CN103326468B - 一种电力设备远程智能环境监控报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程智能环境监控报警装置，所述装置与后台信号连接，装置内集成有太阳能板、环境传感器、状态传感器、CT取电部分、AD转换模块、通讯管理模块、CPU主板、无线开出量、存储模块、电源、电源管理模块；其中电源分别与太阳能板、CT取电部分、电源管理模块连接；CPU主板分别与电源管理模块、存储模块、无线开出量、AD转换模块、通讯管理模块连接；环境传感器、状态传感器分别与AD转换模块信号连接或电连接，另外无线开出量还与无线网信号连接，远程智能环境监控报警装置与数据转发设备电连接或信号连接。本发明本发明所有需监测的内容集中在一个装置内部，对于需要监测的位置，直接安装就可以，不需要考虑沿途线路环境，传送数据简单。

Description

一种电力设备远程智能环境监控报警装置

技术领域

本发明涉及一种电力设备远程智能环境监控报警装置。

背景技术

我国电力系统长期推行定期检修制度，这种检修方式的周期、项目都是建立在传统经验基础上。对设备个体的质量、运行环境、性能状态的差异考虑不全。存在着检修周期短，设备停电次数多，检修费用高，检修工作量大，供电可靠性降低等问题。随着高压、特高压输电线路的建立，这种检修方式越来越不适应输电线路的安全性、供电可靠性的要求。因此特别需要一种能够实时在线远程监控报警设备，特别是针对线路末端和偏远地区，而这些地区正是事故多发和通讯不畅的地区，因此，针对这些地区的电力设备进行实时远程有效监控显的尤为重要。

目前已经有简单单一功能的设备监测在运行，主要有以下几个原因导致这样的设备使用存在不足：

一是设备在恶劣的环境下，现有供电系统如电池或太阳能不能足够支持时，设备受环境影响较大。

二是通讯问题，现有的设备通讯方式主要是无线通讯网络，但是偏远地区没有覆盖，所以通讯使用受到一定限制。

三是时钟问题，由于没有统一对时功能，而且通讯网络有通讯时延问题，所以后台收到信息有时不能客观反映问题发生时间。

四是自主工作问题：目前监控设备没有开出量，所以有些比较明确的问题不能按预案处理。

现在一般监控设备的特点：

监测设备功能单一；集成度不高；需要考虑电网电压等级，遇到电压等级变换和长距离传输的，需要加中继器；增加的设备都有一个电源的问题。

可以传送多媒体数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种不受环境影响、通讯不受地域影响的这样一种装置，实现上述目的的技术方案如下：

远程智能环境监控报警装置，所述装置与后台信号连接，其特征在于：所述装置内集成有太阳能板、环境传感器、状态传感器、CT取电部分、AD转换模块、通讯管理模块、CPU主板、无线开出量、存储模块、电源、电源管理模块；其中电源分别与太阳能板、CT取电部分、电源管理模块连接；CPU主板分别与电源管理模块、存储模块、无线开出量、AD转换模块、通讯管理模块信号连接或电连接；环境传感器、状态传感器分别与AD转换模块信号连接或电连接，另外无线开出量还与无线网信号连接，所述远程智能环境监控报警装置与数据转发设备电连接或信号连接。

优选的，所述通讯管理模块包括GPS授时、GPRS/GSM通讯模块、电力通讯模块，GPS授时与卫星信号连接。

优选的，所述环境传感器内集成有空间温度传感器、湿度传感器、风速传感器、横摆距离传感器。

优选的，所述状态传感器内集成有温度传感器、倾角传感器、倾角加速传感器、超声波测距仪。

优选的，所述CT取电部分的电路包括线圈、电阻、放大电路、充电电路、电池；所述线圈卡在电力线上，所述垫圈与电阻并联，放大电路与充电电路连接电池，电阻连接放大电路；线圈卡在电力线上，通过感应方式得到一个电流，让这个电流通过电阻，在电阻两端产生一个电压，通过放大电路将这个电压放大，给电池充电。

