用于电网健康状态监测的智能传感器网络的制作方法

本申请要求2014年4月29日申请的第61/985,552号美国临时申请的权益，其内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

大体来说，本发明涉及监测由输电线形成的电力网。确切地说，本发明涉及用于检测在输电线上出现的高阻抗故障(high-impedance fault，HIF)的电网保护系统。更确切地说，本发明涉及一种使用智能传感器网络实时地监测电力网的输电线的健康状态且检测其中的电故障的电网保护系统。

背景技术：

携带来自发电厂的电力的输电线是一起形成电网的能量生成和传输系统的最关键组件中的一者。归因于其性质，输电线容易发生接触故障，接触故障是由形成于电力线的导电表面与不导电表面之间的非所需导电路径(例如树)引起。即，此类接触故障是由此类输电线下方的树的生长、输电线的电导体的断裂以及动物或人类与输电线的接触引起。因此，确保电网的输电线的安全性与功能性是其操作者的关键关注点。

可影响电网的一种类型的故障为高阻抗故障。高阻抗故障(HIF)通常是由输电线中的导体与不导电表面之间的电接触引起，归因于HIF，将故障电流限制在常规继电器的可检测水平以下。因为高阻抗故障通常导致到达公共场合中的个人的导体带电，因此其对这些个人的个人安全和个人财产安全性都造成极大的威胁或危险。此类高阻抗故障难以检测，因为高阻抗故障电流在量值上极类似于电力网络负载在通电电网中经历的小的变化。

对电网操作者的另一安全关注点涉及与对断电的输电线重新通电相关联的过程。这一关注点是归因于以下事实：尽管电网被断电，但始终存在输电线与人类、动物或树接触的可能性。尽管可基于对电网/传输线通电时穿过输电线的高电流量检测低阻抗电力线故障，但辨识断电的电网/输电线中的故障归因于不存在任何穿过输电线的电流而具挑战性。因此，为了监测输电线的操作状态，包含与之相关联的故障，已使用若干故障检测/输电线监测技术，包含：TDR(时域反射计)、FBG(布拉格光栅)、GPS(全球定位传感器)和磁式传感器。然而，这些技术具有各种缺点，下文论述其中一些缺点。

在一种输电线监测技术中，使用基于统计的故障方法，由此使用数据不充分性、不平衡的数据构成和阈值。其存在在电力分配故障中引起识别问题。

可经由基于时域反射计方法(TDR)的故障检测方法实现离线、远距离的电力线传输中的故障检测。然而，TDR方法复杂，且需要复杂的硬件。

还曾利用用于架空输电线的基于光学的故障电流检测方法。这一方法利用布拉格光栅(FBG)传感器以便测量故障电流，同时使用光谱分析仪来监测反射信号。由此，需要复杂硬件执行这一方法。此外，已提出基于FBG应力测量和温度传感器的冰检测传感器(ice detection sensor)，由此冰传感器的操作取决于复杂的硬件实施方案。因此，此类基于FBG的方法再次需要复杂硬件。

用来检测输电线故障的另一方法是基于非接触式磁场测量，其通过磁传感器执行。因此，可基于沿着输电线测量的磁场识别电故障的位置。可进一步利用所收集的数据来识别故障类型和故障在输电线的故障跨段内的特定位置。尽管这一方法可用于检测由有故障的电力线产生的高故障电流，但其不能够用来基于电力线的健康状况预测架空电力线中的故障发生可能性。

或者，使用安装在输电线上的GPS传感器测量电力线下垂的方法可用来监测输电线健康状态。此类GPS传感器通常在任何两个输电线支撑塔之间的中点处安装在电力线上。使用这一方法来测量电力线的下垂成本高昂。也已实行用于评估输电线中的架空导体的低下垂行为的监测系统。此类监测系统测量电力线导体张力和温度以及风速，以便评估输电线的导体上的风载。也已研究用于测量输电线下垂的另一方法，其是基于在接近于原始电力线而安装的额外或补充性电阻线上引入的电流。

此外，第6,807,036号美国专利教示一种经配置以检测输电线故障的接地故障断流器。这种断流器串联地安装在AC(交流电)源与所连接电力负载之间。第8,386,198号美国专利提出基于从传感器收集的数据进行实时输电线评定的技术。由此，输电线的导体可具有设计通流能力(其是基于设计限制和导体环境所假定的天气状况)和动态线通流能力(其是基于所接收传感器数据和输电线的所接收设计限制)。

此外，因为电网的输电线的高频阻抗表示电网的物理特性，因此可通过测量电网的输电线的高频阻抗来检测和评估电网的健康状况和电网上故障的存在。然而，现有高频阻抗测量装置不可直接连接到通电的电网或网络，也不能够测量特定输电线区段的阻抗。

