监测系统的制作方法

本发明涉及监测系统，特别是用于电网应用的电力监测系统。

背景技术：

电网系统形成现代社会的基础设施的一部分，但是容易受到各种类型的干扰和异常的影响。通过测量参数(比如电压幅值、频率、相角和相量状态)了解电网系统的状态用于维持可靠和稳定电网运行。当发生明显的电网干扰时，电信号的频率和相角在时间和空间上都变化。

目前，存在一些用于获得关于相量状态的数据的可用技术。电网监测系统允许在高压传输系统中——使用例如相量测量单位(pmu)，或在低压配电系统中——使用例如频率干扰记录器(fdr)测量频率和电压相角。

对于电网系统，目前常用的电网监测装置为相量测量单位(pmu)。这些pmu测量电压、电流和频率并且计算相量，并且这套时间同步的电网条件数据称为相量数据。各个相量测量是针对全球定位系统(gps)通用时间被加上时间标记。当相量测量被加上时间标记时，其被称为同步相量。这允许pmu沿着传递电网在不同的位置进行测量或通过不同的拥有者同步并且校准时间，接着组合，以提供整个公共设施的互连区域的观察。与每两秒至四秒测量一次的常规的监测技术(比如管理控制和数据采集系统，scada)相比，pmu以每秒30次观察的速度取样。所以pmu已经成为了用于沿着这些输电线测量电网异常的优选装置。但是，pmu倾向于为沿着携带加上gps数据标记的信号的输电线分布的装置，连接至广域网(wan)，通常使用无线技术来发送待在中央局处理的信号。接着，收集的数据被传递至公共设施提供商或服务提供商的中央服务器，用于进一步的数据处理和分析，比如异常的事件检测和位置，或功率流分析。在中央局的装置被称为相量数据集中器(pdc)，其从多个pmu或其他pdc收集相量数据，通过时间标签将数据对准，以产生时间同步的数据集，并且将该数据集传递到其他信息系统上。pdc也进行数据质量检查和标记缺少或问题数据(如果需要，等待一段时间，以在发送聚集的数据集之前进来所有的数据)。一些pdc也存储相量数据并且可对其进行下采样，从而相量数据可直接供应给以更慢的采样速率使用数据的应用，比如scada系统。

当前在电网系统中使用的当前设备的高安装成本和大尺寸因素阻碍了这些同步相量的大规模部署。

所以，期望提供低成本的、小尺寸因素系统，以利于在电网基础设施中同步相量的大规模并入，用于相量状态数据的分布式远程监测。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明提供电力监测光纤封装，其包括至少一种具有纤维直径的光纤，光纤的一部分涂覆有选自电致伸缩材料、磁致伸缩材料、偏振灵敏材料、压电材料范围的涂层材料；其中该涂层材料是聚合材料，并且其中涂覆部分布置为提供至少一个传感部分；传感部分包括传感部分直径。

优选地，该聚合材料包括树脂，并且其中树脂布置为被改性，使得聚合材料展现功能特性，该功能特性选自电致伸缩、磁致伸缩、偏振灵敏、压电特性的范围。

更优选地，该聚合材料树脂布置为用在纤维拉伸聚合过程中引入的预定的、选定的单体或自由基改性。

该系统可用于通过测量和检测输电线携带的模拟电信号，比如电信号的电压幅值、频率和相角，实时检测和定位电网不稳定和干扰。

使用光纤封装作为传感器是有利的，因为光纤的小尺寸、它们的低重量和将许多传感器在一个或少量的纤维中组合的能力。优选地，本发明中的传感部分包括光纤的功能芯。

通过传感使用的涂层材料的电和磁变化，提供了对本发明的光纤封装的另外优势。优选地，由于涂层材料的参数的变化而传感电或磁变化。优选地，影响的涂层材料的参数包括涂层材料的尺寸。

