TWI408383B - Saturation detectors and measuring devices - Google Patents

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TWI408383B
TWI408383B TW99110878A TW99110878A TWI408383B TW I408383 B TWI408383 B TW I408383B TW 99110878 A TW99110878 A TW 99110878A TW 99110878 A TW99110878 A TW 99110878A TW I408383 B TWI408383 B TW I408383B
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飽和偵測器及量測裝置
本發明是有關於一種電力信號量測技術，特別是指一種飽和偵測器及量測裝置。
電力佈局上，通常是以一輸電線來聯繫兩個變電器。為了維持穩定供電，各變電器處會設置一個比流器(CT，current transformer)，隨時量測輸電線的電流情形，以做為評估輸電線故障與否的參考。
一般來說，電力信號是以弦波型式來遞送。不過，如果輸電線的某一處發生了接地故障而引進衰減直流成分，比流器將隨故障嚴重程度而從線性操作區進入飽和操作區，導致量測結果從弦波更改成其他形樣，並連帶地降低故障評估的精確性。因此，習知技術總會在故障評估之前，先預測比流器的操作區，以利將量測結果修正為弦波。
常見的做法是使用小波(wavelet)、梯度(gradient)法等追蹤量測結果的平滑程度，來預測比流器切換操作區的時間點。對於發生在弦波正峰值之前的故障，這種做法可以輕易地偵測出切換時間點；但是，對於發生在弦波正峰值之後的故障，這種做法卻經常無法有效偵測。
因此，本發明之目的，即在提供一種飽和偵測器，能在故障發生時，準確地預估比流器的操作區。
且本發明之又一目的，即在提供一種量測裝置，使因 故障而扭曲形樣的量測結果，修正成弦波型式。
於是，本發明飽和偵測器，適用於耦接一個用以量測一輸電線上載送的一電力信號的比流器，且該比流器根據該電力信號切換於一線性操作區與一飽和操作區間，該飽和偵測器包括：一運算單元，接收多個分別對應一取樣時間的該電力信號之電流相量，並利用前二取樣時間、前一取樣時間和目前取樣時間的電流相量，來計算一對應目前取樣時間的飽和徵兆信號，且該飽和徵兆信號代表該電力信號中一衰減直流成分的比重；一故障判斷單元，使對應該取樣時間的一故障徵兆信號相比於一故障認定門檻，來決定是否偵測到該輸電線發生故障；及一飽和判斷單元，使該飽和徵兆信號相比於一非飽和範圍，來判斷該比流器是否在該取樣時間切換成該線性操作區或該飽和操作區，而送出一顯示該比流器工作於該線性操作區或該飽和操作區的飽和指示；其中，直到該故障判斷單元偵測到該輸電線發生故障，該飽和判斷單元才會開始進行該比流器的操作區切換偵測。
且本發明量測裝置，適用於量測一輸電線載送的一電力信號，包含：一比流器，根據該電力信號切換於一線性操作區與一飽和操作區間，而送出一量測信號；一濾波器，基於該量測信號，濾波出多個分別對應一取樣時間的電流相量；及一飽和偵測器，包括：一運算單元，該運算單元利用前二取樣時間、前一取樣時間和目前取樣時間的電流相量，來計算對應目前取樣時間的一飽和徵兆信號，且 該飽和徵兆信號代表該量測信號中一衰減直流成分的比重；一故障判斷單元，使對應該取樣時間的一故障徵兆信號相比於一故障認定門檻，來決定是否偵測到該輸電線發生故障；及一飽和判斷單元，該飽和判斷單元使該飽和徵兆信號相比於一非飽和範圍，來判斷該比流器是否在該取樣時間切換成該線性操作區或該飽和操作區，而送出一顯示該比流器工作於該線性操作區或該飽和操作區的飽和指示；其中，直到該故障判斷單元偵測到該輸電線發生故障，該飽和判斷單元才會開始進行該比流器的操作區切換偵測。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
