用於監視電力輸送系統的電纜系統的方法與系統的製作方法
2023-10-07 02:42:49
專利名稱：用於監視電力輸送系統的電纜系統的方法與系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於監視電力輸送系統的電纜系統的方法與系統。
技術背景
從發電廠的電力輸送一般是通過高壓電力輸送系統執行的，其中高壓電力輸送系統可以是空中的(高架)、陸地的或海底的。
電力輸送系統一般包括電導體——空中的(高架)、陸地的或海底的——結點與終端。
在系統運行過程中監視電力輸送系統的諸如溫度、局部放電、壓力、電壓、電流等各種參數是有利的，使得故障可以在發生之後很快地被檢測到並定位，或者甚至更好地，嘗試和預測可能的故障並調度合適的現場檢查。
例如，WO 99/58992公開了一種電力電纜監視系統，該系統包括沿一條海底電纜分布的一個或多個傳感器。傳感器中的每個都可操作連接到所述海底電纜，用於該海底電纜的諸如溫度、壓力、電壓、電流等等運行參數的測量，並且響應於實際的參數值而提供輸出信號。一條數據電纜與該海底電纜基本上平行地延伸。該數據電纜經對應的分支單元可操作連接到所述傳感器，用於發送輸出信號到控制器。
WO 99/58992記載了，在其中傳感器與關聯的電子電路從電池接收其電源電力的電力電纜監視系統中，可以通過把電子電路設計成在掉電模式和活動模式下運行而獲得顯著的功率節省。在掉電模式中，電路處於空閒模式而且沒有數據發送到數據電纜，而在活動模式中，傳感器參數值轉換成數據信號，用以通過數據電纜發送。電路的操作可以通過包括在傳感器信號轉換器中的定時器電路來控制。該定時器可以編程為以預定的時間間隔詢問傳感器信號轉換器。定時器一詢問，傳感器信號轉換器就把其運行模式從掉電模式變成活動模式。在活動運行模式中，傳感器輸出信號轉換成數據信號而且該數據信號被發送到控制器。在已經發送了數據信號之後，傳感器信號轉換器返回其掉電模式。
本申請人面臨提供用於監視用於電能輸送的電纜系統參數的改進的監視系統的技術問題。
特別地，本申請人面臨減小用於監視用於電能輸送的電纜系統的系統中的功耗的技術問題。發明內容
如以下更具體公開的，本申請人發現這個問題可以通過包括級聯的監視節點的監視系統來解決，這些節點適於選擇性地運行在睡眠模式和活動模式，其中由所述監視節點在活動模式期間獲取的數據以如下方式朝向中央單元發送，即，通過從生成輸出數據的監視節點開始直到最後的監視節點，把所述數據從一個監視節點傳遞到另一個，該最後的監視節點把所述輸出數據轉發到所述中央單元。
相應地，本發明的第一方面涉及用於監視電力輸送系統的電纜系統參數的監視系統，該監視系統包括中央單元和適於放在該電纜系統的不同監視點處的多個監視節點，
其中
-每個監視節點都適於選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中，在活動模式期間， 每個監視節點都適於獲取所述參數中的至少一個的值，並處理所獲取的值，從而生成對應的輸出數據；及
-所述中央單元適於收集來自所述監視節點的輸出數據；
其特徵在於，所述監視節點是級聯連接的，而且，在活動模式期間，每個監視節點都適於；
-從該級聯的上行節點(如果有的話)接收輸出數據；及
-把從所述上行節點接收到的輸出數據和由該監視節點自己生成的輸出數據發送到下行節點(如果有的話)，所述級聯的最後的監視節點適於把輸出數據發送到所述中央單元。
在本說明書和權利要求中
-關於給定監視節點，術語「上行監視節點」用於指示關於數據朝中央單元傳播的方向在所述給定監視節點之前的一個節點。術語「上行監視節點」可以用於指示關於所述給定監視節點遠離所述中央單元的節點；
-關於給定監視節點，術語「下行監視節點」用於指示關於數據朝中央單元傳播的方向跟在所述給定監視節點之後的一個節點。術語「下行監視節點」可以用於指示關於所述給定監視節點更靠近所述中央單元的節點；
-關於監視節點的級聯，術語「最後的監視節點」用於指示該級聯中關於數據朝中央單元傳播的方向的最後的監視節點。術語「最後的監視節點」可以指示最靠近所述中央單元的節點；
-關於監視節點的級聯，術語「第一監視節點」用於指示該級聯中關於數據朝中央單元傳播的方向的第一個監視節點。術語「第一監視節點」可以指示最遠離所述中央單元的節點；
-術語「睡眠模式」用於指示節點的空閒模式，其中所述節點不執行數據接收、數據發送和數據獲取中的任何一種操作；
-術語「活動模式」用於指示節點的一種運行模式，其中所述節點執行數據接收、數據發送和/或數據獲取的操作；
-術語「級聯」用於指示串聯連接的多個監視節點，使得一個節點的輸出數據關於數據朝中央單元傳播的方向而被發送到下一個；
-術語「數據鏈路」用於指示至少兩個設備(例如，節點、中央單元、...)可以通過其彼此發送數據的路徑。
為了本說明書和所附權利要求的目的，除非另外指出，否則所有表示量、數量、百分比等的數字都應當理解為在所有情況下可以通過術語「大約」來修改。而且，所有範圍都包括所公開的最大和最小點的任意組合，而且包括其中的任何中間範圍，這些中間範圍在本文中可能或者可能沒有具體列出。
有利地，監視節點適於根據同步時間幀而選擇性地運行在睡眠模式和活動模式下。
有利地，時間幀是以這樣一種方式同步的，S卩，使得監視節點按順序一個接一個地從睡眠模式轉到活動模式。
優選地，時間幀是以這樣一種方式同步的，S卩，使得每個監視節點在上行監視節點開始向其發送輸出數據之前(優選地是恰在其之前)開始以活動模式運行。
優選地，時間幀被同步成使得最小化用於從上行監視節點接收輸出數據的等待時間。
