CN108254021A - 一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网技术领域，具体地说，是一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，每复数个监测装置中设置一个监测主站，监测装置将所监测到的单一线路上的各种数据通过GPRS模块传输至监测主站，监测主站将数据汇总后将每种数据的最大值和平均值通过数传电台传输至后台上位机，监测主站和监测装置，由单片机控制系统、供电模块、数据传输模块、导线数据监测传感器模块、环境气象监测传感器模块组成。

Description

一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体地说，是一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置。

背景技术

近年来，我国国民经济快速增长带动了用电负荷急剧增加，为解决日益严峻的供电问题，提高电网的供电能力和经济效益，迫切需要增加输电线路的输送容量。早期的输电线路增容一般通过建设新的输电线路或对原有线路进行改建实现，投资巨大，建设周期长，运行维护成本高。

动态增容技术是一种提高现有输电线路容量的有效方法，相比于传统方法，该方法利用动态增容在线监测系统实时监测线路物理特性和环境参数，通过优化计算、预测和实时跟踪，在现行线路结构和线路运行安全标准不变的前提下，充分挖掘线路的输送潜力，以导线的实际运行状况为依据适时提高输送容量，确保输电线路安全运行，规避增容带来的风险，对满足社会经济快速增长有着积极的作用。

但目前所设计的装置多局限于某一条输电线路而言，所监测的数据与其它同属一个网络的线路没有联系，故仅能计算单一线路上的相关容量裕量，但单一线路上的计算结果可能与同一电网上的综合裕量有较大差异，往往不能给后台工作人员提供准确的电网容量裕量数据，从而无法准确做出是否可以增容的判断。

物联网(Internet ofThings，简称IoT)是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段，其本质就是物物相连的互联网，具有全面感知、可靠传输和智能处理的特点，目前已被逐渐应用于电力系统中。将这一技术引入输电线路动态增容在线监测装置中，使得单一线路上的监测装置联系起来，形成一个有共性的监测整体系统，显然可以在对全网进行动态增容监测时减少大量成本，避免资源浪费，具有良好的工程应用前景，且可对全网线路进行相似性分析及差别性分析，更具理论研究意义及工程实用价值。

专利号为“200920086765.6”，名称为“输电线路覆冰预警及动态增容系统的在线监测装置”的中国发明专利，专利号为“201110333026.4”，名称为“输电线路动态增容在线监测装置”的中国发明专利，公开了一种输电线路动态增容在线监测装置。但该装置的供电系统没有设置泄放保护，一旦高压线路过负荷运行，取电模块易被烧毁；且这些装置均局限于某一条输电线路而言，所监测的数据与其它同属一个网络的线路没有联系，故仅能计算单一线路上的相关容量裕量，但单一线路上的计算结果可能与同一电网上的综合裕量有较大差异，往往不能给后台工作人员提供准确的电网容量裕量数据，从而无法准确做出是否可以增容的判断。

发明内容

为解决日益严峻的供电问题，提高电网的供电能力和经济效益，迫切需要一种在线监测装置监测输电线路上的综合数据以达到动态增加输电线路的输送容量的目的。针对单一线路上的动态增容监测装置“不能考虑同一电网综合情况，无法正确判断是否可以增容”的缺陷，设计了一种基于物联网的输电线路动态增容监测系统构架。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，每复数个监测装置中设置一个监测主站，监测装置将所监测到的单一线路上的各种数据通过GPRS模块传输至监测主站，监测主站将数据汇总后将每种数据的最大值和平均值通过数传电台传输至后台上位机，，监测主站和监测装置，由单片机控制系统、供电模块、数据传输模块、导线数据监测传感器模块、环境气象监测传感器模块组成。

本发明的进一步改进，导线数据监测传感器模块包含电流互感器、导线温度传感器，环境气象监测传感器模块包含环境温度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器组成；监测装置的数据传输模块由GPRS模块和GPS模块构成；监测主站的数据传输模块由GPRS模块、GPS模块和数传电台构成。

