测量
技术领域
[0001] 本公开涉及在电容耦合电压互感器(CCVT)中使用来在电
力输送系统中获得高保真度电压测量结果。
[0003] 描述了本公开的非限制性和非详尽的
实施例，包括参考附图的本公开的各个实施例，其中：
[0004] 图1示出了符合本公开的包括CCVT的系统的简化图。
[0005] 图2示出了符合本公开的实施例的包括寄生电容的CCVT系统的简化
电路图，该寄生电容以虚线示出并且与调谐电抗器和降压互感器相关联。
[0006] 图3示出了符合本公开的实施例的处于高频下的CCVT系统的简化图。
[0007] 图4A示出了符合本公开的实施例的基于CCVT中的电阻分压器来确定电压
信号的系统的简化图。
[0008] 图4B示出了符合本公开的实施例的基于电阻分压器和
电流测量设备来确定电压信号的系统的简化图。
[0009] 图5示出了示出了符合本公开的实施例的利用系统中的高保真度电压信号以发出警报和/或控制行动的系统的功能
框图。
[0010] 图6示出了符合本公开的监测CCVT的系统的框图。
[0011] 图7示出符合本公开的实施例的三相CCVT系统的简化图。
[0012] 图8示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和
定位故障的系统的功能框图。
[0013] 详细描述
[0014] 行波是由电压的突然变化(例如，
短路)引起的电涌，其以非常高的速度沿着电力线路传播。传播速度对于架空线路接近在自由空间中的光速，而对于
地下电缆线路是在自由空间中的光速的一半。根据故障
位置和线路类型，在传输线路上的短路的位置处发源的行波在故障之后少至1-2毫秒内到达线路终端。行波的相对定时、极性和幅度允许精确的故障定位，并启用几种线路保护技术。因为行波在线路短路之后非常快速地在线路终端处变得可用，所以它们允许超高速保护和相关好处。
[0015] 行波具有电流和电压分量。当行波传播时，在沿着线路的任何点处可以观察到电压的突然变化(“电压行波”)以及电流的突然变化(“电流行波”)。远离线路末端的线路上的电压行波和电流行波通过线路特性阻抗是相关的，如在方程1中所表示的。
[0016] 电压行波＝电流行波*特性阻抗方程1
[0017] 当行波到达特性阻抗中的不连续点(例如，连接多条线路和其他电力系统元件的汇流条)时，波的一部分在到达方向上反射回，而波的一部分在原始方向上继续。这些波被单独地称为入射波(到达不连续点的波)、反射波(反射回的波)和透射波(在原始方向上继续的波)。
[0018] 电流行波可以由安装在变电站中的传输线路的末端处的电流互感器测量。电流互感器通常具有足够的保真度以用足够的准确度测量电流行波，用于实际保护和故障定位应用。然而，电流互感器测量它在线路终端的安装点处的电流——其总是特性阻抗中的不连续性，因此它测量入射电流行波和反射电流行波的总和。它不单独地测量入射波，且它不允许将波分为入射波、反射波和透射波。
[0019] 目前在电力系统中使用的电压互感器可能缺乏足够的保真度来以足够的准确度测量电压行波。因此，本文公开的各个实施例可以包括电阻分压器、电阻分压器和电流互感器的组合以及各种技术以基于从它们获得的测量结果来确定电压信号。
[0020] 由于电压行波和电流行波与线路的特性阻抗关联，因此可以将任何给定的行波分成入射、反射和透射分量。使用众所周知的方程[参考“Locating Faults by the traveling waves they launch”论文]来执行这个分离：
[0021] 或者 方程2
[0022] 然而，执行符合本公开的波分离系统和方法目的在于准确地测量在线路上的给定终端点处的总的电流行波(iTW)和电压行波(VTW)。传统的电流互感器可以提供足够准确的电流行波测量结果，但传统的电压互感器不可能提供足够的保真度来测量电压行波。
[0023] 相比于仅使用来自电流互感器的行波测量结果(该行波测量结果是入射波和反射波的总和)，波分离成入射、反射和透射行波可以允许更好地利用行波信息，行波测量是入射波和反射波的总和。下面是当入射、反射和透射行波是单独可用(被分离)时的高级应用的示例。