監視節點可以沿要監視的電纜系統分布。
有利地，監視節點在級聯中通過多條數據鏈路彼此連接。
數據鏈路可以是有線的或者無線的，無線的是優選的。
在有線鏈路的情況下，數據鏈路可以是光纖鏈路(包括至少一條光纖)或者電鏈路(包括至少一條電線，優選地是至少兩條電線)。
在光纖鏈路的情況下，每個監視節點有利地包括電-光轉換器。
在無線鏈路的情況下，數據鏈路可以是射頻(RF)鏈路。
在無線鏈路的情況下，每個節點有利地包括至少一個天線和至少一個RF收發器。
如果是無線的話，每條數據鏈路都可以具有從Im至1600m的長度；如果是光纖有線的話，每條數據鏈路都可以具有從Im至40km的長度；或者如果是電線有線的話，每條數據鏈路都可以具有從Im至Ikm的長度。
優選地，如果是無線或電線有線的話，每條數據鏈路都具有從20m至200m的長度； 如果是光纖有線的話，每條數據鏈路都具有從Im至Ikm的長度。
就減少功耗而言，給出這些範圍的數據鏈路長度是為了使得在監視節點之間可以有低功率數據發送(對於例如RF無線數據發送，輻射功率水平等於或小於IOOmW,優選地是等於或小於ImW)。
而且，以上所提到的數據鏈路長度範圍有利地選擇成獲得成本與可靠性之間的良好折中。
實際上，越短的數據鏈路長度可能暗示越大數量的節點，並因此有更高的成本。另一方面，它們可以暗示更高的可靠性，因為它們可以使得能夠收集更多的信息，而且，在故障的情況下，可以減少丟失關於電纜系統的一個點的重要信息的風險(該信息可以從附近的節點獲得)。
利用與級聯的最後的監視節點的時間幀同步的時間幀，中央單元本身可以適於選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中。在這種情況下，中央單元適於只有當運行在活動模式下時才從所述級聯的最後的監視節點接收輸出數據。
一般來說，監視節點各自都包括至少一個傳感器。該傳感器可以適於檢測至少一個參數，例如電纜系統的電纜的溫度、環境溫度、環境溼度、注水(water flooding)、電纜電流、屏極電流(screen current)、電纜電壓、火、氣、檢修門孔徑(aperture of access doors)、電纜應力、電纜移位、振動及類似的一些參數。
有利地，監視系統包括適於處理來自監視節點的輸出數據的處理站。這允許為操作人員提供指示電纜系統的運行狀態的有用信息。
有利地，處理站是遠程站。
中央單元有利地適於充當級聯的最後的監視節點與處理站之間的接口而且把由級聯的最後的節點接收到的輸出數據發送到處理站。中央單元可以連接到數據機或者路由器，用於與遠程站通信。
根據一種優選實施方式，監視節點中的至少一個包括適於檢測在電纜系統中可能發生的局部放電的局部放電單元。
在第二方面，本發明涉及一種電力輸送系統，包括
-用於電力輸送的電纜系統；及
-根據本發明第一方面的監視系統，用於監視電纜系統的參數，該監視系統包括中央單元和位於該電纜系統的不同監視點的多個監視節點。
電纜系統可以是低、中和/或，優選地，高壓電纜系統。
術語低壓用於指低於IkV的電壓。
術語中壓用於指從1至35kV的電壓。
術語高壓用於指高於35kV的電壓。
電纜系統可以是空中、陸地、海底或者風力類型。
電纜系統一般包括至少一條電纜。
電纜可以是AC電纜。
電纜系統可以包括多條(即，多於一條)電纜。
空中電纜一般包括鋁鋼電導體。由於空中電纜是用在高架電廠中，因此電導體一般是裸露的，空氣形成主要的絕緣元素。
陸地電纜可以至少部分地埋在或者位於隧道中。
陸地、海底和風力電纜有利地包括至少一個芯部(core)。該芯部有利地包括被至少一個絕緣層和至少一個保護性護套(sheath)包圍的電導體。可選地，該芯部還可以包括至少一個半導體層。可選地，該芯部還可以包括金屬屏蔽件(screen)。
所述芯部可以是單相芯部。
優選地，所述電纜包括至少兩個芯部。
監視節點可以操作性地與電纜系統的一條或多條電纜關聯和/或與同一電纜的一個或多個芯部關聯。
在本發明的優選實施方式中，至少兩個芯部是單獨絕緣、單獨加護套，且可選地， 單獨屏蔽的。
在一種實施方式中，至少兩個芯部被放成其外表面的至少部分彼此相鄰或接觸。
在AC系統中，電纜有利地是三相電纜。該三相電纜有利地包括至少三個絕緣的單相芯部。
這三個絕緣的芯部可以在單個護套中一起保護，或者它們可以在三個分開的護套中單獨保護。
這三個絕緣的芯部可以處於平面配置或者三葉形配置中。在所述平面配置中，這三個絕緣的芯部具有基本上在同一平面內平行放置的縱向軸。在所述三葉形配置中，這三個絕緣的芯部以這樣一種方式相對地確定位置，即，使得在沿其縱軸所取的截面內，它們整體上具有三葉草形狀。
電纜系統一般還包括電纜結點和終端(termination)。
監視節點可以由遠程主電源供電，例如，通過合適的電源線，但是優選地，監視節點是由本地的能量發生器供電的。
通過減小監視系統的功耗，在監視節點由本地能量發生器供電時本發明特別有利，其中本地能量發生器通過使用本地能源來產生電能。實際上，由本地能源所提供的能量可能在量上不均勻並且隨時間斷續。對於術語「本地能源」，其意思是位於電纜系統中或者位於該電纜系統所運行的環境中的生產力，如例如由沿電纜系統的電纜流動的交流電(AC) 生成的磁場、振動、太陽光。
本地電能發生器可以是例如光伏類型(在空中電纜系統的情況下)或者振動類型 (適於把電纜振動變換成電能)。
根據本發明的一種優選實施方式，本地電能發生器是磁類型的，其適於把由沿電纜系統的AC電纜流動的交流電生成的磁場變換成電能。
優選地，本地電能發生器每個都包括用於生成電能的裝置，該裝置包括
-沿縱軸延伸的弧形鐵磁體；及
