CN109782131A

CN109782131A - 一种近地式自供电架空输电线故障检测装置

Info

Publication number: CN109782131A
Application number: CN201910077735.7A
Authority: CN
Inventors: 曹迪; 谢敏杰; 贾景润; 雷艳静; 李伟
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-21

Abstract

一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，包括远场低频磁场能采集系统、故障检测系统、无线通信系统及中心控制系统，远场低频磁场能采集装置能够在架空线下近地距离采集电磁场能量，并且通过故障检测系统测量磁通密度变化作为输电线故障判断的主要依据；进一步的主处理单元将故障类型，故障点位置及时间信息通过无线收发模块发送到终端服务器。本发明能够在离架空线一定距离外对架空输电线路发生的故障进行实时诊断，并将故障类别、位置及时间信息传回终端。本发明具备基于远场低频磁场能采集的自供电功能；自适应功率管理；架空输电线故障定位及识别；远程无线通信功能。

Description

一种近地式自供电架空输电线故障检测装置

技术领域

本发明涉及电力设备领域，具体而言，涉及一种近地式低频电磁能采集自供电架空输电线故障检测及定位装置。

背景技术

输电线路是电力系统的重要组成部分，架空输电线的状态直接关系到整个电网系统安全稳定的运行。由于架空输电线长期暴露在复杂的自然环境之中，容易受到外力、大风、大雪、雷击等恶劣天气的影响，尤其是中高压输电线更有着分布最广，总路线最长，线路网络复杂等特点，因此对于中高压的输电线的故障检测定位需要花费巨大的人力以及时间成本，所带来的经济损失也是巨大的，因此输电线的状态监测对于输电线路的有效检控、管理和维护具有很重要的意义。

随着计算机、通信和传感器技术的快速发展，国内外的科研机构已经在输电线的故障检测定位技术的方面进行了大量的研究和实践，例如：输电线故障指示器，变电站行波测距仪等，但还存在部分架空输电线因分布广，线路长，支路多等难点未能实现信息化的管理。并且由于架空输电线环境复杂多变，对监控设备的稳定性要求较高，尤其是长期运行过程中设备供电的问题是目前高压架空线检测设备亟需解决的问题之一。

发明内容

为了克服现有技术的施工麻烦、维护成本较高、难以实现信息化的不足，本发明提供一种能够长期通过自供电方式运行、及时准确地检测输电线故障并上传故障点数据的装置，该故障检测装置无需与架空线接触，可以放置在架空线正下方近地面的位置，施工简单便捷且安全性高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，包括：

远场低频磁场能采集系统，用于远场低频磁场能的采集与管理；

故障检测系统，用于对架空线可能发生的短路或接地故障进行检测；

无线通信系统，用于故障数据及位置信息的收发；

中心控制系统，用于故障数据信息的处理、封装及对各个子系统间控制调度。

进一步，所述的远场低频磁场能采集系统包括磁电转换电路及能源管理电路，所述所述磁电转换电路，用于采集远场低频电磁场能量，并转化采集能量使之能够被存储或直接利用；所述能源管理电路，用于采集器输出功率的匹配以及对能量使用或存储的调度。

优选地，所述的磁电转换电路包括：磁电感应模块用于采集远场低频电磁场能量；过压保护模块，用于防止大电压浪涌冲击导致后级电路烧毁；整流滤波模块，用于实现采集能量的AC-DC的转换；阻抗匹配电路，用于实现阻抗匹配保证功率的最大输出。

所述的能源管理电路包括能源管理模块及混合储能模块；

所述能源管理模块，用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及充电功率控制，由最大功率点跟踪模块(MPPT)、电能输出接口、充电器DC-DC升压模块组成；

所述混合储能模块，用于应对充放电功率的变化，以提高能量利用率和延长存储介质的使用寿命，其中包括储能控制电路以及超级电容、锂电池两种储能介质，其中储能控制电路，用于超级电容和锂电池的充放电优先级的调整，以及能量交互流动过程中保证电流的单一流向。

再进一步，所述的故障检测系统包括磁电感应模块及梯级比较宽电压ADC前置电路；

所述磁电感应模块，用于进行磁电转化，并使其输出电压跟随磁场的变化而变化；

所述梯级比较宽电压ADC前置电路，用于对磁电感应模块不同等级的输出电压进行分类处理，保证输出电压较高的测量精度及较大的检测范围。

所述的无线通信系统包括：GPS模块，用于故障位置的定位以及获取标准同步时间；无线收发通信模块，用于将主处理单元封装完成的数据包传输到网关节点，使得数据能够进一步深度挖掘处理。

