TW201525478A - 特異點標定裝置 - Google Patents

Abstract

本案發明係提供一種即使在近端區間仍可標定故障點等特異點之特異點標定裝置。 本發明之特異點標定裝置，係將發訊波與在阻抗會變化的特異點反射之發訊波的反射波予以比較，藉此標定特異點之特異點標定裝置，其特徵為：發訊波，係運用頻率連續性調變之頻率調變連續波(FMCW)，並依據發訊波與反射波的頻率差值，來標定特異點。

Description

特異點標定裝置

本發明係有關特異點標定裝置，更詳言之，係有關運用下述方式的特異點標定裝置，即，藉由將注入至用以傳輸電力之饋電線等金屬纜線的發訊波與來自特異點的反射波予以比較，來查明特異點的位置。

習知，用以標定因斷線或雷撃等造成之饋電線當中的特異點一例亦即故障點、及用來確認饋電線的健全性之裝置，有一種稱為C型的脈衝雷達(pulse radar)方式之故障點標定裝置已經實用化(例如非專利文獻1)。

C型的故障點標定裝置，係令設置於饋電線監視區間的一端之故障點標定裝置，接收故障檢測繼電器之資訊而啟動，對饋電線發訊單一AC脈衝。

脈衝的發訊，由於故障點標定裝置的脈衝發訊裝置需要充電時間，因此無法連續進行好幾次。

該C型的故障點標定裝置，是觀測從發送脈衝後至接收到於故障點反射之反射脈衝為止的時間，並藉由該時間 來測定和故障點相距之距離(例如非專利文獻1)。

〔先前技術文獻〕 〔非專利文獻〕

[非專利文獻]日本社團法人電氣協同研究會著「電氣共同研究第34卷6號故障探測器標定可靠度提升對策」日本社團法人電氣協同研究會出版、昭和54年2月28日、P.7、8、60、62」

然而，習知之C型的故障點標定裝置當中，當使用中心頻率400kHz的發訊波的情形下，在相當於約13μs的時間之區間，亦即約2km以下的近端，無法識別發訊波與反射波，因此有無法標定的問題(例如非專利文獻1)。

鑑此，本發明之目的在於提供一種即使在近端區間仍可標定故障點等特異點之特異點標定裝置。

本發明之特異點標定裝置，係將發訊波與在阻抗會變化的特異點反射之發訊波的反射波予以比較，藉此標定特異點之特異點標定裝置，其特徵為：發訊波，係運用頻率連續性調變之頻率調變連續波(FMCW)，並依據發訊波與反射波的頻率差值，來標定特異點。

按照本發明，能夠提供一種即使在近端區間仍可標定特異點之特異點標定裝置。

1‧‧‧故障點標定裝置

3‧‧‧變換器

5‧‧‧視訊高輸出放大器

7‧‧‧載波消除器

9‧‧‧差動放大器

11‧‧‧混合器(Mixer)

13‧‧‧低通濾波器

15‧‧‧數位類比變換器(DAC)

17‧‧‧類比數位變換器(ADC)

19‧‧‧控制用嵌入式單板電腦

21‧‧‧標定相切換繼電器

23‧‧‧故障檢測繼電器

25‧‧‧耦合濾波器(CF)

27‧‧‧電容式變量器(PD)

29‧‧‧架空饋電線

31‧‧‧電力站

33‧‧‧阻塞線圈(BC)

35‧‧‧延遲元件(DL)

