CN113746207B - 一种电力监测设备的非接触供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线供电技术领域，具体涉及一种电力监测设备的非接触供电系统。包括感应取电装置、无线电能传输发射装置、绝缘子串、无线电能传输接收装置；本发明采用绝缘子串既作为无线电能传输的高压隔离部件，又能固定中级线圈，一举两得，节约成本，减小了系统的体积。本发明采用多级中继线圈进行电能无线传输，结合绝缘子尺寸，利用绝缘子作为感应取电装置和电力监测设备之间无线能量传输的非接触通道，减少了整体装置的体积和重量，实现高压隔离的同时也能够传输能量。相比较微波的传输方式更加安全且减小体积。
Description
技术领域
本发明涉及无线供电技术领域，具体涉及一种电力监测设备的非接触供电系统。
背景技术
目前随着我国电力工业的迅猛发展，电力系统的安全运行越来越重要，远距离超高压的输电方式是电力系统的大动脉，其运行安全直接决定了电力系统的安全和效益，为了使电网逐步走向自动化和智能化，需要依靠大量的监测设备和传感器，国内外传统的处理方式主要有以下三种：一是太阳能供电方式，太阳能作为一种可再生的清洁能源，此方法供电质量易受天气的影响，而且蓄电池的寿命与充放电循环次数有关，理论下寿命为2-3年，考虑到恶劣的气候条件下，寿命会更短；二是光纤激光供能方式，在低压端利用激光发生器发光，通过光纤将能量传输至高压端，再用光电转换器将光能转换为电能给监测设备供电，其优点是通过光纤传输能量，不受电磁扰动和电网波动的影响，但其价格昂贵、效率低和功率小，并不适合偏僻地方使用；三是利用电流和电压互感器线路供能，此种方式容易造成谐波或高压尖脉冲，从而可能对监控设备带来严重的干扰和损坏。无线输电技术为解决上述提供了新的思路，将高低电位间进行了空间上的隔离。
无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)为电力驱动设备提供了一种新的电能接入方式，具有便捷、稳定、安全的特点，是电能传输的一种全新形式和革命性进步。中国专利CN112491167B-应用于电网输电线路监测设备的微波无线供电系统及方法采用微波的方式来进行电能传输，为高压输电线路上的在线监测装置，但采用微波传输能量，虽然传输效率很高，但对大功率电能进行传输时，对天线设备有很高的要求，
所以它对传输功率有限制；另外，由于微波和激光有较强的辐射损耗，不适用于给电子设备充电。而且中国专利CN112491167B-应用于电网输电线路监测设备的微波无线供电系统及方法中未设置高压隔离方案，安全性不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种电力监测设备的非接触供电系统，具体技术方案如下：
一种电力监测设备的非接触供电系统，包括感应取电装置、无线电能传输发射装置、绝缘子串、无线电能传输接收装置；所述绝缘子串的一端固定有能量发射线圈，所述绝缘子串的内部设置有多级中继线圈，所述绝缘子串的另一端设置有能量接收线圈；所述绝缘子串设置有能量发射线圈的一端靠近无线电能传输发射装置，并且远离无线电能传输接收装置；所述绝缘子串设置有能量接收线圈的一端靠近无线电能传输接收装置，并且远离无线电能传输发射装置；
所述感应取电装置固定在输电线上，并从输电线上获取电能；
所述无线电能传输发射装置固定在输电线上，并且与感应取电装置电连接，用于将感应取电装置获取的电能传输至能量发射线圈；
所述能量发射线圈用于无线电能传输发射装置传输来的电能通过绝缘子串内部的多级中继线圈传输至能量接收线圈；
所述能量接收线圈用于将多级中继线圈传输来的电能传输至无线电能传输接收装置；
所述无线电能传输接收装置固定在输电线路的支撑柱上，并且与支撑柱上的监测设备连接，用于将能量接收线圈传输来的电能进行转换为支撑柱上的电力监测设备提供合适的供电电压。
