CN116609554B - 一种模块化故障指示器及其工作方法 - Google Patents

一种模块化故障指示器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电网线路在线监测设备技术领域，公开了一种模块化故障指示器及其工作方法，通过对关键元件的模块化安装与故障判断方法实现了在带电线路上对故障元件模块精准快拆快换，减少了整机拆卸所需要花费的时间成本，保证了供电可靠性；针对电池电量耗尽的问题，通过批量换电方法控制同一地区所有故障指示器统一批量更换电池，进一步节省了人力物力成本；基于模块化的安装特性，采用双电池模块设计与相应的数字电路进行电池更换的报警与控制，取代了传统故障指示器单一电源需对其电量实时检测预警而采用的电压测量法、电池建模法或库仑计检测等方法，判断逻辑简单、准确且进一步节省了整机功耗，延长了故障指示器在线运行时间与整机寿命。

Description

一种模块化故障指示器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电网线路在线监测设备技术领域，尤其涉及一种模块化故障指示器及其工作方法。
背景技术
近几年来，国内电力行业飞速发展，尤以输配电线路在线监测设备行业发展更为迅速，电网线路在线监测设备可以实时监控线路状态，可以及时发现与汇报线路是否处于开路、短路等故障，并提醒工作人员及时进行故障排查，大大提高了供电可靠性。故障指示器便是在线监测设备的一种，因为其体积小、成本低、结构简单等优点，目前在电网线路在线监测设备市场配套中占据越来越大的比重。但现阶段公开的故障指示器多与公开号CN106501684A专利结构类似，结构过于简单，一般仅由计量用罗氏线圈、电路板、电场片、电池组成，但仅基于此设计的故障指示器无上方外壳保护，整机设备很容易随线路故障一起发生故障，可靠性差，而且故障指示器需线上全天运行，很容易消耗尽电池电量，出现上述情况时为保障安全，维修人员需对线路下电、整机拆卸、更换电池、再重新安装与二次上电，耗时耗力，极大地增加了人力成本；其中部分专利，如公开号CN110376488A增加了取能磁环使电池电量消耗减少且通过结构的改进使夹持更牢固，可靠性更强，但该结构过于复杂，当其内部元件如取能磁环氧化、罗氏线圈开路或取能磁环取能不足导致电源断电等问题，一旦其中某元件出现故障，反而增大了拆卸与维修的难度与成本，同样降低了供电可靠性。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有故障指示器无论其结构简单或复杂，一旦其中主要元件出现问题或电池电量耗尽时，都必须进行整机拆除、检查与维修，而每一次整机高空拆除都会耗费大量的人力与时间成本，同时在整机下电时无法再继续对线路进行监测，无法保证供电可靠性。而该可带电批量维护的模块化故障指示器与控制方法将故障指示器主要元件模块化，将罗氏线圈集成为计量模块，取能磁环集成为取能模块并设置两个电池模块，各个模块可独立拆卸、维修，且可根据不同使用环境、不同主干线或支线的负荷预判，采用不同大小取能模块使功耗平衡或采用不同容量的电池模块利用批量换电算法使同一地区电池模块统一电量耗尽，有效指示工作人员批量进行电池模块的替换，其模块故障判断算法有效指示工作人员仅对故障模块进行在带电线路上直接的模块间的维护与替换，简单、快捷，省下大量的人力与时间成本的同时保证故障指示器始终带电运行，提高了供电可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种模块化故障指示器及其工作方法，首先，通过对关键元件的模块化安装与故障判断算法实现了可在带电线路上针对故障元件模块精准快拆快换功能；其次，针对电池电量耗尽故障还可以通过批量换电算法控制同一地区所有故障指示器统一批量更换电池；最后，基于模块化的安装特性，采用双电池模块设计与相应的数字电路进行电池更换的报警与控制，取代了传统故障指示器单一电源需对其电量实时检测预警而采用的电压测量法、电池建模法或库仑计检测方法等方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种模块化故障指示器，其特征在于，包括主体外壳、计量模块、取能模块、电池模块、主控板、电场感应片。
主体外壳由上外壳与下外壳组成。
计量模块由左计量子模块与右计量子模块组成；左计量子模块右端有左半圆形罗氏线圈，右计量子模块左端有右半圆形罗氏线圈。
取能模块由左取能子模块与右取能子模块组成；左取能子模块右端有左半圆形取能磁环，右取能子模块左端有右半圆形取能磁环。
