CN107490747B - 一种配电线路状态的监测方法及对应的监测指示装置 - Google Patents

Abstract

一种配电线路状态监测方法及其对应的监测指示装置。指示装置主要包括固定部件、采样模块、指示机构和外壳体，其中，采样模块采集配电线路的电压电流数据，由装置内部的控制单元判断是否发生故障，控制单元根据采样模块的数据驱动柔性液晶材料的指示机构进入不同的显示状态，并在配电线路工作发生异常时通过其内部的通信模块进行报警。本发明通过使用液晶材料的指示机构，解决了现有指示机构误报、漏报、数据不准确的问题。同时，由于设计了专门的电场取电单元，使得本装置能够直接通过配电线路产生的电场获取电能，因而，本装置无需外接电源，体积更为小巧，安装维护更为方便。

Description

一种配电线路状态的监测方法及对应的监测指示装置

技术领域

本发明涉及一种配电线路状态的监测方法及对应的指示装置，属于配电线路监测领域。

背景技术

配电线路中，状态指示装置和监测装置共同构成配电线路故障指示单元，用于对架空配电线路的突发故障进行监测。其中状态指示装置卡在高压配电线上，显示配电线路的工作状态，以便巡线人员迅速找到配电线路的故障位置。故障监测装置用于监测配电线路的工况，并将配电线路的故障状态进行处理上报。由于故障指示单元一般安装于10米以上的高空，本身体积较小，巡线员很难观察到故障指示单元上的状态指示，因此通常需要采取动态的显示方式。

目前，状态指示装置所采用的指示机构主要为电磁翻牌。电磁翻牌通过驱动电路推动电磁线圈完成翻牌机构的变化，将牌子由红牌翻转为白牌。其中的电磁线圈由线圈和铁芯构成，线圈通电流时，线圈中产生直流磁通，磁化铁芯。由于翻牌机构上装有一永久磁铁，永久磁铁的南北极固定。线圈通电后，铁芯与永久磁铁相互作用，使机构正传或反转。但是，由于存在剩磁，铁芯磁化后，在线圈断电的情况下，翻牌机构仍会处于翻转的状态。此外，如果配电线路处于大负荷电流的状态下，由于工频磁场的作用，铁芯会被反复磁化。之后，当电流较小时，翻牌机构会产生明显振荡。而在大电流时，铁芯在强磁反复磁化作用下，剩磁将会消失，翻牌机构无法继续原先的翻牌状态，从而会造成漏报或误报。

由于目前类似装置所采用的翻牌机构需要电流驱动线圈，因而，现有的装置需要安装较大容量的电池或者外接电源才能工作。因此，现有装置一般体积较大，且质量偏重，需要单独安排供电，安装也不太方便。而本装置重新设计了供电模块，通过配电线周围的电场直接取电，解决了现有装置因为供电而带来的体积过大、安装维护不方便的问题。

为了保证使用过程中的安全性和可靠性，需要随时对高压配电线路的各相回路的带电状态密切监控，针对现在市场上带电指示器体积大，结构复杂等特点，本发明在不增加功耗的条件下增加配电线路周围电场强度指示功能，以翻牌转动的速率指示导线周围电场强度，从而提高配电线路安全运行的稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种配电线路状态的监测方法及其对应的监测指示装置，通过柔性液晶显示部件显示状态的翻转指示配电线路的状态，从而使巡线员能够更加准确地掌握配电线路的状态。

为实现上述目的，本发明提供一种配电线路状态的监测方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，初始化设置：设置电压突变门限值、电流突变门限值以及中断时间；

第二步，发生中断：一旦监测到到达中断时间，或者配电线路中电压的变化范围超过电压突变门限值，或者配电线路中的电流大于电流突变门限值，即判断发生中断；若发生中断则继续第三步，若未发生中断则按照跳转至第四步；

第三步，采样模式：首先判断中断原因，若是由于配电线路中的电压或电流大于电压突变门限值或电流突变门限值而发生中断，则上报发生的故障种类，同时驱动指示机构进入快速变化的显示模式，随后跳转至第二步；若是由于到达中断时间而发生中断，则上报电压和电流的数据，并跳转至第四步；

