CN111751656A - 一种输配电线路的电压电流测量取能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输配电线路的电压电流测量取能装置，包括：电流模块，用于检测线路导线的电流模拟信号，并进行预处理后送入高压端处理单元；电压取能模块，用于取样电压模拟信号，直接输出或者提供给低压端处理单元进行模数转换后输出，以及获取高低压端能量并进行处理后生成高低压端电源；高压端处理单元，用于对接收到的电流模拟信号进行模数转换，得到电流数字信号，并将电流数字信号与电流模拟信号分别经隔离通道传送到低压端处理单元；低压端处理单元，用于将接收到的电流隔离数字信号和电压数字信号通过电压电流数字信号通道传输给用户，将电流隔离模拟信号和电压模拟信号通过电压电流模拟信号通道传输给用户，以供用户选择使用。

Description

一种输配电线路的电压电流测量取能装置

技术领域

本发明涉及输配电线路的高电压技术与电源技术的交叉技术领域，特别涉 及一种输配电线路的电压电流测量取能装置。

背景技术

近年来，随着电网规模的不断扩大，供电可靠性要求的提高，随着万物互 联技术的推广和普及，输配电物联网技术的发展，输配电线路需要海量的智能 传感器、智能终端、智能设备感知线路状态，使用这些智能设备和智能传感器 监测线路及自身的运行状态，为电网的智能化运维工作提供决策依据。在输配 电领域由于电压等级高，受绝缘要求的限制，许多设备采样测量线路状态和取 电都存在困难。

目前，输配电领域常规的取能方法有：太阳能电池取能和电流互感器取能。 太阳能电池取能受到光照条件、环境温度、季节变化等因素的影响较大，导致 供电不稳定；电流互感器取能只需将线路穿过取电感应线圈，利用磁场感应即 可获得能量，二者没有物理连接，安装方便，有良好的绝缘性能。但是，线路 上的电流通常并不恒定，且有较大波动，甚至没有电流，在这种工况下很难保 证稳定的输出。

输配电领域现有的电压电流测量方法是使用电磁式电压和电磁式电流互感 器，这类设备通常体积和重量都比较大，功耗也比较大，运输和安装比较困难， 容易引发电力系统铁磁震荡，而且价格也比较贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输配电线路的电压电流测量取能装置，以解决 现有技术中采样测量线路状态和取电存在困难的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种输配电线路的电压电流测量取能装置，包括电流模块、电压取能模块、 高压端处理单元和低压端处理单元；

所述电流模块用于检测线路导线的电流模拟信号，并将检测到的电流模拟 信号预处理后送入所述高压端处理单元；

所述电压取能模块包括分别与所述线路导线连接的电压测量部分和取能部 分；所述电压测量部分用于取样电压模拟信号，将取得的电压模拟信号直接输 出，或者提供给所述低压端处理单元进行模数转换后输出；所述取能部分包括 高压端取能单元和低压端取能单元，所述高压端取能单元用于获取高压端能量 并进行处理后生成高压端电源，所述低压端取能单元用于获取低压端能量并进 行处理后生成低压端电源；

所述高压端处理单元包括第一单片机系统，用于对接收到的电流模拟信号 进行模数转换，得到电流数字信号，并将所述电流数字信号与所述电流模拟信 号分别经电流隔离数字信号通道和电流隔离模拟信号通道传送到所述低压端处 理单元；

所述低压端处理单元包括第二单片机系统，用于将接收到的电流隔离数字 信号和模数转换后的电压数字信号通过电压电流数字信号通道传输给用户，以 及将电流隔离模拟信号和从所述电压取能模块取得的电压模拟信号通过电压电 流模拟信号通道传输给用户，以供用户根据自身需要选择使用。

优选地，所述电流模块包括环绕所述线路导线的磁芯，以及绕制在所述磁 芯上的大电流检测互感器和小电流检测互感器；所述大电流检测互感器和所述 小电流检测互感器分别用于检测感应出的大电流信号和小电流信号。

优选地，所述电压测量部分包括串联的第一高压采样电容和第二高压采样 电容，所述第一高压采样电容和所述第二高压采样电容形成电容分压式结构， 取样的电压模拟信号为所述第二高压采样电容两端的电压模拟信号。

