektrischen Nettopotential in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Messen der magnetischen Flussdichte ferner durch einen dritten Sensor (20) erfolgt, der auf eine zweite Komponente der magnetischen Flussdichte in Verbindung mit der genannten Übertragungsleitung anspricht und eine Spannung proportional zur zeitlichen Änderungsrate der magnetischen Nettoflussdichte ausgibt, die von durch die genannte Übertragungsleitung fließendem Strom erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die ausgegebene Spannung in Verbindung mit jedem Sensor (16, 18, 20) durch eine jeweilige Verstärkungs- und Filterschaltung (22, 24, 26) geleitet wird, um die jeweiligen Spannungen zu verstärken und störendes Rauschen vor der Übertragung des Datensatzes zu beseitigen.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Rechenanalyse die folgenden Unterschritte beinhaltet: Korrigieren des genannten Datensatzes, um vorhersehbare Fehler in Bezug auf die Geometrie der besonderen physischen Anordnung der Leiter der genannten Übertragungsleitungen zu kompensieren; Korrigieren des genannten Datensatzes zum Kompensieren von vorhersehbaren Fehlern in Verbindung mit den Sensoren und deren Interaktion mit den jeweiligen Verstärkungs- und Filterschaltungen; Berechnen der komplexen Koeffizienten in Verbindung mit der gemessenen magnetischen Flussdichte zum Strom durch die Leiter der Übertragungsleitung gemäß Ermittlung anhand der Geometrie der besonderen physischen Anordnung der Leiter der genannten Übertragungsleitung; Lösen eines Satzes von linearen algebraischen Gleichungen in Bezug auf die magnetische Flussdichte zum Strom durch die Leiter der Übertragungsleitung; Kombinieren der Phase des gemessenen elektrischen Potentials mit einer Phase der gemessenen magnetischen Flussdichte zum Ermitteln des Phasenwinkels des Stroms durch die genannte Übertragungsleitung mit Bezug auf eine Spannung auf der genannten Übertragungsleitung; Berechnen des Leistungsfaktors auf der genannten Übertragungsleitung; und Ermitteln von Größe und Richtung der Wirk- und Blindleistung auf der genannten Übertragungsleitung.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der genannte Messschritt das Platzieren von wenigstens einer Vorrichtung mit einem Magnetwandler (18, 20) und einem Stromwandler (16) in der Nähe, aber nicht physisch verbunden mit, der genannten wenigstens einen Stromübertragungsleitung beinhaltet, wobei die genannte Vorrichtung elektrische und magnetische Felder der genannten wenigstens einen Stromübertragungsleitung empfängt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der genannte Messschritt das Platzieren einer Mehrzahl von Vorrichtungen jeweils mit einem Magnetwandler (18, 20) und einem Stromwandler (16) jeweils in der Nähe, aber physisch nicht verbunden mit, einer anderen Stromübertragungsleitung beinhaltet, wobei die Leistung der genannten Rechenanalyse eine Summierung der jeweiligen Datensätze von jeder unterschiedlichen Stromübertragungsleitung beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Übertragung des genannten Datensatzes zu der zentralen Verarbeitungseinrichtung durch ein Festleitungsnetz (70) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Übertragung des genannten Datensatzes zu der zentralen Verarbeitungseinrichtung über ein Funknetz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die genannten Informationen im Wesentlichen in Echtzeit zum Endbenutzer übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22 und 25, wobei die genannten Informationen zum Endbenutzer durch ein globales Computernetz übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das genannte globale Computernetz das Internet ist, wobei die genannten Stromerzeugungsinformationen durch einen herkömmlichen Internet-Browser übermittelt und angezeigt werden.