CN102879117B - 一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置 - Google Patents
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本发明涉及电力系统设备的在线监测技术领域，尤其是一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置。其特点是：包括安装在变电站每个隔离开关导电臂(5)上的悬浮测量装置，以及与所有悬浮测量装置无线通信的协调器，该协调器通过光纤与后台PC连接。本发明的主要特点是温度测量装置被悬挂在隔离开关导电臂上接近触头的位置，悬挂点埋设了测温元件，可以直接对触头附近的温度进行测量；整个装置通过感应交变的高压电场来取能，属于自供电系统，无需外加电源；测量结果通过ZigBee无线射频技术发送到变电站的主控室。这种技术方案比目前提出的采用太阳能电池供电和磁场线圈供电方式的温度测量方案相比具有明显的优势。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统设备的在线监测技术领域，尤其是一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置。
背景技术
目前电力系统对变电站高压隔离开关触头温度进行监测的常规方法是依靠人力以及红外测温仪进行定时巡检，这种方法不仅耗费大量人力，也不能实现对触头温度变化的实时监测。也有一些在线测量方案被提出，但是在这些方案中由于在线测量装置安装在隔离开关高压导电臂上，因此如何解决装置的供电的问题是技术的瓶颈。
现有的方案包括：(1)采用光纤测温技术。在这种方案中，光纤作为传光元件把晶体温度传感器对光特性的变化量进行传输，由于光纤具有电气绝缘的性能，因此可以把传感信号直接引入低压侧的测量电路，从而比较容易解决供电的问题。在技术上还不成熟，成本较高，同时电力系统目前还不允许将光纤直接从高压侧接地。(2)悬浮温度测量装置，采用太阳能电池供电。在这种方案中，太阳能电池板被用于为悬浮测量装置供电，装置内配置蓄电池，用于在光照条件下对能量进行存储，在无光照条件下为装置持续工作提供电源。这种技术方案的主要问题一是容易受到环境的影响，例如太阳能电池板的发电能力决定于光照条件，夜晚或阴雨天气以及灰尘覆盖下发电能力受到极大限制；其次，蓄电池的工作寿命有限，而且在低温下储能释放能力受到极大的限制。(3)悬浮温度测量装置，采用磁场线圈感应供电。这种方案中测量装置的供电通过线圈来感应线路中的负荷电流来实现。这种方案的最大问题是负荷电流总是处于不断的波动之中，供电的稳定性面临挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，能够既不受环境的影响，也不受负载电流波动的影响，并且长寿命、免维护。
一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特别之处在于：包括安装在变电站每个隔离开关导电臂上的悬浮测量装置，以及与所有悬浮测量装置无线通信的协调器，该协调器通过光纤与后台PC连接。
其中后台PC与变电站的控制系统连接。
其中悬浮测量装置包括与隔离开关触头直接接触的热电偶，该热电偶与一微控制器连接从而采集温度数据，该微控制器与无线通信模块连接从而与协调器之间实现无线通信；以及为悬浮测量装置供电的供电电路。
其中微控制器采用单片机。
其中悬浮测量装置与协调器之间通过ZigBee无线通讯网络连接。
其中供电电路包括感应取能电路、储能及其控制电路和微功耗DC-DC电路；该感应取能电路收集安装在导电臂上的感应板与大地之间的等效电容在交流高压下产生的位移电流，并使之通过整流桥变换为直流电流向一个取能电容充电；储能及其控制电路把从该取能电容上获得的能量通过一个降压脉冲变压器向储能电容来释放；微功耗DC-DC电路对该储能电容的电压进行调整以及维持输出的稳压。
