估计向消费者提供电力供应的网络中故障率水平所用的设备

技术领域

本发明涉及估计向消费者提供电力供应的网络中故障率水平所 用的设备。本发明也涉及估计向消费者提供电力供应的网络中故障率 水平所用的方法。

背景技术

消费者可能经由多家不同的公司之一接收其电力供应。这些不同 的公司往往被称为电力公用事业公司。在联合王国，有需要电力供应 的许多地区，每个地区都由公司中不同的一个经营。类似的情形发生 在其他国家，比如美利坚合众国。迫使不同的公司负责保持其网络安 全以应对疏忽造成的故障，例如由树枝落在电力线上导致的故障，或 者机械挖掘机挖断电力电缆所导致的故障。

故障发生时，会释放可能巨大的能量水平，像是水坝决堤。为了 应对这种情况，公用事业公司具有“保护电路”，它们在故障发生后 立即中断电力，如切断它。如果保护电路对疏忽造成的故障足够稳健， 那么就没有问题。不过，如果保护电路的原始设计是基于后来改变的 条件，那么就存在着危险，保护电路无能力应对某些故障的程度，所 以保护电路将不能给出设计时要求的保护。

众所周知，疏忽造成的故障引起过量电流的产生，同时流动的这 些过量电流产生大磁场，它们也可能引起问题。这些过量电流被称为 “故障电流”。有时描述总的“故障功率”。无论描述过量电流的方 式如何，“故障率水平（fault level）”都是关键事物。

不实际地引入故障就不可能确定地测量故障率水平。这类似于通 过故意使水坝决堤来测量最差情况下的水流。很清楚，公用事业公司 不希望为了确定地测量故障率水平而在其网络中故意地引入故障。因 此公用事业公司尽力对其网络进行计算机模拟，有时它们使用特殊的 装备偶然地在其网络中制造小故障。

大约十五年前，上述问题是称为电力协会的联合王国全行业团体 的工作主题。电力协会生产了一种设备，它使用网络上发生的“自然” 扰动，比如由于接通重负载或者工厂启动而发生的“自然”扰动。这 些“自然”扰动过去用于给出网络特征有关的线索，更确切地说网络 阻抗从而故障率水平。如果可用电压已知，并且从电站到故障地点的 网络阻抗（电阻）已知，那么就有可能计算最大电流流动，它将是故 障率水平。根据电力协会的需求，建造了大约三十台设备。假设每个 公用事业公司都有两台设备。这些设备的工作方式为测量网络被扰动 时电压和电流中的变化，然后从这些变化计算阻抗。对于在测量点上 游的上游阻抗，这是相对容易做的事情。关键的是，已知设备增加了 另一个因素，它是对目前的公用事业公司正在引起相当大问题的事情。 这种额外因素被称为“马达贡献（motor contribution）”。

故障能量一般来自上游。不过，如果测量点下游或上游的马达由 于负载要求正在旋转，并且其电源突然被去除，那么这些马达就突然 变成电发生器或发电机，并且它们能够将其产生的电传递回其网络的 电网中。这种附加电源被称为马达贡献，并且其需要被包括在整个故 障率水平中。这是因为该马达贡献升高了短期的可用电流，并且仅仅 在关键的几十毫秒可致使保护电路低估。

测量点上游和下游的马达都可能对故障电流做贡献。一般来说测 量点上游的马达对于测量点是不“可见”的，因为上游负载对经过测 量点的静态电流不做贡献。不过，在故障条件下，它们能够做暂短贡 献，正如以上介绍，并且其动态故障贡献能够被评定为整体故障率水 平的一部分，一般来说由上游条件支配。不过，测量点下游的马达也 将做贡献而这种贡献更难以评定。

由电力协会生产的已知设备使用了马达的计算机模型 （Shackshaft模型），以根据观测到的由这些马达吸引的电流估计可 能的马达贡献。这就使这样的估计易受移走马达的影响——因为将不 可能宣称是否应当应用马达贡献——如果马达和类似幅度的电阻负载 都一个接一个地应用，使得观测到马达启动并考虑其贡献，然后移走 一个负载，不可能准确地宣称是马达被隔离（即关闭），还是电阻负 载被隔离。在一种情况下，对故障电流的马达贡献仍然适用，而在另 一种情况下对故障电流的马达贡献不适用。多台马达可能加剧不确定 性，因为不可能在多台分开的马达的顺序连接与同一马达的多次连接 和断开之间进行区分。

