CN114137277A - 箱式变电站电流监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

箱式变电站电流监测装置及方法，该监测装置包括电流传感器，电流传感器连接采集传输模块，采集传输模块连接供能电路模块，采集传输模块与数据接收模块之间通过无线方式进行信号传输，数据接收模块连接终端分析模块。数据接收模块接收来自采集传输模块的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或RS232传送给终端分析模块；终端分析模块实现信号的幅值、相位分析及波形显示，并可依据电流传感器的数据进行线路正常或异常的判断、评估及预警。本发明提升电流传感器的测量性能，同时实现了电流传感器在设备带电情况下的安装与拆卸，有效提升了现场操作的效率，检修维护方便。

Description

箱式变电站电流监测装置及方法

技术领域

本发明涉及箱式变电站监测技术领域，具体涉及一种箱式变电站电流监测装置及方法。

背景技术

箱式变电站是城市配电网常用的电力装备之一，其性能决定了用户能否得到稳定可靠的电力供应。电流参数属于衡量箱式变电站运行状态的关键指标，当负荷变化、设备故障时，电流会发生相应的变化，因此准确的监测箱式变电站中的电流信号，有利于及时判断箱式变电站运行状态是否正常。

中国专利CN202022668571.6提供了一种小型抽屉式开关柜用的电流互感器，通过插块、限位孔、插杆和连接孔等部件的设计，使得该电流互感器本体易于拆卸和安装。然而，该专利并未从电流互感器本身的设计及性能改进上进行考虑，而电流互感器本身的性能决定了其是否能够准确的监测开关柜电流信息。中国专利CN202011613304.7提供了一种开关柜三相母线电流测量装置，通过伸缩杆、滑动板、控制滑块等的设计，使得磁传感器可以调整相应位置，从而获得更高的检测精度。该专利也未考虑如何提升电流传感器本身的性能。由于电流互感器本身的性能决定了电流监测的精度，其重要性不言而喻。

发明内容

针对目前箱式变电站电流传感器及电流监测装置存在的不足，本发明提供了一种箱式变电站电流监测装置及方法，通过对电流传感器进行创新性设计，提升电流传感器的测量性能，同时实现了电流传感器在设备带电情况下的安装与拆卸，有效提升了现场操作的效率，检修维护方便。

本发明采取的技术方案为：

箱式变电站电流监测装置，该装置包括：电流传感器、采集传输模块、供能电路模块、数据接收模块、终端分析模块。电流传感器连接采集传输模块，采集传输模块连接供能电路模块，采集传输模块与数据接收模块之间通过无线方式进行信号传输，数据接收模块连接终端分析模块。

电流传感器，用于感应一次导线L0中的电流信号；

采集传输模块，用于将电流传感器的输出模拟信号通过模数转换转变为数字量信号，并通过无线方式将其发送给后续的数据接收模块；

供能电路模块，包括双CT供能线圈，可充电电池，其中一个CT供能线圈连接采集传输模块，直接给采集传输模块供电；另一个CT供能线圈连接可充电电池，可充电电池连接采集传输模块，给采集传输模块供电。

数据接收模块，用于接收来自采集传输模块的信号，并将信号进行处理；

终端分析模块，用于分析并信号状态、并对线路运行状态进行判断、预警。

所述电流传感器、采集传输模块、供能电路模块构成电流监测装置的前端部分，与一次导线L0相连，形成一个独立的整体。数据接收模块、终端分析模块构成电流监测装置的后端部分，安装于监测屏柜中。电流传感器的输出端通过第一屏蔽线连接采集传输模块，供能电路模块通过第二屏蔽线连接采集传输模块供电。

所述电流传感器包括两个半圆形线圈、尺寸调节环、固定卡扣；两个半圆形线圈通过固定卡扣固定，构成传感器本体。传感器本体内设置有尺寸调节环，尺寸调节环其半径能够根据一次导线L0尺寸进行调节，传感器本体通过尺寸调节环固定在一次导线L0上。

所述传感器本体包括印刷电路板PCB，构成传感器线圈骨架，外侧均匀绕制绕线，线圈骨架中间采用覆铜技术印制圆形导线，形成传感器线圈的回线。

所述采集传输模块包括单片机单元、模数转换单元、第一无线传输单元；单片机单元分别连接模数转换单元、第一无线传输单元，单片机单元控制模数转换单元实现信号的采集，同时，单片机单元控制第一无线传输单元实现数据的无线传输。

