CN102272729A - 用于稳定电网电力的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括多个交互电网设备的电网稳定性元设备，每个交互电网设备形成各自的电网电路径的一部分，且每个交互电网设备包括：可变阻抗设备，该可变阻抗设备在故障发生时在各自的路径中***限流阻抗；状态检测传感器，其连接到所述可变阻抗设备以在所述故障发生时改变检测状态；以及整体通信***，其具有传输和接收能力并连接到所述状态检测传感器和可变阻抗设备，其中，由每个所述交互电网设备检测到的故障自动促使信号传送到另一个集成电网设备、由该另一个集成电网设备接收该信号以及由该另一个集成电网设备***限流阻抗。

Description

用于稳定电网电力的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年1月12日提交的美国临时专利申请No.61/204,898的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

背景技术

本发明涉及通过使用可变阻抗设备来控制电业电网(electric utility grid)以改善电网稳定性和电力品质，该可变阻抗设备自动地或在主动控制下对电网中的不稳定瞬态进行响应。

电力的有效且可靠的产生、传送以及分配对美国安全和经济是至关重要的。不算增加的电力需求、电网互联以及不断增多的独立发电设施已经降低了逐渐老化的北美电网的总体稳定性。该不稳定性经常将其表现在由于洪水、强风、倒下的树的大枝、闪电袭击、交叉的传输线等导致的不受控制的高电流浪涌(即，故障电流)次数的增加。如果不处理的话，故障电流可能会永久损坏传输和分配设备、跳闸(trip)高功率电路断路器，并扰乱流到终端用户的功率流，从而在遭受这些痛苦的区域中造成相当大的社会以及经济影响。仅在美国地区明显的电力中断(例如，2003年的西北部，2001年的北加利福尼亚州，2000的底特律，1999年的亚特兰大、新奥尔良、芝加哥以及纽约，1996年的美国西海岸以及2005年的美国墨西哥湾(Gulf Coast))是北美电网内在脆弱的迹象。最近对美国电消费者的电力中断的损失的研究表明美国每年的经济损失大约为$80B。

设计了放射状分布网络，以便电力从产生源(在图16中由空心圆表示)流到终端用户。电力在放射状网络中在一个方向上流动(由图中的箭头描绘)，从而从主馈线支路引到将电力递送到各自负载(图16中由实心圆表示)的侧支路，这些负载可以是单独的目的地或下游的变电站。设置断路器A和B，以在每个各自支路中出现短路的情况下(即故障)保护并隔离主馈线。例如，如果断路器A的下游发生故障，则断路器A检测到大的电流浪涌并在固定数量的周期之后断开。这种行为用于“划分”电网(即，断路器将断路器A下游的电网的故障部分隔离)并保持总电网的稳定性。在该示例中，断路器B下游的终端用户不会遭遇电力中断。

通常，断路器A和B是“重新闭合”断路器。重新闭合断路器按照设定的时间表断开和重新闭合，该时间表通常由设备和本地公用事业(localutility)来确定。图17示意性地示出了典型的“重新闭合”时间表。在故障事件开始时，断路器在大约4-6个周期中检测电流浪涌并在零电压交叉或零电压交叉附近自动断开。然后该“重新闭合器”等待4-10个周期之后再重新闭合。如果故障依然存在，则该过程被第三次重复，其中在断开状态中时间延迟更长。如果在第三次之后故障还存在，则***被锁定在“断开”状态，且故障被认为是永久性的。大多数故障在第一次或第二次重新闭合顺序中被清除。

故障限流器(FCL)是自主检测电力网络中的大电流浪涌并比常规电路断路器快很多倍地***电流限制阻抗的设备，这改善了电力品质、保护下游设备(例如变压器、电机、开关设备、电路断路器等)不受潜在损坏并防止电力中断。FCL的广泛应用将改善电网稳定性并允许电网整体能够更好地响应在自然灾害中可能发生的瞬时故障和永久故障。FCL是电网电力工程师长期的梦想，且许多设备的制造已经有不同程度的成功。由于高效经济的故障限流设备有待开发，因此在电力传输和分配电网中通常使用的是可靠但低效且笨重的备选故障控制方法(例如，快速电路断路器、空心电抗器、高阻抗变压器等)。

在高温超导体(HTS)中液态氮(77K)温度以上的超导性的发现对致力使用这些材料制造有用的商业设备做出了重大成果。原则上，超导材料是用于FCL设备的理想材料，这是因为即便高达称为临界电流(I_C)的最大电流，这种材料的电阻仍然基本为零。因此，在常规工作期间，FCL不会给电网增加额外的阻抗。但是，当流过超导体的电流超过I_C时，这种材料就变成高阻的常规材料。这种超导到常规状态的转变可以用于FCL设备中以快速地将明显的阻抗***到电网中，这有效地削减了故障电流的大小。不幸的是，由于差的HTS材料特性、HTS线和大部件的临界电流低以及HTS部件固有的高成本，基于原型HTS的超导FCL获得有限的成功。

在2001年1月，在二硼化镁(MgB₂)中在39K发现了超导性。在液态氮温度一半以上并在这种简单的金属化合物中超导性的发现激起了对将这种材料作为HTS材料的廉价实用的替换材料用于在30K以下的温度工作的电力应用的浓厚兴趣。虽然该工作温度不如HTS材料的工作温度理想，但是近来无冷冻剂(cryogen-free)冷却技术的进步已经使得这些温度很经济地用于FCL应用。但是，与HTS材料类似，MgB₂是硬且易碎的陶瓷材料，且经历许多与HTS陶瓷相同的机械缺陷。至今，HTS和MgB₂超导材料还不具有开发节省成本、可靠的超导FCL***所需的物理和经济特性。

图18示出了与图16类似的放射状电网的操作，其装配有故障限流设备。FCL A和FCL B被设计为在超过电网的常规负载电流的某电流处触发。当FCL触发时，限流阻抗被无缝地***到电网中，这限制了瞬时故障电流的大小。例如，如果在FCL A的下游的放射状支路中发生故障，则FCL A迅速***内嵌(in-line)阻抗，从而至故障支路的电流得到限制。图19A示意性地示出了FCL设备的触发顺序，其中可以看出，该设备非常快地限制了电流。与断路器允许故障在零电压交叉或其附近断开之前的4-6个周期通过不同(见图19B)，FCL能够在所述周期中的任意点处***限流阻抗并能够在单个AC周期中触发。

在受FCL保护的放射状电网中，由于FCL A的***阻抗，馈线电压不会由于FCL A的下游出现故障而降低。因此，在放射状电网中设置FCL改善了电力品质，甚至在设备之间没有协调和通信的情况下。

