CN209247942U - 一种基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统，包括故障行波采集模块、故障行波时标模块、行波信息处理模块、无线通讯模块和分布式电源模块：故障行波采集模块的输出端连接故障行波时标模块和行波信息处理模块；故障行波时标模块的输出端连接行波信息处理模块；行波信息处理模块的输出端连接无线通讯模块；分布式电源模块为各个模块供电。本实用新型通过无线通讯方式将故障信息传送到子站系统，安装时无需工程施工，提高了工程项目应用方便性、可行性。

Description

一种基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，具体涉及一种电力系统自动化检测技术领域基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统。

背景技术

智能电网的发展，构建更多的高压、长距离电网线路，电网线路故障精确定位成为电力系统迫切需要解决的难题。近年来，电力系统利用故障高频行波信息进行故障定位技术得到快速发展并进入工程性应用，关键问题是无死区地采集故障行波，纳秒级标定故障行波时间，安装点就地解决供电电源以及数字化无线传输故障相关信息。以前的电压行波传感器需要停电安装，近年来经过采用开口式传感器套接于变电站内的容性设备地线上，解决了停电安装问题。但是，工程应用中，多个传感器分别安装于变电站内的容性设备地线上，而行波采集装置安装于变电站控制室屏柜中，传感器与行波采集装置间有几十米至几百米间的距离，传感器信号需要通过同轴电缆或导线传输给采集装置的行波检测电路接口，需要安装布线，工程施工量大，以致在变电站的应用安装中受到极大的局限。因此，在变电站内，急需提供一种能够实现免工程施工、无死区地采集故障行波，纳秒级标定故障行波时间的柔性高频行波传感装置及系统。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统，能实现免工程施工地有效检测变电站内的容性设备故障高频电容入地电流行波信号。

本实用新型所提供的技术方案为：

一种基于物联网的柔性高频行波传感装置，包括故障行波采集模块、故障行波时标模块、行波信息处理模块、无线通讯模块和电源模块：故障行波采集模块和故障行波时标模块的输出端均与行波信息处理模块相连；行波信息处理模块的输出端连接无线通讯模块；电源模块为各个模块供电。

进一步地，所述故障行波采集模块采用开口式柔性罗柯夫斯基线圈，套接于变电站内的容性设备(电容性电压互感器CVT、电压互感器PT、变压器、电缆接头等)的接地线上，采集电网线路故障行波。

进一步地，所述开口式柔性罗柯夫斯基线圈包括匝数不同的两个线圈绕组，分别用于采集电网线路的强故障行波信号和弱故障行波信号，实现无死区采集故障行波。

进一步地，所述行波信息处理模块包括积分电路、AD采样电路、调理电路、FPGA和MCU单元；

开口式柔性罗柯夫斯基线圈一个线圈绕组的输出信号一路经积分电路、AD采样电路、 FPGA输出至MCU单元；另一路经调理电路直接输出至MCU单元。

所述故障行波时标模块包括授时模块(GPS或北斗授时模块)和恒温晶振；授时模块和恒温晶振的输出端均与FPGA和MCU单元相连；授时模块的秒脉冲信号作为恒温晶振的时钟基准源。

故障行波时标模块用于对故障行波采集模块采集的故障行波进行标时，形成纳秒级的时间标定，其中授时模块守时秒以上时间(用于标定故障行波秒及以上时间)及提供秒脉冲，恒温晶振以北斗授时模块提供的秒脉冲信号为基准源，守时毫秒、微秒和纳秒级的时间(用于标定故障行波秒以下时间)；FPGA和MCU单元将秒以上的时间信息和秒以下的时间信息整合在一起作为故障行波的绝对时间，以交叉消除授时模块随机误差和恒温晶振累积误差；同时，FPGA对授时模块的秒脉冲进行分频处理，并计数，校验恒温晶振的脉冲数。

进一步地，所述无线通讯模块，包括LORA、Wi-Fi或ZigBee等无线通讯模块，通过LORA 或Wi-Fi或ZigBee等无线通讯方式，将带时标的故障行波数据和故障行波高频录波文件上传给子站的通讯单元，进而将采集数据、装置状态等信息的上传到主站。

