CN114173299A - 基于无线传输的智能末屏传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无线传输的智能末屏传感器装置，涉及高压套管监测技术领域，包括：保护外壳以及与保护外壳的上端连接的上盖；所述保护外壳以及上盖的外侧具有一层高导磁薄膜；所述保护外壳内部设置自取能及储能电源模块、信号传变单元、主控制板、天线；所述自取能及储能电源模块的输出端连接主控制板，所述信号传变单元的输出端连接主控制板，所述主控制板与天线连接；保护外壳包括接口柱体和存储柱体，接口柱体内部设置接插头，接口柱体的外侧设置锁紧螺母，存储柱体内部设置信号采集线圈和取能线圈；插接头的外侧设置自取能及储能电源模块，插接头的尾部连接末屏导体。本发明可以实现远距离信号的传输和同步采集功能，结构简单，可长期使用。

Description

基于无线传输的智能末屏传感器装置

技术领域

本发明涉及变电站监测技术领域，具体为一种基于无线传输的智能末屏传感器装置。

背景技术

110kV等级及以上主变出线方式主要采用容性套管，套管末屏是检测介损等参量的重要信号拾取位置。

随着电网工程建设的稳步推进，新疆电网对于特高压电气设备透明性的要求越来越高，低功耗小型化并且具有无线物联功能的电气设备在线监测装置用量越来越多。

油浸纸绝缘套管使用的有线传输型电流变换传感器，接口数量多，安全可靠性低，而且在主变运行状态下是无法打开套管末屏保护罩的，像在运行状态下拾取介损信号，现有的方法是将套管末屏接地线引到底面，但这样一定程度上改变了接地方式，对安全运行构成一定的风险。

现有技术采用末屏传感器对套管进行监测，在不改变原有套管末屏的电气特性下，对套管末屏提取接地电流信号，但是现有的末屏传感器采用有线传输，安装结构复杂，安全可靠性低，且需要进行外部供电或进行充电，安装维护非常不方便，且采用有线连接，布线工程巨大，降低工作效率。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供基于无线传输的智能末屏传感器装置，具有更高的可靠性，无线传输的电流变换传感器具有在线取能、体积小、工作时间长、可靠性高、稳定性好。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

基于无线传输的智能末屏传感器装置，包括：

保护外壳以及与保护外壳的上端连接的上盖，所述保护外壳与上盖构成密闭环境；所述保护外壳与上盖的外侧具有一层高导磁薄膜；

所述保护外壳外部有螺丝孔，通过螺丝可以实现与的固定板件的连接；

所述保护外壳内部设置自取能及储能电源模块、信号传变单元、主控制板、天线；所述自取能及储能电源模块的输出端连接主控制板，所述信号传变单元的输出端连接主控制板，所述主控制板与天线连接；

保护外壳包括接口柱体和存储柱体，所述接口柱体和存储柱体为空腔结构，其中接口柱体内部设置接插头，接口柱体的外侧设置锁紧螺母，存储柱体内部设置信号采集线圈和取能线圈；所述存储柱体的开口处设置隔离板，所述隔离板通过螺栓与外壳上的安装槽固定，所述隔离板上设置通孔；

所述保护外壳上还设置与保护外壳中轴线平行的若干支撑柱，所述支撑柱的上端设置主控制板，所述主控制板的上端通过支柱连接天线；

所述插接头的外侧设置自取能及储能电源模块，所述插接头的尾部连接末屏导体，所述末屏导体设置于存储柱体内并通过导线与主控制板连接；所述信号采集线圈套装于末屏导体的外侧。

作为本发明的进一步技术方案为，所述主控制板包括程控增益模块、程控放大调理模块、AD转换模块、存储模块和微控制器，所述工频信号采集线圈的输出端连接程控增益模块，所述程控增益模块与微控制器连接，所述工频信号采集线圈的输出端连接程控放大调理模块，所述程控放大调理模块的输出端连接AD转换模块，所述AD转换模块的输出端连接微控制器，所述微控制器与存储模块连接。

