CN110988503B - 一种配电线路工频电场无线测量装置以及测量修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种配电线路电场强度无线测量装置，所述装置包括初级双平板电场传感器，次级双平板电场传感器，信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块和无线通信模块以及电源管理模块；其中电源管理模块为信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块以及无线通信模块提供电源，所述信号采集处理模块采集信号调理模块以及环境温湿度测量模块的信息进行处理，经过信号采集处理模块后连接到无线通信模块，所述无线通信模块用于发送数据到汇集单元，该技术方案克服了现有技术易受环境温湿度影响，易受外部高压电晕放电、雷电干扰影响、测量不稳定、测量精度差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种配电线路工频电场无线测量装置，属于工频电场强度测量技术领域。
背景技术
随着输配电网故障诊断技术的成熟，配电线路故障指示器作为一种先进的线路故障诊断技术，应用已十分广泛。目前许多配电线路为架空型配电线路，架空线对地有一段比较大的安全距离，线路对地存在一定的分布电容。目前现有的故障指示器，电场测量的方法大部分采用电容分压原理的方式。现有的电压测量方法采用故障指示器内部的电路板地层或单独使用一块金属板作为分压电容的电场感应极板，配电线路电压变化，空间场强变化，分压电容上的电压亦随之变化，通过测量分压电容上的电压，测量电场强度。然而实际测量仍然存在诸多问题。
实际配电线与故障指示器感应板之间的电场为非均匀电场，串接分压电容的容值往往会随时间和温湿度变化而变化。当感应极板采用多层PCB板或电场感应极板之间存在其他的填充材质时，由PCB板上下金属层或电场感应极板组成的电容器，其容值C＝ε*ε0*S/d，其中ε为PCB或其他填充材质的相对相对介电常数，ε0为真空相对介电常数，S为极板面积，d为上下PCB上下金属层或电场感应极板之间的间距。由于普通FR-4材质PCB板或电场感应极板间填充材质的相对相对介电常数ε会由于环境温度变化和材料吸湿作用而产生变化，从而导致采用电容分压原理测量工频电场的方法会存在着易受环境温湿度影响而出现测量不稳定，不精确的问题。同时现有故障指示器容易受外部高压电晕放电，雷电干扰等问题影响。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种配电线路工频电场无线测量装置，该技术方案克服了现有技术易受环境温湿度影响，易受外部高压电晕放电、雷电干扰影响、测量不稳定、测量精度差的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种配电线路电场强度无线测量装置，所述装置包括初级双平板电场传感器，次级双平板电场传感器，信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块，和无线通信模块以及电源管理模块；其中电源管理模块为信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块以及无线通信模块提供电源，所述信号采集处理模块采集信号调理模块以及环境温湿度测量模块的信息进行处理，经过信号采集处理模块后连接到无线通信模块，所述无线通信模块用于发送数据到汇集单元。
作为本发明的一种改进，所述初级双平板电场传感器包括上极板和下极板，所述上极板和下极板为矩形金属板或含有金属板的外壳，所述上极板和下极板的尺寸大小相等，对称轴共面，分别对称平行分布于配电线上下两侧，上极板和下极板之间无金属性连接回路，可以在上下极板间形成上下对称且相对均匀分布的电场，同时对外部的电磁场具有屏蔽作用。
作为本发明的一种改进，所述次级双平板电场传感器采用双层PCB板，PCB板作为次级双平板电场传感器生产工艺简单可控。所述次级双平板电场传感器包括上极板和下极板，所述上极板和下极板大小面积相等，水平布置,且无金属性连接回路。
作为本发明的一种改进，次级双平板电场传感器的上下输出端与信号调理单元的输入端相连，所述次级双平板电场传感器置于配电线和初级双平板电场传感器下极板的中间；所述次级双平板电场传感器、配电线和初级双平板电场传感器的对称轴在水平面的投影共面且重合；所述次级双平板电场传感器用于将工频电场信号转化为输入信号调理单元可测量电压信号。
作为本发明的一种改进，所述信号调理模块将次级平板电场传感器的信号变换为信号采集处理模块可以处理的信号，所述信号调理模块输出信号连接到信号采集处理模块。
作为本发明的一种改进，信号采集处理模块，用于测量环境温湿度的测量，电场强度修正系数计算，保存采集的数据。
作为本发明的一种改进，所述环境温湿度测量模块用于采集配电线周围的环境温湿度，所述环境温湿度测量模块连接到信号采集处理模块。
作为本发明的一种改进，所述无线通信模块连接到信号采集处理模块，用于发送数据到汇集单元。
一种配电线路工频电场强度无线测量装置的测量修正方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：开始测量环境温湿度，信号采集处理模块读取环境温湿度测量模块所测量到的环境温湿度值。；
