阅读说明：本技术 对电力系统中的低能事件的检测 (Detection of low energy events in power systems ) 是由 埃德蒙德·O·施维泽三世 阿芒多·古兹曼-卡西拉 韦塞林·斯肯德奇克 曼加帕斯劳·文卡塔·迈纳 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本公开涉及确定在电力线路上的低能事件的位置。例如,IED可以接收指示电力线路的本地电气状况的输入信号。IED可以基于本地电气状况来检测在电力线路上的行波。IED可以基于本地电气状况和远程电气状况来检测在电力线路上的行波。IED可以确定行波与低能事件相关联。IED可以至少部分地基于行波来确定低能事件在电力线路上的位置。(The present disclosure relates to determining the location of low energy events on a power line. For example, the IED may receive an input signal indicative of a local electrical condition of the power line. The IED may detect traveling waves on the power line based on local electrical conditions. The IED may detect traveling waves on the power line based on the local electrical conditions and the remote electrical conditions. The IED may determine that the traveling wave is associated with a low energy event. The IED may determine a location of the low energy event on the power line based at least in part on the traveling wave.)

具体实施方式

发电和输电系统被设计成生成电能、传输电能，并将电能分配给负载。发电和输电系统可以包括诸如发电机、电动机、电力变压器、输配电线、断路器(CB)、断接器(disconnects)、母线、传输线路、电压调节器、电容器组等装备。可以使用智能电子设备(IED)来监测、控制、自动化和/或保护这些装备，智能电子设备从装备接收电力系统信息，基于信息做出决策，并且向装备提供监测、控制、保护和/或自动化输出。例如，IED(例如继电器)可以获得指示在电力线路上有故障的电气测量结果，并在故障出现时执行保护动作以保护电力系统。电力线路上的故障可能引起被称为对故障检测有用的行波的、沿着电力线路传播的暂态(transients)。当检测到故障时，IED可以使用行波被接收到的时间来计算故障出现的位置。

然而，如果故障未被检测到，则这样的IED通常丢弃检测到的行波信息。如下所述，IED可以计算发射行波的事件的位置。通过计算产生行波的事件的位置，操作员可以被告知低能事件——所具有的能量比故障事件低的事件，这可以允许操作员改进对电力线路的监测。低能事件可以指示闪络、早期故障或其他事件，低能事件如果被听任未校正则可能发展成故障。

图1是用于检测和计算在电力系统中的高频暂态信号(例如行波)的源的位置的系统100的框图。系统100可包括生成系统、传输系统、分配系统和/或类似系统。系统100包括连接两个节点的导体106，例如传输线路、分配线路或其他电力线路，该两个节点被示为本地终端112和远程终端114。本地终端112和远程终端114可以是分别由发电机116和118供电的传输系统中的母线。尽管为了简单的目的以单线路形式被示出，但系统100可以是多相系统，例如三相电力输送系统。

系统100由分别位于本地终端112和远程终端114处的本地IED 102和远程IED 104监测，但是另外的IED也可用于监测系统的其他位置。如在本文中所使用的，IED(例如IED102和104)可以指监测、控制、自动化和/或保护在系统100内的受监测的装备的任何基于微处理器的设备。这样的设备可包括例如远程终端单元、差动继电器、距离继电器、定向继电器、馈线继电器、过电流继电器、电压调节器控件、电压继电器、断路器失灵继电器、发电机继电器、电动机继电器、自动化控制器、间隔控制器、计量器、自动重合闸控制器、通信处理器、计算平台、可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器、输入和输出模块，等等。术语IED可以用于描述单独IED或包括多个IED的系统。IED 102和104可以使用电流变压器(CT)130和132、电位变压器(PT)134和136来获得电力系统信息。可选地，可以使用Rogowski线圈、分压器等。IED 102和104还可接收来自公共时间源110的公共时间信息。IED 102和104可以使用来自CT 130和132和/或PT 134和136的电信号来检测在电力线路上的故障事件。在各种实施例中，IED可以经由CT、PT等来获得模拟信号，而在其他实施例中IED可以从合并单元(merging units)获得数字化模拟信号，合并单元从电力系统获得电信号并将数字化模拟信号传递到IED。

