CN112213597A - 非接触式高压直流线路故障定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了非接触式高压直流线路故障定位系统，涉及电气工程技术领域，包括信号采集单元、信号转换单元、信号调理单元、中央处理单元、数据储存单元、数据传输单元和电源模块。本发明中，该非接触式高压直流线路故障定位系统采用无接触行波信号采集传感器，直接采集行波信号，实现对暂态信号的无失真采集；该非接触式高压直流线路故障定位系统通过对故障发生时行波速度的在线实时计算，避免了波速误差的影响，提高了测距精度；该非接触式高压直流线路故障定位系统采用分布式安装采集方式，减少行波信号沿线衰减对测距造成的影响；不需要安装在输电线路上，避免了设备安装和维护导致的停电。

Description

非接触式高压直流线路故障定位系统
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及非接触式高压直流线路故障定位系统。
背景技术
高压直流输电线路具有远距离、大容量输电及异步联网等方面的优点，在我国电力工程中具有重要的作用。由于线路距离长、出线走廊复杂、沿线气候条件多变，高压直流输电线路极易发生故障。为了解决高压输电线路故障定位的问题，站端式双端行波测距得到广泛应用。但由于直流线路长度通常达上千公里，故障行波在沿线路传播的过程中会出现严重衰减，使在换流站处测量到的行波上升速度变慢、幅值变小，影响直流线路测距灵敏度及精度。尤其是发生高阻接地故障时，安装在直流线路两端的测距装置将难以检测到行波信号，导致无法确定故障位置，给事故后的故障排查带来诸多不便。
目前，交流输电线路往往采用分布式行波测距方法克服了行波信号衰减的问题，且可以提高线路故障定位的精度。但该方法应用于直流输电线路上时，存在以下问题：
1、在直流输电线路上无法利用导线感应电流对行波采集终端单元提供电源。
2、固定在线路上的安装方式需要将直流线路停电才可以进行安装和维护，但由于高压直流线路往往输送功率大，停电对电力系统供电可靠性影响较大。
为此，我们提出非接触式高压直流线路故障定位系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的非接触式高压直流线路故障定位系统，简述下达到的技术效果。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
非接触式高压直流线路故障定位系统，包括
信号采集单元，所述信号采集单元包括非接触式行波电流传感器和非接触式电压传感器，所述非接触式行波电流传感器为微风环，主要用于进行行波电流的采集；
信号转换单元，所述信号转换单元包括MCU内置的低速模数转换(ADC)模块及外置的高速模数转换(ADC)模块；
中央处理单元，所述中央处理单元包括主监控板，主要用于实现采集、监控、分析、通讯、存储等功能；
数据储存单元，所述数据储存单元用于存储信号采集单元采集的信号数据；
数据传输单元，所述数据传输单元用于传输信号数据；
电源模块，所述电源模块用于为非接触式高压直流线路故障定位系统进行供电。
行波以电磁波方式传输，利用空间电场传感器和磁场传感器接收电磁波，可实现对线路故障电压、电流行波信息的直接采集。该方式避免了传统行波采集方式中二次回路对行波波形的影响，信号无失真，电压、电流行波可同时采集、相互认证；同时，信号采集单元与高压无接触，便于安装、调试和维护，避免了电晕等强电磁环境的影响。空间电场传感器的信号接收具有方向性，半功率点约为±45。电场传感器在垂直向上方向接收信号的灵敏度最高，水平方向接收的能量可以忽略不计。空间磁场传感器的信号接收方向与输电线路的传输方向垂直时，线路的电流信号接收灵敏度最高，若磁场传感器方向与输电线路平行，则接收信号为零。
进一步地，所述微分环是Rogowski线圈的一种特殊形式，其结构和绕线方式都与Rogowski线圈相同，只是所述微分环采用的是直线型骨架。当输电线路上流过行波电流时，导线周围就会形成一暂态磁场。所述微分环与该暂态磁场交链时，所述微分环两端就会产生感应电动势e(t)，所述e(t)正比于微分环的匝数N、截面积S以及磁感应强度的变化率dB/dt，由于输出的是微分信号，为还原被测信号还需对该信号进行积分，积分可分为自积分和外积分两种形式。
进一步地，所述非接触式电压传感器安装于杆塔上，所述非接触式电压传感器利用架空输电线路与非接触式电压传感器感应板之间的杂散电容C1作为高压臂电容，在非接触式电压传感器感应板下连接电容器C2作为低压臂电容。过电压信号从非接触式电压传感器感应金属板经匹配电阻引出，通过同轴电缆传输到外部的数据采集系统，非接触式电压传感器分压比为：
Figure BDA0002740355610000031
进一步地，非接触式电压传感器感应板安装在绝缘支架上方，绝缘支架起到绝缘和支撑的作用。非接触式电压传感器感应板和绝缘之间的间隙通过密封胶进行绝缘封闭，防止雨雪天气，有水渗入非接触式电压传感器感应板内。
分压单元由电容、匹配电阻组成，其与所述非接触式电压传感器感应板紧密相连，信号从所述非接触式电压传感器感应板传输到分压电容，经匹配电阻引向同轴电缆。通过同轴电缆将信号传输到所述信号采集单元。
所述非接触式电压传感器感应板为金属材质。
进一步地，所述主监控板由FPGA和MCU组成，FPGA负责实时采集高速行波信号，将超过阈值的信号及时抓取并上传给MCU。MCU采用ARM内核的高性能微功耗单片机，负责低速信号采集，提供4G通信模块与后台通讯、传输数据。数据存储单元为外部闪存，用于缓存采集数据及报警数据。为保证本系统的定位精度，采用高精度授时芯片，其授时精度为20ns。
