CN112104082A - 基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统及方法，包括传感器、监测模组、云端服务器和终端机，传感器用于获取感应电压；监测模组用于根据感应电压判断电网线路的状态，及生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器；云端服务器用于将告警信号推送至对应区域的终端机。本发明的有益效果在于：提供了一种无需断电即可安装维护的配电网线路带电状态监测系统，该系统采用基于电场感应的工频非接触测量原理，可将监测发送模组安装在杆塔安全区域，工作安全可靠，监测发送模组具备体型小、成本低，可快速部署，技术先进的特点，通过物联网技术将监测结果实时发送至云端服务器，从而实现远程监测，大大方便了电网运行管理。

Description

基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及电网线路检测技术领域，尤其是指一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统及方法。
背景技术
10kV配电网线路作为变电站和电力用户之间连接的纽带，其运行状态直接影响到供电网、配电网的安全性与稳定性。因此，开展10kV配电网线路带电状态监测工作是十分必要的。
目前，10kV配电网线路常用的监测装置为配电开关监控终端(简称FTU)与故障指示器。
FTU具有遥控、遥测、遥信及故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数，并执行配电主站下发的命令提供配电系统运行情况。但FTU采用直接测量方式，与高压输电线路直接接触，需带电安装，存在极大地安全隐患；FTU装置体积大、成本高，安装和维护比较困难；除带电状态监测功能以外，其他功能使用较少，造成资源浪费；FTU使用内网传输，实时性差。
故障指示器是指一种安装在电力线(架空线，电缆及母排)上指示故障电流的装置。大多数故障指示器仅可以通过检测短路电流的特征来判别、指示短路故障。但故障指示器不包括通讯模块，无法与远程服务器进行数据交互；故障指示器功耗较大，无法满足户外10kV配电网线路带电状态监测的现场低功耗工作要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种可实现无安全隐患带电安装操作、体积小成本低、具有远程通讯功能的10kV配电网线路带电状态监测系统及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，包括传感器、监测模组、云端服务器和终端机，所述传感器与所述监测模组连接，所述监测模组通过无线网络与云端服务器连接，所述云端服务器通过无线网络与终端机连接，
所述传感器用于获取电网线路的感应电压；
所述监测模组用于根据所述感应电压判断电网线路的状态，在出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器；
所述云端服务器用于将告警信号推送至对应区域的终端机。
进一步的，所述监测模组包括处理器、通信模块、监测电路、报警模块和电源管理模块，所述处理器分别与所述通信模块、监测电路和报警模块连接，所述电源管理模块分别与所述处理器、通信模块、监测电路和报警模块连接，所述监测电路与所述传感器连接。
进一步的，所述传感器包括第一感应极板、绝缘支撑杆和第二感应极板，所述绝缘支撑杆设置于所述第一感应极板和第二感应极板之间，所述第一感应极板设有第一电极，所述第二感应极板设有第二电极。
进一步的，所述监测电路包括整流器、充电电容、开关器件和比较器，所述整流器包括交流输入端和直流输出端，所述交流输入端分别与所述传感器的第一电极和第二电极连接，所述直流输出端包括输出端正极和输出端负极，所述输出端正极与比较器的正输入端连接，所述输出端负极与地连接；所述充电电容的一端与所述输出端正极连接，所述充电电容的另一端与所述输出端负极连接；所述开关器件的一端与所述输出端正极连接，所述开关器件的另一端与所述输出端负极连接，所述开关器件的控制端与所述处理器的I/O引脚连接；所述比较器的负输入端通过第一电阻与电源正极连接，所述比较器的负输入端通过第二电阻与地连接，比较器的输出端与处理器的获取端口连接。
进一步的，所述处理器包括定时器模块，所述定时器模块用于获取充电电容的充电时间。
进一步的，所述通信模块为NB-IOT模块，所述NB-IOT模块通过串口与所述处理器的串口通讯端口连接。
进一步的，所述报警模块包括报警灯和报警喇叭，所述报警灯和报警喇叭均通过所述I/O引脚与所述处理器连接。
进一步的，所述电源管理模块包括电池和电池电量检测电路，所述电池分别与所述处理器、通信模块、监测电路和报警模块连接，所述电池电量检测电路分别与所述电池和所述处理器的AD转换端口连接。
