CN107800204A

CN107800204A - 一种电力系统避雷器在线监测系统

Info

Publication number: CN107800204A
Application number: CN201711021971.4A
Authority: CN
Inventors: 刘群英; 高旭光; 孟劲松; 闫腾飞; 张涣; 张家枢
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明公开了一种电力系统避雷器在线监测系统，地面(低压侧)通过光功率发射模块将电能转换为光能，然后通过光纤传输到位于高处(高压侧)的功率转换模块，转换直流电压(电能)，从而实现了避雷器在线监测装置的供电。相比现有的供能方式，采用光纤传输能量，使得供电设备(地面的光功率发射模块)与用电设备(避雷器在线监测装置)完全电气隔离。同时，由于传输的激光(光能)不会受到电磁干扰的影响，在光纤中传输也不会受到外界因素的干扰。最后，采用地面供能的方式，这样长期安全并且可靠。

Description

一种电力系统避雷器在线监测系统

技术领域

本发明属于避雷技术领域，更为具体地讲，涉及一种电力系统避雷器在线监测系统。

背景技术

避雷器是保证电力系统安全运行的重要设备，其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统安全与否。在额定运行电压下，正常的避雷器相当于绝缘体，不会有任何的动作产生。但在雷击产生高电压的情况下，避雷器会产生作用，将大电流导入大地，有效地保护电力系统中的各类设备。如果避雷器故障或失效，一旦雷击过电压侵入，将造成无法估量的生命和财产损失。在能源互联网的发展趋势下，随着电网规模的扩大，研究避雷器运行状态的在线监测技术对于电力系统的安全运行具有愈发重要的实际意义。

目前电力系统避雷器在线监测技术主要的供能方式有线圈采集供能、高压电容分压器供能、蓄电池供能、太阳能供能以及超声波、微波供能等方式。

传统的线圈采集(CT取电)供能方式存在电流盲区，在高压输电线母线电流特别小的时候将无法提供足够的电能。而高压电容分压器供能与线圈采集供能原理相似，因此存在原理上的缺陷；此外，采用该方式还面临许多困难：首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，这要求更为严格的过电压防护和电磁兼容设计，其次就是这种方式有着更多的误差来源，温度、杂散电容等多种因素都将影响该方式的性能，因此获取电源的稳定性和可靠性较CT取电能差，再其次就是采用这种方式得到的功率有限，虽然可以通过改变电容C的大小来调整功率输出，但过大的电容将会带来更多的问题。蓄电池供能对高电位侧电子线路进行供电，虽然简单，不需要设计特殊电子电路，但是蓄电池寿命短，工作环境要求太高，比较容易损坏，不满足工业要求，一般作为辅助电源使用。太阳能供能的输出易受光强、外界环境温度、季节变化等因素的影响，不易获得稳定的电源输出。这是由于太阳能电池固有的缺陷决定的，另外就是太阳能电池的转换效率问题，这是得该方式提供的能量有限，从而限制了其应用。而超声波、微波等新型供能方式要求过高，主要问题在于设备造价和转化效率，所以这些新型功能方式还没能达到真正实用化的程度，仍然需要进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种电力系统避雷器在线监测系统，以实现高、低压间电的隔离，不受电磁干扰的影响，不受电网波动的影响以及可长期安全、可靠地供电。

为实现上述发明目的，本发明电力系统避雷器在线监测系统，包括：

一避雷器在线监测装置，用于避雷器在线监测；

其特征在于，还包括：

一激光供电装置，用于对避雷器在线监测装置进行供电；

所述激光供能装置包括位于地面(低压侧)的光功率发射模块以及位于高处(高压侧)的功率转换模块；

光功率发射模块将电能转换为激光(光能)，并将转换得到的激光通过光纤传输到光功率转换模块，光功率转换模块将接收的激光转换为直流电压，并通过一DC-DC(直流-直流)变换模块，将直流电压变换为避雷器在线监测装置所需的各种直流电压并输出给避雷器在线监测装置。

本发明的目的是这样实现的。

本发明电力系统避雷器在线监测系统，地面(低压侧)通过光功率发射模块将电能转换为光能，然后通过光纤传输到位于高处(高压侧)的功率转换模块，转换直流电压(电能)，从而实现了避雷器在线监测装置的供电。相比现有的供能方式，采用光纤传输能量，使得供电设备(地面的光功率发射模块)与用电设备(避雷器在线监测装置)完全电气隔离。同时，由于传输的激光(光能)不会受到电磁干扰的影响，在光纤中传输也不会受到外界因素的干扰。最后，采用地面供能的方式，这样长期安全并且可靠。

