Способ и устройство для выполнения синхронизированных векторных измерений Российский патент 2023 года по МПК G01R19/25 

Настоящее изобретение относится к области передачи и распределения электроэнергии. Более конкретно, настоящее изобретение касается усовершенствования устройств, которые позволяют определять синхронизированные фазоры (синхрофазоры), добавлять временные метки к сигналам и/или результатам измерений на их основе и доставлять управляющие сигналы в удаленные места в энергосистеме. В одних формах осуществления изобретения используют модули дистанционного измерения, но определение синхрофазоров и/или добавление метки времени к сигналу, принятому от модулей дистанционного измерения, является централизованным, а в других формах осуществления изобретения управляющие сигналы доставляют в модули дистанционного управления из центра. В каждом случае изобретение извлекает выгоду из использования оптического волокна, обычно присутствующего в силовых кабелях, и обеспечивает дополнительные функциональные возможности без необходимости значительных инвестиций в оборудование и инфраструктуру.

Предпосылки создания изобретения

Измерения синхронизированных электрических фазоров, называемых синхрофазорами, используются операторами электросетей или систем для оценки критической информации о состоянии электросети, часто на большой географической территории. Фазор - это векторная величина, содержащая амплитуду и фазу электрического сигнала переменного тока, обычно напряжения или тока. Синхрофазоры - это фазоры с добавлением метки времени, указывающей точное время, в которое было произведено измерение, обычно с абсолютной точностью в пределах одной микросекунды. Эти метки времени обычно получают из широковещательной передачи времени по сети глобальной спутниковой системы определения местоположения (Global Positioning System, GPS).

Наличие фазоров, снабженных метками времени, позволяет напрямую сравнивать электрические величины, такие как фаза, частота, амплитуда и потоки энергии, на больших расстояниях или в широких географических областях национальной или международной электросети, что позволяет проводить различные анализы энергосистем, которые здесь не обсуждаются (но см., например, "Real-Time Application of Synchrophasors for Improving Reliability", October 2010, North American Electric Reliability Corporation, доступно по адресу https://www.smartgrid.gov/files/rapir_final_10_17_10.pdf, и, в частности, Chapter 4 "Phasor Data Applications and Grid Reliability"). Эти аналитические приложения представляют интерес для операторов систем передачи и распределения во всем мире.

Традиционно, синхрофазоры вычисляют в месте измерения или рядом с ним с помощью устройства для синхронизированных векторных измерений (Phasor Measurement Unit, PMU), представляющего собой просто электронную систему измерения, которая принимает входные данные от близлежащих датчиков и синхронизатора на основе сигналов GPS для получения выходных данных, содержащих фазоры, снабженные метками времени. Каждому устройству PMU требуется источник питания, доступ к сети GPS для приема эталонного сигнала абсолютного времени и традиционная сеть связи для передачи вычисленных фазоров из места измерения. По этим причинам стоимость внедрения сети устройств PMU непомерно высока для многих операторов. По оценкам Департамента энергетики США, хотя устройства PMU могут стоить 10-15 тысяч долларов за единицу, общая стоимость сети устройств PMU может в десять раз превышать стоимость устройств PMU из-за необходимой обширной вспомогательной инфраструктуры.

Это обычный подход, используемый при добавлении метки времени к любому сигналу или измерению.

Соответственно, добавление меток времени к сигналам или результатам измерений, полученным на основании таких сигналов (например, напряжения и/или тока), также зависит от обширной вспомогательной инфраструктуры. Зависимость от источников питания дополнительно ограничивает места измерений теми, где имеется питание, например, в передающих подстанциях. Ограниченная доступность мест измерений недостаточна для серьезного мониторинга систем передачи и распределения, но альтернатива, то есть установка источников питания в удаленных местах, является слишком дорогостоящей.

Кроме того, традиционные системы PMU обеспечивают только однонаправленные измерения. Они не предоставляют средств для управления местными энергоресурсами, такими как устройства хранения энергии или генераторы. Желание управлять локальными устройствами рядом с PMU является естественным продолжением анализа синхрофазора (или анализа других измерений), но сегодня для реализации этой функции требуется дополнительное оборудование управления (а также средства связи), что приводит к дальнейшему увеличению затрат и усложнению инфраструктура.

Соответственно, целью по меньшей мере одного аспекта настоящего изобретения является устранение и/или смягчение одного или более недостатков известных/предшествующих устройств и, в частности, зависимости от обширной вспомогательной инфраструктуры, такой как источники питания, GPS и телекоммуникационное оборудование.

Дополнительные цели и задачи изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ выполнения синхронизированного векторного измерения, включающий:

прием сигнала от датчика напряжения и/или тока;

вычисление фазора на основании принятого сигнала; а также

добавление метки времени к фазору;

при этом вычисление фазора и добавление метки времени к фазору выполняется в месте, удаленном от датчика напряжения и/или тока.

Предпочтительно, упомянутый сигнал представляет собой оптический сигнал, принимаемый от датчика напряжения и/или тока по оптическому волокну. Оптическое волокно может быть включено в состав силового кабеля. Способ может включать ввод света в оптическое волокно с использованием широкополосного источника света.

Предпочтительно, датчик напряжения и/или тока содержит волоконную решетку Брэгга, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который растягивается и сжимается в ответ на измеряемое напряжение и/или ток.

Предпочтительно, вычисление фазора включает определение измеряемого напряжения и/или тока на основании принятого сигнала. Предпочтительно, измеряемое напряжение и/или ток определяют по спектральному положению длины волны пика отражения от волоконной решетки Брэгга. Предпочтительно, изменения измеряемого напряжения и/или тока определяют по изменениям длины волны пика отражения.

Предпочтительно, волоконная решетка Брэгга датчика напряжения и/или тока (или каждая волоконная решетка Брэгга множества датчиков напряжения и/или тока) имеет уникальную длину волны пика отражения. Соответственно, отдельная или каждая волоконная решетка Брэгга может быть опрошена и однозначно идентифицирована с использованием, например, мультиплексора с разделением по длине волны. Мультиплексор с временным разделением может использоваться, если одна или каждая волоконная решетка Брэгга не имеет уникальной длины волны пика отражения.

Предпочтительно, добавление метки времени к фазору включает определение времени, соответствующего измеряемому напряжению и/или току. Предпочтительно, способ включает прием сигнала синхронизации времени. Опционально, сигнал синхронизации времени содержит сигнал секундного времени (импульс в секунду) или сигнал сетевого протокола синхронизации времени. Сигнал синхронизации времени может быть получен из сигнала GPS.

Предпочтительно, способ включает определение момента времени t, в который сигнал принимают от датчика напряжения и/или тока. Это может быть сделано на основании сигнала синхронизации времени.

Предпочтительно, способ включает определение временной задержки t_s, соответствующей датчику напряжения и/или тока. Предпочтительно, способ включает определение момента времени, в который сигнал передан от датчика напряжения и/или тока, путем вычитания временной задержки t_s из момента времени t, когда был принят сигнал. В качестве альтернативы способ включает определение задержки по фазе ϕ, соответствующей временной задержке t_s.

Опционально, временная задержка t_s может определяться численно, исходя из известного расстояния между волокном и датчиком, по формуле t_s=4,9 мкс/км.

Предпочтительно, временная задержка может определяться путем передачи сигнала на датчик напряжения и/или тока, приема сигнала после его отражения от датчика напряжения и/или тока и определения времени прохождения в прямом и обратном направлениях 2t_s для сигнала. Передача сигнала может включать внесение возмущения в амплитуду источника света, освещающего оптическое волокно. Прием сигнала может включать обнаружение влияния этого возмущения на свет, отраженный датчиком напряжения и/или тока.

Предпочтительно, прием сигнала может включать отделение части света, отраженного датчиком напряжения и/или тока, с использованием оптического ответвителя и его обнаружение с помощью фотодетектора.

Предпочтительно, вычисление фазора на основании принятого сигнала включает вычисление вектора, содержащего величину и фазу измеряемого напряжения и/или тока. Опционально, фазу измеряемого напряжения и/или тока смещают на задержку по фазе ϕ или на задержку по фазе ϕ, соответствующую временной задержке t_s.

Опционально, вычисление фазора включает вычисление преобразования Фурье для временной последовательности значений измеряемого напряжения и/или тока.

Предпочтительно, способ включает непрерывный прием сигналов от датчика напряжения и/или тока, непрерывное вычисление фазоров на основании принятых сигналов и непрерывное добавление меток времени к фазорам. Опционально, способ включает периодическое определение временной задержки, соответствующей датчику напряжения и/или тока. Предпочтительно, способ включает прием множества сигналов от соответствующего множества датчиков напряжения и/или тока, вычисление соответствующего множества фазоров и добавление метки времени к каждому из фазоров. Способ может включать периодическое определение временной задержки, соответствующей каждому из множества датчиков напряжения и/или тока. Каждый из множества сигналов может содержать длину волны, уникальную для соответствующего датчика напряжения и/или тока.