其中在储能及其控制电路中还设有放电开关控制电路，该放电开关控制电路通过一个分压器检测当前取能电容两侧的电压，当它达到一个预设的阈值的时候，对半导体开关发出控制脉冲，使其导通放电，放电电流通过降压脉冲变压器向储能电容充电；该放电开关控制电路通过一个高压恒流源电路接取能电容从而获得供电。
其中在储能及其控制电路中还设有储能电容电压监测电路，该储能电容电压监测电路对当前储能电容中能量积累情况进行监视，当储能达到一定量后则发出一个控制脉冲启动后续微功耗DC-DC电路工作；该储能电容电压监测电路通过一个高压恒流源电路接取能电容从而获得供电。
其中微功耗DC-DC电路包括基于PWM的DC-DC降压斩波模块。
本发明的主要特点是温度测量装置被悬挂在隔离开关导电臂上接近触头的位置，悬挂点埋设了测温元件，可以直接对触头附近的温度进行测量；整个装置通过感应交变的高压电场来取能，属于自供电系统，无需外加电源；测量结果通过ZigBee无线射频技术发送到变电站的主控室，对于多个测温节点，它们可以组成一个无线网络。这种技术比目前提出的采用太阳能电池供电和磁场线圈供电方式的温度测量方案相比具有明显的优势，首先它不受环境的影响，不受负载电流波动的影响，其次具有长寿命以及免维护的特点。这种方案中温度的检测和数据的记录都可以自动完成，能够实现自动预警等功能，从而可以节约大量人力，对于实现变电站的无人值守具有重要意义。
附图说明
附图1为本发明中悬浮测量装置的供电电路原理图；
附图2为本发明的网络拓扑图。
具体实施方式
本发明中隔离开关触头温度在线测量装置的电场感应供电电路原理图如图1所示。整个感应供电电路分为三个部分：(1)感应取能电路1；(2)储能及其控制电路2；微功耗DC-DC电路3。其中，感应取能电路1主要作用是利用感应板4与大地之间的高压电场产生的位移电流给取能电容C1充电；储能及其控制电路2主要作用是把取能电容C1获得的能量通过一个降压脉冲变压器来转移到大容量储能电容C2上；微功耗DC-DC电路3用于把储能电容C2电压转换为温度测量电路和无线传输系统所需的电压等级。
1、感应取能电路1由四个二极管D1、D2、D3和D4以及一个取能电容C1构成，取能电容C1采用薄膜电容。二极管D1～D4构成一个全桥整流电路，其交流侧分别连接隔离开关导电臂5以及感应板4，把AC位移电流转为DC电流，并给取能电容C1充电。
2、储能及其控制电路2的主电路由半导体开关S1，降压脉冲变压器T1，二极管D5以及大容量储能电容C2构成。电阻R1和R2构成一个分压器，用于监视取能电容C1两端电压的高低，当电压达到设定的阈值时，放电开关控制电路驱动半导体开关S1导通，把取能电容C1上的能量通过降压脉冲变压器T1释放。降压脉冲变压器T1是一个降压变压器，用于把取能电容C1储存的能量通过整流二极管D5向储能电容C2转移。储能电容C2的电压被储能电容电压监测电路监测，当电压升到预设阈值时，该监测电路发出启动脉冲，控制后微功耗DC-DC电路3工作。二极管D6为续流二极管，用于半导体开关S1关断后的降压脉冲变压器T1漏感中能量的缓冲和释放。
3、微功耗DC-DC电路3是一个降压型的PWM斩波器，它及其反馈控制电路用于把储能电容C2上变化的电压进行调整，实现输出电压的稳定，来为后续温度测量和无线传输系统供电。
本发明的隔离开关触头温度在线测量装置的温度测量电路及数据无线传输系统原理如图2所示。隔离开关触头温度采用热电偶来测量，热电偶输出信号被单片机内置的ADC模块采样。温度采集数据通过一个2.4GHz的ZigBee无线网络来实现向主控室内后台PC的传输。ZigBee网络采用星形组网方式，每个在线温度测量装置为ZigBee网络的一个终端设备(Device)，它们直接向在主控室附近安装的协调器(Coordinator)发送接收到的温度信息。协调器把收到的温度信息通过光纤通讯方式传送到后台PC上。后台PC则运行IEC61850协议，被模拟成一个IED设备，融入电力系统的DCS系统。管理部门可以直接通过变电站IEC61850实现对温度测量信息的远程监视。