步骤2：判断环境温湿度变化是否超过预设门槛值。温湿度变化量ΔT/ΔRH由本次温湿度测量值分别与上一次温湿度测量值相减得到；初次判断温湿度变化量由本次温湿度测量值减去0得到；当温度差值的绝对值|ΔT|或湿度差值的绝对值|ΔRH|大于预设定门槛值Tth＝4℃或RHth＝12％时，则执行步骤3，否则执行步骤4；
步骤3：温湿度变化量ΔT/ΔRH超过预设门槛值，调整用于电场强度测量的修正系数；根据信息采集模块中存储的三次多项式拟合曲线公式提取出当前测量温度下FR4材质的相对介电常数εr，温度系数由公式K＝[(d*ε0/(d*ε0+2*D*εr))/(d*ε0/(d*ε0+2*D*εr-1))]所得，ε0为空气相对介电常数，εr-1为上一次测量时的次级平板传感器填充介质相对介电常数，
D为次级平板电场传感器下极板与初级平板电场传感器下极板的间距，d为次级平板电场传感器上极板和下极板的间距；湿度系数H设置为常量1；电场强度测量修正系数等于温度系数K与湿度系数H的乘积。当前电场强度测量值为V＝V1*K*H，V1前一次的电场强度测量值，计算完毕执行步骤4；
步骤4，延时一段预设时间，预设定时长为30min，延时时间由处理器内部定时器产生。延时时间到，则执行步骤1。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案采用两级双平板电场传感器，初级双平板电场可以提供一个上下对称且相对均匀的电场分布环境，同时屏蔽部分外界强电磁干扰，次级双平板电场传感器可以在相对均匀电场中准确稳定的感应出工频电场强度信号；次级平板电场传感器采用双层PCB板，工艺稳定可控；同时电场测量方法采用基于温湿度的修正方法可以弥补由于平板电场传感器随温湿度变化而带来的测量误差，提高基于场强判据的线路故障判断准确率；采用无线测量方式可以避免直接接触高压，安全可靠。
附图说明
图1为本发明工频电场强度无线测量修正方法实施例中的方法流程图。
图2为本发明工频电场强度无线测量装置初级双平板电场传感器和次级双平板电场传感器结构示意图。
图3为本发明工频电场强度无线测量装置结构框图。
图中：1.初级双平板电场传感器；2.配电线；3.次级双平板电场传感器。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1-图3，一种配电线路电场强度无线测量装置，所述装置包括初级双平板电场传感器，次级双平板电场传感器，信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块，和无线通信模块以及电源管理模块；其中电源管理模块为信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块以及无线通信模块提供电源，所述信号采集处理模块采集信号调理模块以及环境温湿度测量模块的信息进行处理，经过信号采集处理模块后连接到无线通信模块，所述无线通信模块用于发送数据到汇集单元。所述初级双平板电场传感器包括上极板和下极板，所述上极板和下极板为矩形金属板或含有金属板的外壳，所述上极板和下极板的尺寸大小相等，对称轴共面，分别对称平行分布于配电线上下两侧，上极板和下极板之间无金属性连接回路，所述次级双平板电场传感器采用双层PCB板。次级双平板电场传感器的上下输出端与信号调理单元的输入端相连，所述次级双平板电场传感器置于配电线和初级双平板电场传感器下极板的中间；所述次级双平板电场传感器、配电线和初级双平板电场传感器对称轴共面；所述次级双平板电场传感器用于将工频电场信号转化为输入信号调理单元可测量电压信号。所述信号调理模块将次级平板电场传感器的信号变换为信号采集处理模块可以处理的信号，所述信号调理模块输出信号连接到信号采集处理模块，信号采集处理模块，用于计算保存采集的数据。所述环境温湿度测量模块用于采集配电线周围的环境温湿度，所述环境温湿度测量模块连接到信号采集处理模块。所述无线通信模块连接到信号采集处理模块，用于发送数据到汇集单元。该方案中，所述的初级双平板电场传感器采用矩形铝金属极板尺寸为25cm*15cm*2mm，所述的次级双平板电场传感器采用双层圆形PCB板，直径为10cm，厚度为1.6mm，PCB板涂覆三防漆防水，所述的信号调理模块包括运算放大电路，所述的信号采集处理模块包括处理器和存储器，所述的环境温湿度测量模块包括采用低功耗的采集模块SHT20，所述的无线通信模块包括采用LoRa通信模块，可有效降低功耗，所述的电源管理模块采用具有电源多路径管理功能的芯片。
本发明还涉及一种配电线路工频电场强度无线测量装置的测量修正方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：开始测量环境温湿度，信号采集处理模块读取环境温湿度测量模块所测量到的环境温湿度值。；
步骤2：判断环境温湿度变化是否超过预设门槛值。温湿度变化量ΔT/ΔRH由本次温湿度测量值分别与上一次温湿度测量值相减得到；初次判断温湿度变化量由本次温湿度测量值减去0得到；当温度差值的绝对值|ΔT|或湿度差值的绝对值|ΔRH|大于预设定门槛值Tth＝4℃或RHth＝12％时，则执行步骤3，否则执行步骤4。
