CN105676060A - 一种智能电网传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网传感装置，它包括中央处理器，以及与中央处理器连接的全球定位***、大容量数据缓冲器、温度传感器、高精度模数转换器、感应取电电路、短距离无线通信模块、远距离无线通信模块，所述中央处理器还连接有数模转换器，该数模转换器连接晶体振荡器，所述晶体振荡器与中央处理器连接。其采用从电力线感应电流取电的方式，给装置自供电，不需要外接电源和电池；不受单端电源供电限制，受负载波动、谐波、接地电阻及故障合闸角等因素影响小；故障特征提取有效利用了初始故障暂态信息和对端信息，可有效解决小电流接地***单相接地故障选线和定位问题。

Description

一种智能电网传感装置

技术领域

本发明涉及35kV以下配电网***中的一种智能电网传感装置。

背景技术

国家电网公司已提出全面建设坚强智能电网的发展目标，电网状态检测技术为提高智能电网安全稳定水平和电网设备管理效益提供了有力的技术支撑。

智能配电***三大目标：安全可靠、优质高效、灵活互动。智能电网中配电环节的重点工程包括：配电网网架建设和改造、配电自动化试点和实用化、关联和整合相关的信息孤岛、分布电源的接入与控制和配用电***的互动应用等。为了满足用户对供电可靠性、电能质量及优质服务的要求，满足分布式电源、集中与分布式储能的无扰接入，未来电网中传统的配电***运行模式和管理方法亟待改善；智能配电网络是坚强智能电网的基石，坚强在特高压，智能在配电网。

现有配电自动化***存在诸多弊端：

(1)缺少在线测量数据，无法及时获悉线路运行情况；

(2)故障排查定位效率极低，甚至需要人为停电来寻找故障线路和故障地点；

(3)为安全考虑，一般只输送远低于额定线路容量的功率，导致现有配电网极大地浪费。

而现有的选线装置或者故障指示器存在以下问题：

(1)选线装置方法单一。一般局限于采用单端电气量的比幅比相法、五次谐波法、能量函数法、小波法等某一种选线方法来实现，成功率极低；

(2)传统故障指示器基于本地过电流,只适合单端电源线路,且电池供电，寿命短，易坏。

35kV及以下配电网一般按小电流接地(中性点不接地或经消弧线圈接地)方式运行，其主要优点是当***发生单相接地故障时，稳态故障电流不大，***可继续运行2至3小时。对于单相瞬时接地故障，故障点电弧可以自行熄灭；对于单相永久接地，***可以带故障暂时运行数小时，因此国内35kV及以下配电网大都采用这种接地方式。其缺点是发生单相永久接地故障时，很难检测出是哪一条线路故障。因故障会引起非故障相电压大幅度升高，而且间歇性弧光接地可能引起电弧过电压，威胁***设备绝缘安全，较长时间运行可能会引起绝缘击穿发生恶性相间故障，需尽快确定故障线路，排除故障，否则有大的安全隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在小电流接地***发生单相接地故障时能自动选线，且能实现快速定位故障线路的装置。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种智能电网传感装置，它包括:

中央处理器，用于通过控制高精度模数转换器实现对电力线电流的实时采样，通过控制温度传感器实现对电力线电压采集并转化为温度数据，以及对全球定位***器的初始化、定时信息和地理坐标信息的解析和处理，以及对短距离通信器和远距离通信器的初始化和通信调度；

全球定位***，用于给采样数据加载精确的时间标签；

大容量数据缓冲器，用于存储电力线在设定时间范围内的实时温度、电流和电压数据；

温度传感器，该传感器与电力线直接接触，用于将测得的电力线的温度会转换成电压信号；

高精度模数转换器，用于对电力线电流实时数据采样；

短距离无线通信器，用于安装在相邻处的智能电网传感装置之间的相互通信，然后由主装置对相邻处的智能电网传感装置统一进行数据采集、分发及与远端后台的通信；

远距离无线通信器，用于智能电网传感装置和后台之间的数据通信；

数模转换器，用于将中央处理器上计算的时钟偏差从数字信号转换为模拟电压信号；以及

晶体振荡器，用于给中央处理器提供高精度的工作时钟，根据全球定位***输出的秒脉冲信号进行自动频率校准。

作为上述方案的进一步优化，所述中央处理器与全球定位***、大容量数据缓冲器、温度传感器、高精度模数转换器、短距离无线通信器、远距离无线通信器和数模转换器相连接，所述数模转换器连接晶体振荡器，所述晶体振荡器与中央处理器连接。