对涂层材料的尺寸的调整可对光纤的传感部分施加影响。施加的影响可以包括对纤维的应变和随后对纤维的振动参数的调整。在本发明的优选的实施方式中，电信号或磁场的来源是电缆。

在本发明的第一方面的优选的实施方式中，沿着光纤的长度分布传感部分，其中至少一个光纤包括至少一个光栅。

沿着纤维的长度提供分布式测量的能力为本发明的光纤封装提供了进一步优势。这利于使用整个纤维的长度作为多个分布式传感器或传感器阵列。光纤传感器的使用可允许基于光纤布拉格光栅技术的分布式传感。还可使用各种另外传感方法，包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、干涉测量技术以及衰减或强度变化技术。

优选地，纤维直径在1μm至150μm的范围内。另外，传感部分直径优选地在10μm至1000μm的范围内。

纤维的直径优选地布置为提供用于传感系统的最佳灵敏度，使得其可任选地包含多个传感元件。光纤封装可以包括可为一定范围的应用提供特定优势的任何数量的光纤。

在优选的实施方式中，涂层材料包括装载选自下述范围的颗粒的聚合物层：电致伸缩颗粒、磁致伸缩颗粒、偏振灵敏颗粒或压电颗粒。

优选地，电致伸缩材料包括聚合物层，该聚合物层包括聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride)、聚偏二氟乙烯或三氟乙烯。

优选地，磁致伸缩材料包括基本上为基于聚氨酯的聚合物层。

电致伸缩材料的实例为聚偏氟乙烯或聚偏二氟乙烯(pvdf)，或其他电致伸缩三元共聚物，包括偏氟乙烯(vdf)或三氟乙烯(trfe)，如us7078101中显示。磁致伸缩材料的实例为基于聚氨酯的材料。涂层也可为装载电致伸缩或磁致伸缩颗粒的其他聚合物的组合。由于容易沉积，基于聚合物的涂层是有利的。

当涂层为可施加至纤维预制件或芯(其可以包括玻璃)的表面并且在纤维拉伸工艺期间聚合的聚合材料时，光纤的制造是有利的。电致伸缩或磁致伸缩功能可添加至聚合材料，例如通过引入特定单体或自由基来改性聚合材料(其可以包括树脂)，该特定单体或自由基可以在纤维拉伸聚合过程之前或在纤维拉伸聚合过程期间被连接至聚合材料。可以以该方式引入的单体或自由基的实例包括基于氯的单体，比如例如氯氟乙烯(cfe)——其可以优选地以1-氯-2-氟乙烯或1-氯-1-氟乙烯的形式被引入。可以以该方式引入的自由基的实例包括具有未配对的价电子的原子、分子或离子。

使用这种改性可形成可能对于电磁场灵敏的极性结构域的区域。另一可能性是使用一些聚合链的自组装特性，以将需要的物质在优选的方向上对齐。可能的方法是使用硅烷化工艺，以键合至纤维预制件或芯(其可以包括玻璃)，将灵敏度增强的物质连接至有机功能。

可使用电致伸缩的聚偏氟乙烯或聚偏二氟乙烯，和磁致伸缩的基于聚氨酯的材料或它们可被改性以使它们的灵敏度增强。也可能的是，使用这些材料的组合。

目前的技术还未在光纤、纤维拉伸聚合、制造光学传感器或在电网中的应用中使用这些材料。

根据本发明的第二方面，提供了电力监测传感系统，其包括；

根据先前描述的至少一个光纤封装，

其中光纤封装布置为检测与涂层材料中的改变相关联的至少一个预定的参数；

至少一个输入部分，其布置为提供光信号和接收光信号；

至少一个检测器部分，其布置为接收输出光信号。

在本发明的第二方面的优选的实施方式中，输入部分为光纤传感器仪表(ofsi)。这可用于查询光纤传感器。ofsi可具有发送和接收光信号的功能，从而其可被检测并且转换成有用的信息。

