CN203630281U - 基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置 - Google Patents

基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置 Download PDF

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黄新波
石杰
邓凸
郭剑锋
王卓
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Abstract

本实用新型提供一种基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,包括通过导线连接的电源模块和监测终端,采用电场传感器直接获取输电线路电压信号的相位信息,避免传统使用电压传感器测量带来的角差问题。监测终端采用FPGA+DSP双核处理器技术,充分利用FPGA并行执行且采集精度高及DSP的快速计算能力的特点。监测终端采用GPS同步授时技术实现同步采样,在GPS的时间基准上当既定的采样间隔到来时,1PPS信号的上升沿将同步触发采样逻辑单元完成电压信号和电流信号一个周期的A/D高速采样,采集数据送给DSP处理,计算得到反映设备绝缘状态的介质损耗参数信息,再把数据经CMA上传至监控中心。

Description

基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于输变电设备监测技术领域,具体涉及一种基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置。
背景技术
[0002] 近年来,各类输电线路在线监测技术发展迅速,有效提高了输电线路安全运行水平。输电线路氧化锌避雷器是一种新型的线路防雷装置,它能有效地防止雷电直击输电线路所引起的故障和雷电绕击输电线路所引起的故障。但是氧化锌避雷器的密封与否会严重影响到它的性能,当密封不良导致内部受潮时,极有可能造成氧化锌避雷器内部闪络,而且氧化锌避雷器工作到一定限度时会发生老化,老化后的阀片很可能会导致击穿,这就会直接引起线路对地短路,十分危险,所以氧化锌避雷器绝缘状态是否良好直接关系到变电站的安全运行和人身安全,有必要对氧化锌避雷器运行状态进行在线监测。
[0003] 传统的在线监测装置主要是通过从电压传感器获取电压信号,从氧化锌避雷器的接地侧获取泄漏电流信号,进而求得反映氧化锌避雷器运行状态的阻性电流。这种方法能够基本实现对氧化锌避雷器运行状态的监测。但是电压传感器自身的角差会给阻性电流的提取带来误差,使得阻性电流的测量结果不准确,而在传统的测量方法中忽略了此角差,必定会造成测量误差而导致结果不准确。此外,传统在线监测装置自成系统,也就是说每一种监测装置都各自对应一个监测中心后台,这样就造成了数据共享的困难,而且信号传输站点、信号线的铺设耗费大量人力物力,所以经济效益不甚理想。综上所述,如何解决电压传感器误差问题和信号的集成及数据的共享成为当前在线监测领域研究的重要课题。
实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,解决了现有技术中存在的电压传感器误差问题、信号的集成及数据的共享问题。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案是,一种基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,包括通过导线连接的电源模块和监测终端,监测终端包括FPGA处理器模块,FPGA处理器模块上分别连接有三路泄漏电流采集单元、一路于电场传感器的电压采集单元、三路雷电流采集单元、看门狗模块、DSP处理器模块、定时复位电路、温湿度传感器、Sram存储模块、GPS授时模块和Flash存储模块,DSP处理器模块还分别连接有通信模块、复位电路、E2R0M存储模块和Flash存储模块。
[0006] 本实用新型的特点还在于:
[0007] 每一路电流采集单元包括依次通过导线连接的泄漏电流传感器、电流信号放大电路,泄漏电流信号放大电路连接分别至电流信号调理电路和A/D转换电路;电压采集单元包括依次连接的电场传感器和电压信号放大电路,电压信号放大电路连接至A/D转换电路;每一路雷电流采集单元包括依次连接的雷电流传感器和雷电流信号调理电路。
[0008] 电源模块包括依次连接的太阳能电池板、充放电控制电路和稳压电路,充放电控制电路还连接有蓄电池,稳压电路与监测终端相连接。
[0009] FPGA处理器模块包括Nios内核,Nios内核分别连接有看门狗逻辑单元、测频逻辑单元和采样逻辑单元。
[0010] 看门狗逻辑单元与看门狗模块相连接,测频逻辑单元与电流信号调理电路相连接,采样逻辑单元与A/D转换电路相连接,Niosft核连接有雷电流信号调理电路。