如本發明領域具有通常知識者所知，正常供電時，輸電線所傳電力信號會存在一基頻成分。而當發生故障，則電力信號會增添一衰減直流成分，且通常這個衰減直流成分是比流器進入飽和操作區的主因。因此，本實施例擬根據衰減直流成分來預估比流器的操作區切換時間點。
參閱圖1，本發明量測裝置101之較佳實施例適用於內建在一變電器100處，用以量測一輸電線200所傳遞的弦波型式電力信號。較佳地，電力信號頻率為60Hz。
如圖2所示，該量測裝置101包含依序電連接的一比流器11、一取樣器12、一濾波器13、一飽和偵測器14及 一波形重建器15。且取樣器12更分別電連接至飽和偵測器14和波形重建器15。
比流器11根據該電力信號，切換於線性操作區和飽和操作區間，以送出一量測信號。取樣器12則每隔取樣時間△t =1/(60N )，根據該量測信號取樣出一取樣信號，其中該電力信號的每一弦波週期會對應N個取樣時間。接著，濾波器13每接收一個取樣信號，就從所有取樣出的取樣信號中，為該取樣信號分析出一電流相量。然後，飽和偵測器14再使用最近的N×F(F為一給定的任意正整數)個電流相量來估測輸電線200是否發生了故障，且進一步估測：比流器11在哪一取樣時間點切換成線性操作區或飽和操作區。最後，波形重建器15使用比流器11工作於線性操作區時的該等取樣信號，來調整比流器11工作於飽和操作區時的該等取樣信號，以使調整後的該等取樣信號趨近一理想弦波。
如此，位在量測裝置101後級的故障定位器(圖未示)，才能從調整後的該等取樣信號中分析出精確度較佳的電流相量，以準確地計算發生故障的位置。
飽和偵測
詳細來說，飽和偵測器14包括一運算單元141、一故障判斷單元142、一飽和判斷單元143、一衰減判斷單元144及一非飽和範圍調整單元145。
故障判斷單元142、飽和判斷單元143和衰減判斷單元144依序串接成一環狀，且這三個單元142~144都分別電連接至運算單元141。並且，飽和判斷單元143還電連接非飽 和範圍調整單元145。
運算單元141會為第m取樣時間的取樣信號，計算一故障徵兆信號I av 、一飽和徵兆信號SAT (m ) 及一反衰減信號，並計算一故障認定門檻I thre ，以做為單元142~144的判斷依據。所述m為任意正整數，且這些信號的詳細定義會在稍後介紹。再者，根據經驗，當N=64，非飽和範圍調整單元145會事先設定一非飽和範圍的較佳初始範圍為[0.85,1.05]。
聯合參閱圖2、3，飽和偵測器14和波形重建器15所執行的步驟包含：步驟71：故障判斷單元142使連續3個故障徵兆信號I av 相比於該故障認定門檻I thre ，來決定是否偵測到故障發生。
當該3個故障徵兆信號I av 都大於故障認定門檻I thre ，則代表故障發生，且流程跳到步驟72；否則，重複執行步驟71。
本例中，運算單元141計算的故障徵兆信號I av 是指：對最近N×F電流相量取幅值(magnitude)後，再取該等幅值的平均結果。而該故障認定門檻I thre =I av +w 0 σ I ，σ I 為最近N個電流相量取幅值後的標準差，w 0 是一選定的正數值。
較佳地，為了避免偵測過於敏感，本例限制σ I 0.025×I av ，並取w 0 =5。另外，故障判斷單元142用以判斷的故障徵兆信號I av 個數只要≧1即可，但需提醒的是：故障徵兆信號I av 個數愈多，愈能抑制偵測敏感度。