分布式声学传感(das)或分布式振动传感(dvs)通常使用瑞利散射并且用于本发明优选的实施方式中。该系统的优势在于整个纤维的长度可用作传感器。因此，其可感测数千米的纤维并且其可在纤维一端处在das/dvs仪表上配置。其通常通过将一个或多个，优选在红外光谱中的光脉冲发送至光纤中而起作用。被纤维的材料散射的一些光朝着传感系统向后引导。信号回到das/dvs系统需要的时间提供了关于纤维中出现散射的距离的信息。信号的特性，比如其相位，接着用于推断振动、应变或温度。das系统可配置为模拟沿着纤维的数千个传感器。

模型或算法可任选地用于辅助信号的解释。其可使用已知的特性或预测电力系统或电缆内的行为并且与检测到的信号组合，以提供更好的测量。有限元分析(fea)技术和/或分析或参数模型可辅助建模。人工智能(ai)技术也可用于允许系统从经验中“学习”。

模型、算法和/或校准的使用可允许系统区分或分开来自电力系统或电缆本身、环境的振动或信号和/或任何其他信号的影响。这可能非常有价值，因为比如电力系统或电缆共振，以及来自周围区域的噪声可对于进行的测量的质量具有不利的影响。

在本发明的传感系统的优选的实施方式中，检测的参数用于推断邻近或靠近光纤封装的电力系统或电缆的特性，所述特性选自电压、电流、电流相位、电压相位的范围。

有利地，邻近或靠近光纤封装的系统的电气或磁性特性的变化将带来涂层材料的尺寸的变化。涂层材料的尺寸变化随后将对光纤封装的传感部分发挥作用。发挥的作用可测量为许多参数中一种的变化。在优选的实施方式中，影响的参数包括应变和振动。这些应变或振动变化可用于推断对系统的电气或磁性特性进行的变化。可通过这些变化适当地推断的特性为系统的电压相位和电流相位。

信号处理技术可用于增加特定频率的检测水平，以利于每个位置中的电场相位。结合das技术，信号分析过程可能是尤其强有力的。

在本发明的传感系统的优选的实施方式中，检测器部分包括选自处理元件、决策元件、控制元件、致动元件范围的至少一个功能元件。

本发明提供的优势是邻近或靠近光纤封装的系统的电气或磁性特性的变化可被检测并且通过使用检测器部分而起作用。在优选的实施方式中，检测器部分包括处理元件并且因此具有支持与信息处理相关的另外的功能的能力，尤其是推断的邻近或靠近光纤封装的系统的电气或磁性特性的变化。更优选地，本发明的检测器部分将包括决策元件和控制元件，提供进一步改善的功能，以促进系统是动态的并且对邻近或靠近光纤封装的系统的电气或磁性特性的变化起作用。在本发明的更优选的实施方式中的检测器部分将包括致动元件，促进响应检测其电气或磁性特性的变化的系统的严格变化。

在本发明的传感系统的优选的实施方式中，检测的参数用于控制电力系统或电缆可用的电力。

优选地，检测的参数为选自振动、声能、应变、温度的范围中的至少一种。

优选地，利用分布式声学传感(das)或分布式振动传感(dvs)的分布式传感技术和布置为检测来自纤维的信号的纤维布拉格光栅技术来布置检测和传感。

更优选地，该分布式传感技术包括选自瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、干涉测量技术、布拉格光栅、衰减或强度变化的范围中的一种。