电池模块包括第一电池模块与第二电池模块，各串联一个指示灯，通过控制元件将上述两个指示灯的另一端串联。
上外壳与下外壳对齐扣合后：以主视视角，于主体外壳中心位置形成供高压线穿过的高压线通道；以侧视视角，在主体外壳中部形成贯通主体外壳的计量模块插口与取能模块插口；计量模块插口、取能模块插口与高压线通道位于同一水平面；高压线通道分别与计量模块插口、取能模块插口垂直。
下外壳底部有2个电池模块插口。
主控板与电场感应片水平安装于下外壳内；电场感应片位于主控板正下方；左计量子模块与右计量子模块分别插入计量模块插口的左右两端，于连接处形成截面积大于等于高压线通道通孔并与高压线通道通孔重合的通孔；左取能子模块与右取能子模块分别插入取能模块插口的左右两端，于连接处形成截面积大于等于高压线通道通孔并与高压线通道通孔重合的通孔；第一电池模块与第二电池模块各装入1个电池模块插口。
主控板分别连接计量模块、取能模块、2个电池模块插口、电场感应片。
优选地，所述计量模块插口与取能模块插口上下两侧设有4对不同宽度的横向滑道，其中上侧4滑道设于上外壳，上侧4滑道两端各连接一个螺栓，下侧4滑道设于下外壳，下侧4滑道两端各连接一个螺栓；与滑道宽度对应，计量子模块与取能子模块有4种尺寸可选，模块参数性能与子模块尺寸成正比；除最上侧与最下侧横向滑道外，其余3对横向滑道可拆装。
所述电池插口左右两侧设有纵向滑道；每个纵向滑道口各连接一个螺栓；电池模块长度等于纵向滑道深度；根据批量换电算法设置电池模块容量。
所述主体外壳设有环绕高压线通道的4个圆形线托；每个线托由上下两个半圆形线托组成，其中上半圆形线托设于上外壳，下半圆形线托设于下外壳；起方便上下外壳定位对齐扣合与支撑故障指示器稳定安装在高压线的作用。
所述计量模块插口两端、取能模块插口两端与电池插口进口处设有突出主体外壳表面的螺栓，用于密封连接上外壳与取能模块、上外壳与计量模块、下外壳与取能模块、下外壳与计量模块、密封固定电池模块。
一种适用于模块化故障指示器的取能模块选用方法，若当前线路未安装模块化故障指示器，则执行步骤R1~R4；若当前线路安装了模块化故障指示器，则执行步骤U1~U4。
R1，于当前线路安装模块化故障指示器，选用最小尺寸取能模块。
R2，以模块化故障指示器当前取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1。
R3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P。
P= P1*（1+ X）。
其中X为当前计算的取能模块相比最小尺寸取能模块的取能磁环体积提升率。
R4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
U1，确认当前线路故障指示器取能模块尺寸。
U2，以当前模块化故障指示器日均取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1。
U3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P。
P= P1*（1+ Y）。
其中Y为其余三个不同尺寸的取能模块相比当前取能模块的取能磁环体积提升率。
U4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
一种适用于模块化故障指示器的批量换电方法，若最大尺寸的取能模块仍无法满足预估取能功率大于整机功耗时，则执行如下步骤。
S1，计算各线路上故障指示器取能模块的日平均取能功率。
S2，根据各个故障指示器整机功耗来计算各故障指示器的绝对功耗，并根据绝对功耗为不同的故障指示器选用不同容量的电池模块，从而使所安装各电池模块电耗百分比始终保持一致。
绝对功耗为整机功耗减去日平均取能功率后的值。
S3，各电池模块的电量在同一时间范围内统一耗尽。
S4，各故障指示器将电量耗尽信息上报主站。
S5，工作人员根据主站收到的上报信息批量完成电池模块更换。
一种适用于模块化故障指示器的计量模块故障报警方法，周期性监测各故障指示器计量模块电流检测值：当当前线路本次电流检测值相比当前线路上一次电流检测值跳升一个数量级以上或相比其他线路本次电流检测值跳升一个数量级以上时，判断为计量模块故障并向主站发送报警信息。
一种适用于模块化故障指示器的取能模块故障报警方法，周期性监测各故障指示器取能模块：当取能模块取能功率降低至预设阈值时，判断为取能模块故障并向主站发送报警信息。
一种适用于模块化故障指示器的换电预警方法，包括以下步骤。
T1，模块化故障指示器运行时默认启用第一电池模块供电。