发明内容

本发明提供一种包括多个交互电网设备的电网稳定性元设备(metadevice)，每个交互电网设备形成电网中各自的电路径的一部分，且每个交互电网设备包括：可变阻抗设备，该可变阻抗设备在故障发生时在各自的路径中***限流阻抗；与可变阻抗设备连接的状态检测传感器(transducer)，用于在故障发生时改变检测状态；以及整体通信***(integralcommunication system)，其具有传输和接收能力，并被连接到状态检测传感器和可变阻抗设备，其中，由每一个交互电网设备检测到的故障自动促使向另一个集成电网设备传输信号、由另一个集成电网设备接收该信号以及由另一个集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由第一集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到第二集成电网设备以及由该第二集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由所述第二集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到所述第一集成电网设备以及由所述第一集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由所述第二集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到第三集成电网设备以及由该第三集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由所述第一集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到所述第三集成电网设备以及由所述第三集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由所述第三集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到所述第二集成电网设备以及由所述第二集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，由所述第三集成电网设备检测到的故障可以促使信号自动地传输到所述第一集成电网设备以及由所述第一集成电网设备***限流阻抗。

在该电网稳定性元设备中，限流阻抗可以允许电流流过各自的路径。

在该电网稳定性元设备中，可变阻抗设备可以包括并联的超导体支路和有限阻抗分流支路(例如，阻性支路、感性支路、容性支路或它们的组合)，如果电流低于超导体支路的临界电流，则电流通过超导体支路，以及如果电流超过临界电流，则超导体支路减小通过该超导体支路的电流，从而增加并联的超导体支路和有限阻抗分流支路的总阻抗。

该电网稳定性元设备还可以包括可操作以与超导体支路的超导体材料耦合和解耦合的元件，耦合关系的改变导致超导体支路的电阻的改变，所述元件连接到整体通信***使得该整体通信***响应于信号的接收来操作该元件。

在该电网稳定性元设备中，所述元件可以是在加电时在超导体支路中产生磁场的螺线管元件。

在该电网稳定性元设备中，状态检测传感器可以是检测超导体支路的温度的热电偶。

本发明还提供一种稳定电力的方法，该方法包括：使用第一可变阻抗设备来检测电网中的故障；使用故障附近的第一可变阻抗设备来在电网的第一路径中***限流阻抗；在检测到故障后将信号从第一可变阻抗设备传送到第二可变阻抗设备；在第二可变阻抗设备处接收该信号；以及响应于接收到所述信号，使用第二可变阻抗设备在电网的第二路径中***限流阻抗。

本发明还提供一种交互电网设备，其包括第一终端和第二终端、电连接到第一终端和第二终端的超导体部件、冷却***、状态检测传感器和整体通信***，该超导体部件与冷却***连接以被冷却至超导体部件的超导体材料的临界温度以下从而允许超导电流流过该超导体部件，故障导致超导电流减小，状态检测传感器被设置以用于在故障发生时改变检测状态，以及整体通信***连接到状态检测传感器，该整体通信***在故障发生时生成并传送信号。

在该交互电网设备中，状态检测传感器可以是检测超导体支路的温度的热电偶。

在该交互电网设备中，可变阻抗设备可以包括并联的超导体支路和有限阻抗分流支路，如果电流低于超导体支路的临界电流，则电流通过超导体支路，以及如果电流超过临界电流，则超导体支路减小通过超导体支路的电流，且有限阻抗支路中的电流增大，从而增大并联的超导体支路和有限阻抗支路的阻抗。

该交互电网设备还可以包括可操作以与超导体支路的超导体材料耦合和解耦合的元件，耦合的改变导致超导体支路的电阻的改变，所述元件与整体通信***连接使得整体通信***响应于信号的接收来操作该元件。

在该交互电网设备中，所述元件可以是在加电时在超导体支路中产生磁场的螺线管元件。

附图说明

参照附图以示例的方式描述本发明，其中：

图1是电网的图示，该电网包括多个连接的电路径以及由多个集成电网设备IGD构成的电网稳定性元设备；

图2是在其中一个电路径中发生故障从而触发其中一个IGD之后的与图1类似的视图；

图3是在触发多个IGD之后的与图2类似的视图；

图4是在另一个路径中发生故障从而触发另一个IGD之后的与图1类似的视图；

图5是在触发多个IGD之后的与图4类似的视图；

图6是在再一个路径中发生故障从而触发再一个IGD之后的与图1类似的视图；

图7是在触发多个IGD之后的与图6类似的视图；

图8是操作***结构的示意图；

图9是更详细示出一个IGD的图示；

图10A和图10B是示出各种材料的转换速度的图示；

图10C是示出不同材料的失超传播速度(QPV)的图示；

图11A-图11C是示出各种材料的转换速度的图示；

图12是示出IGD的限流方面的立体图；

图13是示出用于故障检测的热电偶的布置的立体图；

图14是示出允许IGD的阻抗被主动和被动控制的方面的立体图；

图15A和图15B是关于IGD的整体通信能力的方面的立体图；

图16是示出形成现有技术的部分的放射状分配网络的图示；

图17示出了图16的网络的“重新闭合”的时间表；

图18是根据现有技术的类似于图16的视图，其中，图16的断路器被FCL替代；

图19A示出了FCL设备的触发顺序；以及

图19B示出了FCL***限流阻抗。

具体实施方式

附图中的图1示出了电网10，其包括多个连接的电路径12A-G和电网稳定性元设备14。

电网稳定性元设备14包括多个IGD 16A-16D。IGD 16A-16D分别位于电路径12B、12F、12K和12A内。IGD 16A具有在两种模式之间转换的能力，其中，第一种模式是超导体电流通过IGD 16A，第二种模式是IGD 16A将限流阻抗***到电路径12B中同时仍然允许电流流过电路径12B。IGD16A可以被动地检测电路径12B下游(例如路径12D中)的故障，并从超导体电流被运载通过IGD 16A的模式转换到IGD 16A在电路径12B中***限流阻抗的模式。

IGD 16A还具有传输和接收能力。当IGD 16A检测到故障时，IGD 16A可以将信号传送到其他IGD 16B-16D。当IGD 16A从另一个IGD 16B-16D接收到信号时，IGD 16A可以响应于该信号并主动地而不是自动地从超导体电流被运载通过IGD 16A的模式转换到IGD 16A在电路径12B中***限流阻抗的模式。

IGD 16A-16D是相同的。这样，IGD 16B可以在超导体电流被运载通过IGD 16B的模式与IGD 16B在电路径12F中***限流阻抗的模式之间转换。IGD 16B可以被动地检测故障，在电路径12F中***限流阻抗，并在检测到故障时同时传送一个或多个信号至IGD 16A、16C和16D。可替换地，IGD 16B可以对接收自IGD 16A、16C或16D的任意一个中的信号进行响应，并响应于接收到该信号来主动地在电路径12F中***限流阻抗。因此，元设备14的IGD 16A-16D都可以彼此通信。

图2示出了在IGD 16B的下游发生了故障，此时很快连续地发生两个事件。首先，IGD 16B快速将限流阻抗***到电路径12F中(如IGD 16B的交叉影线所示)。接下来，IGD 16B自动将信号传送到合适的最近的邻居IGD16A、16C和16D，告知故障已经发生。

