CN219842502U - 一种线路状态监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于智能电网技术领域，涉及一种线路状态监测装置及系统，包括：非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、MCU主控模块依次连接，非接触感应模块用于采集电压信号，信号耦合模块用于将采集到的电压模块耦合至装置、信号转换模块用于将电流信号转换为电压信号，信号放大模块用于将电压信号放大，MCU主控模块用于接收放大后的电压信号并通过A/D转换计算出线路的电压值；温度采样模块与MCU主控模块通信连接，用于向MCU主控模块提供线路温度数据；电源模块与MCU主控模块连接，用于提供电源。本实用新型可快速实现低压线路的停上电状态监测和温度监测，提升了用户用电可靠性。

Description

一种线路状态监测装置及系统

技术领域

本实用新型属于智能电网技术领域，尤其涉及一种线路状态监测装置及系统。

背景技术

随着国内社会经济的快速发展，社会对电力的需求和依赖性也越来越大，现代社会工业生产、居民生活对供电的可靠性、电网质量提出了很高的要求，促使电力产业不断发展完善。配电网处于电力网络的末端，直接向用电客户输送电能，配电网的可靠性对供电网络的整体性能有较大的影响，是电网建设和维护的重点内容。目前配变台区出线开关和分支出线开关仍大量使用传统非智能开关，无法将出线的带电状态和线路的温度进行监测上传，当发生故障停电的时候无法快速的定位故障区域；台区末端用户基本都已经全部使用电子式电能表，能够监测电能表进线端的停上电状态，但是实际用户使用电能是从电能表出线端使用，所以目前电能表提供的停上电状态不能代表用户的实际用电情况，并且无法提供线路的温度监测情况，无法预测因为用户负荷过大引起的线路老化、烧毁等故障。

公开号为CN206684257U的专利提供了一种基于GPS实时定位的配电线路状态监测分析装置，包括配电网线路状态监测器和配电网线路状态分析器，所述配电网线路状态监测器包括数据采集模块、第一通信模块、故障报警模块和第一电源模块，所述配电网线路状态分析器包括中央处理器、第二通信模块、GPS模块、数据存储模块和第二电源模块；所述配电网线路状态监测器和配电网线路状态分析器通过所述第一通信模块和第二通信模块之间的通信实现数据交互。此专利只能实现线路的电气量数据的采集和监测，对于线路的温度监测并未给出相关技术方案。

因此，如何提供一种可同时监测线路停上电状态以及温度的装置是本技术领域人员亟待解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种线路状态监测装置，以解决现有技术无法监测线路停上电状态以及温度情况，导致用户用电可靠性不高的问题；另外本实用新型还提供了一种线路状态监测系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种线路状态监测装置，包括：

非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、温度采样模块、电源模块和MCU主控模块；所述非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、MCU主控模块依次连接，所述非接触感应模块用于采集电压信号，所述信号耦合模块用于将采集到的电压模块耦合至所述装置、所述信号转换模块用于将电流信号转换为电压信号，所述信号放大模块用于将电压信号放大，所述MCU主控模块用于接收放大后的电压信号并通过A/D转换计算出线路的电压值；所述温度采样模块与所述MCU主控模块通信连接，用于向所述MCU主控模块提供线路温度数据；所述电源模块与所述MCU主控模块连接，用于提供电源。

进一步的，所述非接触电压采样模块包括非接触感应单元、用于调整感应电压幅值的电容分压电路、用于将交流信号变为正信号的直流电压叠加电路、用于增强信号的电流的电压跟随电流放大电路和用于成比例调节信号的幅值大小的运放放大电路，所述非接触感应单元、电容分压电路、直流电压叠加电路、电压跟随电流放大电路和运放放大电路依次连接。

