CN103728511B - 高压直流输电接地网状态在线监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的高压直流输电接地网状态在线监测系统及监测方法，具有在线实时监测，高速数据通讯，准确获得接地网状态参数的主要特点，无需人工现场记录数据，大幅度降低了人工测量数据的成本。采用新一代通讯技术3G网络，通讯效率高，前景好。磁强计测地表土壤磁场分布是一种新型检测磁场对农作物生长影响的方法。智能数据分析系统可以分析出接地网运行状态的变化规律和运行特性，可为国家电网技术研究提供有力的数据支持。
Description
技术领域
本发明属于电力系统在线监测技术领域，具体涉及一种高压直流输电接地网状态在线监测系统，本发明还涉及采用上述系统进行监测的方法。
背景技术
以往的高压及特高压输电接地网状态环境参数的监测，都是依据人工完成的，自动化程度低，而且对于检测人员也有一定的危险性。主要是不能实时性的对接地网状态参数进行测量和远程传送，监测成本较高，效率较低。以往对接地网周围环境的监测并未涉及到其对农作物生长和地表土壤环境的影响。系统的供电方式大多采用太阳能供电，在太阳光照不足情况下，并未提及风能对其有效补充利用。
3G网络与2G网络的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升。在当今Internet数据业务不断升温中，在固定接入速率(HDSL、ADSL、VDSL)不断提升的背景下，3G网络移信系统也看到了市场的曙光，益发为电信运营商、通信设备制造商和普通用户所关注。本发明监测的数据通信采用3G无线网络通信方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电接地网状态在线监测系统，解决了现有接地网状态在线监测自动化程度低，监测成本较高，效率较低的问题。
本发明的另一目的是提供上述系统的监测方法。
本发明采用的技术方案是，高压直流输电接地网状态在线监测系统，包括相连接的电源管理模块及终端信息采集及传输模块，电源管理模块上分别连接有风能发电系统、太阳能发电系统及蓄电池模块，电源管理模块采用风光互补供电，终端信息采集及传输模块通过3G数据传输模块进行数据传送，终端信息采集及传输模块上还分别连接有接地网电流采集系统、磁场分布模监测系统、土壤温湿度监测系统；还包括总接地电流电缆，总接地电流电缆为高压直流传输的接地电缆，由高压直流输电换流站引向接地电流引线中心塔，接地电流引线中心塔把总接地电流电缆分成若干分塔接地电流电缆，引向若干接地电流引线分塔，若干接地电流引线分塔平均分布在接地网的圆周上，接地网状态监测井分布在各个接地电流引线分塔的周围；接地电流引线分塔上设置有多个引线分塔观测及采集点，引线分塔观测及采集点依次通过终端信息采集及传输模块、无线信息发送与接收模块、3G网络通信杆塔、3G网络通信网络服务器与后台管理平台进行通讯。
本发明的另一技术方案是，采用高压直流输电接地网状态在线监测系统，其结构为：包括相连接的电源管理模块及终端信息采集及传输模块，电源管理模块上分别连接有风能发电系统、太阳能发电系统及蓄电池模块，终端信息采集及传输模块通过3G数据传输模块进行数据传送，终端信息采集及传输模块上还分别连接有接地网电流采集系统、磁场分布模监测系统、土壤温湿度监测系统；还包括总接地电流电缆，总接地电流电缆为高压直流传输的接地电缆，由高压直流输电换流站引向接地电流引线中心塔，接地电流引线中心塔把总接地电流电缆分成若干分塔接地电流电缆，引向若干接地电流引线分塔，若干接地电流引线分塔平均分布在接地网的圆周上，接地网状态监测井分布在各个接地电流引线分塔的周围；接地电流引线分塔上设置有多个引线分塔观测及采集点，引线分塔观测及采集点依次通过终端信息采集及传输模块、无线信息发送与接收模块、3G网络通信杆塔、3G网络通信网络服务器与后台管理平台进行通讯；
具体按照以下步骤实施：
