CN105717353A - 一种输电线路暂态电流采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路暂态电流采集装置，包括：电流传感模块，用于检测输电线路的暂态电流，并输出对应的行波模拟信号；采集模块，用于对行波模拟信号进行模数转换，存储转换后所得行波数字信号；行波触发模块，用于检测行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，在其超过行波阈值时，发出第一触发信号，触发采集模块停止模数转换；控制器，用于在检测到第一触发信号时读取并存储采集模块存储的行波数字信号至预设的存储器中；电流传感模块包括采集暂态电流的微分信号的柔性罗氏线圈，和将柔性罗氏线圈输出微分信号还原为暂态电流的有源积分电路。本发明可提高采样精度和可靠性，能有效还原暂态电流的行波信号，保证对输电线路故障进行精确定位。

Description

一种输电线路暂态电流采集装置

技术领域

本发明涉及电力监测领域，特别是涉及一种输电线路暂态电流采集装置。

背景技术

随着科学技术的发展，电力在人们的工作和生活中起着至关重要的角色。输电线路发生故障会给人们造成极大的不便，因此，在输电线路发生故障后及时找到故障点是重中之重。

通常情况下，输电线路发生故障后，调度主要依靠故障定位数据来下定巡线范围指令，但是现有的故障定位装置误差较大，使得调度下达的巡线范围较大。无论是架空线路还是电缆线路，大部分故障并没有明显的烧伤痕迹，给故障点的排查带来了很大的困难，尤其是在夜晚、山区和冬季寻找故障点的时间占据了对故障设备维修总时间的一半以上。但是，线路发生故障后需要快速、准确地对故障点进行定位，及时排除故障恢复供电，从而保障整个系统的供电可靠性。目前，常常采用行波法故障测距方法来对输电线路故障进行定位，其定位精度及可靠性很大程度上取决于暂态电流行波信号采集装置的采样精度和可靠性。但是采用当前的行波法进行故障测距时，由于传统的电流互感器测量宽带不够且衰减，不能有效地还原暂态电流的行波信号，且其存在磁饱和体重重的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路暂态电流采集装置，可以有效提高采样精度和可靠性，且能够有效地还原暂态电流的行波信号，从而可以保证对输电线路故障进行精确定位。

发明提供了如下技术方案：

一种输电线路暂态电流采集装置，包括：

电流传感模块，用于检测输电线路的暂态电流，并输出所述暂态电流的行波模拟信号；

采集模块，用于将所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换，并存储转换后得到的对应行波数字信号；

行波触发模块，用于检测所述行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在所述行波模拟信号超过所述行波阈值时，发出第一触发信号，触发所述采集模块停止对所述行波模拟信号的模数转换；

控制器，用于在检测到所述第一触发信号时读取所述采集模块存储的所述行波数字信号，并将读取的所述行波数字信号存储在预设的存储器中；

其中，所述电流传感模块包括采集所述暂态电流的微分信号的柔性罗氏线圈，以及对应的将所述柔性罗氏线圈输出微分信号还原为暂态电流的有源积分电路。

优选地，还包括：

行波调理电路，用于对所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。

优选地，所述采集模块包括：

AD转换器，用于对所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换；

采集存储器，用于存储所述AD转换器输出的行波数字信号；

采集控制器，用于在接收到所述第一触发信号时，控制所述AD转换器停止AD转换和输出，并控制所述采集存储器停止接收和存储行波数字信号。

优选地，所述行波触发模块包括：

行波比较器，用于检测所述行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在所述行波模拟信号超过所述行波阈值时，发出第一触发信号；

D/A电路，用于根据所述控制器的对应控制信号设置所述行波阈值。

优选地，还包括：

工频传感模块，用于检测并输出所述输电线路的工频模拟信号；

其中，所述控制器还用于根据所述工频模拟信号设定所述行波阈值。

优选地，所述工频传感模块包括工频传感器和工频积分器，所述工频传感器用于采集所述输电线路的工频电流的微分信号，所述工频积分器用于将所述工频电流的微分信号还原为工频电流。