发明内容

本发明的目标是对上游和下游马达贡献都减少以上陈述的问题。

所以，在本发明的一个非限制实施例中，提供了估计向消费者提 供电力供应的网络中故障率水平所用的设备，所述设备包括：

(i)上游计算器装置，用于计算所述网络中和测量点上游的 上游阻抗，通过利用由于消费者移走或对所述网络供电 而在所述电力供应中产生的变化之后和随之发生的变化 来计算所述上游阻抗；以及

(ii)下游计算器装置，用于：

(a)计算所述网络处于稳定状态时所述网络中的静态下游 阻抗，它被用作参考点，它在所述测量点的下游，并 且它基于所述电力供应中的所述变化发生时间之前和 /或之后的测量结果；

(b)测量所述电力供应中的所述变化发生之时的实际下游 阻抗；以及

(c)获得所计算的静态下游阻抗与所述实际下游阻抗之 差，从而获得指明对所述网络的动态下游马达电贡献 的下游阻抗。

本发明的设备可以是有益的，不仅在于应对了由所述马达贡献所 导致的问题，而且还在于应对了来自其他非电阻性组件的其他非电阻 性贡献。

优选情况下，所述设备是其中所述下游计算器装置按以下三个步 骤运行的设备：

(i)Zds是静态下游阻抗，从下式算出

(V1-V2mean/I1-I2mean)

(ii)Iprime(t)=I2(t)+(V1-V2(t))/Zds

(iii)Zdown(t)=(V1-V2(t))/(I1-Iprime(t))

使用电压和电流下落的扰动（阶跃）。

应当认识到，所述以上量是数学上复合的（复数）。通过在主电 压1/2周期（或者更多）上的复相关（或傅氏变换）技术，或者在三 相应用的情况下通过来自两相或更多相的瞬时样本的直接计算能够获 得各种量。

优选情况下，根据所述电力供应中的所述变化发生之时前后的测 量结果计算所述静态下游阻抗。

本发明的所述设备可以包括组合器装置，用于将所述上游阻抗与 指明对所述网络的动态下游马达电贡献的所述下游阻抗组合，从而获 得指明所述网络中所述故障率水平的所述故障电流。

所述组合器装置可以运行如下：

Zcombined=Zdown×Zup/(Zup+Zdown)

所述设备可以是其中所述上游计算器装置用于利用由于消费者 移走或对所述网络供电而在所述电力供应中产生的变化之后和随之发 生的电压和电流中的变化以计算所述上游阻抗的设备。

所述设备可以是包括阶跃变化检测器，用于检测所述电力供应中 的阶跃变化，以及分类器装置，用于接收(i)来自所述阶跃变化检测器 的输入，以及(ii)来自所述网络但是不经由所述阶跃变化检测器的电压 和电流输入的设备。

优选情况下，所述设备是其中所述上游计算器装置用于计算上游 静态和动态阻抗的设备。

本发明还提供了用于估计向消费者提供电力供应的网络中故障 率水平的方法，所述方法包括：

(i)提供上游计算器装置，用于计算所述网络中和测量点上游的上 游阻抗，通过利用由于消费者移走或对所述网络供电而在所述电 力供应中产生的变化之后和随之发生的变化来计算所述上游阻 抗；以及

(ii)提供下游计算器装置，用于：

(a)计算所述网络处于稳定状态时所述网络中的静态下游 阻抗，它被用作参考点，它在所述测量点的下游，并 且它基于所述电力供应中的所述变化发生时间之前和 /或之后的测量结果；

(b)测量所述电力供应中的所述变化发生之时的实际下游 阻抗；以及

(c)获得所计算的静态下游阻抗与所述实际下游阻抗之 差，从而获得指明对所述网络的动态下游马达电贡献 的下游阻抗。

在本发明的方法中，所述下游计算器装置可以按以上陈述的三个 步骤运行。

本发明的方法可以包括提供组合器装置，用于将所述上游阻抗与 指明对所述网络的动态下游马达电贡献的所述下游阻抗组合，从而获 得指明所述网络中所述故障率水平的所述故障电流。