[0024] 单端行波故障定位方法可以被改进，因为这样的系统也许能够识别每个接收到的波的方向。这可以允许系统将在正向方向上来自线路上的短路或不连续点的波与从在故障定位终端后面到达的波区分开。
[0025] 可以通过提高这种系统适应不同类型的线路终端的能力来改进单端和多端行波故障定位方法。例如，当终端阻抗为无穷大(例如，开式
断路器或在终端后面的电感器)时，电流测量结果为零，且入射和反射的电流波抵消。然而，当考虑分离的入射波和反射波时，故障定位器具有可靠的非零信号来分析。
[0026] 可以通过以具有更高和更可靠的行波操作信号分离行波来改进行波差动保护方法。这特别适用于以高特性阻抗终止的线路，因为这种线路可以产生低电流或零电流波测量结果。此外，通过以类似于单端故障定位器的方式验证每个到达行波的方向，这些方案在与入射波一起工作时是更安全的。也可以通过使用分离的波来改进行波距离元件。
[0027] 在符合本公开的各个实施例中，可以随后使用微分器平滑器技术或适于提取行波的其他技术来过滤高保真度电压测量结果。此外，在各个实施例中，电流和电压行波可以被分成入射波、反射波和透射波。特别地，本公开涉及使用用于获得高保真度电压信号的电容耦合电压互感器(CCVT)。CCVT的标准
输出电压具有有限的带宽，且它不提供高保真度电压输出。
[0028] 在本公开的另一方面中，高保真度线路电压信号可以提高距离(阻抗)元件的安全性和操作时间。在短路期间，CCVT次级电压包含低频分量，该低频分量可以高达标称电压的40％并可以持续一至几个电力系统周期。在一些故障条件期间，对于高源阻抗比条件，真实的次级电压可以是标称电压的小百分比。由CCVT产生的大低频瞬态分量可以阻止阻抗继电器以足够的准确度测量真实电压。作为结果，这些继电器针对区域内故障可能失去安全性和/或缓慢地操作。给这些阻抗继电器提供没有CCVT引起的瞬变的电压明显提高了阻抗保护的安全性和速度。
[0029] 在本公开的又一方面中，本文公开的系统和方法可以用于监测CCVT系统以找出故障。如果电容器元件失灵并且出现
电弧放电，则CCVT可能爆炸。这种爆炸可能产生危险的投射物并释放热油，这两者都对附近的人和财产造成重大危险。CCVT投射物可能对变电站中的其他元件造成损坏，引发可能将人的生命置于危险中的蜂涌而至的故障。与CCVT相关的危险可能在CCVT老化时增加且电容元件变得更容易失灵，尤其是如果CCVT操作环境
温度是高的情况下。通过比较标准CCVT输出电压和高保真度电压，本文公开的系统和方法可以检测CCVT故障并实施保护行动以避免爆炸。
[0030] 除了被包括在新进安装的系统中之外，本文公开的系统和方法也可以添加到现有的电力系统。在某些实施例中，本文公开的系统和方法可以添加到现有系统以提供高保真度电压测量结果。
[0031] 图1示出了符合本公开的实施例的包括CCVT的系统100的简化图。电容器堆叠113与高电压部分102和
低电压部分103电气通信，并连接在初级电压
端子101和变电站接地104之间。行波114iTW可以传播通过电压端子101。初级电流测量设备115可以在行波114通过时检测行波114，并且可以检测关于行波的信息，该信息可以关于本文公开的各个实施例使用。
[0032] 电容器堆叠113产生
电容分压器，并在抽头端子105处产生中间电压。在各个实施例中，初级电压可以是110kV及以上，并且可以包括750kV和1MV
电网。中间电压可以在5-30kV的范围内。降压互感器107进一步将中间电压降低到输出CCVT端子109处的标准次级电压。在各个实施例中，标准次级电压可以在60-250V的范围内。
[0033] 降压互感器与电容器堆叠的直接连接可能引入
角测量误差。为了减小该误差，调谐电抗器106
串联连接在电容分压器105中的中间电压端子和降压互感器107之间。降压互感器107与电容器102和103的连接将产生