优选地，还包括：

工频触发模块，用于检测所述工频模拟信号是否超过预设的工频阈值，并在所述工频模拟信号超过所述工频阈值时，发出工频触发信号；

所述控制器还用于在接收到所述工频触发信号时，向预设报警终端发出报警信号。

优选地，所述控制器还包括内置AD转换单元，用于对所述工频传感模块输出的所述工频模拟信号进行模数转换，并设定所述工频阈值；

所述工频触发模块包括工频比较器和工频阈值D/A电路，所述工频阈值D/A电路用于接收所述工频阈值，并将所述工频阈值的数字信号转化为对应的工频阈值模拟信号；

所述工频比较器用于检测所述工频模拟信号是否超过所述工频阈值模拟信号，并在所述工频模拟信号超过所述工频阈值模拟信号时发出所述工频触发信号。

优选地，还包括：

工频调理电路，用于对所述工频传感模块输出的工频模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。

优选地，还包括：

通讯模块，用于将所述存储在预设的存储器中的行波数字信号传输给外界预设的主站。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的输电线路暂态电流采集装置，包括：电流传感模块，用于检测输电线路的暂态电流，并输出暂态电流的行波模拟信号；采集模块，用于将电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换，并存储转换后得到的对应行波数字信号；行波触发模块，用于检测行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在行波模拟信号超过行波阈值时，发出第一触发信号，触发采集模块停止对行波模拟信号的模数转换；控制器，用于在检测到第一触发信号时读取采集模块存储的行波数字信号，并将读取的行波数字信号存储在预设的存储器中；其中，电流传感模块包括采集暂态电流的微分信号的柔性罗氏线圈，以及对应的将柔性罗氏线圈输出微分信号还原为暂态电流的有源积分电路。采用柔性罗氏线圈作为电流传感模块的传感组件，由于柔性罗氏线圈是一种由柔性骨架和漆包线支撑的罗氏线圈，在制作过程中，在一匝回线的基础上进行均匀密绕，使得电流传感器在降低了成本的同时，提高了采样频率和可靠性，且无饱和现象，能够有效地还原暂态电流的行波信号，从而有效提高采样精度，保证对输电线路故障进行精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的输电线路暂态电流采集装置结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的柔性罗氏线圈的等效电路图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的有源积分电路基本原理电路图；

图4为本发明另一种具体实施方式所提供的输电线路暂态电流采集装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种输电线路暂态电流采集装置，可以有效提高采样精度和可靠性，且能够有效地还原暂态电流的行波信号，从而可以保证对输电线路故障进行精确定位。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1、图2和图3，图1为本发明一种具体实施方式所提供的输电线路暂态电流采集装置结构示意图；图2为本发明一种具体实施方式所提供的柔性罗氏线圈的等效电路图；图3为本发明一种具体实施方式所提供的有源积分电路基本原理电路图。

在本发明的一种具体实施方式中，一种输电线路暂态电流采集装置，包括：电流传感模块1，用于检测输电线路的暂态电流，并输出暂态电流的行波模拟信号；采集模块2，用于将电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换，并存储转换后得到的对应行波数字信号；行波触发模块3，用于检测行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在行波模拟信号超过行波阈值时，发出第一触发信号，触发采集模块停止对行波模拟信号的模数转换；控制器4，用于在检测到第一触发信号时读取采集模块存储的行波数字信号，并将读取的行波数字信号存储在预设的存储器5中；其中，电流传感模块1包括采集暂态电流的微分信号的柔性罗氏线圈11，以及对应的将柔性罗氏线圈输出微分信号还原为暂态电流的有源积分电路12。

在本实施方式中，采用柔性罗氏线圈对输电线路的暂态电流进行采集，其中，柔性罗氏线圈采集到的是电流的微分信号，经过有源积分电路后，被还原为电流信号，其中，有源积分电路需要配合该柔性罗氏线圈的参数使用，柔性罗氏线圈的灵敏度亦和有源积分电路中的积分参数有关，可根据积分参数值与线圈的关系进行调整。

其中，柔性罗氏线圈感应输出的是暂态电流的微分信号，该暂态电流通常为雷电流，忽略柔性罗氏线圈分布电容的作用，柔性罗氏线圈的等效电路如图2所示，图2中L、M、R分别表示柔性罗氏线圈的自感、互感和内阻，I为被测电流，i为柔性罗氏线圈的电流，R_s、u_s分别为采样电阻和采样电压。此外，u_i为感应电势，根据罗氏线圈等效电路，可知：