第四步，比较模式：比较配电线路中的电压是否到达电压突变门限值，电流是否到达电流突变门限值，同时驱动指示机构进入慢速变化的显示模式；若电压变化范围超过电压突变门限值或电流值达到电流突变门限值则跳转至第二步；否则继续停留在第四步。

一种配电线路状态的监测指示装置，包括固定部件、采样模块、指示机构和外壳体，采样模块设置在外壳体与配电线路接触的表面上，其特征在于，外壳体内设有控制单元、供电模块和通信模块，控制单元同时连接采样模块、指示机构和通信模块，供电模块同时连接控制单元、采样模块、指示机构和通信模块进行供电，指示机构为安装在外壳体侧面的柔性液晶显示部件。

按照上述的监测方法，采样模块采集配电线路中的电流数据和电压数据并传输至控制单元，控制单元一旦监测到到达中断时间，或者电压数据达到电压突变门限值，或者电流数据达到电流突变门限值，则判断发生中断；

若是由于配电线路中的电压或电流大于电压突变门限值或电流突变门限值而发生中断，则由控制单元将发生的故障种类通过通信模块进行上报，同时驱动指示机构进入快速变化的显示模式；

若是由于到达中断时间而发生中断，则由控制单元将将电压数据和电流数据通过通信模块进行上报，同时驱动指示机构进入慢速变化的显示模式；

若未发生中断，则由控制单元比较配电线路中的电压是否到达电压突变门限值，电流是否到达电流突变门限值，同时驱动指示机构进入慢速变化的显示模式，直至发生中断。

其中，所述的柔性液晶显示部件由液晶模块和驱动电路组成，液晶模块由内到外分为3层，最内层为液晶涂层，液晶涂层外夹有一对偏光片，偏光片外夹有一对透明电极，透明电极连接驱动电路，液晶涂层、偏光片和透明电极贴合外壳体的侧面设置。

其中，所述的柔性液晶显示部件有两组或两组以上，每组液晶显示部件由各自独立的驱动电路驱动，相邻的两组柔性液晶显示部件的显示状态保持不相同。

其中，所述的驱动电路为由4个MOS管构成的驱动桥，其中的每个MOS管分别并联一个调相电容和一个调相电阻，驱动电路输出正负方波驱动液晶显示部件，正负方波的相位通过调节4组调相电容的电容值以及调相电阻的电阻值来调节。

其中，所述的液晶模块内侧设有LED光源。

其中，所述的供电模块由取电单元和储电单元构成，储电单元连接控制单元(5)、采样模块、指示机构和通信模块进行供电；取电单元为设置在外壳体与配电线路接触的表面的U型槽面，取电单元沿径向由内到外分层设置有内电极、内层介质、输出电极、外层介质和外层介质，输出电极将电能输出至储电单元进行存储。

其中，所述的控制单元选用MSPFR5949芯片。控制单元根据采样得到的配电线路工作情况(包括配电线路中的电压和电流)以及芯片中预设的中断时间，将配电线路的工作状态通过通信模块进行上报，并通过指示机构定性显示。通信模块选用GY-RF-01模块，主要用于将控制单元得到的配电线路工作状态的数据进行上报，报告配电线路是否出现故障。储电单元选用法拉电容，为本装置各模块供电。

其中，所述的采样模块由磁敏电阻以及磁敏电阻的限幅保护电路组成。磁敏电阻感应配电线所产生的电磁场，并通过阻值的变化反应电磁场场强的变化。

本发明和现有方案相比具有如下有益效果:

首先，本发明使用液晶模块取代传统的翻牌机构。由于液晶模块不会像翻牌机构的线圈和铁芯一样，受剩磁的影响而产生错误翻转。因而克服了现有的翻牌机构在断电时仍会保持错误的翻转状态的缺陷。而且，由于所采用的液晶模块受电流磁场的影响较小，不会在大电流强磁场的作用下消磁，因而不会在大电流状态下出现漏报误报的情况。本发明对配电线路状态的显示更为准确，出错概率更低。

并且，由于本发明通过柔性液晶显示部件取代现有的磁铁和线圈来进行翻牌变换，而其中的液晶模块贴合外壳体的侧面设置，这样的设计使得本装置的体积仅为现有装置的一半。由于配电线路故障指示器用量在100万台/年以上，产品的小型化可以节约大量原材料成本。同时，由于液晶材料功耗低，易于识别，成本低廉，更适应于配电线路故障指示这种安装需求数量巨大的应用场合。

