CN101680922A - 电力线的阻抗测量 - Google Patents

Abstract

一种用于获得对电力线长度的特征阻抗的准确实时确定的***，其测量电力线上至少两个位置的操作条件(例如电压和电流)。这些测量被同步，从而它们代表相同时间瞬间。将从同步测量获得的数据与电力线的电路模型拟合，以根据电路模型获得电力线的特征阻抗，这可以用来增加电力线的高效使用并且进行对电力线的实时评估。

Description

电力线的阻抗测量

相关申请的交叉引用

本申请要求对通过引用整体结合于此的、于2007年2月27日提交的美国临时申请第60/891,932号的优先权。

技术领域

本发明主要地涉及电力传输电子器件并且具体地涉及测量和使用用于传输电功率的电力线的实时阻抗。

背景技术

电功率通过电力线网络经由输电网输送到消费者。这些电力线跨越各种不同类型的地形并且经历广泛各种不断改变的环境条件，并且线路本身就它们的材料和构造而言变化。不仅操作条件持续地改变，而且经由电力线传输的电力也基于针对功率的供应和需求而改变。这造成这些线路的温度变化，这些线路在它们的温度增加时往往松弛(并且因此长度增加而横截面积减少)。出于这些原因，电力线一般具有动态改变的性质，比如阻抗，这些性质随时间可变地影响它们的性能。

电力线的一个重要特征是它的安培容量，这是对电力线可以在指定温度限制下和在指定环境内输送的电流量的测量。电力线的安培容量基于诸多如下因素，这些因素包括导体的物理和电气性质以及电力线周围的温度、风力和其它环境条件。随着电力线的性质(例如阻抗)改变，安培容量也改变。目前，电力传输***无法考虑电力线的所有重要动态性质，这导致了电力线的不充分使用。这在电力线拥塞时(其中线路按照或者接近它们的最大值操作)可能是重大问题。例如在美国，电力线的拥塞成本可能超过每年80亿美元。供电成本在拥塞情况下增加，因为必须从位置与负载更近的发电机购电并且因此以更高成本购电。因而，通过增加拥塞电力线的安培容量每年可以实现大量节省。

因而，需要的是用于确定电力线的更准确实时阻抗、由此允许更准确估计电力线性质(比如安培容量)的技术。这将实现包括更高效使用电力线以及检测电力线故障并且确定电力线稳定性的诸多益处。

发明内容

为了获得对电力线长度特征阻抗的准确实时确定，本发明的实施例测量电力线上的至少两个位置的操作条件。这些条件包括电力线针对这些位置的电压和电流以及相对相位角，并且测量被同步，从而在相同时间瞬间测量。然后将从同步测量获得的数据与电力线的电路模型拟合，以根据电路模型获得电力线的特征阻抗参数。这产生对电力线的测量长度的特征阻抗进行描述的一组值。

电力线的所得特征阻抗可以用于包括局域和广域保护以及直接输电网反馈控制(direct grid feedback control)的多个目的。例如，利用关于电力线的动态阻抗的更准确信息，操作者可以基于对电力线的安培容量的更佳理解来增加或者减少通过电力线递送的电力。此外，这实现对故障位置的更准确估计、因此明显地减少故障时间。另外，根据对阻抗参数(可以包括电阻、电感和电容分量)、阻尼系数和复特征值的位置的连续计算而产生的信息使操作者能够进行对电力输电网的实时稳定性评估。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的电力线测量***的示图。

图2是根据本发明一个实施例的用于测量电力线上的两个位置之间的阻抗的方法的示图。

图3是根据本发明一个实施例的用于测量电力线上的某一位置处的电流和电压的遥感单元的示意图。

图4是根据本发明一个实施例的测量***的示图。

图5是根据本发明另一实施例的数字光学测量***的示图。

图6是根据本发明一个实施例的电力线阻抗的电路模型的示意图。

附图仅出于图示目的而描绘本发明的各种实施例。本领域技术人员根据以下讨论将容易认识到可以运用这里所示结构和方法的替代实施例而不脱离这里所述本发明的原理。

具体实施方式

本发明的实施例从电力线上的不同位置获得测量以确定电力线在两个位置之间的长度的特征阻抗。这一特征阻抗可以根据电力线的电路模型，如π-电路，被表达为对一组参数的估计。也可以按照定期间隔(例如按照50Hz或者60Hz)更新这些参数估计，由此提供对电力线的实时动态阻抗的准确估计。这些表示可以是集总(lumped)参数或者分布型模型。