公共时间源110可以是能够将公共时间信号(例如全球导航卫星系统(“GNSS”)时间信号)输送到IED 102和104中的每一个的任何时间源。GNSS系统可被分布在大区域中的多个设备和应用使用。除了GNSS之外，还可以使用IRIG系统、WWVB或WWV信号、基于网络的系统(例如IEEE1588精确时间协议)等来体现公共时间源110。

数据通信信道108(例如光纤信道)可以允许IED 102和104交换与行波检测、行波时间、行波极性、基于时域增量的故障方向和反映在导体106上的电气状况的其他测量结果(例如电压、电流)、时域故障检测以及故障位置等等方面相关的信息。根据一些实施例，基于公共时间源110的时间信号可使用数据通信信道108而被分配到IED 102和104和/或它们之间。数据通信信道108可以被体现在各种介质中，并可利用各种通信协议。

如上面所提到的，高能事件(例如故障事件)可以使行波在电力线路上传播到IED102和104中的每个。IED 102和104可以检测这些故障事件，并发送信号以使CB 138和/或139断开。在本文中的几个实施例中，在电力线路上的行波可用于检测和计算故障的位置。例如，双端行波故障定位(DETWFL)方法可以使用在行波在本地IED 102处被检测到的时间和行波在远程IED 104处被检测到的时间之间的时间差以及线路长度和行波线路传播时间(TWLPT)来计算故障位置。IED 102和104可以监测电气状况的输入信号，并使来自输入信号的测量结果与当测量被进行时的时间戳相关联。在某些实施例中，使用DETWFL方法，可以使用等式1来计算从本地终端到故障位置的每单位距离(m)。

其中：

Δt是在本地终端处的前行波(front traveling wave)到达时间(t_L)和在远程终端处的前行波到达时间(t_R)之间的差，

TWLPT是行波线路传播时间，以及

L是线路长度。

在其他实施例中，IED可以执行单端故障定位方法，该方法使用行波的反射来确定故障位置而不使用远程测量结果。例如，行波可以重复地从事件传播到IED 102并回到事件。IED 102可以使用等式2来计算故障位置。

其中：

Δt_L是在来自在本地终端处的故障的第一次反射的到达时间(t_L2)和从故障到本地终端的初始波前的到达时间(t_L1)之间的差，以及

TWLPT是行波线路传播时间。

虽然这些方法是作为示例被给出，但是注意，使用行波来确定故障的位置的任何合适的方法可以被使用。除了产生行波的高能故障事件之外，还观察到低能事件(即，非故障事件)也可以产生行波。例如，低能事件(例如部分放电)可能由于污秽或损坏的绝缘体、侵蚀的植被、发生故障的绝缘体、灌木丛的火灾、早期电缆故障等而重复地出现。

图2示出了根据一个实施例的电流信号140和电压信号142，其中在故障之前使用时间对准高频测量(time-aligned high-frequency measurements)来识别低能事件。本地IED 102在本地终端112处接收指示本地电流150和本地电压170的输入信号，以及远程IED104在远程终端114处接收指示远程电流152和远程电压172的输入信号。远程IED 104可以将远程电气测量结果和相关时间戳传递到本地IED 102，以允许本地IED 102分析时间同步的本地电气测量结果和远程电气测量结果。在时间0毫秒左右，在负电压峰值174期间，远程IED 104和本地IED 102检测在电流信号上由低能事件154产生的小振幅、高频暂态信号。低能事件154可能不是实际故障，但可能是故障前事件，从该故障前事件起，后续在同一位置处有较高的可能出现故障。低能事件154的位置还与在本地电流信号150和远程电流信号152的行波的峰值之间的时间差有关，如上面关于故障定位方法所述。