-圍繞該鐵磁體纏繞的至少一個導電繞組，以便在與弧形基本上垂直的平面內形成線匝。
表述「在與弧形基本上垂直的平面內」可以指由所述繞組形成的線匝位於可能從與弧形垂直的平面偏離士 5° (優選地是士 1° )的平面內。優選地，該平面可以有士0.35°的偏差。線匝的平面與弧形越垂直，磁場與繞組的耦合效率越高。
本地電能發生器的鐵磁體適於操作性地與電纜系統的至少一條AC電纜相關聯， 以便部分地圍繞至少一條AC電纜的芯部的外表面的相應部分。
當AC電纜包括至少兩個芯部時，所述用於生成電能的裝置的鐵磁體可以操作性地在電纜的芯部中的一個上關聯。作為替代，部分的所述鐵磁體可以操作性地與芯部中的一個關聯，而所述鐵磁體的另外部分可以操作性地與其它芯部關聯。在一種實施方式中，至少兩個芯部各自都包括絕緣的、單獨加護套的電導體。
當電纜系統包括多於一條AC電纜時，本地電能發生器的鐵磁體可以操作性地與該電纜系統的一條或多條AC電纜關聯和/或與同一 AC電纜的一個或多個芯部關聯。
優選地，鐵磁體固定在芯部的最外層(一般是護套)的外表面的一部分上。
在至少兩個單獨加護套(且可選地單獨屏蔽的)絕緣芯部被放成至少部分其外表面彼此相鄰或接觸的情況下，弧形鐵磁體的使用是特別有利的。例如，在三個單獨加護套 (且可選地單獨屏蔽的)絕緣導體定位成三葉形配置的情況下，這是特別有利的。
實際上，截面由弧形定義的鐵磁體使得本地電能發生器可以固定在至少兩個芯部之一的外表面的空閒部分上(即，在不與其它芯部的外表面相鄰或接觸的部分上)。
有利地，弧形形狀使得可以通過留下小於IOmm的間隙來圍繞所述芯部。
在芯部具有4至20cm範圍內的外直徑的情況下，弧形的內部彎曲半徑可以是2至 IOcm0
對於沿縱軸延伸的弧形鐵磁體，希望主體在沿所述縱軸所取的截面內具有由以小於360°的角擴展的弧形定義的形狀。
所述弧形有利地擴展小於300°的角。所述弧形有利地擴展至少等於45°的角。
在一種實施方式中，鐵磁體具有基本上半圓形的截面。即，鐵磁體基本上是半圓柱形的。
優選地，所述弧形擴展至少等於180°的角。例如，在優選實施方式中，所述弧形的主體擴展大約270°的角。
鐵磁體可以由單塊金屬或者多層薄片形式的金屬製成。
優選地，對於長度為IOcm且厚度為Icm的主體，繞組包括400至800的匝數。
繞組的直徑優選地在0. 2mm至3mm的範圍內，更優選地，在0. 4mm至1. 5mm之間。
鐵磁體優選地具有6cm至40cm的長度。這個範圍使得可以獲得具有緊湊裝置的需求與生成有用功率電平的需求之間良好的折中。
以上所提到的匝數、繞組直徑及鐵磁體長度的範圍都是允許從用於生成電能的裝置獲得有實用價值的功率電平的示例範圍。
有利地，繞組是由絕緣的金屬導體製成的，如銅線，優選地是利用漆包絕緣。
在第三方面，本發明涉及一種監視電力輸送系統的電纜系統的參數的方法，其中
-多個監視節點與所述電纜系統的不同監視點相關聯；
-所述監視節點選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中；
-在活動模式中，所述監視節點獲取所述參數中的至少一個的值，並處理所獲取的值，從而生成對應的輸出數據；
-中央單元收集由所述監視節點生成的所述輸出數據；
其特徵在於，當處於活動模式時，由所述監視節點生成的輸出數據以如下方式從所述監視節點朝向所述中央單元發送，即，通過從生成所述輸出數據的監視節點開始直到最後的監視節點，使這些數據從所述監視節點中的一個傳到另一個，該最後的監視節點把所述輸出數據轉發到所述中央單元。
本申請人觀察到本發明允許數據收集通過減小長度的數據鏈路來執行，同時維持連接到遠端中央單元和覆蓋長距離的能力。減小長度的數據鏈路可以允許通過該數據鏈路依靠減小的發送功率的信號發送輸出數據，並由此減小監視節點的功耗。
在RF或者電鏈路的情況下，這會是特別有利的，其中所發送信號的功率減小是個重要的問題。
此外，功耗減小是有利的，因為它允許降低成本。而且，這給出了使用通過採用本地能源產生電能的本地能量發生器的可能性。實際上，由本地能源提供的能量可能在量上不均勻而且會隨時間斷續。
本申請人還觀察到RF數據鏈路關於有線鏈路會是有利的，因為它們減少了與監視系統的安裝相關聯的問題和成本，尤其是在長距離監視系統的情況下。
在RF監視系統中，本發明允許中央單元還從位於如下距離和/或位置處的節點收集數據，在這種距離和/或位置處與中央單元的RF直接通信將是不可能的(例如，因為對 RF傳播的屏障和/或長距離，使得RF信號太弱，以至於不能被中央單元接收)。
相應地，本發明有利地提高了採用RF監視系統的可能性，而且尤其給出了增加被 RF監視系統覆蓋的距離的可能性。
通過以下對其一些示例實施方式的具體描述，將使本發明的特徵與優點變得顯而易見，這些描述僅僅是作為非限制性例子提供的，描述將參考附圖進行，在附圖中
圖1示意性地示出了根據本發明的監視系統的一種實施方式；
圖2示意性地示出了圖1的監視系統的監視節點的一種實施方式；
圖3示意性地示出了由根據本發明的監視系統的監視節點執行的自動同步處理的例子；
圖如和4b示意性地示出了概述為了在睡眠模式和活動模式中選擇性運行的同時維持節點之間的同步而由根據本發明的監視系統的監視節點執行的主要動作的兩個示例流程圖5示意性地示出了包括圖1的監視系統的電力輸送系統的實施方式；
圖6以截面圖示意性地示出了示例AC電纜；
圖7示意性地示出了可以用於在根據本發明的監視系統的監視節點之間發送數據的數據幀的例子；
圖8示意性地示出了具有由本地能量發生器供電的監視節點的圖5的電力輸送系統；
圖9示意性地示出了可以用在圖8的電力輸送系統中的本地能量發生器的實施方式；