附图说明

图1是本发明电力系统避雷器在线监测系统一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示光功率发射模块的一种具体实施方式原理框图；

图3是图2所示恒流源模块的一种具体实施方式原理示意图；

图4是图2所示温控模块的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明电力系统避雷器在线监测系统一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明电力系统避雷器在线监测系统包括包括：避雷器在线监测装置1、激光供电装置2。其中，避雷器在线监测装置1用于避雷器在线监测，激光供电装置2用于对避雷器在线监测装置进行供电。

所述激光供能装置2包括位于地面(低压侧)的光功率发射模块201以及位于高处(高压侧)的功率转换模块202。其中，光功率发射模块201将电能转换为激光(光能)，并将转换得到的激光通过光纤203传输到光功率转换模块202，光功率转换模块202将接收的激光转换为直流电压，并通过一DC-DC(直流-直流)变换模块204，将直流电压变换为避雷器在线监测装置1所需的各种直流电压并输出给避雷器在线监测装置1。

相比现有的供能方式，采用光纤203传输能量，使得供电设备(地面的光功率发射模块201)与用电设备(避雷器在线监测装置1)完全电气隔离。同时，由于传输的激光(光能)不会受到电磁干扰的影响，在光纤203中传输也不会受到外界因素的干扰。最后，采用地面供能的方式，这样长期安全并且可靠。

在半导体的激光发射器的运行过程中，注入电流的大小和激光发射器温度间的关系是密切相关的。随着注入电流的增大，激光发射器的温度必然会升高，温度的升高又会反过来影响激光发射器的输出功率以及波长。因此，在本实施例中，如图2所示，光功率发射模块201包括恒流源模块2011、温控模块2012以及激光发射器2013、单片机控制模块2014、D/A转换模块2015、A/D转换模块模块2016，使得其具有电流控制、温度控制两部分的功能，使其同时工作，相互配合，共同完成激光发射器2013的控制工作。围绕恒流源模块、温度模块对光功率发射模块具体说明如下：

1、恒流源模块

在本实施例中，恒流源模块包括：MOS管、采样电阻R、运算放大器U2、电阻R1、电阻R2组成的放大电路、电阻R3、电容C以及运算放大器U1。

激光发生器2013采用激光二极管(LD)，为输出稳定的激光，必须严格控制流过激光二极管的驱动电流，同时，驱动电流必须是低噪声，0～2.5A连续可调，以适应不同规格激光二极管。本发明采用恒流源模块2011为激光发生器2013提供驱动电流，使其输出激光，该激光通过光纤203传输到光功率转换模块202。

在本实施例中，如图4所示，恒流源模块2011是以大功率N沟道的MOS管为核心器件，以激光二极管LD作为串联负载，即将激光二极管LD串联在电源Vcc与MOS管的漏极D之间，通过控制MOS管栅极电压来控制激光二极管LD的驱动电流。但MOS管是非线性器件，难以直接控制，因此，在本实施例中，将MOS管的控制转化为线性控制。在本实施例中，MOS管的源极S与地之间串联一个0.1Ω的反馈用采样电阻R，

将采样电阻R上的电压经电阻R3送入运算放大器U2的负端，运算放大器U2的正端通过电阻R1连接到地，同时通过电阻R2连接到运算放大器U2的输出端；运算放大器U2的输出端输入与运算放大器U1的负端，运算放大器U1的正端接D/A转换模块2015的恒流源电流控制电压Vset输出，运算放大器U1的输出端作为控制端与MOS管的栅极。

在本实施例中，由运算放大器U2、电阻R1、电阻R2组成的放大电路，其放大倍数为20倍，与0～5V输入控制电压匹配。这样MOS管的控制电压与电流0～2.5A之间建立起线性对应关系。以单片机控制模块2014为核心的控制器为恒流源模块2011提供控制电压，然后由D/A转换模块2015转换为恒流源模块电流控制电压Vset，输出给恒流源模块2011，以直接控制激光二极管LD的驱动电流即光功率。同时，A/D转换模块模块2016对恒流源模块2011的输出电流进行采样，并送回单片机控制模块2014中，实现对恒流源模块2011输出电流的实时监控。