[0011] 通信模块采用GPRS/CDMA/3G/0PGW网络,DSP处理器模块采用TMS320F28335型号,FPGA处理器模块采用EP1C6Q240I7型号。
[0012] 温湿度传感器采用SHTlI型号。
[0013] Sram存储模块采用IS61LV51216型号,Flash存储模块采用TC58FVB160AFT型号,E2R0M存储模块采用AT24C32型号。
[0014] A/D转换电路采用AD7656BSTZ型号。
[0015] 蓄电池采用2块6V/12AH蓄电池。
[0016] 本实用新型的有益效果是,
[0017] 1.消除传统电压传感器测量电压信号所带来的误差。本实用新型采用电场传感器作为电压测量的工具,由于其不存在一二次侧的问题,所以不会在测量时就带来较大的误差;
[0018] 2.准确实现同步采样。本实用新型采用GPS授时模块,可准确提供同步采样信号和时间信息。
[0019] 3.充分发挥微处理器优势。本实用新型采用现场可编程门阵列(FPGA)芯片+数字信号处理器(DSP)芯片的双核处理器,充分发挥其各自的优势,在FPGA中用硬件语言构造的模块,由于具有并行执行的特点,可用于实现高精度同步采样,而DSP的优点则在于具有强大的数据处理功能,所以将采集到的数据送至DSP进行处理。
[0020] 4.实现数据的标准化接入。本实用新型经DSP处理的数据,会经输电线路在线监测代理(CMA)传送给监控中心,数据经CMA后,会统一标准化,最后使得监控中心更容易实现数据的管理及共享。
附图说明
[0021] 图1为本实用新型基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置的监测终端硬件原理图;
[0022] 图2为本实用新型基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置的电源模块原理图;
[0023] 图3为本实用新型基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置的监测原理图;
[0024] 图4为本实用新型基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置的监测原理中电压电流信号相位关系图;
[0025] 图5为本实用新型基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置的系统组成结构图。
[0026] 图中,1.输电线路,2.氧化锌避雷器对地等效电容,3.泄漏电流传感器,4.电场传感器,5.在线监测系统,6.温湿度传感器,7.雷电流传感器,8.监测终端处理中心,9.通信模块,10.塔上CMA,11.站内CMA,12.监控中心,13.数据库,14.电流信号放大电路,15.电压信号放大电路,16.电流信号调理电路,17.A/D转换电路,18.雷电流信号调理电路,19.看门狗模块,20.FPGA处理器模块,21.看门狗逻辑单元,22.测频逻辑单元,23.采样逻辑单元,24.Nios内核,25.定时复位电路,26.Sram存储模块,27.GPS授时模块,28.Flash存储模块,29.DSP处理器模块,30.复位电路,31.E2R0M存储模块,32.电源模块,33.太阳能电池板,34.充放电控制电路,35.蓄电池,36.稳压电路,37.通信网络,38监测终端。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
[0028] 本实用新型提供一种基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,如图1所示,包括通过导线连接的电源模块32和监测终端38,监测终端38包括FPGA处理器模块20,FPGA处理器模块20上分别连接有三路泄漏电流采集单元、一路电场传感器的电压采集单元、三路雷电流采集单元、看门狗模块19、DSP处理器模块29、定时复位电路25、温湿度传感器6、Sram存储模块26、GPS授时模块27和Flash存储模块28,DSP处理器模块29还分别连接有通信模块9、复位电路30、E2R0M存储模块31和Flash存储模块28,其中,通信模块9可采用GPRS/CDMA/3G/0PGW网络,DSP处理器模块29采用TMS320F28335型号,FPGA处理器模块20采用EP1C6Q240I7型号。温湿度传感器6采用SHTll型号。Sram存储模块26采用IS61LV51216型号,Flash存储模块28采用TC58FVB160AFT型号,E2R0M存储模块31采用AT24C32型号。
[0029] 每一路电流采集单元包括依次通过导线连接的泄漏电流传感器3、电流信号放大电路14,泄漏电流信号放大电路14通过导线连接分别至电流信号调理电路16和A/D转换电路17 ;电压采集单元包括依次连接的电场传感器4和电压信号放大电路15,电压信号放大电路15连接至A/D转换电路17 ;每一路雷电流采集单元包括依次连接的雷电流传感器7和雷电流信号调理电路18,A/D转换电路17采用AD7656BSTZ型号。
