CN103558492A

CN103558492A - 一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统

Info

Publication number: CN103558492A
Application number: CN201310528910.2A
Authority: CN
Inventors: 王玮; 刘平竹; 倪平浩; 吴命利; 王毅; 李睿
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103558492B

Abstract

一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，属于输电技术领域，包含一个Zigbee监测主站及分布在各个杆塔需要检测的绝缘子金属构件上安装的多个Zigbee测量点设备。主站与测量点设备之间、各个测量点设备之间构成的Zigbee网络是对等网络拓扑结构;主站包括主站Zigbee模块及微机装置，测量点设备包含环形磁芯、第一、第二霍尔电流传感器、差分放大模块、数控分压模块、控制开关触发模块、测量点Zigbee模块。主站设在有人值守的变电所内,测量点设备的第一、第二霍尔电流传感器安置在环形磁芯的环体直径位置上，环形磁芯为可开合结构，环形磁芯套在绝缘子的金属构件上。

Description

一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统

技术领域

本发明涉及一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，属于输电技术领域。

背景技术

输电线路担负着输送、分配电能的重要任务，是输电系统的重要环节。输电线路的可靠性直接影响着输电系统的安全可靠运行。而绝缘子的故障却是威胁输电线路安全运行的主要原因。据统计，绝缘子故障占输电线路所有故障的首位。其中雷击造成绝缘子闪络引起的跳闸率最高，而绝缘子的污秽闪络导致绝缘子短路及损坏最为严重。频繁的绝缘子故障又扩大了事故、延长了停电时间，给输电系统带来严重影响。为保证输电系统的运行安全，需对其经常进行检查和测量。

目前，对输电系统运行状态的检测一般依靠人工巡视的方法来进行，这种方法由于受环境和条件限制，所以一般难于检查出绝缘子的隐性故障，更不能确定绝缘子的实际运行绝缘水平，这样就不能预先找出绝缘子故障的苗头，防患于蔚然。同时，当绝缘子发生短路故障，如果绝缘子短路故障区域在巡视人员可视区域之外的话，那么故障定位就会花费较长的时间，从而导致输电系统恢复供电时间增大。

Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由Zigbee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发。根据这个协议规定无线通信技术特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Zigbee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

Zigbee技术主要具有以下特点：（1）低功耗。Zigbee芯片具有多种电源管理模式，这些管理模式可以有效的对节点的工作和休眠进行配置，从而使得系统在不工作是可以关闭无线设备，极大地降低系统功耗，节约电池能量。（2）低成本。Zigbee网络协议较为简单，而且现有的Zigbee芯片一般都是基于8051单片机内核，成本很低。目前Zigbee芯片成本在3美元左右，Zigbee设备成本的最终目标是在1美元以下。（3）网络结构灵活。Zigbee既支持星型结构网络，也可以是对等拓扑的网络网格，既可以单跳也可以通过路由实现多跳。（4）网络容量大。在一个单独的Zigbee网络内，可以容纳最多216个设备。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统。

一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，包括一个Zigbee监测主站（简称主站）及分布在各个杆塔需要检测的绝缘子金属构件上安装的多个Zigbee测量点设备（简称测量点设备）。主站与测量点设备之间、各个测量点设备之间构成的Zigbee网络是对等网络拓扑结构;

主站的结构为主站Zigbee模块连接微机装置。

测量点设备的结构为：环形磁芯，第一霍尔电流传感器分别连接第二霍尔电流传感器、差分放大模块，差分放大模块的输出端分别连接数控分压模块、测量点Zigbee模块，数控分压模块的输出端连接控制开关触发模块、数控分压模块的受控端连接测量点Zigbee模块，控制开关触发模块的输出端连接测量点Zigbee模块；测量点设备安装在杆塔的绝缘子金属构件上，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器安置在环形磁芯的环体直径位置上，环形磁芯为可开合结构，环形磁芯套在绝缘子金属构件上。

一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统,采用的Zigbee网络是对等网络。对等网络中的任何一个设备，只要是在它的通信范围内，就可以和其他设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构。对等网络是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络。

每个杆塔上装有至少一个测量点设备，杆塔的数量大于2个。

测量点设备中，第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器、差分放大模块、数控分压模块及控制开关触发模块都采用微功耗电路，测量点设备使用的电源为3V，由电池构成。

数控分压模块的门槛电压U_M通过测量点Zigbee模块控制和设置，测量点Zigbee模块又通过主站控制和设置，并且这种控制和设置可以随时通过主站调整。

主站通过调整各个测量点设备的门槛电压U_M，从而给出各测量点的泄漏电流检测门槛；即对各个绝缘子，给出泄漏电流预警提示、报警提示或是故障确定的泄漏电流检测门槛。

测量点Zigbee模块激活及休眠方式为：

Zigbee模块激活方式：

测量点设备自身的泄漏电流高于预设的门槛值获得激活信号激活，或是接收到其他测量点设备的激活信号激活。

Zigbee模块休眠方式：

测量点设备自身的泄漏电流低于预设的门槛值，激活信号消失；并且没有接收到其他测量点设备的激活信号或是接收到的其他测量点设备激活信号消失，测量点设备休眠。

测量点Zigbee模块设有七个I/O端口，其中一个端口接收电压信号，另外一个端口接收激活信号，其他五个端口给数字分压模块提供数据和控制信号（4个数据端口和一个控制端口）

