CN111308158A - 一种输电线路近电感应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线路近电感应系统，本发明磁光晶体可任意安置，探测附近的强电压和强电流，传感光纤可根据实际情况制作成相应的形状，该近电感应系统简单、灵活、稳定性高、反应灵敏、拓展能力强，并且整套系统价格低廉、易于装设，数字化系统适应了泛在物联网的发展趋势，有利于后期停电检修工作的在线监测，由于磁光晶体制造工艺成熟、价格低廉，大大提高了反应的灵敏性，有效降低了温度、应力、振动等因素对光路的影响，保证了近电感应系统良好的稳定性和实用性，同时该系统采用了FPGA作为中央处理器，其并行处理能力可有效提高数据处理速度，为后期的数字化作业提供坚实基础。

Description

一种输电线路近电感应系统

技术领域

本发明涉及电力安全技术领域，特别是一种输电线路近电感应系统。

背景技术

停电检修工作是电力行业每年的例行工作之一，由于所检修的设备运行电压等级高、电流负荷大，在进行例行检修前需要采取一系列安全措施，例如停电、验电、挂地线、悬挂标示牌、装设临时遮拦等工作，工作过程中需按照现场勘察制度、工作票制度、工作许可制度、工作监护制度、工作间断制度、工作终结和恢复送电等制度严格执行，确保停电检修人员的人身安全。但是在实际工作中，由于工作负责人和工作监护人员疏忽大意，致使检修人员误登杆、误入带电侧的情况时有发生，严重威胁作业人员的人身安全。除此之外，在进行配合停电的检修工作时，也存在客户侧反送电、设备侧误操作接地刀闸、接地线失去保护等情况，致使在检修工作前设备带电，从而造成人身伤亡事故。针对此类情况，除了需要工作人员严格履行相关规程制度以外，还需要研发新型安全工器具，采用技防措施避免此类事故发生，但截至目前还没有针对性的技术手段预防此类事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路近电感应系统，旨在解决现有技术中停电检修作业安全水平低的问题，实现有效探测强电物体并报警，提高停电检修作业安全性，避免工作人员触电事故的发生。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种输电线路近电感应系统，所述系统包括：

近电感应模块、光电接收模块、数据处理模块以及声光报警模块依次连接；

所述近电感应模块通过近电感应空间电流、电压，并将感应到的空间信号发送至光电接收模块，所述光电接收模块对空间信号进行捕捉并偏置、放大，并对放大后的信号进行带通滤波，经由模数转换成数字信号后，交由数据处理模块进行数据处理，并驱动所述声光报警模块进行报警。

优选地，所述近电感应模块包含激光器、激光驱动电路、磁光晶体探测元件；

激光器与磁光晶体探测元件中的光纤通过SMA905螺丝接口无缝连接。

优选地，所述激光器驱动电路采用3V直流电源供电，正极接至T5端，负极接至T6端，当采用恒流控制电路时，激光器的LD正负两端与T2、T1相连，T7短接并且将R7断开，焊接恒流调节电位器R3，二极管Z1和电阻R1串联后并联至T5、T6端两端，Z1提供1.24V基准电压，电阻R2一端接Z1，另一端接电阻R3以及运算放大器ML321的第1管脚，1.24V基准电压经过电阻R2、R3分压后，给运算放大器ML321的第1管脚提供正信号，ML321的第4管脚输出正信号，第2管脚接地，第3管脚经电阻R6后接地，第5管脚与激光器LD的阳极连接，LD两端并联电容C3，三极管Q1发射极输入正信号，经过电阻R5反馈给ML321的负端口，即第3管脚，形成电流串联负反馈电路；当采用恒功率模式工作时，T7需断开，R3不焊接，R7接APC控制电阻，并将激光器的PD接入，即T2和T3连接。

