CN102033184A - 避雷器电压分布无线测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种避雷器电压分布无线测量系统，应用无线传输的方法，使避雷器各节点电压同步采集，主机可以测量出变压器的电压，并且电压的采集与各电压测量探头对避雷器节点电压的采集只相隔0.6ms，不会影响测量的准确性。在信号处理上应用离散傅立叶变换法，对采集的电压信号进行分析计算。过滤出干扰谐波算出准确的基波电压，从而保证测量精度。

Description

避雷器电压分布无线测量系统
技术领域：
本发明属于避雷器电压分布测量技术领域，尤其是涉及一种通过无线测量方法对避雷器电压分布进行测量的系统。
背景技术：  
在高压电网中，避雷器阀片电压分布不均直接影响其稳定运行，避雷器芯体是由电阻片串联而成的电阻片柱，由于电阻片柱对地杂散电容的作用，使避雷器各部分电压分布不均，上部电阻片比下部电阻片承受电压高，老化速度快，电压分布较高的阀片一旦损坏,其它阀片的电压将提高,最终导致避雷器损坏。因此 MOA的电压分布是否合理直接影响整支的运行寿命。随着MOA电压等级的升高，其高度也越来越高，MOA电压分布的不均匀程度也越来越严重，MOA均压问题一直受到生产、运行部门的共同关注。当前，国内外在测量避雷器电压分布中，大都采用光纤电流法，此种方法延用多年，在测量系统的安装上存在很多弊端，多困光纤从避雷器瓷套内部引出，为实验带来许多不便，甚至需要在瓷套上钻孔，影响测量的准确性。应用此类方法，必须分时的测量避雷器各节点电压，而变压器的电压必须由峰值表读出，很难与探头测量电压保持同步性，这样就影响了测量的准确性。
发明内容： 
1、发明目的：
本发明针对上述问题，提出了一种避雷器电压分布无线测量系统。
2、技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：该系统主要包括避雷器内部分布电压测量探头和主机，电压测量探头由外壳和内部电路构成，电压测量探头的内部电路包括MCU、无线模块和电压测量及变换电路，外壳为采用工程塑料制成的圆饼形状；主机主要由第二MCU、第二无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路和远程通信电路构成；主机为铝外壳，天线外置；该系统还包括可以与主机进行数据交换的上位机。
所述分布电压测量探头至少为1个。
所述电压测量探头设置在避雷器内部，穿插到电阻片中，外壳分上下两个端盖，上端盖的上面和下端盖的下面均是由圆形电路板粘合而成，电路板一侧敷铜并使铜箔外露，电路板另一侧接入电压测量探头内部电路；外壳侧面开有圆孔，电压测量探头内部的电源开关伸入圆孔中。
电路板另一侧接入电压测量探头电压测量及变换电路上。
所述电压测量探头的内部电路由MCU、无线模块、电压测量及变换电路、电源开关、电源指示灯、电池和拨码开关构成；无线模块分别与电池、拨码开关和电源开关相连；MCU和无线模块均由电池供电，拨码开关设置地址并由MCU读取并储存，MCU采用C8051低功耗芯片；无线模块为NRF24L01无线模块，采用内置链路层的GFSK单收发芯片；电压测量及变换电路与MCU相连；电源开关伸入外壳下端盖的圆孔中，电源开关下方设有电源指示灯；电池采用3.6V，容量450mAH的工控电池；用于选择各探头地址的拨码开关的地址范围为1～64。
具有变压器电压测量功能的主机与各个电压测量探头进行无线数据交换；外部接口为DB9针口和卡隆接口，通信电缆通过DB9针口接入主机，卡隆接口与变压器二次侧抽头连接；主机电路部分有电源电路、第二MCU、第二无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路、远程通信电路；电源采用4节1.5V电池，第二MCU与第二无线模块NRF24L0PA相连，第二MCU经通信电缆传给上位机，主机通信采用RS485方式，传输距离1000m，传输采用两芯屏蔽电缆。
上位机通过屏蔽电缆连接到系统主机上，上位机采用PC机或工控机与主机通信，上位机与主机之间以485总线方式传输，上位机与主机之间加信号隔离，主机内部设有高速光耦对信号隔离。
3、优点及效果： 
本发明提出的这种避雷器电压分布无线测量系统，具有如下优点： 
采用避雷器电压分布无线测量系统，使得安装方便，避免探头和主机之间的连接线繁杂等问题，利用离散傅立叶方法去除谐波，提高测量精度。实验变压器电压测量和探头测量同步进行，使整个测量过程更接近于理想状态，有利于工程人员分析数据。工程人员可以在PC机或工控机对测量系统进行远程操作，操作人员更加安全。测量数据通过软件处理生成表格、描绘曲线等，提高了工作效率。
附图说明：
图1为本发明整体示意图；
图2为本发明电压测量探头结构示意图；
图3为电压测量探头上端盖打开时的结构示意图；
图4为电压测量探头内部结构示意图；
图5为电压测量探头安装到避雷器时的示意图；
图6为主机结构示意图；
图7为主机内部结构示意图；
图8为主机外部结构示意图；
图9为电压测量探头内部电路连接示意图；
图10为主机内部电路连接示意图；
附件1为利用本发明进行测量时的参数设置界面；
