CN106970304A - 简易型的输电线路故障在线定位监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其中包含对输电的导线进行监测的故障检测器；所述故障检测器中设置有一个球体，其包含可分开或合拢的两个半球体；所述故障检测器设置有第一电流互感器、第二电流互感器，其各自使用可随两个半球体分开而分开，随两个半球体合拢而合拢的罗氏线圈；所述第一电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行取电；所述第二电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行输电参数的采样；所述故障检测器设置有通讯单元，将该故障检测器监测导线输电参数得到的数据向外传输。本发明可以对输电系统的各种故障，包括相间短路和单相接地故障等，进行检测和定位。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路故障定位技术，特别涉及一种简易型的输电线路故障在线定位监测系统。
背景技术
图1示出一些常见的电力线路故障。输电线路故障原因的准确辨识，对输电线路的维护，缩短线路停电时间有着重要意义。由于输电线路在发生不同性质的跳闸故障时其线路上的故障电流行波呈现出不同的电磁暂态特征，因此通过在线监测并提取输电线路故障电流的行波数据，分析其电磁暂态特征，可以达到对输电线路雷击与非雷击故障原因准确辨识的目的；同时，对行波的极性进行分析判断，可得到短路故障类型。
目前故障定位装置，多采用电流行波而不采用电压行波进行测量；因为母线有较大的分布电容，母线处感受到电压行波波头幅值较小且上升速度慢，而电流行波波头却有较大的幅值且上升速度很快，利用故障电流行波检测灵敏度高。通过比较图2、图3所示，可知电流行波比电压行波上升速度快，更利于提高检测灵敏度。
从实际应用角度考虑，故障定位装置需要具有以下的功能：实现对故障的分析，来解决以上全部或是部分故障源导致的线路故障问题，准备判断故障情况；对故障进行定位，以快速定位故障位置；通过对基本参数测量，来对线路周边参数进行测量，比如相电流、周边环境参数等；进行直观的展示，以准确提示故障类型和故障地点、出具分析报表等业务。然而，目前的故障定位装置还无法满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易型的输电线路故障在线定位监测系统，来对输电系统的各种故障，包括相间短路和单相接地故障，进行检测和定位。
本发明的技术方案在于提供一种简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其中包含对输电的导线进行监测的故障检测器；
所述故障检测器中设置有一个球体，其包含可分开或合拢的两个半球体；所述故障检测器设置有第一电流互感器、第二电流互感器，其各自使用可随两个半球体分开而分开，随两个半球体合拢而合拢的罗氏线圈；
所述第一电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行取电；
所述第二电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行输电参数的采样；
所述故障检测器设置有通讯单元，将该故障检测器监测导线输电参数得到的数据向外传输。
优选地，两个半球体在对应球体圆周的同一侧设置有开合螺栓，两个半球体在所述开合螺杆的位置相互连接；
通过第一扳手顺时针或逆时针旋转开合螺杆，使两个半球体分开；
通过第一扳手逆时针或顺时针旋转开合螺栓，使两个半球体合拢。
优选地，两个半球体的拼接处设有若干安全螺栓，每个安全螺栓位于其中一个半球体上，与该安全螺栓对应的螺母位于另一个半球体上；
通过第二扳手顺时针或逆时针旋转安全螺栓，使所述安全螺栓和与之对应的螺母连接，将合拢的两个半球体锁紧；
通过第二扳手逆时针或顺时针旋转安全螺栓，使所述安全螺栓和与之对应的螺母分开，使两个半球体得以分开。
优选地，所述球体上设置有水平泡和/或标识箭头，来指示故障检测器在导线上的正确安装方向；居中的水平泡所指示的方向，与垂直向下的标识箭头所指示的方向一致。
优选地，所述故障检测器的信号采集与存储部分，包含：所述第二电流互感器、信号调理电路、模数转换器、微控制单元、存储器；
