CN207764339U - 一种基于nb-iot通信的架空型故障定位装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于NB‑IOT通信的架空型故障定位装置，包括设置于变压器输电线上的多组采集单元；所有采集单元均通过NB‑IOT无线通信模块与汇集单元连接。本实用新型能够综合解决定位装置采集单元和汇集单元在通信距离和功耗方面存在相互制约的矛盾，满足配电网后台监控系统对故障定位装置数据采集高效、大数据、实时要求。改变通讯结构和组网模式，使得汇集单元支持多组采集单元的通讯，并且满足设备运行的低功耗需求，能够在一定程度上提高故障指示精度，并且减少设备投入成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及配电网故障定位装置,特别是一种基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置。
背景技术
智能电网是电网技术发展的必然趋势，是社会经济发展的必然选择，它的提出推动了各相关技术的迅猛发展。配电网智能化也是电网智能化重要发展阶段。
故障定位装置是配电网智能化发展的主要产品的之一，其在电网中的主要功能是检测短路或者接地故障，解决非核心区域配电网运行采集的全覆盖、全采集及其配电网盲调等问题，是智能配电网系统中不可或缺的部分。根据国家能源局发布的《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》，通过实施配电网建设改造行动计划，有效加大配电网资金投入。2015-2020年，配电网建设改造投资不低于2万亿元，其中2015年投资不低于3000亿元，“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。到2020年，中心城市(区) 智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99％，用户年均停电时间不超过1 小时，供电质量达到国际先进水平；城镇地区供电能力及供电安全水平显著提升，供电可靠率达到99.88％以上，用户年均停电时间不超过10小时，保障地区经济社会快速发展；乡村及偏远地区全面解决电网薄弱问题，基本消除长期“低电压”，户均配变容量不低于2千伏安，有效保障民生。
物联网在中国已经发展了多年，无论是智能工业、车联网、智能家居、可穿戴设备等都面临全面爆发的趋势。物联网有三个关键要素：感知、互联、智能，物联网在感知和智能要素方面已有新的进展，而在另一关键要素互联上，却依然依赖适用于互联网和移动互联网的网络连接方式，如3G、4G、WIFI、蓝牙等；但是在面对用户便捷式的组网和低能耗需求方面，即使是面向物与物相联的Zigbee网络也还是不适应物联网用户对连接的需求，所以互联已成为制约物联网大规模普及的因素。
近两年以来，基于蜂窝的窄带物联网——NB-IoT，英文全名为(Narrow BandInternet of Things,NB-IoT)，是一种基于扩频技术实现的无线调制技术、采用星型网络架构、具有最低延迟的简单网络结构。因其在覆盖、功耗、成本、连接数、连接高效等方面的优势已经成为万物互联网络的一个重要的分支。
在配电网自动化建设中，二遥架空型故障定位装置因其不需要改造一次设备、可以带电安装等优势，越来越得到电网公司的青睐，尤其是在负荷相对分散的郊区及农村配电网。
架空型故障定位装置主要用于配电网领域的线路故障监测和定位；架空型线路中通用故障定位装置的功能模块包括两部分：即三个采集单元与一个汇集单元，其中三个采集单元主要用作A，B，C三相负荷电流和相电场的采集终端，采集单元将采集的数据和遥信量通过无线射频通讯方式遵循Zigbee网络协议发送到汇集单元，汇集单元再通过GPRS与远方后台进行数据交互，从而实现负荷线路远程监控的功能；一方面，在通常情况下由于受Zigbee自组网在传输距离及其监测线路的环境所制，汇集单元和采集单元安装的实际距离不应大于100米，否则，数据传输的稳定性不能得到保障；另一方面，采集单元的主供电模式通常是通过负荷电流采集线圈自取电，不适用于支持高功耗的电子器件，因此在使用Zigbee自组网传输模式时，要特别考虑到采集单元功耗的问题。
由于架空型配电网线路通常比较分散，如果能够快速、便捷、低功耗、并且大范围地对故障指示器进行组网互联，这无疑给配电线路故障指示器的现场安装和后期维护提供了有利的便捷和保障；
综上所述，与物联网行业一样，在配电线路故障指示器组网模式中，便捷式的组网和低能耗需求也是首先要考虑问题。
物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LoRa、SigFox、NB-IoT等即广域网通信技术。