Опционально, способ дополнительно включает доставку управляющего сигнала (или одного или более управляющих сигналов) в местоположение (или одно или более местоположений) вдоль оптического волокна. Это местоположение (или местоположения) может быть связано с датчиком (или датчиками) напряжения и/или тока и может совпадать с местоположением датчика (или датчиков) напряжения и/или тока. Управляющий сигнал (или сигналы) могут доставляться к этому местоположению в зависимости от анализа, выполненного над измеренным синхрофазором. Соответственно, способ может включать также анализ синхрофазора.

Предпочтительно, способ включает передачу одного или более управляющих сигналов по оптическому волокну и прием по меньшей мере одного управляющего сигнала в модуле управления. Управляющий сигнал может передаваться на длине волны, отличной от длины волны сигнала (или сигналов), принимаемого от датчика (или датчиков) напряжения и/или тока.

Предпочтительно, способ включает доставку множества управляющих сигналов множеству модулей управления вдоль оптического волокна. Множество управляющих сигналов может передаваться на соответствующем множестве длин волн, каждая из которых может отличаться от длины волны (или длин волн) сигнала (или сигналов), принимаемого от датчика (или датчиков) напряжения и/или тока.

Предпочтительно, доставка управляющего сигнала (или одного из множества управляющих сигналов) в модуль управления (или один из множества модулей управления) может включать мультиплексирование с кодовым разделением и/или мультиплексирование с разделением по длине волны.

Мультиплексирование с кодовым разделением может включать передачу множества управляющих сигналов на одной длине волны, прием множества управляющих сигналов в модуле управления и определение того, какие из множества управляющих сигналов предназначены для данного модуля управления.

Мультиплексирование с разделением по длине волны может включать в себя передачу множества управляющих сигналов на множестве длин волн, прием множества управляющих сигналов в модуле управления и обнаружение одного или более управляющих сигналов, переданных на длине волны, уникальной для модуля управления. В предпочтительной форме осуществления первого аспекта способ выполнения синхронизированного векторного измерения включает:

прием оптического сигнала от датчика напряжения и/или тока по оптическому волокну;

прием сигнала синхронизации времени и определение момента времени t, в который оптический сигнал принят от датчика напряжения и/или тока;

определение измеряемого напряжения и/или тока на основании принятого оптического сигнала и вычисление фазора; и

определение момента времени, в который сигнал передан от датчика напряжения и/или тока, на основании момента времени t и добавление метки времени к фазору;

при этом каждое из вышеперечисленных действий выполняется в месте, удаленном от датчика напряжения и/или тока.

Эта предпочтительная форма осуществления изобретения может дополнительно содержать любые из вышеупомянутых предпочтительных или опциональных особенностей первого аспекта. Например, определение момента времени, в который сигнал передан от датчика напряжения и/или тока, на основании момента времени t может включать определение временной задержки i_ts, соответствующей датчику напряжения и/или тока, и вычитание временной задержки t_s из момента времени t, когда был принят сигнал.

В другой предпочтительной форме осуществления первого аспекта способ выполнения синхронизированного векторного измерения включает:

прием оптического сигнала от датчика напряжения и/или тока по оптическому волокну;

определение измеряемого напряжения и/или тока на основании принятого оптического сигнала, определение задержки по фазе ϕ, соответствующей датчику напряжения и/или тока, и вычисление фазора; и

прием сигнала синхронизации времени, определение момента времени t, в который оптический сигнал принят от датчика напряжения и/или тока, и добавление метки времени к фазору;

при этом каждое из вышеперечисленных действий выполняется в месте, удаленном от датчика напряжения и/или тока.

Эта предпочтительная форма осуществления может также дополнительно содержать любые из вышеупомянутых предпочтительных или опциональных особенностей первого аспекта. Например, способ может включать определение временной задержки t_s, соответствующей датчику напряжения и/или тока, и вычисление задержки по фазе ϕ на основании временной задержки t_s.

Кроме того, формы осуществления первого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения, или наоборот.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ доставки управляющего сигнала в местоположение вдоль оптического волокна, включающий:

передачу управляющего сигнала по оптическому волокну; и

прием управляющего сигнала в модуле управления.

Местоположение может быть связано с датчиком напряжения и/или тока и может быть совмещено с местоположением датчика напряжения и/или тока. Управляющий сигнал может передаваться на длине волны, отличной от сигнала (или сигналов), принимаемого от датчика (или датчиков) напряжения и/или тока.

Предпочтительно, способ включает доставку множества управляющих сигналов множеству модулей управления в множестве местоположений вдоль оптического волокна.

Формы осуществления второго аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения, или наоборот. Например, доставка управляющего сигнала (или одного из множества управляющих сигналов) в модуль управления (или один из множества модулей управления) может включать в себя мультиплексирование с кодовым разделением и/или мультиплексирование по длине волны, и может выполняться в ответ на анализ, выполняемый над одним или более синхрофазорами.

В соответствии с третьим аспектом изобретения предлагается система мониторинга для выполнения синхронизированного векторного измерения, содержащая:

опросное устройство, имеющее оптическую связь с датчиком напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

приема оптического сигнала от датчика напряжения и/или тока;

вычисления фазора на основании принятого сигнала; и

добавления метки времени к фазору.

Предпочтительно, опросное устройство содержит широкополосный источник света для ввода света в оптическое волокно. Оптическое волокно может входить в состав силового кабеля. Предпочтительно, опросное устройство имеет оптическую связь с множеством датчиков напряжения и/или тока через оптическое волокно и принимает соответствующее множество оптических сигналов. Каждый из множества сигналов может содержать длину волны, уникальную для соответствующего датчика напряжения и/или тока.

Предпочтительно, датчик или каждый датчик напряжения и/или тока содержит волоконную решетку Брэгга, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который растягивается и сжимается в ответ на измеряемое напряжение и/или ток.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для определения каждого измеряемого напряжения и/или тока на основании принятого оптического сигнала. Предпочтительно, каждое измеряемое напряжение и/или ток определяется на основании спектрального положения длины волны пика отражения от одной или каждой волоконной решетки Брэгга. Предпочтительно, изменения измеряемого напряжения и/или тока определяют по изменениям длины волны пика отражения.

Предпочтительно, волоконная решетка Брэгга одного или каждого датчика напряжения и/или тока имеет уникальную длину волны пика отражения, а опросное устройство может содержать мультиплексор с разделением по длине волны. В качестве альтернативы опросное устройство может содержать мультиплексор с временным разделением.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для приема сигнала синхронизации времени.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для определения момента времени t, в который сигнал принят от одного или каждого датчика напряжения и/или тока. Желательно, чтобы опросное устройство было сконфигурировано для определения временной задержки t_s, соответствующей одному или каждому датчику напряжения и/или тока.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для определения момента времени, в который сигнал передан от одного или каждого датчика напряжения и/или тока, путем вычитания одной или каждой временной задержки t_s из одного или каждого момента времени t, когда был принят сигнал. В качестве альтернативы, опросное устройство сконфигурировано для определения задержки по фазе ϕ, соответствующей одному или каждому датчику напряжения и/или тока.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для передачи сигнала на один или каждый датчик напряжения и/или тока, приема сигнала после его отражения от одного или каждого датчика напряжения и/или тока и определения временной задержки, соответствующей одному или каждому датчику напряжения и/или тока. Опросное устройство может быть сконфигурировано для внесения возмущения в амплитуду источника света, освещающего оптическое волокно. Опросное устройство может быть сконфигурировано для обнаружения влияния этого возмущения на свет, принимаемый и отражаемый одним или каждым датчиком напряжения и/или тока. Предпочтительно, опросное устройство содержит оптический ответвитель и фотодетектор, сконфигурированный для обнаружения части света, отраженного одним или каждым датчиком напряжения и/или тока. В качестве альтернативы время задержки t_s может определяться численно по формуле t_s=4,9 мкс/км.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для вычисления вектора, содержащего величину и фазу каждого измеряемого напряжения и/или тока. Опционально, фаза смещается на задержку по фазе ϕ, соответствующую измеряемому напряжению и/или току. Опционально, опросное устройство сконфигурировано для вычисления преобразования Фурье для временной последовательности одного или каждого измеряемого напряжения и/или тока.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для непрерывного приема сигналов от одного или каждого датчика напряжения и/или тока, непрерывного вычисления фазоров на основании принятых сигналов и непрерывного добавления временных меток к фазорам. Опросное устройство может периодически определять временную задержку/и, опционально, задержку по фазе ϕ, соответствующую одному или каждому датчику напряжения и/или тока, для калибровки системы мониторинга.