进一步地，所述非接触式高压直流线路故障定位系统还包括信号调理单元。
进一步地，所述信号调理单元用于对非接触式行波电压传感器和非接触式行波电流传感器进行调节。
进一步地，所述电源模块包括太阳能板和锂电池，所述太阳能板用于取电，所述锂电池作为备用电源。
进一步地，所述锂电池为磷酸铁锂电池。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、与现有技术相比，本发明中，该非接触式高压直流线路故障定位系统采用无接触行波信号采集传感器，直接采集行波信号，实现对暂态信号的无失真采集。
2、与现有技术相比，本发明中，该非接触式高压直流线路故障定位系统通过对故障发生时行波速度的在线实时计算，避免了波速误差的影响，提高了测距精度。
3、与现有技术相比，本发明中，该非接触式高压直流线路故障定位系统采用分布式安装采集方式，减少行波信号沿线衰减对测距造成的影响。
4、与现有技术相比，本发明中，该非接触式高压直流线路基于太阳能MPPT算法的充电控制器，建立以双路太阳能、双路锂电池及低功耗设计为基础的冗余充放电智能管理及控制系统，不依赖直流输电线路，实现对装置的持续稳定供电，由于信号采集单元采用非接触式的行波采集方式，因此信号采集单元不必安装在输电线路上，而是安装在杆塔上，避免了安装、维护时直流系统停电。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的非接触式高压直流线路故障定位系统的系统组成示意图；
图2为本发明提出的非接触式高压直流线路故障定位系统中电压采集原理图；
图3为本发明提出的非接触式高压直流线路故障定位系统的安装位置示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-图2，非接触式高压直流线路故障定位系统，包括
信号采集单元，信号采集单元包括非接触式行波电流传感器和非接触式电压传感器，非接触式行波电流传感器为微风环，主要用于进行行波电流的采集；
信号转换单元，信号转换单元包括MCU内置的低速模数转换(ADC)模块及外置的高速模数转换(ADC)模块；
中央处理单元，中央处理单元包括主监控板，主要用于实现采集、监控、分析、通讯、存储等功能；
数据储存单元，数据储存单元用于存储信号采集单元采集的信号数据；
数据传输单元，数据传输单元用于传输信号数据；
电源模块，电源模块用于为非接触式高压直流线路故障定位系统进行供电。
进一步地，铁氧体作为微分环的胚体。
具体地，非接触式高压直流线路故障定位系统还包括信号调理单元。
具体地，信号调理单元用于对非接触式行波电压传感器和非接触式行波电流传感器进行调节。
具体地，电源模块包括太阳能板和锂电池，太阳能板用于取电，锂电池作为备用电源。
更具体地，电源模块采用太阳能取电，以锂电池为备用电源。电源模块连接电源管理板，电源管理板的主要功能是将外部的交流电源进行处理，为锂电池提供充放电管理，对操作电源提供低压保护。
具体地，锂电池为磷酸铁锂电池。
更具体地，为了确保数据传输的安全性，本实施例采用南瑞信通的加解密处理芯片，与MCU交互。在上传数据时，MCU将采样数据经过加密算法处理后才能上传；在接收后台控制中心的数据时，需要先将数据通过解密算法处理后才能正确读取。
参照图3，对于本系统安装于导线下横担5m处即可。
技术参数包括如下：
Figure BDA0002740355610000071
Figure BDA0002740355610000081
本发明的工作原理及使用流程：
本发明中，该非接触式高压直流线路基于太阳能MPPT算法的充电控制器，建立以双路太阳能、双路锂电池及低功耗设计为基础的冗余充放电智能管理及控制系统，不依赖直流输电线路，实现对装置的持续稳定供电，由于信号采集单元采用非接触式的行波采集方式，因此信号采集单元不必安装在输电线路上，而是安装在杆塔上，避免了安装、维护时直流系统停电。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.非接触式高压直流线路故障定位系统，其特征在于，包括
信号采集单元，所述信号采集单元包括非接触式行波电流传感器和非接触式电压传感器，所述非接触式行波电流传感器为微风环，主要用于进行行波电流的采集；
信号转换单元，所述信号转换单元包括MCU内置的低速模数转换(ADC)模块及外置的高速模数转换(ADC)模块；
中央处理单元，所述中央处理单元包括主监控板，主要用于实现采集、监控、分析、通讯、存储等功能；
数据储存单元，所述数据储存单元用于存储信号采集单元采集的信号数据；
数据传输单元，所述数据传输单元用于传输信号数据；
电源模块，所述电源模块用于为非接触式高压直流线路故障定位系统进行供电。
2.根据权利要求1所述的非接触式高压直流线路故障定位系统，其特征在于，所述非接触式高压直流线路故障定位系统还包括信号调理单元。
3.根据权利要求2所述的非接触式高压直流线路故障定位系统，其特征在于，所述信号调理单元用于对非接触式行波电压传感器和非接触式行波电流传感器进行调节。
4.根据权利要求1所述的非接触式高压直流线路故障定位系统，其特征在于，所述电源模块包括太阳能板和锂电池，所述太阳能板用于取电，所述锂电池作为备用电源。
5.根据权利要求4所述的非接触式高压直流线路故障定位系统，其特征在于，所述锂电池为磷酸铁锂电池。
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CN114764111A (zh) * 2021-01-14 2022-07-19 广州中国科学院先进技术研究所 一种非接入式的机器故障预测系统

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