附件2为利用本发明进行测量时的实验界面。
附图标记说明：
1—电压测量探头；2—主机；3—上端盖；4—下端盖；5—天线；6—避雷器；7—电阻片；11—外壳；12—无线模块；13—电压测量及变换电路；14—圆孔；15—电源开关；16—电源指示灯；17—电池；18—拨码开关。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：如图1中所示，该系统主要包括避雷器内部分布电压测量探头1和主机2，如图2中所示，电压测量探头1由外壳11和内部电路构成，电压测量探头1的内部电路包括MCU、无线模块12和电压测量及变换电路13，外壳11为采用工程塑料制成的圆饼形状；主机2主要由MCU、无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路和远程通信电路构成。如图8所示，主机2为铝外壳，天线5外置；该系统还包括可以与主机2进行数据交换的上位机，上位机软件可以与主机进行数据交换，在PC机或工控机上显示，具有控制主机发出电压采集命令，使各电压测量探头同时采集信号，并取回各电压测量探头的测量值以及主机所测量的变压器电压值的功能。
所述分布电压测量探头至少为1个。
如图5所示，所述电压测量探头1设置在避雷器6内部，穿插到电阻片7中，如图3中所示，外壳11分上下两个端盖，上端盖3的上面和下端盖4的下面均是由圆形电路板粘合而成，电路板一侧敷铜并使铜箔外露，便于外壳上下端面与电阻片良好接触，电路板另一侧通过导线接入电压测量探头1内部电路，使避雷器泄漏电流流过探头内部测量电路，外壳11侧面开有圆孔14，电压测量探头1内部的电源开关15伸入圆孔14中，电源开关15下方设有电源指示灯16；在电源开关15打开时，可以通过圆孔14看到电源指示灯16点亮。
如图4中所示，所述电压测量探头1的内部电路由MCU、无线模块12、电压测量及变换电路13、电源开关15、电源指示灯16、电池17和拨码开关18构成；MCU和无线模块12均由电池17供电，拨码开关18设置地址并由MCU读取并储存，MCU采用C8051低功耗芯片，可以通过SPI方式对无线模块12NRF24L01进行操作；电压测量及变换电路13采用电阻取样，把信号进行变换及放大处理过的电压波形进入MCU内部进行A/D/转换；电源开关15伸入外壳11下端盖4侧面的圆孔14中，电源开关15下方设有电源指示灯16；电池17采用3.6V，容量450mAH的工控电池；NRF24L01无线模块12为GFSK单收发芯片，内置链路层，自动应答及自动重发功能 1 或 2Mbps地址及 CRC 检验功能数据传输率，可用于跳频，工作电压 1.9-3.6V；拨码开关18用于选择各探头地址，地址范围为1～64。
如图6中所示，主机2具有变压器电压测量功能，与各个电压探头进行无线数据交换；外部接口为DB9针口和卡隆接口，通信电缆通过DB9针口接入主机2，卡隆接口与变压器二次侧抽头连接，用于变压器电压信号测量。如图7中所示，主机2电路部分有电源电路、第二MCU、第二无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路和远程通信电路；电源可以采用4节1.5V AAA电池，经稳压电路转换成正负电源供给放大器和通信电路使用；第二MCU通过SPI方式控制第二无线模块NRF24L0PA；信号测量及变换电路把变压器二次侧电压变换成0-2.5V电压，送入第二MCU进行A/D变换，经通信电缆传给上位机，主机2通信采用RS485方式，传输距离1000m，传输采用两芯屏蔽电缆。 上位机采用PC机或工控机与主机通信，上位机与主机2通信加信号隔离以防高电压冲击，信号隔离采用设置在主机2内部的高速光耦实现。上位机与主机2之间以485总线方式传输。
上位机软件采用Delphi编写，可以通过附件1和附件2中所示的界面设置所要测试避雷器的等级；采集电压测量探头1的地址；更改测量系数；输出测量曲线及报表等，并且具有对各探头多次校验功能，使无线测量系统传输可靠。
上位机软件安装到PC机或工控机上，通过设置上位机界面各项参数，对应所要测量的试品，上位机通过屏蔽电缆连接到系统主机2上，上位机发出测量命令后，主机2采集变压器二次电压，同时主机2通过无线传输方式命令各个电压测量探头1采集电压。成功采集后上位机发出读取主机数据命令，首先主机2把所测量的电压值送到上位机，经软件计算出变压器的实际值，而后上位机依次发出对各探头读取数据命令，各个电压测量探头1通过无线方式把所测的数据发送给主机2，主机2通过RS485方式传输到上位机。上位机的软件立即分析出避雷器电压分布情况，并且形成曲线，生成数据报表。
在信号处理上，本发明应用傅立叶变换法，对采集的电压信号进行分析计算，过滤出干扰谐波算出准确的基波电压，从而保证测量精度。
考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，可将信号X(t)表示为：
                                                                                