所述故障检测器的供电部分，包含：所述第一电流互感器、整流电路、电源管理电路、超级电容、备用电池；
所述故障检测器还设置有DC/DC模块，来为所述通讯单元供电。
优选地，所述通讯单元是基于GPRS或3G或4G技术进行通信的设备；
或者，所述通讯单元是基于Zigbee或Wifi技术进行通信的设备。
优选地，所述故障检测器与其通信范围之内的一体化通讯装置交互，将监测导线输电参数得到的数据通过所述一体化通讯装置传输至APN骨干网；或者，所述故障检测器将监测导线输电参数得到的数据直接传输至APN骨干网；
监测导线输电参数得到的数据，依次通过所述APN骨干网、互联网、带防火墙的变电站系统，传输至电力公司的主站系统进行故障分析及定位。
优选地，所述故障检测器通过Zigbee或Wifi技术与一体化通讯装置交互，所述一体化通讯装置通过GSM或GPRS技术接入APN骨干网进行数据传输；
或者，所述故障检测器通过GSM或GPRS技术接入APN骨干网进行数据传输。
优选地，所述主站系统还与移动手持终端交互，来发送与故障有关的现场报警及维护信息。
综上所述，本发明的简易型的输电线路故障在线定位监测系统，集成了现代故障检测器、高速采样、无线通信和分布式等技术，形成了一套自动高效的故障检测以及定位系统。
本发明可以用于输电系统各种故障的检测和定位，包括相间短路和单相接地故障。在发生故障时，智能故障定位系统的监控主站与现场大量的故障监测点相配合，在故障发生后的1分钟内即可在主站通过故障定位策略给出故障源信息，并且以短信告警等形式通知相关值班员，帮助维修人员迅速赶赴现场，隔离故障段，恢复正常供电。
本发明的系统可适用于交流35kV～1000kV；直流±400kV～±800kV双端架空线路、双端电缆线路、架空和电缆混合线路、T接型线路。
本发明所述输电线路故障在线定位监测系统，具备以下功能：
1、监测量的检测和采集指示功能
遥信数据：测量线路短路、断路故障动作信号，完成数据上传；
遥测数据：测量线路负荷电流、短路动作电流、线路接地尖峰电流、线路接地动过电流、雷击故障电流、线路对地电压；
遥控：监测到故障信息的监测器本体本地高亮LED闪烁指示，便于维护人员现场观察及定位，指示方位；
遥调：远程配置检测参数及设备自检参数。
2、数据处理功能：对采集的信号进行相应的数据处理和二次分析。
3、数据通信功能：根据不同分布式故障诊断装置的通讯条件，实时、准确地将数据发送到中心监测站。如发生跳闸后，装置在5分钟内将跳闸信息自动通知给运维人员。装置支持数据校验、误码重发等功能，不丢失数据。在通讯中断或线路停电时，自动保存测得的数据，待通讯恢复或线路恢复运行后，及时将存储的数据传回中心站。
4、自检和自恢复功能：定时自检终端状态上报管理系统；对终端可能出现的死机问题具有自恢复功能，分布式故障诊断装置可自动对其全部组件进行自检，并自动向中心站报告各类故障情况，设备出现异常情况，可及时检修、更换配件；断电后具有自动复位功能。
5、实现故障点区段定位，以2台检测单元之间安装距离作为定位依据。
附图说明
图1是电力线路故障分类的示意图；
图2、图3分别是电压行波与电流行波的示意图；
图4、图5是本发明中两种示例方案的系统构架图；
图6是本发明中监测终端的硬件架构图；
图7是本发明中电源管理芯片、超级电容和备用电池的接线示意图；
图8是本发明中信号调理模块的示意图；
图9是本发明中监测终端安装到导线后的外形结构示意图；
图10是本发明中将安全螺栓打开的示意图；
图11是本发明中球体松开后的示意图；
图12是本发明中开合螺杆所在侧面的示意图；
图13、图14是本发明中将监测终端安装到导线时的示意图；
图15、图16是本发明中对球体方向调整时正反两面的示意图；
图17是本发明中将安全螺栓锁紧时的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种输电线路故障在线定位监测系统，如图4、图5分别是该系统架构的两种示例。该系统可以将2台监测终端(即，故障检测器)之间的距离作为判定基础，可以快速分辨故障所在区段位置。
