CN103941138B

CN103941138B - Opgw线全线监测诊断***及监测诊断方法

Info

Publication number: CN103941138B
Application number: CN201410152017.9A
Authority: CN
Inventors: 齐郑; 饶志; 张慧汐; 李志�; 李砚; 蔡志伟
Original assignee: BEIJING DANHUA HAOBO ELECTRICITY TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: BEIJING DANHUA HAOBO ELECTRICITY TECHNOLOGY Co Ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: CN103941138A

Abstract

一种OPGW线全线监测诊断***，该***能够测量正常情况和短路情况下的OPGW线上电流，通过实测数可以诊断OPGW线是否运行正常。***由终端、采集器、主站三个部分组成。所述终端安装在OPGW线上，利用电磁感应原理测量OPGW线路的电流。所述采集器安装在线路杆塔上，接收终端的数据，再把数据上传到主站。采集器包含了射频通信模块和GPRS模块。所述主站安装在变电站内或调度中心，具有移动通信模块，接收采集器的数据，对OPGW线的电流和温度进行监测，分析OPGW线的运行状态。本发明技术成熟、可靠性高。

Description

OPGW线全线监测诊断***及监测诊断方法

技术领域

本发明属于电力监测技术领域，具体涉及一种电力设备，适用于110～500kV以OPGW线，能够监测OPGW线的温度和电流，并分析OPGW线的运行状态。利用正常情况和短路情况下的OPGW线上电流，可以诊断OPGW线是否出现异常。

背景技术

我国110～500kV输电线路广泛采用OPGW线作为通信线和避雷线(也称光纤复合架空地线)，在正常运行时OPGW线上会感应出一定的电流，在发生不对称短路故障时，OPGW线上会流过较大的短路电流。OPGW线在正常情况和短路情况下流过的电流会导致发热，严重时会造成通信中断，影响输电线路安全可靠运行。

目前运行人员需要通过仿真计算来分析正常情况及故障情况下OPGW线上的电流，但是缺乏运行过程中对OPGW线的实时监测，当OPGW线出现异常时不能尽快发现。为了保证OPGW线正常工作，电力运行部门迫切需要实用装置对OPGW线进行全线监测和诊断。

发明内容

本申请的目的是克服现有技术上的不足，提出一种OPGW线全线监测诊断***。该装置能够实时、准确地测量OPGW线流过的电流和温度，对OPGW的运行状态进行分析，为***运行人员提供指导。

本申请的技术方案如下：

一种OPGW线全线监测诊断***，由终端、采集器、主站三个部分组成，其特征为：

所述终端安装在OPGW线上，利用电磁感应原理测量OPGW线路的电流；

所述采集器安装在线路杆塔上，接收终端测量的OPGW线路的电流数据，再把数据上传到主站；所述主站安装在变电站内或调度中心，接收采集器的数据，对OPGW线的电流和温度进行监测，分析OPGW线的运行状态。

所述终端包括感应线圈、内置AD功能的CPU模块、测温模块、终端自取电电源模块和终端射频通信模块，所述感应线圈置于终端内，随终端套接于OPGW线，通过电磁感应在感应线圈的副边获得与OPGW线流过的电流成正比的模拟量电压信号，所述模拟量电压信号输入至内置AD功能的低功耗CPU模块，所述模拟量电压信号经过AD转换后变为数字信号，所述CPU模块计算得到电压有效值，进而折算出对应的OPGW线电流有效值；所述测温模块安装在感应线圈的位置，所述测温模块的温度传感器将OPGW线的温度转化为电平信号，通过IO口传送给所述CPU模块，所述CPU模块将OPGW线电流有效值和温度数据发送给终端射频通信模块，通过终端射频通信模块将OPGW线的电流有效值和温度数据上传到采集器；所述终端自取电电源为终端提供所需的直流电源。

所述采集器包括射频通信模块、采集器自取电电源模块和GPRS模块，采集器自取电电源模块为其他两个模块提供电源。射频通信模块和GPRS模块连接，射频通信模块接收终端的数据，并通过串口通信方式发送给GPRS模块，GPRS模块接收到数据后发送给远方的主站。由于射频通信的通信距离不超过10米，因此每个采集器只能接收到最近位置的OPGW线上的终端。

本申请还公开了一种基于前述OPGW线全线监测诊断***的OPGW线监测诊断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)向主站输入原始数据，包括各个杆塔区段OPGW线的接地方式、设定的电流越限定值、温度越限定值，一般电流越限定值为30-50kA，温度越限定值为200℃；

