CN112147400B - 一种电缆负荷精确采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆负荷精确采集装置及方法，所述装置包括电缆负荷精确采集主机和数据采集传感器。其中，所述电缆负荷精确采集主机包括壳体、显示屏以及安装在壳体内部的主控模块，电源模块，信号处理模块、底板和电池；所述数据采集传感器将采集到的电流信号反馈给所述电缆负荷精确采集主机，所述电缆负荷精确采集主机通过所述信号处理模块及所述主控模块对采集信号进行处理，通过找出数字化后的被测信号过零点位置后计算出采集信号的相位差，并对采集信号进行矢量差操作，得到精确的电缆负荷信息；所述电池为可充电电池，经所述电源模块处理后分别对所述主控模块和所述信号处理模块进行供电；所述显示屏可以实现数据采集显示功能。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统电缆在线监测领域，尤其涉及一种电缆负荷精确采集方法及装置。
背景技术
随着科技的发展，工业现场及电力系统输配电均朝着自动化、智能化的方向发展，现代电力系统输送容量越来越大、供电电压等级不断提高，传统的计量、保护、监测传感器难以满足工程需要，对测量装置提出了与以往不同的要求，在准确性和适用性上的需求不断扩大。
为了防止电缆绝缘过早老化并确保电缆安全运行，电缆线路应按照规定的长期允许载流量运行。过负荷对电缆线路的安全运行有较大的危害性，所以运行部门必须经常测量和监视电缆的负荷，以便当系统发生故障或异常情况时紧急调荷、减荷，确保电缆按规定的载流量运行。电流测量装置中，传统的电磁式电流互感器易饱和、体积大、频带较窄且不易实现数字化、智能化，因而新型电子式电流互感器成为电流测量的新方向，迫切需要研制测量范围广、绝缘简单的新型电气量测量传感器。
根据Q-GDW11223-2014《高压电缆状态检测技术规范》，高压电缆线路地电流检测诊断依据包括：1)接地电流绝对值＜50A；2)接地电流与负荷比值＜20％；3)单相接地电流最大值/最小值＜3。而在此之前，高压电缆线路地电流检测诊断依据仅根据接地电流的绝对值进行判断。该标准完善了高压电缆线路地电流检测的诊断依据，同时体现了获取电缆负荷的真实值意义。
电流测量原理主要分为两大类：一是根据被测电流在已知电阻上的电压降确定被测电流大小，如分流器等；二是根据被测电流所建立磁场推算被测电流大小，如铁芯线圈、罗氏线圈、光学电流传感器、霍尔电流传感器等。由于对材料特性要求十分严格、结构复杂、安装不便、影响回路参数等原因限制了第一类装置的应用范围。第二类装置中，电磁式电流互感器传感原理简单、准确度高、技术成熟，但存在容易饱和、频带不易拓宽的特点，使其仅在工频电流测量领域具有广泛应用；基于法拉第磁光效应的光纤电流传感器频带宽、动态范围大、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻，主要用于高压电力传输系统、直流大电流检测等领域，在准确度和稳定性方面有待改善，应用于工程实际尚需时日；霍尔电流传感器可测量直流和交流电流，主要应用在工业现场数百安培范围内电流的测量，霍尔电流传感器应用中也存在一些问题，例如，在保证准确度和长期稳定性的同时如何实现体积重量最小化；罗氏线圈传感器可测直流大电流、工频交流、脉冲大电流、电流变化率等电参量，应用空间广泛。
电缆线芯中流过的负荷电流会在电缆周围产生交变磁场，并在周围产生一个与金属护层相交链的磁通。变化的磁通使金属护层上产生感应电压。护层感应电压大小与电缆的长度、电缆芯线中流过的负荷电流大小等因素有关。金属护层接地时，由于电力电缆芯线与护层间电容的存在，金属护层存在电容电流。电缆的护层电流是护层中流过的感应电流和电容电流之和。电容电流只受电缆运行电压和分段长度的影响。电缆护层环流是由电磁感应和静电感应共同作用产生的，且电容电流与电缆运行电压和分段长度相关。当电缆发生故障时，主要是电缆芯线中流过的负荷电流发生变化，电缆的运行电压和电缆长度未发生变化，护层环流中电容电流不变且很小。因此，电磁感应激发的电流占护层环流的主要部分。由电磁感应产生的护层环流与系统阻抗、电缆芯线流过的负荷电流和电缆长度等多种影响因素有关。
根据现有技术，检测电缆负荷电流的设备实际获取的是电缆本体复合电流，该电流值包含了电缆负荷电缆、接地电流和电容电流。这对于需要获取准确电缆负荷值的情况如高压电缆线路地电流检测诊断则非常不利，阻碍了电缆接地环路故障的准确判断。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了本发明提出了一种电缆负荷精确采集装置和方法，采用罗氏线圈传感器作为电缆负荷精确采集仪测量电缆本体复合电流和接地电流的传感器，根据电缆负荷电流磁场进行分析，利用过零点法，计算电缆本体复合电流和接地电流之间的相位角，然后对电缆本体复合电流和接地电流进行矢量差操作，剔除其他电流磁场的影响，可精确采集电缆负荷电流。