在图4的示例中，所述系统主要包含若干个故障检测器和若干个一体化通讯装置。其中，各故障检测器分别安装在塔杆之间输电的导线上，检测导线上行波信号及线路状态等，并通过ZigBee、WiFi等无线短距离通信方式，将检测结果发送至在其通信范围之内(如＜2km)的一体化通讯装置；一体化通讯装置接收其通信范围之内一个或多个故障检测器的检测结果，并通过GSM、GPRS等方式接入APN骨干网进行传输；APN骨干网经过互联网，与带防火墙的变电站系统通信连接，变电站系统进一步使用I2、IEC61850标准与电力公司主站系统通信连接，将检测结果上报。主站系统进行故障分析，对故障所在区段进行定位，以及完成设备管理及标识管理、用户管理、故障分析及报表统计等业务。此外，可以进一步设置移动手持终端(图中未示)，来接收主站系统发出的与故障有关的现场报警及维护信息。
上述的系统架构方案适用于故障检测器布点较多，安装密度高的情况；对于该类情况，故障检测器本身可以采用ZigBee等传输方式，通过增加1到2级的子组网以传递自身及其他故障检测器的数据，实现故障检测器本身数量与一体化通讯装置数量6：1的配置，可以有效降低后台主站数据通信数据包频次，同时在不增加工程量情况下简化故障检测器本身结构及通信成本。
在图5的示例中，所述系统的故障检测器、APN骨干网及其后各装置的布局与上例基本一致；不同点在于，本示例中可以没有一体化通讯装置，各故障检测器通过GSM、GPRS等方式直接接入APN骨干网，将各自对输电导线的检测结果进行上报。上述系统架构方案适用于故障检测器布点少，安装密度低的情况，对于该类情况，故障检测器本身采用GPRS等传输方式，直接将数据传输到主站系统，减少工程量及设备调试难度，降低工程风险，理论上没有距离限制。
本发明的故障检测器，通过感应取电及超级电容方式从其所在的输电导线上取电，并采用电磁式电流互感器及罗氏线路测量线路行波、线路负荷电流参数。优选地，在行波采样时的采样频率20KHz～500KHz，1s内连续采样50周波录波。
如图6所示的故障检测器中，取电CT(电流互感器)81、整流电路82、电源管理电路83、超级电容84、备用电池85、DC/DC模块86，构成该故障检测器的供电部分；采样CT·91、信号调理电路92、ADC(模数转换器)93、MCU(微控制单元)94、RAM(随机存取存储器)95等，构成该故障检测器的信号采集与存储部分；另外该故障检测器还需配置一个GPRS/3G/4G的DTU(数据传输单元)96作为通讯单元。
对于取电CT，要求在原边电流10A时磁芯饱和，且此时副边输出功率达到300mW，副边电压2.2V。采用较小的功率和较低的副边电压，可以有效减低取电CT的体积和重量，也有助于降低成本。取电CT需要采用开口式设计，以便将其安装在导线上。
整流电路使用肖特基二极管构成的整流桥，管压降0.5V，许用电流10A；整流桥前接TVS管，以应对主线路短路电流冲击；整流后接3只10A05二极管，将输出电压钳位在2.1V左右(配合参见图7)。
MCU监控取电CT的副边电流，作为是否发生停电的判据。这一监控采用穿心式微型电流互感器实现，不影响取电，也不会让取电CT上的电流冲击影响到MCU。
本例中，电源管理电路采用ADI公司的一款低功耗芯片ADP5091实现，该芯片提供了一种智能集成式能量采集纳米电源管理解决方案，可转换来自PV电池或热电发生器(TEG)的直流电源。该器件可对储能元件(如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容)进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。ADP5091可供有限采集能量(从16μW到600mW范围)的高效转换，工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路，调节器可在低至380mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80mV至3.3V的输入电压范围内正常工作。在3.3V电压时，ADP5091提供的输出电流可达150mA。图7中示出了ADP5091芯片与取电CT、备用电池和超级电容的接法。
备用电池采用长寿命一次性锂电池，容量3000mAh；超级电容采用4F/5.5V，取电CT断电后，还可维持MCU和DTU工作1分钟以上，足以保障数据发出。
如图6所示，本例的DC/DC模块专为DTU供电，该DC/DC模块可以把3.3V电压升压到12V。这一模块自身不带开闭功能，因此需要给它的输入端加一个MOS管，由MCU控制它的开闭。仅在需要收发数据时给它上电以降低静态功耗。
对于采样CT，由于测量电流要求高达5000A，采样CT选用罗氏线圈，量程为5000A，输出为交流0～50mV(不带积分器)。