更进一步，所述的中心控制系统包含：主处理单元，用于磁场变化感知数据处理，远场低频磁场能采集系统、故障检测系统和无线通信系统的工作调度；时钟电路，用于提供故障时间信息，并通过GPS模块进行全球时间同步校正。

优选地，主处理单元是一个超低功耗单片机。

本发明提供了一种用于检测电力线路的电流信号变化，安装在架空线下近地位置的故障检测终端；同时通过采集远场低频电磁场能源进行自供电的能源采集装置；并且利用GPS接收位置信息与时钟同步信息对故障范围进行定位的终端。

本发明的有益效果：

1、本发明基于电磁转化原理，在距离输电线一定距离范围能进行电磁能的采集，以达到自供电的效果。

2、本发明基于输电线路周围磁感应强度与输电线路电流成正比的原理，通过检测输电线路周围的磁感应强度，能够在距离输电线路一定距离位置间接检测输电线路中的电流，并进行电磁能的采集。

3、本发明将能源采集装置复用为信号检测装置，使得结构更加简单，成本更低，稳定性更高。

4、本发明的磁场强度检测装置适用范围广，采取近地面处安装可以适用于多种架空输电线的环境。

5、本发明结合了GPS定位和无线收发模块，可以将数据上传到服务器，以进一步对数据进行统计分析。

附图说明

图1为近地式自供电架空输电线故障检测系统结构示意图；

图2为近地式自供电架空输电线故障检测装置安装环境条件示意图；

图3为架空输电线下磁场分布情况图；

图4为磁电感应模块的结构示意图；

图5为近地式自供电架空输电线故障检测模块示意图；

图6为梯级比较宽电压ADC前置电路。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

参照图1～图6，一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，包括远场低频磁场能采集系统1、故障检测系统2、无线通信系统3和中心控制系统4；

其中，远场低频磁场能采集系统1由磁电感应模块11、过压保护模块12、整流滤波模块13、能源管理模块14和混合储存模块15组成。故障检测系统2由磁电感应模块11、过压保护模块12、整流滤波模块13、梯级比较宽电压ADC前置电路21组成。无线通信系统3由无线收发模块31、GPS模块32组成。中心控制系统4由主处理单元41以及时钟电路42组成。

如图2所示，该装置应用环境在架空输电线正下方2-10米的位置。环境中的具体位置的磁场强度B_ex由三相交流输电线所产生的磁场相互叠加组成。可根据毕奥-萨伐尔定律计算具体位置磁场强度B_ex如下：

其中I为架空输电线的电流大小，μ_K为空气中的相对磁导率，L为磁电感应模块距离架空线的距离。其中L和μ_K为固定常量。

其中B_ex为三相输电线A相、B相、C相的矢量叠加，可将每一相输电线所产生的磁场分为图中所示的X轴分量与Y轴分量，将三相的X轴分量叠加，三相的Y轴分量叠加后使用毕达哥拉斯定理就可以得到具体的磁感应强度矢量B_ex。

如图3所示，模拟所得到的700A三相交流电架空输电线下方磁场分布情况，其中架空线高12米，以铁塔中心为Y轴，以地面为X轴所表示的一个竖直平面中的磁感应强度分布情况，其在X轴方向的分布为X轴原点处最大向两边迅速衰减，其在Y轴方向的分布为越接近输电线强度越大，随着距离增大迅速衰减。从磁场强度变化图可以得到优选的以铁塔正下方作为设备安装位置。

优选地，磁电感应模块11的结构如图4所示，由导磁材料制成的特定形状的磁芯111优选的使用锰锌铁氧体材料和磁芯外紧密贴绕的漆包线112组成。其中锰锌铁氧体磁芯以用于增大对应线圈内部磁通量的密度，其中该磁芯的形状是一个由两个梯形和一个矩形组成的领结型并以图中所示中线做旋转而成的旋转体。线圈以特定的旋绕方向紧密围绕在磁芯表面。磁电感应模块11的体积大小以及线圈的匝数会直接影响输出的电压大小以及输出功率。