T2，判断当前供电电池模块串联指示灯亮灭：灭则上报当前供电电池模块电量耗尽信息至主站并启用另一电池模块供电后循环执行步骤T2；亮则跳转步骤T3。
T3，当前供电电池模块周期性施加弱信号给控制元件。
T4，判断另一电池模块串联指示灯亮灭：灭则直接跳转步骤T5；亮则上报另一电池模块电量耗尽信息至主站后跳转步骤T5。
T5，当前供电电池模块继续供电。
本发明的有益技术效果：通过对关键元件的模块化安装与故障判断方法实现了在带电线路上对故障元件模块精准快拆快换，减少了整机拆卸所需要花费的时间成本，保证了供电可靠性；针对电池电量耗尽的问题，通过批量换电方法控制同一地区所有故障指示器统一批量更换电池，进一步节省了人力物力成本；基于模块化的安装特性，采用双电池模块设计与相应的数字电路进行电池更换的报警与控制，取代了传统故障指示器单一电源需对其电量实时检测预警而采用的电压测量法、电池建模法或库仑计检测等方法，判断逻辑简单、准确且进一步节省了整机功耗，延长了故障指示器在线运行时间与整机寿命。
附图说明
图1为本发明所述故障指示器主视剖视图。
图2为本发明所述故障指示器侧视图。
图3为本发明所述故障指示器俯视图。
图4为本发明所述批量换电方法流程图。
图5为本发明所述换电预警方法流程图。
附图标记：1为主体外壳；2为计量模块；3为取能模块；4为电池模块；5为主控板；6为电场感应片；7为螺栓；8为线托；9为计量模块滑道；10为取能模块滑道；11为电池模块滑道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：模块化故障指示器是配网中用于检测和定位故障的设备。它可以帮助运维人员快速找到故障点，从而减少停电时间和提高供电可靠性。模块化故障指示器的工作过程可以分为以下几个步骤。
V1，监测电流：故障指示器通过安装在配电线路上的电流互感器实时监测线路中的电流。在正常工作状态下，电流传感器会检测到正常的负载电流。
V2，判断故障：当线路发生故障时，例如短路或接地故障，电流会发生突变。故障指示器会根据预设的故障判断标准（如电流突变幅度、持续时间等），判断是否发生了故障。
V3，故障信号输出：一旦故障指示器判断出线路发生了故障，它会立即输出故障信号。这可以通过可视化的方式（如红色指示灯亮起）或者远程通信方式（如发送故障信息至监控中心）来实现。
V4，故障定位：运维人员可以根据故障指示器的信号，沿线路逐个检查，快速找到故障点。这有助于减少故障查找时间，提高抢修效率。
V5，故障处理：运维人员在找到故障点后，可以采取相应的措施进行处理，如更换破损设备、修复线路等。处理完故障后，线路恢复正常供电。
V6，复位：故障处理完成后，故障指示器需要进行复位操作。复位可以通过手动方式（如按下复位按钮）或者自动方式（如设定一定时间后自动复位）来实现。复位后，故障指示器恢复正常监测状态，准备应对下一次故障。
如图1~3所示，一种模块化故障指示器及其工作方法，包括主体外壳1、计量模块2、取能模块3、电池模块4、电路板5、电场片6，特别地，电流互感器集成在计量模块2中；取能磁环集成在取能模块3中；电池模块4中可安装不同容量的电池。
在线托8的辅助作用下，故障指示器主体外壳1中的上外壳与下外壳对齐扣合安装在高压线上后，以正对高压线为中心，首先沿计量模块滑道9，从左右两侧对齐插入式安装计量模块2，并在主体外壳外部利用多功能螺栓7进行紧固密封；然后选取与待安装取能模块3相同尺寸的取能模块滑道10，从左右两侧对齐插入式安装取能模块10；最后选用合适的电池模块4，沿电路板5左右两侧的电池模块滑道11，从下至上插入电池模块11，完成模块化故障指示器的安装。
取能模块选择方法如下所述：根据仿真与实验分析，取能功率提升率近似等于取能磁环体积提升率，若当前线路未安装模块化故障指示器，则执行步骤R1~R4；若当前线路安装了模块化故障指示器，则执行步骤U1~U4。
R1，于当前线路安装模块化故障指示器，选用最小尺寸取能模块。
R2，以模块化故障指示器当前取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1。
R3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P。
P= P1*（1+ X）。
其中X为当前计算的取能模块相比最小尺寸取能模块的取能磁环体积提升率。
R4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
U1，确认当前线路故障指示器取能模块尺寸。
U2，以当前模块化故障指示器日均取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1；