如图3所示，IGD 16A、16C和16D自动并抢先在各自的电路径12B、12K和12A中***阻抗(如IGD 16A、16C和16D的交叉影线所示)。因此，通过单独的IGD 16A-16D的协调合作，故障能量以分散的方式被吸收。如在比较图1至图3时所示，由于在电网10内的一些位置中***了阻抗，因此在故障事件期间只存在少量的电力流的重新分配。通过以这种方式限制故障电流，并通过使用协调的限流设备(IGD 16A-16D)来最小化电网10中的电力流的重整化，可以充分改善电网10的总体稳定性。特别地，由于IGD16A-16D的在短暂故障情况中允许电流继续流动的特有特征，因此利用元设备14的电网中的电力流与具有重新闭合电路断路器的同一个电网的电力流有很大不同。在永久故障情况中，IGD 16A-16D最终在闭锁状态中“断开”，这用于区分出电网10的受损部分。

在更大的***中，第一IGD检测出的故障促使第二IGD***限流阻抗而不会使第三IGD***限流阻抗。第二IGD比第三IGD更靠近第一IGD。如果第二IGD检测到固有故障，则第三IGD仅***阻抗，且在第二IGD***限流阻抗与第三IGD***限流阻抗之间存在时间延迟。还可以有多个“最近的”邻居。通过电路拓扑而不是地理位置来确定“最近的”邻居。邻居通过电流路径总是连接到第一个跳闸(trip)的IGD，在它们之间没有中间IGD。这可以由电力工程师用程序来设置或可以在安装时通过电线上的类似“ping”的过程由设备来确定。如图1-3的示例所示，第一组IGD可以被编程为“最近的”设备并同时跳闸。第二组设备可以被编程为非“最近的”设备，因此不会与第一组设备一起跳闸。第二组设备中的一个或多个设备仅在由第一组设备中的一个设备(不包括使第一组设备跳闸的设备)检测到固有故障的情况下才跳闸。

图4示出了在IGD 16C的下游发生了故障，此时很快连续发生两个事件。首先，IGD 16C迅速将限流阻抗***到电路径12K(如IGD 16C的交叉影线所示)。接下来，IGD 16C自动将信号传送到合适的最近的邻居IGD 16A、16B或16D，告知故障已经发生。

如图5所示，IGD 16A、16B和16D自动并抢先在各自的线路12B、12F和12A中***阻抗(如IGD 16A、16B和16D的交叉影线所示)。因此，通过单独的IGD 16A-16D的协调合作，故障能量以分散的方式被吸收。如在比较图1至图5时所示，由于在电网10中的一些位置中***了阻抗，因此在故障事件期间只存在少量的电力流的重新分配。

图6示出了在IGD 16A的下游发生了故障，此时很快连续发生两个事件。首先，IGD 16A迅速将限流阻抗***到电路径12B(如IGD 16A的交叉影线所示)。接下来，IGD 16A自动将信号传送到合适的最近的邻居IGD 16B、16C或16D，告知故障已经发生。

如图7所示，IGD 16B、16C和16D自动并抢先在各自的线路12F、12K和12A中***阻抗(如IGD 16B、16C和16D的交叉影线所示)。因此，通过单独的IGD 16A-16D的协调合作，故障能量以分散的方式被吸收。如在比较图1至图7时所示，由于在电网10中的一些位置中***了阻抗，因此在故障事件期间只有少量的电力流的重新分配。

之前的描述说明了互连的IGD 16A、16B、16C和16D的独特的特性。IGD 16A、16B、16C和16D被动地对电网10中的瞬时大电流浪涌进行响应，并基于临近IGD 16A、16B、16C和16D的状态主动地进行响应。本地和非本地行为用于检测并减小故障电流，并保护下游设备免受损坏。此外，通过防止重新闭合断路器触发，使用本地控制的IGD还用于通过允许电力在短暂故障电流期间以受控方式流动来改善下游的电力品质。

通过将IGD 16A、16B、16C和16D链接在一起，能够在电网10上产生新的分布式设备。该设备对IGD 16A、16B、16C或16D触发的故障进行响应以在许多节点上稳定电网10。借助计算机科学，可以认为一组IGD是一个元设备14；元设备14是包含一组物理设备的逻辑设备。元设备14具有非常简单的逻辑状态，从原理上说能够产生非常复杂的行为。下面示出元设备14的逻辑状态的部分列表：

元设备状态	注释
		超导A	常规负载条件
超导B	增加的负载，多个元件
		常规A	故障电流
常规B	存在负载时的热恢复
		常规C	没有负载时的热恢复
常规D	来自邻近故障的主动触发
		常规E	可变阻抗，多个元件

元设备14可以位于同一变电站内，或可以位于网络上的远处的变电站和节点处。此外，虽然描述侧重于类似IGD 16A-16D的互连，但是可以使用不相似的设备来创建电业电网元设备。例如，也可以认为互连的IGD、FCL、断路器和开关设备的组是元设备，只要这些分散的物理设备相连接(即，通信)并与组中的其他成员交互。

通过分布式IGD的精确的地理位置和高精度时钟，还可以使用元设备状态函数来获得关于电网状态的信息，例如线路拥堵、峰值负载、故障位置以及损坏隔离。

在电业电网元设备中使用的潜在设备

下面示出在电业电网元设备中使用的潜在设备的部分列表。对于有资格在逻辑元设备中使用的物理设备，该物理设备必须能够控制电网的一些特性(例如，电压等级、电力流、电流等级、相位等)并能够将该信息传递到组中的其他成员，所述其他成员由此可以作为响应以特定的方式动作。以这种方式，元设备的行为具体取决于组中每个物理设备的特定逻辑状态。

可以在电业元设备中使用的物理设备的部分列表

1)智能电网传感器：监控到终端用户的电力流(需求/响应)

2)FCL：短暂故障检测器和衰减器。

3)配备有整体通信能力的可变阻抗设备(VIDICC)：非本地故障响应，有源负载管理。

4)断路器：永久故障隔离，中断的电力流的管理。

5)无功功率补偿器：电压调整和稳定性。

IGD的两个基本部分可以是：

-电网电路元件——处于电网电路中的设备部分

-超导体金属矩阵复合(SMMC)元件

-断路器中的开关设备

-智能电网监控器中的电流传感器

-设备控制电子器件——设备的主动控制和通信部分

-控制电子器件与电网电路元件隔离(例如，控制电子器件可以被光学地耦合，或者以避免设备控制电子器件受到电网电路元件影响的其他方式而被耦合)。

-控制电子器件改变IGD的状态，并由此提供设备行为(例如，对环绕SMMC元件的螺线管施加电流以改变它们的状态)。

-控制电子器件模仿与其他IGD通信所需的电路元件的行为。

-控制电子器件包括全球定位卫星(GPS)或等效的传感器，其提供位置和时间信息。

-控制电子器件通过IGD的位置和固有逻辑状态来唯一地标识该IGD。

-IGD直接与其他IGD和网络管理***(NMS)进行通信。

-控制电子器件由独立专用电源供电(例如，具有备用电池的太阳能电池等)。

IGD具有三种行为模式，这包括设备的被动、固有行为，通过IGD与元设备的其他物理IGD交互而被驱动的控制电子器件层行为，以及由网络管理***(NMS)18驱动的高级受控行为。图8示出了操作***结构的示意图。

被动行为层20

该层包括电力分配网络中的物理设备。每个设备都具有特定逻辑状态，并且可以以某种方式影响电力分配网络。单独的设备与元设备14中的其他设备进行通信。IGD 16A、16B或16C执行电网中的基本功能，例如：