圖10以截面圖示意性地示出了固定在單個芯部電纜上的圖9的本地能量發生器；
圖11以截面圖示意性地示出了固定在芯部上的圖9的本地能量發生器，其中芯部是以三葉形配置的三相電纜的一部分；
圖12以立體圖示意性地示出了圖11的本地能量發生器；
圖13a和1 分別示意性地示出了自身摺疊起來的閉環鐵磁體的立體圖和截面圖，這已經由本申請人測試過了。
具體實施方式
圖1示出了根據本發明的監視系統1000的實施方式，監視系統1000包括多個監視節點100、中央單元12和遠程處理站10。
雖然在圖1中示意性地示出了五個監視節點100，但是很清楚，依賴於需求和要由監視系統1000覆蓋的長度，監視系統1000可以包括多於或少於五個監視節點。
監視系統1000的一個例子包括多達256個監視節點，彼此之間有50m的距離，從而覆蓋12. 8km的長度。
監視節點100按照級聯形式放置在距中央單元12不同的距離處。
優選地，監視節點100是等距的。而且，最後的節點(節點幻和中央單元12之間的距離優選地與兩個節點之間的距離相同。就涉及發送/接收參數而言，允許監視節點的設計相同。
在以上所提到的例子中，兩個節點之間及最後的節點和中央單元12之間的距離是 50m。
中央單元12優選地位於監視節點100的級聯的末端。中央單元可以位於檢修孔 (manhole)中(例如，地下)或者位於分流子站(可以在地下或者地上，例如在建築物中)，其中到主電源和/或遠程處理站10的連接一般來說更容易。
中央單元12可以例如通過有線連接而連接到數據機或者路由器(未示出)。
中央單元12充當最後的節點(例如，節點5)和遠程處理站10之間的接口。
該中央單元，尤其是當連接到主電源時，可以總是運行在活動模式中。
在圖2的實施方式中，監視節點100包括電子板160和多個傳感器169。
電子板160包括可編程低功率微處理器162、備用電池164、用於傳感器169的多個連接器166、無線和低功率的收發器168及電源連接器161。
低功率微處理器有利地是運行消耗小於200mV、優選地小於IOOmW的微處理器。
低功率收發器168包括用於RF信號的接收/發送的天線系統。而且，它適於把由天線系統接收到的RF信號轉換成電信號並且把電信號轉換成由要由天線系統發送的RF信號。
例如，微處理器和收發器集成在來自Digi International公司的2. 4GHz XBee模塊中。
電源連接器161有利地適於連接到本地能量發生器。
備用電池164的作用有利地是當由本地能量發生器所生成的電能超過給監視節點100供電所需的能量時累積由本地能量發生器所生成的電能，並且隨後在將來有需要的時候(例如當本地能量發生器不能產生能量或者產生能量低的時候)利用累積的能量給監視節點100供電。在這種實施方式中，在備用電池164故障的情況下，監視節點可以繼續由本地能量發生器供電，只要有能量生成就可以。
電子板160有利地還包括保護系統(未示出)，以便防止在輸電線短路過程中可能感生出的任何高壓和/或高電流所造成的損害。適於本發明的保護系統可以包括至少一個電湧放電器。而且，為了防止由任何高壓和/或高電流所造成的損害，電源連接器161優選地具有間隔至少5mm的兩個引腳。電子板160有利地還包括整流器電路(未示出)，該整流器電路把來自本地能量發生器的交流電(AC)轉換成適於由電子板160的各個部件使用的直流電(DC)0
根據一種實施方式(未示出)，本地能量發生器可以通過整流器電路和電池連接到電子板。
在這種情況下，電子板是利用電池來供電的，整流器電路的作用是把來自本地能量發生器的交流電(AC)轉換成直流電(DC)，用以提供給電池。
然而，在這種實施方式中，在電池故障的情況下，監視節點停止由本地能量發生器供電，直到電池被替換或者修復。
微處理器162適於從連接到連接器166的不同傳感器169獲取信息。
傳感器169適於測量電力輸送系統的電纜系統的至少一個參數，其中該電纜系統一般包括電纜、電纜結點和/或終端。
傳感器可以是已知的檢測例如環境溫度、環境溼度、表面電纜溫度、注水、電纜電流及其它感興趣參數的類型，尤其是用於評估電纜系統的整體性能。
監視節點100的傳感器169適於以測量對應參數的任何合適方式固定到電纜系統的監視點上。
監視點可以是電纜系統的電纜的一個點、電纜結點的一個點或者終端的一個點。
一般來說，傳感器169根據傳統技術連到電纜的外護套或者連到結點或者終端的外表面。
根據本發明，每個監視節點100都適於根據睡眠模式和活動模式選擇性地運行。
在睡眠模式期間，監視節點處於空閒狀態，其中不執行接收、發送和獲取操作。
在活動模式中，監視節點100的微處理器162適於獲取由連接到連接器166的各個傳感器169所測量到的信息並轉換所述信息，從而生成適於由收發器168根據所確定的通信協議發送的輸出數據。
在活動模式中，微處理器162還適於通過收發器168從上行監視節點接收由該上行監視節點和由級聯的其它上行監視節點(如果有的話)生成的輸出數據。
而且，在活動模式中，微處理器162還適於通過收發器168把從上行監視節點接收到的輸出數據和在該監視節點自身當中生成的輸出數據發送到下行監視節點(如果有的話)°
例如，在圖1所示的實施方式中，作為級聯的第一個節點的節點0適於在活動模式下獲取由其自己的傳感器所測量到的信息；把該信息轉換成合適的輸出數據；並把該輸出數據發送到節點1。
節點1在處於活動模式時適於從節點0接收輸出數據；獲取由其自己的傳感器所測量到的信息；把該信息轉換成合適的輸出數據；並把從節點0接收到的輸出數據和由節點1自己生成的輸出數據都發送到節點2。
