CN113295962A - 一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电路故障定位设备技术领域的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，包括第一集成箱壳、第二集成箱壳、电源模块、电源开关及避雷器、电源输出口、无线路由器和4G/5G天线输出端口，所述第二集成箱壳一侧固定有若干个高频电流信号输入端口和电缆故障行波电流信号输入端口，第二集成箱壳的另一侧设有若干个工频电流输入端口和GPS时钟对时天线。本发明的电缆故障行波电流、本体工频电流或接地电流、高频脉冲电流信号以4G/5G及GPS无线方式发送回后台服务器端，各种监测状态信息及故障定位结果可以短信或WEB方式及时通知相关人员，及时提出处理措施预防故障或排除故障，具有数据量小、处理速度快、硬件简单、成本低廉、抗干扰强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电路故障定位设备技术领域，具体为一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置。
背景技术
电力电缆在电网中应用广泛，但大部分电缆运行工况恶劣，时刻面临土壤和地下水的腐蚀以及各种挖掘作业的威胁，一旦损坏将直接引发线路短路跳闸，严重影响供电可靠性。
经检索，中国专利号CN210487896U公开了一种高压电力电缆故障在线定位装置，该高压电缆短路故障精确定位装置的设置，在设备中安装GPS授时模块，利用GPS提供的精确时钟来测量行波信号到达高压电缆两端的时间差，确定故障点距离，并显示出故障点的地理位置信息，以便于及时进行检维修。
经检索，中国专利号CN212391564U公开了一种具有护套环流监测功能的高压电缆故障精确定位装置，包括现场监测终端和后台监测软件；现场监测终端包括数据采集单元、对时单元、通讯单元、供电单元和数据处理单元；数据采集单元包括故障行波电流传感器、缺陷行波电流传感器、接地电流传感器和工频电流传感器；对时单元为高精度GPS对时模块；通讯单元为APN专网卡。通过增加护套环流监测功能，可提高高压电缆故障定位的准确性，保证电力电缆安全可靠运行。
然而，现有的高压电缆定位装置的故障检测指标单一，难以对高压电缆的实际工作状态进行精确监测，导致抢修时间长且无法对发展缓慢的电缆隐患进行区间定位及预警，基于此，本发明设计了一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，包括第一集成箱壳、第二集成箱壳、电源模块、电源开关及避雷器、电源输出口、无线路由器和4G/5G天线输出端口，所述第二集成箱壳一侧固定有若干个高频电流信号输入端口和电缆故障行波电流信号输入端口，第二集成箱壳的另一侧设有若干个工频电流输入端口和GPS时钟对时天线，若干个所述高频电流信号输入端口、电缆故障行波电流信号输入端口、工频电流输入端口和GPS时钟对时天线均为等间距排布，所述第二集成箱壳内设有工频电流装换模块，第二集成箱壳上集成有故障定位综合处理***。
优选的，所述第一集成箱壳一端和第二集成箱壳活动连接，所述第一集成箱壳和第二集成箱壳均为金属铝箱壳，用于增强信号传输过程中的抗干扰能力。
优选的，所述电源模块、电源开关及避雷器和无线路由器设于第一集成箱壳内，所述电源输出口和4G/5G天线输出端口分别设置于第一集成箱壳的两个相对侧面。
优选的，所述故障定位综合处理***包括信号处理主板、故障行波输入模块、高频电流输入模块、工频电流输入模块、环流变送板和无线路由器，所述故障行波输入模块和高频电流输入模块的输出端分别与信号处理主板的输入端连接，所述工频电流输入模块的一端与环流变送板连接，所述环流变送板的输出端与信号处理主板连接，所述电源模块的输出端与无线路由器连接，所述无线路由器与信号处理主板的输入输出端连接。