37‧‧‧平衡化變量器

201、202、205‧‧‧粗線

203‧‧‧虛線

204‧‧‧消除器電路

301‧‧‧發訊波

302‧‧‧受訊波

303‧‧‧拍波

304‧‧‧包絡線

305‧‧‧峰值點

[圖1]圖1為本發明一實施形態之故障點標定裝置的概念方塊示意圖。

[圖2]圖2為本發明一實施形態之故障點標定裝置的動作原理說明圖。

[圖3A]圖3A為本發明一實施形態之故障點的位置推導方法的動作原理說明圖。

[圖3B]圖3B為本發明一實施形態之故障點的位置推導方法的動作原理說明圖。

[圖3C]圖3C為本發明一實施形態之故障點的位置推導方法的動作原理說明圖。

[圖3D]圖3D為本發明一實施形態之故障點的位置推導方法的動作原理說明圖。

[圖4]圖4為本發明一實施形態之故障點的位置推導方法說明圖。

在說明本發明的實施形態以前，以下講述用以評定特異點的一例亦即故障點之習知C型的故障點標定裝置，除了上述欲解決問題以外所具有之其他問題點。

C型的故障點標定裝置，其發訊脈衝電壓為2~3kV屬於高電壓，對電容器(capacitor)充電需要時間，故無法短時間地連續發訊脈衝，因此難以提升標定精度(基於脈衝雷達方式的裝置之標定處理時間限制)。

C型的故障點標定裝置，其發訊脈衝電壓為2~3kV屬於高電壓，脈衝(impulse)產生器中使用的零件及電氣、絕緣在設計上難以半導體化，因此難以小型化(發訊脈衝電壓造成之故障點標定裝置小型化限制)。

在長距離饋電線及無換位(transposition)/多導體的饋電線的下相當中，高頻脈衝的傳輸損失大，難以做遠距離的標定。

非專利文獻1中，已報告其可標定距離曾達40km左右之情形(傳送損失大之饋電線路當中的標定限制)。

當在架空饋電線路發生冰雪附著的情形下，高頻脈衝的傳輸損失會和頻率成比例，而呈指數函數地增加，因此標定精度可能會降低或難以標定(冰雪附著時的標定精度降低)。

C型的故障點標定裝置，無法監視饋電線路的狀態。

此外，雖有藉由其他方式來監視通訊頻率的位準以檢測線路中發生的異常之裝置，但其無法查明異常處。

以下參照圖面，詳細說明解決這樣的問題點之本發明的實施形態。

(實施形態1)

圖1為本發明實施形態1之故障點標定裝置示意圖。

本實施形態之故障點標定裝置1，具備變換器3、視訊高輸出放大器(video high-output amplifier)5、載波消除器(carrier canceller)7、差動放大器9、混合器(mixer)11、及低頻帶通過鑑別器(低通濾波器，low pass filter)13。

變換器3，具備將數位訊號變換成類比訊號之數位類比變換器(DAC)15、及將類比訊號變換成數位訊號之類比數位變換器(ADC)17，其受到控制用嵌入式單板電腦(embedded single board computer，搭載微電腦的電路基板)19所控制。

變換器3具備之DAC15，係連接至視訊高輸出放大器5，其將從控制用嵌入式單板電腦19發訊的數位訊號變換成類比訊號，並將變換後的類比訊號發送至視訊高輸出放大器5。

視訊高輸出放大器5，係連接至載波消除器7、差動放大器9的+輸入端子、及混合器11，其依據從變換器3的DAC15接收之類比訊號來生成頻率調變連續波(FMCW)，並輸出成為發訊波。

載波消除器7，係連接至差動放大器9的-輸入端子，差動放大器9的輸出端子係連接至混合器11。

藉由載波消除器7及差動放大器9來形成消除器電路。

混合器11，係為類比乘法器，當輸入2個不同的頻率，例如f1與f2的訊號，便基於外差(heterodyne)的原理，輸出其和及差的頻率f1±f2的訊號之電路。

此處所謂「外差的原理」，係指將頻率有些微差異的2個波疊合時，能夠觀測到與其頻率的差值相等之拍波(beat wave，拍頻)。

混合器11，係連接至低通濾波器13，其將從視訊高輸出放大器5接收之發訊FM訊號與從差動放大器9接收之受訊FM訊號予以乘算而生成拍波訊號，並將該拍波訊號發送至低通濾波器13。