作为本发明的进一步技术方案为，所述主控制板包括程控增益模块、程控放大调理模块、AD转换模块、存储模块和微控制器，所述信号传变单元为1至2个信号采集线圈，实现采样冗余和信号自校验，所述信号采集线圈包括：工频感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流耦合电容、通频带0.1MHz-50MHz高频感应线圈、通频带30MHz-300MHz甚高频感应线圈、通频带0.1GHz-3.5GHz超高频感应线圈；所述信号采集线圈的输出端连接程控增益模块，所述程控增益模块与微控制器连接，所述工频信号采集线圈的输出端连接程控放大调理模块，所述程控放大调理模块的输出端连接AD转换模块，所述AD转换模块的输出端连接微控制器，所述微控制器与存储模块连接。

作为本发明的进一步技术方案为，所述自取能及储能电源模块包括：取能线圈、电源控制板和储能电池，所述取能线圈设置于接插头的外侧，所述储能电池设置于主控制板的下方，所述电源控制板包括防雷模块、整形滤波模块、电压检测模块、稳压模块；所述取能线圈的输出端连接防雷模块，所述防雷模块的输出端连接整流滤波模块，所述整流滤波模块的输出端连接储能电池，储能电池的输出端连接稳压模块，所述防雷模块的输出端还连接电压检测模块，所述电压检测模块与主控制板连接。

作为本发明的进一步技术方案为，所述取能线圈的磁芯为高磁导率的坡莫合金或非晶材料制作。

作为本发明的进一步技术方案为，所述储能电池包括超级电池和电池，所述电池用于电量储存，所述超级电容用于大电流的短时续流。

作为本发明的进一步技术方案为，所述插接头包括插接口、第一固定件、弹簧、带绝缘皮的软导线和第二固定件，所述插接口通过第一固定件与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端与第二固定件连接，所述带绝缘皮的软导线的一端与第一固定件连接，另一端与第二固定件连接，并被弹簧笼罩，所述第二固定件的外侧设置取电线圈，所述第二固定件与末屏导体连接。

作为本发明的进一步技术方案为，所述保护外壳与上盖连接的一端设置安装凹槽，所述安装凹槽上设置外螺纹，所述上盖设置内螺纹，所述安装凹槽上设置密封圈。

作为本发明的进一步技术方案为，所述上盖为透波塑料材料制作，所述保护外壳为金属材料制作。

作为本发明的进一步技术方案为，所述微控制器为STM32L431型号的处理器。

作为本发明的进一步技术方案为，所述天线采用型号为SX1268、传输频率为470-510MHz的Lora无线模块。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的基于无线传输的智能末屏传感器装置，通过设置LORA 天线可以实现远距离信号的传输；通过设置无源感应电源模块，不需要增加外置电池或从外部供电，通过自身感应取电，为主控制板提供工作电源，结构简单，体积小，可长期使用。

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。在附图中：

图1是本发明提出的基于无线传输的智能末屏传感器装置结构图；

图2是本发明提出的基于无线传输的智能末屏传感器装置爆炸图；

图3是本发明提出的基于无线传输的智能末屏传感器装置剖视图；

图4为本发明提出的基于无线传输的智能末屏传感器装置主控制板控制原理图；

图5为本发明提出的无源感应电源模块电路原理图；

图中所示：

10-保护外壳，20-上盖，30-自取能及储能电源模块，40-主控制板，50- 信号传变单元，60-末屏导体，70-天线，80-接插头；

101-接口柱体，102存储柱体，103-锁紧螺母，104-安装槽，105-支撑柱，106-安装凹槽，107-密封圈，121-隔离板；

301-取能线圈，302-电源控制板，303-储能电池；

321-防雷模块，322-整形滤波模块，323-电压检测模块，324-稳压模块；

401-支柱，402-程控增益模块，403-程控放大调理模块，404-AD转换模块，405-存储模块，406-微控制器；

801-插接口，802-第一固定件，803-弹簧，804-第二固定件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明提供基于无线传输的智能末屏传感器装置，包括：

保护外壳10以及与保护外壳10的上端连接的上盖20，所述保护外壳 10以及与保护外壳10的上端连接的上盖20构成密闭环境；所述保护外壳 102与上盖20的外侧具有一层高导磁薄膜；