步驟72：飽和判斷單元143使連續5個飽和徵兆信號SAT (m ) 相比於該非飽和範圍，來決定是否偵測到比流器11將要進入飽和操作區，以送出一顯示該比流器11工作於線性操作區或飽和操作區的飽和指示。
當該5個飽和徵兆信號SAT (m ) 都超出該非飽和範圍，則代表比流器11要從線性操作區進入飽和操作區，而令該飽和指示=1，且流程跳到步驟73；否則，代表比流器11維持線性操作區，令該飽和指示=0並重複執行步驟72。
本例運算單元141計算的飽和徵兆信號SAT (m ) 定義如式(1)，能夠充分地展現電力信號中衰減直流成分的比重，其是由第m、(m-1)、(m-2)取樣信號對應的電流相量、、共同決定，且會相依於一倍率K。
需說明的是，當飽和指示=0且該反衰減信號>一反衰減門檻，倍率K=1；否則，倍率K=0.005。而反衰減信號=|/D (m ) |，衰減強度D (m ) 如式(2)，衰減因子Γ(m ) 如式(3)，且較佳地反衰減門檻=7。
請注意，在其他應用中，倍率K和反衰減門檻都可再做調整，不以上述為限。而且，飽和判斷單元143也不需要特別限制以連續5個飽和徵兆信號SAT (m ) 來做比較，只要≧1即可，但飽和徵兆信號SAT (m ) 個數愈多，愈能抑制偵測敏感度。
步驟73：非飽和範圍調整單元145使用前一次「飽和指示=0之區間」的所有電流相量，來調整該非飽和範圍的上界與下界。這裡的「飽和指示=0之區間」是指：對應飽和指示=0的連續取樣時間所集合成的時間區段。
首先，對前一次飽和指示=0之區間的所有電流相量取幅值(magnitude)後，再取該等幅值的平均結果來得到一非飽和平均Iunsat ，並取該等幅值的標準差來得到一非飽和標準差σ unsat 。然後，使該非飽和範圍的上界TH H =I unsat +w 1 σ unsat ，使該非飽和範圍的下界TH L =I unsat -w 1 σ unsat ，w 1 是為正數的一權重。
較佳地，為了避免偵測過於敏感，本例限制σ unsat 0.01×I unsat ，並取w 1 =5。
步驟74：波形重建器15使用前一次飽和指示=0之區間的取樣信號，調整目前的取樣信號。這部分的詳細執行流程會於稍後做介紹。
步驟75：飽和判斷單元143使連續5個飽和徵兆信號SAT (m ) 相比於更新後的非飽和範圍，來決定是否偵測到比流器11將要脫離飽和操作區。
當該5個飽和徵兆信號SAT (m ) 都落於該非飽和範圍，則 代表比流器11要脫離飽和操作區，而令一飽和指示=0，且流程跳到步驟76；否則，令該飽和指示=1並重複執行步驟74。
步驟76：衰減判斷單元144使該反衰減信號相比於一故障解除門檻，以判斷輸電線200故障是否已排除。較佳地，本例的故障解除門檻=15。
若反衰減信號15，則跳到步驟72，使用更新後的非飽和範圍進行操作區偵測。若反衰減信號>15，則代表電力信號已大幅減少衰減直流成分，因此可視為輸電線200故障已排除，而結束比流器11操作區的偵測，且流程回到步驟71，重新選用非飽和範圍的初始範圍[0.85,1.05]，為下一次的偵測做準備。
波形重建
當飽和指示=1，波形重建器15使用前一次飽和指示=0之區間的取樣信號，調整飽和指示=1的取樣信號，以使調整後的取樣信號趨近於弦波。
參閱圖2，波形重建器15包括一前置單元151、一衰減因子計算器152、一基頻幅值計算器153、一衰減幅值計算器154及一修正器155。
前置單元151電連接衰減因子計算器152和基頻幅值計算器153，衰減因子計算器152電連接基頻幅值計算器153、衰減幅值計算器154和修正器155，且基頻幅值計算器153、衰減幅值計算器154和修正器155相互電連接。
假設飽和判斷單元143偵測發現比流器11是在第r取 樣時間進入飽和操作區，並且前一次飽和指示=0之區間對應了L個取樣時間的取樣信號，則波形重建器15會根據這L個取樣信號來調整那些m≧r的取樣信號i(m) 。