節點2在處於活動模式時適於從節點1接收輸出數據(包括由節點0生成的數據和由節點1生成的數據兩者)；獲取由其自己的傳感器所測量到的信息；把該信息轉換成合適的輸出數據；並把從節點1接收到的輸出數據和由節點2自己生成的輸出數據都發送到節點3。
節點3和4將以類似於節點2的方式作用。
作為級聯的最後的節點的節點5在處於活動模式時適於，從節點4接收輸出數據 (包括由節點0至節點4生成的所有輸出數據)；收集由其自己的傳感器所獲取的信息；把該信息轉換成合適的輸出數據；並把從節點4接收到的輸出數據和由節點5自己生成的輸出數據都發送到中央單元12。
中央單元12適於從最後的節點(例如，從節點幻接收由所有監視節點100生成的輸出數據，並處理該輸出數據，從而通過數據機或者路由器根據預定的通信協議把它們發送到遠程處理站10。
遠程處理站10又適於根據傳統技術處理從中央單元12接收到的數據，並且，在需要的時候，執行數據存儲、分析、可視化(一般是利用人類可讀的接口)和告警生成。有利地，遠程處理站10適於識別來自每單個節點的每單個傳感器的數據；固定用於每個傳感器的給定限值；並在超出傳感器中的一個的限值時自動生成特定告警。告警可以通過電子郵件、SMS (簡訊息服務)消息、電話呼叫等發送。
因此，根據本發明，由各個監視節點100生成的輸出數據通過從一個監視節點傳到另一個而由中央單元12收集，其中從級聯的第一個監視節點開始直到最後的監視節點。 最後的監視節點又連接到中央單元12，從而把由所有監視節點100生成的輸出數據發送到中央單元12。
以這種方式，相對於如由以上所提到的WO 99/58992文檔所公開的系統(其中每個節點直接連接到中央控制器，該中央控制器位於監視節點100序列的末端)，用於發送輸出數據的數據鏈路的長度減小了。
在圖1的實施方式中，用於發送輸出數據的數據鏈路的長度是50m。
為了避免重要信息的丟失並且為了最小化用於從上行監視節點接收輸出數據的監視節點的等待時間，監視節點有利地根據同步時間幀選擇性地運行在睡眠模式和活動模式。
根據本發明的一種實施方式，監視節點適於執行自動同步的處理和用於自動維持同步的處理。
根據自動同步的處理的一種實施方式，當監視節點未同步時(例如，當監視系統第一次開始工作時或者當監視節點的內部時鐘不正確工作時)，級聯的第一個監視節點 (例如，節點0)適於以周期T(這指兩個連續的活動模式開始之間的時間)選擇性地運行在活動模式和睡眠模式中，而其它監視節點(例如，節點1、2、3、4和5)以周期Tl運行。為了方便同步處理，Tl優選地小於T。例如，T = 6秒而Tl = 5秒。而且，所有的監視節點最初都保持在活動模式中達時間Ta。優選地，Ta << Tl和T。例如，Ta = IOOms0
然後，如圖3中所示，第一監視節點(例如，節點0)在處於活動模式時開始向第二節點(例如，節點1)發送由第一監視節點自己生成的輸出數據。如果第一監視節點沒有從第二節點接收到(指示數據接收的)ACK消息，那麼第一監視節點就多次(例如，4次)把相同的數據發送到第二節點。
當第二節點從第一監視節點接收到輸出數據時，它開始以周期T運行，並把由其自己生成的輸出數據連同由第一節點接收到的輸出數據一起發送到第三節點(例如，節點2)。如果第二監視節點沒有從第三節點接收到ACK消息，那麼第二監視節點就多次(例如， 4次)把相同的數據發送到第三節點。
當第三節點從第二監視節點接收到輸出數據時，它開始以周期T運行，並把由其自己生成的輸出數據連同由第二節點接收到的輸出數據一起發送到第四節點(例如，節點3)。
以上處理繼續，直到連最後的監視節點(例如，圖3中的節點4)也同步了。
一旦同步了，監視節點就以周期T運行在活動模式和睡眠模式中。
在活動模式期間，每個監視節點首先等待從上行監視節點接收輸出數據。然後——在接收到輸出數據之後——把這些數據連同其自己生成的輸出數據一起發送到下行監視節點。
圖如示出了用於自動維持監視節點之間的同步的處理的實施方式。在塊400，監視節點N從睡眠模式轉到活動模式，並等待從上行監視節點N-I接收輸出數據。在塊401， 監視節點N檢查從上行監視節點N-I的輸出數據接收。
如果在時間Ta內沒有接收到輸出數據，則在塊408監視節點轉到睡眠模式，直到時間Tl過去，這個時間Tl是從監視節點在塊400被喚醒的時刻開始。
如果在時間Ta內接收到輸出數據，則監視節點N把從上行監視節點N_1接收到的輸出數據連同其自己生成的輸出數據一起發送到下行監視節點N+1 (塊402)。
優選地，Ta<< Tl, T。例如，Ta = 100ms。
在發送完輸出數據之後，在塊403，監視節點N檢查從下行監視節點N+1的ACK消息的接收。
如果收到ACK消息，則過程轉到塊405。
如果沒有接收到ACK消息，則在塊404，監視節點N檢查是否已經超過嘗試向下行監視節點N+1發送輸出數據的最大次數Max (例如，Max = 4)。在否定的情況下，過程返回塊402。在肯定的情況下，過程轉到塊409。
在塊405，監視節點N有利地適於檢查數字R是否大於1，其中數字R指示，在監視節點N在塊401接收輸出數據之前，監視節點N-I嘗試向監視節點N發送該輸出數據的次數。
如果R > 1，則在塊406，監視節點N轉到睡眠模式，直到時間T-Tin。過去，這個時間T-Tin。是從監視節點在塊400被喚醒的時刻開始。
如果R < 1 (例如，如果R = 0)，則在塊407，監視節點N有利地適於檢查監視節點 N在塊400被喚醒的時刻和監視節點N在塊401已經從上行監視節點N-I接收到輸出數據的時間之間所經過的時間Tw。