进一步地，它还包括感应取电电路，用以从电力线感应取电并给中央处理器和其他装置供电。

进一步地，所述中央处理器采用32位低功耗处理器。

进一步地，所述温度传感器采用电阻温度探测传感器。

进一步地，所述模数转换器采样速率为每秒50个周波，每个周波采样256个样点。

进一步地，所述温度传感器探测导线温度范围为-40~125℃。

进一步地，它还包括开盒螺杆、上盖和下盖，所述上盖和下盖紧密结合，所述开盒螺杆设于下盖下部，且所述开盒螺杆的顶端与上盖内面接触。

本发明的装置利用全球定位***(GPS)来实现各点采样数据的精确同步，然后通过短距离及远距离无线通信，将各点的采样数据统一传送给后台的云服务器，后台服务器采用暂态差动电流算法、稳态零序功率和人工决策***来实现综合的故障选线和定位。

与现有技术相比，本发明至少具有以下特点：

（1）采用从电力线感应电流取电的方式，给装置自供电，不需要外接电源和电池；

（2）不受单端电源供电限制，受负载波动、谐波、接地电阻及故障合闸角等因素影响小；

（3）故障特征提取有效利用了初始故障暂态信息和对端信息，可有效解决小电流接地***单相接地故障选线和定位问题。

附图说明

图1是本发明一实施例的应用示意图。

图2是本发明一实施例的外部结构俯视示意图。

图3是本发明一实施例的外部结构仰视示意图。

图4是本发明一实施例的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。

如图1所示，为本实施例的应用于配电网的示意图。本实施例的装置安装在35KV及以下的配电网各母线和分支线上，每处会安装3个装置(对应电力线的A相、B相、C相)，利用装置内的全球定位***(GPS)来实现各点装置内部采样数据的精确同步，然后通过短距离无线通信器集中汇总到一台主装置上，主装置再通过远距离无线通信(3G/4G)的基站和因特网最终转发给后台主控站。后台主控站采用各种故障判决算法和人工决策***来实现故障的综合选线和定位。

图2和图3示出了本实施例的外部结构示意图。该装置与电力线完全绝缘，无论电力线是否承载电流都能够通过开合结构安装和拆卸。装置的开合通过开盒螺杆206来实现，顺时针旋转，装置上盖201、下盖204两部分分离，卡入电力线，再逆时针旋转，上、下部分闭合。而压舌202会在装置上下盖闭合后压紧电力线。装置上盖201、下盖204里面内置电流互感器用于取电和测量。装置中的电子电路被放置在图中电气安装盒203里，同时有散热片209用于散热，LED灯208用于故障就地指示，而内置天线205则用于通信。另外SIM卡槽207用于安装用于远距离无线通信(3G/4G)的SIM卡。此外，整个装置除了卡扣电力线部分，其他部分都做了防水处理。

图4为本实施例内部功能结构示意图。其中300为中央处理器(CPU)。该处理器采用32位低功耗处理器，由感应取电电路301输出的电能供电，接受晶体振荡器305的时钟输出作为工作时钟。通过控制高精度模数转换器302实现对电力线电流的实时采样，通过控制温度传感器实现电力线温度采集。采样的数据会打上统一的全球定位***(GPS)307的时间标签，然后缓存在大容量数据缓冲器306中。即可利用短距离无线通线器308实现相邻装置之间的数据通信，也可以通过远距离无线通信器309实现和远端后台***的交互，实现远程调度和监控。

301为感应取电电路。该电路完成从电力线感应取能功能，给中央处理器300和所有其他电路供电，实现装置的自供电，不需要外接电源和后备电池。

302为高精度模数转换器。该模数转换器实现对电力线电流的实时采样。

303为温度传感器。温度传感器采用电阻温度探测传感器，该传感器会直接和电力线接触，其测量得到的温度会转换成电压信号，中央控制器会完成对电压信号的采样和存储，并最终转化为温度数据。