优选地，所述感应取电装置包括感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路；所述感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路依次连接；所述功率调节电路与过压过流保护电路连接；
所述感应线圈用于从输电线路处获取感应电流，并将获取的感应电流输入至过压过流保护电路；
所述过压过流保护电路用于对感应线圈获取的感应电流与预设值比较，并判断获取的感应电流是否超过传输预设值；
若是感应电流超过传输预设值则通过功率调节电路进行功率调节后再输入整流滤波电路，
若是没有超过传输预设值，则将获取的电能输入至整流滤波电路；
所述整流滤波电路用于对感应电流进行整流、滤波得到直流电流，并将得到的直流电流输入至功率调节电路；
所述功率调节电路用于调节输入直流电流的大小，使得其符合电力监测设备所需的供电电源；
所述稳压输出电路用于将经过功率调节电路调节后的直流电流进行稳定输出至高频逆变电路；
所述高频逆变电路用于将稳压输出电路传输来的直流逆变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去。
优选地，所述高频逆变电路包括依次连接的处理器、频率合成模块、驱动电路、超高速MOSFET；所述处理器控制频率合成模块产生高频方波信号；所述高频方波信号经过一个反相器和一个缓冲器之后通过驱动电路驱动超高速MOSFET，从而将直流电流变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去。
优选地，所述绝缘子串包括复合绝缘子。
优选地，所述中继线圈固定在复合绝缘子伞裙内部。
优选地，还包括电池输入开关、蓄电池、电池输出开关，所述蓄电池用于分流并储存感应线圈获取的多余电能；所述过压过流保护电路判断感应电流超过充电预设值时开启电池输入开关，启动蓄电池蓄能，若是需要蓄电池供电则控制打开电池输出开关；所述充电预设值大于传输预设值。
优选地，所述感应线圈为开合式感应线圈；所述过压过流保护电路包括电流采集检测模块、控制器、驱动电机、远程通信模块，所述电流采集检测模块、驱动电机、远程通信模块分别与控制器连接；所述驱动电机用于驱动开合式感应线圈的打开或闭合；所述电池输入开关、电池输出开关分别与控制器连接；
所述电流采集检测模块用于采集感应线圈的感应电流并检测其大小，所述控制器用于将电流采集检测模块检测的感应电流值与预设值比较，若是达到断开预设值，则控制驱动电机打开开合式感应线圈，断开感应线圈与输电线路的连接，同时启动电池输出开关给电力监测设备供电，并控制远程通信模块发送报警信号至远程控制端；所述断开预设值大于充电预设值。
优选地，所述无线电能传输接收装置包括电容滤波的单级AC/DC变换器结构。
优选地，所述过压过流保护电路还包括电流泄放模块，所述电流泄放模块用于泄放多余的电能。
本发明的有益效果为：本发明采用绝缘子串既作为无线电能传输的高压隔离部件，又能固定中级线圈，一举两得，节约成本，减小了系统的体积。
本发明采用多级中继线圈进行电能无线传输，结合绝缘子尺寸，利用绝缘子作为感应取电装置和电力监测设备之间无线能量传输的非接触通道，减少了整体装置的体积和重量，实现高压隔离的同时也能够传输能量。相比较微波的传输方式更加安全且减小体积。
多个中继线圈分别固定在复合绝缘子伞裙内部并且直接与复合绝缘子的伞裙一体化成型，不需要额外的结构固定中继线圈，产品集成化程度更高。
本发明采用多级过压过流保护策略，保护了后续电路和设备的安全，安全性、可靠性更高。而且设置蓄电池，可在输电线路故障的时候继续为电力监测设备供电，并且可通过电流采集检测模块检测的感应电流值判断输电线路是否故障，若是输电线路故障，则感应线圈无法产生感应电流，如此控制器就可将报警信号通过远程通信模块发送至远程控制端，既可保护电路，又可以监测输电线路故障，实现一机两用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的感应取电装置的原理示意图；
图3为高频逆变电路的原理示意图。