聯合參閱圖2、4，波形重建器15的詳細執行步驟如下：步驟81：前置單元151利用前一次飽和指示=0之區間的取樣信號所對應的電流相量，計算一第一前置信號S1、一第二前置信號S2和一第三前置信號S3。
具體來說，前置單元151會加總電流相量~得到該第一前置信號S1，加總~得到該第二前置信號S2，加總~得到該第三前置信號S3。
步驟82：衰減因子計算器152根據該第一、第二前置信號的差值，並根據該第二、第三前置信號的差值，計算一修正衰減因子Γ'(r ) ：
步驟83：基頻幅值計算器153根據該等前置信號S1、S2和修正衰減因子Γ'(r ) ，計算出一修正基頻幅值，如式(5)。
步驟84：衰減幅值計算器154基於第(r-1)~(r-4)個取樣信號(以下標示為i(r-1) ~i(r-4) )、修正基頻幅值和修正衰減因子Γ'(r) ，計算一修正衰減幅值Idc(r) ，如式(6)。
而Real (.)代表取實部。
步驟85：修正器155根據修正基頻幅值、修正衰減因子Γ'(r ) 和修正衰減幅值Idc(r) ，使滿足m≧r且對應飽和指示=1的第m取樣信號調整成：
如此，波形重建器15便完成了其中一取樣信號的重建。大致上，經過重建後，以多個取樣時間來觀察，這些調整後的取樣信號會趨近於一理想弦波，這樣後級故障定位器(圖未示)的故障分析才會具有較佳的精確度。
且值得注意的是，以上實施例中的飽和偵測器14是可獨立出於量測裝置101。
綜上所述，本實施例飽和偵測器14使用關於電流相量~的飽和徵兆信號SAT (m ) ，來和一動態調整的非飽和範圍做比較，所以對於發生在任一弦波相對位置的故障都能進行有效偵測。而且，波形重建器15會根據前一次飽和指示=0之區間的取樣信號來調整飽和指示=1的取樣信號，使趨近弦波，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧變電器
200‧‧‧輸電線
101‧‧‧量測裝置
11‧‧‧比流器
12‧‧‧取樣器
13‧‧‧濾波器
14‧‧‧飽和偵測器
141‧‧‧運算單元
142‧‧‧故障判斷單元
143‧‧‧飽和判斷單元
144‧‧‧衰減判斷單元
145‧‧‧非飽和範圍調整單元
15‧‧‧波形重建器
151‧‧‧前置單元
152‧‧‧衰減因子計算器
153‧‧‧基頻幅值計算器
154‧‧‧衰減幅值計算器
155‧‧‧修正器
71‧‧‧偵測故障發生的步驟
72‧‧‧偵測進入飽和的步驟
73‧‧‧調整非飽和範圍的步驟
74‧‧‧波形重建的步驟
75‧‧‧偵測脫離飽和的步驟
76‧‧‧偵測故障排除的步驟
81~85‧‧‧波形重建器的執行步驟
圖1是一示意圖，說明量測裝置用以量測一輸電線；圖2是一方塊圖，說明本發明量測裝置之較佳實施例；圖3是一流程圖，說明飽和偵測器和波形重建器的執行步驟；及圖4是一流程圖，說明波形重建器的執行步驟。
11．．．比流器
12．．．取樣器
13．．．濾波器
14．．．飽和偵測器
141．．．運算單元
142．．．故障判斷單元
143．．．飽和判斷單元
144．．．衰減判斷單元
145．．．非飽和範圍調整單元
15．．．波形重建器
151．．．前置單元
152．．．衰減因子計算器
153．．．基頻幅值計算器
154．．．衰減幅值計算器
155．．．修正器

Claims (13)