Опционально, опросное устройство сконфигурировано для доставки управляющего сигнала в модуль управления по оптическому волокну. Модуль управления может быть связан с датчиком напряжения и/или тока и может быть совмещен с датчиком напряжения и/или тока, или он может быть отдельным от одного или каждого датчика напряжения и/или тока. Опросное устройство может быть сконфигурировано для доставки управляющего сигнала в ответ на анализ соответствующего синхрофазора.

Опционально, опросное устройство сконфигурировано для передачи управляющего сигнала на длине волны, отличной от сигналов, принимаемых от одного или каждого датчика напряжения и/или тока.

Предпочтительно, опросное устройство сконфигурировано для передачи множества управляющих сигналов множеству модулей управления через оптическое волокно. Множество управляющих сигналов может передаваться на соответствующем множестве длин волн, каждая из которых может отличаться от длины волны сигналов, принимаемых от одного или каждого датчика напряжения и/или тока.

Альтернативно, множество управляющих сигналов может передаваться на одной длине волны. В любом случае, модуль управления или каждый модуль управления предпочтительно сконфигурирован для обнаружения только того управляющего сигнала, который предназначен для этого модуля управления.

Опционально, модуль управления содержит фотодетектор и фильтр, сконфигурированный для отделения управляющего сигнала от любых других сигналов, принимаемых модулем управления через оптическое волокно. Опционально, фильтр содержит оптический мультиплексор ввода/вывода. Опционально, фильтр содержит волоконную решетку Брэгга и оптический циркулятор, предназначенный для пропускания сигналов с заданной длиной волны. Предпочтительно, волоконная решетка Брэгга имеет слабое отражение на этой заданной длине волны.

В качестве альтернативы, фильтр содержит волоконный ответвитель, предназначенный для передачи части управляющего сигнала из оптического волокна на фотодетектор через узкополосный фильтр.

Альтернативно, фильтр содержит мультиплексор с разделением по длине волны. Опционально, фильтр дополнительно содержит волоконный ответвитель, предназначенный для передачи части управляющего сигнала от мультиплексора с разделением по длине волны на фотодетектор через узкополосный фильтр. Опционально, модуль управления дополнительно содержит волоконный ответвитель, предназначенный для передачи оставшегося управляющего сигнала от мультиплексора с разделением по длине волны в оптическое волокно.

В качестве альтернативы, фильтр содержит волоконный ответвитель и оптический мультиплексор ввода/вывода; при этом волоконный ответвитель предназначен для передачи части управляющего сигнала в оптический мультиплексор ввода/вывода, и оптический мультиплексор ввода/вывода сконфигурирован для ответвления сигналов на заданной длине волны в фотодетектор. Предпочтительно, оптический мультиплексор ввода/вывода содержит волоконную решетку Брэгга и оптический циркулятор, причем волоконная решетка Брэгга слабо отражает на упомянутой заданной длине волны. Опционально, модуль управления дополнительно содержит волоконный ответвитель, предназначенный для передачи оставшегося управляющего сигнала от оптического мультиплексора ввода/вывода в оптическое волокно.

В предпочтительной форме осуществления третьего аспекта система мониторинга содержит:

опросное устройство, имеющее оптическую связь с множеством датчиков напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

ввода света в оптическое волокно с помощью широкополосного источника света и приема оптических сигналов от множества датчиков напряжения и/или тока;

определения измеряемых напряжений и/или токов на основании принятых оптических сигналов и вычисления фазоров на основании измеренных напряжений и/или токов;

определения момента времени, в который каждый оптический сигнал передан от соответствующего датчика напряжения и/или тока;

добавления метки времени для каждого фазора.

В другой предпочтительной форме осуществления третьего аспекта система мониторинга содержит:

опросное устройство, имеющее оптическую связь с множеством датчиков напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

ввода света в оптическое волокно с помощью широкополосного источника света и приема оптических сигналов от множества датчиков напряжения и/или тока;

определения измеряемых напряжений и/или токов на основании принятых оптических сигналов, определения задержки по фазе ϕ, соответствующей датчикам напряжения и/или тока, и вычисления соответствующих фазоров;

определения момента времени t, в который каждый оптический сигнал принят от множества датчиков напряжения и/или тока, и добавления метки времени для каждого фазора.

Эти предпочтительные формы осуществления могут дополнительно содержать любые из вышеупомянутых предпочтительных или опциональных особенностей третьего аспекта. Например, каждое измеренное напряжение и/или ток можно определить на основании спектрального положения длины волны пика отражения от соответствующей волоконной решетка Брэгга, и изменения измеряемого напряжения и/или тока могут определяться по изменениям длины волны пика отражения.

Кроме того, формы осуществления третьего аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения, или наоборот.

Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается модуль управления для приема управляющего сигнала через оптическое волокно, причем модуль управления содержит фотодетектор и фильтр, сконфигурированный для отделения управляющего сигнала от любых других сигналов, принимаемых модулем управления через оптическое волокно.

Формы осуществления четвертого аспекта изобретения могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения или наоборот, и, в частности, признаки модуля управления, определенные в третьем аспекте.

Также преимущества предпочтительных или опциональных характеристик вышеупомянутых аспектов могут использоваться, независимо от вычисления или определения фазора, для добавления метки времени к любому сигналу или относящемуся к нему результату измерения.

Соответственно, пятый аспект изобретения предлагает способ добавления метки времени к сигналу от датчика напряжения и/или тока, включающий:

прием сигнала от датчика напряжения и/или тока;

определение момента времени t, в который сигнал принят от датчика напряжения и/или тока;

определение временной задержки t_s, соответствующей датчику напряжения и/или тока;

определение момента времени, в который сигнал передан от датчика напряжения и/или тока, путем вычитания временной задержки t_s из момента времени t, когда сигнал принят; и

добавление метки времени к сигналу.

В соответствии с шестым аспектом изобретения предлагается система мониторинга, содержащая:

опросное устройство, имеющее оптическую связь с одним или более датчиками напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

приема одного или более оптических сигналов от одного или более датчиков напряжения и/или тока;

определения момента времени t, в который каждый сигнал принят от одного или более датчиков напряжения и/или тока;

определения временной задержки t_s, соответствующей каждому датчику напряжения и/или тока;

определения момента времени, в который каждый сигнал передан от соответствующего датчика напряжения и/или тока, путем вычитания соответствующей временной задержки t_s из соответствующего момента времени t, когда сигнал принят; и

добавление метки времени к одному или более сигналам.

Предполагается, что вместо добавления метки времени к сигналу или сигналам самим по себе, способ (и система) могут вместо этого снабжать меткой времени результат измерения, полученный на основании сигнала. Хотя заявитель рассматривает добавление метки времени к сигналу как включающее добавление метки времени к результату измерения, полученному на основании сигнала, в седьмом и восьмом аспектах изобретения представлены способ и система, соответствующие пятому и шестому аспектам, в которых результаты измерения, полученные на основании одного или более сигналов, снабжают метками времени.

Формы осуществления аспектов изобретения с пятого по восьмой могут содержать признаки, соответствующие предпочтительным или опциональным признакам любого другого аспекта изобретения, или наоборот. Например, момент времени t, в который каждый сигнал принят от одного или более датчиков напряжения и/или тока, может быть получен на основании сигнала синхронизации времени, и определение временной задержки t_s может включать передачу сигнала для каждого датчика напряжения и/или тока и определение времени прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях 2t_s.

Краткое описание чертежей

Теперь будут описаны, только в качестве примера, различные формы осуществления аспектов изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует оптический датчик напряжения на основе волоконной решетки Брэгга.

Фиг. 2 иллюстрирует систему мониторинга на основе оптоволоконных датчиков.

Фиг. 3 схематично иллюстрирует систему мониторинга согласно аспекту изобретения.

Фиг. 4 - моделирование временной задержки для различных местоположений датчиков в системе мониторинга, такой как показанная на фиг. 3.

Фиг. 5 - схематическая иллюстрация ряда различных подходов к кодированию и декодированию для передачи и приема управляющих сигналов по оптическому волокну.

Подробное описание предпочтительных форм осуществления изобретения

Как обсуждалось выше в разделе "Предпосылки создания изобретения", желательно проводить множество измерений синхронизированных фазоров ("синхрофазоров") на больших расстояниях и без потребности в источниках питания, использовании спутников GPS или сетей связи. Также желательно осуществлять связь и, в частности, передавать управляющие сигналы в удаленные места.