低通濾波器13，係與變換器3所具備之ADC17連接，其將從混合器11接收之拍波訊號當中除去高頻成分後的拍波訊號發送至ADC17。

ADC17，係將從低通濾波器13接收之拍波訊號變換成數位訊號，並將變換後的數位訊號發送至控制用嵌入式單板電腦19。

在控制用嵌入式單板電腦19，連接有標定相切換繼電器21及故障檢測繼電器23。

標定相切換繼電器21，係透過耦合濾波器(CF)25及電容式變量器(PD)27，與例如用來傳輸電力之3相交流的架空饋電線29連接。

又，標定相切換繼電器21，係透過延遲元件(DL)35及平衡化變量器37，連接至視訊高輸出放大器5及差 動放大器9。

標定相切換繼電器21，係從控制用嵌入式單板電腦19接收標定相的切換控制訊號及從視訊高輸出放大器5接收發訊波亦即發訊FM訊號。

此外，標定相切換繼電器21，係對差動放大器9接收受訊波亦即受訊FM訊號。

電容式變量器(PD)27，係為利用電磁感應來變換交流電力的電壓大小之，電力站31的既有設備之電力機器/電子零件，其將高壓的一次側電壓予以分壓，藉此變換成可測定之二次側電壓。

另，延遲元件(DL)35，係當標定相切換繼電器21與故障點標定裝置1之間的距離短的情形下，能夠使用以便容易從發訊波與受訊波檢測出拍波。

架空饋電線29，係連接至電力站31的母線B，在各架空饋電線29上具備阻塞線圈(blocking coil；BC)33。

另，電容式變量器(PD)27能夠使用耦合電容器(CC)，架空饋電線29亦可為直流。

直流的情形下，主線(main line)2條及回線(return line)2條，合計以4條來構成架空饋電線29。

故障檢測繼電器23，係當偵測到架空饋電線29的故障，便將啟動訊號發送至控制用嵌入式單板電腦19。

另，故障點標定裝置1，亦能具備事先記憶有FMCW 之半導體記憶裝置。

平衡化變量器37，係為故障點標定裝置1側的變量器(transformer)，其即使在阻抗為非平衡的纜線中亦可測定。

如此一來，即使在複數個饋電線當中的任意饋電線組合中仍能檢測故障點。

圖2為圖1之本實施形態之故障點標定裝置1的動作原理說明圖。

利用圖2，說明故障點標定裝置1中檢測拍波訊號之動作。

首先，視訊高輸出放大器5，藉由從變換器3的DAC15接收之類比訊號來生成頻率調變連續波(FMCW)，並將FMCW輸出至架空饋電線29以作為發訊波(粗線201)。

FMCW透過CF25流至架空饋電線29。

架空饋電線29中流動的發訊波亦即FMCW，在架空饋電線29的阻抗變化之處(故障點)會變為反射波。

反射波亦即受訊波，會沿著發訊波流過的路徑，從架空饋電線29透過CF25朝向消除器電路，和發訊波相反方向流回(粗線202)。

此時，受訊波相較於發訊波，振幅會變小且周期亦延遲。

另一方面，在視訊高輸出放大器5生成的 FMCW，亦會被輸出至消除器電路的差動放大器9以作為發訊波(虛線203)。

是故，將在視訊高輸出放大器5生成的FMCW亦輸出至消除器電路204的載波消除器7，並藉由消除器電路204抵消發訊波，而僅將受訊波從差動放大器9輸出。

另，本實施形態之消除器電路204，習知是使用拼合電路(hybrid circuit)或循環電路(circulator circuit)。

將本地訊號(發訊FM訊號)輸入至混合器11，該本地訊號係與從差動放大器9輸出的受訊波訊號、以及從視訊高輸出放大器5直接接收之發訊波為同一波形(線段205)。

混合器11，將發訊波及受訊波的正弦波疊合而生成拍波。

由於從生成的拍波會生成能夠檢測故障點之拍波訊號，故檢測拍波。

此時的檢測方式，最有效率的方式是採用一種稱為乘積檢波(product detection)之方式。

圖3A至3D為本實施形態之故障點標定裝置1所進行之故障點檢測方式說明圖。

利用圖3A至3D，說明本實施形態之利用FMCW的故障點檢測方法。

圖3A揭示從視訊高輸出放大器5發送給架空饋電線29之發訊波301、以及發訊波301在架空饋電線29的故障點反射，而在差動放大器9接收之受訊波302 的模式波形。