优选的，所述电压通过放大电路被放大到至少5伏，所述电池为4.8伏。

优选的，所述电源为电池，当然也可以蓄电池、太阳能电池等等。

本发明可以对安装本设备的周围运行空间环境进行监测---包括需要检测设备周围当前的空间温度、湿度、风速、线缆摆幅等进行检测。

设备状态监测---对需要监测的设备的温度、倾角(倾角加速-主要用于设备防盗)、弧垂进行监测。

设备预案处理---由于我国10KV输电系统经常发生接地故障，对于偏远地区不能及时排除，因此尽量把故障缩短到最小范围，本设备有一个无线开出节点，可以按照预案配合保护设备完成故障隔离。

设备供电----由于高压线路不能保证220V供电系统，使用太阳能是目前其它类产品的主要通用做法。它的问题是当天气不好时，有时阴雨连绵几十天，这时太阳能基本不起作用。我们的设备除使用太阳能供电之外，特别增加了电子PT感应取电，利用高压电缆产生的电磁场，通过感应技术得到电流，再转换成电压给电池充电，以保证本发明设备的工作电源。

信息传输----利用现有的通讯网络将得到的监控数据及时发给后台。但是目前的电信公共网络信息传输存在时延问题，因此不能及时反映的数据所对应的时间。因此在后台综合信息处理系统那是不能及时体现出时间的特征。因此我们的发明设备有一个独特的功能，通过卫星对分布于各个监控点的设备统一授时，保证数据和时间的统一性。

本发明所有需监测的内容集中在一个装置内部，对于需要监测的位置，直接安装本装置就可以，不需要考虑沿途线路环境，传送数据简单。

附图说明

图1为现有技术中的电路连接图

图2为本发明装置示意图

图3为本发明电路连接图

图4为本发明安装示意图

图5为下行电压调制“0”“1”定义示意图，其中，a为电压调制“0”示意图，b为电压调制“1”示意图

图6为上行电流调制的“0”“1”定义示意图

图7为CT取电示意图

附图序号说明：电力设备环境远程智能监控报警装置1、数据转发设备2、电力线3

具体实施方式

电力设备环境远程智能监控报警装置主要作用是针对高压线路以及杆塔和变压器运行环境状态进行实时记录，包括设备运行状态特征量，以及测量、传输和诊断系统和相应预案处理，该方法是实现输电线路状态检修的重要手段，是提高输电线路运行安全可靠性的有效方法，通过对输电线路状态监测参数的分析。可及时判断输电线路故障并提出事故预防预警方案，降低输电线路事故发生的可能性。针对故障处理预案，可以独立完成事故的隔离。

下面结合附图对本发明做详细的说明。

图2中，远程智能环境监控报警装置，本装置与后台信号连接，装置内集成有太阳能板、电池、环境传感器、状态传感器、AD转换模块、通讯管理模块、CPU主板、无线开出量、CT取电部分、存储模块、电源，其中电池分别与太阳能板、CT取电部分、电源连接，CPU主板分别与电源、存储模块、无线开出量、AD转换模块、通讯管理模块连接，环境传感器、状态传感器分别与AD转换模块连接。通讯管理模块包括GPS授时、GPRS/GSM、通讯模块，GPS授时与卫星信号连接。环境传感器集成有空间温度传感器、湿度传感器、风速传感器、横摆距离传感器；状态传感器集成温度传感器、倾角传感器、倾角加速传感器、超声波测距仪。