-开启/关闭电力或重新路由至单独的电路

-检测、削减以及消耗短暂故障的能量

-调整电力流

-调整电压和无功功率

被动行为层20中的所有IGD都具有在独立于其他设备进行操作时确定设备的逻辑状态的局部智能。

操作间行为层(设备至设备)23

IGD在操作间行为层23中经由控制电子器件模块之间的通信来进行互连，以提供确定元设备的行为的设备至设备交互。使用控制电子器件来互连设备的互连优势在于：

-控制电子器件功能和操作被设计为与IGD 16A、16B或16C或电力分配***的操作无关。因此，即使物理IGD 16A、16B或16C出现故障，关于IGD 16A、16B或16C或电力分配***的信息也可以被传送。

-在IGD 16A、16B或16C出现灾难性故障的情况下，临近的控制电子器件模块可以检测到发生故障的IGD 16A、16B或16C以及相关联的设备至设备交互不存在，并将该信息报告给NMS 18。

-控制电子器件可以同时将信息传递给NMS 18主动管理层以用于事件记录和主动控制。

IGD通信对元设备的操作和行为是至关重要的。该通信可以通过多种方式来实现，例如：

-无线通信

无线电信号被发送到所有设备，但是只有被允许接收该消息的IGD才对该信号做出动作。这意味着控制电子器件模块必须具有存储与其连接的设备相关的命名信息的能力。可以独立或同时使用不同的无线电频率来控制IGD 16A、16B或16C。

-有线通信

如果元设备14的IGD 16A、16B或16C经由直接连接被连接在一起，则单独的IGD 16A、16B或16C可以在邻近的IGD 16A、16B或16C之间传递信息，直到他们找到目的地为止。该信息交换过程可以与网际协议(IP)网络相类似并可以利用IP技术。这种形式的通信可以出现在在万维网上，但出于安全性的考虑可以作为隔离的内网来操作。

-无线和有线通信的结合

物理隔离距离和IGD 16A、16B或16C的响应时间可以确定元设备中的物理设备之间的最终通信形式。例如，短暂故障需要来自邻近IGD 16A、16B或16C的非常快的通信/响应。因此，当对短时间量程干扰进行响应时IP通信可能是不够的，且应当使用无线电方法。但是，需求/响应和线路拥堵倾向于在更长的时间量程上发生，因此IP通信足以用于这些事件。此外，这些通信方法的结合(例如，在短暂故障事件之后发送无线电信号，经由IP确认邻近IGD 16A、16B或16C激活)可以用于给元设备的整体操作增添安全性和鲁棒性。

在元设备内的所有IGD通信形式中，例如数据加密标准或高级加密标准(AES)之类的加密方法必须用于设备至设备通信和用于元设备至NMS 18通信。这些方法是本领域公知的。

主动控制行为(网络管理***)24

IGD 16A、16B或16C以及相关联的元设备经由控制电子器件中的安全加密的通信链路与NMS进行通信。NMS 18能够接入元设备中的所有IGD16A、16B或16C以及电力分配网络上的所有元设备14。原则上，NMS 18可以允许创建为两个或更多个元设备的集合的“超”元设备。

与IGD 16A、16B或16C和元设备的通信可以包括：

-IGD设备标识符

-时间戳

-IGD逻辑状态

-元设备状态

-电网状态信息(故障发生、配置管理、电力流等)

-加密密钥同步(双侧)

-对单独的IGD 16A、16B或16C或元设备14的主动命令

NMS 18提供对电力分配***的总体控制。NMS 18具有替换***上任意元设备14或IGD 16A、16B或16C的授权，用于维持电力流和电网的稳定性。电力分配***的自动“智能”响应包含在NMS 18控制的元设备的行为中。NMS 18的一些可能的功能包括：

-故障管理

-配置管理

-安全性管理

-维护管理

-账目管理

-容量规划/电网性能管理

图9更详细地示出了图1的IGD 16A。IGD 16A包括可变阻抗设备20、用作状态检测传感器的热电偶22、低温(cryogenic)冷却***24、螺线管元件26、电池28、开关30以及整体通信***32。

低温冷却***24包括：冷冻剂箱34形式的、分别具有下区36和上区38的外壳；下区36中的氢蒸气40(或另一种低温介质，例如液态氖)，该氢蒸汽40为大约20K(或可替换地，氦蒸气在4.2K以上的任意温度，或氢液体在20K，或氖蒸气在27K以上，或氖液体在27K)；上区38中的液态氮42，其位于66K与77K之间；以及制冷***44，用于将氢蒸气40和液态氮42维持在它们各自的温度上。

可变阻抗设备20包括彼此顺序串联的电力电缆76、端子78、电流部件80、HTS部件82、基于MgB₂的SMMC FCL超导体支路84、HTS超导体部件86、电流部件88、端子90、以及电力电缆92。端子78和90位于冷却剂箱34的外部。电流部件80和88延伸到冷却剂箱34的顶部。电流部件80与HTS部件82或电流部件88与HTS部件86之间的接口位于液态氮42中。HTS超导体部件82和86的下端与基于MgB₂的SMMC FCL超导支路84都位于氢蒸气40中。

可变阻抗设备20还包括与FCL超导支路84并联并连接到端子78和90的有限阻抗分流支路96。

在该设计中，电流通过混合大电流引线流入并流出可变阻抗设备20，该引线由电流部件80的铜制部分和HTS超导体部件82的HTS陶瓷部分组成。电流部件80的铜可以由液体或蒸气进行冷却，且在截面区域中进行优化以最小化到在大约77K处被冷却的制冷阶段的热泄露。在77K阶段，铜制电流部件80经由低阻接头连接到大陶瓷HTS部件82。HTS部件82可以是杆、管、圆柱体、板等的形式。HTS部件82被设计为具有非常低的热导率，由此优选地不应该有任何金属阻性分流支路96将铜部件80连接到可变阻抗设备20的低温下区36。HTS部件82在可变阻抗设备20的低温下区36中终止，在该下区36中，其使用非常低电阻率的接触件连接到基于MgB₂的SMMC FCL超导支路84。优选地，HTS部件82与基于MgB₂的SMMC FCL超导支路84之间的该接触件是完全超导的接触件。

FCL超导支路84包括与限流阻性分流支路96并联的基于MgB₂的SMMC部件。在通过FCL超导体支路84之后，电流然后通过HTS部件86、铜电流部件88，并从IGD 16A流出。

FCL和SMMC的细节在2005年10月26日提交的题为“FAULTCURRENT LIMITING SYSTEM”的美国专利申请No.11/259,988中有详细记载，该申请要求于2004年10月26日提交的美国临时专利申请No.60/622,476、于2004年11月18提交的美国临时专利申请No.60/629,079、于2004年12月17日提交的美国临时专利申请No.60/637,176以及于2005年7月29日提交的美国临时专利申请No.60/703,660的优先权，这些专利申请的全部内容通过引用结合于此。