进一步的，所述MCU主控模块包括用于RS-485通信的UART0、用于维护RS-232串口的UART1和用于起警示作用的指示灯。

进一步的，所述非接触感应单元为紫铜片，厚度为0.15mm，面积为5.25mm²。

进一步的，所述MCU主控模块的芯片型号为GD32E230F8P6。

进一步的，所述温度采样模块为温度传感器DS18B20，输出9位至12位摄氏温度测量值，并通过1-Wire总线和所述MCU主控模块进行通信。

进一步的，所述温度采样模块的温度测量范围为-55℃～125℃。

第二方面，本实用新型还提供了一种线路状态监测系统，包括：上述的监测装置、系统初始化模块、电压处理模块、温度处理模块、告警与显示模块和规约交互模块。

本实用新型提供的线路状态监测装置及系统与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

现有技术当中无法将出线的带电状态和线路的温度进行监测上传，当发生故障停电的时候无法快速的定位故障区域，用户用电的可靠性得不到保障。本实用新型针对低压存量台区，在不更换原有设备的情况下，可以快速实现台区线路的停上电状态监测和温度监测，达到快速故障定位、快速恢复供电的目的，在智能台区中配合边缘计算设备可以提升配变台区精益管理、故障快速定位，提升用电可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的图作一个简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的测量等效原理图；

图3为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的电容阻抗等效模型图；

图4为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的非接触电压采样模块的电路图；

图5为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的温度采样模块的电路图；

图6为本实用新型实施例提供的一种线路状态监测装置的MCU主控模块的电路图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本实用新型技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本实用新型的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本实用新型提供了一种线路状态监测装置，应用于低压配变台区的线路出线监测过程中，线路状态监测装置包括：

非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、温度采样模块、电源模块和MCU主控模块；非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、MCU主控模块依次连接，非接触感应模块用于采集电压信号，信号耦合模块用于将采集到的电压模块耦合至装置、信号转换模块用于将电流信号转换为电压信号，信号放大模块用于将电压信号放大，MCU主控模块用于接收放大后的电压信号并通过A/D转换计算出线路的电压值；温度采样模块与MCU主控模块通信连接，用于向MCU主控模块提供线路温度数据；电源模块与MCU主控模块连接，用于提供电源。

本实用新型可快速实现低压线路的停上电状态监测和温度监测，提升了用户用电可靠性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种线路状态监测装置，应用于低压台区的线路的监测过程中，结合图1至图6，本实施例中，所述线路状态监测装置包括：

非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、温度采样模块、电源模块和MCU主控模块；非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、MCU主控模块依次连接，非接触感应模块用于采集电压信号，信号耦合模块用于将采集到的电压模块耦合至装置、信号转换模块用于将电流信号转换为电压信号，信号放大模块用于将电压信号放大，MCU主控模块用于接收放大后的电压信号并通过A/D转换计算出线路的电压值；温度采样模块与MCU主控模块通信连接，用于向MCU主控模块提供线路温度数据；电源模块与MCU主控模块连接，用于提供电源。

进一步的，本实施例中，根据该装置的应用场景，一般都是安装在开关出线上，所以根据现场的安装场景可以得出测量等效电路，UL为实际线缆电压，C0为断路器的断开耦合电容，C1为线路和感应金属片之间(装置外壳内)的耦合电容，C1是可变的，与现场线缆种类、环境有关，C2是固定的，为测量感应单元PCB上设计的对地电容，C3是端设备(装置的上行通信设备，本身具备交流采样功能)系统地对零相的耦合电容，由于端设备本身电路参数、器件参数不会随现场湿度、温度发生明显变化，所以可认为C3是固定不变的，再根据电容阻抗等效模型可知，电容阻抗是由串联电阻R_s，并联电容C,并联电阻R_d组成，电路模型为X_c＝R_s+wC//R_d，串联电阻R_s为电容的对外导线接触电阻，本实用新型实施例中的所有等效电容C0、C1、C2、C3的对外导线都非常短，可视为R_s≈0，R_d为电容本身的介质电阻，实测R_d≈∞，所以X_c≈wC。因此本实施例中的电容阻抗都用相应的阻抗值X0，X1，X2，X3代替。

根据电容分压原理：

当断路器导通的时候，C0为0，C2和C3固定不变，可合并为C23，则上式可简化为：

由于因此可化为/>令C₂₃为A，则/>的传递函数就是/>也就有/>此式中C₁和A都是可变参数，在工厂内部校正后，到现场安装后C₁和A也会发生改变，造成测量不准，这也是本实用新型实施例所要解决的问题，针对该问题，本实用新型实施例提出通过在现场校准的方案来确定C₁和A。

