CN111624446A - 一种基于射频能量收集的无源地电波传感器 - Google Patents

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范文杰
徐广昊
于泊宁
张志斌
杨凯歌
李信哲
刘文君
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves

Abstract

本公开揭示了一种基于射频能量收集的无源地电波传感器，包括：信号采集模块，用于采集开关柜的局部放电信号；信号处理模块，用于对所采集的局部放电信号进行滤波、放大和检波处理；信号提取模块，用于提取处理后的局部放电信号的特征参量，所述特征参量包括放电周期内的放电次数、最大放电量和平均放电量；信号传输模块，用于将局部放电信号的特征参量传输至上位机；上位机，用于对局部放电信号的特征参量进行可视化显示；供电模块，通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量对所述传感器供电。本公开通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量为传感器供能，从而舍弃传统的锂电池等储能元件，能够大大延长了传感器的工作周期，并降低成本。

Description

一种基于射频能量收集的无源地电波传感器
技术领域
本公开属于无线传感器领域，具体涉及一种基于射频能量收集的无源地电波传感器。
背景技术
高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，称为暂态对地电压。基于上述原理的地电波(TEV)局部放电检测方法作为一种非侵入式检测手段，对于开关柜内部是否存在放电性绝缘故障，具有灵敏度高、成本低、安装方便等优势，十分适合高压开关柜的带电检测。
但是该技术虽然可以实现开关柜内部缺陷故障的预防和评估，但是目前还存在超阈值信号的不确定、由于信号来源以及开关柜个体差异而导致的漏判误判的问题，实际应用效果并不理想。并且目前地电波(TEV)局部放电检测方法的主要应用方式是定期的带电巡检，不仅会消耗大量的人力物力，还会因为检测人员水平和经验的不足而导致漏判误判。因此需要一种无线分布式的地电波(TEV)传感器来对不同开关柜同时检测，并能够将数据分析上传，减轻巡检压力。并且在局部放电检测中，传感器需要经常更换电池，导致工作周期短，系统维护成本较高。本发明针对上述TEV检测技术以及实际开关柜带电检测中存在的问题，提出了一种基于射频能量采集系统的分布式无源TEV传感器的设计方案。通过工作空间中的射频能量收集为传感器各模块供能，对传感器耦合得到的信号进行处理、分析与上传。这对更好的将地电波(TEV)检测技术更好的应用于高压开关柜设备的故障预防有着重要的实际意义。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于射频能量收集的无源地电波传感器，能够舍弃传统的锂电池，实现开关柜局部放电的分布式监测。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种基于射频能量收集的无源地电波传感器，包括：
信号采集模块，用于采集开关柜的局部放电信号；
信号处理模块，用于对所采集的局部放电信号进行滤波、放大和检波处理；
信号提取模块，用于提取经所述信号处理模块处理后的局部放电信号的特征参量，所述特征参量包括放电周期内的放电次数、最大放电量和平均放电量；
信号传输模块，用于将所提取的局部放电信号的特征参量传输至上位机；
上位机，用于对所述局部放电信号的特征参量进行可视化显示；
供电模块，通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量对所述传感器供电。
优选的，所述信号采集模块包括TEV传感器。
优选的，所述信号处理模块包括：
滤波电路，用于对采集的局部放电信号进行滤波；
放大电路，用于对滤波后的局部放电信号进行放大；
检波电路，用于对放大后的局部放电信号进行检波并输出低频信号。
优选的，所述信号提取模块包括ARM芯片。
优选的，所述信号传输模块包括贴片式WiFi模块。
优选的，所述供电模块包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中或射频信号发生器的射频能量，并将所述射频能量转换为相对应频段的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
优选的，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
优选的，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
优选的，所述升压整流单元包括倍压整流电路，具体包括电容C1-C4和二极管D1-D4，C1的一端连接至射频信号输入端，另一端分别与D1的阴极和D2的阳极连接，D1的阳极接地；D2的阴极分别与C2的一端和D3的阳极连接，C2另一端接地；D3的阴极分别与C3的一端和D4阳极连接，C3的另一端与输入端连接，D4的阴极通过电容C4接地，并输出电压信号。
优选的，所述功率管理单元包括电压迟滞比较器、DC-DC转换电路、稳压芯片和超级电容。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：传感器采用非侵入式检测手段，实现在线检测，可以发现一些潜在的绝缘故障；而且传感器为分布式传感单元，可以同时针对不同的开关柜以及同一开关柜的不同位置进行监测，避免了开关柜体差异以及信号来源不清晰而导致的漏判误判；相比于现有的人工定期巡检，传感器可以实现即时性的检测，减少巡检的人力物力，而且还能避免人为经验和水平不足带来的误差；传感器能够与终端进行通讯，不仅能够及时反馈信息，还能实现区域化的统一管理，减少运营成本。此外，本公开设计使用射频能量收集系统为传感器供能，舍弃传统的锂电池等储能元件，大大延长了传感器工作周期，降低成本。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种基于射频能量收集的无源地电波传感器的结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的TEV传感器的电路框图；