因此，存在对于本发明的智能传感器网络的需要，其实时地监测电网的输电线网络的健康状况或状态且检测输电线中任何类型的电故障。此外，存在对于本发明的智能传感器网络的需要，其能够实时地监测电网的高频阻抗以识别电网的物理特性，以便监测且评估其健康状况和电故障的存在两者。此外，存在对于本发明的智能传感器网络的需要，其利用高频阻抗故障的检测来预测输电线上的电故障发生的健康状况。另外，存在对于本发明的智能传感器网络的需要，其经配置以实时地监测电力传输系统或电网(其包含架空、地下或家用/住宅输电线)的健康状况且监测DC轨道系统的电力系统，由此本发明实时地监测所需电力线区段的阻抗。还存在对于本发明的智能传感器系统的需要，其可经由磁耦合(包含磁场耦合或电感式耦合)耦合到输电线。

技术实现要素：

根据前述内容，本发明的第一方面提供一种输电线监测系统，其包括：第一传感器，其磁耦合到所述输电线，且经配置以经由所述磁耦合将高频信号注入所述输电线中；第二传感器，其在距所述第一传感器的一个末端预定距离处磁耦合到所述输电线，其中所述第二传感器阻断所述注入信号向后朝向所述第一传感器；以及第三传感器，其在距所述第一传感器的另一末端预定距离处磁耦合到所述输电线，其中所述第三传感器阻断所述注入信号向后朝向所述第一传感器；其中所述第一传感器检测来自所述第二传感器和所述第三传感器的所述阻断信号，以确定所述输电线的在所述第二传感器与所述第三传感器之间的区段的阻抗。

本发明的另一方面提供一种监测输电线的方法，其包括以下步骤：将第一传感器、第二传感器和第三传感器磁耦合到所述输电线，使得所述第一传感器在预定距离处定位于所述第二传感器与所述第三传感器之间；将高频信号从所述第一传感器注入到所述输电线中；阻断所述第二传感器和所述第三传感器处的所述高频信号向后朝向所述第一传感器；以及在所述第一传感器处确定所述输电线的在所述第二传感器与所述第三传感器之间的区段的阻抗。

附图说明

考虑以下描述、所附权利要求书和附图，本发明的这些和其它特征以及优点将变得更好理解，在附图中：

图1为根据本发明的概念的放置在电网的多个相应输电线上的多个智能传感器的透视图；

图2为根据本发明的概念的放置在单个输电线上的多个智能传感器的示意图；

图3为示出根据本发明的概念的多个智能传感器放置在D.C.轨道系统上时的示意图；

图4为示出根据本发明的概念的智能传感器的组件(包含信号注入单元和信号感测单元)的示意图；以及

图5为根据本发明的概念的由智能传感器所提供的信号注入单元利用的控制结构的框图。

具体实施方式

用来监测电力网12的一根或多根输电线10中的电故障的存在的智能传感器大体由数字20指代，如图1中所示出。本发明利用多个智能传感器20形成智能网络以监测电网12或其一部分的健康状况。具体地说，由多个传感器20形成的智能网络还能够实时地检测任何类型的电故障，例如树、人类或动物接触，或归因于与电网12的输电线10中的一者或多者相关联的隔离器、导体或塔的较差健康状况的其它故障。传感器20还经配置以监测和跟踪正监测的电网12的一个或多个输电线10的特定部分或区段的高频阻抗改变。因此，因为正监测的输电线10的阻抗的变化含有关于输电线的操作健康状态和条件的特性的信息，因此通过传感器20实时地跟踪和监测阻抗的改变允许待由本发明执行的故障检测和电力线健康状态/电网健康状态监测。

关于图2，为了测量一根或多根电力线10中的高频阻抗，指定为20A、20B和20C的至少三个传感器20沿着输电线10的区段50/部分(其具有预定长度)隔开预定距离。然而，在一些实施例中，传感器20A到20C可彼此隔开任何所需距离，包含等于或不等于彼此的距离。应了解，输电线10包含电导体，其充当用于传输电流或能量负载的物理层。此外，预期输电线10或电力线可包括任何合适输电线，例如高或低电压架空输电线、地下输电线、室内输电线，或电轨道电力线系统25，例如图3中示出的D.C.轨道电力线系统。此外，传感器20A到20C定位得与输电线10接近，以使得其与输电线10磁耦合(例如，磁场耦合、电感式耦合)。由此，被配置为阻断传感器的传感器20B和20C定位在传输线区段50的末端，而被配置为检测传感器的传感器20A大体上定位在传输线区段50的中间。应了解，在电轨道或列车系统25的情况下，阻断传感器20B和20C定位在轨道系统的每一终端站27处，而执行信号注入的检测传感器20A可放置在传感器20B与20C之间的任何地方。应了解，在一些实施例中，电轨道系统25可为D.C.(直流)轨道系统。