本发明采用的技术方案是：一种电缆负荷精确采集装置，包括：电缆负荷精确采集主机和数据采集传感器；
其中，所述数据采集传感器是一种开合式柔性罗氏线圈电流传感器，根据电磁感应原理采集通过线圈的电流；所述数据采集传感器包括接地电流采集传感器和电缆本体复合电流采集传感器，所述接地电流采集传感器安装于每回被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，用于采集电缆接地电流，所述电缆本体复合电流传感器安装于电缆本体上，用于采集通过电缆本体的复合电流；
所述电缆负荷精确采集主机包括壳体、显示屏以及安装在壳体内部的主控模块，电源模块，信号处理模块、底板和电池；
所述数据采集传感器将采集到的电流信号反馈给所述电缆负荷精确采集主机；
所述电缆负荷精确采集主机的信号处理模块用于对接收到的反馈的电流信号进行模拟数字转换处理，得到数字化的信号；
所述主控模块对用于对数字化的信号进行处理，检测数字化后的被测信号过零点位置，并计算出采集的电缆本体的复合电流信号和电缆接地电流的相位差，并对采集信号进行矢量差操作，得到精确的电缆负荷信息；
所述电池为可充电电池，经所述电源模块处理后分别对所述主控模块和所述信号处理模块进行供电；所述显示屏用于实现数据采集显示功能。
进一步的，所述电缆本体复合电流传感器采集到通过电缆本体的复合电流，所述接地电流采集传感器采集到电缆接地电流，所述通过电缆本体的复合电流包括流经高压电缆导体线芯的负荷电流与流经电缆金属套的接地电流的时域叠加电流，电缆的真实负荷电流为通过电缆本体的电流与电缆护层环流的矢量差。
进一步的，所述信号处理模块对所述数据采集传感器采集到的信号进行去噪、放大、偏置处理。
进一步的，所述主控模块利用所述信号处理模块数字化处理过的信号计算通过电缆本体的电流与电缆护层环流的相位角及矢量差。
进一步的，对信号幅值过零点位置进行线性插值，利用插值技术得到精确的信号过零点位置的相位，再获取电流相位差，从而提高相位差的测量精度，并且通过改变插值个数，保证在不同频率范围内测量精度一致，提升电缆负荷电流的精确度。
进一步的，所述主控模块，电源模块，信号处理模块插接在电路底板上，每个功能模块可直接进行插拔式操作，互相独立，易于维护。
根据本发明的另一方面，提出一种利用所述的电缆负荷精确采集装置进行电缆负荷精确测量的方法，包括如下步骤：
将接地电流采集传感器安装于被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，将电缆本体复合电流采集传感器安装于电缆本体上；
接地电流采集传感器检测到接地电流，电缆本体复合电流采集传感器检测到通过电缆本体的复合电流，主控模块实现两通道的同步采集，且保证信号处理的实时性，采集到的接地电流信号和通过电缆本体的复合电流传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理模块处理后的信号传输到主控模块进行处理；
所述信号处理模块对采集到的同步的接地电流信号和电缆本体复合电流进行分析，对信号进行去噪、放大、偏置处理，将有效数据传输到主控模块；所述主控模块利用过零点法计算接地电流信号和通过电缆本体的电流的相位差并对接地电流信号和通过电缆本体的电流进行矢量差操作，获取精确的电缆负荷电流。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明采用开合式罗氏线圈传感器作为数据采集传感器，传感器体积小，形变灵活，安装方便，可应用于各种电缆线路场景下，不受线路空间限制，而且结构简单，与被测电路没有电气连接，可以方便地实现对高压回路的隔离测量，且具有使用频率和测量范围较宽、稳定性强、安全可靠、设计和制作较为灵活方便的特点，保障了人身和设备的安全；
(2)本发明测量的电缆负荷电流不同于普通的钳形电流表测量方式，是建立在对电缆本体复合电流采集传感器原理、复合电流组成分析的基础上，同步采集电路本体复合电流和接地电流，对电缆本体复合电流进行组分分析，剔除混入的接地电流，获取真实的、精确的电缆负荷电流；