由于配电网线路的复杂和远距离特性使得Zigbee、WiFi等短距离通信技术在自组网和功耗问题上不适用于配电网设备的定位和通信传输。以广域网通信为代表的LoRa 通信技术，能够很好地解决通信距离、自组网问题及其功耗问题，但是，LoRa是一种异步通信方式，通过定期地唤醒通信终端以收取下行消息，在面对通信频繁、延迟较短、大数据吞吐、高传输速率要求的应用环境时，相比之下，NB-IOT在满足低成本、低功耗要求同时，可以为需要大量数据吞吐量的应用更能够提供较高的数据传输速率。
现有的故障定位装置网络结构如图1所示，Zigbee通讯模式下，架空型故障定位装置一个汇集单元和三个采集单元进行组网。在现场实际环境中，汇集单元和采集单元的传输距离小于100米，导致为了上传采集单元的测量数据和信号数据必须为每个采集点配置一台带GPRS通信模块的汇集单元(在配电线路分支处如果采集点距离很近可以两组采集单元公用一个汇集单元)。如图1所示，故障指示线路安装了五个故障指示器，每个故障指示器配置三个采集终端和一个汇集单元，各个汇集单元通过Zigbee组网技术收集三个采集单元数据然后通过GPRS与监控后台通讯。
上述结构明显存在以下问题：
①现有架空型故障定位装置的采集单元与汇集单元之间组网通信，无法很好的兼顾低能耗与远距离传输要求：采集单元直接挂接在架空线路上，主供电源为线圈感应取电，辅助供电为电池供电，对低功耗要求较高；
②基于现有的通信模式和组合方式，在故障指示器安装选点的过程中，存在着成本和指示精度之间的矛盾：如果提高指示精度必须增加安装密度，而每组采集单元都需要配置一个汇集单元，其中汇集单元组成包括MCU控制板、GPRS模块、锂电池、太阳能电池板、IP等级很高的不锈钢壳体等，在整套装置成本中占70％-80％；如果考虑成本因素减小安装密度，则导致故障发生时故障定位不够准确，电力工作人员需花费大量时间和精力在过渡分散的两个安装点之间巡查。
③通常情况下，被监测架空线路覆盖多个故障定位装置，并且各故障定位装置跟随架空线路的走势而处于分散安装位置点，配电网后台监控系统会频繁地对所有故障定位装置进行数据访问来达到实时监测和定位的目的，在电力故障发生时，距离故障点最近的定位装置会通过物联网络发出故障类型和告警的数据信息，监控后台在接收到信息后实时通知维护人员和电力调度系统作出故障切除和补救措施。因此，现有组网模式因通信覆盖范围和通信模式限制难以满足通信频繁、延迟较短、大数据吞吐、高传输速率要求的配电网监控系统。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，兼顾低能耗与远距离传输要求，精确定位故障位置。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，包括设置于变压器输电线上的多组采集单元；每个所述采集单元各通过一个NB-IOT无线通信模块与汇集单元连接。
所述汇集单元通过终端通信模块与配电网后台监控系统通信。
所述采集单元包括MCU模块；所述MCU模块与步进电机、NB-IOT无线通信模块发送端、信号调理模块、电源控制模块、逻辑处理模块连接；所述电源控制模块与电源模块、备用电源、取电线圈连接；所述逻辑处理模块与采样线圈连接；所述取电线圈、采样线圈串联。
所述MCU模块还与指示灯连接。
所述汇集单元包括主控单元；所述主控单元与电源模块、显示模块、按键模块、NB-IOT无线通信模块接收端、上行通信模块、超级电容连接。
所述主控单元包括主控板和设置于所述主控板上的SIM卡槽。
所述逻辑处理模块包括RC滤波电路；所述RC滤波电路输入端与所述采样线圈连接；所述RC滤波电路一个输出端与比较器连接，所述RC滤波电路另一个输出端与信号调理模块连接；所述比较器与所述MCU模块连接
与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型能够综合解决定位装置采集单元和汇集单元在通信距离和功耗方面存在相互制约的矛盾，满足配电网后台监控系统对故障定位装置数据采集高效、大数据、实时要求。改变通讯结构和组网模式，使得汇集单元支持多组采集单元的通讯，并且满足设备运行的低功耗需求，能够在一定程度上提高故障指示精度，并且减少设备投入成本。
附图说明
图1为现有架空型故障定位装置信号流程和安装位置图；
图2为本实用新型实施例结构示意图；
图3为本实用新型采集单元结构图；
图4为本实用新型汇集单元结构图；
图5为本实用新型逻辑处理模块结构图。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型通过在架空型故障定位系统中使用NB-IOT组网，可实现低功耗、远距离、大数据、高效通信要求：一个汇集单元负责采集所有分散的采集单元数据，再通过GPRS或者其他方式将数据传送至监控后台。在正常工作环境下，能满足通信速率要求的NB-IOT的覆盖范围相当广阔。可以通过一个汇集单元来搜集其他采集单元的数据信息，从而简化整个系统组网结构及其节省汇集单元成本。