步骤1：当后台管理平台定时召唤时间到或者有操作人员下发召唤数据指令后，后台管理平台通过网络通信方式下发召唤数据指令，该指令信息通过3G网络通信杆塔无线传输到无线信息发送与接收模块；
步骤2：无线信息发送与接收模块把接收到的信息通过串行通信的方式传输给终端信息采集及传输模块；
步骤3：终端信息采集及传输模块打开信息采集通道，采集各个接地电流引线分塔的磁场分布信息、接地电流信息及接地网周围土壤的温湿度信息；
步骤4：终端信息采集及传输模块把采集到的信息处理并打包后，通过串行通信方式发送至无线信息发送与接收模块；
步骤5：无线信息发送与接收模块把接收到的数据通过3G网络通信杆塔无线传送至3G网络通信网络服务器；
步骤6：3G网络通信网络服务器通过广域网的形式把数据传输到后台管理平台；
步骤7：后台管理平台对接收到的数据进行解压分类，保存至数据库中，并在平台界面上实时显示各类数据的曲线信息；
步骤8：在后台管理平台的电流信息与高压直流故障信息库中检索当前电流信息数据所对应的高压直流传输过程中的故障信息，并通过短信形式发送故障信息到相关负责人手机上；
步骤9：保存接地网状态数据、高压直流输电信息及磁场分布数据到数据库，并提醒注意采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，保证两个数据的同步性，给出农作物生长状态与直流接地网电流产生的磁场同时刻关系曲线；
步骤10：通过土壤温湿度数据、接地网设计的额定的电流值等相关数据计算接地网腐蚀量，并与专家库中的腐蚀量数据比对给出接地网的状态预估信息，同时如果温湿度信息超过所设定的限值，给相关负责人发送告警信息。
本发明的特点还在于，
其中的步骤8具体按照以下步骤实施：当高压直流输电系统正常运行时，接地网电流较小，一般在0.2A左右，此时后台管理平台显示正常运行信息；当高压直流输电系统发生故障时，会处于单极大地回路电流运行方式，这时接地极电流会比较大，甚至会接近额定电流，这时在n个引线分塔观测及采集点中每一个采集到的电流是故障电流的1/n，此时后台管理平台显示故障信息，并给出故障报警信息给出故障电流值，同时把这些信息发送到相关负责人手机上。
其中的步骤9具体按照以下步骤实施：提前通知固定间隔时刻采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，当到采集时刻时，把接地网运行时间刻度、接地网电流值、温湿度参数、高压直流传输数据与电磁场数据存入后台数据库，等直流接地网周围农作物的生长状态数据录入数据库后，给出农作物生长状态与直流接地网周围磁场、直流接地网电流、温湿度参数的对应时刻曲线。
其中的步骤10具体按照以下步骤实施：接地网腐蚀量依据如下公式计算：
A＝k·u·I·t·C·W，
其中：A：表示接地网单位面积的腐蚀量；k：表示腐蚀量整定参数；u：表示接地网在土壤中的腐蚀率；I：表示接地网设计的额定的电流值；t：表示单极大地回路方式设计运行时间；C：表示接地网周围的土壤温度；W：表示接地网周围的土壤湿度；
计算出的腐蚀量如果明显大于理论值时，就表明接地网的状态变差，并给出按照这个状况接地网的实际使用年限。
本发明的有益效果是，采用一种基于3G网络的高压直流接地网状态在线监测系统及监测方法，具有在线实时监测，高速数据通讯，准确获得接地网状态参数的主要特点，无需人工现场记录数据，大幅度降低了人工测量数据的成本。采用新一代通讯技术3G网络，通讯效率高，前景好。磁强计测地表土壤磁场分布是一种新型检测磁场对农作物生长影响的方法。智能数据分析系统可以分析出接地网运行状态的变化规律和运行特性，可为国家电网技术研究提供有力的数据支持。
附图说明
图1是本发明监测系统的结构示意图；
图2是本发明监测方法的原理框图。