进一步地，所述电源模块包括太阳能板、电池电容器组和电源管理电路，太阳能板的输出端经电源管理电路连接电池电容器组和各个模块的供电端；电池电容器组的电源输出端连接各个模块的供电端；电源模块用于为各模块提供稳定的直流电源。

本实用新型还提供一种基于物联网的柔性高频行波传感系统，包括主站、设置在各变电站内的子站通讯单元、设置在各变电站内每条监测线路的上的柔性高频行波传感装置；各柔性高频行波传感装置分别通过其无线通讯模块与子站通讯单元通信连接；各子站通讯单元通过以太网与主站通信连接；柔性高频行波传感装置为上述的基于物联网的柔性高频行波传感装置。

当线路发生故障时，开口式柔性罗柯夫斯基线圈采集故障行波信号，传送给行波信息处理模块，同时故障行波时标模块对行波进行标时，形成硬件电路采集的连续行波(简称硬件行波)和故障行波高频录波文件，构成故障行波采集双保险，无线通讯模块将故障信息传输到子站通讯单元。

有益效果：

本实用新型可应用于电网线路在线监测领域，有效效果在于：其一，采用无线通讯和分布式电源技术使装置安装时无需工程布线施工；其二，采用开口式柔性罗柯夫斯基线圈，安装时无需停电；采用双柔性罗柯夫斯基线圈，适用频率范围广、性能佳，能有效采集电网线路强弱故障行波信号，真实反映电网线路故障；其三，融合GPS/北斗的授时模块和恒温晶振技术，MCU单元的采样率为10MHz，标时的精确度为100纳秒，使高频行波传感器标定行波波头的时间误差约为100纳秒。

附图说明

图1本实用新型实施例提供的基于物联网的柔性高频行波传感装置的一结构示意图；

图2本实用新型实施例提供的基于物联网的柔性高频行波传感系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1所示，本实用新型公开了一种基于物联网的柔性高频行波传感装置及系统，其中基于物联网的柔性高频行波传感装置包括电源模块、故障电压行波采集模块、故障行波时标模块、行波信息处理模块和无线通讯模块，其中故障行波时标模块、行波信息处理模块和无线通讯模块集成在一块采集板上。系统工作过程包括以下步骤：

步骤1：采集故障行波；

在各变电站内的各个容性设备接地线上(如电容性电压互感器(CVT)、电压互感器(PT)、变压器、电缆接地线上)套接一个开口式柔性罗柯夫斯基线圈，开口式柔性罗柯夫斯基线圈二次侧输出线接至采集板端子上(导线长度不大于0.3米)。

步骤2：标定行波绝对时间；

采用GPS/北斗授时模块，作为行波传感装置秒以上的时间，如2018年9月26日9点26分10秒；频率为10MHz的恒温晶振以GPS/北斗授时模块提供的秒脉冲信号为基准源，产生纳秒(单位为100纳秒)、微秒和毫秒级的时间，如356ms286μs500ns，FPGA结合这二个时间作为故障行波的绝对时间，以交叉消除北斗授时模块随机误差和恒温晶振的累积误差；同时FPGA对北斗授时模块提供的秒脉冲信号进行分频，得到频率为10MHz(周期为100纳秒)的脉冲信号，并计数，与10MHz的恒温晶振脉冲计数进行校验，综合提高行波标时的精确度。

步骤3：行波信息处理；

对罗柯夫斯基线圈采集的行波信号进行提取和分析，包括积分电路、调理电路、AD采样电路、FPGA和MCU单元。罗柯夫斯基线圈的一个线圈绕组输出信号一路给积分电路，将信号调整为与AD采样电路的输入信号范围相匹配的信号，AD采样电路将输入的模拟信号转换为数字信号，输出给FPGA，同时恒温晶振和GPS/北斗授时模块的时间脉冲也输给FPGA，FPGA对故障行波信息标定时间，输出给MCU单元，形成行波高频录波文件；另一路给调理电路，由调理电路中的信号比较器将其与确定的故障行波阀值相比较，从而将故障行波模拟信号转换为数字信号(形成硬件行波，包括0和1两个电平)，输出给MCU单元，同时恒温晶振和GPS/北斗授时模块的时间脉冲也输给MCU单元，MCU单元对硬件行波进行标时，形成带时标、极性、脉宽信息的硬件行波信号。另一个线圈绕组输出信号处理电路与第一个线圈行波信号处理电路一样，具有各自的积分电路、调理电路、AD采样电路，并共用恒温晶振、GPS/北斗授时模块、FPGA和MCU单元。