本例的信号调理电路，采用不带积分器的罗氏线圈，主要是为减低功耗和减少电源电平数量。采用低功耗的运放自行设计积分器，可以不需要为罗氏线圈提供电源。积分器基本电路原理如图8所示，该积分器的工作频率下限由Rf和Cf的乘积决定，这一乘积越大，工作频率下限越低。
这一积分器的放大倍数由R1和Rf的比值决定，比值越大，放大倍数越大。50mV交流信号的峰峰值在70mV左右，而MCU的参考电平在2.56V，放大32倍较为合适。由于罗氏线圈输出电流能力很弱，R1应当尽可能取大。初步设计，R1取20k，Rf取634k，Cf取0.47uF。R2为阻抗平衡电阻，计算结果为19.38k，可采用19.6K电阻。
这一电路中的运放可采用ADA4051，为低功耗零漂移轨到轨运放。静态电流低到13uA，偏置电压不超过15uV。
本例的MCU，选用具备16路12位ADC芯片，采样频率可达2000kps。完全满足设计要求中的采样需求。此外，ATXmega64A3芯片有多达7路USART外设，可方便的设置为SPI或者UART，易于实现各种控制与通讯功能。
存储器可以选用铁电存储器(FRAM)。这种存储器是一种非易失性存储器，掉电时仍可保留数据。其读写次数可达一万亿次，静态功耗低至10uA，完全满足项目要求。
通讯单元DTU的最大传输速率(串口)可达115200kps，允许5V供电，在线功耗仅为120mW。DTU由一个3V转5V的DC/DC隔离转换器供电，其与MCU之间的UART接口，也通过一个ADUM1201进行隔离。ADUM1201为双电源磁耦合隔离芯片，功耗仅为0.8mA，并且允许两侧电源不同(示例地，MCU侧电源电压为3.3V，DTU侧为5V)。
故障检测器通过DTU，以GPRS等通信技术实现数据远程传输。或者在选配一体化通讯装置的另一系统架构中，还可以为故障检测器设置采用Zigbee/WiFi技术的通讯单元。
通过本发明的故障检测器，可以进行线路短路、线路接地、雷击故障判断、线路启动/停运判断等。其中，线路短路判断采用常用的线路过流突变发、速断及过流法；线路接地的判断，采用瞬间的暂态电容放电电流、且检测到线路电压降低；雷击故障分析线路行波电流尾波参数判断；线路启动/停运采用监控线路负责电流及电压判断。
如图9所示，故障检测器的外部结构，主要包含由两半球体20构成的一个球体，两半球体20可以通过球体圆周一侧的开合螺杆40分开或合拢；合拢后的球体围绕在导线10外侧；故障检测器内部设置的取电CT、采样CT可随两半球体20分开或合拢，对导线10进行取电及参数测量。可进一步通过两半球体20拼接处的安全螺栓30将两者紧密连接，本例中是将安全螺栓30设置在故障检测器的正面。
示例的故障检测器，其产品尺寸：160mm×160mm×88mm或160mm×160mm×95mm；产品重量：2.48kg～3.36kg；具体会根据线路负荷及线圈规格略有浮动。
以下配合参见图10～图17，说明故障检测器的安装步骤：
步骤1，检查安全螺栓是否松开
如图10所示，若安全螺栓30未松开，用3mm内六角扳手34逆时针方向旋转各个安全螺栓30的第一端31、松开各个安全螺栓30，使安全螺栓30的第二端32不与处在另一半球体上的螺母33连接。
步骤2，松开球体
如图11所示，用8mm内六角扳手41逆时针方向旋转位于圆周侧的开合螺杆40(如图12)，球体张开；
步骤3，合紧球体
如图13、图14所示，将导线10置于两半球体20的中心空隙之间，通过两半球体20夹住导线10，用8mm内六角扳手41顺时针方向旋转开合螺杆40，将球体闭合锁紧。
优选地，在球体开口闭合前，需调整球体方向，使球体背面的水平泡60(图16)居中、球体正面的标识箭头50(图15)垂直向下(目测)；然后再将球体锁紧。
锁紧后两半球体20结合处的缝隙均小于1mm。球体可以为耐候塑料或橡胶材质，且内表面粘贴柔性缓冲材料，使球体安装和运行不损伤导线；两半球体正常安装后，其与导线10之间不会产生转动和滑动。
步骤4，合紧安全螺栓
如图17所示，用3mm内六角扳手33顺时针方向旋转来锁紧安全螺栓30(示例共两处)，这与球体拆卸时扳手33的旋转方向相反。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，包含对输电的导线进行监测的故障检测器；
所述故障检测器中设置有一个球体，其包含可分开或合拢的两个半球体；所述故障检测器设置有第一电流互感器、第二电流互感器，其各自使用可随两个半球体分开而分开，随两个半球体合拢而合拢的罗氏线圈；