结合图4，由运放的虚短虚断原理可知：

式(1)中V_SET与I的比例关系已知，采样电阻R的阻值固定，从而计算出R1和R2的阻值比，最终确定R1和R2的阻值，最后完成输出电流I和设定电压V_SET的线性化。但由于整个反馈是开环系统,十分容易产生自激，因此，在本实施例中，在运算放大器U2的负端与地之间连一个1μF的电容C，破坏自激产生条件，消除自激，以减小电压波动。

2、温控模块

由于温度对激光发生器2013的品质有很大影响，在电流恒定的情况下，温度每升高1℃，激光波长将增加大约0.1nm，而且温度过高将导致激光器老化甚至损坏。并且激光二极管是一个电灵敏度高、成本昂贵的器件，因此，光功率发射模块必须提供监控、限制和过载保护的能力，包括：自启动和过流保护、热电制冷器(thermoelectric cooler，TEC)电压、电流和温度的感测。

在本实施例中，采用半导体TEC来实现对激光发生器2013的温度控制，因为它可选择调整温度值处在工作温度范围的中间。半导体TEC可做为热泵或做为热源，这取决于电流方向。某些系统(如冰箱和大功率处理器冷却)只用TEC的冷却特性。另一些应用(如晶振和SAW滤波器)利用热流的两个模式，并且该控制器是真正双向的，使温度从冷端到热端之间没有死区。半导体致冷器的最显著特点就是不需要任何制冷剂，无滑动部件，因此半导体致冷器具有无震动、无噪声、体积小、重量轻寿命长使用可靠等特点。

半导体致冷器为低电压大电流工作元件，设计专门的负载驱动能力强的电路作为驱动电路时温度控制的关键。在本实施例中，采用Linear公司的专用温控芯片LTC1923进行温控系统的设计，该芯片集成了温控电路及各种保护功能，在实际应用中表现优异，是一个很好的选择方案。

在本实例中，温控模块包括半导体TEC以及温控芯片，其控制流程如图4所示。首先由单片机控制模块2014设置目标温度，并通过D/A转换模块2015转换为温度控制电压，并施加到由温控芯片LTC1923完成温度控制。

A/D转换模块模块2016对激光发射器2013的温度进行采样，并送回单片机控制模块2014中，实现对激光发射器2013的实时监控：当激光发射器2013的运行温度超出正常范围时，单片机控制模块2014调整目标温度，由通过D/A转换模块2015转换为温度控制电压，并施加到由温控芯片LTC1923，由温控芯片LTC1923驱动半导体TEC使得温度恢复正常值；在温控模块2012工作过程中出现其他意外情况时，单片机控制模块2014会自动关断TEC的驱动电源。

在本实施例中，避雷器在线监测装置1的信号采集部分由采集三相泄漏电流、三相雷击电压信号、一相参考相位组成。避雷器正常运行期间，由于恶劣的高压运行环境使得采集到的数据不是很理想，而使用激光供电使得高压跟低压完全隔离，产生的电源纹波小，能够持久稳定的供电，极大程度的减小的电磁、噪音等对目标信号的干扰。

在激光供电装置2中，恒流源模以单片机为核心控制器，使用MOSFET实现电压到电流的转换，利用负反馈技术对输出电流进行稳流控制；以数模转换芯片(DAC)输出参考电压控制电压-电流转换模块的输出电流大小，通过模数转换芯片(ADC)从采样电阻上实时获得输出电压的大小，进而反馈给单片机反过来控制DAC的输出，以达到恒流的目的。电路设计中，利用深度负反馈原理来提高系统的稳定度；同时在单片机内部采用PID自动控制算法，以减少恒流源模块电流输出的动态平衡时间。此外，为了保证激光器的运行安全，系统提供了包括上电保护、延时软启动、过流保护等一系列保护软硬件措施。