在正电压峰值处，在时间10ms左右，在电流信号150和152上检测到额外的行波156。比较在当行波被本地IED 102检测到时和当行波被远程IED 104检测到时之间的时间表明：低能事件154的行波和与故障事件160相关联的行波156是从电力线路上的同一位置传播的。

如所示，在高能事件160(即，故障事件)处，IED使用线路保护算法来检测实际故障。虽然在与故障事件160相关联的行波之前仅示出了低能事件154和156，但是根据所观察到的事件的类型，在故障之前可以随着时间的过去观察到低能事件。这些低能事件可能在故障之前在电力系统上重复地发生。低能事件可能出现在例如最大系统电压期间。

图3是检测行波并提供不与故障相关联的低能事件的位置的IED 102的框图。IED102可以经由输入端196和198连接到CT 130和PT 134，以允许IED 102接收电气状况(例如电压和电流)的信号。IED 102可以经由输出端199连接到CB 138，以允许IED 102向CB 138发送信号以使CB138断开。输入端196和198以及输出端199可以指用于将IED 102连接到其他设备的端口、连接器等。在其他实施例中，IED可以从电力系统获得信号，并使用合并单元向CB发送命令。IED 102还可以包括经由一个或更多个通信总线212通信地耦合到彼此的一个或更多个处理器200、计算机可读介质(例如存储器202)、通信接口204、显示终端206和检测电路208。

处理器200可以被体现为微处理器、通用集成电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他可编程逻辑设备。应当注意，图3中的处理器200和其他相关项(例如存储器202和/或检测电路208)在本文中通常可以被称为“处理电路”。此外，处理电路可以是单个被包含的处理模块，或者可以全部或部分地被合并在电子设备102内的任何其他元件内。应当注意，图3仅仅是特定实现方式的一个示例，并且旨在示出可以存在于IED102中的部件的类型。

在图3的智能电子设备102中，处理器200可以可操作地与存储器202耦合以执行各种算法。由处理器200执行的这样的程序或指令可以存储在任何合适的制品中，该制品包括至少共同存储指令或例程的一个或更多个有形计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM232)和只读存储器(ROM 234)。

在所示的实施例中，IED 102包括基于输入信号来检测电力线路的各种电气状况的检测电路208。检测电路208可包括将输入信号变换到可由IED 102采样的电平的变压器225和226。检测电路208可以包括模数转换器220，模数转换器220对电流和电压信号采样并产生可以被传输到处理器的表示在电力线路上的测量到的电流和测量到的电压的数字信号。检测电路208可以包括行波检测电路222，行波检测电路222对低频信号(例如经由带通滤波器或其他滤波器)进行滤波，并提供指示一个或更多个行波在电力线路上被检测到的信号。此外，检测电路208可以包括提供指示高能事件(例如故障事件)被检测到的信号的故障检测电路(例如比较器)。例如，如果电流超过预设阈值和/或随时间变化的电流超过预设阈值，故障检测电路224可以向处理器200提供指示已经出现高能事件的信号。如所示，行波检测电路222和故障检测电路224可以被体现为在FPGA上的单独逻辑电路。虽然这些在所示实施例中被描述为在硬件中被执行，但是如上面所提到的，需注意，根据实现方式，硬件和软件的任何组合(例如，如存储在存储器202中的指令)可以被使用。

通信接口204可以包括与另一个IED(例如远程IED 104)通信的光纤收发器，以从另外的IED接收指示一个或更多个测量结果的信号。在一些实施例中，处理器200可以经由通信接口204的收发器向中央监测站发送指示故障的位置的信号。

IED 102可以包括显示终端206以显示低能事件的表。此外，在重复检测到低能事件时，处理器200可以激活警报器，例如在显示屏上的LED或警报。在某些实施例中，处理器200可以通过经由输出端199向CB 138发送信号来实现对系统100的控制操作。例如，在检测到故障时，处理器102可以发送信号以控制CB 138的操作以将电力线路106从电源(例如发电机116)断开。

