CN104684110A - 电力传输系统中的传感器及应急通信网络 - Google Patents

电力传输系统中的传感器及应急通信网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力传输系统中的传感器及应急通信网络，由设置在塔与电力输电线上的多个传感器所组成，相邻传感器之间通过无线网络进行数据通信，一个传感器可以与相邻的多个传感器组成网状网络，以提供冗余的多数据路径至控制系统；所述传感器采用自供电系统供电。本发明在输电线与输电塔上建立一个可靠的传感器网络，适应户外恶劣气象条件，监测输电系统状况，预测故障并进行报警。传感器实现了自供电，提高断电独立性及反应能力，通过在塔与线之间设置的电源互备份系统，在紧急状态下，只要任一自供电系统能够工作取电，即能保证相近的传感器的取电工作，从而提供了稳定可靠、长期免维护的自供电系统。

Description

电力传输系统中的传感器及应急通信网络
技术领域
本发明涉及电力输送技术领域，尤其是一种电力传输系统中的传感器及应急通信网络。
背景技术
智能电网就是电网的智能化，是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及决策支持系统技术的应用，利用多种传感器组成的监测网络对输电电网各种参数进行监测，及时获知电网运行情况，对事故隐患及时发出预警进行排查，实现电网可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。大量现有的电网还在连续使用，无法进行大规模彻底的更新或更换，因而给现有输配电系统提供一个能够在紧急通信系统下工作的传感器层，如果该传感器层易于安装、可靠性高，免维护，也能部分实现升级为智能电网的需求。
根据数据统计，85％的客户电力中断主要是由于配电系统、变电站和变压器线路干扰引起的。在变电站，变压器、开关装置及断路器是引起故障的主要原因。变电站无人值守情况正在逐步增加，许多欧美电力公司禁止操作人员在操作时进入变换室。远程配送架系统允许操作员有效运行远程操作开关，而无需穿着防电弧闪光危害服。智能电网中位于变电站的监测传感器将对灾难性故障发出警告，操作员可以远程立即启动维护计划从而避免断电。
电力输送导线会由于各种因素发热。一个原因就是由于电流流经导体，这会产生I2R的功耗，从而导体产生热量，热胀后电线的下垂也会增加；炎热的夏季，电线受太阳热及周边环境温度的影响也比较明显。智能电网中位于电线上的监测传感器将对电线过热发出警告，及时对电线通风冷却可避免电线过热导致的故障。
在冬季暴风雪情况下输电线严重覆冰会压垮电力线，导致电线断裂，进而引起杆塔重量失衡，往往会发生大范围的多米诺倒塔事件。此类大灾难提前警报尤为重要。如果能提前掌握输电线上的覆冰情况发出报警，通过增大输电线上电流负载来使电线发热实现融冰或减冰，则可以及时避免此类灾难性事件的发生。
输电电网中的绝缘体闪络也是普遍问题，闪络发生概率与湿度、空气中的盐粒子、降雨量及间隔时间等均有关，对这些因素进行监测，能够优化操作人员绝缘清洗计划，而预防闪络。
发明内容
本申请人针对上述现有生产中这些缺点，提供一种结构合理的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，易于安装、可靠性高、免维护，部分实现升级为智能电网的需求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电力传输系统中的传感器及应急通信网络，由设置在塔与电力输电线上的多个传感器所组成，相邻传感器之间通过无线网络进行数据通信，一个传感器可以与相邻的多个传感器组成网状网络，以提供冗余的多数据路径至控制系统；所述传感器采用自供电系统供电。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述传感器包括设置在输电线的线上传感器，线上传感器的自供电系统为套设在输电线外周的电流变换器，电流变换器上设置有分割磁力线圈和二次线圈，输电线上的负载电流在二次线圈内产生交流电。
整流稳压电路将二次线圈内的交流电流转变为常用直流电，并给线上电池进行充电，线上电池给线上传感器、微控制器电路和收发器供电；线上传感器测量输电线路性能和周围环境，微控制器电路处理传感信号并且通过收发器和射频天线将信息传送至通信网络。