如果等待時間Tw大於預定的閾值(Th)，則在塊410，監視節點N轉到睡眠模式，直到時間T+Tin。過去，這個時間T+Tin。是從監視節點在塊400被喚醒的時刻開始。
如果等待時間Tw小於預定的閾值(Th)，則過程轉到塊409。
在塊409，監視節點N轉到睡眠模式，直到時間T過去，這個時間T是從監視節點在塊400被喚醒的時刻開始。
例如，Th等於 5ms。
優選地，Tin。<< Ta。這允許監視節點N的同步維持處理在很少的步驟中執行，不會危及其它監視節點的同步。例如，Tinc等於1ms。
塊405的檢查具有最小化監視節點N-I嘗試向監視節點N發送輸出數據的次數並由此減小節點N-I功耗的目的。
塊407的檢查具有最小化從上行監視節點N-I接收輸出數據的等待時間Tw的目的。以這種方式，活動模式的持續時間可以有利地減少，而且監視節點的功耗可以進一步減小。
根據在圖4b中示意性地示出的本發明的一種優選實施方式，如果塊401的檢查是否定的，則監視節點N還有利地適於在塊401』檢查為了從直接上行監視節點N-I接收輸出數據所執行的嘗試次數是否低於上限UL。在肯定的情況下，過程返回塊408。在否定的情況下，在返回塊408之前，在塊401」，監視節點N配置成使得其可以從上行監視節點N-2接收輸出數據。
雖然沒有示出，但是相同的過程可以擴展成還覆蓋其中為了從上行監視節點N-2 接收輸出數據所執行的嘗試次數已經達到上限UL的情況，等等。
應當指出，為了方便，在圖4b中塊402至407沒有示出。
圖4b的實施方式有利地允許自動處理級聯節點的可能故障，使得數據收集處理即使在節點故障的情況下也可以前進。
在圖4b的優選實施方式中，監視節點和數據鏈路將配置成使得監視節點N可以從在直接上行監視節點N-I之前的至少一個監視節點N-2接收數據。
有利地，在監視節點故障的情況下，遠程伺服器——檢測來自所述節點的數據的缺少——可以適於生成合適的告警。
鑑於以上描述，很清楚在本說明書和權利要求中，術語「上行監視節點」和「下行監視節點」有利地分別用於指第一工作的(未發生故障的)上行監視節點和第一工作的(未發生故障的)下行監視節點。類似地，術語「最後的監視節點」有利地用於指級聯的最後的工作的(未發生故障的)監視節點。
在圖1和2所示的實施方式中，監視節點100彼此通過RF無線數據鏈路通信。
而且，最後的監視節點100(節點幻和中央單元12彼此通過RF無線數據鏈路通
與有線鏈路相比，RF數據鏈路一般來說是有利的，因為它們減少了安裝時間與成本。
例如，在RF數據鏈路上的通信是根據例如運行在2. 4GHz的IEEE 802. 15. 4協議的標準協議執行的。
根據這種協議，根據本領域中眾所周知的技術，數據通過123位元組的數據幀發送， 而且採用時分復用來把每個監視節點的數據放到這種數據幀當中。
特別地，每個數據幀都將由第一節點生成，而且每個監視節點都將適於把其自己的輸出數據放到從上行監視節點接收到的數據幀中，並把包含其自己的輸出數據和上行監視節點的輸出數據的數據幀發送到下一個節點，直到到達最後的節點。而且，在發送數據幀之前，每個監視節點都將適於更新該數據幀的「發送方地址」域，以便(例如，通過使用合適的標識符)把其自己識別為該數據幀的發送方，代替它從其接收該包的上行監視節點。
圖7示出了 123位元組數據幀的一個例子，該數據幀包含10個包(從0到9)，每個包的長度是12個字節；幀終止符的長度是2個字節；而且發送方地址的長度是1個字節。 幀終止符指示數據幀的結束，而發送方地址適於包含把數據幀發送到下行節點的當前節點的地址。
當然，也可以使用比123個字節更多或者更少的數據幀。
每個包可以包括例如由監視節點的傳感器感測到的參數的實際值；服務信息(如指示節點的什么子集可以把數據插入到當前數據幀中的信息；以上提到的R次數，其指示監視節點嘗試把輸出數據發送到下行監視節點的次數；等等)；及指示節點之間數據/ACK 發送質量的數據。
在多於10個監視節點的系統中，可以假設一次僅一個子集(包括至多10個監視節點)適於把其自己的輸出數據放到數據幀中。例如，對於20個監視節點，可以假設在第一次，只有監視節點0至9把它們自己的輸出數據放到數據幀中，而節點10至19隻挨個傳播數據幀，直到最後的監視節點。在第二次，節點0至9將只挨個傳播數據幀，而節點10至 19——除挨個傳播數據幀直到最後的監視節點之外——還把它們自己的輸出數據放到數據幀中。如以上所公開的，關於節點的什么子集可以把數據插入到當前數據幀中的信息將包含在該數據幀中，作為服務信息。而且，每個節點又依次把其自己的輸出數據放到該數據幀對應的包中(例如，節點0放到包0中，節點1放到包1中，等等)。
中央單元12和遠程處理站10可以通過至少部分無線的數據鏈路彼此通信。
例如，中央單元12與遠程處理站10之間的通信部分地是通過GSM/GPRS網絡1執行的。
根據一種變體(未示出)，監視節點100之間的數據鏈路和/或最後的監視節點與中央單元12之間的數據鏈路和/或中央單元12與遠程處理站10之間的數據鏈路可以是有線鏈路(電的或者光的)。
在一種實施方式中(未示出)，通過使用電纜的屏蔽層(例如圖6中所示的金屬屏蔽件14 ，監視節點100可以根據PLC(輸電線通信)技術彼此傳送數據。特別地，每個監視節點100可以具有包括線圈的電磁收發器。以這種方式，沿該線圈流動的交流電將產生在電纜的屏蔽層中感生出變化電壓的磁場。沿電纜的屏蔽層流動的交流電又將產生在監視節點的電磁收發器的線圈中感生出變化電壓的磁場。
當RF通信不能使用的時候，例如在掩埋的陸地電纜的情況下，這種實施方式會特別有用。
本發明的監視系統可以有利地用於監視至少一個電力輸送系統的至少一個電纜系統的參數。