优选地，所述高压端取能单元包括第一取能变压器，所述高压端取能单元 通过所述第一取能变压器取得的高压端能量进行整流滤波后，再经DC-DC电路 生成高压端电源，为高压端工作的元件提供工作电源；

所述低压端取能单元包括第二取能变压器，所述低压端取能单元通过所述 第二取能变压器取得的低压端能量进行整流滤波后，再经DC-DC电路生成低压 端电源，为低压端工作的元件提供工作电源，同时还提供电源输出给外部用户 使用；

所述第一取能变压器和所述第二取能变压器之间连接有高压限流电容。

优选地，所述第一取能变压器的一次侧设置有第一保护器件，用于防止所 述第一取能变压器出现过压损坏；

所述第二取能变压器的一次侧设置有第二保护器件，用于防止所述第二取 能变压器出现过压损坏。

优选地，所述电压测量部分的测试回路中设置有可更换的第一保险，所述 取能部分的取能回路中设置有可更换的第二保险。

优选地，所述电流模块包括组装的上半壳体和下半壳体，所述上半壳体和 所述下半壳体之间设置有穿线孔，所述穿线孔用于供所述线路导线穿过，所述 上半壳体的顶部设置有防水盖，所述下半壳体的底部设置有固定栓杆、指示灯 柱、出线护罩和电流方向标识。

优选地，所述电压取能模块包括壳体，所述壳体上设置有壳体伞裙，所述 壳体的顶部设置有防水接头、第一保险盖和第二保险盖，所述壳体的底部设置 有出线孔、测量电容孔、取能线圈孔、限流电容孔和接地柱。

优选地，所述电压取能模块的一端通过连接线与所述电流模块相连，所述 电压取能模块的另一端通过连接线与智能终端相连。

优选地，所述电压电流测量取能装置包括多个所述电流模块以及分别与多 个所述电流模块相连的多个所述电压取能模块，每个所述电流模块安装在一根 所述线路导线上，多个所述电压取能模块的出线端连接智能终端及大地；

所述电压电流测量取能装置固定在线路电杆上，所述线路电杆上设置有第 一横担，所述第一横担用于支撑所述电压取能模块；

所述线路电杆的顶部设置有第二横担，所述第二横担上设置有多个支撑绝 缘子，所述支撑绝缘子用于支撑所述线路导线。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1)本发明采用电压测量回路和限流电容取能回路分开设计，但一同封装在 一个壳体内，实现电压测量和电容限流取能一体化设计；2)本发明在高压端和 低压端分别连不同的取能变压器，并在两个取能变压器之间串联限流电容，实 现高低压端同时取能，然后再经整流滤波和DC-DC电路生成需要的电源，并有 超级电容存储能量作为后备电源使用；3)本发明采用高低压端分别取能及电流 信号隔离设计，使高压端的元件，尤其电流的测量元件和线路的电压实现等电 位或者很小的压差即能正常工作，减少绝缘击穿和局放问题；4)本发明通过数 字隔离技术，高压端电流信号经过高压端处理单元处理后经隔离传输到低压端 处理单元，低压端处理单元把电流信号经过DA转换并增加驱动能力后输出实 现测量信号重现，同时也直接输出AD采集后的数字量，用户可以根据需求自 主选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种输配电线路的电压电流测量取能装置的结 构示意图；

图2a-图2f是本发明实施例提供的一种电流模块的立体图、仰视图、左视图、 正视图、右视图、俯视图；

图3a-图3f是本发明实施例提供的一种电压取能模块的立体图、仰视图、左 视图、正视图、右视图、俯视图；

图4a-图4f是本发明实施例提供的一种电压电流测量取能装置的立体图、仰 视图、左视图、正视图、右视图、俯视图；

图5是本发明实施例提供的一种电压电流测量取能装置的安装示意图。

附图标记说明：1-电流模块；2-电压取能模块；3-高压端处理单元；4-低压 端处理单元；5-线路导线；6-连接线；7-智能终端；8-线路电杆；9-第一横担； 10-第二横担；11-支撑绝缘子；21-电压测量部分；22-取能部分；22a-高压端取 能单元；22b-低压端取能单元；101-上半壳体；102-下半壳体；103-穿线孔；104- 防水盖；105-固定栓杆；106-指示灯柱；107-出线护罩；108-电流方向标识；201- 壳体；202-壳体伞裙；203-第一保险盖；204-第二保险盖；205-防水接头；206- 出线孔；207-测量电容孔；208-取能线圈孔；209-限流电容孔；210-接地柱；

