CN112510799A - 一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法及装置 - Google Patents

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CN112510799A CN202011108959.9A CN202011108959A CN112510799A CN 112510799 A CN112510799 A CN 112510799A CN 202011108959 A CN202011108959 A CN 202011108959A CN 112510799 A CN112510799 A CN 112510799A
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周秀冬
卢新星
章国勇
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Abstract

本发明公开了一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法及装置，本发明基于电磁感应的原理，利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场，切割地线与铁塔构成的平面，将两根地线相连时，会在回路端口产生压差，利用该压差通过变压器便可获取功率，为线路机器人供能；还可根据线路机器人实际所需功率大小，通过计算选取合适的取能点。本发明能够避免线路停电检修作业，解决机器人上、下线的问题，能广泛应用与输电线路监测及高压带电作业的自动化推广中，提高电力装置的自动化水平，还能够进一步根据线路机器人实际所需功率大小，以取能等效电路理论分析基础，确定实际线路的取能点，为线路机器人提供充足的功率。

Description

一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法及装置
技术领域
本发明涉及输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法及装置。
背景技术
随着电力的发展，大量的输电线路机器人被用于输变电装置中，其中，输电线路机器人通过悬挂运行在线路架空地线上的方式巡视输电线路。由于输电线路机器人体积、重量限制，内部配备的蓄电池组容量有限，需不断补充电能。
当输电线路机器人在线路档距中央电量耗尽时，需要人工将机器人拖回，这就失去了线路机器人节省人力，安全可靠的优势。所以为线路机器人提供一种双地线取能的方法，为输电线路机器人的蓄电池供电，对解决输电线路线路机器人充电难题，有力推动线路机器人的广泛应用，大大提高输电线路在线监测的能力。
目前，中科院沈阳自动化所及武汉大学等研发机构提出太阳能供电的技术方案，但该技术存在光电转换效率低、受天气影响大及光伏板不易于机器人本体集成等缺陷。与此同时，有学者还提出通过高频电场耦合的无线供电的技术方案，但该技术还处在概念研发阶段，也存在供电功率小、电磁干扰以及装置结构复杂等诸多问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法及装置，本发明能够在一定程度上解决线路机器人的供能问题，缓解机器人上、下线问题，提高输电线路机器人的工作效率，提高输电线路在线监测的自动化水平。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法，实施步骤包括：利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场切割地线与铁塔构成的平面在两根地线之间的回路上产生电压差，利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能。
可选地，所述利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能之前还包括根据输电线路机器人的所需功率为该输电线路机器人选择取能点的下述步骤：
1)确定该输电线路机器人的所需功率，选择初始的当前取能点；
2)确定当前取能点的输电线路取能地线及其接地方式；
3)根据所选输电线路取能地线获得当前取能点的取能功率理论公式；
4)将当前取能点的实际输电线路区段的参数代入当前取能点的取能功率理论公式计算出当前取能点的取能功率，判断当前取能点的取能功率是否满足该输电线路机器人的所需功率，如满足则结束并退出，否则选择下一个当前取能点，跳转执行步骤2)。
可选地，步骤2)中确定的当前取能点的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地，且当前取能点位于第i号杆塔、第j号杆塔之间，步骤3)中获得当前取能点的取能功率理论公式如下：
Figure BDA0002727940470000021
上式中，
Figure BDA0002727940470000022