图1是如下电力线10的简化图，该电力线被配置成输送发电机120在第一位置产生的电功率。电力线10将电力线10上的产生的电功率输送到此电力由负载130消耗的另一位置。在实际实施中可以理解，电力线10可以包括任何数目的发电机20和各种不同负载30，并且将存在支路和节点的任何组合，用以形成电力线10的网络或者电力输电网。

图1也图示了根据本发明一个实施例的用于确定电力线10的实时阻抗的***，该***包括一组测量***110。各测量***110放置于沿着电力线10的特定位置。各测量***110可以与传感器115集成或者附着到传感器115，该传感器可以耦合到电力线10以测量该位置处电力线10的电压和/或电流。因而，耦合到电力线10的传感器110将电力线的电压和电流样本提供给对应测量***110。各测量***110又被配置成对此数据进行如下文所述任何所需处理，然后通过网络120将数据转发到主机***130。在主机***130处理这些数据，以确定电力线10在从其取得数据的在线路10上的两个位置之间的长度或者部分的实时阻抗。可以根据对电压和电流的直接测量来建立附加信息，该信息包括三相中的各相中的有功和无功功率以及绝对相位角。

测量***110和传感器115可以沿着电力线10放置于任何位置，该位置可以是电力线10的将针对其计算阻抗的一段的端点。因此在更复杂的电力输电网中，可以使用任何数目的测量***110和传感器115。测量***110可以通过局域网、广域网(比如因特网)、蜂窝或者其它无线网络或者任何适当通信网络耦合到主机***130。

图2图示了用于例如使用图1中所示***来确定电力线10的实时阻抗的方法的操作。在这一方法中，传感器115在电力线10的长度的各端处测量210在电力线10上的相应位置处的电流和电压。在一个实施例中，电力线10包括三相电力线，在该情况下，传感器115在各位置测量线路10的各相电压和电流。各传感器可以进行一连串电压和电流测量、然后将获取的数据发送到对应测量***110。在一个实施例中，各传感器115由它的相应测量***110控制并且按照足以捕获关联信号的高频分量的速率(例如约60kHz)进行测量。

在各测量***110，测量的电流和电压的数据样本用来计算220电流和电压的相量(phasor)。在一个实施例中，使用来自GPS模块150的时钟(例如“秒开始(top of second)”信号)来计算相量以同步报告时段的开头。IEEE标准C37.118定义了当在标称频率的余弦波最大值与秒头峰值重合时的零相位角。各PMU制造商可以利用它们选择的任何方法来确定绝对相位角。一种普遍方法由Phadke概括。典型相量测量单元(PMU)提供12个相量，该相量包括三个电压和三个电流的量值和角度。

测量***110也可以将数据与时间戳匹配以表明何时获取数据以及提供它们的对应位置的位置信息和/或环境数据(例如温度和风速)。测量***110还可以将数据数字化、然后通过网络120将数据发送230到主机***130。如下文更具体所述，主机***然后将数据与用于电力线10的模型拟合，以获得对电力线10在两个位置之间的长度的阻抗的估计。可以出于各种目的输出所得阻抗，这些目的包括用于向操作者显示、用于存储于有形计算机可读介质上的数据库中和/或用于由另一***使用或者用于进一步处理。

包到达主机***130所需的时间变化(通常从10到150ms)。因此，数据在进行计算之前在主机***130被时间对准。在一个实施例中，通过使用与如由测量单元110提供的数据关联的时间戳来进行这一对准。

可以理解，对这一基本***架构和操作方法的变化是可能的。例如，测量***110本身可以感测电流和电压，由此消除对单独传感器115的需要。此外，测量***110本身可以进行或多或少的数据处理，而将其余所需处理留给主机***130完成。另外，可以通过将主机***130的处理功能转移到一个或者多个测量***110来完全地消除对它的需要。

图3图示了图1中所示传感器115的一种实施。如图所示，电力线10包括三相导体，其中相在标记为A、B和C的单独线路上被输送。传感器115因此被配置成测量各相的电压和电流。在这一实施例中，传感器115包括耦合到各线路A、B和C的电压互感器VT和电流互感器CT。以这一方式，电压互感器VT_A测量线路A的电压，电流互感器CT_A测量线路A的电流，等等。互感器VT和CT有利地将来自电力线10的相应电压和电流逐步降低至可以由常规电路处理的水平，并且为变电站中工作的人员提供安全性。