以上模块的具体连接方式如图5所示，磁电感应模块11放置在架空输电线的正下方，优选的使用锰锌铁氧体导磁和电磁线圈的组合方式，感应输出一个50-60Hz的低压交流信号，其感应电压为V_coil可根据法拉第定律可以得出，计算公式如下：

V_coil＝B_exNωAμ_eff

其中V_coil是磁电感应模块输出端有效电压，ω是角频率，两者均可由单片机ADC测得数据，B_ex是环境中的具体位置的磁场强度。N和A是磁电感应模块的匝数以及横截面积，μ_eff是由磁电感应模块11的形状、体积所决定，是一个恒定值。

进一步的通过过压保护模块12后由整流滤波模块13进行AC-DC整流。其中过压保护电路可以优选的使用大功率电阻放电泄能的能量泄放电路。

进一步的整流滤波模块13以全波整流桥与若干个滤波电容组成，将感应信号整流为直流信号，并经过能源管理模块14选择性的存储到超级电容16和锂电池17中。

其中能源管理模块14用于判断整流桥输出能量如何存储到混合储能模块15中，进一步的能源管理模块14选择将能源存入超级电容16还是存入锂电池17中，其判断标准是直流输出的电压值。其中判断电压的阈值根据磁电感应模块11的匝数和大小确定，当整流滤波模块13的输出电压小于阈值的时候判断为是能量采集不充分的情况，这时候将能量直接存入超级电容16使用，当整流滤波模块13的输出电压大于阈值的时候，判断为能量采集充足，这时候将多余的能量存入锂电池17备用。

进一步地，磁电感应模块11经过压保护模块12与梯级比较宽电压ADC前置电路21直接相连，通过梯级比较宽电压ADC前置电路21将感应电压分为多个电压等级，并按照对应等级分别以若干倍数衰减后再与主处理单元41的A/D功能的IO口相连，优选的使用低功耗MSP430单片机，通过MSP430进行ADC转化得到有效电压值以及输电线的交流频率。

如图6所示所述的梯级比较宽电压ADC前置电路21，首先经过过压保护模块12将感应电压V_coil限制在V_safe以内，其中V_safe的值由二极管N1的反向击穿电压所决定，进一步的由三级比较器反向输入端分压电阻将感应电压V_coil等分为4个级别的分级电压V_input，其中R1、R2、R3、R4为分压电阻，根据其具体使用需求选取相应阻值用于4级分压。

当感应电压在第一级别时，三个比较器全部输出低电平，此时Q1、Q2、Q3三个NMOS全部处于截止态，Q3_0、Q2_0、Q1_0三个PMOS管全部处于导通状态，此时感应电压经过由R9、R10组成的等比例衰减电路后输出到主处理单元41，其中以3.3V供电的MSP430单片机为例：

构成与输出电压级别对应比例衰减电路，其中衰减原则为等比例衰减后不超出ADC基准电压并趋近于ADC基准电压为准。若感应电压升至第二级别，比较器D1输出高电平，比较器D2、D3输出低电平，使得Q1导通，Q2、Q3截止，同时下级阻断PMOS管Q3_1、Q2_1导通，Q1_0截止，此时感应电压经过由R11、R12组成的等比例衰减电路后输出到单片机，其中衰减原则始终依据等比例衰减后不超出ADC基准电压并趋近于ADC基准电压为准。以此类推四个级别电压的输出由对应的MOS管进行控制，当感应电压达到某个等级时，对应的比较器输出高电平，使其对应级别电压得到输出，同时通过PMOS对低于该级别电压的输出进行阻断。其次单片机需要4个ADC采集引脚，将引脚所采集的ADC电压值乘以对应电压输出级别的衰减倍数即可得到实际的感应电压值。通过梯级比较宽电压ADC前置电路21使得故障检测系统可以提高对小电流状态采集的精度，并增大采集电压范围。

进一步的梯级比较宽电压ADC前置电路21所用的运放的带宽范围应该是在低频带宽范围，为了防止高频杂波，优选的可以在梯级比较宽电压ADC前置电路21之间加入低通滤波器。

进一步的主处理单元41对梯级比较宽电压ADC前置电路21的输出进行ADC转化，其中以MSP430为例，其具备12位ADC，其精度足够达到对梯级比较宽电压ADC前置电路输出的采集，并且MSP430的ADC采样率也远大于100Hz，足够对50-60Hz的低频信号进行频率的采集。