图4是可由IED 102在监测低能事件时执行的过程260的流程图。该过程可以作为指令(例如代码)存储在IED 102的存储器202中以执行本文描述的步骤。如所示，本地IED102可以经由输入端196和198接收指示电力线路的本地电气状况(例如本地电流和/或本地电压)的输入信号(块262)。此外，本地IED 102可以经由通信接口204接收指示电力线路的远程电气状况(例如远程电流和/或远程电压)的通信信号(块264)。

本地IED 102可以基于本地电气状况和远程电气状况来检测行波(块266)。例如，行波检测电路222可以提供行波干扰检测信号，该行波干扰检测信号基于在电力线路上的电流中的高频信号来指示本地行波在本地IED 102处被检测到。此外，远程电流测量结果和相关时间戳可以指示行波被远程IED 104检测到。

本地IED 102然后可以将产生行波的事件识别为高能事件(例如故障事件)或者低能事件，在低能事件中故障还没有出现(菱形268)。为了识别行波是否与故障或高能事件相关联，处理器200可以等待预定的时间段(例如20ms、30ms等)以接收指示在电力线路上存在故障的故障信号。例如，如果故障检测电路224检测到在电力线路上的电流已经超过阈值，则故障检测电路224可以提供指示当前在电力线路上有故障的故障信号。

当根据事件的能量特征检测到事件时，本地IED 102可以执行各种动作。也就是说，本地IED 102可以在事件被识别为高能事件时执行一个动作，而在事件被识别为低能事件时执行不同的动作。例如，当该事件被识别为故障事件时，本地IED 102可以发送信号以使CB 138断开，进而电气地断开电力系统的一部分以保护电力系统(块270)。此外，在检测到故障事件时，本地IED 102可以将故障的位置传递到中央监测站和/或在显示终端206上提供故障的位置。

当事件被识别为低能事件(即，不与故障事件相关联)时，本地IED 102可以执行对低能事件计数的监测动作(块280)。IED 102可以将低能事件识别为这样的事件：产生传播到本地IED 102和远程IED 104的行波(如由行波电路222所指示的)，但是在从行波被检测到的时间开始的一个时间段内具有不超过来自正常操作(例如，其中故障信号指示故障不存在)的预期操作电流和/或电压的电流和/或电压。这些预期操作电流、电压和时间段可以(例如经由用户设置)被设置为阈值，阈值可以取决于特定的应用。

如下面所解释的，本地IED 102可以对在电力线路上的线路间隔(也被称为区间)处的低能事件的数量计数，而不使保护动作被执行(例如，不发送使断路器138断开的信号和/或不使电力系统的任何部分断开连接的信号)。在某些实施例中，本地IED 102可以确认低能事件是要被存储的有效低能事件。例如，本地IED 102可以确认本地行波和远程行波具有相同的极性以确保检测到的行波源自在本地IED和远程IED之间的电力线路上出现的事件。也就是说，IED 102可以使用行波的极性来确认事件的方向。

当低能事件有效而被存储时，本地IED 102可以确定低能事件的位置落入的区间。例如，本地IED 102可以在存储器202中具有区间表，该表具有在每个区间处低能事件的总数的相对应的计数器。在该示例中，本地IED 102可以使低能事件的位置出现的区间的计数器递增。

在一些实施例中，IED 102可以从另一电子设备(例如中央监测站)接收请求以从表中获得一个或更多个值。当接收到该请求时，IED 102可以将该表传递到中央监测站。在某些实施例中，在获得超过用户指定的阈值的关于给定位置的低能事件计数时，IED 102可以向中央监测站发送警报和/或发送表以将重复的低能事件通知操作员。

在所示实施例中，本地IED 102可以将该表存储在易失性存储器(例如RAM 232)和/或非易失性存储器(例如ROM 230)中。处理器200可以更新在RAM 232中的低能事件的相对应区间的计数器。处理器200可以周期性地、在软件更新时等等用易失性存储器中的表更新非易失性存储器。在重新启动本地IED 102时，本地IED 102可以将在非易失性存储器中的计数器的表加载到易失性存储器中。