  1. 一種飽和偵測器，適用於耦接一個用以量測一輸電線上載送的一電力信號的比流器，且該比流器根據該電力信號切換於一線性操作區與一飽和操作區間，該飽和偵測器包括：一運算單元，接收多個分別對應一取樣時間的該電力信號之電流相量，並利用前二取樣時間、前一取樣時間和目前取樣時間的電流相量，來計算一對應目前取樣時間的飽和徵兆信號，且該飽和徵兆信號代表該電力信號中一衰減直流成分的比重；一故障判斷單元，使對應該取樣時間的一故障徵兆信號相比於一故障認定門檻，來決定是否偵測到該輸電線發生故障；及一飽和判斷單元，使該飽和徵兆信號相比於一非飽和範圍，來判斷該比流器是否在該取樣時間切換成該線性操作區或該飽和操作區，而送出一顯示該比流器工作於該線性操作區或該飽和操作區的飽和指示；其中，直到該故障判斷單元偵測到該輸電線發生故障，該飽和判斷單元才會開始進行該比流器的操作區切換偵測。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之飽和偵測器，其中，當前二取樣時間的電流相量為，前一取樣時間的電流相量為，目前取樣時間的電流相量為，該運算單元算出的該飽和徵兆信號SAT (m ) 如下： 其中，當該飽和指示顯示出該比流器工作於該線性操作區，且一反衰減信號>一反衰減門檻，該運算單元會設定一倍率K=1，否則會設定該倍率K<1；而該運算單元是使該反衰減信號=目前取樣時間之電流相量除以一衰減強度後的絕對值，且該衰減強度是根據前二取樣時間、前一取樣時間、目前取樣時間的電流相量來求出。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之飽和偵測器，該電力信號是呈現弦波型式，每一弦波週期會對應N個取樣時間，其中，該運算單元對最近N×F個電流相量取幅值，並以該N×F幅值的平均結果來當做該故障徵兆信號，其中F為一正整數，且計算最近N個電流相量之幅值的標準差，進而利用算出的標準差和該故障徵兆信號來求出該故障認定門檻。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之飽和偵測器，其中，該運算單元根據前二取樣時間、前一取樣時間、目前取樣時間的電流相量，來計算一反衰減信號；且該飽和偵測器還包括一衰減判斷單元，當該飽和指示顯示出該比流器工作於該線性操作區，該衰減判斷單元會使該反衰減信號相比於一故障解除門檻，以判斷該輸電線的故障是否已排除。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之飽和偵測器，還包括：一非飽和範圍調整單元，每當該飽和判斷單元判斷出該比流器切換成該飽和操作區，該非飽和範圍調整單元會調整該非飽和範圍，且是根據該比流器前一次工作於該線性操作區時的電力信號來進行調整；並且該非飽和範圍調整單元會將調整後的該非飽和範圍提供給該飽和判斷單元，做為該飽和判斷單元下一次的判斷依據。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之飽和偵測器，其中，該非飽和範圍具有一上界及一下界；該非飽和範圍調整單元對該比流器前一次工作於該線性操作區時的所有電流相量，分別取幅值，並計算該等電流相量之幅值的平均結果來當作一非飽和平均，且計算該等電流相量之幅值的標準差來當作一非飽和標準差，且利用一權重來調整該非飽和標準差的大小；該非飽和範圍調整單元進行調整，使得該上界=該非飽和平均+調整後的該非飽和標準差，且使得該下界=該非飽和平均-調整後的該非飽和標準差。
  7. 一種量測裝置，適用於量測一輸電線載送的一電力信號，包含：一比流器，根據該電力信號切換於一線性操作區與一飽和操作區間，而送出一量測信號；一濾波器，基於該量測信號，濾波出多個分別對應一取樣時間的電流相量；及 一飽和偵測器，包括：一運算單元，該運算單元利用前二取樣時間、前一取樣時間和目前取樣時間的電流相量，來計算對應目前取樣時間的一飽和徵兆信號，且該飽和徵兆信號代表該量測信號中一衰減直流成分的比重；一故障判斷單元，使對應該取樣時間的一故障徵兆信號相比於一故障認定門檻，來決定是否偵測到該輸電線發生故障；及一飽和判斷單元，該飽和判斷單元使該飽和徵兆信號相比於一非飽和範圍，來判斷該比流器是否在該取樣時間切換成該線性操作區或該飽和操作區，而送出一顯示該比流器工作於該線性操作區或該飽和操作區的飽和指示；其中，直到該故障判斷單元偵測到該輸電線發生故障，該飽和判斷單元才會開始進行該比流器的操作區切換偵測。