所述供能电路模块的双CT供能线圈为开合式结构，双CT供能线圈和电流传感器并列放置，使用时均安装于一次导线L0上。

所述供能电路模块还包括整流电路、DC-DC变换器，一个CT供能线圈连接整流电路，整流电路连接DC-DC变换器，DC-DC变换器连接可充电电池。

所述数据接收模块包括第二无线传输单元，数据接收模块通过第二无线传输单元接收来自采集传输模块的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或者RS232传送给终端分析模块。

所述终端分析模块采用计算机或其他由微处理器构成的分析设备，实现信号的幅值、相位分析及波形显示，并可依据传感器的数据进行线路正常或异常的判断、评估及预警。

本发明一种箱式变电站电流监测装置及方法，技术效果如下：

1）电流传感器线圈采用PCB和漆包线缠绕相结合的方式，其中回线采用PCB印制技术，保证了回线的标准圆形，与线圈垂直平面的形状完好吻合，从而有效抑制了垂直于线圈平面的磁场的干扰，提升了传感器线圈抗干扰性能；主线圈采用漆包线缠绕的方式，与直接采用PCB印制的方式相比，其绕制的匝数可以提高2倍以上，从而在感应小电流信号时，有效提高传感器输出信号幅值，提高传感器信噪比。

2）采集传输模块与数据接收模块之间采用无线传输的方式，其中：供能电路、传感器、采集传输模块构成前端部分，形成一个独立的整体，可以灵活的安装在需要监测的位置，而无需考虑前端部分电路的供电问题，大大拓展了其应用的场景。

3）供能电路采用双CT供能线圈，CT供能线圈也采用开合式结构，其中一个CT供能线圈直接给负载供电，一个CT供能线圈给可充电电池进行充电。当一次导线中电流满足要求时，则由CT供能线圈直接给负载供电，同时可充电电池处于充电状态。当一次导线中电流较小，此时切换到由可充电电池供电的状态，保证电路的正常工作。双CT功能线圈的使用有效保证了供能电路的可靠工作，且无需与后续电路进行直接的电连接，从而使得传感器和采集传输模块可以灵活的安装与运维。

附图说明

图1为本发明监测装置的整体结构示意图。

图2为本发明监测装置的电流传感器结构示意图。

图3为本发明监测装置的传感器半圆形线圈结构图。

图4为本发明监测装置的传感器和CT供能线圈示意图。

图5为本发明监测装置的CT供能电路图。

具体实施方式

如图1所示，箱式变电站电流监测装置，该装置包括：电流传感器a1、采集传输模块a2、供能电路模块a3、数据接收模块b1、终端分析模块b2。

电流传感器a1连接采集传输模块a2，采集传输模块a2连接供能电路模块a3，采集传输模块a2与数据接收模块b1之间通过无线方式进行信号传输，数据接收模块b1连接终端分析模块b2。

电流传感器a1，用于感应一次导线L0中的电流信号；

采集传输模块a2，用于将电流传感器a1的输出模拟信号通过模数转换转变为数字量信号，并通过无线方式将其发送给后续的数据接收模块b1；

供能电路模块a3，包括双CT供能线圈6，可充电电池，其中一个CT供能线圈连接采集传输模块a2，直接给采集传输模块a2供电；另一个CT供能线圈连接可充电电池，可充电电池连接采集传输模块a2，给采集传输模块a2供电。

数据接收模块b1，用于接收来自采集传输模块a3的信号，并将信号进行处理；

终端分析模块b2，用于分析并信号状态、并对线路运行状态进行判断、预警。

所述电流传感器a1、采集传输模块a2、供能电路模块a3构成电流监测装置的前端部分，与一次导线L0相连，形成一个独立的整体，可以灵活的安装在需要监测的位置，而无需考虑前端部分电路的供电问题，大大拓展了其应用的场景。

数据接收模块b1、终端分析模块b2构成电流监测装置的后端部分，安装于监测屏柜中；

电流传感器a1的输出端通过第一屏蔽线连接采集传输模块a2，供能电路模块a3通过第二屏蔽线连接采集传输模块a2供电。

如图2所示，所述电流传感器a1包括两个半圆形线圈1、尺寸调节环2、固定卡扣3；两个半圆形线圈1通过固定卡扣3固定，构成传感器本体。

电流传感器a1线圈由两个半圆形线圈1构成，形成开合式结构，从而可以方便的进行带电操作，不干扰箱式变电站的正常运行。

传感器本体内设置有尺寸调节环2，尺寸调节环2其半径能够根据一次导线L0尺寸进行调节，传感器本体通过尺寸调节环2固定在一次导线L0上。

如图3所示，传感器本体包括印刷电路板PCB，构成传感器线圈骨架，骨架外侧密集均匀的绕制绕线5，形成传感器线圈。这种方式既可以保证在较小的尺寸上绕制足够多的线圈匝数，从而在感应小电流时获得较高的信噪比；又可以保证回线尺寸和线圈垂直截面的圆形尺寸完整吻合，从而有效抑制垂直于传感器线圈截面的磁场干扰。线圈骨架中间采用覆铜技术印制圆形导线，形成传感器线圈的回线4。