对于小于FCL超导体支路84的临界电流的电流而言，该电流通过铜电流部件80和88、完全超导的HTS部件82和86以及完全超导的基于MgB₂的SMMC FCL超导支路84。在故障电流的情况中，电流通过铜电流部件80和88，并通过HTS部件82和86。然后故障电流的大部分通过限流有限阻抗分流支路96。该有限阻抗分流支路96将额外的阻抗添加到电力网中并削减了故障电流的大小。在该示例中，故障电流通过HTS部件82和86。因此，将HTS部件82和86设计成特定***中可能的故障电流不会超过HTS部件82和86的临界电流是很重要的。如果故障电流超过HTS部件的临界电流(I_C)，则会造成可变阻抗设备20的灾难性故障。

在该示例中，分流包括有限阻抗元件，该有限阻抗元件可以是感性元件、阻性元件或感性元件和阻性元件的组合。虽然超导支路必须被冷却到超导体的临界温度以下的温度，但是限流分流可以位于低温环境内部或外部。通过该电路传输的电流由超导支路的电阻(Z_SC)来确定，该电阻是超导体的临界电流的函数。对于小于I_C的电流，超导体的电阻基本为零，且全部的电流都通过该电路的超导支路。这是在没有故障事件时的FCL的标准工作模式。在这种情况中，FCL仅通过超导支路84来传递电流并且不会在电分配***上施加额外的负载；在没有故障事件的情况下，FCL的工作对于电力分配网络来说是透明的，从而只需增加少量的运行成本且不需要其他的***修改。

当故障发生时，通过超导支路的电流超过I_C，并且超导体的电阻迅速从0变到Ω_N。由于该电路被设计为Ω_N＞＞Z_分流，因此超导支路电阻的迅速增加使得通过该电路的分流支路来重新引导大部分的故障电流。总的来说，图1示出的等效FCL电路的阻抗从电流小于I_C时的0变到电流大于I_C时的Z_分流。在故障发生时的这种阻抗的快速***用于减小故障事件的大小，并由此防止下游的断路器在短暂故障事件时跳闸。在这种FCL设计中，大部分的故障能量被消耗在分流支路中。

在故障事件过后，电流重新回到低于I_C的值，并且超导支路的电阻回到零。当电流低于I_C时这种超导体电阻的降低再一次重新引导了电流，使得超导支路运载全部电流。这是FCL电路的被动自动重置，其对超导FCL的工作是唯一的。在这些设备中，故障电流检测和削减由电相位转变(即，超导至常规状态的转变)引起，该转变由流过超导部件的电流的大小来触发。与其他故障电流检测方案不同，超导FCL不需要任何复杂的故障电流检测算法来确定是否发生故障。相反地，故障检测和***响应是固有的。这是超导FCL的其中一个主要优势。

电路响应可以被如下表示：

超导支路：

Z_SC＝0；I＜I_C

Z_SC＝Ω_N；I＞I_C

分流支路：

Z_分流＝Ω_分流+ωΩL_分流

等效电路阻抗：

假设Ω_N＞＞Z_分流

Z_FCL＝0；I＜I_C

Z_FCL～Z_分流；I＞I_C

上述的电路行为以及在故障事件期间遇到的非常大的电力等级无疑对用于制造FCL的超导部件的特性提出了严格要求。一般来说，超导部件必须具备以下特性以在故障限流应用中能够有效使用；

Ⅰ、对于小于I_C的所有电流而言，该部件必须保持稳定和完全超导。

Ⅱ、对于常规负载电流而言，该部件必须呈现低的AC损耗。

Ⅲ、该部件在传输电流超过I_C时必须迅速回到常规状态。

Ⅳ、该部件在传输电流超过I_C时必须具有大的常规状态电阻Ω_N。

Ⅴ、该部件必须在在故障发生时所发生的超导至常规状态转变期间遇到的温度上升中迅速恢复。

Ⅵ、超导体必须能够经受住在设备寿命期间遇到的许多故障事件期间遇到的反复的热和机械冲击，并且I_C不会明显变小。

除了这些需要的电和机械特性之外，超导部件还必须便宜并容易制成在经济的FCL设备中使用所需的几何形状。

电流运载稳定性、AC损耗和超导体的转换时间(上述特性Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)深深地取决于超导体的电和机械特性。如果去除波动(例如机械、磁通流、热等)所产生的热的速度比产生热的速度快，则超导材料能够在稳定条件下传输电流。超导体的绝热稳定性标准是在电流运载条件下的导体稳定性的度量。图10A示出了稳定超导导体的最大半径，其是低温超导体(LTS)、HTS和MgB₂的临界电流密度(J_C)的函数。这些数据表示作为J_C的函数的能够维持每一类超导体的稳定超电流的最大导体半径。从图示中可以看出，LTS材料具有非常低的绝热稳定性。这就是为什么大电流LTS导体一般由通过铜矩阵稳定的非常细的超导丝的组合来制成的主要原因。但是MgB₂和HTS导体可以在更大导体半径维持稳定超电流，这主要是因为这些材料的大比热与更高的工作温度有关。

AC负载条件下的情况是复杂的，因为在超导体表面改变磁场会由于滞后和涡流的双重影响而导致功率损耗。在类型Ⅱ的超导体中，对于大于H_CI的固有场(self-field)来说，磁通量穿透材料且这些磁通线响应于时变磁场而移动。这种移动导致滞后耗散，其与频率成比例。如果超导材料在常规金属附近，如使用以线或带状的几何形状的许多LTS、HTS和MgB₂的情况，则振荡磁场在常规金属中产生了与振荡频率的平方成比例的阻性涡流损耗。在大功率AC应用中，这两个损耗部件确定了最小稳态低温需求，由此确定了设备的工程(engineering)和经济耐久性。

下表包含多个导体的最近的AC损耗数据，并在经济型超导电力应用的设计中将数据放到AC损耗的关键重要度的环境中。总的AC损耗图很难在不同组之间进行标准化，因此这些数据包括测量温度、频率以及相对于DC临界电流的峰值电流幅值(I/I_C)(如果可用)。

导体	AC损耗	条件
			HTS 2G带“镀层导体”	～0.1W/m	77K，sf，51Hz，100AP，I/IC～0.6
HTS 1G带“管内填充粉”	～0.1W/m	77K，sf，60Hz，96AP，I/IC～0.8
			MgB2线“管内填充粉”	～0.1W/m	4.2K，sf，60Hz，480AP，I/IC～
HTS双股线圈“熔化浇铸陶瓷”	～0.1W/cm3	65K，sf，50Hz，400ARMS

这些数据表明HTS和MgB₂线导体在相对小的AC负载下表现出大的AC损耗。注意，分配级(distribution-level)FCL设备的常规负载条件通常超过600A_RMS(即，～850A_P)；比上表列出的测量条件大得多。此外，典型的大规模电力应用可能需要很多千米的导体。大AC负载和长导体长度的结合意味着需要许多千瓦的制冷能力来维持设备的工作温度。虽然将该材料与时变磁场屏蔽的超导部件的几何形状(例如绞线、丝线交错、非感性构造等)可以明显降低总的热负载，但最终，HTS和MgB₂导体中的传输AC损耗确定了大规模超导设备的低温需求以及经济耐久性。