[0030] 如图2所示,电源模块32包括依次连接的太阳能电池板33、充放电控制电路34和稳压电路36,充放电控制电路34还连接有蓄电池35,稳压电路36与监测终端38相连接。蓄电池35采用2块6V/12AH蓄电池。
[0031] FPGA处理器模块20包括Nios内核24,Nios内核24分别连接有看门狗逻辑单元21、测频逻辑单元22和采样逻辑单元23。看门狗逻辑单元21与看门狗模块19相连接,测频逻辑单元22与电流信号调理电路16相连接,采样逻辑单元23与A/D转换电路17相连接,Nios内核24上还连接有雷电流信号调理电路18。
[0032] 如图3和图4所示,为本实用新型的监测原理,本装置安装于输电线路杆塔上,其通过泄漏电流传感器3测量氧化锌避雷器对地等效电容2的末屏泄漏电流,进而得到可反映泄漏电流信息的电压信号Ul,通过电场传感器4测量输电线路I产生的电场信号,进而得到可反映线路电压相位信息的电压信号U2,将Ul和U2送入在线监测系统5经过一系列计算可得到tan δ,tan δ即可反映氧化锌避雷器的绝缘水平。
[0033] 图5为本实用新型装置的系统组成结构图,系统分为三层,分别为设备层、接入层和站控层。设备层主要由监测终端处理中心8、温湿度传感器6、雷电流传感器7、泄漏电流传感器3和电场传感器4组成,主要负责对信号的采集和处理,其中监测终端处理中心8、雷电流传感器7、泄漏电流传感器3和电场传感器4构成监测终端38 ;接入层由输电线路在线监测代理塔上CMAlO或站内CMAll组成,主要负责数据的标准化接入、安全接入及智能化接入;站控层主要由监控中心12和数据库13组成,主要负责对数据的管理及共享。数据从设备层到站控层有两种选择方式,一种为数据从监测终端出来后直接送至塔上CMA10,塔上CMAlO经通信网络37送至监控中心12 ;另一种为数据从监测终端38出来后经通信网络37送至站内CMAlI,最后送至监控中心12。通信模块9可选择GPRS、CDMA、3G和OPGW等方式。
[0034] 本实用新型的工作过程:监控中心12下发指令到DSP处理器模块29,DSP处理器模块29再将指令传递给FPGA处理器模块20,FPGA处理器模块20首先启用测频逻辑单元22测得信号整周期T,紧接着启用采样逻辑单元23实现对泄漏电流和线路电压的同步采样,采集一个周期T的数据,采样间隔为T/512。泄漏电流信号采集单元共三路,分别连接至A、B、C三相避雷器,并且器件组成完全一样,其信号流向为通过泄漏电流传感器3采集泄漏电流信号,经过泄漏电流信号放大电路14后分为两路,一路经电流信号调理电路16送至FPGA处理器模块20的测频逻辑单元22,一路经A/D转换电路17送至采样逻辑单元23。通过电场传感器4采集反映线路电压的电场信号,经过电压信号放大电路15后送至A/D转换电路17,最后送入采样逻辑单元23。雷电流信号采集单元也分为三路,分别连接至A、B、C三相避雷器,并且器件组成完全一样,其信号流向为通过雷电流传感器7采集雷电流信号,经雷电流信号调理电路18送至FPGA处理器模块20的Nios内核24。此外与FPGA处理器模块20相连的还有看门狗模块19,此为硬件看门狗,防止程序跑飞;定时复位电路25,配合软件看门狗,也是防止程序跑飞;温湿度传感器6,用于测量温度、湿度等环境信息;Sram存储模块26,用于数据的存储;GPS授时模块27,接受GPS信号,产生IPPS秒脉冲并提供准确的时间信息;Flash存储模块28,用于程序的固化。与DSP处理器模块相连的还有通信模块9,用于与远端进行通信;E2R0M存储模块31,用于数据的存储;复位电路30,配合软件看门狗,防止程序跑飞。
[0035] 本实用新型电源模块采用太阳能+蓄电池的供电方式。当有阳光时,太阳能电池板33通过充放电控制电路34给蓄电池35智能充电,当蓄电池35充饱时自动断开对其充电,当蓄电池35电量不足时又会对其充电。平时装置部分37采用蓄电池35直接供电,蓄电池35的电压经过充放电控制电路34、稳压电路35送给监测终端。
[0036] 本装置安装于输电线路杆塔上,其通过泄漏电流传感器3对氧化锌避雷器泄漏电流信号进行采集,通过电场传感器4对线路电压信号进行采集,采集过来的信号后送至A/D转换模块17,最后将转换得到的信号送至DSP处理器模块29中做快速傅立叶(FFT)处理,分离出基波数据,将基波数据和环境参数经输电线路在线监测代理CMA (塔上CMA或站内CMA)传输至监测中心12,监测中心12会对此数据进行分析存储,运行监控人员便可在千里之外监控本装置的运行情况,同时也将数据存入数据库实现数据的共享。本实用新型为电力系统智能化的实现和发展提供了坚实的基础保障,具有重大的社会意义。
[0037] 本实用新型的优点在于:
[0038] (I)消除传统电压传感器测量电压信号所带来的误差;
[0039] ( 2 )准确实现同步采样;
[0040] ( 3 )充分发挥微处理器优势;
[0041] (4)实现数据的标准化接入。