所述传感器包括安装在塔上的塔上传感器，塔上传感器的自供电系统为太阳能/风能发电机。
所述太阳能/风能发电机同时给塔上电池充电，塔上电池给塔上传感器、微控制器电路和收发器供电。
所述传感器分为安装在塔上的塔上传感器与输电线的线上传感器，所述塔上传感器包括用于测量温度、压力、降水量、湿度、风速、风向、空降颗粒、盐份颗粒浓度、阳光照射度的气象传感器，以及测量塔倾斜的传感器；线上传感器包括靠近塔的近塔线上传感器和位于相邻两塔之间中部的远塔线上传感器；近塔线上传感器包括用于测量输电线下垂，输电线覆冰厚度，线温度和电流的传感器；远塔线上传感器包括检测线路振荡和离地面间距离的距离传感器。
所述自供电系统还包括利用光纤连接的激光驱动器与光电转换器组成的能量输送电路。
所述自供电系统还包括在塔上电池与线上电池之间设置的塔与线电源互备份系统；所述电源互备份系统包括以下两路电路：塔上电池的输出端通过塔上激光驱动器、第二光纤与线上光电转换器连接至线上电池的输入端，线上电池的输出端通过线上激光驱动器、第一光纤与塔上光电转换器连接至塔上电池的输入端。
激光驱动器采用中功率2～20瓦的半导体激光器。
所述传感器网络值可以被直接转变为沿输电线的声音和数据通信链接装置，便携无线收发器单元沿输电线直接连接无线网络，提供网络连接至因特网。
本发明的有益效果如下：
本发明通过在输电线与输电塔上建立一个可靠的传感器网络，可以适应户外恶劣气象条件，监测输电系统状况，预测故障并进行报警。传感器实现了自供电，提高断电独立性及反应能力。传感器网络另外一种功能是能够作为应急通信通道。在自然灾难重创，正常的通信系统诸如偏远地区的电话、电视、网络及便携式电话通常陷入瘫痪，此时传感器网络值可以被直接转变为沿输电线的声音和数据通信链接装置，便携无线收发器单元能够沿输电线直接连接无线网络，提供网络连接至因特网。因此，在紧急情况下，偏远地区的语音及数据通信可以立即建立。
本发明传感器类型丰富多样，在塔上设置大型的测量传感器，如用于测量温度、压力、降水量、湿度、风速、风向、空降颗粒、盐份颗粒浓度，阳光照射度等气象传感器，以及测量塔倾斜的传感器；近塔线上传感器可用于测量输电线下垂，输电线覆冰厚度，线温度和电流等，远塔线上传感器用于检测线路振荡和离地面或下方树木之间的距离，这些数据对于倒塔和闪络事故情况下的故障判断与监测是至关重要的。
本发明的塔上传感器利用太阳能/风能发电机进行供电，线上传感器利用感应取电，可以实现自供电，适应野外工作的需求。本发明设置有塔与线之间的电源互备份系统，激光驱动器的作用是将电池的电能转化为激光，光电转换器的作用是将激光转变为电能并给电池充电，激光器与光电转换器之间通过光纤连接。由于光纤是绝缘体，因而利用光纤传递的能量不会受到输电电线高压的任何影响。从而在紧急状态下，只要任一自供电系统能够工作取电，即能保证相近的传感器的取电工作。从而解决了稳定可靠、长期免维护的自供电系统。
附图说明
图1为发电厂、输电线、塔、变电站的连接示意图。
图2为本发明中传感器网络拓扑结构示意图。
图3为图1中的局部放大图。
图4为本发明中输电线路上的自供电传感器原理图。
图5本发明中塔上的自供电传感器原理图。
图6为塔与线电源互备份系统的原理图。
图中：1、输电线；2、塔；3、传感器；4、控制系统；30、塔上传感器；31、近塔线上传感器；32、远塔线上传感器；33、线上传感器；40、电流变换器；41、分割磁力线圈；42、二次线圈；43、整流稳压电路；45、微控制器电路；46、收发器；47、线上电池；48、塔上电池；49、太阳能/风能发电机；51、线上光电转换器；52、塔上激光驱动器；53、塔上光电转换器；54、线上激光驱动器；55、第一光纤；56、第二光纤。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，从发电厂到终端用户的变电站之间，需要通过大量的塔2以及长距离的电力输电线1连接，本发明所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络即是由大量设置在塔2与电力输电线1上的传感器3组成的网络。图2为传感器网络的拓扑结构图，相邻传感器3之间通过无线网络进行数据通信，一个传感器可以与相邻的多个传感器组成网状网络，而不是线性的一对一传输，以提供多数据路径至控制系统4。本发明通过设置冗余路径来提高无线传感器网络的可靠性，当传感器网络发生故障时,冗余配置的传感器网络介入并承担故障部件的工作，从而避免断网。