铁磁谐振的危险。铁磁谐振是降压互感器107的非线性磁化支路与电容器102和103之间的自激励和潜在破坏性振荡。为了防止铁磁谐振，铁磁谐振抑制电路(FRSC)108连接到降压互感器107的次级绕组。CCVT次级端子109处的输出电压经由
控制电缆110连接到终端设备112(例如，保护继电器)R的输入端子111。终端设备112处的连接通常包括安全接地114。
[0034] 系统100无意地充当带通
滤波器。系统100使具有标称转换比以及小的幅度和角度误差的基频分量(通常50或60Hz)通过。系统100的部件使
频率明显衰减到低于标称电力系统频率以及高频率。此外，CCVT在接近标称频率的
频谱中产生瞬态分量，其可能损害如上所述的阻抗保护的操作。
[0035] 对于非常高的频率分量，例如电压行波，理想的调谐电抗器106表现为开路，因此它不将任何特高频信号传递到降压互感器107。类似地，理想的降压互感器107对于非常高的频率是开路，因此它也防止任何高频信号传递到降压互感器107的低压侧109。作为结果，终端设备112在它的终端111处不接收与行波114相关联的高频信号。然而实际上，调谐电抗器106具有一些寄生
匝间电容，其也可以被称为杂散电容。类似地，降压互感器107的绕组也包括寄生电容。
[0036] 符合本公开的各个实施例可以利用来自初级电流测量设备115的测量结果连同与电容器堆叠113相关联的附加测量结果。这样的系统和方法可以使用这样的信息来利用方程2将行波信号分成入射行波和反射行波，并提供距离保护。电压和电流测量结果也可用于提供基于阻抗的保护。此外，这种系统和方法可以通过减少或消除在基本电力系统频率附近的CCVT瞬变来提供改进的阻抗保护或检测CCVT内部部件故障。
[0037] 图2示出了符合本公开的实施例的包括寄生电容的CCVT系统200的简化电路图，寄生电容以虚线示出并且与调谐电抗器206和降压互感器207相关联。电容201由构成调谐电抗器206的线圈的匝间电容产生。电容202由降压互感器207的匝间电容和绕组间电容产生。
[0038] 系统200中的电容产生了使高频信号分量穿过系统200的路径。电容201为高频信号提供通过调谐电抗器206的路径。电容202产生了使高频信号分量传递到降压互感器的低压侧的路径。
[0039] 控制电缆203具有复频响应，但它允许高频分量——尽管信号可能包括伪像和失真——到达终端设备204R。然而，杂散电容201、202不导致将初级电压中的高频分量的可靠副本传送到终端设备204。终端设备204可以看到第一波的正确极性，然后看到振铃。这足以允许行波保护元件的应用，但这种信号可能不允许以高保真度测量单独的电压行波。
[0040] 图3示出了符合本公开的实施例的处于高频下的CCVT系统300的简化图。在第一近似中，未示出的调谐电抗器可以被考虑为开路而不管它的杂散电容。朝向调谐电抗器的电路由断开的
开关304表示。
[0041] 流经理想电容器的电流与在电容器两端的电压的导数(d/dt)成比例。初级电压301(v)、CCVT电容器302和303以及流经电容器302和303的电流(i)由方程3表示。
[0042]
[0043] 图4A示出了符合本公开的实施例的基于CCVT中的电阻分压器404来确定电压信号的系统400的简化图。电阻分压器404可以电气耦合在第一电容器402和第二电容器403之间。电阻分压器可以包括第一
电阻器R1和第二电阻器R2。R1和R2之间的电压与
节点403处的电压Vin以及R1和R2的值成比例，如在方程12中所示的。
[0044]
[0045] 电阻分压器402的输出电压Vout可以提供到IED 406，IED 406可以分析输出电压并生成高保真度电压信号，该高保真度电压信号可以结合与本公开一致的各个实施例使用。在一个特定的实施例中，来自电阻分压器402的电压信号可以结合方程2使用以分离入射行波和反射行波。
[0046] 节点403处的电压在低频下具有小误差，因为流经电容器403的一些电流被转向到调谐电抗器内。
