CN106887898A - 一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统 - Google Patents

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唐酿
盛超
龙孟姣
陈晓科
黄辉
陈锐
朱良合
骆潘钿
张健
王红星
刘正富
曾杰
谢宁
翁洪杰
张俊峰
张毅超
安然然
赵艳军
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Abstract

本发明实施例公开了一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统，其中，该三相高压输电线路在线监测设备供能方法包括：栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。本发明实施例采用导线附近自带的电场能对高压输电线路在线监测装置进行供电，在供电可靠性方面大大提高，因此，整个系统的运行可靠性得到了保障。

Description

一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统
技术领域
本发明涉及三相高压输电线路领域，尤其涉及一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统。
背景技术
我国的输电线路在地理上跨度大，分布范围广，并常经过一些自然条件恶劣的地区，为保障输电线路的运行安全，需要有人员周期性的对线路进行巡检。随着技术的发展，在线监测设备在该领域得到了广泛应用，节省了大量的人力物力，受高压输电线路本身的环境影响以及成本限制，市电的应用受到限制，因此在线监测设备本身的持续可靠供电问题一直没有得到非常妥善的解决。
目前，在实际应用中，在能量收集端多是利用太阳能或者风能的形式来收集自然界中的能量，但是该种方式均易受天气等随机因数的影响，在光照或者风力较弱的情况下，收集到的能量有限，输出功率变化较大，因此在负载前端，均需要配置储能电池作为补充电源，以实现对负载的持续供电，但是蓄电池的充放电次数有限，需要定期更换，维护成本高，在极端天气以及长期阴雨情况下，电能耗尽后天法得到及时的补充，将会影响在线监测装置的正常工作。另外，目前，也有考虑应用激光以及高压导线附近本身的磁场能作为能量的收集来源，但是对于磁场能，虽然其在高压导线正常工作的情况下能量来源稳定，不会受外界自然环境影响，但是收集设备需要安装在导线上，同时能量传输的距离有限，收集的能量对于给安装于导线上的设备供电较为方便，但是为减少导线本身的承重，绝大多数的在线监测装置均安装在杆塔上。
因此，提高目前高压输电线路在线监测装置的供电可靠性，减少维护工作量，是目前该领域的一个技术瓶颈。
发明内容
本发明实施例提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统，提高目前高压输电线路在线监测装置的供电可靠性，减少维护工作量。
本发明实施例提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法，包括：
栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。
优选地，所述栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间之后还包括：
所述能量变换装置对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器。
优选地，所述能量变换装置对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器之后还包括：
所述整流器对所述变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得所述整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在所述超级电容中。
优选地，所述栅状电场能收集装置的数量为3个。
优选地，所述能量变换装置的数量为1个，所述整流器的数量为1个。
优选地，本发明实施例还提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，包括：栅状电场能收集装置和能量变换装置；
所述栅状电场能收集装置和所述能量变换装置电连接；
所述栅状电场能收集装置用于获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置；
其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。
优选地，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统还包括：整流器；
所述能量变换装置和所述整流器电连接；
所述能量变换装置还用于对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器。
优选地，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统还包括：超级电容；
所述整流器和所述超级电容电连接；
所述整流器还用于对所述变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得所述整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在所述超级电容中。
优选地，所述栅状电场能收集装置的数量为3个。
优选地，所述能量变换装置的数量为1个，所述整流器的数量为1个。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统，其中，该三相高压输电线路在线监测设备供能方法包括：栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。本发明实施例采用导线附近自带的电场能对高压输电线路在线监测装置进行供电，在供电可靠性方面大大提高，因此，整个系统的运行可靠性得到了保障。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法的另一流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统的应用例示意图；
图5为栅状电场能收集装置的结构示意图；