本发明还涉及一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测方法，包括：
获取配电网线路的感应电压；
对充电电容进行充放电；
获取充电电容的充电时间；
根据充电时间判断配电网线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；
将告警信号推送至对应区域的终端机。
进一步的，在对充电电容进行充放电处理的步骤之前，还包括判断是否需要休眠，是则保持充电电容在放电状态。
本发明的有益效果在于：提供了一种无需断电即可安装维护的配电网线路带电状态监测系统，该系统采用基于电场感应的工频非接触测量原理，可将监测发送模组安装在杆塔安全区域，工作安全可靠，监测发送模组具备体型小、成本低，可快速部署，技术先进的特点，通过物联网技术将监测结果实时发送至云端服务器，从而实现远程监测，大大方便了电网运行管理。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构：
图1为本发明的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统结构示意图；
图2为本发明的感应极板的结构示意图；
图3为本发明的传感器的结构示意图；
图4为本发明的监测模组的结构示意图；
图5为本发明各状态的充电时间对比示意图；
1-金属电极；2-支撑垫；3-第一感应极板；31-第二感应极板；4-绝缘支撑杆；41-无级安装卡扣；5-传感器；6-整流器；7-充电电容；8-开关器件；9-比较器；10-处理器；11-通信模块；12-电池；13-电池电量检测电路；14-电源管理模块；15-监测电路；16-报警模块；17-监测模组；18-终端机；19-云端服务器；20-无线网络。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
请参阅图1至图4，一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，包括传感器5、监测模组17、云端服务器19和终端机18，所述传感器5与所述监测模组17连接，所述监测模组17通过无线网络20与云端服务器19连接，所述云端服务器19通过无线网络20与终端机19连接，
所述传感器8用于获取电网线路的感应电压；
所述监测模组17用于根据所述感应电压判断电网线路的状态，在出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器19；
所述云端服务器19用于将告警信号推送至对应区域的终端机18。
本实施例中，10kV配电网线路相与地之间会有分布电容的存在，在电压作用下会产生电容电流。将传感器安装在10kV配电网线路杆塔距离地面一定高度处，在电容电流的作用下，传感器会产生一定的电压。监测模组通过该电压判断电网线路的状态，当出现异常情况时，监测模组生成告警信号，并通过无线网络将告警信号发送至云端服务器。
监测模组在安装时，工作人员登记对应监测模组的地理位置信息，云端服务器可结合地理信息系统将直观实时显示本区域内的10kV配电网线路的带电状态。同时，工作人员通过终端机访问云端服务器时，可以直观看到区域内的10kV配电网线路的带电状态，当云端服务器获取到监测模组的告警信号后，也可将出现问题的对应监测模组的地理位置信息显示出来，方便工作人员排查。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种无需断电即可安装维护的配电网线路带电状态监测系统，该系统采用基于电场感应的工频非接触测量原理，可将监测发送模组安装在杆塔安全区域，工作安全可靠，监测发送模组具备体型小、成本低，可快速部署，技术先进的特点，通过物联网技术将监测结果实时发送至云端服务器，从而实现远程监测，大大方便了电网运行管理。
实施例2
在实施例1的基础上，所述监测模组17包括处理器10、通信模块11、监测电路15、报警模块16和电源管理模块14，所述处理器10分别与所述通信模块11、监测电路15和报警模块16连接，所述电源管理模块14分别与所述处理器10、通信模块11和监测电路15连接，所述监测电路15与所述传感器5连接。
本实施例中，监测模组采用低功耗的MCU处理器，其中处理器包括捕获端口、AD转换端口、串口通讯端口以及I/O引脚，处理器通过捕获端口与传感器连接，处理器通过串口通讯端口与通信模块连接，处理器通过I/O引脚与检测电路和报警模块连接，处理器通过AD转换端口与电源管理模块连接。
实施例3
在实施例2的基础上，所述传感器5包括第一感应极板3、绝缘支撑杆4和第二感应极板31，所述绝缘支撑杆4设置于所述第一感应极板3和第二感应极板31之间，所述第一感应极板3设有第一电极，所述第二感应极板31设有第二电极。
本实施例中，将金属电极1安装在支撑垫2的一侧表面组成感应极板，在绝缘支撑杆4的两端各安装一块感应极板，从而得到传感器5。