U3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P。
P= P1*（1+ Y）。
其中Y为其余三个不同尺寸的取能模块相比当前取能模块的取能磁环体积提升率。
U4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
具体地，取能磁环体积提升率Y=（V2-V1）/V1。
所述V1为当前尺寸取能磁环体积；V2为其他尺寸取能磁环体积。
其中，当前尺寸取能磁环体积V1表达式为。
。
其他尺寸取能磁环体积V2表达式为。
。
其中，h为取能磁环宽度；ID为取能磁环内径；OD1为当前尺寸取能磁环外径；OD2为其他尺寸的取能磁环外径。
取能磁环的宽度、内径、外径参数取决于取能模块尺寸与相应取能模块滑道尺寸。
取能磁环体积提升率Y表达式为。
。
预估取能功率P表达式为。
。
如图4所示，若最大尺寸的取能模块仍无法满足预估取能功率大于整机功耗时，该模块化故障指示器可以进行批量电池更换维护功能。以某市供电局故障指示器运行情况为例，该市供电局下属某县某三条线路上的故障指示器取能功率均不足以满足整体功耗平衡，需调用电池模块电量维持运行，分别为A支线最末端的3号杆线路，一天当中55.6%的时间线路电流小于2A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为3.2mW；A支线3号杆前侧的2号杆线路，一天当中存在26.7%的时间线路电流小于2A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为3.6mW；与A支线相邻的B支线唯一的1号杆线路，一天当中存在36.5%的时间线路电流小于2A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为3.48mW，再计算该三条线路上故障指示器整机功耗均为4.2mW，计算三条线路的绝对功耗分别为A3号杆为4.2-3.2=1mW；A2号杆为4.2-3.6=0.6mW；B1号杆为4.2-3.48=0.72mW；若A1号杆默认选用两块总电量为17.52Wh附近的电池模块，则A2号杆按照相同比例应选用两块总电量10.51Wh附近的电池模块、B1号杆选用两块总电量12.61Wh附近的电池模块，在电池模块安装完成后，该三条线路上的故障指示器其中一块电池模块在使用到两年整时间后，会同时在该时间附近电量耗尽并上报主站，指导工作人员对该三条临近线路统一批量更换电池模块。
如图5所示，该故障指示器采用双电池设计，可在一块电池电量耗尽时免拆卸带电更换电池，不影响整机正常工作且控制电路简单、功耗极低。以故障指示器电池即将用尽状态为例，故障指示器在运行过程中，取能功率不足以满足整体功耗平衡时，使用电池模块电量维持整体运行，共有两块电池模块，一块为正启用电池模块，一块为满电备用的另一电池模块，两块电池均串联一个电源指示灯，具体步骤如下。
T1，模块化故障指示器运行时默认启用第一电池模块供电。
T2，判断当前供电电池模块串联指示灯亮灭：灭则上报当前供电电池模块电量耗尽信息至主站并启用另一电池模块供电后循环执行步骤T2；亮则跳转步骤T3。
T3，当前供电电池模块周期性施加弱信号给控制元件。
T4，判断另一电池模块串联指示灯亮灭：灭则直接跳转步骤T5；亮则上报另一电池模块电量耗尽信息至主站后跳转步骤T5。
T5，当前供电电池模块继续供电。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种模块化故障指示器，其特征在于，包括主体外壳、计量模块、取能模块、电池模块、主控板、电场感应片；
主体外壳由上外壳与下外壳组成；
计量模块由左计量子模块与右计量子模块组成；左计量子模块右端有左半圆形罗氏线圈，右计量子模块左端有右半圆形罗氏线圈；
取能模块由左取能子模块与右取能子模块组成；左取能子模块右端有左半圆形取能磁环，右取能子模块左端有右半圆形取能磁环；
电池模块包括第一电池模块与第二电池模块，各串联一个指示灯，通过控制元件将上述两个指示灯的另一端串联；
上外壳与下外壳对齐扣合后：以主视视角，于主体外壳中心位置形成供高压线穿过的高压线通道；以侧视视角，在主体外壳中部形成贯通主体外壳的计量模块插口与取能模块插口；计量模块插口、取能模块插口与高压线通道位于同一水平面；高压线通道分别与计量模块插口、取能模块插口垂直；
下外壳底部有2个电池模块插口；
主控板与电场感应片水平安装于下外壳内；电场感应片位于主控板正下方；左计量子模块与右计量子模块分别插入计量模块插口的左右两端，于连接处形成截面积大于等于高压线通道通孔并与高压线通道通孔重合的通孔；左取能子模块与右取能子模块分别插入取能模块插口的左右两端，于连接处形成截面积大于等于高压线通道通孔并与高压线通道通孔重合的通孔；第一电池模块与第二电池模块各装入1个电池模块插口；