图6为能量变换装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法及系统，提高目前高压输电线路在线监测装置的供电可靠性，减少维护工作量。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法的一个实施例，包括：
101、栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与电压对应的电流流向能量变换装置，其中，栅状电场能收集装置设置于三相高压输电导线与杆塔之间。
在本实施例中，相比较采用太阳能电池板或者风能的方式，在能量获取上，易受自然环境的影响，使得能量收集非常不稳定，在夜晚等光线较弱以及弱风的情况下，能量补给通路被截断，其供电可靠稳定性不高。高压输电线路的周围，尤其是杆塔的塔头空间以及横担位置，具有较高的电场强度，只要输电导线有正常的工作电流通过，其周围电场的强度和分布不受气象条件限制，因此，能量源本身的稳定性以及可靠性就得到了保障。
请参阅图2，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法的另一个实施例，包括：
201、栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与电压对应的电流流向能量变换装置，其中，栅状电场能收集装置设置于三相高压输电导线与杆塔之间；
202、能量变换装置对与电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得变换后的电流流向整流器；
203、整流器对变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在超级电容中。
进一步地，栅状电场能收集装置2的数量为3个。
进一步地，能量变换装置3的数量为1个，整流器的数量为1个。
请参阅图3，本发明实施例还提供了一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统的一个实施例，包括：栅状电场能收集装置2和能量变换装置3；
栅状电场能收集装置2和能量变换装置3电连接；
栅状电场能收集装置2用于获取到在三相高压输电导线1与栅状电场能收集装置2之间形成的等效分布电容收集的能量后，在栅状电场能收集装置2两端形成电压，使得与电压对应的电流流向能量变换装置3；
其中，栅状电场能收集装置2设置于三相高压输电导线1与杆塔之间。
进一步地，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统还包括：整流器；
能量变换装置3和整流器电连接；
能量变换装置3还用于对与电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得变换后的电流流向整流器。
进一步地，本发明实施例提供的一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统还包括：超级电容；
整流器和超级电容电连接；
整流器还用于对变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在超级电容中。
进一步地，栅状电场能收集装置2的数量为3个。
进一步地，能量变换装置3的数量为1个，整流器的数量为1个。
需要说明的是，在能量源端，三相高压输电导线1(50KV以上)与电场能收集装置2之间形成分布电容，分布电容会在强电场中收集能量，电场能收集装置2上会形成电压，通过能量变换装置3，每一相都可以与地形成通路；为了有效提高采集到的能量，三相电导线的电场能收集装置2并联，从而在能量变换装置3的原端形成更大的电流；在接收端，能量变换装置3的副边接收到耦合过来的能量后，在副边端形成电压和电流，再通过整流器，将交流形式的能量转换成直流电再存储在超级电容中，最终供给负载(在线监测设备4)使用。另外，为了保证无间断供电，负载本身自带备用电池，其供电方式与不间断电源类似。
上面是对一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统的结构和连接方式进行的详细说明，为便于理解，下面将以一具体应用场景对一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统的应用进行说明，应用例如下：
当高压输电线路中流过交流电，交流电会在其周围空间产生变化的电场和变化的磁场，电磁场中都含有能量。对电场能量的利用，可以利用高压线路与周围设备之间形成的分布电容来收集输电线路附近空间的电场能，三相高压交流输电线路杆塔横担外侧电场能量收集原理示意图如图4所示。将电场能收集装置放在导线和杆塔之间，若是分裂导线，比如二分裂导线，则可以将电场能能量收集装置与分裂导线所形成的平面平行放置，以获取较大的分布电容值。假设三相导线和能量收集装置之间的等效分布电容分别为C1，C2，C3，考虑到能量收集装置与导线之间的距离和电场强度相对于能量收集装置与地面之间会高出许多，因此，在这里忽略后者的分布电容。三相导线的能量收集装置收集到的能量均通过一个类似于变压器的能量变换装置T，变比为N，RL表示负载，如图4所示。
一般的在线监测装置都具有低功耗的特性，有的设备需要的电能在毫瓦级别，经调研可知，对于杆塔上的在线监测设备，若能提供到18瓦的功率，即能保证所有设备的正常供电，因此，在高压输电导线电压很大的时候，传递给负载的能量比较可观，因此这是具有非常实际应用意义的。
假设三相导线电压为Ua,Ub，Uc,此处忽略变压器的短路电抗，并将其等效为理想的变压器，由电路理论可知流过能量收集装置后的调理电路原边的电流为：
负载可以获得的功率为：
P＝N2I2RL
由公式可知，通过适当优化理想变压器的变比，提高导线电压或者降低电场能收集装置与导线之间的距离来提高分布电容的值，都将提高能量的传递效率。另因为三相导线的理想对称瞬时电压之和理论上为0，因此，为了防止原边上流过的电流过小，三个电场能收集装置的电容值不能完全相同，即在能量收集装置参数相同的情况下，不能在离导线相同距离的同一个位置安装电场能量收集装置，需要有合理的错位。
在本发明中，电场能主要是集中在架空输电导线附近的，因高压在线监测设备多数安装在杆塔上，因此，主要考虑在杆塔附近的电场利用，同时方便设备的安装。对杆塔进行电磁场理论分析与建模仿真，结果证明铁塔上离导线不同距离的各个部分电场强度相差较大，场强较高的主要是在杆塔横担的外侧附近。因此为了获取更多的能量，提高最终传送到负载的功率，需要将电场能收集装置在场强高的位置。另外为方便安装，本发明将电场能收集装置在横担上进行悬挂安装，并设置为圆形栅格状，以减少方形能量收集装置带来的四个尖角出现的边缘效应而导致电荷的局部聚集，使电荷更加均匀的分布；而栅状设计可以有效减少材料的使用，降低成本并高效的减轻设备重量；与电场能收集装置水平放置相比，可以减少雨水与尘埃积累，并可以降低电场能收集装置与地之间的分布电容；同时有理论表明，与完整板状结构相比，栅状设计并不会明显降低电场能收集装置的功能，因此是一种优化设计，其结构如图5所示。