电流传感器a1线圈采用PCB和漆包线缠绕相结合的方式，其中：回线采用PCB印制技术，保证了回线的标准圆形，与线圈垂直平面的形状完好吻合，从而有效抑制了垂直于线圈平面的磁场的干扰，提升了传感器线圈抗干扰性能；主线圈采用漆包线缠绕的方式，与直接采用PCB印制的方式相比，其绕制的匝数可以提高2倍以上，从而在感应小电流信号时，有效提高传感器输出信号幅值，提高传感器信噪比。

同时，印制的回线4，相比传统直接在非磁性骨架传感器线圈手工绕制的回线，其回线参数更有利于消除垂直线圈截面方向的磁场干扰。而手工绕制很难使得回线均匀处于骨架正中位置，且很难做到标准的圆环形。

传感器由两个半圆形线圈构成，使得其在不中断线路导线的情况下，可方便的进行接入及退出操作，实现带电安装及运维。

传感器线圈内侧设置有尺寸调节环2，其半径尺寸可根据导线尺寸进行适当的更换，以使得传感器更紧密的固定在箱式变电站内部需要监测的导线上，避免导线位置偏心造成的误差。传感器上设置有固定卡扣3，使传感器可以紧密的固定在导线上。

所述采集传输模块a2包括单片机单元、模数转换单元、第一无线传输单元；单片机单元分别连接模数转换单元、第一无线传输单元，单片机单元控制模数转换单元实现信号的采集，同时，单片机单元控制第一无线传输单元实现数据的无线传输。单片机单元采用MSP430系列低功耗芯片实现，模数转换单元采用AD76系列芯片。

第一无线传输单元采用ESP8266无线收发模块，既可以发送信号，也可以接收信号。

所述供能电路模块a3的双CT供能线圈6为开合式结构，可在不干扰变电站设备正常运行的情况下，实现带电安装与拆卸。

采集传输模块a2中的电路部分需要进行供电，一般需要直流3.3-12V之间的电压进行供电。供能电路采用双CT供能线圈的方式，如图4中所示，双CT供能线圈6和电流传感器a1并列放置,使用时均安装于一次导线L0上。

如图5所示，所述供能电路模块a3还包括整流电路、DC-DC变换器，一个CT供能线圈连接整流电路，整流电路连接DC-DC变换器，DC-DC变换器连接可充电电池。整流电路采用全波整流方式，采用四个肖特基二极管构成整流部分。供能电路输入侧和输出侧分别设置有两个TVS管，用于电压钳位，防止系统故障时供电电压过高。输入侧和输出侧分别有滤波电容。R1为保护电阻。整流电路输出至DC-DC变换器，转换为合适的电压后，供给负载（采集传输模块a2）、或者可充电电池。

可充电电池由采用4节1.5V锂电池构成。

所述数据接收模块b1包括第二无线传输单元，数据接收模块b1通过第二无线传输单元接收来自采集传输模块a2的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或者RS232传送给终端分析模块b2。

第二无线传输单元采用ESP8266无线收发模块，既可以接收信号，也可以发送信号。

所述终端分析模块b2采用计算机或其他由微处理器构成的分析设备，实现信号的幅值、相位分析及波形显示，并可依据传感器的数据进行线路正常或异常的判断、评估及预警。

一种箱式变电站电流监测装置双CT供能线圈供电方法， CT供能线圈采用双线圈的形式，其中一个CT供能线圈通过整流电路、DC-DC变换后，直接供给采集传输模块a2，另一个CT供能线圈经整流电路、DC-DC变换后，对可充电电池进行充电。当一次导线L0中电流较大时，一般大于10A以上，由CT供能线圈电路给采集传输模块a2直接供电；当一次导线L0中电流较小（一般小于10A以下）时，则由可充电电池给采集传输模块a2供电。两种供电方式的使用，使得电流监测装置可以不间断工作，实现线路电流的实时准确监测。

箱式变电站电流监测方法，数据接收模块b1通过第二无线传输单元接收来自采集传输模块a2的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或RS232传送给终端分析模块b2；终端分析模块b2实现信号的幅值、相位分析及波形显示，并可依据电流传感器a1的数据进行线路正常或异常的判断、评估及预警。