如图3所示，根据安装位置来分，传感器3分为安装在塔2上的塔上传感器30与输电线1的线上传感器33，线上传感器33包括靠近塔2的近塔线上传感器31和位于相邻两塔之间中部的远塔线上传感器32。根据作用来分，塔上传感器30可以设置一些大型的测量传感器，如用于测量温度、压力、降水量、湿度、风速、风向、空降颗粒、盐份颗粒浓度，阳光照射度等气象传感器，以及测量塔倾斜的传感器；近塔线上传感器31可用于测量输电线下垂，输电线覆冰厚度，线温度和电流等，远塔线上传感器32便于检测线路振荡和离地面或下方树木之间的距离，这些数据对于倒塔和闪络事故情况下的故障判断与监测是至关重要的。
大量的传感器3长期在人烟稀少、环境恶劣的野外条件下工作，更换电池危险大成本高，因而不可能仅仅依靠电池对传感器3进行供电，要求传感器3必须是自供电的，且需要自供电系统具备高可靠性和免维护性。如图4所示，本发明的线上传感器33从电力输电线1本身取电，电流变换器40通常使用如美国专利US8437157所示的交流电流变换线，即输电线1，电流变换器40包含分割磁力线圈41和二次线圈42，这样的传感器可以在停电或带电情况下安装。输电线1上的负载电流IL将在二次线圈42内产生交流电。一个整流稳压电路43将交流电流转变为常用直流电，直流电用于给线上电池47进行充电。线上电池47给线上传感器33、微控制器电路45和收发器46供电。线上电池47用于确保传感器网络在断电情况下可以维持正常工作。线上传感器33测量输电线路性能和周围环境，微控制器电路45处理传感信号并且通过收发器46和射频天线将信息传送至通信网络。
输电塔2与输电线1之间的电压差非常大，塔2上的电气设备与输电线1之间的任意电气连接会引起电力故障，因而从输电线1引出功率给塔上传感器30供电是危险不可行的。输电塔2通常设置在野外，太阳能与风能比较充足，如图5所示，本发明的塔上传感器30主要由太阳能/风能发电机49供电，太阳能/风能发电机49同时给塔上电池48充电，太阳能和风能具有不稳定性，在能量不足的情况下，塔上传感器30主要通过塔上电池48维持供电。同样，塔上电池48给塔上传感器30、微控制器电路45和收发器46供电。
虽然塔体往往能提供更大的空间以放置较大的塔上电池48，但是电池的储能毕竟有限，如果长时间没有太阳能或者风能输入，电池也会耗尽，导致塔上传感器30停电。尤其是在冬季暴风雪等极端恶劣气候条件下，太阳能/风能供给较少，塔上传感器30往往很快会耗尽塔上电池48的电能。同样，线上传感器33也会因为输电线1断电而无法取电，通常塔之间的距离相距约五百米，如果线上传感器33停电失效，即使塔上传感器30能正常工作，如果相邻距离太远，也会造成整个应急通信网络中断。因此在紧急情况下，要求传感器3还必须有应急后备电源进行供电，即使在部分传感器3停电失效的情况下，也要能够保证部分传感器还能工作，以确保整个应急通信网络能维持运行。
如图6所示，本发明在塔上电池48与线上电池47之间，设置有塔与线电源互备份系统。电源互备份系统包括以下两路电路：塔上电池48的输出端通过塔上激光驱动器52、第二光纤56与线上光电转换器51至线上电池47的输入端，线上电池47的输出端通过线上激光驱动器54、第一光纤55与塔上光电转换器53连通至塔上电池48的输入端。激光驱动器的作用是利用电池的电能产生激光，光电转换器的作用是将激光转变为电能并给电池充电，激光器与光电转换器之间通过光纤连接。由于光纤是绝缘体，因而利用光纤传递的能量不会受到输电电线高压的任何影响。当塔上电池48低于临界水平时，线上电池47给线上激光驱动器54供电，将电能转换为激光，并通过第一光纤55传给塔上光电转换器53，转化为电能给塔上电池48充电。同样地，如果发生电线断电，线上电池47电流值低于临界水平，则塔上电池48给塔上激光驱动器52供电并产生激光，再通过第二光纤56传给线上光电转换器51，转化为电能给线上电池47充电。
现有绝大多数的激光器是半导体激光器，例如高功率密封光纤耦合激光器，980nm波长下激光器寿命达到10000小时且不受外界环境影响。传感器功率损耗是相对的，通常小于1W。本发明的激光驱动器仅仅用于中断情况下的保守使用，因而可以使用市场在售的中功率2～20瓦的激光器，十年后仍然能工作且寿命周期内无需维护。