(2)终端实时检测各个杆塔区段OPGW线上的电流值和温度，并通过采集器将所述电流值和温度数据上传到主站。

(3)如果检测的OPGW线上的电流值超过了设定的电流越限阈值，或采集的温度超过了温度越限定值，则主站发出报警信号，否则继续执行；

(4)如果OPGW线为逐塔接地，则执行步骤(5)-(7)；如果OPGW线为单点接地，则执行步骤(8)-(10)；

(5)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(6)当输电线路处于正常运行时，根据所感应的OPGW线上的电流数据判断OPGW线是否可靠接地，如果输电线路正常流过负荷电流，而OPGW线上的感应电流小于K*感应电流理论计算值(K取0.5-1.0)，则判断OPGW线没有可靠接地并发出报警信号，其中的感应电流理论计算值是指当输电线路正常流过负荷电流时，计算所得的OPGW线上的感应电流理论值；

(7)当输电线路短路时，根据OPGW线上流过的短路电流数据判断OPGW线是否在短路情况下可靠接地，如果输电线路流过短路电流，而OPGW线上的电流小于K*第一短路电流理论计算值(K取0.5-1.0)，则认为OPGW线没有可靠接地并发出报警，其中的第一短路电流理论计算值是指当输电线路流过短路电流，所计算的流过OPGW线上的电流理论值；

(8)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(9)当输电线路处于正常运行时，根据所感应的OPGW线上的电流数据判断OPGW线是否单点接地，如果输电线路正常流过负荷电流，而OPGW线上的感应电流大于 10A，则判断OPGW线没有单点接地并发出报警信号；

(10)当输电线路短路时，根据OPGW线上流过的短路电流数据判断OPGW线是否在短路情况下可靠接地。如果输电线路流过短路电流，而OPGW线上的电流小于K*第二短路电流理论计算值(K取0.5-1.0)，则认为OPGW线没有可靠接地并发出报警，其中的第二短路电流理论计算值是指当输电线路流过短路电流，所计算的流过OPGW线上的电流理论值。

本申请能够实现以下功能：

(1)实时检测各个杆塔区段OPGW线上的电流和温度；

(2)利用正常运行情况下的OPGW线电流判断OPGW接地方式是否与设定情况一致；

(3)利用短路情况下的OPGW线电流判断OPGW是否可靠接地；

(4)如果判断OPGW线存在异常，则立即发出报警。

本申请的优点如下：

1、实时监测OPGW的运行状况，发生异常时能够及时报警。

2、测量精度高，正常运行电流的测量精度达到0.5级，短路电流的测量精度达到2级。

3、功耗低，满足长期运行的要求。

4、无需从外部接入传统电源，通过太阳能电池板实现自取电工作。

5、技术成熟、可靠性高，适用于110～500kV输电线路。

附图说明

图1是本申请OPGW线全线监测诊断***的结构示意图；

图2是正常运行情况下的OPGW线计算模型；

图3是短路故障情况下的OPGW线计算模型；

图4是OPGW线全线诊断方法流程图；

图5是终端的原理图；

图6是采集器的结构框图；

图7为终端或采集器中的自取电电源模块的结构框图；

其中101为主站，102为采集器，102-1、102-2、…、102-n表示安装在杆塔上的多个采集器，103为终端，103-1、103-2、…、103-n表示安装在线路上的多个终端，104为母线,501为感应线圈，502为测温模块，503为AD模数转换器，504为I/O输入输出端口，505为自取电模块，506为射频通信模块，601为GPRS通信模块，701为太阳能电池板，702为太阳能电池板输入保护模块，703为电池管理模块，704为汽车级磷酸铁锂电池组，705为电压功率输出模块。

具体实施方式

下面结合说明书如图，通过具体实施例对本申请的技术方案作进一步详细说明。

本申请公开了一种OPGW线在线监测诊断***，该***能够测量正常情况和短路情况下的OPGW线上电流，通过实测数据可以诊断OPGW线是否运行正常。***由终端、采集器、主站三个部分组成。所述终端安装在OPGW线上，利用电磁感应原理测量OPGW线路的电流。终端包含了内置AD功能的低功耗CPU模块、测温模块、自取电电源模块和射频通信模块。所述采集器安装在线路杆塔上，接收终端的数据，再把数据上传到主站。采集器包含了射频通信模块和GPRS模块。所述主站安装在变电站内或调度中心，具有移动通信模块，接收采集器的数据，对OPGW线的电流和温度进行监测，分析OPGW线的运行状态。