为关于输电线路机器人的戴维南等效电路开路电压，s为取能范围长度系数，
Figure BDA0002727940470000023
为OPGW地线在第i号杆塔的感应电势
Figure BDA0002727940470000024
的均值，
Figure BDA0002727940470000025
为普通地线在第i号杆塔的感应电势
Figure BDA0002727940470000026
的均值，Zm0为中间变量，Z10为OPGW地线在第i号杆塔的自阻抗Zi1的均值，Z20为普通地线在第i号杆塔的自阻抗Zi2的均值，Ze为关于输电线路机器人的戴维南等效电路等效阻抗，l为地线平均档距，j为当前取能点两侧序号较大一侧的杆塔序号，ρ为土壤电阻率，f为中间变量，d12表示两根地线之间的距离。
此外，本发明还提供一种前述用于输电线路机器人供能的双地线取能方法用的双地线取能装置，包括取能装置和双地线接地单元，所述取能装置包括单相隔离变压器、整流器及DC/DC变换器，所述单相隔离变压器的副边、整流器、DC/DC变换器依次相连，所述双地线接地单元的接地方式分为两条普通地线逐塔接地、两条普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线两点接地四种方式中的一种，当所述双地线接地单元的接地方式为两条普通地线逐塔接地时所述单相隔离变压器的原边串接连接在双地线接地单元的一条普通地线上；当所述双地线接地单元的接地方式为两条普通地线单点接地时所述单相隔离变压器的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联、且该直线塔与另一条普通地线之间通过短接线相连；当所述双地线接地单元的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地时所述单相隔离变压器的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联；当所述双地线接地单元的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线两点接地时所述单相隔离变压器的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联。
可选地，所述单相隔离变压器的原边还并联有第一防雷组件。
可选地，所述单相隔离变压器的副边还并联有第二防雷组件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明利用在线取能技术代替人工更换机器人动力电池的操作，避免线路停电检修作业，解决机器人上、下线的问题。
2、本发明能广泛应用与输电线路监测及高压带电作业的自动化推广中，提高电力装置的自动化水平。
3、本发明还能够进一步根据线路机器人实际所需功率大小，以取能等效电路理论分析基础，确定实际线路的取能点，为线路机器人提供充足的功率。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本原理示意图。
图2为本发明实施例中选择取能点的流程示意图。
图3为本发明实施例中OPGW逐塔接地普通地线单点接地的原理示意图。
图4为本发明实施例中OPGW逐塔接地普通地线单点接地的取能等值计算电路图。
图5为本发明实施例中取能端口的戴维南等效电路。
图6为本发明实施例中的双地线取能装置的一种实现方式示意图。
图7为本发明实施例中两条普通地线逐塔接地的安装示意图，其中(a)为安装前，(b)为安装后。
图8为本发明实施例中两条普通地线单点接地的安装示意图，其中(a)为安装前，(b)为安装后。
图9为本发明实施例中OPGW逐塔接地普通地线单点接地的安装示意图，其中(a)为安装前，(b)为安装后。
图10为本发明实施例中OPGW逐塔接地普通地线两点接地的安装示意图，其中(a)为安装前，(b)为安装后。
具体实施方式
如图1所示，本实施例用于输电线路机器人供能的双地线取能方法的实施步骤包括：利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场切割地线与铁塔构成的平面在两根地线之间的回路上产生电压差，利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能。本实施例用于输电线路机器人供能的双地线取能方法基于电磁感应的原理，利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场，切割地线与铁塔构成的平面，将两根地线相连时，会在回路端口产生压差，利用该压差通过变压器便可获取功率，为输电线路机器人供能，能够避免线路停电检修作业，解决机器人上、下线的问题，能广泛应用与输电线路监测及高压带电作业的自动化推广中，提高电力装置的自动化水平。
如图2所示，本实施例中利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能之前还包括根据输电线路机器人的所需功率为该输电线路机器人选择取能点的下述步骤：