在本发明的方法中，所述组合器装置可以按以上陈述运行。

在本发明的方法中，所述上游计算器装置也可以按以上陈述运 行。

在本发明的方法中，所述阶跃变化检测器可以用于检测所述电力 供应中的阶跃变化，以及所述分类器装置可以用于接收(i)来自所述阶 跃变化检测器的输入，以及(ii)来自所述网络但是不经由所述阶跃变化 检测器的电压和电流输入。根据所述网络中的测量点、网络特征等， 所述阶跃检测和分类通常将有变化。

优选情况下，在本发明的方法中，所述上游计算器装置用于计算 上游静态和动态阻抗。

附图说明

现在将仅仅通过举例的方式并参考附图介绍本发明的实施例，其 中：

图1展示了网络的运行，它向消费者提供电力供应，并且它易于 遭受疏忽造成的故障，例如树枝落在电力线上，或者挖掘机挖断供电 电缆，结果是过量电流的流动，所述过量电流被称为具有故障率水平 的故障电流；

图2显示了估计图1所示网络中故障率水平的设备。

具体实施方式

参考图1，显示了向消费者提供电力供应的网络2。网络2包括 电站4，它的运行为网络2提供了主要的电功率源。电缆6从电站4 向负载8提供电力，它可以是例如由一个或多个城镇、工厂和马达所 需要的电力。

网络2包括动态的辅助电源10。这种辅助电源10可以包括马达 贡献并且它可以以马达或其他发电机的形式，比如来自风力发电厂或 光伏装置。

电缆6具有阻抗。在疏忽造成的故障事件中，例如树枝落在电力 线上或者挖掘机挖断电缆，故障电流将发生并且需要知道故障率水平。 图1示意地显示了测量点12，其中在位置14询问电缆6以便测量在 测量点12的电流和电压。电站4和辅助电源10通常但不是总在测量 点12的上游。它们也可以在测量点12的任一端，例如在风力发电厂 向电网供电并期望测量刮风并且电流从风力发电厂流向电网时来自风 力发电厂的故障率水平。也可以包括马达的负载8在测量点12的下游。 当负载8增大时，电流I升高而电压V典型情况下降低。（由于负载 增大的负载阶跃之前的）电压V₁之后下降至V₂(t)，而（之前的）电 流I1后来升高至I₂(t)。V₂和I₂都是时间(t)的函数，因为典型情况下在 第一次见到扰动阶跃之后V₂和I₂都要在短时段内继续变化。从见到 扰动阶跃之后发生的几个周期可以获得V2mean和I2mean。

同样，如果电站4的输出变化产生了扰动，例如由于电力公用事 业公司为了维持网络电压而改变了抽头，则电压V和电流I都可能升 高或降低，产生V₂(t)和I₂(t)，即时间的函数。

现在参考图2，显示了本发明的设备16。因此设备16用于估计 向消费者提供电力供应的网络中的故障率水平，例如网络2。设备16 包括上游计算器装置18、下游计算器装置20和组合器装置22。电压 V和电流I被显示为传递到阶跃变化检测器24和分类器26。分类器 26能够经由线路30操作开关装置28。开关装置28在适宜的状态时， 电压V和电流I能够传到Zds静态设备32以及上游计算器18和下游 计算器20。上游计算器18与过滤器和统计处理器装置34连接。下游 计算器20与后处理器、过滤器和统计处理器装置36连接。装置34 提供Zup(t)。装置36提供Zdown(t)。组合器装置22组合Zup(t)和 Zdown(t)。整个设备16可以受控于采样时钟40形式的控制装置。组 合器装置22的输出当与网络声明的标称或实际电压组合时，是指明网 络2中的故障率水平的故障电流的度量。

从图2将看到设备16是这样的，它包括：

(i)上游计算器装置，用于计算所述网络中和测量点上游的 上游阻抗，通过利用由于消费者移走或对所述网络供电 而在所述电力供应中产生的变化之后和随之发生的变 化来计算所述上游阻抗；以及