图3是本公开一个实施例提供的额信号处理模块的电路框图；
图4是本公开一个实施例提供的天线阵列与馈电网络的连接示意图；
图5是本公开一个实施例提供的阻抗匹配网络的电路框图；
图6是本公开一个实施例提供的倍压整流电路的电路框图；
图7是本公开一个实施例提供的功率管理单元的电路框图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，一种基于射频能量收集的无源地电波传感器，包括：
信号采集模块，用于采集开关柜的局部放电信号；
信号处理模块，用于对所采集的局部放电信号进行滤波、放大和检波处理；
信号提取模块，用于提取经所述信号处理模块处理后的局部放电信号的特征参量，所述特征参量包括放电周期内的放电次数、最大放电量和平均放电量；
信号传输模块，用于将所提取的局部放电信号的特征参量传输至上位机；
上位机，用于对所述局部放电信号的特征参量进行可视化显示；
供电模块，通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量对所述传感器供电。
本实施例中，通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量为传感器供能，从而舍弃传统的锂电池等储能元件，能够大大延长了传感器的工作周期，并降低成本。
另一个实施例中，所述信号采集模块包括TEV传感器。
本实施例中，如图2所示，TEV传感器包括电容C1、C2、C3和电阻R1，电容C1的一端连接开关柜，另一端分别连接电容C2和C3的一端，电容C2的另一端接地，电容C3的另一端分别连接电阻的一端和输出端，电阻R1的另一端接地。
另一个实施例中，如图3所示，所述信号处理模块包括：
滤波电路，用于对采集的局部放电信号进行滤波；
放大电路，用于对滤波后的局部放电信号进行放大；
检波电路，用于对放大后的局部放电信号进行检波并输出低频信号。
本实施例中，所述滤波电路为由高通滤波和低通滤波组成的带通滤波，包括电容C1-C5、电感L1-L5，其中，C1的一端连接TEV传感器的输出端，另一端分别连接L1和C2的一端，L1的另一端接地，C2另一端分别连接C3和L2和L2的一端，L2的另一端接地，C3的另一端依次连接L3、L4和L5，L3和L4共同连接C4的一端，L4和L5共同连接C5的一端，C4和C5的另一端接地。所述放大电路包括运算放大器、电阻R1-R3，其中，运算放大器的正相输入端分别连接电感L5的另一端和电阻R3的一端，反相输入端连接电阻R1和R2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器的输出端，电阻R3的另一端接地。所述检波电路包括二极管D1、电阻R4和电容C6，二极管D1的一端连接运算放大器的输出端，另一端分别连接电阻R4和电容C6的一端后输出检波信号，电阻R4和电容C6的另一端接地。
另一个实施例中，所述信号提取模块包括ARM芯片或半导体微处理器。
本实施例中，除了采用ARM芯片以外，其他具有AD转换与数据处理功能的元器件均可以应用到本实施例中用于对局部放电信号的特征参量进行提取，例如半导体微处理器等，此处不再赘述。但是考虑到传感器小体积的需求，本实施例优选采用ARM芯片，更优选的，可以选用STM32F205。
另一个实施例中，所述信号传输模块包括贴片式WiFi模块。
本实施例中，贴片式WiFi模块通过接口与ARM芯片进行通讯，从而完成对所提取的局部放电信号的特征参量的信号的传输。
另一个实施例中，所述供电模块包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中或射频信号发生器的射频能量，并将所述射频能量转换为相对应频段的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
另一个实施例中，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
另一个实施例中，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
本实施例中，如图5所示，所述阻抗匹配网络包括电感L1和电感L2，电感L1的一端连接至接收单元，用于接收射频信号，另一端与电感L2的一端连接构成输出端，用于输出升压后的射频信号，电感L2的另一端接地。在无线电通讯中，天线收集能量后需要通过电缆传输，为了减少驻波，接收单元要与电缆进行阻抗匹配，而电缆的特征阻抗在50Ω时趋肤效应是最小的，因此，天线输出阻抗一般设计为50Ω。倍压整流电路的输入为接收单元的输出，也需要与前端单元进行阻抗匹配，因此本实施例通过改变电感L1和L2的值，使倍压整流电路的输入阻抗匹配至50Ω，若不匹配，在信号传输过程中会存在驻波，产生回波损耗，从而降低倍压整流电路的转换效率。
另一个实施例中，如图6所示，所述升压整流单元包括倍压整流电路，所述倍压整流电路包括电容C1-C4和二极管D1-D4，C1的一端连接至射频信号输入端，另一端分别与D1的阴极和D2的阳极连接，D1的阳极接地；D2的阴极分别与C2的一端和D3的阳极连接，C2另一端接地；D3的阴极分别与C3的一端和D4阳极连接，C3的另一端与输入端连接，D4的阴极通过电容C4接地，并输出电压信号。
另一个实施例中，如图7所示，所述功率管理单元包括电压迟滞比较器、DC-DC转换电路、稳压芯片和超级电容。
本实施例中，以超级电容作为储能装置，电压迟滞比较器能够将倍压整流电路输出的不稳定直流电压转化为稳定的直流电压，并且由稳压芯片将该直流电压转换为适合其余各模块使用的供电电压并由超级电容进行存储，从而对其他模块供电。
相比现有的功率管理单元，本实施例设计的功率管理单元采用获取-存储-使用的模式，不需要外加电源，使用整流电路输出电压即可进行电压监测，无需ARM等微控制器以及额外的电池模块，减少成本与功耗，进一步缩小射频能量收集系统体积。而且相较于单阶储存模式，即只有超级电容器C1，本实施例设计的功率管理单元通过对电压进行监测，之后通过DC-DC转换器转换电压，相较于传统的功率管理单元不仅提高转换效率，而且输出电压精度更高，波动更小。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (10)