架空型故障定位装置主要由采集单元和汇集单元组成，在采集单元和汇集单元之间实现NB-IOT组网模式，需要在采集单元和汇集单元中添加NB-IOT无线通信模块。
1)NB-IOT组网模式采集单元结构如图3所示。
采集单元组成模块包括逻辑处理模块、故障指示模块、NB-IOT无线通信模块、 MCU模块、电源模块、信号调理模块。逻辑处理模块主要是通过硬件电路对被检测线路进行故障判别，如果有故障信号，则直接将故障信号传给MCU模块；电源模块包括主供电电源和后备电源，主电源通过电磁感应取电，后备电源采用高性能锂电池供电，主供电源和后备电源相互独立，当主供电源不能维持装置全功能工作时，后备电源自动投入。当主供电源恢复时，自动切回主供电源供电；MCU模块采用STM32L476系列单片机，32位低功耗，高精度的ADC采样及快速计算处理能力；故障指示模块主要为控制输出电路包括步进电机翻牌电路和指示灯电路；信号调理模块，主要包括A/D采样和滤波电路，通过滤波和模拟采样后，最终进入MCU并测量出负荷电流量；NB-IOT通信模块一方面通过SPI与MCU进行内部通信，另一方面通过无线NB-IOT通信方式与汇集单元进行信息交互。
2)NB-IOT组网模式汇集单元结构如图4所示。
汇集单元组成模块包括太阳能电池板、铅酸蓄电池、NB-IOT无线通信模块、上行通信模块、超级电容器、主控单元等部件组成。该终端通过NB-IOT通信方式来收集配电线路分散安装的所有的采集单元的动作信息、负荷电流、短路动作电流、首半波尖峰电流/接地动作电流、线路对地电场等数据，然后通过上行通信模块将收集到的数据发送到主站。同时可以接收主站链路查询、链路复位、总召数据、遥调(通信和故障指示器参数)、遥控(故障指示器的翻牌与复归)等命令。
需要说明的是汇集单元因在与采集单元通讯过程中通常需要接入多个采集单元，因此，汇集单元的功耗通常较大，为保证供电的充足，备用铅蓄电池一般为长寿容量较大电池，主要作用是用于太阳能电池发电不足(阴雨天)或者夜间超级电容器供电量不足情况下。主控单元包括主控板、SIM卡槽，SIM卡槽主要用于安装SIM物联网卡，主控板为汇集单元核心控制板，通过两路串行外设SPI通信方式与GPRS模块及其 NB-IOT无线通信模块进行通信，除此之外，主控板还预留一路串口，供调试用。
如图5，逻辑处理模块包括RC滤波电路；所述RC滤波电路输入端与所述采样线圈连接；所述RC滤波电路一个输出端与比较器连接，所述RC滤波电路另一个输出端与信号调理模块连接；所述比较器与所述MCU模块连接。线路负荷电流通过电磁感应，在采样线圈中形成线性标度的感应电压(约为毫伏级)，该电压信号进入逻辑处理模块后先经过RC滤波电路进行高频滤波，滤波后的信号一方面通过比较器电路进行故障逻辑判断，输出故障信息，并将此信息以中断方式传送到MCU模块；另一方面，直接传送到信号调理模块，用作模拟—数字信号转换。
Claims (7)
1.一种基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，包括设置于变压器输电线上的多组采集单元；每个所述采集单元各通过一个NB-IOT无线通信模块与汇集单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述汇集单元通过终端通信模块与配电网后台监控系统通信。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述采集单元包括MCU模块；所述MCU模块与步进电机、NB-IOT无线通信模块发送端、信号调理模块、电源控制模块、逻辑处理模块连接；所述电源控制模块与电源模块、备用电源、取电线圈连接；所述逻辑处理模块与采样线圈连接；所述取电线圈、采样线圈串联。
4.根据权利要求3所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述MCU模块还与指示灯连接。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述汇集单元包括主控单元；所述主控单元与电源模块、显示模块、按键模块、NB-IOT无线通信模块接收端、上行通信模块、超级电容连接。
6.根据权利要求5所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述主控单元包括主控板和设置于所述主控板上的SIM卡槽。
7.根据权利要求3所述的基于NB-IOT通信的架空型故障定位装置，其特征在于，所述逻辑处理模块包括RC滤波电路；所述RC滤波电路输入端与所述采样线圈连接；所述RC滤波电路一个输出端与比较器连接，所述RC滤波电路另一个输出端与信号调理模块连接；所述比较器与所述MCU模块连接。
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Granted publication date: 20180824 |