CN115765214A

CN115765214A - 一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统及方法

Info

Publication number: CN115765214A
Application number: CN202211269016.3A
Authority: CN
Inventors: 谭林林; 武志军; 余永丰; 黄学良
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明公开了一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统及方法，包括多个取能点、一个能量汇总点和一套跨绝缘子无线电能传输单元三个部分；所述取能点用于从高压输电线路中进行取能，并将电能由发射线圈发出；所述能量汇总点用于将各取能点发出的能量进行接收汇总后将电能传输至跨绝缘子无线电能传输单元；所述跨绝缘子无线电能传输单元将电能传输至负载端。本发明可以从多条线路中独立的进行取能，解决了单个取能点故障对整体供电系统的影响问题，同时实现了高压侧取能和低压侧用电的电气绝缘，提高了高压输电线路在线监测设备的稳定运行能力。

Description

一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统及方法

技术领域

本发明涉及高压输电线路在线监测设备领域，具体涉及一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统及方法。

背景技术

为确保电力系统安全稳定的运行，目前正在积极搭建智能运检系统。运维人员可以通过安装在电力杆塔上的在线监测设备得知电力线路上的多种运行参数，能够对电力系统的潜在风险提前预警，预防灾难性事故的发生。

传统的高压输电线路在线监测设备只能通过蓄电池或者光伏板进行供电，但这些方式容易受到天气和环境的限制，严重影响了监测效果。目前解决方式采用单条线路安装取能器进行取能，但是该方式受限于取能器所安装线路中的电流大小，电流过大或过小都会对取能器的正常工作造成干扰甚至损坏，影响监测设备供电的可靠性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统及方法。发明目的：为加强高压输电线路在线监测设备的低压供电能力，本发明提供了一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，采用多个CT取能器从多条线路中相互独立进行取能后，通过磁耦合谐振式无线电能传输技术将电能传递至能量汇总点，在能量汇总点实现各取能器的电能收集。收集后的电能再由跨绝缘子无线电能传输单元传输至负载端，负载端经过电能变换后完成对检测设备的供电。该方式保证了供电的可靠性，同时也实现了高压侧和低压侧的电气绝缘。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，包括多个独立取能点、一个能量汇总点和一个跨绝缘子无线电能传输单元三个部分；

所述独立取能点包括CT取能器、AC/DC变换模块、高频逆变模块、发射线圈及其补偿网络，CT取能器主要由环形磁芯和磁芯上的导线组成，CT取能器安装于输电线路上，当输电线路中通过交流电流时，磁芯会感应到输电线路周围的磁场，磁芯上的导线会感应出电能；CT取能器取出电能后将其输入后级AC/DC变换模块，形成稳定的直流电；该直流电经由高频逆变模块转化为高频交流电提供给发射线圈，以将电能发出；

所述能量汇总点主要包括一个谐振线圈及其补偿网络，谐振线圈的工作频率和取能点的发射线圈工作频率相同，可以和发射线圈形成磁耦合谐振。当发射线圈发出能量后，其周围会产生同频率的变化磁场，谐振线圈内部也会产生同频率的谐振电流，形成电能由取能点至能量汇总点的传输，实现各取能点的能量汇总。在谐振线圈内部耦合到同频率的谐振电流的同时，谐振线圈周围又会形成同频率的变化磁场，以此将能量传递至跨绝缘子无线电能传输单元。

所述独立取能点包括CT取能器、DC/DC变换模块、高频逆变模块、发射线圈，取能点致力于通过CT取能器从高压输电线路上利用电磁感应原理获取电能，经过DC/DC变换模块并由高频逆变模块将电能转化为高频交流电，经由发射线圈将能量发出；

所述能量汇总点包括一个谐振线圈，用于将各取能点发出的能量进行接收汇总，并通过中继线圈原理将能量传递至跨绝缘子无线电能传输单元；

所述跨绝缘子无线电能传输单元包括耦合机构、整流电路、储能单元和负载，实现电能从能量汇总点传递至储能单元和负载。

进一步地，所述高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，系统包含有多个取能点，分别安装在不同输电支路中，如分裂导线、A相、B相和C相等输电导线上。