F1-第一保险；F2-第二保险；FD1-第一保护器件；FD2-第二保护器件；C1- 第一高压采样电容；C2-第二高压采样电容；C3-高压限流电容；B1-第一取能变 压器；B2-第二取能变压器；V_IOS1-电流隔离模拟信号；V_IOS2-电流隔离数字 信号；TRIG1-隔离触发信号；CAB1-电压电流数字信号、触发信号和调试通讯 信号；CAB2-电压电流模拟信号；CAB3-电输出源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

本发明的实施例提供了一种输配电线路的电压电流测量取能装置，如图1 所示，该电压电流测量取能装置包括电流模块1、电压取能模块2、高压端处理 单元3和低压端处理单元4；

电流模块1用于检测线路导线的电流模拟信号，并将检测到的电流模拟信 号预处理后送入高压端处理单元3，这里的预处理包括运放隔离处理；

电压取能模块2包括分别与线路导线5连接的电压测量部分21和取能部分 22；电压测量部分21用于取样电压模拟信号，将取得的电压模拟信号直接输出， 或者提供给低压端处理单元4进行模数转换后输出；取能部分22包括高压端取 能单元22a和低压端取能单元22b，高压端取能单元22a用于获取高压端能量并 进行处理后生成高压端电源，低压端取能单元22b用于获取低压端能量并进行 处理后生成低压端电源；

高压端处理单元3包括第一单片机系统，用于对接收到的电流模拟信号进 行模数转换，得到电流数字信号，并将所述电流数字信号与所述电流模拟信号 分别经电流隔离数字信号通道和电流隔离模拟信号通道传送到低压端处理单元 4；

低压端处理单元4包括第二单片机系统，用于将接收到的电流隔离数字信 号和模数转换后的电压数字信号通过电压电流数字信号通道传输给用户，以及 将电流隔离模拟信号和从电压取能模块2取得的电压模拟信号通过电压电流模 拟信号通道传输给用户，以供用户根据自身需要选择使用。

在本发明的实施例中，电压测量部分和取能部分分开设计，但封装在一个 壳体内，实现电压测量和取能一体化设计；高压端和低压端同时取能，然后再 经整流滤波和DC-DC电路生成需要的电源，以供高压端和低压端的元件使用， 并能够输出供其他用户使用；本发明采用高低压端分别取能及电流信号隔离设 计，使高压端的元件，尤其电流的测量元件和线路的电压实现等电位或者很小 的压差即能正常工作，减少绝缘击穿和局放问题；通过数字隔离技术，高压端 电流信号经过高压端处理单元处理后经隔离传输到低压端处理单元，低压端处 理单元把电流信号经过DA转换并增加驱动能力后输出实现测量信号重现，同 时也直接输出AD采集后的数字量，用户可以根据需求自主选择。

进一步地，如图1所示，电流模块1包括环绕线路导线5的磁芯，以及绕 制在磁芯上的大电流检测互感器CT1和小电流检测互感器CT2；大电流检测互 感器CT1和小电流检测互感器CT2分别用于检测感应出的大电流信号和小电流 信号。

具体地，这里的磁芯采用开口磁芯，安装好后，线路导线5穿过磁芯，当 线路导线5有电流通过时，大电流检测互感器CT1和小电流检测互感器CT2分 别感应出对应的电流信号，检测这两组感应的电流信号并把信号经过运放隔离 后送入高压端处理单元3。

进一步地，如图1所示，电压测量部分21包括串联的第一高压采样电容C1 和第二高压采样电容C2，第一高压采样电容C1和第二高压采样电容C2形成电 容分压式结构，取样的电压模拟信号为第二高压采样电容C2两端的电压模拟信 号。

取样电压的计算公式为U_采样＝U_相(C1/(C1+C2))，取样电压信号的输出方 式有两种，一种是电容分压取得的测量信号直接经电压电流模拟信号通道输出， 另外一种是把取样电压信号提供给低压端处理单元4，低压端处理单元4含有高 性能单片机系统，对处理后的信号进行AD转换，然后经电压电流数字信号通 道输出。