1)确定该输电线路机器人的所需功率，选择初始的当前取能点；
2)确定当前取能点的输电线路取能地线及其接地方式；
3)根据所选输电线路取能地线获得当前取能点的取能功率理论公式；
4)将当前取能点的实际输电线路区段的参数代入当前取能点的取能功率理论公式计算出当前取能点的取能功率，判断当前取能点的取能功率是否满足该输电线路机器人的所需功率，如满足则结束并退出，否则选择下一个当前取能点，跳转执行步骤2)。
步骤2)确定当前取能点的输电线路取能地线及其接地方式时，输电线路的两根地线可以根据需要选择普通地线和OPGW地线(光纤复合架空地线)，OPGW地线在取能功率和防雷性能上较优，但取能装置安装不方便，只宜在光纤续接塔处安装；普通地线虽然在前两个指标上不占优势，但安装比较方便，且安装位置可在线路上任何一基杆塔上，具体如何选择，应结合实际情况进行判断。对于功率需求很大的场合(如本文的线路机器人所需电能)宜采用OPGW地线作为取能地线。若采用普通地线，虽然可以通过增加取能回路的档距数来增加取能功率，但此时地线损耗必然增加，尤其是对于水平排列的单回线路。对于功率要求较小，且用电设备位于非耐张杆塔的情况，则宜采用普通地线作为取能地线。对于雷电活动频繁的地区，也宜采用OPGW地线作为取能地线，因为OPGW地线本身接地，要比一般的防雷措施要好。
架空输电线路的接地方式包括两条普通地线逐塔接地、两条普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线两点接地等多种接地方式。每种接地方式对应的取能功率不同，根据输电线路机器人实际所需功率大小，选取合适的架空地线接地方式。实际输电电路参数并非是均匀的，例如在某一完整段线路存在导线换位、分支及杆塔接地电阻不同的情况，此时需要考虑这些因素对取能功率的影响，输电线路的结构特点决定了其地线取能等效电路与取能负载邻近的一段线路关系较大，可综合考虑档距、杆塔接地电阻、导线换位、线路分支等因素的影响，选取整条线路的合适区段取能，即选取整条线路的某一区段来实施地线取能技术。
本实施例中，步骤2)中确定的当前取能点的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地，且当前取能点位于第i号杆塔、第j号杆塔之间，步骤3)中获得当前取能点的取能功率理论公式如下：
Figure BDA0002727940470000041
上式中，
Figure BDA0002727940470000042
为关于输电线路机器人的戴维南等效电路开路电压，s为取能范围长度系数，
Figure BDA0002727940470000051
为OPGW地线在第i号杆塔的感应电势
Figure BDA0002727940470000052
的均值，
Figure BDA0002727940470000053
为普通地线在第i号杆塔的感应电势
Figure BDA0002727940470000054
的均值，Zm0为中间变量，Z10为OPGW地线在第i号杆塔的自阻抗Zi1的均值，Z20为普通地线在第i号杆塔的自阻抗Zi2的均值，Ze为关于输电线路机器人的戴维南等效电路等效阻抗，l为地线平均档距，j为当前取能点两侧序号较大一侧的杆塔序号，ρ为土壤电阻率，f为中间变量，d12表示两根地线之间的距离。
参见图3所示OPGW逐塔接地普通地线单点接地的方式中，能量来源部分由分段绝缘地线、OPGW地线、地线绝缘子以及杆塔接地电阻组成，“地线-地线”及“地线-大地”构成闭合回路且回路中均存在涡旋感应电势，因此使得分段绝缘地线、OPGW地线之间产生电压差，利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能。参见图3，负载Zl表示输电线路机器人。
参见图3所示OPGW逐塔接地普通地线单点接地的方式中，输电线路机器人(负载Zl)并接在分段绝缘地线绝缘子上进行取能，由取能的架构示意图进一步推导取能等值计算电路如图4所示。图4中，i、i+1、j代表杆塔的序号；
Figure BDA0002727940470000055
分别为普通地线、OPGW地线在第i号杆塔的感应电势，
Figure BDA0002727940470000056
分别为
Figure BDA0002727940470000057
的均值，Zi1、Zi2分别为普通地线、OPGW地线在第i号杆塔的自阻抗，Z10、Z20分别为Zi1、Zi2的均值，Zim代表OPGW与普通地线在第i档的互阻抗。第i档即i～i+1号杆塔之间的线路，记为Si；Ri表示i号杆塔的接地电阻。
为了便于功率计算，进一步推导关于负载Zl或取能端口的戴维南等效电路，其参数包括等效电压和等效内阻抗。考虑一般性，设负载Zl所在的取能回路位于节点i与j之间。考虑到等值计算电路节点众多、计算不便，将节点i左侧、节点j右侧以及i～j之间的地线网络分别用等效支路表示，如图5所示。其中，
Figure BDA0002727940470000058
与