所述保护外壳10外部有螺丝孔，通过螺丝可以实现与的固定板件的连接；

所述保护外壳10内部设置自取能及储能电源模块30、信号传变单元 50、主控制板40、天线70；所述自取能及储能电源模块30的输出端连接主控制板40，所述信号传变单元50为1至2个信号采集线圈，实现采样冗余和信号自校验，其输出端连接主控制板40，所述主控制板40与天线 70连接；

所述保护外壳10包括接口柱体101和存储柱体102，所述接口柱体101和存储柱体102为空腔结构，其中接口柱体101内部设置接插头80，所述接口柱体101的外侧设置锁紧螺母103，所述存储柱体102内部设置信号传变单元50和取能线圈，所述存储柱体102的开口处设置隔离板121，所述隔离板121通过螺栓与保护外壳10上的安装槽104固定，所述隔离板121上设置通孔；

所述保护外壳10上还设置与保护外壳10中轴线平行的若干支撑柱105，所述支撑柱105的上端设置主控制板40，所述主控制板40的上端通过支柱401连接天线70；

所述插接头80的外侧设置自取能及储能电源模块30，所述插接头80 的尾部连接末屏导体60，所述末屏导体60设置于存储柱体102内并通过导线与主控制板40连接；所述信号传变单元50套装于末屏导体60的外侧。

本发明提供的基于无线传输的自取电末屏传感器装置，通过设置Lora 天线可以实现远距离信号的传输；通过设置自取能及储能电源模块，不需要增加外置电池或从外部供电，通过自身感应取电，为主控制板提供工作电源，结构简单，体积小，可长期使用。末屏传感器装置在休眠期间处于取能状态，在唤醒期间处于用能(供能)状态。

进一步地，所述主控制板40包括程控增益模块402、程控放大调理模块403、AD转换模块404、存储模块405和微控制器406，

所述信号传变单元为1至2个信号采集线圈，实现采样冗余和信号自校验，所述信号采集线圈包括：工频感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流耦合电容、通频带 0.1MHz-50MHz高频感应线圈、通频带30MHz-300MHz甚高频感应线圈、通频带0.1GHz-3.5GHz超高频感应线圈；上述感应线圈的通频带可根据需要选择使用，也可以采用其他通频带线圈，具体以实际使用设计为准。所述信号传变单元50的输出端连接程控增益模块402，所述程控增益模块 402与微控制器406连接，所述信号传变单元50的输出端连接程控放大调理模块403，所述程控放大调理模块403的输出端连接AD转换模块404，所述AD转换模块404的输出端连接微控制器406，所述微控制器406与存储模块405连接。

主控制板通过外置100M的ADC进行高速HFCT信号采样，外置大容量SDRAM进行数据换成。工频信号采用微控制器自带的14位ADC进行采样。

本发明实施例中，对于模数转换器如直接采用高分辨率的ADC，则最好选择16bit的ADC，这样留有做够的余量。采用12位ADC加增益控制方案则采用微控制器自带ADC即可。为了提高硬件和软件的灵活性，采用12 位ADC加增益控制方案。微控制器可以采用但不限于ST的低功耗系列 STM32L431处理器，自带12位ADC，外部增加4档切换电路。调理部分大致原理如图4所示，由多路开关和运放组成的档位切换的夸导放大电路和二阶有源滤波电路组成。

微控制器406为STM32L431型号的处理器，采用其自带ADC进行波形采样，并通过Lora 470MHz无线传输。末屏的接地柱与传感器接头接触，接触面采用弧面，通过弹簧提供一定的压力，以保证接地的可靠。

由于末屏接地线平常态约有几百mA的接地电流，如果能利用接地电流，进行感应取电则更为合适。因此本发明实施例中，考虑接地电流感应取电。在接插头外侧设置取电线圈进行感应取电。

参见图5，本发明实施例中，自取能及储能电源模块30包括：取能线圈301、电源控制板302和储能电池303，所述取能线圈301设置于接插头80的外侧，所述储能电池303设置于主控制板40的下方，所述电源控制板302包括防雷模块321、整形滤波模块322、电压检测模块323、稳压模块324；所述取能线圈301的输出端连接防雷模块321，所述防雷模块 321的输出端连接整流滤波模块322，所述整流滤波模块322的输出端连接储能电池303，储能电池303的输出端连接稳压模块324，所述防雷模块321的输出端还连接电压检测模块323，所述电压检测模块323与主控制板40连接。