(3)本发明在信号处理过程中对采集信号进行了噪声消除，对信号幅值过零点位置进行线性插值，利用插值技术得到高精度的信号过零点位置的相位，再获取电流相位差，从而提高相位差的测量精度，并且通过改变插值个数，保证在很广的频率范围内测量精度一致，提升了电缆负荷电流的精确度。具体而言，对双通道被测信号进行采集，得到高密度的电缆本体复合电流信号和接地电流的波形数据，通过对波形数据进行分析，可得到近似的被测信号零相位过零点位置，在过零点位置附件进行插值处理，可得到高精度的零相位过零点位置，进而得到高精度的相位差。理论上，采样频率越高，过零点位置精度越高，相位差结果越精确，而利用插值方法提高过零点位置精度，插值个数可根据需要的精度而定，通过改变插值个数，还可以保证在不同的采样频率下测量精度一致。
(4)本发明所述数据采集传感器在一次电流小于10A时精度不低于5％，一次电流高于10A时精度不低于1％。
(5)本发明所述主控模块，电源模块，信号处理模块均为功能独立模块，采用插拔式操作安装于电路底板上，有利于后期现场维护与更换。
附图说明
图1为本发明所述的一种电缆负荷精确采集装置的结构示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所述，本发明提出所述的一种电缆负荷精确采集装置的结构示意图。如图1所示，装置包括电缆负荷精确采集主机和数据采集传感器，所述电缆负荷精确采集主机包括传感器接口1，主控模块2，电源模块3，信号处理模块4，电池5，充电接口6，显示屏7，外壳10，电路底板11；所述数据采集传感器包括电缆本体复合电流采集传感器8和接地电流采集传感器9。
所述电缆负荷精确采集主机和电缆本体复合电流采集传感器8和接地电流采集传感器9通过环流传感器接口1相连；所述电池5通过所述充电接口6连接外部充电设备充电；所述主控模块2，电源模块3，信号处理模块4安装于电路底板11上；所述显示屏7安装于外壳10上。
根据本发明的一个实施例，一种电缆负荷精确采集装置，包括：电缆负荷精确采集主机和数据采集传感器；
其中，所述数据采集传感器是一种开合式柔性罗氏线圈电流传感器，根据电磁感应原理采集通过线圈的电流；所述数据采集传感器包括接地电流采集传感器和电缆本体复合电流采集传感器，所述接地电流采集传感器安装于每回被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，用于采集电缆接地电流，所述电缆本体复合电流传感器安装于电缆本体上，用于采集通过电缆本体的复合电流；
所述电缆负荷精确采集主机包括壳体、显示屏以及安装在壳体内部的主控模块，电源模块，信号处理模块、底板和电池；
所述数据采集传感器将采集到的电流信号反馈给所述电缆负荷精确采集主机；
所述电缆负荷精确采集主机的信号处理模块用于对接收到的反馈的电流信号进行模拟数字转换处理，得到数字化的信号；
所述主控模块对用于对数字化的信号进行处理，检测数字化后的被测信号过零点位置，并计算出采集的电缆本体的复合电流信号和电缆接地电流的相位差，并对采集信号进行矢量差操作，得到精确的电缆负荷信息；
所述电池为可充电电池，经所述电源模块处理后分别对所述主控模块和所述信号处理模块进行供电；所述显示屏用于实现数据采集显示功能。
根据本发明的一个实施例，所述电缆本体复合电流传感器采集到通过电缆本体的复合电流，所述接地电流采集传感器采集到电缆接地电流，所述通过电缆本体的复合电流包括流经高压电缆导体线芯的负荷电流与流经电缆金属套的接地电流的时域叠加电流，电缆的真实负荷电流为通过电缆本体的电流与电缆护层环流的矢量差。
根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块对所述数据采集传感器采集到的信号进行去噪、放大、偏置处理。
根据本发明的一个实施例，所述主控模块利用所述信号处理模块数字化处理过的信号计算通过电缆本体的电流与电缆护层环流的相位角及矢量差。
根据本发明的一个实施例，对信号幅值过零点位置进行线性插值，利用插值技术得到精确的信号过零点位置的相位，再获取电流相位差，从而提高相位差的测量精度，并且通过改变插值个数，保证在不同频率范围内测量精度一致，提升电缆负荷电流的精确度。
根据本发明的一个实施例，所述主控模块，电源模块，信号处理模块插接在电路底板上，每个功能模块可直接进行插拔式操作，互相独立，易于维护。
根据本发明的一个实施例，提出一种利用所述的电缆负荷精确采集装置进行电缆负荷精确测量的方法，包括如下步骤：
将接地电流采集传感器安装于被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，将电缆本体复合电流采集传感器安装于电缆本体上；
接地电流采集传感器检测到接地电流，电缆本体复合电流采集传感器检测到通过电缆本体的复合电流，主控模块实现两通道的同步采集，且保证信号处理的实时性，采集到的接地电流信号和通过电缆本体的复合电流传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理模块处理后的信号传输到主控模块进行处理；