За счет использования оптического волокна, автономного или встроенного в современные силовые кабели, или иного, изобретение позволяет выполнять синхронизированные векторные измерения на очень больших расстояниях (например, до 100 км, до того как потребуется усиление сигнала), без каких-либо требований к источникам питания, доступа к спутникам GPS или даже к телекоммуникационному оборудованию в местах измерения. Изобретение позволяет размещать большое количество таких точек измерения в регулярных или стратегических местоположениях вдоль силового кабеля без использования более одной волоконной жилы (хотя можно использовать несколько жил). Кроме того, управляющие сигналы могут быть отправлены в одно или более из нескольких разных мест на очень большие расстояния, опять же с использованием оптического волокна, которое может быть автономным или встроенным в современные силовые кабели, или иным.

Волоконно-оптический датчик с волоконной решеткой Брэгга

В качестве введения и обеспечения контекста для описания предпочтительных и альтернативных форм осуществления изобретения, которое следует ниже, фиг. 1 иллюстрирует датчик 1, который объединяет оптический датчик деформации с пьезоэлектрическим элементом, чтобы обеспечить механизм для измерения электрического напряжения в удаленном месте. Оптический датчик деформации содержит волоконную решетку Брэгга (Fibre Bragg Grating, FBG) 3, которая записывается в сердцевину оптического волокна 7 с использованием стандартных технологий записи (таких как интерференция лучей ультрафиолетового света и маскирование). FBG 3 будет отражать свет на длине волны Брэгга, λ_B=2n Λ где n - эффективный показатель преломления сердцевины, а Λ - период решетки. Соответственно, FBG 3 эффективно действует как отражатель света в зависимости от длины волны; при этом длина волны пика отражения зависит от периодичности изменения показателя преломления в сердцевине волокна (т.е. периода решетки).

В этом примере пьезоэлектрический элемент 5 (который может представлять собой пакет пьезоэлементов) находится в физическом контакте с оптическим волокном (например, приклеен к нему) в области FBG 3. Когда пьезоэлектрический элемент 5 растягивается и сжимается под действием прилагаемого (через клеммы 9) напряжения, FBG 3 также растягивается и сжимается, изменяя тем самым период решетки и, следовательно, длину волны Брэгга. Таким образом, мгновенное спектральное положение длины волны пика отражения FBG 3 указывает напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому элементу 5. Соответственно, система мониторинга (см. ниже) может быть сконфигурирована для определения напряжения, прилагаемого к пьезоэлектрическому элементу 5, с использованием мгновенного спектрального положения длины волны пика отражения.

В альтернативном примере FBG может не прикрепляться непосредственно к пьезоэлектрическому элементу, а вместо этого "натягиваться" между торцевыми колпачками, которые прикреплены к пьезоэлектрическому элементу. В такой конструкции деформация может быть выровнена по решетке, волокно может быть предварительно натянуто, и передача механической деформации может быть увеличена, что приводит к улучшенным характеристикам по сравнению с конструкцией с непосредственным креплением, описанной выше.

Такой датчик также может быть использован в качестве датчика тока путем включения пьезоэлектрического элемента и прикрепленной FBG параллельно с трансформатором тока (Current Transformer, СТ) и нагрузочным резистором. Мониторинг вторичного тока СТ, преобразованного в напряжение посредством нагрузочного резистора, позволяет измерять первичный ток в кабеле, окруженном трансформатором тока. Вместо трансформатора тока может использоваться катушка Роговского с диэлектрическим сердечником.

Система мониторинга оптоволоконных датчиков

На фиг. 2 схематично показана система 21 мониторинга, подходящая для мониторинга множества (n) FBG 3 в оптическом волокне 11. Каждая FBG 3 чувствительна к своей длине волны света (λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ … λ_n) при соответствующем выборе периодичности изменения показателя преломления сердцевины волокна (т.е. периода решетки - см. выше).

Система содержит широкополосный источник 23 света (CWBBS, Continuous Wave Broadband Source) для ввода в оптическое волокно 11 сигнала опроса, который имеет диапазон длин волн, охватывающий длины волн отражения всех FBG 3, расположенных вдоль оптического волокна 11. Свет проходит по волокну 11, и свет, отраженный от каждой из FBG 3, одновременно и непрерывно подается (через ответвитель 26) в мультиплексор 27 с разделением по длине волны, который разделяет свет, принимаемый от оптического волокна 11, на множество длин волн (и связанных с ними волокон), каждая из которых соответствует одной из FBG 3. Быстродействующий переключатель 28 оптического пути, управляемый блоком 29 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) / процессора, направляет отраженный сигнал от каждой FBG 3 по очереди на интерферометр и платформу 25 демодуляции.

Блок 29 АЦП/процессора затем обрабатывает выходной сигнал от интерферометра и платформы 25 демодуляции, чтобы определить длину волны отраженного света в каждом канале и, таким образом, определить мгновенное напряжение, прикладываемое к пьезоэлектрическому элементу, связанному с соответствующей FBG 3. Это может быть сделано, например, путем сравнения мгновенного спектрального положения пика отражения с данными калибровки или справочной таблицей.

В качестве альтернативы, мультиплексор с разделением по времени (не показан) может использоваться для разделения света, принимаемого из оптического волокна 11, на последовательность с временным разделением. При таком устройстве от FBG 3 не требуется иметь уникальные длины волн пика отражения. Комбинация способов мультиплексирования с разделением по времени и с разделением по длине волны может использоваться для опроса очень больших массивов FBG.

Ссылочная позиция 31 указывает на опросное устройство в целом, которое содержит широкополосный источник 23 света, мультиплексор 27 с разделением по длине волны и быстродействующий переключатель 28 оптического пути, управляемый блоком 29 АЦП/процессора (который может быть заменен или дополнен мультиплексором с временным разделением), а также интерферометр и платформу 25 демодуляции.

Синхронизированные векторные измерения

Как обсуждалось выше в разделе "Предпосылки создания изобретения", фазор - это векторная величина, содержащая амплитуду и фазу электрического сигнала переменного тока, обычно напряжения или тока, а синхрофазор - это фазор с добавлением метки времени, представляющей точное время, в которое было произведено измерение.

Как также обсуждалось выше в разделе "Предпосылки создания изобретения", синхрофазоры обычно вычисляют в месте измерения или рядом с ним с помощью устройства PMU, которое требует наличия источника питания, доступа к сети GPS для привязки к абсолютному времени и традиционной сети связи для передачи вычисленных фазоров из места измерения.

В отличие от этого система 121 мониторинга согласно форме осуществления настоящего изобретения (см. фиг. 3) использует массив вышеописанных волоконно-оптических датчиков 103 с решеткой Брэгга, каждый из которых позволяет дистанционно пассивно измерять напряжение и/или ток на больших расстояниях. Такие датчики 103 могут быть подключены первично, подключены вторично (например, модифицированы для сбора данных от существующих аналоговых электрических датчиков) или интегрированы в оборудование в соответствии с конкретными требованиями каждого места измерения. Как и в случае с системой 21 мониторинга, описанной выше, они подключены к опросному устройству 131 волоконно-оптической линией 101. Как и в системе 21 мониторинга, описанной со ссылкой на фиг. 2, опросное устройство 131 измеряет и отслеживает каждую длину волны пика отражения от датчиков 103, и путем анализа изменений длины волны пика отражения определяет изменение напряжения и/или тока, связанное с каждым датчиком 103. Тем не менее, опросное устройство 131 будет также вычислять фазоры и добавлять к ним метки времени непрерывно для каждого датчика 103, а также (опционально или альтернативно) доставлять управляющие сигналы в удаленные места. Для достижения этого опросное устройство 131 содержит базовую измерительную платформу, необходимую для определения результата измерения напряжения и/или тока, связанного с каждым датчиком 103; и дополнительно адаптировано, сконфигурировано или скомпоновано для реализации процесса калибровки метки времени; дополнительно адаптировано, сконфигурировано или скомпоновано для реализации процесса вычисления фазора и потоковой передачи по сети и/или способа пассивного управления удаленными устройствами, как будет описано ниже.

Следует отметить, что другие датчики и измерительные устройства также могут получить выгоду от технического вклада, внесенного изобретением в его многочисленных и разнообразных формах осуществления; в связи с этим следует понимать, что изобретение не ограничено использованием с датчиками типа, описанного со ссылкой на фиг. 1, или с конкретной системой опроса или системой мониторинга, описанной со ссылкой на фиг. 2, которые в основном используются для целей описания работоспособных форм осуществления изобретения.

Калибровка меток времени

Опросное устройство 131 принимает в качестве входных данных сигнал 141 синхронизации времени (например, сигнал в виде импульса в секунду (Pulse-Per-Second, PPS) или сигнал протокола точного времени (Precision Time Protocol, РТР)), который позволяет определить момент времени, в который каждый оптический сигнал принят от каждого соответствующего датчика 103, с точностью, как правило, по меньшей мере одна микросекунда.