除了维持常规负载条件下的稳定性以外，同样重要的是在负载电流超过I_C时超导材料迅速转换到常规状态。图10B示出了LTS、MgB₂、和HTS材料的转换时间，与绝热稳定性类似，其也与材料的比热紧密联系。从该图中可以看出，LTS材料的转换时间比MgB₂和HTS材料的转换时间快近1000倍。但是，在这种情况中，是HTS和MgB₂的大比热严重降低了这些材料的响应时间。换句话说，对于大于I_C的电流而言，与小比热材料相比，大比热材料将花费更多时间来加热到大于T_C的温度。这种结果意味着在绝热稳定性和转换时间之间必须达到一平衡来实现FCL应用中的最优性能。由于这些特性很大程度上由材料的固有特性决定，因此在纯粹的LTS、HTS或MgB₂线FCL设计中很难实现恰当的平衡。

当通过超导体的电流超过I_C时，趋向于在材料中的多个位置处形成非超导岛(island)。超导体中的这些局部化的常规区域然后在失超(quench)过程中向整个材料传播(即，从超导迅速转变到常规金属状态)。该非超导区域的传播速率被称为失超传播速度(QPV)，图10C中示出了LTS、HTS和MgB₂的QPV。此外，LTS材料具有非常大的QPV，这意味着当LTS材料经历失超时，其在整个LTS部件中移动得非常快。但是，由于HTS材料的固有的低热导率和在较高温度处相对大的比热，所以该材料的QPV比LTS材料的OPV慢了近100倍。因此，当电流超过I_C时，HTS材料趋向于在局部化的“热点”处失超，该热点不会在部件中迅速传播。由于这个原因，如果在故障条件期间产生的热没有得到有效处理，则在FCL应用中HTS材料易于遭受灾难性的热击穿。这种事件会永久性损坏FCL中的HTS材料，致使***不能使用。

超导材料的绝热稳定性、AC损耗、转换时间以及QPV是在超导FCL设备的设计中的重要因素。这些因素对在FCL的超导支路中使用的特定超导材料来说是固有的。但是，在特性Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ中描述的特征与在FCL中使用的超导部件的工程学特性特别有关。尤其重要的是将超导部件设计成在回复到常规状态时具有大电阻Ω_N。

超导导体的临界电流是该导体的物理几何形状和材料临界电流密度(J_C)的函数。具体为：

I_C(Amps)＝J_C(Amps/cm²)Θ(cm²)

其中，Θ是导体的横截面面积。超导体的临界电流密度与特定的材料制备方法密切相关，且最终受到超导状态的固有特性和外在几何形状相关的固有场的限制。对于给定材料J_C，通过调节部件的横截面面积可以非常容易地设计出超导导体的临界电流，该面积受到绝热稳定性标准的限制。参照图1，回顾FCL的有效工作要求在电流比I_C大得多的情况下Ω_N＞＞Z_分流。电流大于I_C时超导导体的电阻(即，导体的常规状态电阻Ω_N)由下式给出：

Ω_N(Ohms)＝Ω_N(Ohm cm)l(cm)/Θ(cm²)

其中，Ω_N是常规金属状态(即，电流大于I_C，温度大于T_C，或磁场大于H_C)下超导体的电阻率，l是部件的长度以及Θ是部件的横截面面积。为了获得给定的超导I_C，固定横截面面积Θ，然后由常规状态电阻率和部件的长度来确定Ω_N。与J_C类似，Ω_N与特定材料制备方法密切联系，且最终受超导体的常规金属状态的固有特性的限制。因此，能够增大导体的电阻的唯一工程选择是增加导体的长度来获得所需的Ω_N，其由于导体的AC损耗必然增加了总***的低温需求。

显然，在有效FCL设计中有许多起着关键作用的因素。任何设计的成功必须利用超导材料的特定特性，并结合经济且可操作的利处来以实现可行的商业化设备。过去LTS材料已经在一些原型FCL中被使用，且总体上，这些单元的低工作温度(4.2K)已经妨碍了广大市场的接受。

随着长长度的“第一代(1G)”HTS带、“第二代(2G)”HTS镀层导体以及熔化浇铸处理的大体积HTS部件的发展，大量的FCL设计近期已在电力工业上被利用起来。这些设备代表了在开发商业化单元中的一些最大成就，但是仍然受困于在FCL中使用的HTS部件的大AC损耗、差的失超性能以及高成本。另一方面，在转换时间、稳定性、制冷成本以及材料成本方面，MgB₂材料代表LTS和HTS材料之间的中间立场。但是，与HTS材料类似，MgB₂是硬且易碎的陶瓷材料，并可能会具有与HTS陶瓷相同的机械缺陷。至今，LTS、HTS以及MgB₂超导材料还不能具备开发经济型超导FCL***所需的物理以及经济特性。

通过使用MgB₂和多种金属，已经开发了高性能超导体/金属矩阵复合(SMMC)材料。由于比HTS材料的成本低得多且比LTS材料的工作温度高，大型的基于MgB₂的SMMC材料成为在20K和30K之间的温度工作的FCL应用中的具有吸引力的候选者。这些复合材料的热、电以及机械特性主要由金属矩阵的固有特性来决定，该金属矩阵在低于MgB₂的临界温度的温度处会由邻近效应而引发成超导。但是，与HTS和MgB₂材料不同，SMMC材料可以被工程化(例如，通过改变金属矩阵的百分比体积和组成)以获得需求应用中的最优性能。为了示出MgB₂/Ga SMMC材料与HTS和MgB₂陶瓷相比改进的性能，我们已经计算了这些材料在27K下的绝热稳定性、转换时间以及失超传播速度。图11A-11C示出了计算结果，并总结如下：

-含有30％体积的镓的MgB₂/Ga SMMC的绝热稳定性大约是仅MgB₂的两倍

-MgB₂/Ga SMMC的转换时间大约是MgB₂或HTS的一半

-MgB₂/Ga SMMC的QPV大约是仅MgB₂的两倍，是HTS的近50倍

除了这些超导特性以外，我们还测量了含有30％体积的镓的MgB₂/GaSMMC的常规状态电阻率，其在40K时比MgB₂的大大约10倍，在100K时比HTS的小5倍。如之前所述，实际的FCL部件必须不仅具有大的临界电流而且必须在常规状态中具有大的电阻性。由于临界电流密度比HTS的大得多且常规状态的电阻率比MgB₂的大得多，因此基于MgB₂的SMMC材料完美地适用于FCL应用。

通过定义，FCL对电业电网中的短暂干扰进行响应。也就是说，由于超导体传输特性的性质，短时间量程的电流浪涌足以触发超导至常规状态的转变，由此减弱故障。本质上，FCL用于检测和削减电流。这种行为是被动的，即***原则上不需要单独的控制***来激活从超导至常规状态的触发。该转变由在给定温度和磁场处流过超导体的电流的大小来驱动，且对材料本身而言是固有。

在图1中示意性示出的FCL中，其具有与超导元件并联的限流分流。该分流可以是位于低温环境外部、低温环境内部的单独部件，或者可以是在超导部件被驱使到常规金属状态时的超导部件本身。