进一步的，根据架空输电线电流的变化趋势以及与额定电流大小的阈值进行比较，可以进一步判断输电线的状态。

所述输电线的电流状态可根据毕奥-萨伐尔定律以及法拉第定律，计算输电线电流值如下：

进一步的计算所得的架空线输电电流I与GPS模块32的定位信息，以及GPS模块32所返回时间校准信息在主处理单元41中进行综合计算。

进一步的主处理单元41将采集到的电流I的变化趋势即电流I对时间的微分值以及电流I的大小进行联合判断，从而得出是何种故障，以6-35KV单相高压输电线的额定工作电流举例，当电流值大于10A时判别为接地漏电故障，当电流值大于200A时判别为短路故障，当检测不到电流时判别为断路故障。

进一步的，加入电流I的微分量后，可以根据微分值的大小联合判断，以细分故障类型。例如微分值大即有剧烈的突变，但未超过漏电阈值，则可能为非击穿接地性异常漏电；例如微分值小，但超过设定阈值，可能为架空输电线老化引起的阻抗变化，其过程是缓慢的，需要更新输电线或者是阈值的重新设定等。

进一步主处理单元41将输电线状态或者故障类型的计算结果，以及位置、时间、电流等原始数据打包封装后上传给服务器，以完成数据采集与故障检测的所有步骤。进一步的在服务器端可以根据GPS模块32所返回的地点、时间信息，将时间信息与电流信息结合，通过判别电流突变值变化的先后顺序从而将故障点精确定位到某一个范围区间之内。

采用本发明的近地式自供电架空输电线故障检测装置，可以实现不接触检测线路即可测得电流值，并且该装置能够通过采集输电线周围的低频电磁信号进行长时间自供电，并且适用于各类工频交流电传输环境，因此适用范围广，同时由于能源采集装置兼顾信号采集功能，因此成本更低，性能更稳定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述装置包括：

故障检测系统用于对架空线可能发生的短路或接地故障进行检测；

无线通信系统，用于故障数据及位置信息的收发；

2.根据权利要求1所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的远场低频磁场能采集系统包括磁电转换电路和能源管理电路：所述磁电转换电路用于采集远场低频电磁场能量，并转化采集能量使之能够被存储或直接利用；所述能源管理电路，用于采集器输出功率的匹配以及对能量使用或存储的调度。

3.根据权利要求2所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的磁电转换电路包括：

磁电感应模块，用于采集远场低频电磁场能量；

过压保护模块，用于防止大电压浪涌冲击导致后级电路烧毁；

整流滤波模块，用于实现采集能量的AC-DC的转换；

阻抗匹配电路，用于实现阻抗匹配保证功率的最大输出。

4.根据权利要求2所述的远场低频磁场能采集系统，其特征在于，所述的能源管理电路包含：

能源管理模块，用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及充电功率控制，由最大功率点跟踪模块、电能输出接口、充电器DC-DC升压模块组成；

混合储能模块，用于应对充放电功率的变化，包括储能控制电路以及超级电容、锂电池两种储能介质，其中储能控制电路用于超级电容和锂电池的充放电优先级的调整，以及能量交互流动过程中保证电流的单一流向。

5.根据权利要求1～4之一所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的故障检测系统包括：

磁电感应模块，用于进行磁电转化，并使其输出电压跟随磁场的变化而变化；

梯级比较宽电压ADC前置电路，用于对磁电感应模块不同等级的输出电压进行分类处理，保证输出电压较高的测量精度及较大的检测范围。

6.根据权利要求1～4之一所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的无线通信系统包括：

GPS模块，用于故障位置的定位以及获取标准同步时间；

无线收发模块，用于将主处理单元封装完成的数据包传输到网关节点，使得数据能够进一步深度挖掘处理。

7.根据权利要求1～4之一所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的中心控制系统包括：

主处理单元，用于磁场变化感知数据处理，远场低频磁场能采集系统、故障检测系统和无线通信系统的工作调度；

时钟电路，用于提供故障时间信息，并通过GPS模块进行全球时间同步校正。

8.根据权利要求7所述的一种近地式自供电架空输电线故障检测装置，其特征在于，所述的主处理单元是一个超低功耗单片机。