本发明的进一步改进，单片机控制模块以STM8单片机为例，GPRS模块、数传电台与STM8单片机的UART管脚连接；供电模块与STM8单片机的电源管脚连接。

本发明的进一步改进，传感器模块包括环境温湿度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器；环境温湿度传感器与STM8单片机的SPI管脚相连接；风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器与STM8单片机的AD管脚相连接。

本发明的进一步改进，供电模块为一种可充电式高压感应取电电源，由取电模块、电能调理模块、智能保护模块和锂电池充电管理电路组成。

本发明的进一步改进，取电模块包含一次母线、电流互感器磁芯、二次线圈、取样电阻、单刀双掷继电器，电能调理模块包含整流电路、尖端泄放电路、纹波滤除电容、稳压电路；智能保护电路包含单片机、射频RF模块和超级电容；锂电池充电管理电路包含锂电池充电管理芯片及其外围电路和单节可充电锂电池。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明解决了“由于仅传输单一线路上的各种监测数据，与其它同属一个网络的线路没有联系，故仅能计算单一线路上的相关容量裕量，但单一线路上的计算结果可能与同一电网上的综合裕量有较大差异，往往不能给后台工作人员提供准确的电网容量裕量数据，从而无法准确做出是否可以增容的判断”的缺陷。通过物联网技术的特点，将数据汇总后将每种数据的最大值和平均值通过数传电台传输至后台上位机，使得所计算结果更加与实际相符，所做出的判断更加准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中监测主站和监测装置的结构示意图。

图3是本发明中电源模块结构图。

图4是本发明中取电模块电路图。

图5是本发明中电能调理模块电路图。

图6是RF射频模块电路图。

图7是锂电池充电管理电路图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，基于物联网的监测装置系统在工作时，每复数个监测装置中设置一个监测主站，由于传输距离较短，监测装置将所监测到的单一线路上的各种数据通过GPRS模块传输至监测主站，已达到“物物相连”的目的，监测主站将数据汇总后将每种数据的最大值和平均值通过数传电台传输至后台上位机，工作时每个监测装置和监测主站通过GPS模块进行对时，保证计算各种数据在同一时间，后台上位机上的专家软件再将同一电网中所有数据进行汇总，根据摩尔根公示计算出容量裕量的最小值提供给工作人员参考，使其做出更为准确的判断。

如图2所示，即为所述监测主站和监测装置的结构示意图，所述监测主站和监测装置，由单片机控制系统、供电模块、数据传输模块、导线数据监测传感器模块、环境气象监测传感器模块组成。

所述导线数据监测传感器模块包含电流互感器、导线温度传感器；所述环境气象监测传感器模块包含环境温度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器组成；所述监测装置的数据传输模块由GPRS模块和GPS模块构成；所述监测主站的数据传输模块由GPRS模块、GPS模块和数传电台构成。

所述单片机控制模块以STM8单片机为例，所述GPRS模块、数传电台与STM8单片机的UART管脚连接；所述供电模块与STM8单片机的电源管脚连接。

所述传感器模块包括环境温湿度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器；环境温湿度传感器与STM8单片机的SPI管脚相连接；风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器与STM8单片机的AD管脚相连接。

所述供电模块为一种可充电式高压感应取电电源，由取电模块、电能调理模块、智能保护模块和锂电池充电管理电路组成。

如图3，所述取电模块包含一次母线、电流互感器磁芯、二次线圈、取样电阻、单刀双掷继电器；所述电能调理模块包含整流电路、尖端泄放电路、纹波滤除电容、稳压电路；所述智能保护电路包含单片机、射频(RF)模块和超级电容；所述锂电池充电管理电路包含锂电池充电管理芯片及其外围电路和单节可充电锂电池。