优选地，使用信号处理来检测电场或磁场的分布的相位。

更优选地，该系统布置为测量相量状态。

更优选地，该系统布置为测量电网监测系统中的相量状态，并且布置为允许在任一高压传输系统处测量频率和电压相角。

优选地，该系统布置为感测用于电网可靠性或使用应用的同步相量数据，并且布置为允许实时操作和离线规划应用。

优选地，人工智能(ai)技术用于识别用于应用的信息以增强电网可靠性或使用。

优选地，该系统布置为测量相量状态，并且应用于下列范围中的任一个；

a.实时操作应用；

b.广域态势感知；

c.频率稳定性监测和趋势；

d.功率振荡监测；

e.电压监测和趋势；

f.报警并设置系统操作限制，事件检测和避免；

g.资源整合；

h.状态评估；

i.动态线路评级和拥塞管理；

j.停电恢复；

k.操作规划；

l.规划和离线应用；

m.基线化电力系统性能；

n.事件分析；

o.静态系统模型校准和验证；

p.动态系统模型校准和验证；

q.发电厂模型验证；

r.负荷特征；

s.特殊保护方案和孤岛化；

t.主频率(管理)响应。

利用包括传感器部分、输入部分和检测器部分的整体系统，本发明提供的优点是可以远程监测系统以推断相邻系统或电缆的关键特性的变化。然后，可以使用推断的特性的变化来自动调节系统可用的电力。

根据本发明的进一方面，提供了一种监测电力系统或电缆的方法，其中该方法包括使用如先前所描述的至少一种传感系统。监测方法可以使用来自光纤封装和传感系统的信息，该信息涉及电气特征，比如电压、电流、电压相位和电流相位。

人工智能技术可用于解释传感纤维的不同部分中的感测相位。这将使操作员能够基于分析的相位做出决定。

附图说明

现在将仅通过举例并参考附图来描述具体实施方式，其中：

图1显示了根据本发明的第一方面的光纤封装的截面图；

图2显示了根据本发明的方面的附连有光纤封装的电缆的截面图；

图3显示了电缆16的横断面视图，该电缆16可具有在电缆16上和/或嵌入在电缆16中的图1中显示的光纤封装10；

图4显示了根据已知的现有技术包括光纤封装的传感系统的方框图；

图5显示了根据本发明的第二方面的电力监测传感系统的方框图；和

图6显示了根据本发明的第二方面的电力监测传感系统的布置，其包括与电缆相邻的光纤封装、输入部分和与输出部分(输出部分未显示)的通信。

具体实施方式

根据第一方面的光纤封装显示在图1中。实施方式显示包括具有光纤封装传感部分12和光纤封装涂层材料14的光纤封装10。光纤封装传感部分12优选地由至少一种功能性光纤芯组成。光纤封装涂层材料14包括电致伸缩或磁致伸缩材料。在使用中，涂覆有涂层材料14的光纤封装10的长度包括用于电力监测传感系统19(图5中显示)的传感元件的至少一部分。

电力监测传感系统19将用于监测相邻的电力系统或电缆的电气特性和磁性特性。参考图2，显示了一个实施方式，其中光纤封装10邻近或靠近电缆16，使得光纤封装10缠绕在电缆16上。在使用中，电缆16的电气或磁性特性的变化将引起包括在光纤封装10内的涂层材料14参数的变化。涂层材料14参数的变化将包括涂层材料14的尺寸的变化。这些变化又将引起光纤传感部分12的振动特性和应变特性的变化。在可选的实施方式(未显示)中，光纤封装10也可以与相邻的电缆16平行布置。在进一步可选的实施方式(未显示)中，光纤封装10可以围绕相邻的电缆16以图案，比如正弦波图案布置。

显而易见，光纤封装10和相邻的电缆16的其他布置将是可能的。图3中显示的实施方式提供了位于电缆16的周边的光纤封装10。从图5中还显而易见本发明的进一步实施方式，其中光纤封装10包含在电缆16内。在使用中，这些实施方式中的任一个可以单独或组合使用以提供电缆16的电气或磁性特性的异常和干扰的精确检测。在可选的实施方式(未显示)中，涂层材料14可用于涂覆光纤封装10的长度。在优选的实施方式中，涂层材料14用于涂覆光纤封装10的离散部分。