本发明公开了一种采用电场感应供电的电力系统高压隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置的技术方案。该方案直接采用悬浮测量装置，利用热电偶对触头温度进行温度接触式测量。悬浮测量装置的供电则通过感应高压电场的位移电流来实现。相比于现有的其它供电方式，这种供电方式能源提供比较稳定，因为电力系统母线电压是很稳定的，它不像负荷电流那样大幅度波动；另外，电场感应供电方式不受环境的影响，无论是阴雨天气或是有灰尘覆盖，都不会影响其供电效能。因此，这种供电方法可以有效解决现有方案的技术缺陷。
本发明的隔离开关触头温度在线测量系统包括悬浮测量装置以及无线传输网络。如图2所示，悬浮测量装置被安装在变电站每个隔离开关的导电臂5上，通过热电偶对触头温度进行接触式测量，并通过一个单片机及其ADC进行转换和数据采集。单片机把接收到的温度数据通过一个采用公共频段2.4GHz的ZigBee无线通讯网络进行传输。
ZigBee是建立在IEEE Std 802.15.4-2003之上的一种无线传输网络。IEEE Std 802.15.4-2003定义了一种应用于数据通讯和无线局域网的具有低传输速率、低功耗、低成本但发送距离有限的射频通讯协议。ZigBee常常被用于组建无线传感器网络。
本发明利用ZigBee技术把隔离开关触头温度的悬挂测量装置作为终端设备(Device)组建了一个无线传感器网络，该网络采用星形组网方式，网络的核心部件协调器(Coordinator)不仅用于动态建立网络，也是所有终端设备的温度信息传输的目的地。协调器被安装在主控室附近，通过天线接收来自各个终端发送的射频信号，并提取其中的温度信息，把它们通过光纤传送到安装在主控室的后台PC上。
后台PC主要功能一是本地显示当前各个隔离开关的温度信息，另外则实现了一个IEC61850的服务器。它被接入到整个变电站的DCS系统中，从而使得各个隔离开关的温度信息可以被远程传输到调度和控制中心的显示器上。
本发明的核心是通过电场感应方式来为悬浮测量装置提供电源。供电电路的原理如图1所示，分为三个主要部分：(1)感应取能电路1；(2)储能及其控制电路2；(3)微功耗DC-DC电路3。
感应取能电路1主要收集安装在导电臂5上的感应板4(通常就是悬挂装置的外壳)与大地之间的等效电容(图1中虚线所示)在交流高压下产生的位移电流，并使之向一个取能电容C1充电。由于感应板4与大地之间的等效电容相比取能电容C1要小的多，因此位移电流可等效为一个交流恒流源。为了获得足够的位移电流，感应板4要具有一定的对地面积，同时电压等级越高，则位移电流越大，所以本发明较为适用于110kV及以上电压等级的电力系统。而对于110kV以下电压等级由于需要较大的感应板4面积，因此其应用受到一定的限制。具体是交流位移电流通过一个由二极管D1～D4四个二极管构成的整流桥变换为直流电流向取能电容C1充电。
储能及其控制电路2的主要作用是把取能电容C1上获得的能量通过一个半导体放电开关S和降压脉冲变压器T1向大容量的储能电容C2来释放。为了获得较高的能量，取能电容C1的容量一般选择比较小，而电压则比较高，因此该能量不能直接被提供给后续温度测量电路以及射频电路，需要进行变换。
储能及其控制电路2的功能就是实现这样的变换，把取能电容C1的能量通过降压脉冲变压器T1传送到低压侧的储能电容C2上。大容量的储能电容C2的设置主要目的是为后续温度测量电路和射频电路的一次工作储存足够的能量。由于通过电场感应所能提供的能量是有限的，因此它是不能够维持测量电路和射频电路持续工作的，只能采用间歇式的工作方式，即储能-工作-再储能-再工作的循环。