图4为本发明的过压过流保护电路的原理图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如图1-2所示，一种电力监测设备的非接触供电系统，包括感应取电装置、无线电能传输发射装置、绝缘子串、无线电能传输接收装置；绝缘子串的一端固定有能量发射线圈，绝缘子串的内部设置有多级中继线圈，绝缘子串的另一端设置有能量接收线圈；绝缘子串设置有能量发射线圈的一端靠近无线电能传输发射装置，并且远离无线电能传输接收装置；绝缘子串设置有能量接收线圈的一端靠近无线电能传输接收装置，并且远离无线电能传输发射装置；感应取电装置固定在输电线上，并从输电线上获取电能；无线电能传输发射装置固定在输电线上，并且与感应取电装置电连接，用于将感应取电装置获取的电能传输至能量发射线圈；能量发射线圈用于无线电能传输发射装置传输来的电能通过绝缘子串内部的多级中继线圈传输至能量接收线圈；能量接收线圈用于将多级中继线圈传输来的电能传输至无线电能传输接收装置；无线电能传输接收装置固定在输电线路的支撑柱上，并且与支撑柱上的监测设备连接，用于将能量接收线圈传输来的电能进行转换为支撑柱上的电力监测设备提供合适的供电电压。
感应取电装置包括感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路；感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路依次连接；功率调节电路与过压过流保护电路连接；感应线圈用于从输电线路处获取感应电流，并将获取的感应电流输入至过压过流保护电路；过压过流保护电路用于对感应线圈获取的感应电流与预设值比较，并判断获取的感应电流是否超过预设值；
若是感应电流超过预设值则输入至功率调节电路进行功率调节后再输入整流滤波电路，若是没有超过预设值，则将获取的电能输入至整流滤波电路；整流滤波电路用于对感应电流进行整流、滤波得到直流电流，并将得到的直流电流输入至功率调节电路；功率调节电路用于调节输入直流电流的大小，使得其符合电力监测设备所需的供电电源；稳压输出电路用于将经过功率调节电路调节后的直流电流进行稳定输出至高频逆变电路；高频逆变电路用于将稳压输出电路传输来的直流逆变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去。
如图3所示，高频逆变电路包括依次连接的处理器、频率合成模块、驱动电路、超高速MOSFET；处理器控制频率合成模块产生高频方波信号；高频方波信号经过一个反相器和一个缓冲器之后通过驱动电路驱动超高速MOSFET，从而将直流电流变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去。
为了将电能通过无线电能传输将电能传输至柱上设备，并且满足一定的传输距离。通过增大发射线圈或者接收线圈的几何尺寸，也即是增大线圈的半径可以提高传输距离。当传输距离较远时，传统的两线圈结构体积和重量过大，不适合安装与电网传输线上，会造成安全隐患。因此本发明采用多级中继线圈进行电能无线传输，结合绝缘子尺寸，利用绝缘子作为感应取电装置和电力监测设备之间无线能量传输的非接触通道，减少了整体装置的体积和重量，实现高压隔离的同时也能够传输能量。相比较微波的传输方式更加安全且减小体积。
本发明的绝缘子串包括复合绝缘子。复合绝缘子又称硅橡胶绝缘子，用于高压输电线路。复合绝缘子得硅橡胶以其特有的化学稳定性,使其具有耐高低温性、憎水性、耐漏电起痕性和抗电蚀损性、电绝缘性等诸多优异性能,硅橡胶复合绝缘子在输电线路中得到广泛应用。能量发射线圈、能量接收线圈、多级中继线圈构成耦合机构。多个中继线圈分别固定在复合绝缘子伞裙内部并且直接与复合绝缘子的伞裙一体化成型，不需要额外的结构固定中继线圈，产品集成化程度更高。
如图4所示，本发明还包括电池输入开关、蓄电池、电池输出开关，蓄电池用于分流并储存感应线圈获取的多余电能；过压过流保护电路判断感应电流超过充电预设值时开启电池输入开关，启动蓄电池蓄能，若是需要蓄电池供电则控制打开电池输出开关；充电预设值大于传输预设值；电池输入开关与过压过流保护电路连接，电池输出模块与高频逆变电路连接。