为了不降低高压导线的安全绝缘距离，该金属导板需要在其外层包裹一层绝缘材料；对于其具体结构参数，包括导板半径，导棒内径以及栅的间隔距离，则可以根据所需要的目标能量大小进行设计。
由现有理论知道，电场能收集装置的安装位置会主要影响分布电容的数值，为了取得更多的能量，电场能收集装置必须要安装在高压导线附近的强电场区域范围，由电磁场仿真知道，对于杆塔，其横担附近场强最强，而塔身则比较弱，因此，需要将电场能收集装置安装在离横担外侧较近的位置，另外电场能收集装置的安装悬挂高度亦需要通过仿真来确定，以保证电场能收集装置安装位置较优，而对于能量变换装置与监测设备在杆塔上的位置则没有限制。
图3中高压导线为二分裂导线，并且只画出了一个横担上的电场能收集装置安装示意图，实际上，该高压铁塔为三相输电，因此，该横担的上或者下面还需要安装同样的电场能收集装置，值得注意的是，为了保证有一定大小的电流流过能量变换装置的原边，三个电场能收集装置并不能安装在同一个相对水平位置，其之间要保持一定的错位，而同时又要保证其仍处于强电场范围内。
从能量的采集端得到的能量是以交流的形式表现的，同时，由于高压导线中流过的电流是随着电力负荷的变化而不断变化的，因此并不是一个固定值，而由其产生的电场也是一个变化的电场，由此得到的电场能量是不稳定的，因此，在供给负载使用之前，需要先整流成直流电，再经过稳压，才能提供持续可靠的能量给负载使用。为实现这个功能，本发明中采用的是单相桥式全控整流电路，图6中的开关为电力MOSFET，理想变压器二次侧的电压为Uin,负载两端亦即超级电容上的电压为UL。
本发明实施例设计了一种更加优化的圆形电场能收集装置结构，以减少传统方形电场能收集装置产生的边缘效应，与传统方形平板电场能收集结构相比，栅状结构在能保证同样的取能效率下，能有效减少了设备重量，降低了生产成本，并且不容易积累尘埃与雨滴，同时利于安装。栅状结构的电场能收集装置外层需要包裹一层树脂绝缘材料，以保证高压导线的对地绝缘安全
更进一步地，与传统只利用单相导线来进行取能相比，本发明有效利用了高压输电导线的三相导线，可在源端有效提高能量的获取，且在能量的传送端，汇流三相导线的电流到同一个变压器(能量变换装置)并经过同一个整流电路，与每相利用一个变压器相比，可以有效减少相关设备的使用，减少采购成本。
更进一步地，超级电容的使用可以有效储存能量，同时对负载起到稳压的作用，可以保证对其可靠稳定供电。
更进一步地，在采用本发明中的供电装置时，在线监测设备有同时配置了备用电池，其运行方式类似不间断电源UPS，因此，其供电的可靠性可大大提高，同时备用电池的使用寿命大大增加，设备维护成本有效降低。
更进一步地，对三相电场能收集装置的安装位置进行了探讨，并得出其并不能安装于横担上同一个水平相对位置，需要相对错开，以保证持续电流流过理想变压器的原边。
现有实际的高压在线监测设备供能系统中，常采用的方式就是利用新能源发电外加备用蓄电池的方式，新能源发电供电的不稳定性使得备用电源的使用次数增加，严重的减少了蓄电池的使用寿命；本发明实施例采用导线附近自带的电场能供电的方式在供电可靠性方面大大提高，因此，整个系统的运行可靠性得到了保障。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三相高压输电线路在线监测设备供能方法，其特征在于，包括：
栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。
2.根据权利要求1所述的三相高压输电线路在线监测设备供能方法，其特征在于，所述栅状电场能收集装置获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置，其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间之后还包括：
所述能量变换装置对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器。
3.根据权利要求2所述的三相高压输电线路在线监测设备供能方法，其特征在于，所述能量变换装置对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器之后还包括：
所述整流器对所述变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得所述整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在所述超级电容中。
4.根据权利要求3所述的三相高压输电线路在线监测设备供能方法，其特征在于，所述栅状电场能收集装置的数量为3个。
5.根据权利要求3所述的三相高压输电线路在线监测设备供能方法，其特征在于，所述能量变换装置的数量为1个，所述整流器的数量为1个。
6.一种三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，包括：栅状电场能收集装置和能量变换装置；
所述栅状电场能收集装置和所述能量变换装置电连接；
所述栅状电场能收集装置用于获取到在三相高压输电导线与所述栅状电场能收集装置之间形成的等效分布电容收集的能量后，在所述栅状电场能收集装置两端形成电压，使得与所述电压对应的电流流向能量变换装置；
其中，所述栅状电场能收集装置设置于所述三相高压输电导线与杆塔之间。
7.根据权利要求6所述的三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，还包括：整流器；
所述能量变换装置和所述整流器电连接；
所述能量变换装置还用于对与所述电压对应的电流进行变换，得到变换后的电流，使得所述变换后的电流流向整流器。
8.根据权利要求7所述的三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，还包括：超级电容；
所述整流器和所述超级电容电连接；
所述整流器还用于对所述变换后的电流进行整流，得到整流后的电流，使得所述整流后的电流流向超级电容并以电能形式储存在所述超级电容中。
9.根据权利要求8所述的三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，所述栅状电场能收集装置的数量为3个。
10.根据权利要求9所述的三相高压输电线路在线监测设备供能系统，其特征在于，所述能量变换装置的数量为1个，所述整流器的数量为1个。
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