进一步地，所述多个取能点，每个取能点均包含一个CT取能器、AC/DC变换模块、高频逆变模块和谐振线圈四个模块。所述CT取能器从高压输电线路上利用电磁感应原理获取电能；所述AC/DC变换模块将CT取能器获取的工频交流电能转化为稳定的直流电；所述高频逆变模块将AC/DC变换模块输出的直流电转换为高频交流电；所述谐振线圈由利兹线绕制而成，在此作为发射线圈使用，与能量汇总点进行电磁耦合，将高频交流电传递至能量汇总点。

进一步地，所述高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，系统包含有一个能量汇总点。所述能量汇总点包括一个谐振线圈，作为接收线圈用于将各取能点发出的能量进行接收汇总，并通过中继线圈原理将能量传递至跨绝缘子无线电能传输单元。

进一步地，所述高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，系统包含一个跨绝缘子无线电能传输单元，将能量传递至负载端，为高压输电线路在线监测设备进行供电。

进一步地，所述跨绝缘子无线电能传输单元包括耦合机构、整流装置、储能装置和负载。耦合机构为多个由利兹线绕制的谐振线圈组成，构成多中继耦合机构；所述整流装置由单相桥式可控整流电路组成；所述储能装置为电池；所述负载端为高压输电线路在线监测设备，包括摄像头、微型控制器和各类传感器等。

进一步地，所述高压输电线路在线监测设备的多源供电系统工作过程具体为：

过程1：多个取能点CT取能器独立工作将能量取出，并通过发射线圈将能量发送至能量汇总点。

过程2：能量汇总点的谐振线圈作为取能点的接收线圈，通过电磁耦合将多个取能点的能量进行汇总，并作为发射线圈将能量向跨绝缘子无线电能传输系统发送。

过程3：跨绝缘子无线电能传输系统将能量通过多个中继线圈发送至整流装置。

过程4：整流装置将高频交流电转换为直流电提供给电池进行存储。

过程5：电池向负载端进行能量供应。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，多个取能点独立工作，避免了单个CT取能器损坏造成高压输电线路在线监测设备不能正常工作的问题，同时，多个取能点同时进行取能，提高了系统的整体取能。

2、本发明提供的高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，通过跨绝缘子无线电能传输系统将能量由高压侧传递至低压侧，解决了电气绝缘的问题。同时，多中继线圈的模式使得每个线圈的体积显著减小，更便于在绝缘子上安装。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1高压输电线路在线监测设备的多源供电系统示意图

图2取能装置等值电路模型

图3接收线圈水平位置偏移图

图4多中继线圈等效电路图

图5高压输电线路在线监测设备的工作流程图

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统示意图，包括多个取能点、一个能量汇总点和一套跨绝缘子无线电能传输系统。所述取能点包括CT取能器、DC/DC变换模块、高频逆变模块、发射线圈，取能点致力于通过CT取能器从高压输电线路上利用电磁感应原理获取电能，经过DC/DC变换模块并由高频逆变模块将电能转化为高频交流电，经由发射线圈将能量发出；所述能量汇总点包括一个谐振线圈，用于将各取能点发出的能量进行接收汇总，并通过中继线圈原理将能量传递至跨绝缘子无线电能传输单元；所述跨绝缘子无线电能传输单元包括耦合机构、整流电路、储能单元和负载，实现电能从能量汇总点传递至储能单元和负载。

如图2所示，为取能装置等值电路模型。图中，I₁为输电线路中流过的电流，I_m为励磁电流，N_p，I_p分别为取能装置一次侧匝数、电流，N_s为取能装置二次侧匝数，I₂为二次侧流过的电流，E₂为二次侧感应电压，U₂为等效负载侧电压，R₂、L₂分别为二次侧线圈等效电阻及电感，R_L为取能装置二次侧的等效外负载。可以得到取能装置的等效电路方程：

如图3所示，为接收线圈水平位置偏移图。发射线圈O₁与接收线圈O₂之间的垂直距离为d，两线圈之间的相对水平位置偏移量为Δ；r_S和r_D分别为发射线圈O₁和接收线圈O₂的半径；dI_S与dI_D是发射线圈与接收线圈上任意两点的积分单元，θ与φ分别为dI_S与dI_D的积分因子；r_SD为dI_S与dI_D上两点之间的距离。发射和接收线圈相对位置的变化会改变互感系数，进而影响输出功率和传输效率。为了直接描述传输特性与相对位置的关系，可以通过求解诺依曼公式中的二重积分来实现：