$u_i=-M\frac{dI}{dt}$

且， $u_i=L\frac{di}{dt}+(R+R_s)i$

当 $L\frac{di}{dt}<<(R+R_s)i$ 时，简化为：

$I=-(R+R_S)/M\&Integral;\frac{u_i}{R_s}dt$

由上式可知：被测电流I与采样电压u_i之间是微分的关系，即罗氏线圈及其外接采样电阻R_s实质上相当于一个微分环节，需要后接一个积分电路将电压u_i积分，才能使输出信号还原为被测电流形状。

通过积分电路即可还原出原始暂态电流信号。有源积分电路基本原理电路组成如图3所示，有电阻R、电容C、OPA运放元件组成，积分原理为：由运放负反馈电路的虚短、虚断原理可知：

i＝u_i/R，且u_o＝u_c＝1/C∫icdt，

即外加电压流过电阻R的电流在电容C上的积分。

其中，在本实施方式中，优选电流传感器包括高幅值行波传感器和低幅值行波传感器，高幅值行波传感器包括对应的一套柔性罗氏线圈和有源积分电路，而低幅值行波传感器也包括对应的一套柔性罗氏线圈和有源积分电路。

在本实施方式中，被测输电线路穿过电流传感模块的柔性罗氏线圈后，柔性罗氏线圈得到电流的微分信号，经过有源积分电路后，微分信号给积分还原为电流信号。在输电线路无故障情况下，电流传感模块检测到的暂态电流的行波模拟信号存入采集模块中以备故障发生时调用，为保证故障发生时数据处理的准确性，存入采集模块的信号需要至少包含当前时点前后的若干周波；当故障发生时，暂态电流的行波模拟信号超过预设的行波阈值，从而使得行波触发模块发出第一触发信号，触发采集模块暂停对行波模拟信号的采集和存储，同时还触发控制器读取采集模块存储的行波模拟信号对应的行波数字信号，并存储在预设的存储器中，其中，控制器读取并存储在预设的存储器中的信号包含故障时点前后的若干周波。

采用柔性罗氏线圈作为电流传感模块的传感组件，由于柔性罗氏线圈是一种由柔性骨架和漆包线支撑的罗氏线圈，在制作过程中，在一匝回线的基础上进行均匀密绕，使得电流传感器在降低了成本的同时，提高了采样频率和可靠性，且无饱和现象，且通过高低不同幅值的行波传感器可以实现大范围的电流测量，消除了宽度限制，能够有效地还原暂态电流的行波信号，从而有效提高采样精度，保证对输电线路故障进行精确定位。

需要说明的是，在本实施方式中，预设的存储器优选为Flash存储器。

在上述实施方式的基础上，本发明一种实施方式所提供的输电线路暂态电流采集装置还包括：行波调理电路，用于对电流传感模块输出的行波模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。

在本实施方式中，优选行波调理电路在接收到电流传感模块输出的行波模拟信号后，将积分后的信号电平抬升+2.5V，使得正负极暂态电流信号的幅值调理到0～+5V范围内，以符合采集模块的电压采集范围。其中，当电流传感器包括高幅值行波传感器和低幅值行波传感器时，高幅值行波传感器和低幅值行波传感器均与各自对应的行波调理电路连接。

进一步地，采集模块包括：AD转换器，用于对电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换；采集存储器，用于存储AD转换器输出的行波数字信号；采集控制器，用于在接收到第一触发信号时，控制AD转换器停止AD转换和输出，并控制采集存储器停止接收和存储行波数字信号。行波触发模块包括：行波比较器，用于检测行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在行波模拟信号超过行波阈值时，发出第一触发信号；D/A电路，用于根据控制器的对应控制信号设置行波阈值。

在本实施方式中，行波比较器接收行波调理电路输出的行波模拟信号和D/A电路接收控制器发送来的触发阈值，并对行波信号和阀值信号进行比较；其中，D/A电路接收控制器发送来的触发阈值信号，并将该触发阈值进行数模转换，解析为对应的行波阈值。采集控制器控制AD转换器对行波模拟信号进行AD转换，并控制采集存储器对AD转换值进行存储；当采集控制器在接收到第一触发信号时，控制AD转换器停止转换，并控制采集存储器停止存储。

在本实施方式中，行波比较器为窗口比较器，由于行波阀值是控制器根据工频传感模块所采集输电线路上无故障时的工频电流信号所反映的电压噪声等级而综合设定的，设定上、下两个门限值形成窗口比较器，通过上、下门限值和行波模拟信号进行比较，即可得知被测输电线路是否发生故障，若行波信号的幅值超出上、下门限值范围则发出第一触发信号，在上、下门限范围内则不触发。窗口比较器抗干扰能力强，可防止由于输电线上的噪声干扰到导致比较器误触发。