[0047] 图4B示出了符合本公开的实施例的基于电阻分压器和电流测量设备407来确定电压信号的系统450的简化图。电流I3的测量可以是有利的，因为在节点403处测量的电压vin在低频下具有由电流i3绕过电容器403的事实引起的小误差。电流i3的测量结果也可以被提供到IED 406，并且可以用于生成高保真度电压信号，以结合与本公开一致的各个实施例使用。在各个实施例中，电阻分压器404和电流互感器407可以提供改善的低频响应平坦度，这可以增加
波形保真度；然而，电阻分压器404对于没有电流互感器407的各种应用可能是足够的。
[0048] 使用基尔霍夫电流定律，通过系统450的电流可以被表示为通过电容器402的电流的函数，如在方程5中所示的。
[0049] iC1＝i1+i2+i3 方程5
[0050] 电流i3由电流互感器407测量，并且电流i2可以基于电阻分压器404的电压和电阻基于欧姆定律来确定。知道在节点403处的电压Vin和电容器403的值，电流i1的值可以使用方程6来确定。
[0051]
[0052] 具有电容器402和403中的电流的情况下，可以使用方程7来计算电压。
[0053]
[0054] 方程7提供了对宽
频率范围内的电压的准确表示。
[0055] 图5示出了符合本公开的实施例的利用系统中的高保真度电压信号来发出警报和/或控制行动的系统500的功能框图。电阻分压器506和电流互感器506可以组合使用，以生成高保真度电压信号501。
[0056] 系统500将高保真度电压501与CCVT的次级电压输出502进行比较。可以使用
匹配滤波器503来过滤该比较，以匹配正常运行的CCVT的频率响应。两个信号之间的差可以指示在CCVT内或测量结果的问题，并可以触发警报和/或控制行动，例如向适当的一个或多个断路器发出跳闸命令以使CCVT断电。例如，如果电容器507将它的值改变1％，则CCVT次级电压502也将改变大约1％。此外，电容的变化也可能引起在初级电压和次级电压之间的
相移。相移可能起因于由于与CCVT的潜在故障相关联的电容变化而引起的与调谐电抗器508的不匹配。各个实施例可以利用电容器507的标称值。电容值的实际变化可能以与通过电容器507的电流的变
化成比例的量改变输出，这可能不同于电容值的实际变化。作为这个差异的结果，由加法器509接收的信号将不匹配，从而允许系统500检测到可能的故障。
[0057] 报警逻辑504可以基于几个不同的原理来操作。例如，报警逻辑可以测量加法器509的输出的基频分量，并将它的幅度与
阈值进行比较。在一些实施例中，报警逻辑504可以在发出警报之前施加时间延迟。在另外其他的实施例中，报警逻辑504可以使用较低的阈值来报警，并且使用较高的阈值来发出跳闸命令。在另外其他的实施例中，报警逻辑504可以对差求积分，且如果积分是小的则用警报做出响应，而如果积分是大的则用跳闸命令做出响应。
[0058] 图6示出了符合本公开的实施例的监测CCVT的系统600的框图。电阻分压器601和电流互感器602与CCVT和CCVT次级电压604电气通信。电流互感器通常不生成大信号，因此它们的连接到实施本
发明的设备的引线的长度可能是有限的。作为结果，IED 609可以安装在CCVT附近。在一个实施例中，IED 609可以安装在变电站配电装置中。
[0059] 在所示的实施例中，从CCVT 604的次级电压输出端汲取IED 609的功率。在可替代的实施例中，功率可以由其他源提供。如图所示，电源605可以向系统600中的其他部件提供功率。电源605可以被设计成接受CCVT输出电压，而不对该电压引入任何因而引起的失真，从而不影响系统600中的其他终端设备或连接到同一电压604的其他设备的准确度。从次级CCVT输出到设备的连接可以被熔断，但熔丝为了简单起见而未示出。典型的CCVT被额定为负荷100W以上。由IED 609产生的实际负荷可能低得多，因此CCVT可以提供几瓦的功率给系统600中的设备供电。在一些实施例中，来自所有三个电力系统相的次级电压可以用于给设备供电，从而分配负载。
[0060] 在所示实施例中，电位互感器610提供与来自降压互感器611的次级输出端相关联的电压的测量结果。使用在稳态时期期间来自降压互感器611的次级输出端的电压测量结果，系统600可以确定N、C1和C2的值，这些值可以结合各个方程——包括方程3、方程4、方程5和方程7——来使用。