为了能够适应不同杆塔尺寸，绝缘支撑杆4上设有无级安装卡扣41，通过调整无级安装卡扣41，可以将传感器5安装在不同尺寸的杆塔上。
安装传感器时，将传感器5的第一感应极板3和第二感应极板31调整至于输电导线平行。
在传感器的金属材质和安装位置确定的情况下，第一感应极板和第二感应极板的面积越大，两者之间的电压差越大；
在传感器的金属材质和面积确定的情况下，传感器的安装位置越靠近10kv输电线路，第一感应极板和第二感应极板之间的电压差越大。
传感器的有最佳安装距离，只有当第一感应极板和第二感应极板处于最佳安装距离时，两者之间的电压差最大。
可根据安装位置灵活调整感应极板面积以获得所需的电压差。
实施例4
在实施例3的基础上，所述监测电路15包括整流器6、充电电容7、开关器件8和比较器9，所述整流器6包括交流输入端和直流输出端，所述交流输入端分别与所述传感器5的第一电极和第二电极连接，所述直流输出端包括输出端正极和输出端负极，所述输出端正极与比较器的正输入端连接，所述输出端负极与地连接；所述充电电容7的一端与所述输出端正极连接，所述充电电容7的另一端与所述输出端负极连接；所述开关器件8的一端与所述输出端正极连接，所述开关器件8的另一端与所述输出端负极连接，所述开关器件8的控制端与所述处理器的I/O引脚连接；所述比较器的负输入端通过第一电阻R1与电源正极连接，所述比较器9的负输入端通过第二电阻R2与地连接，比较器的输出端与处理器的获取端口连接。
所述处理器10包括定时器模块，所述定时器模块用于获取充电电容的充电时间。
本实施例中，处理器循环给开关器件发送断开/闭合命令，充电电容循环进行充、放电，当开关器件处于断开状态时，整流器对充电电容进行充电，此时，充电电容两端的电压不断升高，充电电容的正极接在比较器的正输入端，比较器的负输入端接阈值电压。当充电电容的电压值大于设定的阈值电压时，比较器的输出端为高电平，此时处理器获取到来自比较器的输出端的上升沿信号，处理器的定时器模块根据充电电容开始充电到处理器捕获到上升沿信号计算所需的充电时间，并通过充电时间判断配电网线路带电状态。
实施例5
在实施例4的基础上，所述通信模块为NB-IOT模块，所述NB-IOT模块通过串口与所述处理器的串口通讯端口连接。
本实施例中，NB-IOT模块与处理器之间通过串口进行通讯，处理器通过NB-IOT模块接收来自于云端服务器发送的命令，并将配电网线路带电状态监测信息通过NB-IOT模块发送给云端服务器。
实施例6
在实施例5的基础上，所述报警模块包括报警灯和报警喇叭，所述报警灯和报警喇叭均通过所述I/O引脚与所述处理器连接。
本实施例中，报警模块具有灯光声音报警功能，当配电网线路正常运行时，报警模块处于休眠状态；当配电网线路发生电压跌落或中断事故时，报警模块在处理器的控制下开始工作，发出闪光报警信号和警示音提醒。
实施例7
在实施例6的基础上，所述电源管理模块14包括电池12和电池电量检测电路13，所述电池分别与所述处理器、通信模块、监测电路和报警模块连接，所述电池电量检测电路分别与所述电池和所述处理器的AD转换端口连接。
本实施例中，电源管理模块给整个监测模组供电，电池电量测量电路实时监测电池的电压，处理器的AD转换端口将电池的电压模拟数据转换为数字数据，若电池的电压低于预设电压，监测模组则通过NB-IOT模块发送给云端服务器，由云端服务器通知工作人员更换电池。
实施例9
本发明还涉及一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测方法，包括：
获取配电网线路的感应电压；
对充电电容进行充放电；
获取充电电容的充电时间；
根据充电时间判断配电网线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；
将告警信号推送至对应区域的终端机。
本实施例中，通过控制处理器的I/O引脚，循环给开关器件发送断开/闭合命令，使充电电容循环进行充、放电。当开关器件处于断开状态时，整流器对充电电容进行充电，此时，充电电容两端的电压vi不断升高，充电电容的正极接在比较器的正输入端，比较器的负输入端通过第一电阻与电源正极连接，电源正极的电压通过第一电阻分压得到阈值电压vf。当充电电容的电压值vi大于阈值电压vf时，比较器的输出端输出高电平，此时处理器的获取端口捕获到上升沿信号，此时处理器的定时器模块即可计算出通过充电电容两端电压从零升到vf所用的充电时间Δt，根据充电时间Δt判断配电网线路带电状态。
具体的，请参阅图3，当充电时间Δt小于或等于第一时间t1时，可以判断线路正常；
当充电时间Δt大于第二时间t2，小于第三时间t3时，可以判断线路出现电压跌落；
当充电时间Δt大于或等于第三时间t3时，可以判断线路出现断路。
实施例10
在实施例9的基础上，在对充电电容进行充放电处理的步骤之前，还包括判断是否需要休眠，是则保持充电电容在放电状态。