下面说明下各部分部件的功能与原理：

太阳能板：负责将太阳光转换成电能；电源管理-指利用外部(如太阳能板)因素对电池进行充放电管理模块。

环境传感器：包括空间温度传感器、湿度传感器、风速传感器、横摆距离传感器，环境传感器监测设备及设备周围的空间温度、湿度、风速等数据。

温度传感器--测试空间温度；湿度传感器--测试空间湿度，主要监测下雨等；风速传感器---测试空间空气流动速度对杆塔设备的影响；横摆距离传感器---也叫摆幅传感器，监视电线摆动，摆动过大会造成短路故障；

状态传感器：包括被监测物温度传感器、倾角传感器、倾角加速传感器、超声波测距仪，所述状态传感器监测被监测设备的温度、倾角等数据。

温度传感器---测量电线温度，考虑电线热涨冷缩；倾角传感器-考虑地表现象导致电线杆倾斜；倾角加速传感器一电线杆倾角(倾斜)一般在45度范围内，超过45度电线杆一般会倒，这个倾倒是加速度的；超声波测距仪---主要检测电线对地距离，以及地面堆积物造成安全距离过小，给人身安全造成伤害。

CT取电部分：CT取电原理是通过一个线圈卡在电力线上，通过感应方式得到一个小电流，让这个小电流通过一个阻性器件，阻性器件可以是电阻，在阻性器件两端产生一个电压。将这个电压放大到5伏以上，就可以给4.8伏电池充电。电池再支持本装置工作，当电线上电流达到额定30％就可以通过周围电场感应出来一个电流并完成给电池充电。

具体的说，所述CT取电部分的电路包括线圈、电阻、放大电路、充电电路、电池；所述线圈卡在外部的电力线上，所述垫圈与电阻并联，放大电路与充电电路连接电池，电阻连接放大电路。

AD转换模块：将测量到的的模拟状态量数字化，并完成和CPU主板的通讯。

通讯管理模块：主要有两个功能，一是从卫星得到时间参数，将独立分散的设备统一在同一个时钟下工作。二是通过公共通讯网络建立设备和后台的一个通讯通道。

GPS授时：利用卫星的特点，接收卫星时钟，转换成本地时钟，统一设备时钟，避免公共信号延时造成数据汇总的时间差异。

GPRS/GSM通讯----所有本地数据通过专用GPRS/GSM通讯模块传送到后台，并从后台接收指令完成本装置的设置。

无线开出量---具有检测设备兼容隔离功能，在通讯故障或应急处理情况下，可根据预设程序自主发出无线命令，配合其它设备完成一次设备动作。也可以根据远程命令完成一次开出、闭合操作。

电力线通讯模块----常用通讯设备的基站以及设备需要电力支持，也就是说从某种意义上讲，先有电才有通讯。通讯发展一定落后于电力线发展。所以在偏远地区，环境恶劣地区，通讯往往是不发达的。而这些地区也是电力设备的故障多发区。更加需要相应设备进行实时监测。在公共无线网络跟不上，卫星网络价格昂贵的情况下，利用现有的电力通讯模块可以完成特定信息的传送。电力通讯模块是依赖电力线为载体具有应答通讯模块的功能。

图3中，本装置可以直接与变压器连接。

图4中，本装置电力设备环境远程智能监控报警装置1可以只安装在电力线3上，数据转发设备2安装在电线杆上，数据转发设备2接收本装置1的数据，而数据转发设备2接收的数据和变电站产生的信号通过GSM传送给后台。

图5与图6为电力通讯模块工作形成编码示意图。

电力通讯模块最大的特性是信号可以穿过变压器等磁感应设备。它的内部结构主要是在电压峰值过去之后，在电路上产生一个瞬间“噪音”信号，这个信号附载在电压上进行传输。这个“噪音”信号在传输中不会消失。所以可以在接收端检测这个“噪音”，根据“噪音”的特性区别“0”和“1”。如图5所示。

噪音的形成是通过控制并联在线路上的一个纯阻性器件，例如电阻，让这个器件在一定时间内按照特定频率“接通”“断开”。这时电线上电压就会产生一个特定频率的波动。在电力传输范围内，包括变压器前后端，都可以通过感应器件检测到电压的波动。把这个规律还原。就收到相应数据。制造和检测噪音是为了使噪音等信号穿过变压器等磁感应设备。