1.一种基于射频能量收集的无源地电波传感器，包括：
信号采集模块，用于采集开关柜的局部放电信号；
信号处理模块，用于对所采集的局部放电信号进行滤波、放大和检波处理；
信号提取模块，用于提取经所述信号处理模块处理后的局部放电信号的特征参量，所述特征参量包括放电周期内的放电次数、最大放电量和平均放电量；
信号传输模块，用于将所提取的局部放电信号的特征参量传输至上位机；
上位机，用于对所述局部放电信号的特征参量进行可视化显示；
供电模块，通过收集环境中或射频信号发生器的射频能量对所述传感器供电。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，优选的，所述信号采集模块包括TEV传感器。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述信号处理模块包括：
滤波电路，用于对采集的局部放电信号进行滤波；
放大电路，用于对滤波后的局部放电信号进行放大；
检波电路，用于对放大后的局部放电信号进行检波并输出低频信号。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述信号提取模块包括ARM芯片或半导体微处理器。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述信号传输模块包括贴片式WiFi模块。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述供电模块包括：接收单元、阻抗匹配单元、升压整流单元和功率管理单元；其中，
所述接收单元用于获取环境中或射频信号发生器的射频能量，并将所述射频能量转换为相对应频段的射频信号；
所述阻抗匹配单元与所述接收单元连接，用于匹配所述接收单元和所述升压整流单元的输出、输入阻抗；
所述升压整流单元与所述阻抗匹配单元连接，用于将接收的射频信号整流为直流信号并输出；
所述功率管理单元与所述升压整流单元连接，用于将所述升压整流单元输出的直流信号进行存储和转换。
7.根据权利要求6所的传感器，其中，所述接收单元包括天线阵列和馈电网络，所述天线阵列通过射频连接器座接入所述馈电网络。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述阻抗匹配单元包括阻抗匹配网络。
9.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述升压整流单元包括倍压整流电路，具体包括电容C1-C4和二极管D1-D4，C1的一端连接至射频信号输入端，另一端分别与D1的阴极和D2的阳极连接，D1的阳极接地；D2的阴极分别与C2的一端和D3的阳极连接，C2另一端接地；D3的阴极分别与C3的一端和D4阳极连接，C3的另一端与输入端连接，D4的阴极通过电容C4接地，并输出电压信号。
10.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述功率管理单元包括电压迟滞比较器、DC-DC转换电路、稳压芯片和超级电容。
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