优选地，所述光电接收模块包括光探测器、信号放大电路以及钳位滤波电路。

优选地，所述光探测器02的感光二极管PD阳极端与接地管脚3连接后接地，第2管脚与AD8608芯片的第2管脚连接，光探测器03的采用相同的方法与AD8608连接；AD8608芯片为四路放大器，采用5V直流电源供电；反馈电阻R10、R11接至AD8608的第1管脚、第2管脚、第8管脚以及第9管脚的两端，并且补偿电容C7、C8以及电阻R10、R11并联接入电路；电容C5、电阻R9并联后接入AD8608芯片的第3引脚，另一端接地；另一侧，电容C4、电阻R8并联后一端接入AD8608的第10管脚，另一端接地；R8、R9、R10、R11、C4、C5、C7、C8与AD8608共同组成电流信号放大电路，其中AD8608的第11管脚接地，第4管脚接5V直流电源，信号放大电路经T8、T9接线端与钳位滤波电路相连。

优选地，所述所述钳位滤波电路由滤波电路和钳位电路构成，滤波电路采用RC滤波电路，电阻R13的第1端接T10接线端以及电容C10，第2端接T8接线端，C10另一端接地，4V钳位二极管D1并联至C10两端，D1阳极接地，阴极与T10连接，电阻R12的第1端接T11接线端以及电容C9，第2端接T9接线端，C9另一端接地，4V钳位二极管D2并联至C9两端，D2阳极接地，阴极与T11连接。

优选地，所述数据处理模块包括数模转换电路和FPGA数据处理单元。

优选地，模拟信号通过T10、T11输入到AD9826芯片的第22和24管脚，第1管脚CDSCLK1和第2管脚CDSCLK2是AD9826芯片的工作时钟信号，第3管脚ADCCLK是AD9826的采样时钟信号，第16管脚SCLK是AD9826的配置时钟信号，第15、17管脚分别是AD9826的配置信号，第7-14管脚输出AD9826的数字信号，以上管脚分别与FPGA数据处理单元连接。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明可嵌入电力行业停电检修的安全帽、电子色标、安全工器具中使用，磁光晶体可任意安置，探测附近的强电压和强电流，传感光纤可根据实际情况制作成相应的形状，该近电感应系统简单、灵活、稳定性高、反应灵敏、拓展能力强，并且整套系统价格低廉、易于装设，数字化系统适应了泛在物联网的发展趋势，有利于后期停电检修工作的在线监测，由于磁光晶体制造工艺成熟、价格低廉，大大提高了反应的灵敏性，有效降低了温度、应力、振动等因素对光路的影响，保证了近电感应系统良好的稳定性和实用性，同时该系统采用了FPGA作为中央处理器，其并行处理能力可有效提高数据处理速度，为后期的数字化作业提供坚实基础。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种输电线路近电感应系统结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种激光器底视图；

图3为本发明实施例中所提供的一种激光驱动电路原理图；

图4为本发明实施例中所提供的一种磁光晶体探测元件结构示意图；

图5为本发明实施例中所提供的一种光探测器及信号放大电路原理图；

图6为本发明实施例中所提供的一种钳位滤波电路原理图；

图7为本发明实施例中所提供的一种数模转换电路原理图；

图8为本发明实施例中所提供的一种FPGA外拓卡槽接线图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种输电线路近电感应系统进行详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种输电线路近电感应系统，所述系统包括：

近电感应模块、光电接收模块、数据处理模块以及声光报警模块依次连接；

所述近电感应模块通过近电感应空间电流、电压，并将感应到的空间信号发送至光电接收模块，所述光电接收模块对空间信号进行捕捉并偏置、放大，并对放大后的信号进行带通滤波，经由模数转换成数字信号后，交由数据处理模块进行数据处理，并驱动所述声光报警模块进行报警。