本发明的优点是通过基于Zigbee无线网络，将绝缘子泄漏电流变化情况数据及时传送回主站储存、分析处理，从而掌握绝缘子的实际运行绝缘水平，预先找出绝缘子故障的苗头，防患于蔚然。同时，对于发生短路的绝缘子，准确的给出其位置，有利于检修人员快速维修。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明测量点设备结构示意图；

图3为本发明测量点设备的霍尔电流传感器结构示意图；

图4为本发明主站结构示意图；

图5为本发明测量点设备安装示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，包括主站1、安装在杆塔2上的测量点设备4。杆塔的数量大于2个。

值得注意的是，在图1，每个杆塔2上装有4个Zigbee测量点设备4。其实这只是一个示意图。在实际应用中，具体每个杆塔2上安装多少个Zigbee测量点设备4要视现场具体情况而定。但是为了有效的传递Zigbee信号，每个杆塔2上至少要装有一个测量点设备4。

主站1与测量点设备4之间、各个测量点设备4之间采用的是对等网络拓扑连接结构；

测量点设备4的结构：第一霍尔电流传感器15分别连接第二霍尔电流传感器16、差分放大模块10，差分放大模块10的输出端分别连接数控分压模块11、测量点Zigbee模块20，数控分压模块11的输出端连接控制开关触发模块12、数控分压模块11的受控端连接测量点Zigbee模块20，控制开关触发模块12的输出端连接测量点Zigbee模块20；

测量点设备4安装在杆塔2的绝缘子3的金属构件上，第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16安置在环形磁芯17的环体直径位置上，环形磁芯17为可开合结构，环形磁芯17套在绝缘子3的金属构件上；

主站1的结构为主站Zigbee模块13连接微机装置18。

测量点设备4中，第一霍尔电流传感器15、第二霍尔电流传感器16、差分放大模块10、数控分压模块11及控制开关触发模块12都采用微功耗电路，测量点设备4使用的电源为3V，由电池构成。

第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16用来检测绝缘子的泄漏电流。第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16按照图2所示意串联后与差分放大模块10连接。

采用这种接法，第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16检测到的环形磁芯17内流过绝缘子3的金属构件上的泄漏电流值大约是第一霍尔电流传感器15或第二霍尔电流传感器16检测到的电流值的2倍，而环形磁芯17外的电流在第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16检测到的电流值由于相互抵消，输出接近于0。这样就可以大幅降低外部干扰，提高检测灵敏度。

当绝缘子正常工作，绝缘良好时，流过绝缘子3上的泄漏电流极小，安装在环形磁芯17上的第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16检测到的泄漏电流也极小，如图2所示，所述泄漏电流经过差分放大模块10放大输出为电压信号Uc，电压信号Uc输入到数控分压模块11，由于电压信号Uc低于门槛电压U_M，数控分压模块11不对控制开关触发模块12发出触发信号，控制开关触发模块12也就没有对测量点Zigbee模块20发出激活信号，测量点Zigbee模块20处于休眠状态，测量点Zigbee模块20也就不接受来自差分放大模块10放大输出的电压信号Uc。

当绝缘子异常工作，比如损坏、污秽、雷击等等，造成流过绝缘子上的泄漏电流增大时，安装在环形磁芯17上的第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16检测到的泄漏电流增大，经过差分放大模块10，输出电压信号Uc,电压信号Uc一路输出到测量点Zigbee模块20，电压信号Uc另一路输出到数控分压模块11。在数控分压模块11里，将所述电压信号Uc与数控分压模块11里预设的门槛电压U_M比较，如果电压信号Uc高于预设的门槛电压U_M，则数控分压模块11输出触发信号，触发控制开关触发模块12给测量点Zigbee模块20发出激活信号，测量点Zigbee模块20由休眠状态转为工作状态，接受所述差分放大模块10输出到测量点Zigbee模块20的电压信号Uc，测量点Zigbee模块13对外发出泄露电流信息的无线信号。

泄露电流信息的无线信号激活周边的测量点设备的测量点Zigbee模块20，并激活相邻杆塔2绝缘子3的金属构件上测量点设备的测量点Zigbee模块20，按照对等网络拓扑连接结构工作模式，最后将泄漏电流信息经安装在杆塔上的测量点设备传送给主站1的主站Zigbee模块13，主站Zigbee模块13将接收到的无线信号输入到微机装置处理，保存记录数据，同时发出预警或是故障提示，显示具体杆塔的具体绝缘子的异常工作情况

此外，在数控分压模块11里，门槛电压U_M通过测量点Zigbee模块20控制和设置，测量点Zigbee模块20通过主站Zigbee模块13控制，即每个测量点设备的泄漏电流门槛值实际上是可以由主站1控制。