Claims (10)

1.基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,包括通过导线连接的电源模块(32)和监测终端(38),所述的监测终端(38)包括FPGA处理器模块(20),所述FPGA处理器模块(20)上分别连接有三路泄漏电流采集单元、一路于电场传感器的电压采集单元、三路雷电流采集单元、看门狗模块(19)、DSP处理器模块(29)、定时复位电路(25)、温湿度传感器(6)、Sram存储模块(26)、GPS授时模块(27)和Flash存储模块(28),所述DSP处理器模块(29)还分别连接有通信模块(9)、复位电路(30)、E2ROM存储模块(31)和Flash存储模块(28)。
2.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述每一路电流采集单元包括依次通过导线连接的泄漏电流传感器(3)、电流信号放大电路(14),所述泄漏电流信号放大电路(14)连接分别至电流信号调理电路(16)和A/D转换电路(17);所述电压采集单元包括依次连接的电场传感器(4)和电压信号放大电路(15 ),所述电压信号放大电路(15 )连接至A/D转换电路(17 );所述每一路雷电流采集单元包括依次连接的雷电流传感器(7)和雷电流信号调理电路(18)。
3.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述电源模块包括依次连接的太阳能电池板(33)、充放电控制电路(34)和稳压电路(36 ),所述充放电控制电路(34 )还连接有蓄电池(35 ),所述稳压电路(36 )与监测终端(38)相连接。
4.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述FPGA处理器模块(20)包括Nios内核(24),Nios内核(24)分别连接有看门狗逻辑单元(21)、测频逻辑单元(22 )和采样逻辑单元(23 )。
5.根据权利要求4所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述看门狗逻辑单元(21)与所述看门狗模块(19)相连接,测频逻辑单元(22)与电流信号调理电路(16)相连接,所述采样逻辑单元(23)与A/D转换电路(17)相连接,所述Nios内核(24)连接有雷电流信号调理电路(18)。
6.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述的通信模块(9)采用GPRS/CDMA/3G/0PGW网络,所述的DSP处理器模块(29)采用TMS320F28335型号,所述FPGA处理器模块采用EP1C6Q240I7型号。
7.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述的温湿度传感器(6)采用SHTll型号。
8.根据权利要求1所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述的Sram存储模块(26)采用IS61LV51216型号,所述的Flash存储模块(28)采用TC58FVB160AFT型号,所述的E2R0M存储模块(31)采用AT24C32型号。
9.根据权利要求2所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述的A/D转换电路(17)采用AD7656BSTZ型号。
10.根据权利要求3所述的基于电场传感器的输电线路氧化锌避雷器在线监测装置,其特征在于,所述的蓄电池(35)采用2块6V/12AH蓄电池。
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