CN104981708A - 用于对电力设施中的信号进行处理的处理器设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号处理器设备，包括：第一输入装置(37)，其经由测量传感器(19)连接到电力设施的高压信号；以及处理器装置(33)，其用于对由所述传感器测量的信号进行分析；该设备还包括：切换装置(41)，被配置成使设备的操作在测试模式与操作模式之间切换，其中，在测试模式中，设备从所述高压信号断开以便连接到测试信号，在操作模式中，设备从所述测试信号断开以便重新连接到所述高压信号；以及第二输入装置(39)，连接到所述处理器装置(33)，所述处理器装置被配置成使所述切换装置(41)激活以使得设备取决于第二输入装置是被激活还是去激活而分别工作在测试模式中或者操作模式中。

Description

用于对电力设施中的信号进行处理的处理器设备

技术领域

概括而言，本发明涉及电力电子学，并且涉及对电力设施中的电力参数进行测量和处理。

背景技术

诸如交流发电机或者变电所之类的电力设施是电力网络的元件，其用于产生、传输或者配送电力。例如，变电所位于输电线路或者配电线路的末端，即位于电力网络的末端。

变电所包括多个电子转换器级，多个电子转换器级使得能够将来自高压电缆线路的高电压降低变成标准电压，以将其提供给消费者。

电子转换器级的输入被称作主总线，其自身连接到进入电力设施的高压线路，而级的输出被称作二级总线，其连接到离开变电所的二级电压线路。

了解高压电信号的值是必要的，便于对执行的整流的质量进行评价并且便于实施调制技术以控制斩波。

出于该目的，将特定的电流传感器并入变电所，在主总线上或者在二级总线上。

为了提供对电流的准确的和可靠地测量，常见的是使用零磁通类型的传感器，也称作传统传感器，即带有磁芯。

零磁通传感器使用霍尔效应原理，借助于与其中电流流动的主总线隔离的二级测量环面来对与电流成正比的电压进行测量。磁通抵消电子学使得可以抵消连续的磁通量，从而避免了磁芯饱和。

这样的传感器能够测量交流且复杂的电流波形，且同时保证了隔离。此外，这样的传感器呈现出下述优势：具有从直流(DC)上至几十千赫兹(kHz)的大带宽。

然而，对于DC，用“零磁通”类型传感器测量电流仅限于大约500千伏(kV)的电压，因为在更高的电压处，提供主环面与二级环面之间的绝缘，从成本、重量和体积方面来说是不允许的，并且不受控制的磁性效应可能会使传感器热不稳定并且有潜在危险。主环面与二级环面之间的绝缘使用压力下的液体或气体。

已经出现了用于超过500kV的阈值的新颖的传感器技术或者测量变压器。它们不包含磁芯并且它们一般被称作非传统传感器或者非传统互感器(NCIT)。

在NCIT传感器的使用领域中，来自主总线的高压信号需要执行特殊处理的测量系统。

由通过基于以太网的通信网络连接的信号处理器设备来执行处理，以便将值传送给保护继电器和电力设施的其他装备。

在操作中的安全性方面，确认连接是必要的，并且确认信息通路是必不可少的。

然而，点对点的布线测试是不可能的，因为诸如开关的电子元件可能位于以太网结构中。

目前，为了验证网络的完整性，操作员通过使处理器设备变成测试模式来修改处理器设备的操作。操作员将测量电流和/或电压的NCIT传感器断开，并且在其位置中引入用其来执行不同测试的参考信号。

在该验证过程中，操作员可能会出错，例如错误地触发保护继电器的激活，或者损坏传感器，忘记将某些子元件重新连接在一起或者以不正确的方式重新连接它们。这样的操作还需要在验证的整段时期内中断电力设施的操作，这是极其昂贵的。

此外，在高压(HV)区域附近电子产品的使用是棘手的。

本发明的目的是通过提出一种处理器设备来修补上面提到的弊端，该处理器设备更安全，并且使得能够尤其避免犯这样的错误。

发明内容

通过信号处理器设备来实现本目的，该信号处理器设备包括：第一输入装置，其经由测量传感器连接到电力设施的高压信号；以及处理器装置，其用于对由所述传感器测量的信号进行分析；设备还包括：

.切换装置，被配置成使设备的操作在测试模式与操作模式之间切换，其中，在测试模式中，设备从所述高压信号断开以便连接到测试信号，在操作模式中，设备从所述测试信号断开以便重新连接到所述高压信号；以及

.第二输入装置，连接到所述处理器装置，所述处理器装置被配置成使所述切换装置激活以使得设备取决于第二输入装置是被激活还是去激活而分别工作在测试模式中或者操作模式中。