本实施例中，为了适当延长监测系统的使用时长，可让系统定期进入更低功耗的休眠状态，根据预设时间定期唤醒，并对配电网线路带电状态进行检测，当经过一段时间的检测或一定次数的检测均未出现异常状况时，系统可再次进入休眠状态。当处于休眠状态时，处理器向开关器件发送闭合命令，使第一感应极板的第一电极与第二感应极板的第二电极短路，从而使充电电容被短路，此时充电电容的正负极之间不会有电压差，整个系统处于休眠状态。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：包括传感器、监测模组、云端服务器和终端机，所述传感器与所述监测模组连接，所述监测模组通过无线网络与云端服务器连接，所述云端服务器通过无线网络与终端机连接，
所述传感器用于获取电网线路的感应电压；
所述监测模组用于根据所述感应电压判断电网线路的状态，在出现异常情况时生成告警信号，并将告警信号发送至云端服务器；
所述云端服务器用于将告警信号推送至对应区域的终端机。
2.如权利要求1所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述监测模组包括处理器、通信模块、监测电路、报警模块和电源管理模块，所述处理器分别与所述通信模块、监测电路和报警模块连接，所述电源管理模块分别与所述处理器、通信模块、监测电路和报警模块连接，所述监测电路与所述传感器连接。
3.如权利要求2所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述传感器包括第一感应极板、绝缘支撑杆和第二感应极板，所述绝缘支撑杆设置于所述第一感应极板和第二感应极板之间，所述第一感应极板设有第一电极，所述第二感应极板设有第二电极。
4.如权利要求3所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述监测电路包括整流器、充电电容、开关器件和比较器，所述整流器包括交流输入端和直流输出端，所述交流输入端分别与所述传感器的第一电极和第二电极连接，所述直流输出端包括输出端正极和输出端负极，所述输出端正极与比较器的正输入端连接，所述输出端负极与地连接；所述充电电容的一端与所述输出端正极连接，所述充电电容的另一端与所述输出端负极连接；所述开关器件的一端与所述输出端正极连接，所述开关器件的另一端与所述输出端负极连接，所述开关器件的控制端与所述处理器的I/O引脚连接；所述比较器的负输入端通过第一电阻与电源正极连接，所述比较器的负输入端通过第二电阻与地连接，比较器的输出端与处理器的获取端口连接。
5.如权利要求4所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述处理器包括定时器模块，所述定时器模块用于获取充电电容的充电时间。
6.如权利要求5所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述通信模块为NB-IOT模块，所述NB-IOT模块通过串口与所述处理器的串口通讯端口连接。
7.如权利要求6所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述报警模块包括报警灯和报警喇叭，所述报警灯和报警喇叭均通过所述I/O引脚与所述处理器连接。
8.如权利要求7所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测系统，其特征在于：所述电源管理模块包括电池和电池电量检测电路，所述电池分别与所述处理器、通信模块、监测电路和报警模块连接，所述电池电量检测电路分别与所述电池和所述处理器的AD转换端口连接。
9.一种基于物联网技术的配电网线路带电状态监测方法，包括：
获取配电网线路的感应电压；
对充电电容进行充放电；
获取充电电容的充电时间；
根据充电时间判断配电网线路是否存在异常，若存在异常，则生成告警信号并发送至云端服务器；
将告警信号推送至对应区域的终端机。
10.如权利要求9所述的基于物联网技术的配电网线路带电状态监测方法，其特征在于：在对充电电容进行充放电处理的步骤之前，还包括判断是否需要休眠，是则保持充电电容在放电状态。
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Applicant after: Shaanxi taowang Xinzhi Software Technology Co.,Ltd.

Applicant after: XI'AN JIAOTONG University

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Applicant before: XI'AN JIAOTONG University

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