所述信号处理模块对采集到的同步的接地电流信号和电缆本体复合电流进行分析，对信号进行去噪、放大、偏置处理，将有效数据传输到主控模块；所述主控模块利用过零点法计算接地电流信号和通过电缆本体的电流的相位差并对接地电流信号和通过电缆本体的电流进行矢量差操作，获取精确的电缆负荷电流
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，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保护范围内。
Claims (6)
1.一种电缆负荷精确采集装置，其特征在于，包括：电缆负荷精确采集主机和数据采集传感器；
其中，所述数据采集传感器是一种开合式柔性罗氏线圈电流传感器，根据电磁感应原理采集通过线圈的电流；所述数据采集传感器包括接地电流采集传感器和电缆本体负荷电流采集传感器，所述接地电流采集传感器安装于每回被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，用于采集电缆接地电流，所述电缆本体负荷电流传感器安装于电缆本体上，用于采集通过电缆本体的负荷电流；
所述电缆负荷精确采集主机包括壳体、显示屏以及安装在壳体内部的主控模块，电源模块，信号处理模块、底板和电池；
所述数据采集传感器将采集到的电流信号反馈给所述电缆负荷精确采集主机；
所述电缆负荷精确采集主机的信号处理模块用于对接收到的反馈的电流信号进行模拟数字转换处理，得到数字化的信号；
所述主控模块对用于对数字化的信号进行处理，检测数字化后的被测信号过零点位置，并计算出采集的电缆本体的负荷电流信号和电缆接地电流的相位差，并对采集信号进行矢量差操作，得到精确的电缆负荷信息；
所述电池为可充电电池，经所述电源模块处理后分别对所述主控模块和所述信号处理模块进行供电；所述显示屏用于实现数据采集显示功能；
所述电缆本体负荷电流传感器采集到通过电缆本体的负荷电流，所述接地电流采集传感器采集到接地电流，所述通过电缆本体的负荷电流包括流经高压电缆导体线芯的负荷电流与流经电缆金属套的接地电流的时域叠加电流，电缆的真实负荷电流为通过电缆本体的负荷电流与电缆护层环流的矢量差；所述电缆负荷精确采集主机和电缆本体负荷电流采集传感器、接地电流采集传感器通过环流传感器接口相连。
2.根据权利要求1所述的一种电缆负荷精确采集装置，其特征在于：
所述信号处理模块对所述数据采集传感器采集到的信号进行去噪、放大和偏置处理。
3.根据权利要求1所述的一种电缆负荷精确采集装置，其特征在于：
所述主控模块利用所述信号处理模块数字化处理过的信号计算通过电缆本体的电流与电缆护层环流的相位角及矢量差。
4.根据权利要求3所述的一种电缆负荷精确采集装置，其特征在于：
对信号幅值过零点位置进行线性插值，利用插值技术得到信号过零点位置的相位，再获取电流相位差，从而提高相位差的测量精度，并且通过改变插值个数，保证在不同频率范围内测量精度一致，提升电缆负荷电流的精确度。
5.根据权利要求1所述的一种电缆负荷精确采集装置，其特征在于：所述主控模块，电源模块，信号处理模块插接在电路底板上，每个功能模块可直接进行插拔式操作，互相独立。
6.一种利用权利要求1所述的电缆负荷精确采集装置进行电缆负荷精确测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将接地电流采集传感器安装于被监测线路的直接接地处或交叉互联接地处，将电缆本体负荷电流采集传感器安装于电缆本体上；
接地电流采集传感器检测到接地电流，电缆本体负荷电流采集传感器检测到通过电缆本体的负荷电流，主控模块实现两通道的同步采集，且保证信号处理的实时性，采集到的接地电流信号和通过电缆本体的负荷电流传输到信号处理模块进行信号处理，信号处理模块处理后的信号传输到主控模块进行处理；
所述信号处理模块对采集到的同步的接地电流信号和电缆本体负荷电流进行分析，对信号进行去噪、放大和偏置处理，将有效数据传输到主控模块；所述主控模块利用过零点法计算接地电流信号和通过电缆本体的电流的相位差并对接地电流信号和通过电缆本体的负荷电流进行矢量差操作，获取电缆负荷电流；所述电缆本体负荷电流传感器采集到通过电缆本体的负荷电流，所述接地电流采集传感器采集到接地电流，所述通过电缆本体的负荷电流包括流经高压电缆导体线芯的负荷电流与流经电缆金属套的接地电流的时域叠加电流，电缆的真实负荷电流为通过电缆本体的负荷电流与电缆护层环流的矢量差；所述电缆负荷精确采集主机和电缆本体负荷电流采集传感器、接地电流采集传感器通过环流传感器接口相连。
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