本发明实施例采用磁光晶体为探测元件，利用偏振光的Faraday磁光效应和Sagnac干涉技术实现对强电物体的感应。

所述近电感应模块包含激光器、激光驱动电路、磁光晶体探测元件。

如图2所示，所述激光器共有4个管脚，管脚1是发光二极管LD的阳极，管脚2为发光二极管LD的阴极，管脚3是感光二极管PD的阴极，管脚4是感光二极管PD的阳极。在本发明实施例中，采用JZL15P-FC型插拔式激光器，阀值电流6mA，工作电流最大为40mA，中心波长1550nm。

所述激光器与磁光晶体探测元件中的光纤通过SMA905螺丝接口无缝连接。所述磁光晶体探测元件如图3所示，其由外径3mm的G652 PVC型单模光纤和磁光晶体组成，单模光纤与磁光晶体采用熔接技术连接。所述磁光晶体为成熟的光学器件，采用光偏振型光栅并且集成输入自聚焦透镜、起偏器、磁光材料、检偏器、输出自聚焦透镜，芯径9/125um，外加护套管保护。磁光晶体可任意安置，传感光纤可根据实际情况制作成相应形状。

如图4所示，激光器驱动电路采用3V直流电源供电，正极接至T5端，负极接至T6端，当采用恒流控制电路时，需将半导体激光器的LD正负两端与T2、T1相连，T7短接并且将R7断开，焊接恒流调节电位器R3，量程选择约1K欧姆。本电路采用运放、三极管放大电路，其工作于放大区，二极管Z1和电阻R1串联后并联至T5、T6端两端，Z1提供1.24V基准电压，电阻R2一端接Z1，另一端接电阻R3以及运算放大器ML321的第1管脚，1.24V基准电压经过电阻R2、R3分压后，给运算放大器ML321的第1管脚提供正信号，ML321的第4管脚输出正信号，第2管脚接地，第3管脚经电阻R6后接地(恒流模式下)，第5管脚与激光器LD的阳极连接，LD两端并联电容C3，进行稳压和滤波。三极管Q1发射极输入正信号，经过电阻R5反馈给ML321的负端口，即第3管脚，形成电流串联负反馈电路。根据负反馈原理，激光器驱动电路可以克服温度、压力等外界因素的影响，保证激光器输出功率的恒定，提高了近电感应的灵敏度。当采用恒功率模式工作时，T7需断开，R3不焊接，R7接APC控制电阻，并将激光器的PD接入，即T2和T3连接。

所述光电接收模块包括光探测器、信号放大电路以及钳位滤波电路。

所述光探测器采用JZPIR-FC型插拔式探测器，探测范围最低至1000nm，最高至1650nm，响应度典型值为0.85A/W，暗电流0.7nA，采用5V直流电源供电。如图5所示，光探测器02的感光二极管PD阳极端与接地管脚3连接后接地，第2管脚与AD8608芯片的第2管脚连接，同理，光探测器03的采用相同的方法与AD8608连接。AD8608芯片为四路放大器，采用5V直流电源供电。反馈电阻R10、R11接至AD8608的第1管脚、第2管脚、第8管脚以及第9管脚的两端，并且补偿电容C7、C8以及电阻R10、R11并联接入电路。同样的电阻、电容配置，电容C5、电阻R9并联后接入AD8608芯片的第3引脚，另一端接地；另一侧，电容C4、电阻R8并联后一端接入AD8608的第10管脚，另一端接地。R8、R9、R10、R11、C4、C5、C7、C8与AD8608共同组成电流信号放大电路，其中AD8608的第11管脚接地，第4管脚接5V直流电源，信号放大电路经T8、T9接线端与钳位滤波电路相连。如图6所示，所述钳位滤波电路由滤波电路和钳位电路构成，滤波电路采用传统的RC滤波电路，电阻R13的第1端接T10接线端以及电容C10，第2端接T8接线端，C10另一端接地，4V钳位二极管D1并联至C10两端，D1阳极接地，阴极与T10连接，同理，电阻R12的第1端接T11接线端以及电容C9，第2端接T9接线端，C9另一端接地，4V钳位二极管D2并联至C9两端，D2阳极接地，阴极与T11连接。