现场校正方法：利用端设备的交流采样功能，选择不同时间通过端设备采样的当前的线路电压传给线路状态监测装置的MCU主控模块作为校准的标准值的方式测出C₁和A，然后，把此参数存储在MCU主控模块中，就能测量出线路的电压，通过检测不同时刻的C₁和A计算得出Ux，这也就是本实用新型实施例通过非接触方式实现精准测量的基本方法，因为现场环境不可能时刻发生变化，所以是假定在某一段时间内测出的C₁和A是不变的，当现场环境发生改变，例如温湿度发生了变化或者装置的探头和线缆接触的面积、松紧发生了变化，这些会造成C₁发生变化，当出现了变化，就需要非接触探头自动重新进行2次校验，校验表方法和上文一致。

装置校验策略：

a.现场初始安装时校验，安装好后通过端设备下发校正命令，装置启动开始校正；

b.定时校正，可预设每隔1个月校正1次，由端设备下发校正命令。

通过上述两种校正方式，可以有效避免现场因为环境变化引起和变化带来增大测量误差，极大的保证了测量的准确度。

进一步的，本实施例中，非接触电压采样模块包括非接触感应单元、用于调整感应电压幅值的电容分压电路、用于将交流信号变为正信号的直流电压叠加电路、用于增强信号的电流的电压跟随电流放大电路和用于成比例调节信号的幅值大小的运放放大电路，非接触感应单元、电容分压电路、直流电压叠加电路、电压跟随电流放大电路和运放放大电路依次连接，非接触电压采样的基本原理是基于电场感应及电容耦合，通过非接触的方式，设计一个非接触感应头，和外部带电导线的低频电场感应及电容耦合，转换成感应电流信号，该信号的初始值强度由非接触感应头的尺寸材质决定。

具体地，本实施例中，非接触感应单元为紫铜片，厚度为0.15mm，面积为5.25mm²，通过Multisim仿真分析，该面积感应到的电压可以保证后续采样电路的信号驱动能力，线路状态监测装置获得感应电压后，在电路上对地并联一个分压电容C6，该电容的作用是用来调整感应电压的幅值，因为感应电压是一个交流信号，信号在正负之间交替，而单片机的AD采样信号要求输入的是正信号，所以需要在电路上并联一个直流正电压叠加信号，将交流信号变为一个正信号，信号变为正直流偏置信号后，因为感应电压信号的电流持续能力很弱，需要加入一个电压跟随器，用来增强信号的电流，维持后续电路功耗的正常运行，输出电压和输入电压幅值大小相同，相位相同。信号通过直流偏置后已转为正直流信号，再经过电压跟随器后增大电流驱动能力，在此点加入一个运放电路，用来成比例的调节信号的幅值大小，以获得更大的采样范围，运放放大电路和电压跟随电流放大电路共用一个双通道的SGM8141运放芯片，SGM8141运放芯片支持3.3V单电源、轨到轨的双通道高精度运放，此处为保证进入单片机的采样信号为正，采用同相放大电路设计，放大系数1:2，即2倍放大，便于调整输入AD的采样信号。

进一步的，本实施例中，温度采样模块采用温度传感器芯片DS18B20，对该芯片温度输出信号上拉3.3V，温度传感器DS18B20输出9位至12位摄氏温度测量值，测量范围在-55℃～125℃之间，通过1-Wire[9]总线和单片机进行通信。

进一步的，本实施例中，MCU主控模块MCU主控模块包括用于RS-485通信以及与其他设备进行通信的的UART0、用于维护RS-232串口的UART1和用于起警示作用的指示灯，采用GD32E230F8P6芯片，GD32E230F8P6内核为Cortex-M23，主频72MHz，内存为8KB，64KB的FLASH，2个USART、1个SPI、1个具有新型可选数字滤波器功能的I2 C、2个独立的12位ADC，ADC1用于非接触电压采样模数转换，定时器4个，PA4用于和温度传感器进行1-Wire通信，PA6用于控制运行灯，PA7用于控制报警灯。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种线路状态监测系统，包括：上述的监测装置、系统初始化模块、电压处理模块、温度处理模块、告警与显示模块和规约交互模块。