进一步地，如图1所示，高压端取能单元22a包括第一取能变压器B1，高 压端取能单元22a通过第一取能变压器B1取得的高压端能量进行整流滤波后， 再经DC-DC电路生成高压端电源，为高压端工作的元件提供工作电源；

低压端取能单元22b包括第二取能变压器B2，低压端取能单元22b通过第 二取能变压器B2取得的低压端能量进行整流滤波后，再经DC-DC电路生成低 压端电源，为低压端工作的元件提供工作电源，同时还提供电源输出给外部用 户使用；

第一取能变压器B1和第二取能变压器B2之间连接有高压限流电容C3，以 限制取能回路电路电流和分担回路电压，减少第一取能变压器B1和第二取能变 压器B2上的电压降。

在本发明的实施例中，高低压端电源都配有超级电容进行储能，以增加电 路工作的稳定性。

进一步地，第一取能变压器B1的一次侧设置有第一保护器件FD1，用于防 止第一取能变压器B1出现过压损坏；第二取能变压器B2的一次侧设置有第二 保护器件FD2，用于防止第二取能变压器B2出现过压损坏。

为增加电路的可靠性，防止意外风险，电压测量部分21的测试回路中设置 有可更换的第一保险F1，取能部分22的取能回路中设置有可更换的第二保险 F2。

考虑到高低压端电源的需求不同，变压器功率也不同，取得的电能也不同， 一般来说低压端的功率大些。根据低压端的取能功率大小设计C3和B2对应的 参数即可。其中，取能部分同时给外部用户提供电源。

图2a-图2f是本发明实施例提供的一种电流模块的立体图、仰视图、左视图、 正视图、右视图、俯视图。电流模块1包括组装的上半壳体101和下半壳体102， 上半壳体101和下半壳体102之间设置有穿线孔103，穿线孔103用于供线路导 线5穿过，上半壳体101的顶部设置有防水盖104，下半壳体102的底部设置有 固定栓杆105、指示灯柱106、出线护罩107和电流方向标识108。

图3a-图3f是本发明实施例提供的一种电压取能模块的立体图、仰视图、左 视图、正视图、右视图、俯视图。电压取能模块2包括壳体201，壳体201上设 置有壳体伞裙202，壳体201的顶部设置有防水接头205、第一保险盖203和第 二保险盖204，壳体201的底部设置有出线孔206、测量电容孔207、取能线圈 孔208、限流电容孔209和接地柱210。

图4a-图4f是本发明实施例提供的一种电压电流测量取能装置的立体图、仰 视图、左视图、正视图、右视图、俯视图。电压取能模块2的一端通过连接线6 与电流模块1相连，电压取能模块2的另一端通过连接线6与智能终端7相连。

需要说明的是，以上结构设计仅提供一种优选实施方案，不构成对本发明 的限制，所述电压电流测量取能装置还可以采用其他的结构设计，只要能够实 现相应的功能即可，此处不再赘述。

进一步地，如图5所示，在实际应用过程中，所述电压电流测量取能装置 包括多个电流模块1以及分别与多个电流模块1相连的多个电压取能模块2，每 个电流模块1安装在一根线路导线5上，多个电压取能模块2的出线端连接智 能终端7及大地；

所述电压电流测量取能装置固定在线路电杆8上，线路电杆8上设置有第 一横担9，第一横担9用于支撑电压取能模块2；

线路电杆8的顶部设置有第二横担10，第二横担10上设置有多个支撑绝缘 子11，支撑绝缘子11用于支撑线路导线5。

本发明实施例提供的上述电压电流测量取能装置具有以下特点：

电流模块使用线性度优良的磁芯，采用双绕组的方式分别测量大小电流信 号，测量精度高，线性度好；

电压测量和取能回路分开，集成在一个壳体内，实现一体化，但功能互不 相影响；

采用高压端和低压端同时取能的方式，提供双电源，高低压端取能的电源 分工不同，高压端取能的电源供高压端元件使用，低压端取能的电源除供低压 端元件工作使用外还对外供给其它模块使用；

高低压端之间电流信号采用数字信号和模拟信号隔离传输技术，可有效提 高耐受电压水平并降低局放影响；

电流模块磁芯采用开口设计，安装简便，能带电装卸；

高低压端取能电路不受线路电流大小和环境的影响，即使发生单相接地故 障时总的取能也能维持不变；

采用高频率采样芯片，电压电流采样频率不小于12.8kHZ；

电流模块既能安装固定在裸导线上，也能通过探针刺透绝缘导线绝缘层可 靠连接而安装固定在绝缘线上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输配电线路的电压电流测量取能装置，其特征在于，包括电流模块、电压取能模块、高压端处理单元和低压端处理单元；