例如，該監視系統可以有利地用於評估高壓絕緣電纜的狀況。例如，這包括監視電纜沿其長度的分布溫度，以便能夠決定是否有可能增加電纜系統的額定功率(rating)或者檢測熱點；監視電纜、終端和結點上的局部放電，以便檢測電纜系統部件上將導致絕緣擊穿(break down)的局部放電活動性的進展；監視電纜電壓；監視用於特定電流連接的接線箱上的屏極電流，以便檢測電纜外殼或結點是否已經經受了可能造成系統不安全的一些損害；檢測隧道中的火；檢測檢修孔或隧道中危險氣體的存在，等等。
圖5示出了安裝在電纜系統的電纜的芯部14上的圖Id監視系統，其中監視節點 100放在芯部14的不同監視點處。
根據一種實施方式，電纜是陸地電纜而且芯部14包括獨立絕緣並加護套的電導體。為了啟用監視節點100之間的RF數據鏈路的使用，陸地電纜有利地位於隧道中。
圖6以截面圖示意性地示出了包括具有獨立絕緣和加護套的電導體的芯部14的示例高壓AC電纜。
在該例子中，芯部14包括中央金屬導體105;由半導體帶製成的接合件 (binder) 110 ；由半導體聚合物製成的導體屏蔽件115 ；由例如交聯聚乙烯(XLPE)製成的絕緣層120 ；也是由半導體聚合物製成的絕緣屏蔽件125 ；由例如半導體吸溼帶製成的半導體水屏障130和140 ；由例如帶和/或線形式的金屬製成的屏蔽件145 ；高密度聚乙烯(HDPE) 製成的護套150 ；及一般是半導體的保護性塗層155。
監視節點100可以固定到保護性塗層155上。
雖然沒有示出，但是本發明的監視系統還可以示例性地安裝在包括三個芯部的三相電纜上，每個芯部都包括單獨絕緣和加護套的電導體。
在這種情況下，監視節點的單個級聯可以有利地用於監視三個芯部，傳感器適當地固定在三個芯部的不同監視點上。
本發明的監視系統還可以示例性地安裝在包括屬於相同或不同電力輸送系統的多條電纜的終端部分的子站(例如，城市子站)中(其中，例如，每條電纜都是包括至少三個絕緣、獨立加護套的電導體的三相電纜)。在這種情況下，監視節點的級聯可以安裝在子站中，從而監視這多條電纜的終端部分。例如，它們可以安裝成使得每個要監視的終端部分耦合到該級聯的監視節點中的至少一個。
圖8示出了圖5的電力輸送系統的一種實施方式，其中監視節點100是由本地能量發生器200供電的。
在圖8中，每個本地能量發生器200都電連接到對應的監視節點100。
雖然沒有示出，但是圖8的電力輸送系統的電纜還可以包括兩個或更多個芯部 (例如，三葉形配置中的三個芯部)。在這種情況下，多個裝置200和對應的多個監視節點 100可以固定到多個芯部中僅一個的不同監視點上，監視節點100的傳感器適當地放在所有芯部的不同監視點上。
圖9示意性地示出了可以用於給監視節點100供電的本地能量發生器的一種實施方式。
圖9的本地能量發生器包括用於生成電能的裝置200，裝置200包括沿縱軸L延伸的弧形鐵磁體210和電子繞組220，該繞組圍繞主體210纏繞，以在基本上與弧形垂直的徑向平面內形成線匝。
雖然在圖9中僅示出一個電子繞組220，但是，依賴於需求，該裝置還可以包括多於一個適當地串行或並行連接的繞組。
而且，雖然在圖9所示的實施方式中電子繞組220是以單層線匝圍繞鐵磁體纏繞的，但是電子繞組220也可以圍繞鐵磁體纏繞，使得形成多於一層線匝，其中一層在另一層上面。
圖10以截面圖示意性地示出了包括AC電纜的電纜系統，其包括單個芯部14和裝置200，其中裝置200固定到單個芯部14上，從而對於該芯部14關於其縱軸的部分角擴展來圍繞芯部14外表面的縱向部分。如圖10中所示，裝置200固定到芯部14上，使得其縱軸L基本上與芯部14的縱軸一致。
鐵磁體210有利地具有其形狀與大小適合芯部14的外表面的輪廓的截面。裝置 200的內表面與芯部14的外表面之間幾毫米的間隙是可以容忍的。
裝置200可以通過適當的接合件、適當的帶子或者，當其以大於180°的角擴展圍繞芯部14時，通過彈性箝位固定到芯部14上。
芯部14有利地包括高壓獨立絕緣和加護套的電導體。
在圖10-12所示的實施方式中，鐵磁體210示例性地具有半圓柱形狀。
圖11和12示意性地示出了固定在芯部14上的裝置200，其中芯部14是三葉形電纜配置的一部分。
在圖11和12所示的實施方式中，三葉形電纜配置包括三個芯部14，這三個芯部 14中的每一個都包括獨立絕緣和加護套的電導體。而且，裝置200隻固定到這三個芯部14 中的一個上。
在裝置200中，電能是通過(經鐵磁體210)收集由沿芯部14流動的交流電生成的磁場並把其(經繞組220)變換成繞組220的兩個電終端230處的電壓差而產生的。
為了測試這種裝置中的電能生成，本申請人進行了實驗和數字模擬。
本申請人以如圖13a和13b中所示的配置成自身摺疊起來的閉環鐵磁體開始。實際上，這種配置適於固定到至少兩個絕緣且獨立加護套的電導體中的一個上，放成至少部分的其外表面彼此相鄰或接觸。
閉環鐵磁體長度為20mm (沿縱軸L，)，厚度⑴為3mm，內部半徑(Rint)為47. 5mm 且高度(h)為69. 5mm。
鐵磁體是由ThyssenKrupp VDM GmbH公司的Magllifer 50製成的，這是一種鎳-鐵合金，其中鎳的量是大約48%。
而且，實驗是通過把裝置固定到絕緣加護套的單個芯部電纜上執行的，該電纜是由 Prysmian Cables y Sistemas S. L.公司製造的 1 * 1200A1+H 141 Cu 76/138kV ENDESA KNE-001 類型。
鐵磁體主體的外部部分(不直接與電纜外表面接觸的那部分)被由外直徑0. 62mm 的漆包銅線製成的繞組纏繞。