图中，1.风能发电系统，2.太阳能发电系统，3.蓄电池模块，4.3G数据传输模块，5.电源管理模块，6.终端信息采集及传输模块，7.接地网状态监测井，8.接地电流引线分塔，9.接地电流引线中心塔，10.接地网电流采集系统，11.磁场分布监测系统，12.土壤温湿度监测系统，13.总接地电流电缆，14.分塔接地电流电缆，15.引线分塔观测及采集点，16.无线信息发送与接收模块，17.3G网络通信杆塔，18.3G网络通信网络服务器，19.后台管理平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明监测系统的结构，如图1所示，包括相连接的电源管理模块5及终端信息采集及传输模块6，电源管理模块5协调风能发电系统1、太阳能发电系统2及蓄电池模块3给监测系统供电，终端信息采集及传输模块6通过3G数据传输模块4进行数据传送，终端信息采集及传输模块6上还分别连接有接地网电流采集系统10、磁场分布模监测系统11、土壤温湿度监测系统12，总接地电流电缆13为高压直流传输的接地电缆，由高压直流输电换流站引向接地电流引线中心塔9，接地电流引线中心塔9把总接地电流电缆13分成若干分塔，接地电流电缆14引向若干接地电流引线分塔8，若干接地电流引线分塔8平均分布在接地网的圆周上，接地网状态监测井7分布在各个接地电流引线分塔8的周围。
风能发电系统1接入电源管理模块5，当风机转动时，会把转换的电能通过电源管理模块5传送给蓄电池部件3或者给终端信息采集及传输模块6及各类监测系统供电；太阳能发电系统2接入电源管理模块5，会把转换的电能通过电源管理模块5传送给蓄电池部件3或者给终端信息采集及传输模块6及各类监测系统供电；蓄电池模块3和电源管理模块5相连接，主要用于存储风能发电或太阳能发电的能量；电源管理模块5和风能发电系统1、太阳能发电系统2、蓄电池模块3相连接，主要用来协调风能、太阳能发电的使用及存储，电源管理模块5也和终端信息采集及传输模块6相连，重点保证终端信息采集及传输模块6及接地网电流采集系统10、磁场分布监测系统11、土壤温湿度监测系统12的供电电源；终端信息采集及传输模块6与接地网电流采集系统10、磁场分布监测系统11、土壤温湿度监测系统12相连，采集各个接地网观测点的接地电流数据，采集各个接地网观测点周围的磁场分布数据，采集各个观测点接地网周围土壤温湿度数据；接地网电流采集系统10利用霍尔电流传感器监测接地网电流状况，通过传输电缆传送给终端信息采集及传输模块6；磁场分布监测系统11利用场强仪观测接地网周围的磁场分布情况，通过传输电缆传送给终端信息采集及传输模块6；一个土壤温湿度监测系统利用土壤温湿度监测系统12监测接地网周围的土壤温湿度数据，通过传输电缆传送给终端信息采集及传输模块6；3G数据传输模块4通过串行通信的方式接收终端信息采集及传输模块6采集处理到的电流数据、磁场数据、温湿度数据，并把这些信息通过3G无线通信的方式传输到后台管理平台19。原理如图2所示，引线分塔观测及采集点15通过采集传输电缆传输信号到终端信息采集及传输MCU6，采集的信号包括电流数据、磁场数据、温湿度数据；终端信息采集及传输MCU6把这些采集数据压缩打包通过串行通信的方式传送给无线信息发送与接收模块16；无线信息发送与接收模块16通过3G网络通信杆塔17和3G网络通信网络服务器18把这些信息传送给后台管理平台19。
其中的3G数据传输模块4采用3G网络无线通信方式，其频段范围广，具有路由和自组网功能。
其中的电源管理模块5采用风光互补供电。利用风能、太阳能两种能源的互补性，基于电池储能，获得可靠的供电电源，有效的解决光能不足时的休眠时间过长问题。
其中的终端信息采集及传输模块6具有采集数据和实时通讯功能。MCU处理器将接地网状态数据进行及时采集与传送，实现实时在线监测接地网运行状态。
其中的接地电流引线分塔8平均分布在以接地电流引线中心塔9为圆心2km为半径的圆周上，实现接地网电流的平均分布。
其中的接地网状态监测井7分布在接地电流引线分塔8的周围，方便用场强分布测量仪测量磁场分布，方便用电流霍尔传感器测量引线分塔上流过的电流，方便用温湿度传感器测量接地网周围的土壤温湿度反应接地网的状态的数据。