考虑到本装置一般安装于10米以上的高空，而且本身体积较小，因而，本装置在显示时通过调节驱动电路中的调相电容和调相电阻来改变驱动信号的相位，驱动指示机构根据配电线路状态进入不同的显示模式。指示机构的动态变化可以定性地显示配电线路电场强度的大小，达到指示在线电压的目的。这种动态的显示方式更便于巡线员判断。而且，本装置设有通信模块，可以通过通信模块与监测装置配合，共同实现对配电线路工况的监测管理。

更进一步，本装置在液晶模块内设置有LED光源。通过LED光源的闪烁来指示配电线路工作状态和线路周围的电场强度，更适应夜间或者光线不足的应用环境。

同时，本装置采用高压电场感应电源供电，通过在外壳的U型槽面上设置的三层电极以及壳体的分布电容从配电线路四周的电场中吸收汲取能量。由于液晶模块和驱动它的驱动电路本身功耗就很低，本装置无需另行设置电源即可工作。因此，本装置的设计制造、实地安装与后期维护都更为方便。

本装置所对应的监测方法通过中断处理的方式响应配电线路的不同工作状态。由于中断处理的响应时间短，而且设置了定时中断以保证本装置在配电线路正常工作的状态下也能够实时传输配电线路的电流、电压数据，本方法所得到的监测数据更加准确，也更加及时。本方法在配电线路正常工作的状态下会收集配电线路周围电场的能量，并进行存储，因而无需外设电源即可工作。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为所述配电线路状态的监测方法的流程图。

图2为所述配电线路状态的监测指示装置的总体结构图。

图3为所述配电线路状态的监测指示装置的内部模块图。

图4为所述配电线路状态的监测指示装置的液晶模块的显示方式图。

图5为所述配电线路状态的监测指示装置的液晶模块的三层结构剖面图。

图6为所述配电线路状态的监测指示装置的液晶模块的驱动电路图。

图7为所述配电线路状态的监测指示装置的取电单元的结剖面结构图。

图8为所述配电线路状态的监测指示装置的供电模块电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例提供一种如图2所示的配电线路状态的监测指示装置，包括固定部件1、采样模块2、指示机构3和外壳体4，采样模块2设置在外壳体4与配电线路接触的表面上，其特征在于，外壳体4内设有控制单元5、供电模块6和通信模块7，控制单元5同时连接采样模块2、指示机构3和通信模块7，供电模块6同时连接控制单元5、采样模块2、指示机构3和通信模块7进行供电，指示机构3为安装在外壳体4侧面的柔性液晶显示部件。控制单元5选用MSPFR5949芯片，通信模块7选用GY-RF-01模块，储电单元选用法拉电容，采样模块由磁敏电阻以及磁敏电阻的限幅保护电路组成。内部各模块的连接关系参见图3。

本装置中的固定部件为安装在外壳体上部的夹持部件，夹持部件将本装置夹持固定在配电线路上。本实施例中，如图2所示，夹持部件由一对固定在外壳体4的矩形环组成，矩形环夹住配电线路，使得本装置悬挂固定在配电线路上。

本装置中柔性液晶显示部件由液晶模块和驱动电路组成。液晶模块如图5所示，由内到外分为3层，最内层为液晶涂层34，液晶涂层外夹有一对偏光片33，偏光片外夹有一对透明电极32，透明电极连接驱动电路，液晶涂层、偏光片和透明电极贴合外壳体4的侧面设置。液晶涂层为涂覆有配向剂和液晶材料的玻璃基板。偏振片安装于外壳体内侧表面，从外壳体外入射的自然光通过偏光片形成线偏振光，与液晶涂层中液晶材料的长轴方向同向。配向剂控制没有外电场时液晶的排列方向，在没施加电场情况下，液晶材料的的光轴与偏振光的偏振方向一致，此时内壳表面反射入射的光线，整个指示机构呈现出白色状态；施加电场的情况下相应的显示为黑色。