主控板分别连接计量模块、取能模块、2个电池模块插口、电场感应片；
所述计量模块插口与取能模块插口上下两侧设有4对不同宽度的横向滑道，其中上侧4滑道设于上外壳，上侧4滑道两端各连接一个螺栓，下侧4滑道设于下外壳，下侧4滑道两端各连接一个螺栓；与滑道宽度对应，计量子模块与取能子模块有4种尺寸可选，模块参数性能与子模块尺寸成正比；除最上侧与最下侧横向滑道外，其余3对横向滑道可拆装；
所述电池模块插口左右两侧设有纵向滑道；每个纵向滑道口各连接一个螺栓；电池模块长度等于纵向滑道深度；根据批量换电算法设置电池模块容量；
所述主体外壳设有环绕高压线通道的4个圆形线托；每个线托由上下两个半圆形线托组成，其中上半圆形线托设于上外壳，下半圆形线托设于下外壳；起方便上下外壳定位对齐扣合与支撑故障指示器稳定安装在高压线的作用；
所述计量模块插口两端、取能模块插口两端与电池模块插口进口处设有突出主体外壳表面的螺栓，用于密封连接上外壳与取能模块、上外壳与计量模块、下外壳与取能模块、下外壳与计量模块、密封固定电池模块；
所述模块化故障指示器的换电预警方法包括以下步骤：
T1，模块化故障指示器运行时默认启用第一电池模块供电；
T2，判断当前供电电池模块串联指示灯亮灭：灭则上报当前供电电池模块电量耗尽信息至主站并启用另一电池模块供电后循环执行步骤T2；亮则跳转步骤T3；
T3，当前供电电池模块周期性施加弱信号给控制元件；
T4，判断另一电池模块串联指示灯亮灭：灭则直接跳转步骤T5；亮则上报另一电池模块电量耗尽信息至主站后跳转步骤T5；
T5，当前供电电池模块继续供电。
2.根据权利要求1所述的一种模块化故障指示器，其特征在于，所述模块化故障指示器的取能模块选用方法：若当前线路未安装模块化故障指示器，则执行步骤R1~R4；若当前线路安装了模块化故障指示器，则执行步骤U1~U4；
R1，于当前线路安装模块化故障指示器，选用最小尺寸取能模块；
R2，以模块化故障指示器当前取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1；
R3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P：
P= P1*（1+ X）；
其中X为当前计算的取能模块相比最小尺寸取能模块的取能磁环体积提升率；
R4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器；
U1，确认当前线路故障指示器取能模块尺寸；
U2，以当前模块化故障指示器日均取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1；
U3，根据P1分别计算其余三个不同尺寸的取能模块的预估取能功率P：
P= P1*（1+ Y）；
其中Y为其余三个不同尺寸的取能模块相比当前取能模块的取能磁环体积提升率；
U4，选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
3.根据权利要求1所述的一种模块化故障指示器，其特征在于，所述模块化故障指示器的批量换电方法：若最大尺寸的取能模块仍无法满足预估取能功率大于整机功耗时，则执行如下步骤：
S1，计算各线路上故障指示器取能模块的日平均取能功率；
S2，根据各个故障指示器整机功耗来计算各故障指示器的绝对功耗，并根据绝对功耗为不同的故障指示器选用不同容量的电池模块，从而使所安装各电池模块电耗百分比始终保持一致；
绝对功耗为整机功耗减去日平均取能功率后的值；
S3，各电池模块的电量在同一时间范围内统一耗尽；
S4，各故障指示器将电量耗尽信息上报主站；
S5，工作人员根据主站收到的上报信息批量完成电池模块更换。
4.根据权利要求1所述的一种模块化故障指示器，其特征在于，所述模块化故障指示器的计量模块故障报警方法：周期性监测各故障指示器计量模块电流检测值：当当前线路本次电流检测值相比当前线路上一次电流检测值跳升一个数量级以上或相比其他线路本次电流检测值跳升一个数量级以上时，判断为计量模块故障并向主站发送报警信息。
5.根据权利要求1所述的一种模块化故障指示器，其特征在于，所述模块化故障指示器的取能模块故障报警方法：周期性监测各故障指示器取能模块：当取能模块取能功率降低至预设阈值时，判断为取能模块故障并向主站发送报警信息。
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