Figure 2011100226201100002DEST_PATH_IMAGE002
                                 
计算公式：      
 考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，可将信号X(t)表示为：
                                  
   根据三角函数的正交性，得：
                
   以上是针对时间连续信号，对于采样后的离散信号，可以将积分表示成离散形式：
                                      
由此可以计算信号基波的幅值：
Figure 2011100226201100002DEST_PATH_IMAGE008
                       
Figure 2011100226201100002DEST_PATH_IMAGE010
                       
其中N是一个周期中的采样点数。
实施例：
在杭州永德电气公司做500KV瓷套与合成套避雷器型式实验，节点0为实验变压器电压 ，节点1为避雷器最下端，依次往上共26节点。实验数据如下：
表1  500KV 瓷套避雷器电压分布
Figure 2011100226201100002DEST_PATH_IMAGE012
表2  500KV 合成套避雷器电压分布
Figure 2011100226201100002DEST_PATH_IMAGE014

Claims (7)

1.一种避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：该系统主要包括避雷器内部电压分布测量探头（1）和主机（2），电压测量探头（1）由外壳（11）和内部电路构成，电压测量探头（1）的内部电路包括MCU、无线模块（12）和电压测量及变换电路（13），外壳（11）为采用工程塑料制成的圆饼形状；主机（2）主要由第二MCU、第二无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路和远程通信电路构成；主机（2）为铝外壳，天线（5）外置；该系统还包括可以与主机（2）进行数据交换的上位机。
2.根据权利要求1所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：所述分布电压测量探头（1）至少为1个。
3.根据权利要求1所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：所述电压测量探头（1）设置在避雷器（6）内部，穿插到电阻片（7）中，外壳（11）分上下两个端盖，上端盖（3）的上面和下端盖（4）的下面均是由圆形电路板粘合而成，电路板一侧敷铜并使铜箔外露，电路板另一侧接入电压测量探头（1）内部电路；外壳（11）侧面开有圆孔（14），电压测量探头（1）内部的电源开关（15）伸入圆孔（14）中。
4.根据权利要求3所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：电路板另一侧接入电压测量探头（1）电压测量及变换电路（13）上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：所述电压测量探头（1）的内部电路由MCU、无线模块（12）、电压测量及变换电路（13）、电源开关（15）、电源指示灯（16）、电池（17）和拨码开关（18）构成；无线模块（12）分别与电池（17）、拨码开关（18）和电源开关（15）相连；MCU和无线模块（12）均由电池（17）供电，拨码开关（18）设置地址并由MCU读取并储存，MCU采用C8051低功耗芯片；无线模块（12）为NRF24L01无线模块，采用内置链路层的GFSK单收发芯片；电压测量及变换电路（13）与MCU相连；电源开关（15）伸入外壳（11）下端盖（4）的圆孔（14）中，电源开关（15）下方设有电源指示灯（16）；电池（17）采用3.6V，容量450mAH的工控电池；用于选择各探头地址的拨码开关（18）的地址范围为1～64。
6.根据权利要求1所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：具有变压器电压测量功能的主机（2）与电压测量探头（1）进行无线数据交换；外部接口为DB9针口和卡隆接口，通信电缆通过DB9针口接入主机（2），卡隆接口与变压器二次侧抽头连接；主机（2）电路部分有电源电路、第二MCU、第二无线模块NRF24L0PA、信号测量及变换电路、远程通信电路；电源采用4节1.5V电池，第二MCU与第二无线模块NRF24L0PA相连，第二MCU经通信电缆传给上位机，主机（2）通信采用RS485方式，传输距离1000m，传输采用两芯屏蔽电缆。
7.根据权利要求1或6所述的避雷器电压分布无线测量系统，其特征在于：上位机通过屏蔽电缆连接到系统主机（2）上，上位机采用PC机或工控机与主机（2）通信，上位机与主机（2）之间以485总线方式传输，上位机与主机（2）之间加信号隔离，主机（2）内部设有高速光耦对信号隔离。
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