本申请的OPGW线全线监测诊断***结构如图1所示，由定位装置终端103、采集器102和主站101三个部分组成。103-1、103-2、…、103-n表示安装在线路上的多个终端，102-1、102-2、…、102-n表示安装在杆塔上的多个采集器。终端103和采集器102都为适用于户外使用的低功耗嵌入式微机型装置，终端103和采集器102之间采用射频通信方式进行数据传输。主站101为一台工业控制计算机，安装于变电站内或者调度中心，用于接收采集器102的数据并进行分析计算。

终端的原理如图5所示，终端103套接在OPGW线上，感应线圈501通过电磁感应可以在感应线圈501的副边获得-5V与+5V之间的低压模拟量信号，该电压信号与OPGW线流过的电流成正比。模拟量电压信号进入主板后首先进行低通滤波，然后经过AD转换器503后变为数字信号，数字信号通过数据总线传送给CPU计算，CPU对数字信号进行均方根计算得到电压有效值，进而折算出对应的OPGW线电流有效值。测温模块502用来将温度转化为电平信号，通过IO输入输出端口504传送给CPU计算。CPU通过数据总线将电流和温度数据发送给射频通信模块506，通过射频通信将OPGW线的电流有效值上传到采集器102。自取电模块505能够利用太阳能取电，输出+5V电压给其他模块使用。

采集器的原理如图6所示，射频通信模块506用于接收终端103上传的数据。GPRS通信模块601用于将数据上传给主站101。射频通信模块506和GPRS通信模块601之间通过232串口进行数据传递。自取电模块505能够利用太阳能取电，输出+12V电压给其他模块使用。

正常运行情况下的OPGW线计算模型如图2所示，该模型中有两条OPGW线，设E_a和Z_a分别表示第一条OPGW线每档中产生的感应电动势和阻抗值，E_b和Z_b分别表示第二条OPGW线每档中产生的感应电动势和阻抗值，R_g表示杆塔的接地电阻。考虑到该模型的通用性，我们在OPGW线和杆塔处分别用电阻R₁和R₂的阻值表示两条OPGW线在杆塔上接地或者不接地两种状态，如果接地则设置R₁=R₂=0，如果不接地则设置R₁=R₂=1MΩ；两条OPGW线电气上均可连接也可断开，分别用电阻R_a和R_b的阻值表示沿线路方向两条OPGW线电气连接和断开，如果连接则设置R_a=R_b=0，如果不接地则设置R_a=R_b=1MΩ。

正常运行情况下的网孔方程为：

\begin{matrix} [\begin{matrix} {- R}_{g} - R_{1} (n) & {- R}_{g} & Z_{a} (n) + {2 R}_{g} + R_{1} (n) + R_{1} (n + 1) & {2 R}_{g} + jωM & {- R}_{g} - R_{1} (n + 1) & {- R}_{g} \\ {- R}_{g} & {- R}_{g} - R_{2} (n) & {2 R}_{g} + jωM & Z_{a} (n) + {2 R}_{g} + R_{2} (n) + R_{2} (n + 1) & {- R}_{g} & {- R}_{g} - R_{2} (n + 1) \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} I_{a} (n - 1) \\ I_{b} (n - 1) \\ I_{a} (n) \\ I_{b} (n) \\ I_{a} (n + 1) \\ I_{b} (n + 1) \end{matrix}] = [\begin{matrix} E_{a} (n) \\ E_{b} (n) \end{matrix}] \end{matrix} - - - (1)

方程(1)中Z_a表示第一条OPGW线的自阻抗，Z_b表示第二条OPGW线的自阻抗。I_a表示流过第一条OPGW线的网孔电流，I_b表示流过第二条OPGW线的网孔电流。M表示两条OPGW线之间的互感。U_a表示第一条OPGW线的电压，U_b表示第二条OPGW线的电压。序号(n-1)表示第n-1个网孔的参数，序号(n)表示第n个网孔的参数，序号(n+1)表示第n+1个网孔的参数，例如I_a(n-1)表示在第n-1个网孔流过第一条OPGW线的网孔电流，I_a(n)表示在第n个网孔流过第一条OPGW线的网孔电流。通过对上述方程进行求解可以计算出各个区段OPGW线上电流值。