其中的接地电流引线中心塔9主要用来把总接地电流分流至各个接地电流引线分塔8。
其中的接地网电流采集系统10采用高精度霍尔电流传感器，测量范围广，响应速度快，最快者响应时间只为1us。测量精度高，其测量精度优于1％。线性度好，优于0.2％。工作频带宽，在0～100kHz频率范围内的信号均可以测量。
其中的磁场分布监测系统11是为了精确的测量出地表土壤周围的磁场分布，采集农作物的生长过程中周围的电磁环境参数。
其中的土壤温湿度监测系统12主要用温湿度传感器测量接地网周围的土壤温湿度，这些温湿度数据传送至后台管理平台19将用来反应接地网的状态。
其中的无线信息发送与接收模块16通过3G网络通信杆塔18把这些信息传送至3G网络通信网络服务器18，3G网络通信网络服务器18通过网络通信方式把这些信息传送给后台管理平台19。
其中的后台管理平台19采用VC++数据管理系统的制作。VC++是一种面向对象的一个软件，利用它可以建立一个数据库，供数据存储和历史查询，对其界面的制作也要人性化和友好化。这样就使得监测终端的功能比较齐全。该平台可以实时观察到各个接地电流引线分塔的电流信息数据、磁场分布数据及接地网周围的土壤温湿度信息数据。通过当前电流信息数据依据平台库中现有的故常信息库可以给出高压直流传输过程中的故障信息，通过磁场分布数据给接地网周围农作物的生长状况受电磁场影响研究提供实时监测数据，通过土壤温湿度数据依据专家库信息可以给出接地网状态的预估信息。该后台软件发现接地电流超标后可以给相关负责人发送报信息，以便作为高压直流传输故障判据之一；后台软件发现接地网周围温湿度数据异常后会发送报警信息给相关负责人，以便判断接地网状态是否正常。
本发明监测方法具体按照以下步骤实施：
步骤1：当后台管理平台19定时召唤时间到或者有操作人员下发召唤数据指令后，后台管理平台19通过网络通信方式下发召唤数据指令，该指令信息通过3G网络通信杆塔17无线传输到无线信息发送与接收模块16。
步骤2：无线信息发送与接收模块16把该信息通过串行通信的方式传输给终端信息采集及传输模块6。
步骤3：终端信息采集及传输模块6打开信息采集通道，采集各个接地电流引线分塔的磁场分布信息、接地电流信息及接地网周围土壤的温湿度信息。
步骤4：终端信息采集及传输模块6把采集到的信息处理并打包后，通过串行通信方式发送至无线信息发送与接收模块16。
步骤5：无线信息发送与接收模块16把这些数据通过3G网络通信杆塔17无线传送至3G网络通信网络服务器18。
步骤6：3G网络通信网络服务器18通过广域网的形式把数据传输到后台管理平台19。
步骤7：后台管理平台19对该数据进行解压分类，保存至数据库中，并在平台界面上实时显示各类数据的曲线信息。
步骤8：在后台管理平台19的电流信息与高压直流故障信息库中检索当前电流信息数据所对应的高压直流传输过程中的故障信息，并通过短信形式发送故障信息到相关负责人手机上。具体方法是：当高压直流输电系统正常运行时，接地网电流较小，一般在0.2A左右，此时后台管理平台19显示正常运行信息；当高压直流输电系统发生故障时，会处于单极大地回路电流运行方式，这时接地极电流会比较大，甚至会接近额定电流(如3.3kA的额定接地电流)，这时在n个引线分塔观测及采集点中每一个采集到的电流是故障电流的1/n(如接近3.3/nkA的电流值)，此时后台管理平台19显示故障信息，并给出故障报警信息给出故障电流值，同时把这些信息发送到相关负责人手机上。
步骤9：保存接地网状态数据、高压直流输电信息及磁场分布数据到数据库，并提醒注意采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，保证两个数据的同步性，给出农作物生长状态与直流接地网电流产生的磁场同时刻关系曲线。具体方法是：提前通知固定间隔时刻采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，当到采集时刻时，把接地网运行时间刻度、接地网电流值、温湿度参数、高压直流传输数据与电磁场数据存入后台数据库，等直流接地网周围农作物的生长状态数据录入数据库后，给出农作物生长状态与直流接地网周围磁场、直流接地网电流、温湿度参数的对应时刻曲线，供科学研究分析用。