接下来，通过智能传感器20A将高频信号40在传感器20A与输电线10之间非侵入性地(即经由磁耦合，例如磁场耦合或电感式耦合)注入到所需电力线区段50的中段中。经配置以注入高频信号的智能传感器20A定位在所述对阻断传感器20B与20C之间。由此，注入信号40从传感器20A的每一末端沿着电力线区段50传输，使得一个注入信号40A沿着电力线区段50的一半/或部分60A传播且接着被智能传感器20B阻断，而另一注入信号40B沿着电力线区段50的一半/或部分60B传播，且接着被智能传感器20C阻断。信号阻断传感器20B和20C经由阻断电流消除连接到区段50的阻抗的影响。即，执行阻断技术允许输电线10的所需区段50的阻抗与电网12隔离，且因此独立或单独地测量。由此，可通过测量注入高频电压和在输电线区段50中流动的所得高频电流而计算隔离的电力线区段50的阻抗。可经由硬件、硬件电子元件与硬件(其可由传感器20提供或可在远端在远程计算机处提供)所提供的软件编程处理器的组合的软件来执行电力线区段50的阻抗的确定。

因此，本发明利用的信号阻断技术提供磁耦合(例如，磁场耦合、电感式耦合)到输电线10的传感器20A到20C，其通过检测传感器20A将高频信号注入到输电线10中，所述高频信号接着通过阻断传感器20B和20C取消。因此，与现有高频滤波方法相比，本发明的方法不需要到架空电力线20的任何直接物理连接，而是，本发明的传感器20磁耦合(例如，磁场耦合、电感式耦合)到输电线。图2说明用来测量所需电力线区段(例如区段50)的高频阻抗的非侵人性(即磁耦合)传感器20A到20C的布置。每一智能传感器20A到20C能够实时地测量电力线区段50的阻抗。

在经受高频信号40时，电网12的阻抗通过经由传感器20A跟踪注入信号40来加以监测。由此，在健康状况(无故障)下正监测的输电线10的部分50的预先测量或存储的阻抗与正监测的输电线10的预定部分50的实际或当前测量的阻抗之间的差异提供关于电力线10的健康状态的信息。

此外，传感器20A到20C可经配置以按不同模式操作。举例来说，如上文所论述，传感器20A操作以注入高频信号40A到40B，且接着检测阻断信号42A到42B，而传感器20B和20C作为信号阻断器操作，且包含将电网12阻抗与正监测的输电线部分50的阻抗隔离的停止滤波器。由此，传感器20A作为信号注入器操作，其将高频信号注入到输电线10中，同时还充当检测/监测器，由此跟踪或感测正监测的电力线部分50的电力线阻抗变化。持续监测经受高频信号40的部分50的阻抗，且将其与电力线部分50的基线阻抗进行比较以监测电网12的健康状态。因此，因为可研究或监测输电线10的不同部分50，因此传感器20A到20C可选择性地按上文所论述的注入/检测模式或阻断模式中的任一者操作以实现对给定输电线10的总长度中的特定电力线区段50的监测。应了解，信号40可注入，或其检测可以任何所需脉冲速率或时间间隔周期性地执行。

此外，可影响输电线10的各种电故障表示于图2中，例如树70和人类个人80。即，此类故障定义为输电线10与如树、动物、人体或任何其它不导电表面的电接触。然而，本发明经配置以检测由任何结构或项目与传输线10接触引起的输电线10的电故障。

继续到图4，用来体现上文所论述的传感器20A到20C的传感器20包含控制器100，所述控制器配置有进行本文中论述的本发明的功能所必需的硬件、软件或其组合。控制器100耦合到信号注入单元102，所述信号注入单元包含正弦波生成器110和120。正弦波生成器110的输出耦合到驱动器130，所述驱动器附接到高频变压器132。变压器132包含用来将传感器20磁耦合(例如，磁场耦合、电感式耦合)到输电线10的耦合线圈134。VHF表示跨越线圈134的主级绕组的高频电压，且IHF为穿过线圈134的高频电流。具体来说，正弦波生成器110的输出为施加到驱动器130的VHF-CMND/命令电压信号，其起始注入VHF(即甚高频)信号经由线圈134与输电线10之间建立的磁耦合到输电线10中的施加。