本发明一种箱式变电站电流监测装置及方法，传感器采用PCB和漆包线缠绕相结合的方式，有效提升了小信号时的信噪比和传感器抗干扰能力；采用开合式双CT供能线圈实现了设备带电操作，大大提升了现场操作效率，保证了电路供电可靠性。本发明可实现带电情况下的装置安装与调试，保证箱式变电站运行状态的实时准确监测，适用于多种应用场景。

Claims (10)

1.箱式变电站电流监测装置，其特征在于该装置包括：

电流传感器（a1）、采集传输模块（a2）、供能电路模块（a3）、数据接收模块（b1）、终端分析模块（b2）；

电流传感器（a1）连接采集传输模块（a2），采集传输模块（a2）连接供能电路模块（a3），采集传输模块（a2）与数据接收模块（b1）之间通过无线方式进行信号传输，数据接收模块（b1）连接终端分析模块（b2）；

电流传感器（a1），用于感应一次导线（L0）中的电流信号；

采集传输模块（a2），用于将电流传感器（a1）的输出模拟信号通过模数转换转变为数字量信号，并通过无线方式将其发送给后续的数据接收模块（b1）；

供能电路模块（a3），包括双CT供能线圈（6），可充电电池，其中一个CT供能线圈连接采集传输模块（a2），直接给采集传输模块（a2）供电；另一个CT供能线圈连接可充电电池，可充电电池连接采集传输模块（a2），给采集传输模块（a2）供电；

数据接收模块（b1），用于接收来自采集传输模块（a2）的信号，并将信号进行处理；

终端分析模块（b2），用于分析并信号状态、并对线路运行状态进行判断、预警。

2.根据权利要求1所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述电流传感器（a1）、采集传输模块（a2）、供能电路模块（a3）构成电流监测装置的前端部分，与一次导线（L0）相连，形成一个独立的整体；

数据接收模块（b1）、终端分析模块（b2）构成电流监测装置的后端部分，安装于监测屏柜中；

电流传感器（a1）的输出端通过第一屏蔽线连接采集传输模块（a2），供能电路模块（a3）通过第二屏蔽线连接采集传输模块（a2）。

3.根据权利要求1所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述电流传感器（a1）包括两个半圆形线圈（1）、尺寸调节环（2）、固定卡扣（3）；两个半圆形线圈（1）通过固定卡扣（3）固定，构成传感器本体；传感器本体内设置有尺寸调节环（2），尺寸调节环（2）其半径能够根据一次导线（L0）尺寸进行调节，传感器本体通过尺寸调节环（2）固定在一次导线（L0）上。

4.根据权利要求3所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述传感器本体包括印刷电路板PCB，构成传感器线圈骨架，外侧均匀绕制绕线（5），线圈骨架中间采用覆铜技术印制圆形导线，形成传感器线圈的回线（4）。

5.根据权利要求1所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述采集传输模块（a2）包括单片机单元、模数转换单元、第一无线传输单元；单片机单元分别连接模数转换单元、第一无线传输单元，单片机单元控制模数转换单元实现信号的采集，同时，单片机单元控制第一无线传输单元实现数据的无线传输。

6.根据权利要求1所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述供能电路模块（a3）的双CT供能线圈（6）为开合式结构，双CT供能线圈（6）和电流传感器（a1）并列放置,使用时均安装于一次导线（L0）上。

7.根据权利要求6所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述供能电路模块（a3）还包括整流电路、DC-DC变换器，一个CT供能线圈连接整流电路，整流电路连接DC-DC变换器，DC-DC变换器连接可充电电池。

8.根据权利要求1所述箱式变电站电流监测装置，其特征在于：所述数据接收模块（b1）包括第二无线传输单元，数据接收模块（b1）通过第二无线传输单元接收来自采集传输模块（a2）的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或者RS232传送给终端分析模块（b2）。

9.一种箱式变电站电流监测装置双CT供能线圈供电方法，其特征在于： CT供能线圈采用双线圈的形式，其中一个CT供能线圈通过整流电路、DC-DC变换后，直接给采集传输模块（a2）供电，另一个CT供能线圈经整流电路、DC-DC变换后，对可充电电池进行充电；

当一次导线（L0）中电流较大时，由CT供能线圈电路给采集传输模块（a2）直接供电；当一次导线（L0）中电流较小时，则由可充电电池给采集传输模块（a2）供电。

10.箱式变电站电流监测方法，其特征在于：数据接收模块（b1）通过第二无线传输单元接收来自采集传输模块（a2）的信号，并将信号进行组帧处理，然后通过USB或RS232传送给终端分析模块（b2）；终端分析模块（b2）实现信号的幅值、相位分析及波形显示，并可依据电流传感器（a1）的数据进行线路正常或异常的判断、评估及预警。

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