步骤10：通过土壤温湿度数据、接地网设计的额定的电流值等相关数据计算接地网腐蚀量，并与专家库中的腐蚀量数据比对给出接地网的状态预估信息。同时如果温湿度信息超过所设定的限值，给相关负责人发送告警信息。具体方法是：接地网腐蚀量依据如下公式计算：
A＝k·u·I·t·C·W，(1)
其中：A：表示接地网单位面积的腐蚀量；k：表示腐蚀量整定参数(根据接地网当地的气候、地下水深度等因数整定)；u：表示接地网在土壤中的腐蚀率(一般取9.13kg/(A·a))；I：表示接地网设计的额定的电流值；t：表示单极大地回路方式设计运行时间；C：表示接地网周围的土壤温度；W：表示接地网周围的土壤湿度。
计算出的腐蚀量如果明显大于理论值时，就表明接地网的状态变差，并给出按照这个状况接地网的实际使用年限。
本发明的关键是提出了一种直流接地网状态在线监测系统，通过接地网电流、周围环境的磁场及温湿度数据可以监测接地网的状态，同时也通过接地网电流特性可以判断高压直流输电特定及故障，也通过磁场数据可以判断接地网对农作物生长的电磁影响。这个监测系统给通过监测接地网状态可间接判断高压直流输电的特性，也有效的推动了智能电网的发展。
Claims (5)
1.高压直流输电接地网状态在线监测系统，其特征在于，包括相连接的电源管理模块(5)及终端信息采集及传输模块(6)，电源管理模块(5)上分别连接有风能发电系统(1)、太阳能发电系统(2)及蓄电池模块(3)，电源管理模块(5)采用风光互补供电，终端信息采集及传输模块(6)通过3G数据传输模块(4)进行数据传送，终端信息采集及传输模块(6)上还分别连接有接地网电流采集系统(10)、磁场分布模监测系统(11)、土壤温湿度监测系统(12)；还包括总接地电流电缆(13)，总接地电流电缆(13)为高压直流传输的接地电缆，由高压直流输电换流站引向接地电流引线中心塔(9)，接地电流引线中心塔(9)把总接地电流电缆(13)分成若干分塔，接地电流电缆(14)引向若干接地电流引线分塔(8)，若干接地电流引线分塔(8)平均分布在接地网的圆周上，接地网状态监测井(7)分布在各个接地电流引线分塔(8)的周围；接地电流引线分塔(8)上设置有多个引线分塔观测及采集点(15)，引线分塔观测及采集点(15)依次通过终端信息采集及传输模块(6)、无线信息发送与接收模块(16)、3G网络通信杆塔(17)、3G网络通信网络服务器(18)与后台管理平台(19)进行通讯。
2.高压直流输电接地网状态在线监测方法，其特征在于，采用高压直流输电接地网状态在线监测系统，其结构为：包括相连接的电源管理模块(5)及终端信息采集及传输模块(6)，电源管理模块(5)上分别连接有风能发电系统(1)、太阳能发电系统(2)及蓄电池模块(3)，终端信息采集及传输模块(6)通过3G数据传输模块(4)进行数据传送，终端信息采集及传输模块(6)上还分别连接有接地网电流采集系统(10)、磁场分布模监测系统(11)、土壤温湿度监测系统(12)；还包括总接地电流电缆(13)，总接地电流电缆(13)为高压直流传输的接地电缆，由高压直流输电换流站引向接地电流引线中心塔(9)，接地电流引线中心塔(9)把总接地电流电缆(13)分成若干分塔接地电流电缆(14)引向若干接地电流引线分塔(8)，若干接地电流引线分塔(8)平均分布在接地网的圆周上，接地网状态监测井(7)分布在各个接地电流引线分塔(8)的周围；接地电流引线分塔(8)上设置有多个引线分塔观测及采集点(15)，引线分塔观测及采集点(15)依次通过终端信息采集及传输模块(6)、无线信息发送与接收模块(16)、3G网络通信杆塔(17)、3G网络通信网络服务器(18)与后台管理平台(19)进行通讯；