驱动电路如图6所示，为由T1至T4这4个MOS管构成的驱动桥，其中的每个M OS管分别并联一个调相电容和一个调相电阻，驱动电路输出正负方波驱动液晶显示部件，正负方波的相位通过调节4组调相电容的电容值以及调相电阻的电阻值来调节。驱动桥的工作电压来自于供电模块输出端V1，驱动桥的T+、T-之间输出为正负方波，当T+、T-之间电压有效值大于晶体开启电压Vth时，液晶模块不反射入射光，指示机构显示为黑色。G1、G2为驱动桥控制电压输入端，G1、G2之间的电压就是电场感应电容C1两端的电压，在C1两端电压驱动下驱动桥输出正负脉冲，通过改变CG1-CG4容值和RG1-RG4阻值调整8组电极驱动电压的相位，使指示机构的显示产生变化效果。当C1两端电压快速变化时，驱动电路驱使指示机构进入快速变化的显示模式；反之，指示机构的显示状态慢速变化。用户根据外壳体液晶模块显示状态的变化速度可的定性判断配电线路的大小，达到指示在线电压的目的。

此外，本装置选用磁敏电阻作为电流传感器。磁敏电阻安装于壳体上端，紧贴线路，其阻值的大小取决于导线周围因其电流产生的磁场强度，磁敏电阻经保护电路接在MCU的AD采样端，MCU依据其阻值的大小判断线路工作电流，故障电流触发电路由MCU内部比较器与外接的磁敏电阻组成，正常状态下，MCU采集磁敏电阻的的阻值，根据要求动态设置门槛电压，当线路突变电流大于此值(一般为200A)时，MCU比较器发出中断信号触发MCU由比较器模式切换到AD采样模式检测线路故障状态，电压触发与电流类似，由MCU内部比较器构成，通过在正常状态下测量的电场电压值设置电压突变门限，当线路电压突变时触发MCU采样，并判断线路电压变化状态。

本装置工作步骤如下：

第一步，初始化设置：设置电压突变门值为配电线路中电压值的±30％、电流突变门限值为200A以及中断时间为60ms。

第二步，发生中断：一旦监测到到达中断时间60ms，或者配电线路中电压的变化范围超过原先配电线路中电压值的±30％，或者配电线路中的电流大于电流突变门限值200A，即判断发生中断；若发生中断则继续第三步，若未发生中断则按照跳转至第四步；

第三步，采样模式：首先判断中断原因，若是由于配电线路中的电压或电流大于电压突变门限值或电流突变门限值而发生中断，则上报发生的故障种类，同时驱动指示机构进入快速变化的显示模式，随后跳转至第二步；若是由于到达中断时间而发生中断，则上报电压和电流的数据，并跳转至第四步；

第四步，比较模式：比较配电线路中的电压的变化范围是否超过电压突变门限值，电流是否到达电流突变门限值，同时驱动指示机构进入慢速变化的显示模式；若电压变化范围超过电压突变门限值或电流值达到电流突变门限值，则跳转至第二步；否则继续停留在第四步。

实验中，控制模块在比较模式和采样模式两种模式之间切换的时间为2μs。

实施例二

本实施例在上一实施例的基础上进行了进一步的改进，具体如下：

在显示方式上，本实施例的指示机构，即柔性液晶显示部件有两组或两组以上，每组液晶显示部件由各自独立的驱动电路驱动，相邻的两组柔性液晶显示部件的显示状态保持不相同。为了保证在光线较弱的情况下装置仍然能够清楚的显示配电线路的状态，液晶模块内侧设有LED光源。本实施例中具体的显示方式参见附图4。当液晶部件变化显示状态时，由于人眼的视觉残留，本装置会出现旋转的显示效果。这样比起单纯的明暗变化的显示方式，更易于为工作人员发现。本实施例中的柔性液晶显示部件分为8个区域。设计时，8组液晶显示部件在外壳体上呈径向对称分布，8组液晶显示部件在驱动电路作用下连续闪烁显示，产生变化闪烁效果，便于观察识别。

进一步的，为了解决现有装置需要外接电源供电的问题，本实施例中，供电模块6由取电单元和储电单元构成，储电单元连接控制单元5、采样模块2、指示机构3和通信模块7，并对其进行供电。取电单元为设置在外壳体4与配电线路接触的表面的U型槽面，取电单元沿径向，由内到外分层设置有内电极61、内层介质62、输出电极63、外层介质64和外电极65，内外介质层的介电常数均为4.5。具体分层结构参见附图7。输出电极63将电能输出至储电单元，即法拉电容，进行存储。