这使得可以让测试操作自动化而同时保持整个测试系统不被中断，使得电力设施是安全的，并且防止由操作员产生的任何失误。

在第一实施方式中，第二输入装置包括连接器，所述连接器连接到注入发生器以用于注入所述测试信号。连接到所述注入发生器使所述第二输入装置被激活以便触发设备变成测试模式，并且从所述注入发生器断开使所述第二输入装置被去激活。

有利地，设备包括连接到所述连接器的保护性输入接口。

在第二实施方式中，设备包括存储器，用于存储至少一个预先记录的测试信号，并且第二输入装置的激活触发设备变成测试模式，并且由所述预先记录的测试信号来替换高压信号。

有利地，所述切换装置是在处理器装置的控制下激活的电子装置和/或软件装置。

有利地，所述测试信号是复制所述高压信号的信号。

有利地，第一输入装置包括电源连接器和多个测量连接器，电源连接器连接到电源，多个测量连接器连接到多个测量传感器。

有利地，设备还包括模拟数字转换装置和输出装置，模拟数字转换装置用于将由所述传感器所测量的高压信号转换成数字信号，输出装置用于传递所述信号的数字测量值。

本发明还提供一种用于测量高压电信号的物理单位的测量系统，所述系统包括根据任意前述特征所述的处理器设备，和经由光学连接来连接到所述处理器设备的至少一个非传统NCIT传感器。

本发明还提供一种电力设施，其包括根据上述特征所述的测量系统。

附图说明

在阅读下面的经由非限制性示例并且参照附图给出的本发明的优选实施方式的描述的过程中，本发明的其他特征以及优点将变得明显，其中：

.图1以图解的方式示出了包括本发明的测量系统的电力设施；

.图2以图解的方式示出了本发明的处理器设备；以及

.图3以图解的方式示出了包括多个传感器的本发明的测量系统。

具体实施方式

本发明基于下述理念：使处理器设备自动地变成测试模式。

图1以图解的方式示出了包括本发明的测量系统的电力设施。

电力设施1(例如，交流发电机或者变电所)是电力网络的元件，其位于输电线路的末端。

变电所类型的设施包括一个或多个电子转换器级3，其使得能够将经由高压电缆线路7从发电机元素5来的高压(大约几十千伏(kV)或者千安(kA))降低到标准电压(1/5安(A)和110/220伏(V))，以便经由二级电压线路将其提供给消费者。

电子转换器级3的输入被称作主总线9，其自身连接到进入电力设施1的高压线路7，而转换器级3的输出被称作二级总线11，其连接到离开电力设施1的二级电压线路13。

在诸如空气绝缘变电所(AIS)和气体绝缘变电所(GIS)之类的现代电力设施中，用高切换频率、快速的动态范围和大约800kV的电压来对转换器级3控制。

了解“完整的或者复合的”电流信号的值(即，从DC上至最高的AC频率)使得能够对执行的整流的质量进行评价并且能够实施调制技术以便控制斩波。精确的了解电流值和/或电压值,然后使得能够以最佳方式来调整调制参数以在适当的时刻使转换器的半导体开关(MOSFET，IGBT或者晶闸管类型的)阻断或者饱和。

此外，在变速交流发电机类型的电力设施中(未示出)，发电机通常配备有位于其转子的上游的逆变器/整流器。逆变器/整流器用于通过给转子发送变频电流信号来控制转子的转速。因此，应当理解的是，测量来自逆变器/整流器的电流信号对于管理由发电机提供的电力和对于实现保护系统来说是很重要的。

出于该目的，将测量系统15结合到电力设施1中以用于提供对主总线的高压电信号的物理量值(电流或电压)的准确并且可靠的测量。将测量提供给保护和计量装备17(继电器和自动控制器)以及提供给仪表(能量计和质量计)。

因此，测量系统15包括安装在电力设施1的总主线9上的一个或多个传感器19，和经由连接组件23连接到传感器19的处理器设备21。

最好每个传感器19是经由光学连接来连接到处理器设备21的NCIT类型的传感器。

NCIT传感器不包含磁芯并且依据由于以下因素导致的改良精确度来调整其使用：没有磁性饱，内在安全、紧凑性提高、传感器的永久性自监测、免维护、在使用数字接口中的灵活性以及整体成本的降低。