图4图示了配置成接收如下模拟信号的测量***110，这些信号代表图3中所示电力线10的三相电压和电流。如上所述，测量***110被配置成对这些电压和电流信号进行采样，以获得代表电力线10在这一位置的电压和电流的数字数据。测量***110也可以包含用于将电压和电流信息转换成相量测量的逻辑，这些测量包括电压、电流、功率、频率、有功和无功功率以及绝对相位角和其它导出的测量。

测量***110还可以将电压和电流数据与时间戳关联，从而数据可以与在线路10上的不同位置并且由不同测量***110取得的数据同步。在一个实施例中，测量***从耦合到测量***110或者包含于测量***110内的GPS模块150获得时间戳。从GPS模块150获得时间戳的一个益处在于分布于电力线10的各测量***110将被同步，因为它们将各自从相同GPS卫星信号获得时间戳。这一信号准确到优于一微秒(因为脉冲宽为10ns)。测量***110还可以从GPS模块150获得位置信息并且将该位置信息于它从电力线10获得的数据关联。在其它实施例中，可以使用不同位置发现技术，或者可以在安装测量***110时将实际位置人工编程到测量***110或者主机***130中。

以这一方式，测量***110按照标准数字格式提供时间同步的电压、电流、功率、频率和相位角的测量。一旦获得数据，则经由网络120将它发送到主机***130。如上文说明的那样，可以使用任何适当的网络连接。

图5图示了配置成通过光学介质接收数字数据的测量***210的一个替代实施例。在这一实施例中，该***包括耦合到传感器115用于对来自电力线10的电压和电流测量进行采样的采样模块160。采样模块160包含用于控制对模拟电压和电流信号的采样、进行对样本的模拟到数字转换并且将数字信号复用到光纤线路220上的逻辑。数字光学测量***210接收数字数据，并且例如与针对图4中所示对应模拟测量***110描述的一样处理数据。数字光学测量***210然后优选地使用另一光纤线路225经由网络120将处理的数据发送到主机***130。

图5中所示配置的益处包括能够在输送相对高电压和电流的电力线10附近进行采样。测量***210然后可以位于远离可能对计算***的电子部件有干扰的实际电力线10。将光纤线路220和225而不是电导体用于输送信号，也有助于减少来自电力线10的电干扰。

在另一实施例中，一个或者多个传感器对电压和电流进行采样，然后将关于电力线10的高电压侧的该信息数字化而无需降低电压和/或电流。采样的数字数据然后可以传递到测量***进行进一步处理。

在另一实施例中，直接地使用通过光纤向仪用器互感器的高电压侧发送的功率从电力线10测量电压和电流，然后通过光纤线路将数字数据发送到变电站中的本地接收器。数字数据可以由测量***处理以计算电流和电压测量的相量。所有三相被接口连接到测量***，从而也可以计算正序、负序和零序。加利福尼亚州帕索罗布斯市的Arbiter Systems提供一种用于直接地使用光纤线缆来测量电力线的电压和电流的传感器***。用于进行相量测量的由ArbiterSystems销售的标准产品之一称为1133a Power Sentinel。

一旦获得电压和电流数据，将数据与模型拟合以估计电力线的特征阻抗。在一个实施例中，通过在图6中示出其示例的π-电路对电力线进行建模。在这一π-电路模型中，发电机20通过包括一个或者多个电阻、电容和电感的网络将电力驱动到负载30。在这一示例中，π-电路包括旁路(或者接地)电阻G、串联电阻R、串联电感L和旁路电容C。然而应当理解，对这一模型的各种变化是可能的，并且可以使用于其它实施例中。例如，旁路电容C可以建模为串联电阻和/或串联电感的任一侧上的单个电容，或者它可以如图6中所示拆分成多个并联电容。

π-电路中的参数G、R、L和C提供对电力线10的阻抗的测量。在这里所述技术的各实施例中，这些参数未知，因为电力线10的阻抗可能随时间变化。因而，用来确定电力线10的这些参数的模型是基于如上所述在电力线10的各种位置进行的动态实时测量。

如例如在Ilic和Zaborszky在Wiley Interscience(2000年)的Dynamics and Control of Large Electric Power Systems的第74-75页中概括的那样，图6中所示电路可以由一组偏微分方程表示。如在这篇文献中说明和下文重现的那样，方程也可以按照相量格式来表示并近似为相量微分方程：