Для датчиков 103, расположенных рядом с опросным устройством 131, эта временная метка может использоваться без модификации для снабжения временной меткой вычисленного фазора на основании соответствующих сигналов датчиков. Однако целью настоящего изобретения является выполнение таких измерений на больших расстояниях, поскольку запатентованные датчики заявителя могут быть установлены на значительном расстоянии от опросного устройства (как отмечалось выше, до 100 км, до того как требуется усиление сигнала), и в этом случае необходимо отрегулировать или компенсировать конечное "время прохождения" света, проходящего от конкретного датчика 103 к соответствующему детектору в опросном устройстве 131.

Временная задержка t_s, связанная с оптическим сигналом, идущим из местоположения удаленного датчика к опросному устройству 131, может быть определена по скорости света в волокне между датчиком и опросным устройством, которая просто равна с/n, где с - скорость света в вакууме, a n - средний показатель преломления сердцевины волокна на этом пути. Обычно значение n в стандартном одномодовом волокне для волоконно-оптической связи составляет примерно 1,4682, что соответствует скорости света в волокне около 204,19 метра в микросекунду. Это соответствует временной задержке (как функции от расстояния) t_s около 4,9 мкс/км.

Принимая (например) заданную точность по времени равной по меньшей мере одной микросекунде, компенсация потребуется по меньшей мере для тех датчиков, которые расположены более чем примерно в 200 метрах от опросного устройства. Конечно, может быть желательно повысить эту точность, или более низкая точность может быть допустимой, но в целях объяснения принципов изобретения в этой форме осуществления предполагается, что желательно получить точность не менее одной микросекунды независимо от расстояния от или близости соответствующих датчиков 103 к опросному устройству 131.

Скорость света в волокне и, следовательно, t_s, также будет меняться в зависимости от средней температуры на пути света. Заявитель выполнил моделирование влияния ожидаемых колебаний температуры наружного воздуха в Великобритании и во всем мире на описанный здесь процесс калибровки метки времени и определил, что одной калибровки t_s в месяц может быть достаточно, чтобы любая ошибка оставалась ниже указанных выше требований к точности метки времени. Возможно, что калибровки дважды в год может быть достаточно, но, как будет ясно из следующего обсуждения, предпочтительный процесс калибровки не мешает работе и поэтому может выполняться регулярно, чтобы гарантировать высокую временную точность измерений.

Предпочтительный способ калибровки t_s каждого датчика 103 в массиве основывается на измерении времени, необходимого свету для совершения прохождения от опросного устройства 131 к каждому датчику 103 и обратно. При нормальной работе изобретения (по меньшей мере в его предпочтительной форме осуществления) источник света (не показан) работает в режиме "непрерывного колебания". Путем внесения возмущения (такого как ступенчатое изменение или модуляция) в амплитуду источника света в известный момент времени может быть обнаружено влияние этого возмущения на отраженные сигналы от каждого из датчиков 103. Время прохождения в прямом и обратном направлениях для конкретного датчика 103, которое представляет собой время между внесением возмущения и обнаружением его влияния на отраженный сигнал от этого датчика 103, составляет 2*t_s (поскольку оно включает в себя прохождение света как в прямом, так и в обратном направлениях) и, следовательно, t_s можно легко определить с минимальным нарушением работы системы 121 мониторинга. На фиг. 4 показано время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях, соответствующее трем различным местоположениям датчиков вдоль волоконно-оптической линии 101: местоположению 1 в 10 км; местоположению 2 в 30 км; и местоположение 3 в 50 км, а также показаны соответствующие уровни сигналов, которые показывают, что даже на расстоянии 50 км эти сигналы могут быть обнаружены. В качестве пояснения, фиг. 4 представляет отключение питания источника на очень короткое время, что создает "всплеск" в виде падения мощности сигнала, и обнаружение этого всплеска мощности в отражениях, принимаемых от каждого датчика по очереди.

Чтобы измерять t_s, опросное устройство сконфигурировано так, чтобы (а) модулировать или иным образом вносить возмущение в выходной сигнал источника света, используемого для ввода света в волоконно-оптическую линию 101, в определенный момент времени, и (b) измерять время возврата этого характерного элемента (его влияния на сигнал) после отражения от каждого датчика, а также различать приход отраженного характерного элемента каждого датчика.

Модуляция источника света может быть достигнута множеством способов, включая: прямое управление напряжением определенных источников; управление оптическими аттенюаторами, размещенными на выходе источника; управление оптическим переключателем, установленным на выходе источника. Это не исчерпывающий список, и существует гораздо больше способов ввести какую-либо форму изменения амплитуды в сигнал источника света, которые квалифицированный специалист может легко реализовать.

Измерение времени прихода изменения амплитуды при возврате от каждого датчика также может быть достигнуто множеством способов. Как описано выше в отношении системы 21 мониторинга оптоволоконных датчиков, проиллюстрированной и описанной со ссылкой на фиг. 2, сигналы от отдельных датчиков могут различаться с использованием WDM или TDM таким же образом, каким можно различать сигналы измерения напряжения и/или тока.

Тем не менее, простой подход заключается в использовании оптического разделителя или ответвителя для отделения части отраженного света (например, 5% от амплитуды), возвращающегося по оптическому волокну. Оставшаяся (например, 95%) принимаемая оптическая мощность принимается и обрабатывается как обычно, в то время как 5% направляются на простой быстродействующий фотодетектор (например, фотодиод и трансимпедансный усилитель). После возмущения выходного сигнала источника света выходной сигнал фотодетектора будет содержать временную последовательность характерных элементов, представляющих приход отраженного возмущения от каждого датчика по очереди, начиная с физически ближайшего датчика и заканчивая более удаленным датчиком (расстояние, которое измеряется вдоль оптического волокна и не обязательно "по прямой" от опросного устройства). Выходной сигнал фотодетектора можно проанализировать, например, с помощью аналоговой электронной схемы, чтобы обнаружить появление характерных элементов в отраженном свете. Это может быть достигнуто путем установки порога для получения сигнала цифрового индикатора. Тогда разница во времени между стробированием характерного элемента в источнике света и обнаружением этого цифрового индикатора составляет 2*t_s, как описано выше.

Отметим, что хотя вышеописанное устройство и процесс устраняют зависимость от GPS для добавления меток времени, что желательно по многим причинам, возможно, что сигнал синхронизации времени, вводимый в опросное устройство, может быть получен на основании сигнала GPS. В этом случае все равно будут реализованы значительные преимущества: например, отдельные датчики по-прежнему не будут зависеть от GPS для калибровки метки времени, поскольку добавление меток времени выполняется опросным устройством 131. В любом случае, даже в случае сбоя GPS, все равно будет существовать калибровка относительной задержки между сигналами датчиков.

Хотя в настоящей заявке изобретение (в его различных аспектах) в основном описывается в контексте выполнения синхронизированных векторных измерений, следует понимать, что вышеупомянутый процесс калибровки меток времени, в качестве альтернативы или в дополнение к добавлению меток времени к фазорам, может быть использован для добавления меток времени к любым принимаемым сигналам и/или результатам измерений, полученным на основании этих сигналов (например, напряжения, тока или того и другого).

Соответственно, следование принципам настоящей заявки предоставляет средства для выполнения не только синхронизированных измерений фазоров, но также синхронизированных измерений напряжения и/или тока, или даже любых других измерений.

В иллюстративном примере сигнал принимается от датчика, например датчика напряжения и/или тока. Момент времени t, в который принят сигнал, определяется, например, с использованием сигнала синхронизации времени. Временная задержка t_s, соответствующая датчику, определяется, например, путем модуляции источника света и обнаружения эффекта модуляции описанным выше способом. Время, когда сигнал передан от датчика, можно определить, вычитая временную задержку t_s из момента времени t, после чего принятый сигнал может получить временную метку (с указанием момента времени, когда сигнал передан от датчика). Если сигнал обрабатывается для определения результата измерения, такого как измерение напряжения и/или тока, этот результат измерения может также (или вместо) иметь метку времени с указанием момента времени, когда сигнал передан от датчика.

Получение синхрофазоров

Как описано выше, синхрофазоры - это результаты измерения векторных электрических величин, снабженные метками времени; обычно напряжений и/или токов. Таким образом, существует два способа определения синхрофазора: (а) установление абсолютного времени, в которое был выполнен отсчет; и (b) вычисление фазора, содержащего величину и фазу измеренного электрического сигнала во время выполнения отсчета. Однако, как будет описано ниже, вместо того чтобы устанавливать абсолютное время, в которое был выполнен отсчет, синхрофазор может быть альтернативно получен путем (а) установления абсолютного времени, в которое был принят отсчет; и (b) вычисления вектора, содержащего величину и фазу измеренного электрического сигнала в то время, когда был принят отсчет.