感应线圈为开合式感应线圈；过压过流保护电路包括电流采集检测模块、控制器、驱动电机、远程通信模块，电流采集检测模块、驱动电机、远程通信模块分别与控制器连接；驱动电机用于驱动开合式感应线圈的打开或闭合；电池输入开关、电池输出开关分别与控制器连接；
电流采集检测模块用于采集感应线圈的感应电流并检测其大小，控制器用于将电流采集检测模块检测的感应电流值与预设值比较，若是达到断开预设值，则控制驱动电机打开开合式感应线圈，断开感应线圈与输电线路的连接，同时启动电池输出开关给电力监测设备供电，并控制远程通信模块发送报警信号至远程控制端；断开预设值大于充电预设值。
过压过流保护电路还包括电流泄放模块，电流泄放模块用于泄放多余的电能。为了保证高压取电电路能够安全有效地运行，关键在于泄放控制电路的设计，电路必须在必要的时刻打开泄放开关，保证多余的能量能够释放出去。然而为了保护泄放开关的安全，保证它在较低的开关频率下工作，在进行电压比较的时候，必须要加上迟滞环。因此在电路设计中，拟采用了MAX931这款带有迟滞环的集成电压比较器，通过调整外围电路的参数，保证在最低输出电压波动的情况下，最大限度地降低的开关频率。
本发明的过压过流保护电路的工作原理为：电流采集检测模块检测感应线圈感应的电流值，具体操作如下：
（1）若是感应电流的值小于传输预设值，则直接输入整流滤波电路进行整流滤波；
（2）若是感应电流的值大于等于传输预设值，则通过功率条件电路调节后再输入整流滤波电路；
（3）若是感应电流的值大于等于充电预设值，则控制器控制电池输入开关打开，从过压过流保护电路出来的感应电路分为两路，一路由功率调节电路调节后输入整流滤波电路，一路经过电池输入开关流入蓄电池进行蓄能；若后续输电线路故障感应线圈无法从输电线路获取电能时，控制器打开电池输出开关，蓄电池输出的电流经过高频逆变电路传输至能量发射线圈；
（4）若是蓄电池已经充满，则控制器控制电流泄放模块将多余的电能泄放掉；
（5）若是感应电流的值大于等于断开预设值，则控制器控制驱动电机打开开合式感应线圈，断开与输电线路的连接，避免后续电路因电流过大导致损坏，且通过远程通信模块发送报警信息至远程控制端。
无线电能传输接收装置包括电容滤波的单级AC/DC变换器结构。无线电能传输接收装置除了相应的转换效率要求之外，考虑其实际应用场合，要求尽可能小的充电模块体积和重量，因此拓扑设计中避免使用功率电感器和多级变换器配置，即采用电容滤波的单级AC/DC变换器结构，常用的结构如全桥不控整流拓扑、无桥可控整流拓扑、全桥可控整流拓扑。
本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电力监测设备的非接触供电系统，其特征在于：包括感应取电装置、无线电能传输发射装置、绝缘子串、无线电能传输接收装置；所述绝缘子串的一端固定有能量发射线圈，所述绝缘子串的内部设置有多级中继线圈，所述绝缘子串的另一端设置有能量接收线圈；所述绝缘子串设置有能量发射线圈的一端靠近无线电能传输发射装置，并且远离无线电能传输接收装置；所述绝缘子串设置有能量接收线圈的一端靠近无线电能传输接收装置，并且远离无线电能传输发射装置；
所述感应取电装置固定在输电线上，并从输电线上获取电能；
所述无线电能传输发射装置固定在输电线上，并且与感应取电装置电连接，用于将感应取电装置获取的电能传输至能量发射线圈；
所述能量发射线圈用于无线电能传输发射装置传输来的电能通过绝缘子串内部的多级中继线圈传输至能量接收线圈；
所述能量接收线圈用于将多级中继线圈传输来的电能传输至无线电能传输接收装置；
所述无线电能传输接收装置固定在输电线路的支撑柱上，并且与支撑柱上的监测设备连接，用于将能量接收线圈传输来的电能进行转换为支撑柱上的电力监测设备提供合适的供电电压；