测量用互感器其性能直接影响测量精度。磁芯材料磁导率越高，互感器的测量误差就越小，精确度就越高，磁芯的尺寸就会越小。目前电流互感器磁芯采用的软磁材料主要有冷轧硅钢片、坡莫合金、非晶和微晶。微晶、非晶和坡莫合金有比冷轧硅钢片更高的磁导率，且硅钢片磁芯相对体积大，故不予考虑，本方案的电流互感器的磁芯材料可考虑在坡莫合金、非晶和微晶中选择，结合制造方情况设计或选用合适的磁芯即可。由于引下线电流平常只有几百mA左右，故取能线圈301的磁芯为高磁导率的坡莫合金或非晶材料制作。若取能线圈的功率为2mW，经测试在0.02A接地电流时，1000匝的取能线圈即可输出约50uA的平均电流，可满足1小时发送间隔的长期运行需要。

由于二次绕组线径增大可使其阻抗减小，从而减小误差。误差同时与二次绕组匝数平方成反比，增加二次绕组匝数可以减小误差，而绕组阻抗也随之增加，会限制误差的下降。通常小电流互感器的线圈在1000到2000 匝，精度基本能达到0.2级，本发明实施例中采用1000匝的电流互感器。

为了避免接地线上的瞬间大电流冲击，在取电线圈的输出先经过防雷器件进行大电流泄流防止雷击损坏，再进入过压保护电路，防止由于接地线电流过大导致后续电路超压损坏。全波整流将交流电流整形成直流电流并给超级电容或可充电电池充电。

本发明实施例的储能电池303包括超级电池和电池，所述电池用于电量储存，所述超级电容用于大电流的短时续流。由于采集模块运行起来的功耗较大，平时处于休眠状态，休眠状态时，取电线圈对储能模块补电，微控制器退出休眠后靠超级电容供电。每次运行时靠储能模块供电。储能模块包括超级电池和电池，电池用于电量存储，超级电容用于大电流的短时续流。超级电容为SPC1520型号的电容器。

本发明实施例中，插接头80包括插接口801、第一固定件802、弹簧 803、带绝缘皮的软导线和第二固定件804，所述插接口801通过第一固定件802与弹簧803的一端连接，所述弹簧803的另一端与第二固定件804 连接，所述带绝缘皮的软导线的一端与第一固定件连接，另一端与第二固定件连接，并被弹簧笼罩，所述第二固定件804的外侧设置取电线圈301，所述第二固定件804与末屏导体90连接。

其中，保护外壳10与上盖20连接的一端设置安装凹槽106，所述安装凹槽106上设置外螺纹，所述上盖20设置内螺纹，所述安装凹槽106 上设置密封圈107。上盖20为透波塑料材料制作，所述保护外壳10为金属材料制作。由于天线的存在，传感器整体分为前端的金属部分后后端的塑料部分，两者间由密封圈防水。

本发明实施例中，天线70采用型号为SX1268、传输频率为470-510MHz 的Lora无线模块。天线也可以采用4G、5G模块，本发明对此不作限制，以能够实现无线传输为准。优选的，天线模块采用SX1268，实现远距离通讯传输。并且可用于无线数据传输和无线同步功能。选取Lora通信模块也是基于SX1278的一款通信模块。在工程实际中，因为不同的调制参数会影响接收距离和灵敏度参数，现场的安装环境不同也会限制调制参数的使用，因此设计时应考虑灵活可变的配置选择，以适配的不同的现场环境。

本发明实施例中，末屏传感器装置由线圈部分和采集处理部分组成，线圈部分内置工频和取电线圈。主控制板采集实现工频信号调理、采集、处理和无线传输。工频定期触发定时长采样；分时段工作。主控制板按设定的周期运行，每次运行，收到无线同步指令后先进行工频信号的采集处理。工频信号：采样位数14bit；采样率6.4K；存储深度4096；最大连续采样时长640ms。