以两个周波为一个数字，第二个周波的四分之一到四分之三调制时代表“0”，第一个周波的四分之一到四分之三调制时代表“1”。第二个周波的四分之一到四分之三周期接通阻性器件产生的“噪音”代表“0”，第一个周波的四分之一到四分之三周期接通阻性器件产生的“噪音”代表代表“1”。在接收端检测相邻两个电压频率：正常频率+带噪音的频率认为“0”，带噪音的频率+正常频率认为“1”。电力线通讯模块将检测的数据形成简单编码0和1，通过电力线发送到后台。

下行是指两个电压周期为1个数据位，两个电压周期调制1次，相邻周期差分得到1个bit位，数字”0“和”1“的区别在于正弦电压过零点的调制对应周期不同(前一周期或后一周期调制)，数据通讯速率为25BPS；而上行是指四个电流周期为1个数据位，两个相邻周期差分得到1个bit位，”0“”1“的区别在于调制位置和差分方法。对于不同应用的通讯系统要求，可有多种”0“和”1“的定义方式。

本发明主要对本设备周围的运行空间环境、设备状态、预案处理、设备供电、信息传输系统几个方面做出了新的改进。

设备运行空间环境的监测---包括设备当前的空间温度、湿度、风速、线缆摆幅进行检测。

设备状态监测---对监测设备的温度、倾角(倾角加速一主要用于设备防盗)、弧垂进行监测。

设备预案处理---由于我国10KV输电系统经常发生接地故障，对于偏远地区不能及时排除，因此尽量把故障缩短到最小范围，该设备有一个无线开出节点，可以按照预案配合保护设备完成故障隔离。

设备供电----由于高压线路不能保证220V供电系统，使用太阳能是目前其它类产品的主要通用做法。它的问题是当天气不好时，有时阴雨连绵几十天，这时太阳能基本不起作用。我们的设备除使用太阳能供电之外，特别增加了电子PT感应取电，利用高压电缆产生的电磁场，通过感应技术得到电流，在转换成电压给电池充电，以保证设备工作电源。

信息传输----利用现有的通讯网络将得到的监控数据及时发给后台。但是目前的电信公共网络信息传输存在时延问题，因此不能及时反映的数据所对应的时间。因此在后台综合信息处理那系统试不能及时体现出时间的特征。因此我们的设备有一个独特的功能，通过卫星对分布于各个监控点的设备统一授时，保证数据和时间的统一性。

本装置也可以安装在环网柜里。

本发明相对于目前其它装置具有如下优点：

供电：以往的装置用电主要以市电220伏。但是这要求设备安装在变电站附近或变压器附近或城镇周围可以保证供电的区域内；也有架设大的太阳能板给电池充电向设备提供电源的，但是如果遇到冬天风雪或雨季天气，太阳能板基本不起作用，而这种天气正是设备容易出现问题的时间段。由于不能保证供电所以经常发生设备不能正常工作的情况。我们的发明是除太阳能之外的电力线感应取电。当10KV电线电流在额定工作电流的10以上，我们通过电流互感器得到一个感应电流，在通过一个阻性器件得到一个电压，我们发明的设备里面还有一套电子电路以及批量容性器件进行倍压，达到一定的电压值，最高可以达到250伏。可以保证给12伏/7AH电池充电，12伏/7AH可以完成监控设备电源要求。产品优点是不依赖于设备运行环境，并且时刻保持复充状态，也不分白天黑夜。

主要技术指标：不同电池充电时间。

电流/电池容量/充电时间	10KV一次电流10％负荷	10KV一次电流30％负荷	10KV一次电流60％负荷
				12V/7ah	120分钟	60分钟	30--45分钟
24v/7ah	200分钟	100分钟	50--90分钟
				48v/12ah	600分钟	300分钟	150--300分钟