步骤3：温湿度变化量ΔT/ΔRH超过预设门槛值，调整用于电场强度测量的修正系数。根据信息采集模块中存储的三次多项式拟合曲线公式提取出当前测量温度下FR4材质的相对介电常数εr，电场强度测量修正系数由公式K＝[(d*ε0/(d*ε0+2*D*εr))/(d*ε0/(d*ε0+2*D*εr-1))]所得，ε0为空气相对介电常数，εr-1为上一次测量时的次级平板传感器填充介质相对介电常数，D为次级平板电场传感器下极板与初级平板电场传感器下极板的间距，d为次级平板电场传感器的PCB的厚度；湿度系数H设置为常量1；电场测量系数等于温度变化量系数K与湿度系数H的乘积，V＝V1*K*H，V1前一次的电场强度测量值，计算完毕执行步骤4。
步骤4，延时一段预设时间，预设定时长为30min，延时时间由处理器内部定时器产生。延时时间到，则执行步骤1。
本发明所述一种工频电场强度无线测量修正方法中，所述步骤2，3中的还进一步包括：判断当前温湿度测量值是否超出所述工频电场强度无线测量装置正常运行允许的温度范围-40℃-85℃和湿度范围0％RH-100％RH，如是则判断温湿度传感器异常损坏，调整电场强度修正系数为默认值1，退出该修正方法。如否，则按照修正方法继续执行其后续步骤。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (1)
1.配电线路电场强度无线测量修正方法，其特征在于，采用配电线路电场强度无线测量装置，所述装置包括初级双平板电场传感器，次级双平板电场传感器，信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块和无线通信模块以及电源管理模块；其中电源管理模块为信号调理模块，信号采集处理模块，环境温湿度测量模块以及无线通信模块提供电源；
所述信号采集处理模块采集信号调理模块以及环境温湿度测量模块的信息进行处理，经过信号采集处理模块后连接到无线通信模块，所述无线通信模块用于发送数据到汇集单元；
所述初级双平板电场传感器包括上极板和下极板，所述上极板和下极板为矩形金属板或含有金属板的外壳，分别对称平行分布于配电线上下两侧，所述上极板和下极板大小面积相等，且无金属性连接回路，
所述次级双平板电场传感器包括上极板和下极板，所述上极板和下极板大小面积相等，水平布置,且无金属性连接回路，所述次级双平板电场传感器采用双层PCB板；
次级双平板电场传感器的上下输出端与信号调理单元的输入端相连，所述次级双平板电场传感器置于配电线和初级双平板电场传感器下极板的中间；所述次级双平板电场传感器、配电线和初级双平板电场传感器的对称轴在水平面的投影共面且重合；所述信号调理模块将次级平板电场传感器的信号变换为信号采集处理模块可以处理的信号，所述信号调理模块输出信号连接到信号采集处理模块；
信号采集处理模块，用于计算保存采集的数据；
所述环境温湿度测量模块用于采集配电线周围的环境温湿度，所述环境温湿度测量模块连接到信号采集处理模块；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：开始测量环境温湿度，信号采集处理模块读取环境温湿度测量模块所测量到的环境温湿度值；
步骤2：判断环境温湿度变化是否超过预设门槛值,温湿度变化量ΔT/ΔRH由本次温湿度测量值与上一次温湿度测量值分别相减得到；初次判断温湿度变化量由本次温湿度测量值减去0得到；当温度差值的绝对值|ΔT|或者湿度差值的绝对值|ΔRH|大于预设定门槛值Tth或RHth时，则执行步骤3，否则执行步骤4；
步骤3：温湿度变化量ΔT/ΔRH超过预设门槛值，调整用于电场强度测量的修正系数；根据信号采集处理模块中存储的三次多项式拟合曲线公式提取出当前测量温度下次级平板电场传感器填充介质的相对介电常数εr，温度修正系数由公式K=[(d*ε0/( d*ε0+2*D*εr))/ (d*ε0/( d*ε0+2*D*εr-1))]所得，ε0为空气相对介电常数，εr-1为上一次测量时的次级平板电场传感器填充介质相对介电常数，D为次级平板电场传感器下极板与初级平板电场传感器下极板的间距，d为次级平板电场传感器上极板和下极板的间距；湿度系数H设置为常量1；电场强度测量修正系数等于温度系数K与湿度系数H的乘积，当前电场强度测量值为V=V1*K*H，V1前一次的电场强度测量值，计算完毕执行步骤4；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A wireless measurement device and measurement correction method for power frequency electric field of distribution lines Effective date of registration: 20231228 Granted publication date: 20220930 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing City South Branch Pledgor: Nanjing Hongyi Electrical Automation Co.,Ltd. Registration number: Y2023980075150 |