由于半导体激光器是一种较昂贵、脆弱的器件，为了避免TEC过载或系统温度超过正常工作区域，LTC1923提供了许多保护及监测功能，包括逐个脉冲电流限制、TEC电压钳位、热敏电阻开/短路检测等。LTC1923采用恒定频率、电压模式结构对激光器进行温度控制，它通过外部的H桥电路对激光器的内置TEC进行驱动，此H桥电路由四个MOSFET组成，便于向TEC或其它热元件提供双向的驱动电流。本发明选用SI9801进行代替，每个SI9801内部都同时包含N、P型MOSFET各一个。LTC1923通过调控这四个MOSFET上电的相对占空比来控制通过TEC的电流方向，进而控制系统的温度，并能根据电流流动的方向，判断系统是在加热还是制冷。应用中，温控系统使用热敏电阻来监测系统的温度，并围绕此传感元件和TEC进行系统的闭环控制。

最后将收集到的信号进行处理并传送给上位机。采集避雷器三相泄漏电流、参考电压相位传送到信号调理电路，经过调理电路处理的数字信号送到高速FPGA模块，同时基于信号处理的要求，将处理后的四路并行电流信号送到MCU模块，并将得到的避雷器全电流、泄露电流的测量结果存储于铁电存储器，一旦软件系统(上位机)发出信号传输指令，全电流和泄漏电流将通过RS232串口发送给ZigBee模块，通过智能装置以IEC61850标准协议向站控层服务器发送数据。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种电力系统避雷器在线监测系统，包括：

一避雷器在线监测装置，用于避雷器在线监测；

其特征在于，还包括：

一激光供电装置，用于对避雷器在线监测装置进行供电；

2.根据权利要求1所述在线监测系统，其特征在于，所述光功率发射模块包括：恒流源模块、温控模块以及激光发射器、单片机控制模块、D/A转换模块、A/D转换模块；

单片机控制模块提供控制电压，然后由D/A转换模块转换为恒流源模块电流控制电压Vset，输出给恒流源模块，以直接控制激光二极管LD的驱动电流即光功率；同时，A/D转换模块模块对恒流源模块的输出电流进行采样，并送回单片机控制模块中，实现对恒流源模块输出电流的实时监控；

温控模块包括半导体TEC以及温控芯片，首先由单片机控制模块设置目标温度，并通过D/A转换模块转换为温度控制电压，并施加到由温控芯片LTC1923完成温度控制；A/D转换模块模块对激光发射器的温度进行采样，并送回单片机控制模块中，实现对激光发射器的实时监控：当激光发射器的运行温度超出正常范围时，单片机控制模块调整目标温度，由通过D/A转换模块转换为温度控制电压，并施加到由温控芯片，由温控芯片驱动半导体TEC使得温度恢复正常值；在温控模块工作过程中出现其他意外情况时，单片机控制模块会自动关断TEC的驱动电源。

3.根据权利要求1所述在线监测系统，其特征在于，所述恒流源模块包括：MOS管、采样电阻R、运算放大器U2、电阻R1、电阻R2组成的放大电路、电阻R3、电容C以及运算放大器U1；

所述MOS管为大功率N沟道的MOS管，以激光二极管LD作为串联负载，即将激光二极管LD串联在电源Vcc与MOS管的漏极D之间，通过控制MOS管栅极电压来控制激光二极管LD的驱动电流；MOS管的源极S与地之间串联一个0.1Ω的反馈用采样电阻R，

将采样电阻R上的电压经电阻R3送入运算放大器U2的负端，运算放大器U2的正端通过电阻R1连接到地，同时通过电阻R2连接到运算放大器U2的输出端；运算放大器U2的输出端输入与运算放大器U1的负端，运算放大器U1的正端接D/A转换模块的恒流源电流控制电压Vset输出，运算放大器U1的输出端作为控制端与MOS管的栅极。

由运算放大器U2、电阻R1、电阻R2组成的放大电路，其放大倍数为20倍，与0～5V输入控制电压匹配，这样MOS管的控制电压与电流0～2.5A之间建立起线性对应关系；

以单片机控制模块为核心的控制器为恒流源模块提供控制电压，然后由D/A转换模块转换为恒流源模块电流控制电压Vset，输出给恒流源模块，以直接控制激光二极管LD的驱动电流即光功率；同时，A/D转换模块模块对恒流源模块的输出电流进行采样，并送回单片机控制模块中，实现对恒流源模块2011输出电流的实时监控。

4.根据权利要求3所述在线监测系统，其特征在于，所述运算放大器U2的负端与地之间连一个1μF的电容C。