本发明实施例中，末屏传感器装置在于套管末屏进行连接时，可以通过设置支架对末屏传感器装置进行固定支撑，支架可采用带有圆环的支撑架、也可以采用带有弧形槽的支撑立柱，通过圆环或弧形槽对末屏传感器装置进行固定，通过支撑架或支撑立柱进行支撑固定，方便安装和使用，本发明对于末屏传感器装置的支撑固定也可以采用其他结构，本发明对于末屏传感器装置的固定结构不作限制，以能够实现对末屏传感器装置在现场安装牢固为准。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的的技术原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，包括：

保护外壳，以及与保护外壳的上端连接的上盖，所述保护外壳与上盖构成密闭环境；所述保护外壳与上盖的外侧具有一层高导磁薄膜；所述保护外壳外部有螺丝孔；

所述保护外壳内部设置自取能及储能电源模块、信号传变单元、主控制板、末屏导体和天线；所述自取能及储能电源模块的输出端连接主控制板，所述信号传变单元的输出端连接主控制板，所述主控制板与天线连接；

保护外壳包括接口柱体和存储柱体，所述接口柱体和存储柱体为空腔结构，其中接口柱体内部设置接插头，接口柱体的外侧设置锁紧螺母，存储柱体内部设置信号采集线圈和取能线圈；所述存储柱体的开口处设置隔离板，所述隔离板通过螺栓与外壳上的安装槽固定，所述隔离板上设置通孔；

所述保护外壳上还设置与保护外壳中轴线平行的若干支撑柱，所述支撑柱的上端设置主控制板，所述主控制板的上端通过支柱连接天线；

所述插接头的外侧设置自取能及储能电源模块，所述插接头的尾部连接末屏导体，所述末屏导体设置于存储柱体内并通过导线与主控制板连接；所述信号采集线圈套装于末屏导体的外侧。

2.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述主控制板包括程控增益模块、程控放大调理模块、AD转换模块、存储模块和微控制器，所述信号传变单元为1至2个信号采集线圈，实现采样冗余和信号自校验，所述信号采集线圈包括：工频感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流感应线圈、通频带0.1kHz-500kHz脉冲电流耦合电容、通频带0.1MHz-50MHz高频感应线圈、通频带30MHz-300MHz甚高频感应线圈、通频带0.1GHz-3.5GHz超高频感应线圈；所述信号采集线圈的输出端连接程控增益模块，所述程控增益模块与微控制器连接，所述工频信号采集线圈的输出端连接程控放大调理模块，所述程控放大调理模块的输出端连接AD转换模块，所述AD转换模块的输出端连接微控制器，所述微控制器与存储模块连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述自取能及储能电源模块包括：取能线圈、电源控制板和储能电池，所述取能线圈设置于接插头的外侧，所述储能电池设置于主控制板的下方，所述电源控制板包括防雷模块、整形滤波模块、电压检测模块、稳压模块；所述取能线圈的输出端连接防雷模块，所述防雷模块的输出端连接整流滤波模块，所述整流滤波模块的输出端连接储能电池，储能电池的输出端连接稳压模块，所述防雷模块的输出端还连接电压检测模块，所述电压检测模块与主控制板连接。

4.根据权利要求3所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述取能线圈的磁芯为高磁导率的坡莫合金或非晶材料制作。

5.根据权利要求3所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述储能电池包括超级电池和电池，所述电池用于电量储存，所述超级电容用于大电流的短时续流。

6.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述插接头包括插接口、第一固定件、弹簧、带绝缘皮的软导线和第二固定件，所述插接口通过第一固定件与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端与第二固定件连接，所述带绝缘皮的软导线的一端与第一固定件连接，另一端与第二固定件连接，并被弹簧笼罩，所述第二固定件的外侧设置取电线圈，所述第二固定件与末屏导体连接。

7.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述保护外壳与上盖连接的一端设置安装凹槽，所述安装凹槽上设置外螺纹，所述上盖设置内螺纹，所述安装凹槽上设置密封圈。

8.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述上盖为透波塑料材料制作，所述保护外壳为金属材料制作。

9.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述微控制器为STM32L431型号的处理器。

10.根据权利要求1所述的基于无线传输的智能末屏传感器装置，其特征在于，所述天线型号为SX1268、传输频率为470-510MHz的Lora无线模块，或4G、5G模块中的一种。

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