縱軸為波的振幅，橫軸表示時間。

受訊波302相較於發訊波301而言，電波在架空饋電線29上的到達時間會有延遲，該延遲的到達時間的份量即是頻率差異。

圖3B揭示將發訊波301及受訊波302在混合器11合成後之模式波形。

另，如同圖3A般，縱軸為波的振幅而橫軸表示時間，但時間軸較圖3A取得更長。

由於將2個不同頻率的波合成，故合成波會成為拍波(拍頻)303。

圖3C揭示將各時間當中拍波303的振幅(拍頻的振幅)的峰值以線連結而成之包絡線304。

另，如同圖3B般，縱軸為波的振幅而橫軸表示時間。

圖3D是對於拍波303以傅立葉轉換進行頻率成份分析(FFT)，揭示在故障點反射而頻率成份變化之位置(峰值點305)。

另，圖3D中，縱軸為波的振幅，橫軸表示頻率。

接著，說明利用FMCW方式之故障位置的檢測方法。

首先，從視訊高輸出放大器5對架空饋電線29發送FMCW亦即發訊波301。

將發送的FMCW之反射波(回波)藉由差動放大器9 來接收(圖3A)。

將發訊波301及受訊波302以混合器11合成，生成拍波303(圖3B)。

藉由低通濾波器13抽出表示拍波303的振幅之包絡線304(圖3C)。

將抽出的包絡線304藉由控制用嵌入式單板電腦19做頻率成份分析(FFT)(圖3D)。

由阻抗的變化，檢測出在故障點反射而頻率成份強烈變化的點(圖3D)。

由頻率成份強烈變化的點之頻率，推導出故障點位置。

故障點位置的推導方法說明如下。

圖4為利用本實施形態之FMCW方式的故障點位置推導方法說明圖。

圖4中，縱軸表示波的頻率f，橫軸表示時間t。

此外，圖4中，拂掠頻率(sweep frequency，令其以一定周期變化之發訊波301的頻率)訂為△F、拂掠時間為T、拂掠速率為k、拍波的頻率(發訊波301及受訊波302的頻率差值)為fb、反射波的延遲時間為△t、傳播速度為c、距反射點(故障點)的距離為X。

圖4中，藉由三角形的相似，△F/T=fb/△t．．．(1)

將式(1)變形，△t=(T．fb)/△F．．．(1)'

從計測點至故障點之往復距離2X會成為2X=c．△t．．．(2)

因此將式(1)'代入至式(2)，則2X=c．(T．fb)/△F．．．(2)'

將式(2)'變形，X={(T．c)/(△F．2)}．fb．．．(3)

此處，△F/T會成為拂掠速率k，故將k代入式(3)，則X={c/(2k)}．fb．．．(3)'

是故，由於拂掠速率k(=△F/T)與傳播速度c為已知，故只要求出拍波的頻率fb，便能藉由式(3)'求出距故障點的距離X。

按照本實施形態，頻率調變連續波(FMCW)所構成之發訊波、及與其反射波之拍波(拍頻)的強度，係和饋電線路的突波阻抗(surge impedance)的變化相對應。

藉由進行拍波的傅立葉轉換，表示突波阻抗的變化點之波形峰值點，便能推導成為故障點。

習知，FMCW是使用在氣象雷達等對空氣中的發訊用。

此外，以本發明技術領域中的技術常識而言，FMCW僅能使用在吉赫(GHz)帶這類的高頻帶域，認為其衰減大而無法使用於個體。

但，實際將FMCW運用於注入架空饋電線之發訊波，便發現其可標定故障點。

此處，本實施形態中最短可標定距離的推導方法如下所示。

首先，將最小拍波頻率訂為fbmin、傳播速度為c、拂掠速率為k，則最短可標定距離Lmin為Lmin=(fbmin．c)/(2．k)．．．(4)

將線路長訂為L、拂掠時間為T，則最小拍波頻率fbmin為fbmin=1/{T-(2．L/c)}．．．(5)

另，往復時間(2．L/c)係和反射波的延遲時間△t相對應。

將拂掠頻率訂為△F(=Fmax-Fmin)，則拂掠速率k會成為k=△F/T=(Fmax-Fmin)/T．．．(6)

故，將式(5)及式(6)代入式(4)，則最短可標定距離Lmin會成為Lmin=(c．T)/〔2．{T-(2．L/c)}．(Fmax-Fmin)〕．．．(7)