在一些实施例中，IED可以在运转期间被配置成选择性地监测低能事件和/或高能量事件。例如，IED可以在显示终端上显示潜在设置的提示，以实现对低能事件的线路监测。该IED可以经由在IED处的用户输入端接收从潜在设置中选择的一个或更多个用户设置。此外，IED可以根据设置来调整监测条件以监测在电力线路上的低能事件。设置可以包括要报警的低能事件的数量(即，线路监测警报阈值)、阻塞区域的位置和相应的阻塞区域大小等。

图5是特定线路长度(LL)300的电力线路的区间302的表。在所示的实施例中，本地IED 102包括0.25英里线路区间的表，这些区间的中点在0.25英里、0.50英里、0.75英里、1.00英里、1.25英里等处。在所示的示例中，第一区间和最后一个区间具有与剩余的区间不同的尺寸，然而，任何合适的区间可以被使用。该表可以包括对应于每个区间的计数器304。在确定低能事件的位置并验证低能事件时，处理器200可以确定表中的哪个区间对应于该位置。处理器200可以使表中的对应于该位置的区间的计数器304递增，并将具有递增的计数器的已更新的表存储在存储器中。当低能事件的所计数的数量超过阈值时，本地IED 102可以提供指示重复的低能事件已经出现在特定区间处的警报。

在所示实施例中，本地IED 102可以接收线路监测警报阈值的用户选择。当更新表时，本地IED 102可以将每个区间的计数器与线路监测警报阈值进行比较。当表的计数器超过线路监测警报阈值时，本地IED 102可以提供警报以通知操作员重复的低能事件已经出现在电力线路上的特定区间处。

如所示，本地IED 102可以接收在电力线路上的一个或更多个阻塞区域306的用户设置，以掩蔽在电力线路上的在正常操作状况下产生行波的位置，例如抽头变压器，其当被通电或断开连接时在抽头的位置处产生行波。本地IED 102可以使用反映正常活动的不同阈值来对在阻塞区域306内的低能事件的检测进行记录和报警。例如，用户可以输入阻塞位置和阻塞半径。此外，用户可以输入不同于在阻塞区域之外的区间的线路监测警报阈值的阻塞区域警报阈值。如果抽头变压器预期被通电或被断开连接特定次数，则阻塞区域警报阈值可说明被预期的正常活动。在某些实施例中，本地IED 102可以在预定时间段之后重置阻塞区域的计数器，以允许监测在阻塞区域中的每日事件总数，同时允许在阻塞区域之外的计数器在更长的时间段内继续累计总数。

然后，IED可以基于检测到的行波来存储低能事件的位置。通过针对不与故障相关联的低能事件来监测电力线路，电力系统操作员可以监测和评估电力线路中如果被听任未被注意则可能随后导致故障事件的方面。也就是说，提供与其他位置相比具有更高可能引起故障的低能事件的位置可以允许操作员处理这些高可能性位置以减少将来可能出现的故障事件，从而允许提高电力系统的可靠性。

为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。已经通过示例的方式示出了以上描述的特定实施例，并且应理解的是，这些实施例可能容易受到各种修改和替代形式。应当进一步理解的是，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。

在本文提出和主张的技术被引用并应用于实际性质的物质对象和具体示例，其可证明地改进本技术领域，并且因此不是抽象的、无形的或纯粹理论的。此外，如果本申请随附的任何权利要求包含被指定为“用于[执行][功能]的装置”或“用于[执行][功能]的步骤”的一个或更多个元素，则意图是这样的元素应根据《美国法典》第35篇第112条f款进行解释。然而，对于包含以任何其他方式指定的元素的任何权利要求，意图是这样的元素不应根据《美国法典》第35篇第112条f款进行解释。