Первый подход обеспечивает синхрофазор во время выполнения отсчета, а второй подход обеспечивает синхрофазор во время приема отсчета (эффективно обеспечивая измерение синхрофазора в реальном времени).

Выше описан предпочтительный подход для установления времени прохождения t_s между местоположением датчика 103 и опросным устройством 131. При известном значении ts, абсолютное время, в которое было произведено измерение (в соответствии с предыдущим подходом), является просто абсолютным текущим временем t, полученным со входа синхронизации времени, минус t_s. Таким образом, метка времени представляет собой просто t-t_s.

В последнем подходе вместо определения абсолютного времени, в которое было проведено измерение, метка времени может быть просто t (моментом времени, в который был принят отсчет), а время прохождения t_s вместо этого может использоваться для определения фазы измеренного электрического сигнала в момент приема отсчета. Это может быть достигнуто путем преобразования t_s в соответствующую задержку по фазе ϕ на основании частоты f контролируемой системы - обычно 50/60 Гц - и выражением t_s как части от полного периода волны 1/f. Например, если период составлял 20 мс (система с частотой 50 Гц), а задержка составляла 10 мс, то задержка по фазе ϕ будет 180°. Тогда фазор будет вычислен с учетом задержки по фазе ϕ и снабжен меткой с временем t, чтобы получить синхрофазор во время приема отсчета.

Вычисление фазора на основании данных временной последовательности может быть выполнено множеством способов, известных специалистам в данной области техники, наиболее распространенным из которых является вычисление преобразования Фурье для данных временной последовательности. Популярные и практические реализации в цифровых системах хорошо известны, такие как дискретное преобразование Фурье (Discrete Fourier Transform, DFT) и быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier Transform, FFT), которые производят декомпозицию данных временной последовательности в частотной области, на основе чего могут быть извлечены величина и фаза основной гармоники (обычно 50 или 60 Гц для энергосистем переменного тока). На этом этапе также может быть извлечена частота основной гармоники путем прямого анализа. Установив абсолютное время, когда был выполнен отсчет, или абсолютное время, когда был принят отсчет, и вычислив фазор, содержащий величину и фазу измеренного электрического сигнала, на основании этого определяют синхрофазор. Как описано выше, это достигается без источников питания в любом месте измерения, без оборудования GPS в любом месте измерения (или вообще где-либо) и без телекоммуникационного оборудования в любом месте измерения или связанном с ним месте.

Далее будет описана дополнительная опциональная функция опросного устройства и/или системы мониторинга, которая расширяет функциональные возможности опросного устройства, системы мониторинга и/или энергосети, в которой она реализована. Следует отметить, что способ пассивной доставки управляющего сигнала, который рассмотрен ниже, может быть реализован без опросного устройства, хотя в целях иллюстрации рабочего примера он описан в этом контексте.

Пассивная доставка управляющего сигнала

Как указывалось выше, дополнительная опциональная функция вышеописанной системы мониторинга обеспечивает средство для пассивной доставки аналоговых или цифровых управляющих сигналов в удаленное место. Это место может быть, но не обязательно, связано с модулем датчика, подключенным к опросному устройству, при этом, для ясности, даже если оно связано с ним, не требуется, чтобы модуль датчика располагался в том же месте. Описанный здесь модуль управления представляет собой пассивный автономный модуль, который подключается к оптическому волокну таким же образом как оптический датчик с оптоволоконной решеткой Брэгга, описанный выше (хотя предполагается, что такой датчик или по меньшей мере система мониторинга, содержащая такой датчик, могут быть модифицированы для приема управляющих сигналов). Управляющие сигналы могут посылаться в ответ на результаты анализа, выполненного над синхрофазорами, определенными так, как указано выше, например, для изменения генерации или нагрузки в ответ на анализ стабильности системы, основанный на данных векторных измерений, или для передачи сигнала команды на выключатель или реле.

В то время как электрические выводы оптических датчиков с волоконной решеткой Брэгга, описанных выше, служат в качестве входов напряжения, на которых выполняется измерение, электрические выводы модуля управления будут служить выходами, которые могут быть подключены к ближайшему электрическому или электронному модулю для подачи управляющих сигналов. Такой модуль управления может принимать (по меньшей мере) одну из множества форм и работать (по меньшей мере) одним из двух способов, как объяснено ниже.

В предпочтительной форме осуществления изобретения длина волны управляющего сигнала λ_с, может быть расположена на краю диапазона связи. Таким образом, вероятность перекрестных помех между управляющими сигналами и сигналами датчиков становится пренебрежимо малой. В качестве альтернативы, требования к ширине полосы датчика могут диктовать, чтобы λ_с находилась за пределами полосы широкополосного источника, используемого решетками FBG датчиков. Например, если расчетные длины волн решеток FBG в оптических датчиках ограничены диапазоном связи приблизительно от 1530 до 1590 нм, то расчетные длины волн решеток FBG в модулях управления могут быть ограничены другими областями с низкими потерями (например, около 1310 нм). Длины волн измерения и управления можно комбинировать, например, с помощью двухоконного волоконного ответвителя.

Чтобы посылать управляющие сигналы от опросного устройства 131 к модулю управления, расположенному в некотором месте вдоль оптического волокна 100, модули управления могут быть сконфигурированы для приема оптически кодированных управляющих сигналов. Это может быть достигнуто путем модуляции амплитуды оптического сигнала на длине волны λ_с, как в обычных оптических цифровых системах связи. Таким образом, любое изменение амплитуды света с длиной волны λ_с вызовет соответствующее изменение электрического напряжения на выходе фотодетектора, связанного с соответствующей FBG. Используя эту связь между оптической амплитудной модуляцией на длине волны λ_с и электрической модуляцией в модуле управления (который может быть расположен на значительном расстоянии от опросного устройства), можно достигнуть удаленной доставки аналоговых или цифровых сигналов напряжения для целей управления.

Если несколько модулей управления расположены вдоль одной оптоволоконной линии, предпочтительно иметь возможность различать управляющие сигналы, чтобы только заданный модуль управления (или модули, в зависимости от обстоятельств) мог принимать управляющий сигнал, предназначенный для него. Двумя предпочтительными способами достижения этого являются мультиплексирование с кодовым разделением и/или мультиплексирование с разделением по длине волны.

Все модули управления могут работать на идентичной длине волны, а управляющий сигнал может быть доставлен в требуемый модуль управления посредством уникального цифрового кода, который интерпретируется только модулем управления, предназначенным для его приема. В качестве альтернативы (или дополнительно) управляющие сигналы могут кодироваться по длине волны, при этом каждому модулю управления назначается уникальная длина волны (точно так же, как отдельным модулям датчиков может быть назначена уникальная длина волны, определяемая FBG). Эти два подхода требуют разных компонентов как на передающей, так и на принимающей стороне, как показано на фиг. 5. В формах осуществления изобретения, описанных в данном документе, управляющий сигнал λ_с, так или иначе отделяется от сигналов измерения в приемнике. В каждом случае набор элементов, которые отделяют управляющий сигнал от любых других сигналов, принимаемых модулем управления, фактически представляет собой и, следовательно, может рассматриваться в целом как фильтр.

1. Управляющие сигналы с цифровым кодированием

В этом подходе для всех модулей управления используется одна и та же длина волны, что требует только одного узкополосного передатчика/приемопередатчика в опросном устройстве 231. В следующем описании предполагается, что длина волны λ_с находится внутри полосы измерения. Однако, как отмечалось выше, может быть необходимо или желательно расположить λ_с за пределами полосы измерения; в этом случае можно использовать стандартные телекоммуникационные компоненты для двух длин волн.

В опросном устройстве 231 один лазерный диод 224 с узкой шириной линии используется для передачи одного сигнала всем модулям управления (например, 501 или 601) вдоль волоконно-оптической линии 201. Высокая спектральная плотность мощности лазерного диода позволяет обнаруживать сигналы оптическим детектором (например, 505 или 605), когда длина волны управления λ_с помещена в полосу широкополосного источника для датчиков. Сигналы, предназначенные для конкретного модуля управления, могут быть кодированы таким образом, чтобы каждый приемник мог извлечь предназначенное ему сообщение. В каждом модуле управления электронные схемы приемника будет обрабатывать сигнал только в том случае, если сигнал будет послан с кодовой последовательностью, соответствующей этому конкретному модулю управления. Существует несколько опций ответвления необходимого управляющего сигнала из измерительного волокна в приемник в модуле управления, две из которых описаны ниже.