其中

称为特征阻抗，而

为传播常数。这些方程将在电力线上的一个位置的相量电压和电流(即和

)以及在电力线上的另一位置的相量电压和电流(即

和)与电力线在这两个位置之间的特征阻抗(即

)进行相关。使用图6中所示电力线的模型，特征阻抗根据以下方程与参数G、R、L和C有关：

其中：

因此可以利用对在电力线上的两个位置的电压和电流的准确测量来求解方程，可以基于在电力线上的两个不同位置测量的数据来实时确定电力线模型的参数G、R、L和C。

各种众所周知的数学技术可以用来求解这些方程，以获得特征阻抗的实时识别。在一个示例中，计算***接收一组数据，该数据包括在电力线10上的两个不同位置的电压和电流的同步样本。然后针对这些样本获得与模型的最佳拟合，以发现产生数据与模型之间最小误差的特征阻抗。可以使用任何多种已知技术来获得最佳拟合，这些技术比如是使误差项的平方最小的最小平方拟合以及用于通过选择特征阻抗的不同值来减少误差的迭代技术。由于特征阻抗可能包括多种参数(例如在图6的模型中有四个参数G、R、L和C)，所以误差最小化算法可以通过调整这些参数中的各参数来发现最佳拟合特征阻抗。多种多维非线性曲线拟合技术是众所周知的，并且可以用于这一确定。

一旦进行对电力线的特征阻抗的准确实时确定，则可以实现多种有利应用。例如，电力线的安培容量一般取决于电力线中的松弛量。这一松弛是时间和温度的函数并且可以基于线路的导热系数来估计。该松弛基于温度、风速和湿度(归因于导体的热膜系数)全天改变。安培容量也是电力线阻抗的函数。例如，热膨胀系数可以用来计算由于串联电阻R的值增加所致的线路长度有效增加。因此，利用对电力线的阻抗的更准确了解，操作者可以调整电力线上输送的电力以增加该电力线的高效使用。通过实时确定可用线路安培容量，附加线路容量然后可以作为热备用进入电力市场被出价。

在另一实施例中，一旦如上所述确定π-电路的集总参数表示，也有可能实时计算这一电路的特征值。这有些类似与Prony方法、但是使用电路的非线性表示而不是二阶线性微分方程。一种计算特征值的方法是在阻抗参数的当前值周围将特征方程的当前值线性化。然后可以直接地根据线性微分方程来确定特征值。这可以在MatLab和MathCad至少这两种标准软件包中来完成。

在另一实施例中，进行对电力线的角度、功率和频率测量的实时活动窗快速傅立叶变换(FFT)。可以计算线路的任一端处的频率之间的差值的FFT。这是0.001-0.003Hz级的很小的值；然而对这一差值信号的FFT可以用来发现PI电路的振荡模式。在通过引用整体结合于此的、于2004年12月8日提交的美国申请第11/008,632号中描述了关于这一点的更多内容。

在另一实施例中，使用这一计算的特征阻抗来计算电力线中的实际功率损耗。这一计算的实际功率损耗然后可以用来计算与输电网对应部分的这一传输容量损耗关联的实时分区边际电价(LMP)。一种用于计算这一点的公式如下：

$P=\frac{V_1{V}_2\sin \left(\mathrm{angle}\right)}{X}$

其中X为特征阻抗。

已经出于说明目的而呈现了对本发明实施例的前文描述；本意并非穷举本发明或者使本发明限于公开的精确形式。本领域技术人员可以理解许多修改和变化根据上述公开内容是可能的。

本说明书的一些部分根据算法和对信息的操作的符号表示来描述本发明的实施例。这些算法描述和表示将由数据处理领域技术人员普遍用来将他们的工作实质有效地传达给本领域其他技术人员。这些操作尽管在功能上、计算上或者逻辑上加以描述，但是应理解为通过计算机程序或者等效电路、微代码等来实施。另外也已经证明将这些操作布置不失一般性地称为模块有时是方便的。可以用软件、固件、硬件或者其任何组合来实施所述操作及其关联模块。

可以单独或者与其它设备组合利用一个或者多个硬件或者软件模块来进行或者实施这里描述的任何步骤、操作或者过程。在一个实施例中，用包括计算机可读介质的计算机程序产品实施软件模块，该介质包含计算机程序代码，这些代码可以由计算机处理器执行，以便进行这里描述的任何或者所有步骤、操作或者过程。

本发明的实施例也可以涉及一种用于进行这里的操作的装置。这一装置可以针对所需目的加以专门构造和/或它可以包括通过存储于计算机中的计算机程序来有选择地激活或者重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储于适合于存储电子指令并且耦合到计算机***总线的有形计算机可读存储介质或者任一类介质中。另外，在说明书中提及的任何计算***可以包括单个处理器，或者可以是运用多处理器设计以便增加计算能力的架构。