所述感应取电装置包括感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路；所述感应线圈、过压过流保护电路、整流滤波电路、功率调节电路、稳压输出电路、高频逆变电路依次连接；所述功率调节电路与过压过流保护电路连接；
所述感应线圈用于从输电线路处获取感应电流，并将获取的感应电流输入至过压过流保护电路；
所述过压过流保护电路用于对感应线圈获取的感应电流与预设值比较，并判断获取的感应电流是否超过传输预设值；
若是感应电流超过传输预设值则通过功率调节电路进行功率调节后再输入整流滤波电路，
若是没有超过传输预设值，则将获取的电能输入至整流滤波电路；
所述整流滤波电路用于对感应电流进行整流、滤波得到直流电流，并将得到的直流电流输入至功率调节电路；
所述功率调节电路用于调节输入电流的大小，使得其符合电力监测设备所需的供电电源；
所述稳压输出电路用于将经过功率调节电路调节后的直流电流进行稳定输出至高频逆变电路；
所述高频逆变电路用于将稳压输出电路传输来的直流 逆变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去；
还包括电池输入开关、蓄电池、电池输出开关，所述蓄电池用于分流并储存感应线圈获取的多余电能；所述过压过流保护电路判断感应电流超过充电预设值时开启电池输入开关，启动蓄电池蓄能，若是需要蓄电池供电则控制打开电池输出开关；所述充电预设值大于传输预设值；
所述感应线圈为开合式感应线圈；所述过压过流保护电路包括电流采集检测模块、控制器、驱动电机、远程通信模块，所述电流采集检测模块、驱动电机、远程通信模块分别与控制器连接；所述驱动电机用于驱动开合式感应线圈的打开或闭合；所述电池输入开关、电池输出开关分别与控制器连接；
所述电流采集检测模块用于采集感应线圈的感应电流并检测其大小，所述控制器用于将电流采集检测模块检测的感应电流值与预设值比较，若是达到断开预设值，则控制驱动电机打开开合式感应线圈，断开感应线圈与 输电线路的连接，同时启动电池输出开关给电力监测设备供电，并控制远程通信模块发送报警信号至远程控制端；所述断开预设值大于充电预设值；
所述过压过流保护电路还包括电流泄放模块，所述电流泄放模块用于泄放多余的电能；
过压过流保护电路的工作原理为：电流采集检测模块检测感应线圈感应的电流值，具体操作如下：
（1）若是感应电流的值小于传输预设值，则直接输入整流滤波电路进行整流滤波；
（2）若是感应电流的值大于等于传输预设值，则通过功率调节电路调节后再输入整流滤波电路；
（3）若是感应电流的值大于等于充电预设值，则控制器控制电池输入开关打开，从过压过流保护电路出来的感应电路分为两路，一路由功率调节电路调节后输入整流滤波电路，一路经过电池输入开关流入蓄电池进行蓄能；若后续输电线路故障感应线圈无法从输电线路获取电能时，控制器打开电池输出开关，蓄电池输出的电流经过高频逆变电路传输至能量发射线圈；
（4）若是蓄电池已经充满，则控制器控制电流泄放模块将多余的电能泄放掉；
（5）若是感应电流的值大于等于断开预设值，则控制器控制驱动电机打开开合式感应线圈，断开与输电线路的连接，避免后续电路因电流过大导致损坏，且通过远程通信模块发送报警信息至远程控制端。
2.根据权利要求1所述的一种电力监测设备的非接触供电系统，其特征在于：所述高频逆变电路包括依次连接的处理器、频率合成模块、驱动电路、超高速MOSFET；所述处理器控制频率合成模块产生高频方波信号；所述高频方波信号经过一个反相器和一个缓冲器之后通过驱动电路驱动超高速MOSFET，从而将直流电流变成高频交流电，并通过能量发射线圈发送出去。
3.根据权利要求1所述的一种电力监测设备的非接触供电系统，其特征在于：所述绝缘子串包括复合绝缘子。
4.根据权利要求3所述的一种电力监测设备的非接触供电系统，其特征在于：所述中继线圈固定在复合绝缘子伞裙内部。
5.根据权利要求1所述的一种电力监测设备的非接触供电系统，其特征在于：所述无线电能传输接收装置包括电容滤波的单级AC/DC变换器结构。
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