В первой форме осуществления управляющий сигнал ответвляется модулем 501 управления с использованием модифицированного варианта оптического мультиплексора ввода/вывода (Optical Add/Drop Multiplexer, OADM), подключенного непосредственно к измерительной оптоволоконной линии 201. OADM использует оптоволоконную решетку Брэгга (FBG) 503 и пассивный оптический циркулятор 504. В этом контексте селективное по длине волны отражение, которое характерно для FBG 503, используется в качестве фильтра для заданной длины волны. В модуле 501 управления устройство 503, 504 FBG/циркулятора может использоваться для ответвления сигналов на определенной длине волны из оптоволоконного тракта в определенном месте, при этом эта операция не оказывает никакого влияния на другие длины волн решеток FBG, используемых для измерения. Это также является преимуществом, если, например (и как указано ниже), используется комбинация цифрового кодирования и кодирования по длине волны.

В любом случае предпочтительно использовать слабо отражающую FBG, чтобы управляющий сигнал мог достигать всех модулей управления на оптоволоконной линии. Только небольшой процент (например, 1-5%) управляющего сигнала может быть подан на фотодиод 505 модуля управления; большая часть управляющего сигнала продолжает прохождение по волоконно-оптической линии 201. В качестве альтернативы, как показано в модуле 601 управления, можно использовать пассивный волоконный ответвитель (Fibre Coupler, FC) 603 для ответвления небольшой части (например, 1-5%) как измерительных, так и управляющих сигналов на фотодиод 605 через узкополосный фильтр 607, такой как фильтр Фабри-Перо (Fabry Perot, FP) или тонкопленочный фильтр, для предотвращения попадания сигнала измерения на фотодиод 605.

2. Управляющие сигналы с кодированием по длине волны

В этом подходе используются уникальные длины волн управляющего сигнала, обычно по одной на каждый модуль управления.

Предпочтительно, каждому модулю управления присваивается уникальная длина волны, например, в диапазоне 1310-1350 нм. Для изменения амплитуды оптического сигнала только на длине волны λ_с можно использовать различные способы. Например, свет от широкополосного источника, охватывающего, например, диапазон 1310-1350 нм, может падать на фильтр или ряд фильтров, а также на механические или электронные затворы или переключатели, которые могут дискретно модулировать уровни мощности на длинах волн, соответствующих модулям управления (например, 701, 801, 901). Можно использовать специальные недорогие источники света, такие как светоизлучающие диоды (Light-Emitting Diode, LED), по одному (или более) на длину волны управления, которые можно включать и выключать или у которых изменять уровень мощности. В качестве альтернативы, один или более стандартных телекоммуникационных лазерных диодных передатчиков или приемопередатчиков 324 могут использоваться в сочетании с мультиплексором 325 с грубым разделением по длине волны (Coarse Wavelength Division Multiplexer, CWDM), который объединяет и направляет все выходные сигналы в одно волокно 301а для подключения к измерительному волокну 301, как в опросном устройстве 331.

В первой форме осуществления модуль 701 управления разделяет длины волн измерения и управления с помощью широкополосного мультиплексора 703. Затем часть полосы управления может быть отделена (например, с использованием ответвителя 704 с соотношением деления 5/95%), и узкополосный фильтр 707 выбирает длину волны, специфичную для модуля управления, и предотвращает попадание других длин волн управления на фотодиод 705. Мультиплексор WDM 703b может использоваться для повторного объединения длин волн измерения и управления для дальнейшей передачи по оптоволоконной линии 301.

Во второй форме осуществления модуль 801 управления отделяет небольшую часть обоих диапазонов измерения и управления с помощью двухволнового волоконного ответвителя (FC) 803. Подобно фильтру 707 в модуле 701 управления, упомянутом выше, узкополосный фильтр 807 используется для обеспечения того, чтобы только выбранная длина волны управления принималась фотодиодом 805. В третьей форме осуществления модуль 901 управления ответвляет определенные длины волн управления с использованием двухволнового FC 903 и функции "вывода" OADM (содержащего FBG 913 и циркулятор 914 - аналогично модулю управления 501, описанному выше). Таким образом, длина волны управления, требуемая модулю управления, отводится и принимается фотодиодом 905. Если используется слабо отражающая FBG, как в модуле 501 управления, то оставшийся свет на длине волны управления может быть повторно введен в волоконно-оптическую линию 301 с помощью второго FC 903b с двумя длинами волн.

Хотя предпочтительно, чтобы каждому модулю управления была назначена уникальная длина волны, предполагается, что несколько модулей управления, расположенных вдоль оптического волокна, могут быть сконфигурированы для приема сигналов на одной и той же длине волны. Тогда отдельный модуль управления может воспринимать сигнал, предназначенный для этого конкретного модуля, путем его цифрового кодирования, как описано в предыдущем разделе.

Следует также иметь в виду, что в формах осуществления, описанных выше, волоконно-оптическая линия 201, 301 также переносит свет в массив оптических датчиков на основе волоконной решетки Брэгга и от них, хотя описанный выше подход может использоваться для доставки управляющих сигналов независимо от какой-либо системы мониторинга, и в этом случае нет необходимости передавать вместе сигналы измерения и сигналы управления, и, следовательно, нет необходимости отделять длины волн управления от длин волн измерения.

Суммируя сказанное, ключевой вклад вышеописанных признаков, форм осуществления и аспектов изобретения заключается в устранении потребности в источниках питания, оборудовании GPS и телекоммуникационном оборудовании в каждом месте измерения и/или управления, в результате чего сложность и стоимость реализации сети PMU и/или системы управления могут быть существенно уменьшены. В случае реализации сети PMU получение синхрофазоров достигается за счет централизации определения фазоров и соответствующих временных меток в месте, удаленном от фактических мест измерения. В качестве альтернативы или в дополнение к снабжению фазоров метками времени, изобретение позволяет осуществить добавление меток времени для любых принимаемых сигналов и/или результатов измерений, полученных на основании этих сигналов. Эти сигналы принимаются от соответствующих датчиков, распределенных вдоль оптических волокон, которые могут быть встроены в современные силовые кабели. Точно так же, управляющие сигналы могут передаваться по оптическим волокнам, которые могут быть встроены в современные силовые кабели, и предлагается ряд подходов к обеспечению приема управляющих сигналов соответствующими модулями управления. Предполагается, что сеть PMU и/или система управления могут быть реализованы в энергосети с использованием существующей волоконно-оптической инфраструктуры. Также предполагается, что управляющие сигналы могут передаваться в зависимости от анализа, выполняемого над синхрофазорами.

По всему описанию, если контекст не требует иного, термины "содержат" или "включают" или их варианты, такие как "содержит" или "содержащий", "включает" или "включающий", должны пониматься как подразумевающие включение указанного целого объекта или группы целых объектов, но не исключение любого другого целого объекта или группы целых объектов.

Различные модификации описанных выше форм осуществления могут быть выполнены в пределах объема изобретения, и изобретение распространяется на комбинации признаков, отличные от тех, которые явно рассмотрены здесь.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к системам и способам для синхронизированных векторных измерений. Изобретение позволяет упростить реализацию синхронизированных векторных измерений (PMU) путем устранения потребности в источниках питания и оборудовании GPS в каждом месте измерения. Результат достигается тем, что предложен способ выполнения синхронизированного векторного измерения, в котором: принимают, в опросном устройстве, оптический сигнал от датчика напряжения и/или тока по оптическому волокну; принимают, в опросном устройстве, сигнал синхронизации времени; определяют, в опросном устройстве, момент времени t, в который оптический сигнал был принят от датчика напряжения и/или тока; определяют, в опросном устройстве, временную задержку t_s, соответствующую датчику напряжения и/или тока; определяют, в опросном устройстве, момент времени, в который оптический сигнал был передан от датчика напряжения и/или тока, путем вычитания временной задержки t_s из момента времени t, в который оптический сигнал был принят; вычисляют, в опросном устройстве, фазор на основании принятого оптического сигнала; и добавляют к фазору метку времени с указанием момента времени, в который оптический сигнал был передан от датчика напряжения и/или тока. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ выполнения синхронизированного векторного измерения, в котором:

принимают, в опросном устройстве, оптический сигнал от датчика напряжения и/или тока по оптическому волокну;

принимают, в опросном устройстве, сигнал синхронизации времени;

определяют, в опросном устройстве, момент времени t, в который оптический сигнал был принят от датчика напряжения и/или тока;

определяют, в опросном устройстве, временную задержку t_s, соответствующую датчику напряжения и/или тока;

определяют, в опросном устройстве, момент времени, в который оптический сигнал был передан от датчика напряжения и/или тока, путем вычитания временной задержки t_s из момента времени t, в который оптический сигнал был принят;

вычисляют, в опросном устройстве, фазор на основании принятого оптического сигнала; и

добавляют к фазору метку времени с указанием момента времени, в который оптический сигнал был передан от датчика напряжения и/или тока.