为了实现上述功能，在电路中设置了两个控制单元，一个用于取能电容C1能量的放电控制，另外一个则用于储能电容C2的能量监测，如图1所示。放电开关控制电路的原理是通过一个分压器检测当前取能电容C1两侧的电压，当它达到一个预设的阈值的时候，对半导体开关S1发出控制脉冲，使半导体开关S1导通放电。放电电流通过降压脉冲变压器T1向储能电容C2充电。二极管D5为变压器副边的整流二极管，用于储能电容C2的单向充电。二极管D6则用于半导体开关S1关断后降压脉冲变压器T1漏感能量的缓冲和释放。
储能电容电压监测电路主要用于对当前储能电容C2中能量积累情况进行监视，当储能达到一定量后，它会发出一个控制脉冲启动后续微功耗DC-DC变换电路3工作，为温度测量电路及射频电路供电。放电开关控制电路和储能电容电压监视电路需要一个辅助的电源为其供电，在本发明中，这个辅助电源是通过一个高压恒流源电路从取能电容C1上直接获得的。
微功耗DC-DC变换电路3的主要作用是对储能电容C2的电压进行调整以及维持输出的稳压。由于储能电容C2在释放能量的过程中，其两端电压将不断变化，这种变化将超过温度测量电路和射频电路的工作电源电压范围，因此必须要进行稳压控制。为了减少DC-DC变换器的自身功耗，一个基于PWM原理的降压斩波型DC-DC降压斩波模块被采用，从而实现了很高的效率。
Claims (6)
1.一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：包括安装在变电站每个隔离开关导电臂（5）上的悬浮测量装置，以及与所有悬浮测量装置无线通信的协调器，该协调器通过光纤与后台PC连接；
其中悬浮测量装置包括与隔离开关触头直接接触的热电偶，该热电偶与一微控制器（MCU）连接从而采集温度数据，该微控制器（MCU）与无线通信模块连接从而与协调器之间实现无线通信；以及为悬浮测量装置供电的供电电路；
其中供电电路包括感应取能电路（1）、储能及其控制电路（2）和微功耗DC-DC电路（3）；该感应取能电路（1）收集安装在导电臂（5）上的感应板（4）与大地之间的等效电容在交流高压下产生的位移电流，并使之通过整流桥变换为直流电流向一个取能电容（C1）充电；储能及其控制电路（2）把从该取能电容（C1）上获得的能量通过一个降压脉冲变压器向储能电容（C2）来释放；微功耗DC-DC电路（3）对该储能电容（C2）的电压进行调整以及维持输出的稳压；
其中在储能及其控制电路（2）中还设有储能电容电压监测电路，该储能电容电压监测电路对当前储能电容（C2）中能量积累情况进行监视，当储能达到一定量后则发出一个控制脉冲启动后续微功耗DC-DC电路（3）工作；该储能电容电压监测电路通过一个高压恒流源电路接取能电容（C1）从而获得供电。
2.如权利要求1所述的一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：其中后台PC与变电站的控制系统连接。
3.如权利要求1所述的一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：其中微控制器（MCU）采用单片机。
4.如权利要求1所述的一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：其中悬浮测量装置与协调器之间通过ZigBee无线通讯网络连接。
5.如权利要求1所述的一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：其中在储能及其控制电路（2）中还设有放电开关控制电路，该放电开关控制电路通过一个分压器检测当前取能电容（C1）两侧的电压，当它达到一个预设的阈值的时候，对半导体开关发出控制脉冲，使其导通放电，放电电流通过降压脉冲变压器向储能电容（C2）充电；该放电开关控制电路通过一个高压恒流源电路接取能电容（C1）从而获得供电。
6.如权利要求1所述的一种采用电场感应供电的隔离开关触头温度在线测量和无线传输装置，其特征在于：其中微功耗DC-DC电路（3）包括基于PWM的DC-DC降压斩波模块。
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