在整个设备装置中，本发明是在没有公共通讯通道的情况下，依赖电力线将主要的监控信息发到后台上，其特点是不依赖于外部电源，因为我们有自身取电装置，且本设备体积小，和其它的设备完全集成在一个装置里面。

以往的电力线通讯设备是电力载波机，可以完成依赖电力线进行数据传输，电力线载波通信的方式和特点：电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。

电力线通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他交/直流电力线上。

本设备在工频(50HZ)电压过零附近加载低频信号，利用形变传递信息的一种通讯方式，该通讯无需增加耦合结合设备，信号可直接穿越用户变压器，在变电站和低压用户间建立起直接的通讯联系，特点是：工频畸变、长距离载波、电力网双向数字通讯。

本装置主要是解决现场数据采集和传输问题，最后的数据汇总和分析由后台计算机系统，简称后台负责，后台用集中器负责下行信号的调制和上行信号的解码。上行解码通过采集变电站10KV出线CT二次侧电流分析得到。

数据调制

通讯管理模块中还集成有通讯系统，通讯系统就是把采集的信号传到后台，通讯系统的调制由可控硅完成，控制可控硅在正弦电压正过零点前瞬间关断，造成电压波形的形变，等效于在正弦电压过零点前一段波形上调制了低频信息；可控硅在正弦电压过零点前瞬间关断，将产生电流浪涌，线路阻抗限制了电流的瞬间突变，等效于在与电压调制点对应位置的电流波形上调制了低频信息。

数据解调

通讯系统为数字半双工通讯，数字通讯的基础是“0”和“1”的定义。解调是指装置单片机采集电压电流波形进行差分运算分析处理，得到相应的的“0“和”1“，若干”0“”1“的组合构成数字通讯包，解调的过程可理解为电压电流模拟信号差分后的运算分析和组合。通讯过程的综合描述

电力通讯模块将检测的数据形成简单编码0和1，通过电力线发送到后台，其特点和传统电力载波机比较如下图：

以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.远程智能环境监控报警装置，所述装置与后台信号连接，所述装置内集成有太阳能板、环境传感器、状态传感器、CT取电部分、AD转换模块、通讯管理模块、CPU主板、无线开出量、存储模块、电池、电源管理模块；其中电池分别与太阳能板、CT取电部分、电源管理模块连接；CPU主板分别与电源管理模块、存储模块、无线开出量、AD转换模块、通讯管理模块信号连接或电连接；环境传感器、状态传感器分别与AD转换模块信号连接或电连接，另外无线开出量还与无线网信号连接，所述远程智能环境监控报警装置与数据转发设备电连接或信号连接，所述通讯管理模块包括GPS授时、GPRS/GSM通讯模块、GPS授时与卫星信号连接，所述CT取电部分的电路包括线圈、电阻、放大电路、充电电路；所述线圈卡在电力线上，所述线圈与电阻并联，放大电路与充电电路连接电池，电阻连接放大电路；线圈卡在电力线上，通过感应方式得到一个电流，让这个电流通过电阻，在电阻两端产生一个电压，通过放大电路将这个电压放大，给电池充电；所述通讯管理模块还包括电力通讯模块，电力通讯模块利用电力线作为载体，其特征在于：电力通讯模块具有应答通讯模块的功能。

2.根据权利要求1所述的远程智能环境监控报警装置，其特征在于：所述环境传感器内集成有空间温度传感器、湿度传感器、风速传感器、横摆距离传感器。

3.根据权利要求1所述的远程智能环境监控报警装置，其特征在于：所述状态传感器内集成有温度传感器、倾角传感器、倾角加速传感器、超声波测距仪。

4.根据权利要求1所述的远程智能环境监控报警装置，其特征在于：所述电压通过放大电路被放大到至少5伏。