在测量点设备4中，测量点Zigbee模块20设有七个I/O端口，其中一个端口接收电压信号Uc，另外一个端口接收激活信号，其他五个端口给数字分压模块12提供数据和控制信号（4个数据端口和一个控制端口）。

绝缘子3异常工作的测量点设备4发出的无线信号又激活附近的测量点设备4，如图1所示意，按照对等网络拓扑连接结构工作模式，最后将绝缘子异常点的泄漏电流信息经安装在杆塔2上的测量点设备4传送给主站1。

在主站1，如图4所示，主站Zigbee模块13将接受到测量点设备4的信息输入到微机装置18处理，保存记录数据，同时发出预警或是故障提示，显示出具体杆塔的具体绝缘子的异常工作情况。

此外，主站1通过调整各个测量点设备4的门槛电压U_M，从而给出各测量点的泄漏电流检测门槛；即对各个绝缘子3，给出泄漏电流预警提示、报警提示或是故障确定。并且这种控制和设置可以随时通过主站调整。

具体的定位方法为：

1、假设绝缘子3的泄露电流为i₀，经过第一霍尔电流传感器15、第二霍尔电流传感器16的检测输出为电压信号2K_Hi₀，经过差分放大模块10放大输出为电压信号Uc=2K_HK_Ci₀，其中K_H、K_C分别为第一霍尔电流传感器15和第二霍尔电流传感器16的转换系数及差分放大模块10的放大系数。

2、电压信号Uc一路输入到数控分压模块11，与数控分压模块11内部预设的门槛电压U_M相比较：

如果电压信号Uc低于门槛电压U_M，则数控分压模块11不输出触发信号，控制开关触发模块12没有被触发，不给测量点Zigbee模块20发出激活信号，测量点Zigbee模块20处于休眠状态,不接受电压信号Uc的另一路输出到测量点Zigbee模块的I/O端口的电压信号Uc，也不发射无线信号。

如果电压信号Uc高于门槛电压U_M，则数控分压模块11输出触发信号，触发控制开关触发模块12给测量点Zigbee模块20发出激活信号，测量点Zigbee模块20由休眠状态转为工作状态，接受电压信号Uc的另一路输出到测量点Zigbee模块20的I/O端口的电压信号Uc，测量点Zigbee模块20将接受到的电压信号Uc对外发出泄露电流信息的无线信号。

3、测量点设备自身的泄漏电流高于预设的门槛值获得激活信号激活，或是接收到其他测量点设备的激活信号激活。

4、测量点设备自身的泄漏电流低于预设的门槛值，激活信号消失；并且没有接收到其他测量点设备的激活信号或是接收到的其他测量点设备激活信号消失，测量点设备休眠。

5、主站1将接受到的测量点设备4的信号进行计算处理。这样，泄漏电流变化情况数据就能及时传送回主站1储存、分析处理，从而掌握绝缘子3的实际运行绝缘水平，预先找出绝缘子3故障的苗头，防患于蔚然。同时，对于发生短路的绝缘子3，准确的给出其位置，有利于检修人员快速维修。

此外，一旦整个网络中有一个测量点设备被激活，实际上所有的测量点设备将都被激活，如果有一个测量点设备没被激活，就意味着这个测量点设备本身可能出了问题。由此可见，整个网络中每个测量点设备的工作状态时非常容易检测的，这将有利于及时发现问题和维修。

以上对本发明所提供的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims

1.一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于包括一个Zigbee监测主站及分布在各个杆塔需要检测的绝缘子金属构件上安装的多个Zigbee测量点设备；所述Zigbee监测主站简称主站，所述Zigbee测量点设备简称测量点设备；主站与测量点设备之间、各个测量点设备之间构成的Zigbee网络是对等网络拓扑结构;

主站的结构为主站Zigbee模块连接微机装置;

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于每个杆塔上装有至少一个测量点设备，杆塔的数量大于2个。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于测量点设备中，第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器、差分放大模块、数控分压模块及控制开关触发模块都采用微功耗电路，测量点设备使用的电源为3V，由电池构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于：数控分压模块的门槛电压U_M通过测量点Zigbee模块控制和设置，测量点Zigbee模块又通过主站控制和设置，并且这种控制和设置可以随时通过主站调整。

5.根据权利要求4所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于：主站通过调整各个测量点设备的门槛电压U_M，从而给出各测量点的泄漏电流检测门槛；即对各个绝缘子，给出泄漏电流预警提示、报警提示或是故障确定的泄漏电流检测门槛。

6.根据权利要求4所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于测量点Zigbee模块激活及休眠方式为：

Zigbee模块激活方式：

测量点设备自身的泄漏电流高于预设的门槛值获得激活信号激活，或是接收到其他测量点设备的激活信号激活;

Zigbee模块休眠方式：

7.根据权利要求4所述的一种基于Zigbee的输电线路绝缘子在线故障定位系统，其特征在于测量点Zigbee模块设有七个I/O端口，其中一个端口接收电压信号，另外一个端口接收激活信号，其他五个端口给数字分压模块提供数据和控制信号（4个数据端口和一个控制端口）。