304为数模转换器。数模转换器用于将中央处理器计算获得的时钟偏差从数字信号转换为模拟电压信号，从而去控制晶体振荡器，来实现晶体振荡器的自动频率校准。

305为晶体振荡器。晶体振荡器给中央处理器提供高精度的工作时钟，该晶体振荡器可以通过全球定位***输出的秒脉冲信号来进行自动频率校准(AFC)，从而进一步提高时钟精度，保证各安装地点的电流采样数据精确同步，以保证对故障的分析正确可靠。

306为大容量数据缓冲器。采用大容量数据缓冲器，可提供长达数小时的实时数据存储，任何时刻发生故障，都可追溯到故障前数小时的实时数据。其一方面可以大幅度降低装置对故障数据处理的实时性要求，同时也为故障分析和定位提供了更多的决策依据。

307为全球定位***(GPS)。中央处理器完成对全球定位***的初始化、定时信息、地理坐标等信息的解析和管理。采用全球定位***，可以给采样数据打上精确的时间标签，从而实现各安装地点的电量采样、测量精确同步，保障了用于故障定位和分析的数据的正确性和可靠性。

308为短距离无线通信器。中央处理器完成对短距离通信器的初始化和通信调度。短距离无线通信器可以实现安装在相邻处的本实施例的装置之间的相互通信，简化装置成本和通信费用，实现由主装置统一进行数据采集、分发及与远端后台的通信。

309为远距离无线通信器。中央处理器完成对远距离通信器的初始化和通信调度。通过远距离无线通信器，可以实现装置和后台之间高速的数据通信，解决了远程调度和远程监控问题。

利用以上功能器，本实施例的装置主要实现了电流监测、温度监测、事件录波及故障定位功能。

（1）电流监测

电力线电流监测，可以通过电流互感器或者罗氏线圈来测量电力导线中流过的电流。罗氏线圈通过积分器可以输出和电流对应的电压信号，电流互感器也可在输出端接上采样电阻来获得和电流对应的电压信号。在此实施例中，模数转换器以每秒50个周波，每个周波256个样点的速率对电流进行采样，中央处理器对采样到的每个周波数据计算电流有效值(RMS)和各次谐波分量。一方面可以实时进行干扰检测和分析，也可以定时将当前电流有效值和各次谐波值上报给后台，实现远程监测。

（2）温度监测

电力线温度监测，可以通过电阻温度探测传感器来探测电力导线的温度。在此实施例中，在装置安装上电力线并闭合后，温度探测传感器的顶端会和电力导线接触，同时，该传感器和装置的壳体在电气和热能上是完全绝缘的。该温度传感器能探测-40摄氏度到+125摄氏度的导线温度，并且产生出与导线温度相应的电压输出信号供中央处理器(CPU)采集。

（3）事件录波

当电力***发生扰动时，可以通过录波器记录下扰动前后若干周波数据，供事后调出分析用。在此实施例中，如果电力***发生扰动，本实施例装置会自动录取并保存电流波形，装置采用了高分辨率(12.8KHz采样频率)和高精度(16位数据精度)的模数转换器，同时采用大容量的缓冲器，可追溯扰动数小时以前的电力线电流数据，同时也可记录数万次的扰动事件。

（4）故障定位

电力线出现故障时，存在很多基于瞬态或者稳态的定位算法。在此实施例中，如果电力***发生扰动，本实施例的装置会自动报警给后台。同时如果判断是线路电流超过设定定值，装置会自动亮灯就地警示。任何扰动发生后，都会首先由后台的人工决策***来选择调用相关装置的数据，然后根据各种综合故障选线和定位算法（包含差动电流算法等）来完成故障选线和定位。

本实施例采用开盒结构，实现无需停电的带电安装和拆卸；采用从电力线感应电流取电的方式，给装置自供电；采用高性能低功耗处理器，高精度模数转换器和软硬件抗干扰措施，保证采集信号的可靠性和准确性；采用全球定位***(GPS)/北斗定位***精确授时，保证了全域中各个装置的采样数据的同步性；利用定位***的秒脉冲信息，对***工作时钟偏差进行自动频率校准(AFC)。