本发明的传感器网络另外一种功能是能够作为应急通信通道。在自然灾难重创，正常的通信系统诸如偏远地区的电话、电视、网络及便携式电话通常陷入瘫痪，此时传感器网络值可以被直接转变为沿输电线的声音和数据通信链接装置。便携无线收发器单元能够沿输电线直接连接无线网络，提供网络连接至因特网。因此，在紧急情况下，偏远地区的语音及数据通信可以立即建立。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种电力传输系统中的传感器及应急通信网络，由设置在塔(2)与电力输电线(1)上的多个传感器(3)所组成，其特征在于：相邻传感器(3)之间通过无线网络进行数据通信，一个传感器可以与相邻的多个传感器组成网状网络，以提供冗余的多数据路径至控制系统(4)；所述传感器(3)采用自供电系统供电。
2.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述传感器(3)包括设置在输电线(1)的线上传感器(33)，线上传感器(33)的自供电系统为套设在输电线(1)外周的电流变换器(40)，电流变换器(40)上设置有分割磁力线圈(41)和二次线圈(42)，输电线(1)上的负载电流在二次线圈(42)内产生交流电。
3.按照权利要求2所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：整流稳压电路(43)将二次线圈(42)内的交流电流转变为常用直流电，并给线上电池(47)进行充电，线上电池(47)给线上传感器(33)、微控制器电路(45)和收发器(46)供电；线上传感器(33)测量输电线路性能和周围环境，微控制器电路(45)处理传感信号并且通过收发器(46)和射频天线将信息传送至通信网络。
4.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述传感器(3)包括安装在塔(2)上的塔上传感器(30)，塔上传感器(30)的自供电系统为太阳能/风能发电机(49)。
5.按照权利要求(4)所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述太阳能/风能发电机(49)同时给塔上电池(48)充电，塔上电池(48)给塔上传感器(30)、微控制器电路(45)和收发器(46)供电。
6.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述传感器(3)分为安装在塔(2)上的塔上传感器(30)与输电线(1)的线上传感器(33)，所述塔上传感器(30)包括用于测量温度、压力、降水量、湿度、风速、风向、空降颗粒、盐份颗粒浓度、阳光照射度的气象传感器，以及测量塔倾斜的传感器；线上传感器(33)包括靠近塔(2)的近塔线上传感器(31)和位于相邻两塔之间中部的远塔线上传感器(32)；近塔线上传感器(31)包括用于测量输电线下垂，输电线覆冰厚度，线温度和电流的传感器；远塔线上传感器(32)包括检测线路振荡和离地面间距离的距离传感器。
7.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述自供电系统还包括利用光纤连接的激光驱动器与光电转换器组成的能量输送电路。
8.按照权利要求7所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述自供电系统还包括在塔上电池(48)与线上电池(47)之间设置的塔与线电源互备份系统；所述电源互备份系统包括以下两路电路：塔上电池(48)的输出端通过塔上激光驱动器(52)、第二光纤(56)与线上光电转换器(51)连接至线上电池(47)的输入端，线上电池(47)的输出端通过线上激光驱动器(54)、第一光纤(55)与塔上光电转换器(53)连接至塔上电池(48)的输入端。
9.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：激光驱动器采用中功率2～20瓦的半导体激光器。
10.按照权利要求1所述的电力传输系统中的传感器及应急通信网络，其特征在于：所述传感器网络可以直接转变为沿输电线的声音和数据通信链接装置，便携无线收发器单元沿输电线直接连接无线网络，提供网络连接至因特网。
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