(ii)下游计算器装置，用于：

(a)计算所述网络处于稳定状态时所述网络中的静态下游 阻抗，它被用作参考点，它在所述测量点的下游，并 且它基于所述电力供应中的所述变化发生时间之前和 /或之后的测量结果；

(b)测量所述电力供应中的所述变化发生之时的实际下游 阻抗；以及

(c)获得所计算的静态下游阻抗与所述实际下游阻抗之 差，从而获得指明对所述网络的动态下游马达电贡献 的下游阻抗；以及

(iii)组合器装置，用于将所述上游阻抗与指明对所述网络的 动态下游马达电贡献的所述下游阻抗组合，从而获得指 明所述网络中所述故障率水平的所述故障电流。

设备16的运行提供了估计向消费者提供电力供应的网络中故障 率水平的方法。该方法包括提供以上陈述的上游计算器装置、下游计 算器装置和组合器装置。

下游计算器装置按以下三个步骤运行：

(i)Zds是静态下游阻抗，从下式算出

(V1-V2mean/I1-I2mean)

(ii)Iprime(t)=I2(t)+(V1-V2(t))/Zds

(iii)Zdown(t)=(V1-V2(t))/(I1-Iprime(t))

使用电压和电流下落的扰动（阶跃）。

优选情况下组合器装置运算如下：

Zcombined=Zdown×Zup/(Zup+Zdown)

上游计算器装置18优选情况下用于利用由于消费者移走或对所 述网络供电而在所述电力供应中产生的变化之后和随之发生的电压和 电流中的变化以计算所述上游阻抗。

在设备16中，阶跃变化检测器24用于检测所述电力供应中的阶 跃变化，以及分类器装置26用于接收(i)来自所述阶跃变化检测器24 的输入，以及(ii)来自所述网络2但是不经由所述阶跃变化检测器24 的电压和电流输入。

在对图2所示的设备16的修改中，装置34、36可以变化或被省 略。采用装置34、36时，对于用户可能希望获得故障率水平的扰动阶 跃之后的每个瞬间，它们都生产平滑的和理想地无噪声结果。在统计 处理器功能是为了评估平滑后结果的可能质量及其评估的可能误差的 情况下，这可能是所期望的。然后可以组合来自上游和下游路径的过 滤后数据并计算联合质量优值。

采用装置34、36时，人们很可能希望考虑每个事件的权重，也 许通过观察对其正在进行故障率水平计算的每个瞬间的电压和/或电 流阶跃的大小。因此，事件的大小（根据电压和电流阶跃幅度）可以 用作应当把多大的权重附加到对该特定瞬间的计算结果的指引。

在本发明的替代实施例中，可以省略组合器装置。在这种情况下， 上游和下游阻抗以及由此的上游和下游故障率水平贡献可作为分开的 实体。用户可以选择彻底地分开上游和下游故障率水平贡献，并且观 察独立于另一个方向的一个方向的原始未过滤结果的贡献，使得用户 然后可以考虑从该方向简单地过滤全部结果是否适当。这可以是有利 的，因为即使仅仅在一个方向，仍然存在着在全部贡献内有不止一个 “群体”或“结果组”的可能性，比如在主马达贡献者已经花费了部 分时间关闭的期间这有可能在一段时间上出现。在马达开机并可能做 出马达贡献的同时所形成的结果组有可能本质上不同于在马达关闭的 同时所形成的结果组。在一起过滤两种不同的结果组有可能不适合， 相反最好将其视为未过滤结果的单一分布上的两个截然不同的群体。 因此，例如装置34、36的过滤器部分的角色显著地低于以上参考图1 和图2介绍的角色，并且装置34、36的统计处理器部分在两种情况下 也不同。如果来自上游和下游的数据被呈现为原始结果的分布，就不 太清楚可以如何将它们最好地组合，所以可以将组合留给用户或者根 本不做。

应当认识到，以上参考附图介绍的本发明实施例仅仅通过实例已 经给出并且可以有效地进行修改。附图中所示的各个组件不限于在其 附图中的使用，在其他附图和本发明的所有方面都可以使用它们。