該裝置包圍電纜其周界的至少50%。
下表示出了通過改變沿電纜流動的電流值(I。able，第一列)和繞組匝數而實驗獲得的結果。電壓、電流和功率測量(第二、第三和第四列)是在沒有和有連接到其的270歐姆電阻器的情況下在繞組的兩個電終端進行的。
表1(匝數=3000，開路，無電阻器)
權利要求
1.一種用於監視電力輸送系統的電纜系統的參數的監視系統，該監視系統包括中央單元和適於放在所述電纜系統的不同監視點處的多個監視節點，其中-每個監視節點都適於選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中，在活動模式期間，每個監視節點都適於獲取所述參數中的至少一個的值並處理所獲取的值，從而產生對應的輸出數據；及-所述中央單元適於收集來自所述監視節點的所述輸出數據；其特徵在於，所述監視節點是級聯連接的，而且，在活動模式期間，每個監視節點都適於-如果有所述級聯的上行節點的話，就從該上行節點接收輸出數據；及 -如果有下行節點的話，就把從所述上行節點接收到的輸出數據和由該監視節點自身生成的輸出數據發送到該下行節點，所述級聯的最後的監視節點適於把所述輸出數據發送到所述中央單元。
2.如權利要求1所述的監視系統，其中，所述監視節點適於根據同步時間幀選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中。
3.如權利要求2所述的監視系統，其中，所述時間幀是以這樣一種方式同步的，S卩，使得所述監視節點順序地一個接一個從每個睡眠模式轉到每個活動模式。
4.如權利要求2所述的監視系統，其中，所述時間幀是以這樣一種方式同步的，S卩，使得每個監視節點在上行監視節點開始向其發送輸出數據之前開始運行在每個活動模式中。
5.如權利要求4所述的監視系統，其中，所述時間幀是以這樣一種方式同步的，S卩，使得每個監視節點剛好在上行監視節點開始向其發送輸出數據之前開始運行在每個活動模式中。
6.如權利要求2所述的監視系統，其中，所述時間幀被同步以最小化用於從上行監視節點接收輸出數據的等待時間。
7.如權利要求1所述的監視系統，其中，所述監視節點通過多個數據鏈路彼此級聯連接。
8.如權利要求7所述的監視系統，其中，所述數據鏈路是無線的數據鏈路。
9.如權利要求8所述的監視系統，其中，所述無線的數據鏈路是射頻數據鏈路。
10.如權利要求1所述的監視系統，其中，所述中央單元適於利用與所述級聯的最後的監視節點的時間幀同步的時間幀而選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中。
11.如權利要求1所述的監視系統，其中，所述監視節點是由本地能量發生器供電的。
12.如權利要求1所述的監視系統，其中，所述監視節點各自都包括至少一個傳感器。
13.一種包括電纜系統和用於監視該電纜系統的參數的監視系統的電力輸送系統，所述監視系統包括中央單元和放在所述電纜系統的不同監視點處的多個監視節點，其中-每個監視節點都適於選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中，在活動模式期間，每個監視節點都適於獲取所述參數中的至少一個的值並處理所獲取的值，從而產生對應的輸出數據；及-所述中央單元適於收集來自所述監視節點的所述輸出數據；其特徵在於，所述監視節點是級聯連接的，而且，在活動模式期間，每個監視節點都適於-如果有所述級聯的上行節點的話，就從該上行節點接收輸出數據；及-如果有下行節點的話，就把從所述上行節點接收到的輸出數據和由該監視節點自身生成的輸出數據發送到該下行節點，所述級聯的最後的監視節點適於把所述輸出數據發送到所述中央單元。
14.如權利要求13所述的電力輸送系統，還包括用於給所述多個監視節點供電的多個本地能量發生器。
15.一種用於監視電力輸送系統的電纜系統的參數的方法，其中-多個監視節點與所述電纜系統的不同監視點相關聯；-所述監視節點選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中；-在活動模式中，所述監視節點獲取所述參數中的至少一個的值並處理所獲取的值，從而產生對應的輸出數據；-中央單元收集由所述監視節點生成的所述輸出數據；其特徵在於，當處於活動模式時，由所述監視節點產生的輸出數據以如下方式從所述監視節點朝向所述中央單元發送，即，通過從產生所述輸出數據的監視節點開始直到所述監視節點中的最後一個，把所述輸出數據從所述監視節點中的一個傳到另一個，所述最後的監視節點把所述輸出數據轉發到所述中央單元。
全文摘要
用於監視電力輸送系統的電纜系統的參數的方法與系統，其中多個監視節點與所述電纜系統的不同監視點相關聯；所述監視節點選擇性地運行在睡眠模式和活動模式中；在活動模式中，所述監視節點獲取所述參數中的至少一個的值並處理所獲取的值，從而產生對應的輸出數據；中央單元收集由所述監視節點產生的所述輸出數據；當處於活動模式時，由所述監視節點產生的所述輸出數據以如下方式從所述監視節點朝向所述中央單元發送，即，通過從產生所述輸出數據的監視節點開始直到所述監視節點中的最後一個，把所述輸出數據從所述監視節點中的一個傳到另一個，所述最後的監視節點把所述輸出數據轉發到所述中央單元。
文檔編號H02H7/26GK102498408SQ200980161458
公開日2012年6月13日 申請日期2009年7月30日 優先權日2009年7月30日
發明者A·曼努埃爾·拉扎羅, J·德爾·裡奧·費爾南德茨, L-R·薩勒斯·卡薩爾斯, R·拉臘 申請人:普睿司曼股份公司