电源模块正常工作时，电流互感器磁芯、二次线圈和取样电阻根据电磁感应理论将一次母线中的电能取出。感应的电能经整流电路、尖端泄放电路、纹波滤除电路和稳压电路调理后，与锂电池充电管理电路连接，进行锂电池的充电管理，最后得到所期望的安全稳定不间断的电能。智能保护电路中的单片机可监测尖端泄放电路的工作温度，并预设温度超标阈值、恢复阈值和超标时长。工作温度超标后，单片机控制模块通过控制单刀双掷继电器断开供电电路，直到尖端泄放电路的工作温度进入恢复阈值后，单刀双掷继电器重新接入供电电路。供电回路断开后，单片机控制模块由内部超级电容供电。当在预设超标时长内，尖端泄放电路的工作温度不能进入恢复阈值时，射频模块启动，下发电源装置故障命令。射频模块由单片机控制，将电源工作状态发送至后台主机，以便实时监控；超级电容与单片机并联，用以在主供电回路断开时向单片机供电。锂电池充电管理芯片实现对锂电池的充放电管理，当经稳压电路调理后的电压足够时，同时给负载供电及给锂电池充电；当经稳压电路调理后的电压仅够给负载提供电能时，优先给负载供电，停止对锂电池充电；当经稳压电路调理后的电压不够给负载供电时，锂电池放电给负载供电；从而使负载可以得到安全稳定不间断的电能。

如图4，为保证一次母线电流在50A时，电源装置可以启动，选择50Hz硅钢片作为电流互感器磁芯材料，叠片系数为10，磁路半径9mm。二次线圈由0.21mm漆包线绕制，一共绕制180匝。取样电阻并联在二次线圈的输出端，用于将感应交变电动势设定在一个合适的电压点。当单刀双掷继电器闭合时，取电模块便将感应电能送与后方器件。

如图5，所述整流电路为桥式整流电路和瞬态抑制二极管D3，该桥式整流电路的两个输入端分别接入取电模块的二次线圈的两端，且桥式整流电路的两个输出端中的一端接地，另一端连接至稳压电路中稳压芯片的输入端，一瞬态抑制二极管D3的一端连接至稳压芯片的输入端，另一端接地，该瞬态抑制二极管D3的作用在于保护电源模块不受浪涌冲击；

所述尖端泄放电路包含的稳压二极管D2负极与稳压芯片的输入端相连，稳压二极管D2的正极经分压电阻R4接地，且稳压二极管D2的正极经限流电阻接入场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的漏极经泄放电阻R2接入稳压二极管D2的负极，场效应管Q1的源级接地；当回路中的脉动直流尖峰高于稳压二极管D2的稳压值和分压电阻R4(5.1KΩ,0.5w)的压降总和时，稳压二极管D2将导通；随后，场效应管Q1作为电源的过压保护进入导通状态，脉动直流的尖峰能量转移至泄放电阻R2(50Ω,10w)上对地释放，从而对后续回路起到了保护作用；

所述纹波滤除电路包含有滤波电容C1，该滤波电容C1负极接地，滤波电容C1的正极与桥式整流电路的输出端相连；滤波电容C1(1000μF)可将电压纹波滤除，得到平稳直流电压；

所述稳压电路的稳压芯片的输出端与稳压管D4的负极相连，稳压管D4的正极接地，所述稳压芯片的输出端经电感L1连接至对外输出端，且该对外输出端经一电容C2接地；上述电感L1和电容C2构成输出端的滤波回路；

所述稳压芯片的型号为LM2575，上述对外输出端连接至稳压芯片的第四脚输入反馈信号，从而形成反馈回路提高稳压能力；

所述智能保护模块包含有单片机、单刀双掷继电器、无线模块和温度传感器，所述单刀双掷继电器串接于二次线圈与整流电路之间的连接导线上，所述单刀双掷继电器的控制端口与单片机相连，所述单片机与无线模块和温度传感器相通讯连接，所述温度传感器安装于尖端泄放电路的电路板上；当单刀双掷继电器闭合时，取电模块便将感应电能送与后方器件；当温度传感器检测到温度超标时，单片机通过PGO管脚将单刀双掷继电器(JQC-3F)掷于使电路断开的档位，直到温度恢复正常后，才将单刀双掷继电器重新接入；超级电容在主供电回路断开时向单片机供电；超级电容的容量需保证单片机在主电路断电后的5分钟内能进行尖端泄放电路的温度检测，并在温度进入恢复阈值时，控制单刀双掷继电器重新接入供电回路，为节省超级电容存储电量，所述单片机处于活跃停机模式，仅在测量温度时才启动。在电容供电起第5分钟后，若尖端泄放电路温度仍不能下降到恢复阈值，所述射频模块由睡眠模式进入发射模式，可利用ZigBee协议上传电源模块故障数据至后台主机，以便实时监控；在射频模块中，射频芯片可选取SI4432；RF射频模块具体电路图见图6；