再参照图9，螺线管26位于超导支路84周围并与电池28和开关30串联连接。热电偶22位于足够靠近超导支路84的位置处，由此热电偶22可以在故障发生时检测超导支路84的温度的升高。

整体通信***32包括总线100、处理器102、存储器104和天线106。处理器102、存储器104和天线106与总线100连接。热电偶22与总线100连接，由此整体通信***32从热电偶22接收信号。开关30连接到总线100，由此整体通信***32可以控制开关30以给螺线管26供电或断电。一组指令108和110位于存储器104和处理器102中。处理器102执行指令108和110，以控制通过天线106传送的信号以及到开关30的信号，并对通过天线106接收的信号以及来自热电偶22的信号做出响应。在指令108和110中还记录了元设备14的状态。

图12示出了IGD 16A的三相多部件限流方面。该限流***包括并联的超导支路84，用于检测和削减故障电流。该***被示出具有四个超导支路，但是可以使用任意数量的超导支路。图12中详细示出了一个相。限流子***被装在低温环境中，该低温环境被保持在超导支路84的超导SMMC限流元件的温度以下的低温温度。

该限流子***的独特在于任意数量的超导支路84可以在任意给定时间运载负载电流。这可以通过中央控制开关***来控制，并允许该设备在用户定义的电流等级处被触发。例如，如果所有的超导支路84都具有相同的临界电流I_C，则如果中央控制开关***120被设定为通过单个元件来传递负载电流，则该设备将在I_C处触发。如果中央控制开关***120被设定为通过两个元件来传递电流，则该设备将在2I_C处触发，等等。通过制造具有针对每个元件的不同临界电流的设备，可以得到其他触发电流等级。该特征允许在多种电力分配情况中对可容忍负载等级进行高级控制。

在通过单个超导支路84运载常规负载电流且所有元件都具有相同的临界电流的示例中，该***的独特在于在给定时间只有一个超导支路84运载电流。当故障发生时，承载负载的超导支路84转换到阻性常规金属状态，削减电流浪涌(通过无缝***常规状态阻抗)，并迅速发热。该***中的每个元件都装配有状态检测传感器，例如热电偶22。

图13示意性地示出了热电偶22的布置。当附着到超导支路84的热电偶检测到相关温度上升时，其触发中央开关控制***120来断开通过故障的超导支路84的电流，并通过另一个仍然处于超导状态的超导支路84来传递该电流。通过中央开关控制***120控制的电流换向可以在零电压交叉处或附近发生(即，在约半波周期处)，或在由中央开关控制***120中的机械开关***的电力开关特性确定的其他时间发生。如果故障是短暂的且在元件转换发生之前被清除，则新的超导支路84将仍然处于超导状态。如果故障持续存在且第二SMMC元件被驱使到常规金属状态，则所述过程重复进行且中央开关控制***120将会将电流换向到下一超导支路84。显然，通过增加超导支路84的数量，可以为设备增加故障的可允许存在时间。此外，中央开关控制***120没有必要立即对电流进行换向。例如，仅在超导支路84达到指定温度之后才在零电压交叉处或附近对电流进行换向是有好处的。

总的来说，这种设计产生非常快的***恢复时间，因为恢复时间不依赖于故障的超导支路84的热特性(即，加热和冷却速率)。相反第，故障的超导支路84由中央开关控制***120从工作中移出，并被允许在替换元件运载电业电网的常规负载电流时在无负载条件下进行冷却。

在该示例中，由超导支路84的温度来促动中央控制开关***120。可替换地，该转变可以通过任意数量的设备状态或其组合来触发，这些设备状态包括但不局限于温度、磁场、电流或电压等级、低温温度、低温杜瓦瓶(dewar)内的气压、AC损耗等等。超导支路84可以是由实体SMMC材料或管线(tubewire)或带中的SMMC粉末制成的条、棍、管、线圈或弯曲路径的形式。原则上，可以使用任意超导材料来制作可变阻抗部件。

该设计中的混合引线包含热导率非常低的高温超导材料。因此，超导支路84与更高温度(例如＞65K)进行热隔离，这明显减小了在低于30K的温度处的设备的低温负载。为了合适的设备工作，HTS部件的临界电流必须比单独的超导支路84或以并联方式一起工作的多个超导支路84的临界电流大，使得在任何设备结构中，流过HTS元件的总电流不会超过HTS元件的临界电流。

以上的多元件IGD 16A设计在被动模式中工作。换句话说，该设备的工作由超导支路84的超导特性来触发。当流过该设备的电流超过所述元件或元件组合的临界电流时，IGD 16A将自我触发。该***被设计成对暂时故障进行响应。如果是永久故障，则内置断路器可以用于隔离电网的受损部分。此外，IGD 16A装配有旁路开关电路，其可以在设备故障或路线维护的情况下使IGD 16A不工作。

图14示出了允许IGD阻抗被主动和被动控制的IGD 16A的方面。在该***中，每个超导支路84都装配有各自的环绕该超导支路84的螺线管元件26。如果中央开关控制***120被供电，则螺线管元件26将超导支路84置入磁场中，然后该磁场使元件从超导状态变到常规金属状态。因此，只通过施加足够大的磁场就能在不发生故障的情况下发生超导至常规状态的转变，这必然向电网中***阻抗。

包括嵌入在类型I邻近效应超导金属(例如，MgB₂/Ga)中的类型II超导颗粒的SMMC材料尤其能很好适用于这种应用，因为类型I感应的超导体(即，MgB₂/Ga SMMC中的嫁)的临界磁场足够小以至于可以通过使用螺线管在SMMC部件表面施加中等磁场就能轻松操纵超电流传输。公知的是，类型I超导体(邻近感应的或固有的)具有低的临界磁场且如果超过该临界磁场则可以迅速进入常规状态。类型II材料允许磁场穿透，由此需要更大的磁场来仅使用磁场消除这些材料的超导性。

该IGD 16A是对短暂故障电流进行被动控制并且对更长时间量程的电流进行主动控制的可变阻抗设备。以施加磁场来将SMMC带入到常规状态为代表的非接触开关设计的独特在于其是没有移动部件的固态开关。“开启”状态是超导而“关闭”状态是常规金属阻抗。与机械开关不同(如果没有在零电压交叉处或附近发生切换，则机械开关可能会被损坏)，这种新型元件的开关状态可以在AC电力条件下的周期期间的任意时间被改变。此外，虽然本申请的重要焦点放在大网络AC电力分配和传输应用中，但是该开关元件还可以用于DC应用中。

除了使用施加的磁场来转换超导支路84的状态以外，还可以通过对元件加热以使其温度高于SMMC的临界温度来转换所述状态。但是，该方法可能不如只对超导支路84施加磁场这么快。还注意到，可以将AC和DC磁场都施加到超导支路84，以驱使超导至常规状态的转变。此外，还可能通过将大磁场永磁铁紧紧接触超导支路84的表面来驱动超导支路84的超导至常规状态的转变。无论如何，可以通过各种方式(例如，磁或热)来发起该转变，但是在向常规金属状态转变期间以及在转变到常规金属状态之后，一定部分地通过耗散的电力来驱动。