具体按照以下步骤实施：
步骤1：当后台管理平台(19)定时召唤时间到或者有操作人员下发召唤数据指令后，后台管理平台(19)通过网络通信方式下发召唤数据指令，该指令信息通过3G网络通信杆塔(17)无线传输到无线信息发送与接收模块(16)；
步骤2：无线信息发送与接收模块(16)把接收到的信息通过串行通信的方式传输给终端信息采集及传输模块(6)；
步骤3：终端信息采集及传输模块(6)打开信息采集通道，采集各个接地电流引线分塔的磁场分布信息、接地电流信息及接地网周围土壤的温湿度信息；
步骤4：终端信息采集及传输模块(6)把采集到的信息处理并打包后，通过串行通信方式发送至无线信息发送与接收模块(16)；
步骤5：无线信息发送与接收模块(16)把接收到的数据通过3G网络通信杆塔(17)无线传送至3G网络通信网络服务器(18)；
步骤6：3G网络通信网络服务器(18)通过广域网的形式把数据传输到后台管理平台(19)；
步骤7：后台管理平台(19)对接收到的数据进行解压分类，保存至数据库中，并在平台界面上实时显示各类数据的曲线信息；
步骤8：在后台管理平台(19)的电流信息与高压直流故障信息库中检索当前电流信息数据所对应的高压直流传输过程中的故障信息，并通过短信形式发送故障信息到相关负责人手机上；
步骤9：保存接地网状态数据、高压直流输电信息及磁场分布数据到数据库，并提醒注意采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，保证两个数据的同步性，给出农作物生长状态与直流接地网电流产生的磁场同时刻关系曲线；
步骤10：通过土壤温湿度数据、接地网设计的额定的电流值等相关数据计算接地网腐蚀量，并与专家库中的腐蚀量数据比对给出接地网的状态预估信息，同时如果温湿度信息超过所设定的限值，给相关负责人发送告警信息。
3.根据权利要求2所述的高压直流输电接地网状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤8具体按照以下步骤实施：当高压直流输电系统正常运行时，接地网电流较小，一般在0.2A左右，此时后台管理平台(19)显示正常运行信息；当高压直流输电系统发生故障时，会处于单极大地回路电流运行方式，这时接地极电流会比较大，甚至会接近额定电流，这时在n个引线分塔观测及采集点中每一个采集到的电流是故障电流的1/n，此时后台管理平台(19)显示故障信息，并给出故障报警信息给出故障电流值，同时把这些信息发送到相关负责人手机上。
4.根据权利要求2所述的高压直流输电接地网状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤9具体按照以下步骤实施：提前通知固定间隔时刻采集直流接地网周围农作物的生长状态数据，当到采集时刻时，把接地网运行时间刻度、接地网电流值、温湿度参数、高压直流传输数据与电磁场数据存入后台数据库，等直流接地网周围农作物的生长状态数据录入数据库后，给出农作物生长状态与直流接地网周围磁场、直流接地网电流、温湿度参数的对应时刻曲线。
5.根据权利要求2所述的高压直流输电接地网状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤10具体按照以下步骤实施：接地网腐蚀量依据如下公式计算：
A＝k·u·I·t·C·W，
其中：A：表示接地网单位面积的腐蚀量；k：表示腐蚀量整定参数；u：表示接地网在土壤中的腐蚀率；I：表示接地网设计的额定的电流值；t：表示单极大地回路方式设计运行时间；C：表示接地网周围的土壤温度；W：表示接地网周围的土壤湿度；
计算出的腐蚀量如果明显大于理论值时，就表明接地网的状态变差，并给出按照这个状况接地网的实际使用年限。
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