本发明一种实施方式所提供的装置还包括：工频传感模块，用于检测并输出输电线路的工频模拟信号；其中，控制器还用于根据工频模拟信号设定行波阈值。

进一步地，工频传感模块包括工频传感器和工频积分器，工频传感器用于采集输电线路的工频电流的微分信号，工频积分器用于将工频电流的微分信号还原为工频电流。

更进一步地，还包括：工频触发模块，用于检测工频模拟信号是否超过预设的工频阈值，并在工频模拟信号超过工频阈值时，发出工频触发信号；控制器还用于在接收到工频触发信号时，向预设报警终端发出报警信号。

其中，控制器还包括内置AD转换单元，用于对工频传感模块输出的工频模拟信号进行模数转换，并设定工频阈值；工频触发模块包括工频比较器和工频阈值D/A电路，工频阈值D/A电路用于接收工频阈值，并将工频阈值的数字信号转化为对应的工频阈值模拟信号；工频比较器用于检测工频模拟信号是否超过工频阈值模拟信号，并在工频模拟信号超过工频阈值模拟信号时发出工频触发信号。

进一步地，还包括：工频调理电路，用于对工频传感模块输出的工频模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。工频调理电路在接收工频传感模块的积分信号后将信号电平抬升+1.5V，使正负极性工频电流信号幅值调理到0～+3V范围内，以符合控制器中工频采集电路的电压采集范围。

在本实施方式中，控制器根据工频传感模块输出的工频模拟信号来设定行波阈值，并将设定的行波阈值发送给行波触发模块的D/A电路，D/A电路将该行波阈值进行DA转换，以输送给行波比较器与检测的行波模拟信号进行比较。其中，控制器是根据接收的工频模拟信号所反映的电压等级、背景噪声等信息，根据预设的算法等动态设置当前的行波阈值。

当工频本身出现故障时，来自工频调理电路的工频模拟信号超过来自工频阈值D/A电路设置的工频阈值，从而使得工频比较器发出工频触发信号，以触发控制器向预设的报警终端发送报警信号，进行报警。

其中，本输电线路暂态电流采集装置包括通讯模块，用于将存储在预设的存储器中的行波数字信号及相关信息传输给外界预设的主站。也就是说，在本装置采集了输电线路的暂态电流后将采集的信号通过通信模块发送给外界。通信模块与控制器连接，可以将存在预设的存储器中的数据以及上述的报警信号传输出去。其中，该通信模块可以是ZIGBEE或者GPRS等无线网络通信模块，但并局限于该两种通信模块。

请参考图4，图4为本发明另一种具体实施方式所提供的输电线路暂态电流采集装置结构示意图。

在本发明的一种具体实施方式中，如图4所示，电流传感模块包括一个低幅值行波传感器102和一个高幅值行波传感器101以及与之对应相连的行波调理电路103，工频传感模块3和工频调理电路7相连，行波触发模块3包括相互连接的一个行波窗口比较器301和一个行波阈值D/A电路302，工频触发模块8包括相互连接的一个工频窗口比较器801和一个工频阈值D/A电路802，采集模块2包括一个高速采集控制器CPLD(复杂可编程逻辑器件)205、两个AD转换器A/D1201和A/D2203、以及两个型号为IS61WV102416BLL、容量为1M×16bit、可存入5个周波的高速采集存储器SRAM1202和SRAM2204，通讯模块为GPRS9，预设的存储器为SPIflash(串口闪存)5，控制器为MCU(单片机)4；上述器件中，低幅值行波传感器和高幅值行波传感器均包括柔性罗氏线圈和与之相连的有源积分电路。

下面对本实施方式中的装置的工作过程作进一步阐明：

被测输电线路穿过低幅值行波传感器和高幅值行波传感器，该双线圈同步采集的方式可实现对输电线路100A-100kA暂态故障电流的精确采集。无故障情况下，低幅值行波传感器和/或高幅值行波传感器检测到的暂态电流的行波模拟信号经行波调理电路调理后，在高速采集控制器CPLD的控制下，分别经过AD转换器A/D1和A/D2进行AD转换，并分别存入高速采集存储器SRAM1和SRAM2中以备故障发生时调用。其中，CPLD输出10M的时钟控制信号CLK给A/D1和A/D2以控制其采样速率，同时输出来自于MCU的SRAM控制信号给SRAM1和SRAM2以控制其通过32bit数据总线分别接收和存储来自A/D1的低16bit数据和来自A/D2的高16bit数据。CPLD还与MCU的UART(通用异步收发传输)端双向连接。