2. Способ по п. 1, в котором временную задержку определяют путем передачи сигнала на датчик напряжения и/или тока, приема сигнала после его отражения от датчика напряжения и/или тока и определения времени прохождения в прямом и обратном направлениях 2t_s для сигнала.

3. Способ по п. 2, включающий внесение возмущения в амплитуду источника света, освещающего оптическое волокно, и обнаружение влияния этого возмущения на свет, отраженный датчиком напряжения и/или тока.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором оптическое волокно входит в состав силового кабеля.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вычисление фазора включает определение измеренного напряжения и/или тока на основании принятого оптического сигнала.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором датчик напряжения и/или тока содержит волоконную решетку Брэгга, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который растягивается и сжимается, реагируя на измеряемое напряжение и/или ток, при этом измеряемое напряжение и/или ток определяют на основании спектрального положения длины волны пика отражения от волоконной решетки Брэгга.

7. Способ по п. 6, в котором волоконная решетка Брэгга датчика напряжения и/или тока имеет уникальную длину волны пика отражения.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, содержащий определение задержки по фазе ϕ, соответствующей временной задержке t_s.

9. Способ по п. 8, в котором вычисление фазора на основании принятого оптического сигнала включает вычисление вектора, содержащего величину и фазу измеренного напряжения и/или тока, при этом фазу измеренного напряжения и/или тока смещают на задержку по фазе ϕ.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий прием множества оптических сигналов от соответствующего множества датчиков напряжения и/или тока, вычисление соответствующего множества фазоров и добавление метки времени к каждому из фазоров.

11. Способ по п. 10, включающий непрерывный прием оптических сигналов от каждого датчика напряжения и/или тока, непрерывное вычисление фазоров для каждого принимаемого оптического сигнала и непрерывное добавление временной метки к каждому фазору.

12. Способ по п. 10 или 11, включающий периодическое определение временной задержки и/или задержки по фазе, соответствующей каждому датчику напряжения и/или тока.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий доставку одного или более управляющих сигналов в одно или более мест вдоль оптического волокна и прием по меньшей мере одного управляющего сигнала в модуле управления.

14. Способ по п. 13, в котором управляющий сигнал доставляют в одно или более мест в ответ на анализ, выполненный над одним или более измеренными синхрофазорами.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором один или более управляющих сигналов передают на длине волны или длинах волн, отличных от длины волны оптического сигнала, принимаемого от датчика напряжения и/или тока.

16. Способ по любому из пп. 13-15, включающий передачу множества управляющих сигналов на одной длине волны, прием множества управляющих сигналов в модуле управления и определение, какой из множества управляющих сигналов предназначен для этого модуля управления, и/или передачу множества управляющих сигналов на множестве длин волн, прием множества управляющих сигналов в модуле управления и обнаружение одного или более управляющих сигналов, передаваемых на длине волны, уникальной для этого модуля управления.

17. Система мониторинга для выполнения синхронизированного векторного измерения, содержащая:

опросное устройство, оптически связанное с одним или более датчиками напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

приема одного или более оптических сигналов от одного или более датчиков напряжения и/или тока;

приема сигнала синхронизации времени;

определения момента времени t, в который каждый оптический сигнал был принят в опросном устройстве от соответствующего датчика напряжения и/или тока;

определения временной задержки t_s, соответствующей каждому датчику напряжения и/или тока;

определения момента времени, в который оптический сигнал был передан от каждого датчика напряжения и/или тока, путем вычитания соответствующей временной задержки t_s из каждого момента времени t, в который оптические сигналы были приняты;

вычисления одного или более фазоров на основании одного или более принятых оптических сигналов; и

добавления к одному или более фазорам метки времени с указанием моментов времени, в которые оптические сигналы были переданы от каждого датчика напряжения и/или тока.

18. Система по п. 17, в которой каждый датчик напряжения и/или тока содержит волоконную решетку Брэгга, контактирующую с пьезоэлектрическим элементом, который растягивается и сжимается, реагируя на измеряемое напряжение и/или ток, при этом каждое измеряемое напряжение и/или ток определяют по спектральному положению длины волны пика отражения от каждой волоконной решетки Брэгга.

19. Система по п. 17 или 18, в которой опросное устройство выполнено с возможностью вносить возмущение в амплитуду источника света, освещающего оптическое волокно, и обнаруживать влияние этого возмущения на свет, принимаемый и отражаемый каждым датчиком напряжения и/или тока, для определения временной задержки t_s.

20. Система по любому из пп. 17-19, в которой опросное устройство выполнено с возможностью вычисления фазора, содержащего величину и фазу каждого измеренного напряжения и/или тока, и добавления метки времени к фазору с указанием момента времени, в который каждое измеренное напряжение и/или ток передано от каждого датчика напряжения и/или тока.

21. Система по любому из пп. 17-20, в которой опросное устройство выполнено с возможностью определения задержки по фазе ϕ, соответствующей каждой временной задержке t_s, и смещения фазы каждого измеряемого напряжения и/или тока на задержку по фазе ϕ.

22. Система по любому из пп. 17-21, в которой опросное устройство выполнено с возможностью непрерывно принимать оптические сигналы от каждого датчика напряжения и/или тока, непрерывно вычислять фазоры на основании принятых оптических сигналов, непрерывно добавлять метки времени к фазорам и периодически определять временную задержку t_s, соответствующую каждому датчику напряжения и/или тока, для калибровки системы мониторинга.

23. Система по любому из пп. 17-22, в которой опросное устройство сконфигурировано для доставки управляющего сигнала в модуль управления через оптическое волокно в ответ на анализ соответствующего синхрофазора.

24. Система по п. 23, в которой модуль управления содержит фотодетектор и фильтр, сконфигурированный для отделения управляющего сигнала от любых других сигналов, принимаемых управляющим модулем по оптоволокну.

25. Система по п. 24, в которой фильтр содержит волоконную решетку Брэгга и оптический циркулятор, выполненный с возможностью ответвления сигналов с заданной длиной волны, при этом волоконная решетка Брэгга слабо отражает на этой заданной длине волны.

26. Система по п. 24, в которой фильтр содержит волоконный ответвитель для передачи части управляющего сигнала из оптического волокна на фотодетектор через узкополосный фильтр.

27. Система по п. 24, в которой фильтр содержит мультиплексор с разделением по длине волны и волоконный ответвитель для передачи части управляющего сигнала от мультиплексора с разделением по длине волны на фотодетектор через узкополосный фильтр.

28. Система по п. 24, в которой фильтр содержит волоконный ответвитель и оптический мультиплексор ввода/вывода, причем волоконный ответвитель выполнен с возможностью передачи части управляющего сигнала в оптический мультиплексор ввода/вывода, а оптический мультиплексор ввода/вывода сконфигурирован для ответвления сигналов с заданной длиной волны на фотодетектор.

29. Способ добавления метки времени к сигналу от датчика напряжения и/или тока, включающий:

прием, в опросном устройстве, оптического сигнала от датчика напряжения и/или тока;

определение, в опросном устройстве, момента времени t, в который оптический сигнал принят от датчика напряжения и/или тока;

определение, в опросном устройстве, временной задержки t_s, соответствующей датчику напряжения и/или тока;

определение, в опросном устройстве, момента времени, в который оптический сигнал передан от датчика напряжения и/или тока, путем вычитания временной задержки t_s из момента времени t, в который оптический сигнал принят; и

добавление к оптическому сигналу или результату измерения, полученному на основании оптического сигнала, метки времени с указанием момента времени, в который оптический сигнал передан от датчика напряжения и/или тока.

30. Система мониторинга, содержащая:

опросное устройство, оптически связанное с одним или более датчиками напряжения и/или тока через оптическое волокно, причем опросное устройство сконфигурировано для:

приема одного или более оптических сигналов от одного или более датчиков напряжения и/или тока;

определения момента времени t, в который каждый оптический сигнал принят от одного или более датчиков напряжения и/или тока;

определения временной задержки t_s, соответствующей каждому датчику напряжения и/или тока;

определения момента времени, в который каждый оптический сигнал передан от соответствующего датчика напряжения и/или тока, путем вычитания соответствующей временной задержки t_s из соответствующего момента времени t, в который принят этот сигнал; и

добавления к упомянутым одному или более оптическим сигналам или результатам измерения, полученным на основании этих оптических сигналов, метки времени с указанием моментов времени, в которые эти оптические сигналы переданы от соответствующих датчиков напряжения и/или тока.