所述单片机通过稳压电路的对外输出端取电，且单片机上连接有一超级电容，用于短时供电，且单刀双掷继电器的型号为JQC-3F；

见图7，所述锂电池充电管理电路中选用RT9525作为锂电池充放电控制芯片，监测装置与RT9525充电管理芯片的系统连接管脚(SYS)相连，单节锂电池与RT9525充电管理芯片的电源管脚(BAT)相连，指示灯LED1与锂电池充电管理芯片的电源状态监测管脚(PGOOD)连接，指示灯LED2与所述锂电池充电管理芯片的充电状态监测管脚(CHG)连接。充电电流设置管脚(ISETA)决定充电电流值，充电故障计时管脚(TIMER)用来进行充电故障的计时，C4(10μF/16V)为计时时长控制电容，电源状态监测管脚(PGOOD)控制指示灯LED1指示输入电源是否正常，充电状态监测管脚(CHG)控制指示灯LED2指示充电是否完毕，限制充电电流的配置管脚(EN1、EN2)及其外围电路可限制充电电流的最大值。

整个电路运行过程中，RT9525充电管理芯片及其外围电路实现对所述单节锂电池的充放电管理，当芯片检测到输入管脚(VIN)的电压足够时，同时给监测装置供电及给锂电池充电；当芯片检测到VIN管脚的电压仅够给电力设备提供电能时，优先给监测装置供电，停止对锂电池充电；当芯片检测到VIN管脚的电压不够给电力设备供电时，RT9525充电管理芯片控制锂电池放电给监测装置供电；整个运行过程使电力设备可以得到安全稳定不间断的电能。

工作时，所述监测装置通过所述GPRS模块，将所监测到的数据传输至监测主站；所述监测主站通过所述GPRS模块接收监测装置所传输数据，通过所述数传电台将汇总好的数据传输至后台上位机。

所述的后台监控上位机上可以安装专家分析软件；最好带有以下功能：显示、存储监测数据，并能利用摩尔根公式进行计算分析，给出合理增容建议。

整个系统运行时，通过所述GPS模块进行对时，保证上传数据的同步性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，每复数个监测装置中设置一个监测主站，监测装置将所监测到的单一线路上的各种数据通过GPRS模块传输至监测主站，监测主站将数据汇总后将每种数据的最大值和平均值通过数传电台传输至后台上位机，，所述监测主站和监测装置，由单片机控制系统、供电模块、数据传输模块、导线数据监测传感器模块、环境气象监测传感器模块组成。

2.根据权利要求1所述的物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，所述导线数据监测传感器模块包含电流互感器、导线温度传感器，所述环境气象监测传感器模块包含环境温度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器组成；所述监测装置的数据传输模块由GPRS模块和GPS模块构成；所述监测主站的数据传输模块由GPRS模块、GPS模块和数传电台构成。

3.根据权利要求2所述的物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，所述单片机控制模块以STM8单片机为例，所述GPRS模块、数传电台与STM8单片机的UART管脚连接；所述供电模块与STM8单片机的电源管脚连接。

4.根据权利要求3所述的物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，所述传感器模块包括环境温湿度传感器、风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器；环境温湿度传感器与STM8单片机的SPI管脚相连接；风速风向传感器、日照辐射传感器和雨量传感器与STM8单片机的AD管脚相连接。

5.根据权利要求4所述的物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，所述供电模块为一种可充电式高压感应取电电源，由取电模块、电能调理模块、智能保护模块和锂电池充电管理电路组成。

6.根据权利要求5所述的物联网架构下的输电线路动态增容监测装置，其特征在于，所述取电模块包含一次母线、电流互感器磁芯、二次线圈、取样电阻、单刀双掷继电器，所述电能调理模块包含整流电路、尖端泄放电路、纹波滤除电容、稳压电路；所述智能保护电路包含单片机、射频RF模块和超级电容；所述锂电池充电管理电路包含锂电池充电管理芯片及其外围电路和单节可充电锂电池。