舉出一個具體例，設線路長為26.95km、拂掠頻率為170kHz~450kHz、拂掠時間為10ms的情形下，最短可標定距離由式(7)可得出545m。

是故，將FMCW運用於故障點標定裝置1， 而在可使用頻率帶域內掃掠(拂掠)頻率，藉此便能發揮以下效果。

亦即，能夠減低距故障點標定裝置1為近端之無法標定區間。

此外，會提升距離解析能力，藉由提升檢測靈敏度，能夠在傳輸損失大的饋電線路中做標定。

此外，可檢測阻抗變化點，因此能夠監視線路狀態。

本實施形態之FMCW，能夠以低電壓的發訊波電壓來標定，因此無需電容器充電。

如此一來，裝置構成電路全體便可半導體化，因此能謀求故障點標定裝置的小型化。

又，藉由裝置構成電路全體的半導體化，便可達成波形發生間隔的縮短化及波形處理部的多功能化，能夠提升標定精度及可靠度。

本實施形態之運用FMCW的故障點標定裝置1，例如能夠用於標定直流饋電線的架空部的故障點。

另，本實施形態之故障點標定裝置1，除架空饋電線外，亦能用於電線或同軸電纜等金屬纜線之故障點標定。

B‧‧‧母線

DL‧‧‧延遲元件

1‧‧‧故障點標定裝置

3‧‧‧變換器

5‧‧‧視訊高輸出放大器

7‧‧‧載波消除器

9‧‧‧差動放大器

11‧‧‧混合器(Mixer)

13‧‧‧低通濾波器

15‧‧‧數位類比變換器(DAC)

17‧‧‧類比數位變換器(ADC)

19‧‧‧控制用嵌入式單板電腦

21‧‧‧標定相切換繼電器

23‧‧‧故障檢測繼電器

25‧‧‧耦合濾波器(CF)

27‧‧‧電容式變量器(PD)

29‧‧‧架空饋電線

31‧‧‧電力站

33‧‧‧阻塞線圈(BC)

35‧‧‧延遲元件(DL)

37‧‧‧平衡化變量器

Claims (7)

1. 一種特異點標定裝置，係將發訊波與在阻抗會變化的特異點反射之前述發訊波的反射波予以比較，藉此標定特異點之特異點標定裝置，其特徵為：前述發訊波，係運用頻率連續性調變之頻率調變連續波(FMCW)，並依據前述發訊波與前述反射波的頻率差值，來標定前述特異點。
2. 一種特異點標定裝置，係將發訊波與在阻抗會變化的特異點反射之前述發訊波的反射波予以比較，藉此標定特異點之特異點標定裝置，其特徵為：具備：FMCW生成手段，生成頻率連續性調變之頻率調變連續波(FMCW)，以運用於前述發訊波；半導體電路，將迂迴至接收前述反射波之受訊電路的前述FMCW的發訊波予以抵消；半導體乘法手段，由前述FMCW的發訊波及前述反射波的頻率之差值來生成拍波；及低頻帶通過鑑別器，取出前述拍波的低頻成份。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之特異點標定裝置，其中，前述特異點標定裝置，具備與複數個金屬纜線連接之平衡化變量器。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之特異點標定裝置，其中，更具備：事先記憶有前述FMCW之半導體記憶手段；將數位訊號變換成類比訊號之數位類比變換手段；及 以半導體邏輯電路控制前述數位類比變換手段之控制手段；前述控制手段，係令前述數位類比變換手段輸出類比波形的訊號，前述FMCW生成手段，為輸入前述類比波形的訊號，並將前述FMCW的訊號連續性地輸出之廣帶域電子放大器。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之特異點標定裝置，其中，將前述發訊波與在阻抗會變化的特異點反射之前述發訊波的反射波予以比較，藉此標定特異點之特異點標定裝置，包括：將輸入至1個金屬纜線的輸出入點之發訊波、與在前述1個金屬纜線中傳播而在阻抗會變化的特異點反射，然後在前述1個金屬纜線中逆傳播而從前述輸出入點輸出之前述發訊波的反射波予以比較，藉此標定前述1個金屬纜線的特異點之特異點標定裝置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之特異點標定裝置，其中，前述金屬纜線為饋電線。
7. 如申請專利範圍第5項所述之特異點標定裝置，其中，前述金屬纜線為架空饋電線。