正弦波生成器120的输出耦合到包含滤波器和210的感测单元150。每一滤波器200和210包含一系列耦合的带通滤波器组件212和低通滤波器组件214。由此，滤波器200的带通滤波器组件212的输出在结点216A处耦合到低通滤波器组件214的输入，且由此滤波器210的带通滤波器组件212的输出在结点216B处耦合到低通滤波器组件214的输入。即，正弦波生成器120的输出耦合到定位于每一滤波器200和210的带通滤波器组件212与低通滤波器组件214之间的结点216A到216B处。滤波器200和210的低通滤波器组件214中的每一者的输出耦合到控制器100。此外，滤波器200的带通滤波器组件212的输入为线/电线152处的主级VHF信号，且滤波器210的带通滤波器组件212的输入为线/电线154处的主级IHF信号，由此从线圈134获得信号152和154。主级VHF信号为跨越当前感测线圈134诱发的电压，且主级IHF为穿过线圈134的电流。在一个方面中，主级VHF信号是由驱动器130基于来自控制器100的命令信号而生成。在信号阻断器20B到20C的情况下，所命令电压计算为能够阻断输电线区段50线中的高频信号。在信号注入器20A的情况下，确定所命令量以使得注入高频信号40在标准实践和电气法规的限制内。传感器20到输电线10的磁性是经由具有主级和次级线圈的磁芯实现。驱动器130连接到具有多个匝的主级绕组或线圈134，而输电线10或其区段50被视为磁芯的主级绕组。

此外，传感器20包含串联耦合的能量采集器250和能量存储装置252，例如超级或超电容器，和DC/DC转换器254。DC/DC转换器254的输出耦合到所有其它电子组件或传感器20的块(包含100、110、120、130、212、216和214)，以便提供电力使此类组件行使功能。通常，需要低电压电平(例如，5V和3.3V)以能够为传感器20中的所有电子电路供电。驱动器130为电子功率放大器，其调节来自控制器100的命令信号以能够驱动HF变压器132的主级侧。应了解，任何商用功率放大器可用作驱动器130以充当放大器。

在传感器20操作期间，在置于注入/检测模式时，例如在上文所论述的传感器20A的情况下，控制器100命令待注入到输电线区段50中的信号40的量值和相位以用于由正弦波生成器110接收。与信号注入单元102相关联的控制过程300的框图在图5中示出。通过由于注入信号140(经由线圈134)而在阻抗检测模式中操作的传感器20A的感测单元150接收的测量电压和电流经由感测单元150的带通滤波器组件212穿过线152和154以生成经滤波信号。为了提取测量电压和电流的复合形式，经滤波信号各自在相应滤波器200、210的结点216A到216B处由相应乘法器240A到240B乘以由正弦波生成器120提供的经移相正弦波。乘法器240A到240B输出的信号各自由滤波器214进行低通滤波，因此信号由控制器100记录。施加到乘法器240的相移的量经扫描以确定所测量高频电压和电流的量值和相位。接着基于注入电压和电流的量值和相位确定输电线阻抗的复合形式。在低通滤波器214之后施加到乘法器240A到240B以便实现最高振幅的相移的量为确定电压和电流信号的实际相位的因素。较高频率的电力线阻抗的复合形式实时地表示电力线的物理条件，其允许获得输电线10的健康状况的模型。测量处于健康状况下的输电线10的阻抗，且将其视为参考值。持续监测输电线10的阻抗，且将其与在输电线10的先前确定的或已知的健康状况下测量的参考阻抗进行比较。如果阻抗差大于预定阈值，则传感器20向电网12的操作者告警(通知/指示)输电线10的健康状况。这一比较可发生于远程计算机处(下文论述)或传感器20自身处。

应了解，传感器20可包括有线或无线通信接口，其允许一个或多个传感器20彼此通信且允许传感器20与本地或远程计算机系统通信。本地或远程计算机系统可经配置以分析从传感器20获得的数据，且生成识别输电线10和/或电网12的健康状态的必需提醒/报告提示。在其它实施例中，传感器20可生成指示传输线10或电网12的正常状态的提醒/报告提示。此外，传感器20或与传感器20通信的远程计算机可与控制电力到输电线10的施加的断路器的通信。由此，传感器20或远程计算机可命令断路器从开启状态切换或切换到断开状态，或反之亦然。

因此，本发明的一个优势为智能传感器网络使得能够非侵入性地耦合到输电线。本发明的另一优势为智能传感器网络检测且监测特定电力线区段的阻抗以确定输电线的总体健康状态。

因此，可以看出，本发明的目标已经通过在上文中呈现的供使用的结构和其方法而得到满足。虽然根据专利法，仅呈现且详细地描述了最佳模式和优选实施例，但应理解，本发明不限于此。相应地，为了了解本发明的真实范围和广度，应该参考所附权利要求书。