步骤4：无线通讯；

利用LORA无线通讯技术，将故障时的硬件行波、故障行波高频录波文件、装置运行状态等信息的上传给子站通讯单元。

如图2所示，一个容性设备(如CVT)的接地线上套接一个罗柯夫斯基线圈，罗柯夫斯基线圈二次侧信号连接到高频行波传感器装置内采集板的端子上(连接线长度不大于0.3米)；当线路发生故障时，罗柯夫斯基线圈采集到的行波信号经过故障行波信息处理模块的调理、提取和故障行波时标模块的标时，由故障行波信息处理模块形成硬件行波和故障行波高频录波文件，由无线通讯模块发送到本变电站配电室的子站的通讯单元，变电站内每条监测线路的高频行波传感器装置都将信息通过无线通讯方式发给子站的通讯单元，由子站通讯单元通过以太网发给主站(主站包括通讯服务器、数据服务器和工作站)，多个子站通讯单元将行波信息均发给主站，形成基于双端定位的网络化故障测距和潜在故障预警。

步骤5：分布式电源。

为免变电站内电源布线工程施工，高频行波传感器装置采用太阳能板+电池电容器组+ 电源管理电路的电源模块；太阳能板经电源管理电路与电池电容器组和采集板连接；电池电容器组与采集板连接。当太阳光线较强时，太阳能板输出的直流电源由电源管理电路调理，对电池电容组进行充电及对采集板进行供电，当太阳光线较弱时，由电池电容器组对采集板进行供电，确保高频行波传感器装置稳定运行。

应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。

Claims (8)

1.一种基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，包括故障行波采集模块、故障行波时标模块、行波信息处理模块、无线通讯模块和电源模块：故障行波采集模块和故障行波时标模块的输出端均与行波信息处理模块相连；行波信息处理模块的输出端连接无线通讯模块；电源模块为各个模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述故障行波采集模块采用开口式柔性罗柯夫斯基线圈，套接于变电站内的容性设备的接地线上。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述开口式柔性罗柯夫斯基线圈包括匝数不同的两个线圈绕组，分别用于采集电网线路的强故障行波信号和弱故障行波信号。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述行波信息处理模块包括积分电路、调理电路、AD采样电路、FPGA和MCU单元；

开口式柔性罗柯夫斯基线圈一个线圈绕组的输出信号一路经积分电路、AD采样电路、FPGA输出至MCU单元；另一路经调理电路直接输出至MCU单元。

5.根据权利要求4所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述故障行波时标模块包括授时模块和恒温晶振；授时模块和恒温晶振的输出端均与FPGA和MCU单元相连；授时模块的秒脉冲信号作为恒温晶振的时钟基准源。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述无线通讯模块，包括LORA、Wi-Fi或ZigBee无线通讯模块。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置，其特征在于，所述电源模块包括太阳能板、电池电容器组和电源管理电路，太阳能板的输出端经电源管理电路连接电池电容器组和各个模块的供电端；电池电容器组的电源输出端连接各个模块的供电端。

8.一种基于物联网的柔性高频行波传感系统，其特征在于，包括主站、设置在各变电站内的子站通讯单元、设置在各变电站内每条监测线路的上的柔性高频行波传感装置；各柔性高频行波传感装置分别通过其无线通讯模块与子站通讯单元通信连接；各子站通讯单元通过以太网与主站通信连接；

所述柔性高频行波传感装置为权利要求1～7中任一项所述的基于物联网的柔性高频行波传感装置。