短路故障情况下的计算模型如图3所示，第n-1网孔所满足的方程：

-[R_g+R₁(n-1)]I_a(n-2)-R_gI_b(n-2)

+[Z_a(n-1)+2R_g+R₁(n-1)+R₁(n)]I_a(n-1)

+[2R_g+jωM]I_b(n-1)-[R_g+R₁(n)]I_a(n)-R_gI_b(n)-R_gI_f1

=E_a(n-1)

-R_gI_a(n-2)-[R_g+R₂(n-1)]I_b(n-2) (2)

+[2R_g+jωM]I_a(n-1)

+[Z_b(n-1)+2R_g+R₂(n-1)+R₂(n)]I_b(n-1)

-R_gI_a(n)-[R_g+R₂(n)]I_b(n)-R_gI_f1

=E_b(n-1)

第n个网孔满足的方程：

-[R_g+R₁(n)]I_a(n-1)-R_gI_b(n-1)

+[Z_a(n)+2R_g+R₁(n)+R₁(n+1)]I_a(n)

+[2R_g+jωM]I_b(n)-[R_g+R₁(n+1)]I_a(n+1)-R_gI_b(n+1)+R_gI_f1+R_gI_f2

=E_a(n)

-R_gI_a(n-1)-[R_g+R₂(n)]I_b(n-1) (3)

+[2R_g+jωM]I_a(n)

+[Z_b(n)+2R_g+R₂(n)+R₂(n+1)]I_b(n)

-R_gI_a(n+1)-[R_g+R₂(n+1)]I_b(n+1)+R_gI_f1+R_gI_f2

=E_b(n)

第n+1个网孔满足的方程：

-[R_g+R₁(n+1)]I_a(n)-R_gI_b(n)

+[Z_a(n+1)+2R_g+R₁(n+1)+R₁(n+2)]I_a(n+1)

+[2R_g+jωM]I_b(n+1)-[R_g+R₁(n+2)]I_a(n+2)-R_gI_b(n+2)-R_gI_f2

=E_a(n+1)

-R_gI_a(n)-[R_g+R₂(n+1)]I_b(n) (4)

+[2R_g+jωM]I_a(n+1)

+[Z_b(n+1)+2R_g+R₂(n+1)+R₂(n+2)]I_b(n+1)

-R_gI_a(n+2)-[R_g+R₂(n+2)]I_b(n+2)-R_gI_f2

=E_b(n+1)

列出图示两个接地网孔满足的方程：

-R_gI_a(n-1)-R_gI_b(n-1)+R_gI_a(n)+R_gI_b(n)+[R_g+R_f1+R_f2]I_f1-R_f2I_f2

=-R_f2I_d

R_gI_a(n)+R_gI_b(n)-R_gI_a(n+1)-R_gI_b(n+1)-R_f2I_f1+[R_g+R_f2+R_f3]I_f2 (5)

=R_f2I_d

上述(2)-(5)方程中，电阻R_f1和R_f3表示接地短路点与两侧杆塔之间的地表等效电阻，R_f2表示大地等效电阻。I_f1和I_f2表示短路电流流过两侧杆塔的网孔电流。其他参数与方程(1)一致，不再赘述。

对短路后的电磁环境进行分析，短路电流会有部分通过大地流回，部分通过两侧杆塔流回，部分通过OPGW线流回。短路电流通过地表面时，等效为两个电阻R_f1和R_f3。R_f1和R_f3是通过土壤电阻率和电磁环境的综合考虑计算得出。靠近杆塔时，较近侧的短路电流分得较多，相对应的等效电阻值就较小，较远侧的短路电流分得短路电流较少，相对应的等效电阻值就小。从大地返回的短路电流部分，等效为一个电阻R_f2，由于靠近杆塔时，走杆塔上的电流较多，通过大地流回的较少，R_f2较大，远离杆塔时，走杆塔上的电流较少，通过大地流回的较多，R_f2较小。

如图4为OPGW线在线诊断方法流程图，基于本申请公开的OPGW线全线监测诊断方法能够诊断OPGW的运行状况。所述OPGW线全线监测诊断方法包括以下步骤：

(5)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(8)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(9)当输电线路处于正常运行时，根据所感应的OPGW线上的电流数据判断OPGW线是否单点接地，如果输电线路正常流过负荷电流，而OPGW线上的感应电流大于10A，则判断OPGW线没有单点接地并发出报警信号；