Figure BDA0002727940470000059
分别为从节点i左侧和节点j右侧看过去的等效电压；Zie与Zje分别为从节点i左侧和节点j右侧看过去的等效阻抗；
Figure BDA00027279404700000510
与
Figure BDA00027279404700000511
分别为OPGW和分段绝缘地线在i～j间的感应电动势；Zij1、Zij2及Zijm分别为OPGW接地线和分段绝缘地线在i～j间的纵向阻抗和互阻抗。需要说明的是，该戴维南等效电路不是基于两地线组成的回路推导出来的，而是根据整个输电线路的拓扑结构推导得来的。
由推导出的戴维南等效电路可得：
Figure BDA00027279404700000512
上式中，
Figure BDA00027279404700000513
和Ze为关于负载Zl的戴维南等效电路开路电压和等效阻抗；
Figure BDA00027279404700000514
为不接负载Zl时留过OPGW的电流，
Figure BDA00027279404700000515
与
Figure BDA00027279404700000516
分别为从节点i左侧和节点j右侧看过去的等效电压；Zie与Zje分别为从节点i左侧和节点j右侧看过去的等效阻抗；
Figure BDA0002727940470000061
与
Figure BDA0002727940470000062
分别为OPGW和分段绝缘地线在i～j间的感应电动势；Zij1、Zij2及Zijm分别为OPGW接地线和分段绝缘地线在i～j间的纵向阻抗和互阻抗。其中，i左侧、j右侧支路的等效参数计算如下式所示：
Figure BDA0002727940470000063
上式中，式中：R0、
Figure BDA0002727940470000064
及Z10分别为Ri、
Figure BDA0002727940470000065
及Zi1的均值；dag～dcg为地线平均档距；dag～dcg为dag～dcg的相电流；dag～dcg分别为各相与OPGW地线的距离；ρ为土壤电阻率；Rg、rg分别为OPGW地线的电阻、半径。对于多回线路，感应电势按同样的计算方法线性叠加即可。
具体实施时，i～j之间等效支路的参数计算如下式：
对于普通地线，除i和j两点外它是对地绝缘的，由于接地电阻Ri大于Zi1，可近似认为OPGW对地绝缘，所以有：
Figure BDA0002727940470000066
上式中，
Figure BDA0002727940470000067
和Z20分别为
Figure BDA0002727940470000068
和Zi2的均值；s为取能范围长度系数，即Sij档长度与档均值之比。则上式中的相关参数可简化为前述步骤3)中获得当前取能点的取能功率理论公式。具体实施时，根据上述算式，便可由线路机器人实际所需功率大小以及线路机器人自身阻抗，反推取能端口电压以及整个等效电路的回路阻抗情况。然后，根据取能端口电压，选择分段绝缘地线与OPGW地线构成回路的取能端口实施取能，达到为线路机器人供能的目的。
此外，本实施例还提供一种前述用于输电线路机器人供能的双地线取能方法用的双地线取能装置，包括取能装置1和双地线接地单元2，取能装置1包括单相隔离变压器11、整流器12及DC/DC变换器13，单相隔离变压器11的副边、整流器12、DC/DC变换器13依次相连，双地线接地单元2的接地方式分为两条普通地线逐塔接地、两条普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线两点接地四种方式中的一种，如图6所示为OPGW逐塔接地普通地线单点接地的示例。
如图7所示，当双地线接地单元2的接地方式为两条普通地线(地线1和地线2)逐塔接地时单相隔离变压器11的原边串接连接在双地线接地单元2的一条普通地线上；
如图8所示，当双地线接地单元2的接地方式为两条普通地线(地线1和地线2)单点接地时单相隔离变压器11的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联、且该直线塔与另一条普通地线之间通过短接线相连；
如图9所示，当双地线接地单元2的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地时单相隔离变压器11的原边与直线塔与一条普通地线(地线1)之间的接地绝缘子并联；
如图10所示，当双地线接地单元2的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线两点接地时单相隔离变压器11的原边与直线塔与一条普通地线(地线1)之间的接地绝缘子并联。图10中，短接线、箭头为电流回路及方向，图中此种情况两个回路方向相反，取能功率较小。
如图6所示，为了提高单相隔离变压器11的原边的防雷性能，本实施例中单相隔离变压器11的原边还并联有第一防雷组件14。
如图6所示，为了提高单相隔离变压器11的副边的防雷性能，本实施例中单相隔离变压器11的副边还并联有第二防雷组件15。