[0061] 除了来自电阻分压器601和电流互感器602的信号之外，次级电压604也被提供到测量系统。在一些实施例中，警报子系统可以被包括在测量系统606中。测量系统606可以包括ADC以产生来自电阻分压器601和电流互感器602的信号的数字化表示。
[0062] 测量结果被提供到处理系统607。处理系统607可以分析测量结果并生成警报和/或控制行动。处理系统607可以使用通信系统608来传输高保真度电压、次级电压、警报信号和跳闸信号。通信系统608可以使用各种通信介质和协议进行通信。在一些实施例中，通信系统608提供高保真度满标度电压信号的表示作为输出。仍然进一步地，通信系统608可以直接提供电压导数的表示作为电压行波的表示。在一些实施例中，通信系统608可以经由光纤介质进行通信。也可以使用其他形式的通信介质。
[0063] 符合本公开的系统和方法可以产生在高达几百kHz的频谱中的高保真度电压信号。因此，用于数字化感兴趣的信号并将它们提供到使用该信息的设备的
采样率可以在1MHz或更高的范围内。
[0064] 图7示出了符合本公开的实施例的相对于CCVT一致的系统的配置的表示。符合本公开的CCVT监测系统706可以布置在靠近编组机柜705的变电站配电装置中。感兴趣的信号可以经由通信信道707被提供到其他设备。在一些实施例中，其他设备可以位于控制室中。通信信道707可以被体现为光纤连接或其他类型的通信介质。
[0065] 编组机柜705通常是实际CCVT装置的一部分。它允许在朝向控制室延伸的电压控制电缆和在配电装置中的单相CCVT 701A、701B和701C之间的交叉连接和分界点。这些CCVT服务于
三相电力系统的A、B、C相，并可具有在底部处的它们自己的机柜702A、702B和702C。符合本公开的CCVT监测系统可以将电流互感器放置在702A、702B和702C机柜内，并且可以使用与次级电压电缆相似的路径和
导管——如果可能的话——经由屏蔽双绞线电缆703A、
703B和703C连接到编组机柜705。次级电压可以用单相电压电缆704A、704B和704C连接到编组机柜705。CCVT监测系统706可以放置在编组机柜705内部(如果空间允许的话)，或者在安装在编组机柜705附近的它自己的机柜中。
[0066] 图8示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和定位故障的系统800的功能框图。系统800包括通信
接口816以与设备和/或IED进行通信。在某些实施例中，
通信接口816可便于与其他IED的直接通信或通过通信网络与系统进行通信。与本公开的实施例一致，接口816可以包括与CCVT高保真度电压IED的通信，目的是接收高保真度电压、次级CCVT电压、电压TW、CCVT警报和跳闸信号或者上述的组合。此外，接口816可以向其他设备提供所述CCVT信息。通信接口816可便于通过网络进行通信。系统800还可包括可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)的时间输入端812，该时间信号允许系统800将时间戳施加到所采集的样本。在某些实施例中，可经由通信接口816接收公共时间基准，因此单独的时间输入端对于时间戳记和/或同步操作可能不是需要的。一个这样的实施例可以采用IEEE 1588协议。被监控的设备接口808可从一件被监测的设备(例如，电路断路器、导体、互感器等)接收状态信息，并向该被监测的设备发出控制指令。
[0067] 处理器824可处理经由通信接口816、时间输入端812和/或被监测的设备接口808接收的通信。处理器824可以使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器824可以执行本文描述的各种
算法和计算。处理器824可被体现为通用集成电路、
专用集成电路、现场可编程