其中，N_S为发射线圈O₁的匝数，μ₀为真空状态下的磁导率，N_D为接收线圈O₂的匝数。

如图4所示，为多中继线圈等效电路图。多中继线圈系统的等效电路模型图如图1所示，图中，L₁,L₂,…L_n为线圈自感，C₁,C₂,…C_n为串联谐振电容，中继线圈等间距分布，故相邻线圈之间的互感值相等，M₁₂,M₁₃,…M_1n为发射线圈和第n个中继线圈之间的互感，互感可以通过式(1.2)求得，R₁,R₂,…R_n为线圈内阻，U_s为输入电压，R_l为负载电阻。由图4可得，

其中，

Z_ij＝jωM_ij，ω＝2πf(f为工作频率)且满足i≠j(i,j＝1,2,3,…,n)。当系统完全谐振时，有Z_ii＝R_pi。

高压输电线路在线监测设备的多源供电系统工作过程：

过程1：多个取能点CT取能器独立工作将能量取出，其取能过程满足式(1.1)，并通过发射线圈将能量发送至能量汇总点。

过程3：跨绝缘子无线电能传输系统将能量通过多个中继线圈发送至整流装置，多中继无线电能传输系统工作状态满足式(1.3)。

过程5：电池向负载端进行能量供应。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，高压输电线路包括多个不同输电支路，每条输电支路对应一个取能点；

所述取能点包括CT取能器、AC/DC变换模块、高频逆变模块、发射线圈，取能点通过CT取能器从高压输电线路上利用电磁感应原理获取工频交流电能，工频交流电能经过AC/DC变换模块转化为稳定的直流电，稳定的直流电由高频逆变模块转化为高频交流电，高频交流电经由发射线圈将能量发出；

所述能量汇总点包括一个接收线圈及其补偿网络，所述接收线圈为谐振线圈，由利兹线绕制而成，所述接收线圈用于将各取能点发出的能量进行接收汇总，并将能量传递至跨绝缘子无线电能传输单元；

所述跨绝缘子无线电能传输单元包括耦合机构、整流电路、储能单元和负载，所述耦合机构将能量通过多个中继线圈发送至整流装置；所述整流装置将高频交流电转换为直流电提供给储能单元进行存储，所述储能单元向负载端进行能量供应。

2.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述系统包含有多个取能点，分别安装在不同输电支路中，如分裂导线、A相、B相和C相导线上。

3.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述发射线圈为谐振线圈，由利兹线绕制而成，所述发射线圈与能量汇总点进行电磁耦合将高频交流电传递至能量汇总点。

4.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈相对位置的变化会改变互感系数，进而影响输出功率和传输效率，求解不同位置的互感来决定取能点的发射线圈的安装位，通过求解诺依曼公式中的二重积分来实现：

其中，发射线圈O₁与接收线圈O₂之间的垂直距离为d，两线圈之间的相对水平位置偏移量为Δ；r_S和r_D分别为发射线圈O₁和接收线圈O₂的半径；dI_S与dI_D是发射线圈与接收线圈上任意两点的积分单元，θ与φ分别为dI_S与dI_D的积分因子；r_SD为dI_S与dI_D上两点之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述耦合机构为多个由利兹线绕制的谐振线圈组成，构成多中继耦合机构。

6.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述整流装置由单相桥式可控整流电路组成。

7.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述储能装置为电池。

8.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统，其特征在于，所述负载端为高压输电线路在线监测设备，包括摄像头、微型控制器和各类传感器。

9.一种高压输电线路在线监测设备的多源供电系统的方法，其特征在于，包括多源供电系统为高压输电线路在线监测设备进行供电，具体包括以下步骤：

过程1：多个取能点CT取能器独立工作将能量取出，并通过发射线圈将能量发送至能量汇总点；

过程2：能量汇总点的谐振线圈作为取能点的接收线圈，通过电磁耦合将多个取能点的能量进行汇总，并作为发射线圈将能量向跨绝缘子无线电能传输系统发送；

过程3：跨绝缘子无线电能传输系统将能量通过多个中继线圈发送至整流装置；

过程4：整流装置将高频交流电转换为直流电提供给储能单元进行存储；

过程5：储能单元向负载端进行能量供应。