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之量測裝置，其中，當前二取樣時間的電流相量為，前一取樣時間的電流相量為，目前取樣時間的電流相量為，該運算單元算出的該飽和徵兆信號SAT (m ) 如下： 其中，當該飽和指示顯示出該比流器工作於該線性操作區，且一反衰減信號>一反衰減門檻，該運算單元會 設定一倍率K=1，否則會設定該倍率K<1；而該運算單元是使該反衰減信號=目前取樣時間之電流相量除以一衰減強度後的絕對值，且該衰減強度是根據前二取樣時間、前一取樣時間、目前取樣時間的電流相量來求出。
  9. 根據申請專利範圍第7項所述之量測裝置，還包含：一取樣器，每隔一取樣時間，根據該量測信號取樣出一取樣信號；及一波形重建器，包括：一前置單元，在該飽和指示顯示出該比流器工作於該飽和操作區時，輸出一第一前置信號、一第二前置信號及一第三前置信號，且該等前置信號會相關於該比流器前一次工作於該線性操作區時的該等電流相量；一衰減因子計算器，根據該第一、第二前置信號的差值，並根據該第二、第三前置信號的差值，計算一修正衰減因子；一基頻幅值計算器，利用至少一前置信號和該修正衰減因子，計算出一修正基頻幅值；一衰減幅值計算器，根據該比流器工作於該飽和操作區的該等取樣信號、該修正衰減因子與該修正基頻幅值，來計算一修正衰減幅值；及一修正器，根據該修正衰減因子、該修正基頻幅值和該修正衰減幅值，來調整該比流器工作於該 飽和操作區的該等取樣信號。
  10. 根據申請專利範圍第7項所述之量測裝置，其中，該運算單元對最近N×F個電流相量取幅值，並以該N×F幅值的平均結果來當做該故障徵兆信號，其中F為一正整數，且計算最近N個電流相量之幅值的標準差，進而利用算出的標準差和該故障徵兆信號來求出該故障認定門檻；並且，該電力信號是呈現弦波型式，每一弦波週期會對應N個取樣時間。
  11. 根據申請專利範圍第7項所述之量測裝置，其中，該運算單元根據前二取樣時間、前一取樣時間、目前取樣時間的電流相量，來計算一反衰減信號；且該飽和偵測器還包括一衰減判斷單元，當該飽和指示顯示出該比流器工作於該線性操作區，該衰減判斷單元會使該反衰減信號相比於一故障解除門檻，以判斷該輸電線的故障是否已排除。
  12. 根據申請專利範圍第7項所述之量測裝置，其中，該飽和偵測器還包括：一非飽和範圍調整單元，每當該飽和判斷單元判斷出該比流器切換成該飽和操作區，該非飽和範圍調整單元會調整該非飽和範圍，且是根據該比流器前一次工作於該線性操作區時的量測信號來進行調整；且該非飽和範圍調整單元會將調整後的該非飽和範圍提供給該飽和判斷單元，做為該飽和判斷單元的下一次 判斷依據。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之量測裝置，其中，該非飽和範圍具有一上界及一下界；該非飽和範圍調整單元對該比流器前一次工作於該線性操作區時的所有電流相量，分別取幅值，並計算該等電流相量之幅值的平均結果來當作一非飽和平均，且計算該等電流相量之幅值的標準差來當作一非飽和標準差，且利用一權重來調整該非飽和標準差的大小；該非飽和範圍調整單元進行調整，使得該上界=該非飽和平均+調整後的該非飽和標準差，且使得該下界=該非飽和平均-調整後的該非飽和標準差。
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