门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。
[0068] 在某些实施例中，系统800可包括
传感器部件810。在所示的实施例中，传感器部件810使用电位互感器和/或电流互感器直接从常规电力系统设备(例如，导体(未示出))收集数据。在各个实施例中，传感器部件810可以与结合本公开的各种实施例所描述的CCVT中的夹持式CT电气通信。传感器部件810可使
用例如互感器802和814以及A/D转换器818，该A/D转换器818可以对经滤波的波形进行采样和/或数字化以形成被提供到
数据总线822的相应的数字化电流和电压信号。A/D转换器818可以包括用于每个传入信号的单个A/D转换器或单独A/D转换器。电流信号可以包括来自三相电力系统的每一相的单独的电流信号。为了清楚起见，只示出单个线路图。
[0069] A/D转换器818可通过数据总线822连接到处理器824，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线822被传输到处理器824。在各个实施例中，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量，用于如本文中所描述的检测和定位电力系统上的故障。
[0070] 计算机可读存储介质830可以是执行本文所描述的任何方法的各种
软件模
块的存储库。数据总线842可将被监测的设备接口808、时间输入端812、通信接口816以及计算机可读存储介质830链接到处理器824。
[0071] 通信模块832可允许系统800经由通信接口816与各种外部设备中的任一个进行通信。通信模块832可被配置用于使用各种数据通信协议(例如，以太网上的UDP、IEC 61850等)来进行通信。
[0072]
数据采集模块840可收集数据样本，例如电流量和电压量以及递增量。数据样本可与时间戳相关联，并且可用于检索和/或经由通信接口816传输到远程IED。行波可以实时地被测量和记录，因为它们是在电力输送系统中快速消散的瞬态信号。数据采集模块840可结合故障检测器模块834进行操作。数据采集模块840可控制由故障检测器模块834使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块840可选择性地存储和检索数据，并且可使该数据可用于进一步处理。这样的处理可包括通过故障检测器模块834进行的处理，该故障检测器模块834可对电力分配系统确定的故障的出现。
[0073] 行波距离模块844可以检测在保护区域内的电力输送系统上的故障。
[0074] 行波距离模块844可以使用利用本文描述的系统和方法获得的高保真度电压信号来确定行波的出现和行波的时间戳出现。时间戳可用于确定故障的出现时间和行波从故障到达CCVT的时间。行波距离模块844可以将故障的时间和行波的到达时间之间的时间差与预定的范围设置进行比较，以便发起行波距离信号TW21。行波距离信号TW21可以由其他模块(例如，保护行动模块852、故障检测器模块834等)使用。在一些实施例中，行波距离模块844可以分析与行波的地面和空中模式相关联的消散(dispersion)，以估计到故障的距离。
[0075] 保护行动模块852可基于通过故障检测器模块834的故障的
声明来实施保护行动。在各个实施例中，保护行动可以包括使断路器跳闸、选择性地绝缘电力系统的一部分等。在各个实施例中，保护行动模块852可以与和系统800通信的其他设备协调保护行动。在各个实施例中，系统800可基于瞬时电压和电流来提供保护。这样的信号分量需要更短的数据窗口但便于更快的保护。系统800的各个实施例可实现约1毫秒的操作时间。
[0076] 虽然已经示出并描述了本公开的特定实施例和应用，但应理解，本公开不限于本文公开的精确配置和部件。因此，在不背离本公开的基本原理的情况下可以对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应当仅由所附
权利要求确定。