所述数据处理模块包括数模转换电路和FPGA数据处理单元，如图7所示，模拟信号通过T10、T11输入到AD9826芯片的第22和24管脚，第1管脚CDSCLK1和第2管脚CDSCLK2是AD9826芯片的工作时钟信号，第3管脚ADCCLK是AD9826的采样时钟信号，第16管脚SCLK是AD9826的配置时钟信号，第15、17管脚分别是AD9826的配置信号，第7-14管脚输出AD9826的数字信号，以上管脚分别与FPGA数据处理单元连接。图8所示为FPGA数据处理单元与外拓板的卡槽接线图。

AD9826芯片分别采用3.3V和5V直流电源供电，5V直流电源接至18、28管脚，3.3V接至第5管脚，第19、27、6管脚为接地管脚，电容C11、C12以及C13分别接在第18和9、27和28、5和6管脚两端，第4管脚OEB为使能管脚，低电平有效。第23管脚CML接0.1uF外部输入耦合电容C14后接地，第25管脚OFFSET经电阻R14、R15两个电阻分压后可提供一定的偏置电压，第20、21管脚可提供外部参考电压，第20管脚经电容C16后接地，第21管脚经电容C19接地，电容C17、C18并联至第20、21管脚两端。

AD9826芯片为一款应对图像应用的完整模拟信号处理芯片，可实现3通道同步采样，每个通道包括一个输入钳位，可偏置数模转换器，可编程增益放大器，多路复用至一个16位高性能模数转换器，在低性能的要求下，AD9826的运行速度也能超过15MSPS。16位数字信号输出经多路复用形成8位输出，用两个读循环来进行读取。有一个可选单字节输出模式，内部寄存器通过三总线串行数字接口进行编程，并且提供获得结果的调整、偏置和操作模式。

FPGA数据处理单元采用xilinx公司生产的spartan 6型FPGA处理器。FPGA为并行处理器，大大提高了以往使用单片机、DSP等串行处理器的工作效率。所述的FPGA数据处理单元与外设的数模转换电路相连，并向其供电。所述的FPGA采用xc6slx16芯片，搭载AXI总线IP核、寄存器IP核、中断IP核、调试IP核、AD驱动采样IP核、数据处理发送IP核以及Chipscope Monitor和Controller IP核对整个近电感应系统进行控制。FPGA采用AXI DMASG模式向软件发送数据，发送时钟最高可达100MHz。FPGA嵌入式开发搭载了Xikernel系统并采用C语言多线程编程，对接收的数据进行处理。

所述声光报警模块包括LED灯、嗡鸣器以及外拓电路，嗡鸣器由FPGA搭载的LED IP核、Alarm IP核驱动，并进行声光报警。

近电感应模块的激光器发出功率恒定的光信号，通过磁光晶体探测元件感应空间电流、电压，并将感应到的空间信号输入到光电接收模块的光探测器，信号放大电路对光探测器捕捉到的信号进行偏置、放大，然后根据所需要的频率范围计算通带频率和带宽，之后进入钳位滤波电路对放大后的信号进行带通滤波，最后经数据处理模块的数模转换电路优化数据并转换为数字信号后，传输给FPGA数据处理单元进行数据处理、存储，然后驱动声光报警模块进行声光报警。

本发明实施例可嵌入电力行业停电检修的安全帽、电子色标、安全工器具中使用，磁光晶体可任意安置，探测附近的强电压和强电流，传感光纤可根据实际情况制作成相应的形状，该近电感应系统简单、灵活、稳定性高、反应灵敏、拓展能力强，并且整套系统价格低廉、易于装设，数字化系统适应了泛在物联网的发展趋势，有利于后期停电检修工作的在线监测，由于磁光晶体制造工艺成熟、价格低廉，大大提高了反应的灵敏性，有效降低了温度、应力、振动等因素对光路的影响，保证了近电感应系统良好的稳定性和实用性，同时该系统采用了FPGA作为中央处理器，其并行处理能力可有效提高数据处理速度，为后期的数字化作业提供坚实基础。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述系统包括：