终端或采集器中的自取电电源模块的原理如图7所示，自取电电源由太阳能电池板 701、太阳能电池板输入保护模块702、电池管理模块703、工业级磷酸铁锂电池组704、多电压功率输出模块705组成。其中太阳能电池板701用于将太阳能转化为电能，太阳能电池板701的输入保护模块702负责在光照出现波动情况下为后级电路提供保护。电池管理模块703将宽范围的前端输入能量分配到电池或者负载，在前端没有输入的情况下再将电池的能量提供给负载。工业级磷酸铁锂电池组704可以在零下40摄氏度到70度的环境温度下提供1000个全冲全放周期能量。多电轨功率输出模块705以超过额定输出20%后接近90%的高效率为后级负载提供+5V或+12V电压。

Claims

1.一种基于OPGW线全线监测诊断***的OPGW线监测诊断方法，所述OPGW线全线监测诊断***包括终端、采集器、主站；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)向主站输入原始数据，包括各个杆塔区段OPGW线的接地方式、设定的电流越限定值、温度越限定值，电流越限定值为30-50kA，温度越限定值为200℃；

(2)终端实时检测各个杆塔区段OPGW线上的电流值和温度，并通过采集器将所述电流值和温度数据上传到主站；

(5)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(6)当输电线路处于正常运行时，根据所感应的OPGW线上的电流数据判断OPGW线是否可靠接地，如果输电线路正常流过负荷电流，而OPGW线上的感应电流小于K*感应电流理论计算值，则判断OPGW线没有可靠接地并发出报警信号，其中的感应电流理论计算值是指当输电线路正常流过负荷电流时，计算所得的OPGW线上的感应电流理论值；其中，K取0.5-1.0；

(7)当输电线路短路时，根据OPGW线上流过的短路电流数据判断OPGW线是否在短路情况下可靠接地，如果输电线路流过短路电流，而OPGW线上的电流小于K*第一短路电流理论计算值，则认为OPGW线没有可靠接地并发出报警，其中的第一短路电流理论计算值是指当输电线路流过短路电流，所计算的流过OPGW线上的电流理论值，其中，K取0.5-1.0；

(8)根据变电站的线路保护装置判断输电线路是否发生短路；

(10)当输电线路短路时，根据OPGW线上流过的短路电流数据判断OPGW线是否在短路情况下可靠接地；如果输电线路流过短路电流，而OPGW线上的电流小于K*第二短路电流理论计算值，则认为OPGW线没有可靠接地并发出报警，其中的第二短路电流理论计算值是指当输电线路流过短路电流，所计算的流过OPGW线上的电流理论值，其中，K取0.5-1.0。

2.一种采用权利要求1所述监测诊断方法的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

所述终端安装在OPGW线上靠近杆塔的位置，利用电磁感应原理测量OPGW线路的电流，利用温度传感器测量OPGW线上的温度；

所述采集器安装在线路杆塔上，与终端配合使用，接收终端测量的OPGW线路的电流、温度数据，再把数据上传到主站；

所述主站安装在变电站内或调度中心，接收采集器的数据，对OPGW线的电流和温度进行监测，分析OPGW线的运行状态。

3.根据权利要求2所述的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

所述的终端自取电电源模块包括：太阳能电池板、太阳能电池板输入保护模块、电池管理模块、锂电池组、功率输出模块，这些模块顺序连接，最终输出+5V电压供终端其他各个模块使用。

5.根据权利要求2所述的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

所述采集器包括射频通信模块、采集器自取电电源模块和GPRS模块，采集器自取电电源模块为其他两个模块提供电源，射频通信模块和GPRS模块连接，射频通信模块接收终端的数据，并通过串口通信方式发送给GPRS模块，GPRS模块接收到数据后发送给远方的主站。

6.根据权利要求5所述的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

所述的采集器自取电电源模块包括：太阳能电池板、太阳能电池板输入保护模块、电池管理模块、锂电池组、功率输出模块，这些模块顺序连接，最终输出+12V电压供采集器其他模块使用。

7.根据权利要求3所述的OPGW线全线监测诊断***，其特征在于：

所述终端的内置AD功能的CPU模块为低功耗芯片，内置12位AD采样芯片，正常运行时功耗低于10mW，温度范围-40-70℃。