光纤封装在电力监测传感系统内的应用是本领域已知的(us5255428a、us6140810a、gb2328278a)，并且可以采用图4中描绘的形式。这种传感系统的典型结构包括安装在电力系统或电缆18处的光纤，布置为通过输入部分比如光纤查询仪20查询。通过查询提供的数据被传递到包括例如处理器和决策者22的检测器部分，该检测器部分接着将指令提供至用于调节电力系统或电缆的特性的控制系统或致动元件24。

图5显示了根据本发明的第二方面的电力监测传感系统19的事件的顺序，该电力监测传感系统19并入根据本发明的第一方面的光纤封装10。在使用中，26、28通过改变相邻的电力系统或电缆的电气或磁性特性，将在相邻的电力系统或电缆16中检测到的干扰或异常传递到电致伸缩或磁致伸缩涂层材料14。30这些变化随后以应变或振动变化的形式传递到光纤封装传感部分12。然后经由输入部分检测振动变化，该输入部分布置为提供查询光信号，并随后32接收对应于传感部分12的振动参数的反向散射信号。通过传感部分12内的光栅提供反向散射信号。接收的测量值与时空参数组合，并且然后将时间/地理同步数据发送34到包括处理元件36和决策元件38的检测器部分，该决策元件38布置为提供如何改变提供给相邻的电力系统或电缆16的电力的决定。然后控制元件40负责控制致动元件42，致动元件42布置为影响提供给电力系统或电缆16的电力。在使用中，传感部分12中振动或应变参数的变化的检测与地理空间信息结合，以便帮助定位影响的来源。在优选的实施方式中，该地理空间信息可以来自gps接收器。在检测器部分的处理元件中进行的数据处理可以包括时间同步。

图6中表示的是使用感测过程的图显示的本发明的实施方式，其中输入部分46可以包括光纤传感器查询仪(ofsi)单元。光纤封装10将关于相邻的电缆16中存在的电气干扰和异常的信息提供给输入部分46。显示的实施方式在光纤封装内的离散区域44处提供传感部分12，离散区域44显示与不包括传感部分50的区域不同。优选地，包括传感部分12的离散区域44进一步包括用于向输入部分46提供光信号的反向散射的至少一个光栅(未显示)。在使用中，输入部分46将一个或多个光脉冲提供给光纤封装10。检测所得的反向散射，并测量与标准的偏差。相邻的电力系统或电缆16的电气或磁性特性的干扰或异常引起涂覆光纤封装10的至少一部分的涂层材料14的参数的改变。在优选的实施方式中，受影响的参数包括尺寸参数。当涂层材料14的尺寸变化时，光纤传感部分12的振动或应变参数将变化，并用于推断相邻的电力系统或电缆中的电气或磁性特性的变化。由输入部分接收的反向散射将被认为与使用检测器部分的处理元件预期的标准反向散射相背。与预期的反向散射的偏差将导致通过致动元件经由决策元件和控制元件实现的变化。在优选的实施方式中，该变化包括提供给相邻的电力系统或电缆的电力的变化。

将认识到，上述实施方式仅作为实例给出，并且在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改。

例如，对于本领域技术人员显而易见的是，存在任选地包括在检测器单元内的所公开元件的多种可能的组合。

对于本领域技术人员来说同样显而易见的是，同步相量数据可用于一系列应用中，以增强i)实时操作和ii)离线规划应用的电网可靠性。在下面分类并列出了这些应用中的一些：

i)实时操作应用

i.广域态势感知

ii.频率稳定性监测和趋势

iii.功率振荡监测

iv.电压监测和趋势

v.报警并设置系统操作限制，事件检测和避免

vi.资源整合

vii.状态评估

viii.动态线路评级和拥塞管理

ix.停电恢复

ii)操作规划

i.规划和离线应用

ii.基线化电力系统性能

iii.事件分析

iv.静态系统模型校准和验证

v.动态系统模型校准和验证

vi.发电厂模型验证

vii.负荷特征

viii.特殊保护方案和孤岛化

ix.主频率(管理)响应