综上所述，本实施例基于电磁感应的原理，利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场，切割地线与铁塔构成的平面，将两根地线相连时，会在回路端口产生压差，利用该压差通过变压器便可获取功率，为线路机器人供能。同时，根据线路机器人实际所需功率大小，通过计算选取合适的取能点。本实施例应用于输电线路机器人上，可避免因动力电池电量不足而需频繁更换电池的操作问题，解决了线路机器人的供能问题及上、下线问题，减少了人力物力的投入，提高了线路机器人的工作效率且提升了输电线路监测领域的自动化水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于输电线路机器人供能的双地线取能方法，其特征在于实施步骤包括：利用输电线路电流在线路周围产生的交变磁场切割地线与铁塔构成的平面在两根地线之间的回路上产生电压差，利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能。
2.根据权利要求1所述的用于输电线路机器人供能的双地线取能方法，其特征在于，所述利用该电压差通过变压器为输电线路机器人供能之前还包括根据输电线路机器人的所需功率为该输电线路机器人选择取能点的下述步骤：
1)确定该输电线路机器人的所需功率，选择初始的当前取能点；
2)确定当前取能点的输电线路取能地线及其接地方式；
3)根据所选输电线路取能地线获得当前取能点的取能功率理论公式；
4)将当前取能点的实际输电线路区段的参数代入当前取能点的取能功率理论公式计算出当前取能点的取能功率，判断当前取能点的取能功率是否满足该输电线路机器人的所需功率，如满足则结束并退出，否则选择下一个当前取能点，跳转执行步骤2)。
3.根据权利要求2所述的用于输电线路机器人供能的双地线取能方法，其特征在于，步骤2)中确定的当前取能点的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地，且当前取能点位于第i号杆塔、第j号杆塔之间，步骤3)中获得当前取能点的取能功率理论公式如下：
Figure FDA0002727940460000011
上式中，
Figure FDA0002727940460000012
为关于输电线路机器人的戴维南等效电路开路电压，s为取能范围长度系数，
Figure FDA0002727940460000013
为OPGW地线在第i号杆塔的感应电势
Figure FDA0002727940460000014
的均值，
Figure FDA0002727940460000015
为普通地线在第i号杆塔的感应电势
Figure FDA0002727940460000016
的均值，Zm0为中间变量，Z10为OPGW地线在第i号杆塔的自阻抗Zi1的均值，Z20为普通地线在第i号杆塔的自阻抗Zi2的均值，Ze为关于输电线路机器人的戴维南等效电路等效阻抗，l为地线平均档距，j为当前取能点两侧序号较大一侧的杆塔序号，ρ为土壤电阻率，f为中间变量，d12表示两根地线之间的距离。
4.一种权利要求1～3中任意一项用于输电线路机器人供能的双地线取能方法用的双地线取能装置，其特征在于，包括取能装置(1)和双地线接地单元(2)，所述取能装置(1)包括单相隔离变压器(11)、整流器(12)及DC/DC变换器(13)，所述单相隔离变压器(11)的副边、整流器(12)、DC/DC变换器(13)依次相连，所述双地线接地单元(2)的接地方式分为两条普通地线逐塔接地、两条普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线单点接地、OPGW逐塔接地普通地线两点接地四种方式中的一种，当所述双地线接地单元(2)的接地方式为两条普通地线逐塔接地时所述单相隔离变压器(11)的原边串接连接在双地线接地单元(2)的一条普通地线上；当所述双地线接地单元(2)的接地方式为两条普通地线单点接地时所述单相隔离变压器(11)的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联、且该直线塔与另一条普通地线之间通过短接线相连；当所述双地线接地单元(2)的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线单点接地时所述单相隔离变压器(11)的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联；当所述双地线接地单元(2)的接地方式为OPGW逐塔接地普通地线两点接地时所述单相隔离变压器(11)的原边与直线塔与一条普通地线之间的接地绝缘子并联。
5.根据权利要求4所述的双地线取能装置，其特征在于，所述单相隔离变压器(11)的原边还并联有第一防雷组件(14)。
6.根据权利要求5所述的双地线取能装置，其特征在于，所述单相隔离变压器(11)的副边还并联有第二防雷组件(15)。
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