所述电流模块用于检测线路导线的电流模拟信号，并将检测到的电流模拟信号预处理后送入所述高压端处理单元；

所述电压取能模块包括分别与所述线路导线连接的电压测量部分和取能部分；所述电压测量部分用于取样电压模拟信号，将取得的电压模拟信号直接输出，或者提供给所述低压端处理单元进行模数转换后输出；所述取能部分包括高压端取能单元和低压端取能单元，所述高压端取能单元用于获取高压端能量并进行处理后生成高压端电源，所述低压端取能单元用于获取低压端能量并进行处理后生成低压端电源；

所述高压端处理单元包括第一单片机系统，用于对接收到的电流模拟信号进行模数转换，得到电流数字信号，并将所述电流数字信号与所述电流模拟信号分别经电流隔离数字信号通道和电流隔离模拟信号通道传送到所述低压端处理单元；

所述低压端处理单元包括第二单片机系统，用于将接收到的电流隔离数字信号和模数转换后的电压数字信号通过电压电流数字信号通道传输给用户，以及将电流隔离模拟信号和从所述电压取能模块取得的电压模拟信号通过电压电流模拟信号通道传输给用户，以供用户根据自身需要选择使用。

2.根据权利要求1所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电流模块包括环绕所述线路导线的磁芯，以及绕制在所述磁芯上的大电流检测互感器和小电流检测互感器；所述大电流检测互感器和所述小电流检测互感器分别用于检测感应出的大电流信号和小电流信号。

3.根据权利要求1所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电压测量部分包括串联的第一高压采样电容和第二高压采样电容，所述第一高压采样电容和所述第二高压采样电容形成电容分压式结构，取样的电压模拟信号为所述第二高压采样电容两端的电压模拟信号。

4.根据权利要求1所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述高压端取能单元包括第一取能变压器，所述高压端取能单元通过所述第一取能变压器取得的高压端能量进行整流滤波后，再经DC-DC电路生成高压端电源，为高压端工作的元件提供工作电源；

所述低压端取能单元包括第二取能变压器，所述低压端取能单元通过所述第二取能变压器取得的低压端能量进行整流滤波后，再经DC-DC电路生成低压端电源，为低压端工作的元件提供工作电源，同时还提供电源输出给外部用户使用；

所述第一取能变压器和所述第二取能变压器之间连接有高压限流电容。

5.根据权利要求4所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述第一取能变压器的一次侧设置有第一保护器件，用于防止所述第一取能变压器出现过压损坏；

所述第二取能变压器的一次侧设置有第二保护器件，用于防止所述第二取能变压器出现过压损坏。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电压测量部分的测试回路中设置有可更换的第一保险，所述取能部分的取能回路中设置有可更换的第二保险。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电流模块包括组装的上半壳体和下半壳体，所述上半壳体和所述下半壳体之间设置有穿线孔，所述穿线孔用于供所述线路导线穿过，所述上半壳体的顶部设置有防水盖，所述下半壳体的底部设置有固定栓杆、指示灯柱、出线护罩和电流方向标识。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电压取能模块包括壳体，所述壳体上设置有壳体伞裙，所述壳体的顶部设置有防水接头、第一保险盖和第二保险盖，所述壳体的底部设置有出线孔、测量电容孔、取能线圈孔、限流电容孔和接地柱。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电压取能模块的一端通过连接线与所述电流模块相连，所述电压取能模块的另一端通过连接线与智能终端相连。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的电压电流测量取能装置，其特征在于，所述电压电流测量取能装置包括多个所述电流模块以及分别与多个所述电流模块相连的多个所述电压取能模块，每个所述电流模块安装在一根所述线路导线上，多个所述电压取能模块的出线端连接智能终端及大地；

所述电压电流测量取能装置固定在线路电杆上，所述线路电杆上设置有第一横担，所述第一横担用于支撑所述电压取能模块；

所述线路电杆的顶部设置有第二横担，所述第二横担上设置有多个支撑绝缘子，所述支撑绝缘子用于支撑所述线路导线。

Images