在NCIT领域中，存在多种用于传感器的技术解决方案，并且选择取决于易于结合、适当的传感器的成本以及它们的相关性能之间的匹配。

因此，NCIT传感器可以是法拉第传感器或者罗氏传感器或者其他类型的非磁性传感器。

此外，测量系统15经由连接或者通信网络23(例如，基于100MB以太网)来进行连接，连接或者通信网络23其还用于将值传送给电力设施1的保护、监测和控制装备17。

在通信网络23中，优选地经由光纤来传输数据。光纤对恶劣环境不敏感并且表现出非常低的导热性，由此有助于测量的精确度并且有助于安全性。

此外，光纤连接使得能够在相对于高压总主线9的一定的安全距离处放置处理器设备21。因此能够定义靠近主总线9的高压HV区域，以及靠近地的低压LV区域，其中处理器设备21以及保护和监测装备17位于地上。因此，只有低压LV区域包含有可能被故障影响的元件。

通过用树脂和硅橡胶类型的复合绝缘体包裹工作光纤来实现高压HV部分的绝缘和光纤的下降。这样的绝缘是廉价的并且不易燃的。

图2以图解的方式示出了本发明的处理器设备。

根据本发明，处理器设备21包括模拟数字转换装置31、处理器装置33、包括校准参数的存储器装置35、第一输入装置37、第二输入装置39、切换装置41和输出装置43。

第一输入装置37包括电源连接器137，其用于连接到来自电力设施的AC或者DC电源(未示出)。电源连接器137经由AC/DC或者DC/DC转换器45来给处理器装置33供电。

此外，第一输入装置37包括一个或多个测量连接器237a、237b、237c，用于连接到在电力设施1的总主线9上安装的一个或多个测量传感器19以便测量高压信号。

模拟数字转换装置31用于将由每个传感器19测量的高压信号转换成其后通过处理器装置33来分析的数字信号。处理器装置使得能够在可以是大约20千赫兹(kHz)的采样频率处以大约32比特的极大精度来执行处理。

然后，输出装置43将处理后的数字的信号测量值传递给通信网络23，通信网络23将其传送给电力设施1的保护和监测装备17，以及传送给电力设施1的其他装备。

为了验证测量系统的完整性和信息通路的有效性，使用对可能是正弦波的高压信号进行复制的测试信号。测试信号在电流或者电压振幅方面是低电平信号，但是在频率方面是与高压信号相同形式的信号。测试操作使得能够验证通信网络23的结构，并且能够对从传感器19到可能距离传感器非常远的保护和监测装备17的全部系统进行测试。因此，在启动电力设施1之前，测试操作使操作员能够验证来自传感器19的测量将会很好地被保护和监测装备17接收。

根据本发明，由处理器设备21自动执行测试操作。

切换装置41被配置成使处理器设备21的操作根据第二输入装置39的激活或者去激活在测试模式(或第一模式)与操作模式(或第二模式)之间切换。在第一模式中，处理器设备21从由每个传感器19测量的高压信号断开，以便连接到测试信号。在这种情况下，测试信号在被处理器装置33使用之前被模拟数字转换装置31转换成数字信号。相比之下，在第二模式中，处理器设备21从测试信号断开以便重新连接到来自每个传感器19的高压信号。

自然地，第二输入装置39连接到处理器装置33，以使得所述处理器装置对输入装置39的激活或者去激活进行检测。

因此，处理器装置33被配置成使切换装置41激活，以使得当第二输入装置39被激活时处理器设备21工作在第一模式(测试模式)，或者当第二输入装置39去激活时处理器设备21工作在第二模式(操作模式)。这使得测试信号可以被处理器装置33看成好像它来自主总线9。

切换装置41可以是电子装置，例如切换开关，一旦所述处理器装置检测到第二输入装置的激活或者去激活，该切换装置41就在处理器装置33的控制下激活。

在一变体中，切换装置41可以是软件装置，由处理器装置33根据第二输入装置39的激活或者去激活来实施该软件装置。

在第一实施方式中，第二输入装置39的激活对应于从设备21的外部注入测试信号。

更具体地，第二输入装置39包括测试连接器239，用于经由注入电缆(未示出)连接到用于注入测试信号的注入发生器。因此，测试连接器239使得能够将电信号从奥米龙(Omicron)256类型或类似的发生器直接注入到低电平输入端，该电信号可以是正弦波并且复制主总线的信号。

经由注入电缆连接注入发生器使输入装置39被激活，并且继而触发设备21变成测试模式。

因此，测试连接器239与处理器装置33相联合使得当连接上注入电缆时，能够识别该连接并且能够通过使用切换装置41使处理器设备21自动进入测试模式。

此外，测试连接器239与处理器装置33相联合使得当断开注入电缆时，能够通过使用切换装置41使处理器设备21自动回到操作模式。

有利地，设备包括连接到所述测试连接器239的保护性输入接口47。保护性接口47是注入发生器与处理器设备21的元件之间的防护屏障，使得处理器装置33能够直接利用注入信号。