在常规状态电流运载情况中，阻抗被无缝***到电网中，并且只要中央开关控制***120维持螺线管26中的磁场，则阻抗就将仍然保留在网络中。通过移除磁场并允许超导支路84在常规负载条件下自然冷却(即，从电网中缓慢地移走阻抗)，或经由中央开关控制***120来快速地将常规负载电流切换到完全超导的超导支路84，来将该***转变回到超导状态。

电分配网络包括成千上万英里的传输和分配线、升压和降压变压器以及各种发电源(例如，非常大的电业和分布式发电源)。至今，主要在大型发电厂执行主动电网监控，其中主要目标是保持电网的相位和频率完整性。现在正开发智能电网应用，其将通过主动监控程序来帮助电业改善电网的运行。这些智能电网应用主要是在分配或住宅层面的监控设备，其可以提供关于电网中的电力流的实时数据。这些监控应用快速地检测何时发生电力故障，并允许在峰值需求时段实现更好的负载均衡。总的来说，这些方法给电业提供了改进的数据收集过程，他们可以使用该数据收集过程来改善给消费者的服务。但是，高级监控和智能电网技术不能给电业提供对电网运行的主动控制，也没有直接改善电网的电力品质。

图15A和图15B示出了关于IGD 16A的整体通信能力的方面。在电业电网中，所述设备用作智能电网传感器、故障削减器以及协作电网稳定器。因此，IGD 16A不仅监控电网中的电力流，还具有在出现故障的情况下稳定电网的能力，或者甚至具有首先防止故障发生的能力。

整体通信***32是安全双向传输设备，其将IGD 16A的工作和状态链接到电业和最近的、第二近的临近的交互IGD 16A，或者原则上位于电网中的任意交互IGD 16A。

虽然已经描述并在附图中示出了一些示意性实施方式，但是可以理解，这些实施方式仅是示意性而非限制本发明，本发明不局限于所示和所述的特定结构和排列，因为本领域普通技术人员可以做出多种修改。

Claims (22)

1.一种电网稳定性元设备，该电网稳定性元设备包括：

多个交互电网设备，每个所述交互电网设备形成电网中各自的电路径的一部分，且每个所述交互电网设备包括：

可变阻抗设备，该可变阻抗设备在故障发生时在各自的路径中***限流阻抗；

状态检测传感器，该状态检测传感器连接到所述可变阻抗设备以在所述故障发生时改变检测状态；以及

整体通信***，该整体通信***具有传输和接收能力并且连接到所述状态检测传感器和所述可变阻抗设备，其中由每个所述交互电网设备检测到的故障自动促使向另一个集成电网设备传输信号、由所述另一个集成电网设备接收该信号以及由所述另一个集成电网设备***限流阻抗。

2.根据权利要求1所述的电网稳定性元设备，其中，由第一集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到第二集成电网设备以及由该第二集成电网设备***限流阻抗。

3.根据权利要求2所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第二集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到所述第一集成电网设备以及由所述第一集成电网设备***限流阻抗。

4.根据权利要求3所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第二集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到第三集成电网设备以及由所述第三集成电网设备***限流阻抗。

5.根据权利要求4所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第一集成电网设备检测到的所述故障促使由所述第二集成电网设备***所述限流阻抗而不促使由所述第三集成电网设备***所述限流阻抗。

6.根据权利要求5所述的电网稳定性元设备，其中，所述第二集成电网设备比所述第三集成电网设备更靠近所述第一集成电网设备。

7.根据权利要求5所述的电网稳定性元设备，其中，在由所述第二集成电网设备***所述限流阻抗与由所述第三集成电网设备***所述限流阻抗之间存在时间延迟。

8.根据权利要求2所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第二集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到第三集成电网设备，以及由所述第三集成电网设备***限流阻抗。

9.根据权利要求8所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第一集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到所述第三集成电网设备，以及由所述第三集成电网设备***限流阻抗。

10.根据权利要求9所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第三集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到所述第二集成电网设备，以及由所述第二集成电网设备***限流阻抗。

11.根据权利要求9所述的电网稳定性元设备，其中，由所述第三集成电网设备检测到的故障促使信号自动传送到所述第一集成电网设备，以及由所述第一集成电网设备***限流阻抗。

12.根据权利要求1所述的电网稳定性元设备，其中，所述限流阻抗允许电流流过所述各自的路径。

13.根据权利要求12所述的电网稳定性元设备，其中，所述可变阻抗设备包括并联的超导体支路和有限阻抗分流支路，如果电流低于所述超导体支路的临界电流，则该电流流过所述超导体支路，以及如果所述电流超过所述临界电流，则所述超导体支路减小流过该超导体支路的电流，且所述有限阻抗分流支路中的电流增加，以增加并联的所述超导体支路和所述有限阻抗分流支路的阻抗。

14.根据权利要求13所述的电网稳定性元设备，该电网稳定性元设备还包括：

可操作以与所述超导体支路的超导体材料耦合和解耦合的元件，其中耦合关系的改变导致所述超导体支路的电阻的改变，该元件连接到所述整体通信***使得该整体通信***响应于所述信号的接收来操作该元件。

15.根据权利要求14所述的电网稳定性元设备，其中，所述元件是在被加电时在所述超导体支路中产生磁场的螺线管元件。

16.根据权利要求13所述的电网稳定性元设备，其中，所述状态检测传感器是检测所述超导体支路的温度的热电偶。

17.一种稳定电力的方法，该方法包括：

使用第一可变阻抗设备来检测电网中的故障；

使用离所述故障最近的所述第一可变阻抗设备来在所述电网的第一路径中***限流阻抗；

在检测到所述故障后，将信号从所述第一可变阻抗设备传送到第二可变阻抗设备；

在所述第二可变阻抗设备处接收所述信号；以及

响应于接收到所述信号，使用所述第二可变阻抗设备在所述电网的第二路径中***限流阻抗。

18.一种交互电网设备，该设备包括：

第一端子和第二端子；

电连接所述第一端子和所述第二端子的超导体部件；

冷却***，所述超导体部件与该冷却***连接以被冷却到该超导体部件的超导体材料的临界温度以下，从而允许超导电流流过所述超导体部件，其中故障导致所述超导电流减小；

状态检测传感器，该状态检测传感器被设置以用于在所述故障发生时改变检测状态；以及

连接到所述状态检测传感器的整体通信***，该整体通信***在所述故障发生时产生信号并传送该信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述状态检测传感器是检测所述超导体支路的温度的热电偶。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述可变阻抗设备包括并联的超导体支路和有限阻抗分流支路，如果电流低于所述超导体支路的临界电流，则该电流流过所述超导体支路，以及如果所述电流超过所述临界电流，则所述超导体支路减小流过该超导体支路的电流，且所述有限阻抗分流支路中的电流增加，以增加并联的所述超导体支路和所述有限阻抗分流支路的阻抗。

21.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括：

可操作以与所述超导体支路的超导体材料耦合和解耦合的元件，其中耦合关系的改变导致所述超导体支路的电阻的改变，该元件连接到所述整体通信***使得该整体通信***响应于所述信号的接收来操作该元件。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述元件是在被加电时在所述超导体支路中产生磁场的螺线管元件。

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