为了提高线路状态监测系统性能，系统中仅DMAFIFO满及UART接收产生两个中断，定时器时间到直接触发ADC采样，定时器本身不产生终端，串口中断对电压计算不产生任务影响。

参照非接触传感器的软件协议，通过电脑终端上的工具发送至非接触传感器，获得正常的数据，测试指令如下：

a.广播设置地址，如表1：

表1

可参照上方的预设值将地址设置成01，方便调试。

b.设置停上电/温度阀值，如表2：

表2

有返回值即设置成功。

c.设置成调试模式，如表3：

表3

d.设置温度校准值，如表4：

表4

注意：下发的温度值以空开的线缆实际温度为准。

e.设置电压校准值，如表5：

表5

注意：下发的电压值以空开的实际测试电压为准。

f.测量电压和温度的校验：

调动可调变压器，设置280V、220V、150V、100V、50V等几个测量点，非接触传感器返回的电压值均要在±5％的误差范围内。同时验证指示灯是否显示正常。

g.给非接触传感器外壳加热，非接触传感器返回的温度值要在逐渐上升，显示的温度和测温枪测得的外壳温度的误差值在±10％以内，同时验证指示灯是否显示正常。

h.设置成485模式，如表6：

表6

有返回值即设置成功。

上述实施例所述的线路状态监测装置及系统，与现有技术相比，现有技术当中无法将出线的带电状态和线路的温度进行监测上传，当发生故障停电的时候无法快速的定位故障区域，用户用电的可靠性得不到保障。本实用新型针对低压存量台区，在不更换原有设备的情况下，可以快速实现台区线路的停上电状态监测和温度监测，达到快速故障定位、快速恢复供电的目的，在智能台区中配合边缘计算设备可以提升配变台区精益管理、故障快速定位，提升用电可靠性；另外本实用新型装置安装方便，采用非接触检测方法，实现免停电安装，在非接触的情况下要准确的判断线路停上电状态，单纯靠检测信号有无还是不可靠，本实用新型可以在此条件下测出实际电压值，通过电压值来判断状态，还可以根据不同的环境和要求，设置不同的限值来判断，灵活可靠。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本实用新型较佳实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围。本实用新型可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线路状态监测装置，其特征在于，包括：

非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、温度采样模块、电源模块和MCU主控模块；

所述非接触电压采样模块、信号耦合模块、信号转换模块、信号放大模块、MCU主控模块依次连接，所述非接触感应模块用于采集电压信号，所述信号耦合模块用于将采集到的电压模块耦合至所述装置、所述信号转换模块用于将电流信号转换为电压信号，所述信号放大模块用于将电压信号放大，所述MCU主控模块用于接收放大后的电压信号并通过A/D转换计算出线路的电压值；所述温度采样模块与所述MCU主控模块通信连接，用于向所述MCU主控模块提供线路温度数据；所述电源模块与所述MCU主控模块连接，用于提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述非接触电压采样模块包括非接触感应单元、用于调整感应电压幅值的电容分压电路、用于将交流信号变为正信号的直流电压叠加电路、用于增强信号的电流的电压跟随电流放大电路和用于成比例调节信号的幅值大小的运放放大电路，所述非接触感应单元、电容分压电路、直流电压叠加电路、电压跟随电流放大电路和运放放大电路依次连接。

3.根据权利要求1所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述MCU主控模块包括用于RS-485通信的UART0、用于维护RS-232串口的UART1和用于起警示作用的指示灯。

4.根据权利要求2所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述非接触感应单元为紫铜片，厚度为0.15mm，面积为5.25mm²。

5.根据权利要求1所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述MCU主控模块的芯片型号为GD32E230F8P6。

6.根据权利要求1所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述温度采样模块为温度传感器DS18B20，输出9位至12位摄氏温度测量值，并通过1-Wire总线和所述MCU主控模块进行通信。

7.根据权利要求6所述的一种线路状态监测装置，其特征在于，所述温度采样模块的温度测量范围为-55℃～125℃。

8.一种线路状态监测系统，其特征在于，包括：如权利要求1至7任一项所述的监测装置、系统初始化模块、电压处理模块、温度处理模块、告警与显示模块和规约交互模块。