内电极与配电线路直接接触，内电极与输出电极构成取电电容C7，输出电极与外电极、大地以及装置的其他部分构成分布电容C0。加工时，本装置采取电镀工艺加工，在聚酯薄膜介质表面电镀铝合金形成输出电极，再将其内外两层介质层真空压合形成内外电容器组。电极之间存在电容效应，因而输出电极能够对配电线的电场产生感应，输出电压。输出电压经整流稳压后提供给驱动电路作为供电电压：uc＝C0/(C1+C0)。其中，C0分布电容大小通常为12pF左右，C7为取电电容，大小与内层介质的介电常数有关。实验验证，此感应电压大于10V。法拉电容是本装置的储能元件，配电线路正常状态时，感应电源为法拉电容其充电；在故障态时，法拉电容为控制模块(即MCU)和通信模块充当电源。法拉电容容量为4.7法拉，耐压为5.5V，充满电状态储存能量W＝1/2C(ΔU)2,其中ΔU＝5.5-Umin，Umin为MCU的最低工作电压。选用MSP430FR5949芯片作为MC U，选用GY-RF-01模块作为通信模块，它们的最小工作电压Umin＝2.0V，由此计算出充满电状态储存能量W＝28.7875J。MCU工作电流为300uA，通信单元工作平均电流为30mA，在通讯速率25kbps情况下传输故障状态信息为12个字节，发射持续时间约为5.2ms,消耗能量为W＝UIΔt＝600uJ，远小于法拉电容储存的能量，因而此设计完全可以满足工作的要求。

而且，由于选用的MSP430FR5949芯片具有超低功耗的特性，而且本装置的指示机构采用功耗更低的液晶的显示方式，且液晶模块的驱动电路本身不消耗电能，指示装置的主要功耗仅仅是驱动电路的开关损耗。同时，驱动电路进一步的选择了低功耗高速MOS管，降低驱动损耗，使整个电路功耗小于1uW，满足自取电使用要求。因此本装置无需外接电源，设计制造、实地安装与后期维护都更为方便。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.配电线路状态的监测方法，其特征在于，

用于配电线路状态的监测指示装置，所述配电线路状态的监测指示装置包括固定部件（1）、采样模块（2）、指示机构（3）和外壳体（4），采样模块（2）设置在外壳体（4）与配电线路接触的表面上，其特征在于，外壳体（4）内设有控制单元（5）、供电模块（6）和通信模块（7），控制单元（5）同时连接采样模块（2）、指示机构（3）和通信模块（7），供电模块（6）同时连接控制单元（5）、采样模块（2）、指示机构（3）和通信模块（7）进行供电，指示机构（3）为安装在外壳体（4）侧面的柔性液晶显示部件；

所述方法由取电单元和储电单元构成的供电模块（6）供电以执行以下步骤：

第一步，初始化设置：设置电压突变门限值、电流突变门限值以及中断时间；

第二步，发生中断：一旦监测到到达中断时间，或者配电线路中电压的变化范围超过电压突变门限值，或者配电线路中的电流大于电流突变门限值，即判断发生中断；若发生中断则继续第三步，若未发生中断则按照跳转至第四步；

第三步，采样模式：首先判断中断原因，若是由于配电线路中的电压或电流大于电压突变门限值或电流突变门限值而发生中断，则上报发生的故障种类，同时驱动指示机构进入快速变化的显示模式，随后跳转至第二步；若是由于到达中断时间而发生中断，则上报电压和电流的数据，并跳转至第四步；

第四步，比较模式：比较配电线路中的电压是否到达电压突变门限值，电流是否到达电流突变门限值，同时驱动指示机构进入慢速变化的显示模式；若电压变化范围超过电压突变门限值或电流值达到电流突变门限值则跳转至第二步；否则继续停留在第四步；

其中，所述储电单元连接控制单元（5）、采样模块（2）、指示机构（3）和通信模块（7）进行供电；取电单元为设置在外壳体（4）与配电线路接触的表面的U型槽面，取电单元沿径向由内到外分层设置有内电极（61）、内层介质（62）、输出电极（63）、外层介质（64）和外电极（65），输出电极（63）将电能输出至储电单元进行存储。