近电感应模块、光电接收模块、数据处理模块以及声光报警模块依次连接；

所述近电感应模块通过近电感应空间电流、电压，并将感应到的空间信号发送至光电接收模块，所述光电接收模块对空间信号进行捕捉并偏置、放大，并对放大后的信号进行带通滤波，经由模数转换成数字信号后，交由数据处理模块进行数据处理，并驱动所述声光报警模块进行报警。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述近电感应模块包含激光器、激光驱动电路、磁光晶体探测元件；

激光器与磁光晶体探测元件中的光纤通过SMA905螺丝接口无缝连接。

3.根据权利要求2所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述激光器驱动电路采用3V直流电源供电，正极接至T5端，负极接至T6端，当采用恒流控制电路时，激光器的LD正负两端与T2、T1相连，T7短接并且将R7断开，焊接恒流调节电位器R3，二极管Z1和电阻R1串联后并联至T5、T6端两端，Z1提供1.24V基准电压，电阻R2一端接Z1，另一端接电阻R3以及运算放大器ML321的第1管脚，1.24V基准电压经过电阻R2、R3分压后，给运算放大器ML321的第1管脚提供正信号，ML321的第4管脚输出正信号，第2管脚接地，第3管脚经电阻R6后接地，第5管脚与激光器LD的阳极连接，LD两端并联电容C3，三极管Q1发射极输入正信号，经过电阻R5反馈给ML321的负端口，即第3管脚，形成电流串联负反馈电路；当采用恒功率模式工作时，T7需断开，R3不焊接，R7接APC控制电阻，并将激光器的PD接入，即T2和T3连接。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述光电接收模块包括光探测器、信号放大电路以及钳位滤波电路。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述光探测器02的感光二极管PD阳极端与接地管脚3连接后接地，第2管脚与AD8608芯片的第2管脚连接，光探测器03的采用相同的方法与AD8608连接；AD8608芯片为四路放大器，采用5V直流电源供电；反馈电阻R10、R11接至AD8608的第1管脚、第2管脚、第8管脚以及第9管脚的两端，并且补偿电容C7、C8以及电阻R10、R11并联接入电路；电容C5、电阻R9并联后接入AD8608芯片的第3引脚，另一端接地；另一侧，电容C4、电阻R8并联后一端接入AD8608的第10管脚，另一端接地；R8、R9、R10、R11、C4、C5、C7、C8与AD8608共同组成电流信号放大电路，其中AD8608的第11管脚接地，第4管脚接5V直流电源，信号放大电路经T8、T9接线端与钳位滤波电路相连。

6.根据权利要求4所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述所述钳位滤波电路由滤波电路和钳位电路构成，滤波电路采用RC滤波电路，电阻R13的第1端接T10接线端以及电容C10，第2端接T8接线端，C10另一端接地，4V钳位二极管D1并联至C10两端，D1阳极接地，阴极与T10连接，电阻R12的第1端接T11接线端以及电容C9，第2端接T9接线端，C9另一端接地，4V钳位二极管D2并联至C9两端，D2阳极接地，阴极与T11连接。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数模转换电路和FPGA数据处理单元。

8.根据权利要求7所述的一种输电线路近电感应系统，其特征在于，模拟信号通过T10、T11输入到AD9826芯片的第22和24管脚，第1管脚CDSCLK1和第2管脚CDSCLK2是AD9826芯片的工作时钟信号，第3管脚ADCCLK是AD9826的采样时钟信号，第16管脚SCLK是AD9826的配置时钟信号，第15、17管脚分别是AD9826的配置信号，第7-14管脚输出AD9826的数字信号，以上管脚分别与FPGA数据处理单元连接。

Images