保护性接口47是使得能够保护并且能够将处理器设备21的元件与其周围环境隔离的转换器/隔离器。换言之，保护性接口47是防止处理器设备21的元件中出现瞬变现象的电子屏障。

在第二实施方式中，通过控制装置(例如，秘钥连接器key connector)使能够使用处理器设备21内部的测试信号来使第二输入装置激活或者去激活。

在该配置中，测试信号是预先记录在存储器装置35中的测试信号，使得通过秘钥连接器对第二输入装置39的激活来触发设备21变成测试模式并且由预先记录的测试信号替代高压信号。

图3以图解的方式示出了包括多个传感器的本发明的测量系统。

传感器19a、19b和19c安装在电力设施的总主线9上，以便测量高压信号的各种电流相位Ia、Ib、Ic或者电压相位Ua、Ub、Uc。

在该实施方式中，电流信号和电压信号分别传送给第一处理器设备21a和第二处理器设备21b。

如可以更详细地看出的那样，在第一处理器设备21a中，三个电流信号Ia、Ib、Ic被分别注入到第一输入装置37的三个测量连接器237a、237b、237c中。

在操作模式中，通过模拟数字转换装置31将三个电流信号Ia、Ib、Ic转换成数字信号，然后在由输出装置43经由通信网路将该数字信号传输给保护和监测设备之前，通过处理器装置33对其进行分析并且多路复用到测量帧中。

应该注意的是，当传感器是罗氏类型(Rogowski type)时，来自转换装置31的数字信号在被分析之前由处理器装置33对其进行整合。

在测试模式中，由电流发生器将多路复用以复制三个信号Ia、Ib、Ic的测试信号ST注入到测试连接器239中。测试信号ST在被模拟数字转换装置31转换成数字测试信号之前经过保护性接口47。数字测试信号被处理器装置33看作是来自主总线9的信号。在由输出装置43将信号传输给保护和监测装备之前，处理器装置对信号进行分析。

应该注意到，当测试信号注入到处理器设备21a中时，测试连接器239与处理器装置33之间建立了联系，使得处理器装置能够使切换装置41激活以使得所述处理器装置连接到测试信号而不是高压信号。

因此，本发明的处理器设备使得能够避免测试系统中的任何连接或者断开，且同时使用在电气测试领域中常用的工具。

Claims (10)

1.一种信号处理器设备，包括：第一输入装置(37)，其经由测量传感器(19)连接到电力设施(1)的高压信号；以及处理器装置(33)，其用于对由所述传感器测量的信号进行分析；所述设备其特征在于其还包括：

·切换装置(41)，被配置成使所述设备的操作在测试模式与操作模式之间切换，其中，在所述测试模式中，所述设备从所述高压信号断开以便连接到测试信号，在所述操作模式中，所述设备从所述测试信号断开以便重新连接到所述高压信号；以及

·第二输入装置(39)，连接到所述处理器装置(33)，所述处理器装置被配置成使所述切换装置(41)激活以使得所述设备取决于所述第二输入装置是被激活还是去激活而分别工作在测试模式中或者操作模式中。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二输入装置(39)包括连接器(239)，所述连接器(239)连接到注入发生器以用于注入所述测试信号，并且其特征在于，连接到所述注入发生器使所述第二输入装置(39)被激活以便触发所述设备变成测试模式。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备包括连接到所述连接器(239)的保护性输入接口(47)。

4.根据任意前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括存储器(35)，用于存储至少一个预先记录的测试信号，并且其特征在于，所述第二输入装置(39)的激活触发所述设备变成测试模式并且由所述预先记录的测试信号来替换所述高压信号。

5.根据任意前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述切换装置(41)是在所述处理器装置的控制下激活的电子装置和/或软件装置。

6.根据任意前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述测试信号是复制所述高压信号的信号。

7.根据任意前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述第一输入装置(37)包括电源连接器(137)以及多个测量连接器(237a，237b，237c)，所述电源连接器(137)连接到电源，所述多个测量连接器(237a，237b，237c)连接到多个测量传感器。

8.根据任意前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括模拟数字转换装置(31)和输出装置(43)，所述模拟数字转换装置(31)用于将由所述传感器所测量的所述高压信号转换成数字信号，所述输出装置(43)用于传递所述信号的数字测量值。

9.一种用于测量高压电信号的物理单位的测量系统，所述系统包括根据任意前述权利要求所述的处理器设备，并且其特征在于，所述系统包括至少一个非传统NCIT传感器，所述至少一个非传统NCIT传感器经由光学连接来连接到所述处理器设备。

10.一种电力设施，其包括根据权利要求9所述的测量系统。