故障发生时，来自行波调理电路的暂态电流的行波模拟信号超过来自行波阈值DA转换器的MCU设定的行波阈值，从而使得行波比较器发出行波触发信号，该行波触发信号触发CPLD控制A/D1和A/D2暂停对行波模拟信号的转换和SRAM1和SRAM2暂停对行波模拟信号的存储，并将32bit数据总线控制权交给MCU，同时还触发MCU通过32bit数据总线读取SRAM1和SRAM2中存储的包含故障暂态电流前后共5个周波的行波模拟信号并存入存储器SPIflash中，并通过GPRS发送到外部主站。上述行波阈值的设定方法是MCU根据当前通过内置AD接收的来自工频调理电路的工频模拟信号反映的电压等级、背景噪声等信息，设定当前的行波阈值。

综上所述，本发明所提供的输电线路暂态电流采集装置，采用柔性罗氏线圈作为电流传感模块的传感组件，利用廉价的电阻和电容等电器元件构成有源积分电路，与实际的柔性罗氏线圈配合调试，确定电路参数，实现了对故障暂态电流的精确测量，消除了传统互感器带宽的限制问题和磁饱和问题，并且可实现大电流幅值的精确采集和波形还原。从而有效提高采样精度，保证对输电线路故障进行精确定位。

以上对本发明所提供一种输电线路暂态电流采集装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种输电线路暂态电流采集装置，其特征在于，包括：

电流传感模块，用于检测输电线路的暂态电流，并输出所述暂态电流的行波模拟信号；

采集模块，用于将所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换，并存储转换后得到的对应行波数字信号；

行波触发模块，用于检测所述行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在所述行波模拟信号超过所述行波阈值时，发出第一触发信号，触发所述采集模块停止对所述行波模拟信号的模数转换；

控制器，用于在检测到所述第一触发信号时读取所述采集模块存储的所述行波数字信号，并将读取的所述行波数字信号存储在预设的存储器中；

其中，所述电流传感模块包括采集所述暂态电流的微分信号的柔性罗氏线圈，以及对应的将所述柔性罗氏线圈输出微分信号还原为暂态电流的有源积分电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

行波调理电路，用于对所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括：

AD转换器，用于对所述电流传感模块输出的行波模拟信号进行模数转换；

采集存储器，用于存储所述AD转换器输出的行波数字信号；

采集控制器，用于在接收到所述第一触发信号时，控制所述AD转换器停止AD转换和输出，并控制所述采集存储器停止接收和存储行波数字信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述行波触发模块包括：

行波比较器，用于检测所述行波模拟信号是否超过预设的行波阈值，并在所述行波模拟信号超过所述行波阈值时，发出第一触发信号；

D/A电路，用于根据所述控制器的对应控制信号设置所述行波阈值。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

工频传感模块，用于检测并输出所述输电线路的工频模拟信号；

其中，所述控制器还用于根据所述工频模拟信号设定所述行波阈值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述工频传感模块包括工频传感器和工频积分器，所述工频传感器用于采集所述输电线路的工频电流的微分信号，所述工频积分器用于将所述工频电流的微分信号还原为工频电流。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

工频触发模块，用于检测所述工频模拟信号是否超过预设的工频阈值，并在所述工频模拟信号超过所述工频阈值时，发出工频触发信号；

所述控制器还用于在接收到所述工频触发信号时，向预设报警终端发出报警信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器还包括内置AD转换单元，用于对所述工频传感模块输出的所述工频模拟信号进行模数转换，并设定所述工频阈值；

所述工频触发模块包括工频比较器和工频阈值D/A电路，所述工频阈值D/A电路用于接收所述工频阈值，并将所述工频阈值的数字信号转化为对应的工频阈值模拟信号；

所述工频比较器用于检测所述工频模拟信号是否超过所述工频阈值模拟信号，并在所述工频模拟信号超过所述工频阈值模拟信号时发出所述工频触发信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

工频调理电路，用于对所述工频传感模块输出的工频模拟信号进行信号幅度调整、滤波和电平抬升。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

通讯模块，用于将所述存储在预设的存储器中的行波数字信号传输给外界预设的主站。