本实施例还提出了一种采用差动电流计算的新型暂态分析方法，该差动电流算法利用相邻装置的精确同步采样的电流信息进行差值运算，正常运行时该差值很小接近于零，而一旦该差值超过一定门限值(门限可以根据实际情况设定)就可以判定为发生了故障，从而完成故障选线和定位；以及一种基于稳态零序功率分布和人工决策***的新型稳态分析方法，该稳态分析方法利用变压器中性点处，或三相电压互感器开口三角输出的零序电压和三相装置精确同步采样得到的电流信息，在后台可以准实时地导出***各点的零序功率方向分布图，从而判断出故障支线，上述两种方法克服了以往传统选线和定位算法的不足；本实施的装置启动元件触发后，开始存储触发时间前后的暂态数据和稳态数据，进行故障处理和判别。

本实施例利用自适应门限和连续多次判决方式，解决了误判和漏判问题；本实施例进行故障录波时，通过后台***对故障进行综合分析和判断；本实施采用大容量(Giga-bit)的数据缓冲器，降低各装置之间同步数据调度的实时性要求，统一到后台处理；本实施例通过后台***可以远程监视电力线工作状况，包括电力线电流、谐波、温度，供电力***对电力线路监控和优化；本实施例通过后台***，实现装置的空中在线软件升级。

以上只是本发明的优选实施方式，在不脱离本发明技术原理的前提下做的改进和变形，也视作本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能电网传感装置，其特征在于，它包括:

中央处理器，用于通过控制高精度模数转换器实现对电力线电流的实时采样，通过控制温度传感器实现对电力线电压采集并转化为温度数据，以及对全球定位***器的初始化、定时信息和地理坐标信息的解析和处理，以及对短距离通信器和远距离通信器的初始化和通信调度；

全球定位***，用于给采样数据加载精确的时间标签；

大容量数据缓冲器，用于存储电力线在设定时间范围内的实时温度、电流和电压数据；

温度传感器，该传感器与电力线直接接触，用于将测得的电力线的温度会转换成电压信号；

高精度模数转换器，用于对电力线电流实时数据采样；

短距离无线通信器，用于安装在相邻处的智能电网传感装置之间的相互通信，然后由主装置对相邻处的智能电网传感装置统一进行数据采集、分发及与远端后台的通信；

远距离无线通信器，用于智能电网传感装置和后台之间的数据通信；

数模转换器，用于将中央处理器上计算的时钟偏差从数字信号转换为模拟电压信号；以及

晶体振荡器，用于给中央处理器提供高精度的工作时钟，根据全球定位***输出的秒脉冲信号进行自动频率校准。

2.根据权利要求1所述的智能电网传感装置，其特征在于，所述中央处理器与全球定位***、大容量数据缓冲器、温度传感器、高精度模数转换器、短距离无线通信器、远距离无线通信器和数模转换器相连接，所述数模转换器连接晶体振荡器，所述晶体振荡器与中央处理器连接。

3.根据权利要求1所述的智能电网传感装置，其特征在于它还包括感应取电电路，用以从电力线感应取电并给中央处理器和其他装置供电。

4.根据权利要求1所述的智能电网传感装置，其特征在于，所述中央处理器采用32位低功耗处理器。

5.根据权利要求1所述的智能电网传感装置，其特征在于，所述温度传感器采用电阻温度探测传感器。

6.根据权利要求1~5任一所述的智能电网传感装置，其特征在于，所述模数转换器采样速率为每秒50个周波，每个周波采样256个样点。

7.根据权利要求1~5任一所述的智能电网传感装置，其特征在于，所述温度传感器探测导线温度范围为-40~125℃。

8.根据权利要求1~5任一所述的智能电网传感装置，其特征在于它还包括开盒螺杆、上盖和下盖，所述上盖和下盖紧密结合，所述开盒螺杆设于下盖下部，且所述开盒螺杆的顶端与上盖内面接触。