本发明的实施例也可以涉及一种在载波中实施的计算机数据信号，其中该计算机数据信号包括这里所述计算机程序产品或者其它数据组合的任何实施例。计算机数据信号是一种在有形的并且根据任何适当传输方法来传输的载波或者有形介质中呈现、并且在载波中调制或者以别的方式编码的产品。

最后，已经主要出于可读性和指导性的目的而选择在说明书中使用的语言，并且可能并未选择该语言来界定或者限制发明主题。因此，其本意在于本发明的范围不受具体描述的限制而实际上由所提交的申请的任一权利要求限定。因而，对本发明实施例的公开旨在于说明而不是限制在所附权利要求书中阐述的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于确定电力线的实时阻抗的方法，所述方法包括：

多次测量所述电力线上的第一位置处的电压和电流；

多次测量所述电力线上的第二位置处的电压和电流，其中所测量的所述第一和第二位置处的电压和电流在时间上同步；

通过调整用于所述电力线的电路模型的一个或者多个参数，将所测量的来自所述第一和第二位置的电压和电流与所述电路模型拟合；

基于所述电路模型的参数来估计所述电力线在其所述第一与第二位置之间的特征阻抗；以及

输出所述估计的特征阻抗。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

计算所测量的来自所述第一和第二位置的电压和电流的相量，其中在所述拟合中使用所述计算的相量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电力线的电路模型为π-电路。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电路模型的参数包括旁路电阻、串联电阻、串联电感和旁路电容。

5.根据权利要求1所述的方法，其中测量来自所述第一和第二位置的所述电压和电流包括：

按照在所述电力线附近的电压和电流水平获得所述测量的电压和电流；

将所述测量的电压和电流数字化；以及

经由光纤线路发送所述数字化的测量的电压和电流。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述估计的特征阻抗来计算所述电力线的实时安培容量。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述估计的特征阻抗对所述电力线中的故障进行定位。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用基于所述估计的特征阻抗计算的特征值来计算对所述电力线的稳定性的测量。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于在所述电力线上的所述第一和第二位置处的频率之间的差值的FFT来计算对所述电力线的稳定性的测量。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述估计的特征阻抗来计算与所述电力线的传输容量损耗关联的实时分区边际电价(LMP)。

11.一种用于确定电力线的实时阻抗的测量***，所述***包括：

多个传感器，各传感器被配置成多次测量所述电力线的电压和电流；

多个测量***，各测量***被配置成从传感器接收一组测量的电压和电流；以及

主机***，用于从一组测量***接收代表所述测量的电压和电流的数据，其中所述第一和第二位置的测量的电压和电流在时间上同步，所述主机***还被配置成通过调整用于所述电力线的电路模型的一个或者多个参数将所述测量的电压和电流与所述电路模型拟合并且据此估计所述电力线的特征阻抗。

12.根据权利要求11所述的***，其中各测量***被配置成计算所述测量的电压和电流的相量并且将所述计算的相量提供给所述主机***。

13.根据权利要求11所述的***，其中所述电力线的电路模型为π-电路。

14.根据权利要求11所述的***，其中所述电路模型的参数包括旁路电阻、串联电阻、串联电感和旁路电容。

15.根据权利要求11所述的***，其中所述传感器被配置成获得按照在所述电力线附近的电压和电流水平获得所述测量的电压和电流，将所述测量电压和电流数字化，并且经由光纤线路将所述数字化的测量的电压和电流发送到测量***。

16.根据权利要求11所述的***，其中所述主机***还被配置成基于所述估计的特征阻抗来计算所述电力线的实时安培容量。

17.根据权利要求11所述的***，其中所述主机***还被配置成基于所述估计的特征阻抗对所述电力线中的故障进行定位。

18.根据权利要求11所述的***，其中所述主机***还被配置成使用基于所述估计的特征阻抗计算的特征值来计算对所述电力线的稳定性的测量。

19.根据权利要求11所述的***，其中所述主机***还被配置成基于在所述电力线上的所述第一和第二位置处的频率之间的差值的FFT来计算对所述电力线的稳定性的测量。

20.根据权利要求11所述的***，其中所述主机***还被配置成基于所述估计的特征阻抗来计算与所述电力线的传输容量损耗关联的实时分区边际电价(LMP)。

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