所述第一电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行取电；
所述第二电流互感器在合拢时，环绕在导线的外侧进行输电参数的采样；
所述故障检测器设置有通讯单元，将该故障检测器监测导线输电参数得到的数据向外传输。
2.权利要求1所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
两个半球体在对应球体圆周的同一侧设置有开合螺栓，两个半球体在所述开合螺杆的位置相互连接；
通过第一扳手顺时针或逆时针旋转开合螺杆，使两个半球体分开；
通过第一扳手逆时针或顺时针旋转开合螺栓，使两个半球体合拢。
3.权利要求1所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
两个半球体的拼接处设有若干安全螺栓，每个安全螺栓位于其中一个半球体上，与该安全螺栓对应的螺母位于另一个半球体上；
通过第二扳手顺时针或逆时针旋转安全螺栓，使所述安全螺栓和与之对应的螺母连接，将合拢的两个半球体锁紧；
通过第二扳手逆时针或顺时针旋转安全螺栓，使所述安全螺栓和与之对应的螺母分开，使两个半球体得以分开。
4.权利要求1所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述球体上设置有水平泡和/或标识箭头，来指示故障检测器在导线上的正确安装方向；居中的水平泡所指示的方向，与垂直向下的标识箭头所指示的方向一致。
5.权利要求1～4中任意一项所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述故障检测器的信号采集与存储部分，包含：所述第二电流互感器、信号调理电路、模数转换器、微控制单元、存储器；
所述故障检测器的供电部分，包含：所述第一电流互感器、整流电路、电源管理电路、超级电容、备用电池；
所述故障检测器还设置有DC/DC模块，来为所述通讯单元供电。
6.权利要求1所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述通讯单元是基于GPRS或3G或4G技术进行通信的设备；
或者，所述通讯单元是基于Zigbee或Wifi技术进行通信的设备。
7.权利要求1或6所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述故障检测器与其通信范围之内的一体化通讯装置交互，将监测导线输电参数得到的数据通过所述一体化通讯装置传输至APN骨干网；或者，所述故障检测器将监测导线输电参数得到的数据直接传输至APN骨干网；
监测导线输电参数得到的数据，依次通过所述APN骨干网、互联网、带防火墙的变电站系统，传输至电力公司的主站系统进行故障分析及定位。
8.权利要求7所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述故障检测器通过Zigbee或Wifi技术与一体化通讯装置交互，所述一体化通讯装置通过GSM或GPRS技术接入APN骨干网进行数据传输；
或者，所述故障检测器通过GSM或GPRS技术接入APN骨干网进行数据传输。
9.权利要求7所述简易型的输电线路故障在线定位监测系统，其特征在于，
所述主站系统还与移动手持终端交互，来发送与故障有关的现场报警及维护信息。
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Denomination of invention: A simple online fault location and monitoring system for transmission lines Granted publication date: 20230512 Pledgee: The Bank of Shanghai branch Caohejing Limited by Share Ltd. Pledgor: SHANGHAI OUMAI ELECTRIC INSPECTION CO.,LTD. Registration number: Y2024980033671 |
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