优选的，所述信号处理主板包括全波整流电路、模拟放大电路、MCU模块、FPGA模块、恒温晶振和GPS模块，所述GPS模块的输出端分别与FPGA模块和MCU模块连接，所述恒温晶振的一端与FGA连接，所述全波整流电路的一端连接有比较器，所述模拟放大电路的一端连接高速ADC，所述MCU模块的一端连接SD卡。
优选的，所述模拟放大电路、高速ADC、全波整流电路、FPGA模块、MCU模块、GPS模块及电源模块组成信号采集分析处理单元，可根据应用需求同时连接使用或单独、多个复用。
优选的，所述恒温晶振的频率为20MHz，用于为FPGA模块提供短期内稳定可靠的时钟源，与授时精度在20ns以内的GPS模块进行调试精算，保证电缆故障时的距离定位精度控制在2m以内。
优选的，所述电缆故障行波电流信号输入端口基于工频运行电流的实时采集分析而形成的定位计算及报警输出分析策略，提升监测有效性。
优选的，所述信号处理主板用于自动分析采集后的数据、计算定位并将报警信息通过通用物联网、电力专用无线网络APN、VPN与远端用户监测平台进行实时对接通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明中的电缆故障行波电流、本体工频电流或接地电流、高频脉冲电流信号以4G/5G或GPS无线方式发送回后台服务器端，各种监测状态信息及故障定位结果可以短信或WEB方式及时通知相关人员，以便相关人员及时提出处理措施预防故障或排除故障，该装置具有数据量小、处理速度快、硬件简单、成本低廉及抗干扰强的优点；
（2）本发明可处理工频50Hz的监测信号，也可以处理高达100MHz的高频信号，具备横跨高压电缆状态监测超低频至高频领域的监测信号处理功能，且能够监测的运行工频电流达1500A，完全能够满足500kV及以下电缆的工频运行电流的监测应用，装置中的分析处理单元能够自行根据预先设定的触发阈值及分析判断策略进行故障行波电流信号的存储及定位计算，定位精度高；
（3）本发明能够对发展较缓慢的电缆隐患及时进行定位以及T接电缆线路或电缆—架空线混架线路的区间定位、预警，指导运维人员排查电缆的危险放电情况，防止跳闸故障发生，该装置的单套设备可同时监测及定位3相电缆线路，可扩展更多通道；具有部件故障自检及报警功能，如工作电压、工作温度、GPS有效性等；工作电源采用交流220V、感应取电及太阳能取电混合模式；现场终端单元具有缓存功能；具备对雷击波的入侵、负荷电流的突变、开关操作过电压等非故障信号的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明高压电缆状态智能诊断及精确定位装置的信号采集分析单元连接结构图；
图2为本发明高压电缆状态智能诊断及精确定位装置的模块电路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、电源模块；2、电源开关及避雷器；3、电源输出口；4、无线路由器；5、4G/5G天线输出端口；6、高频电流信号输入端口；7、电缆故障行波电流信号输入端口；8、工频电流装换模块；9、工频电流输入端口；10、GPS时钟对时天线；11、信号处理主板；12、第一集成箱壳；13、第二集成箱壳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，包括第一集成箱壳12、第二集成箱壳13、电源模块1、电源开关及避雷器2、电源输出口3、无线路由器4和4G/5G天线输出端口5，第一集成箱壳12一端和第二集成箱壳13活动连接，第一集成箱壳12一端和第二集成箱壳13均为波纹铝合金金属外壳，且整个外壳防护等级可达IP68防尘防水级别，内腔底部设置分布多个不同位置的固定铜螺柱作为处理电路板模块的固定底板，第一集成箱壳12和第二集成箱壳13均为金属铝箱壳，用于增强信号传输过程中的抗干扰能力，电源模块1、电源开关及避雷器2和无线路由器4设于第一集成箱壳12内，电源输出口3和4G/5G天线输出端口5分别设置于第一集成箱壳12的两个相对侧面，第二集成箱壳13一侧固定有若干个高频电流信号输入端口6和电缆故障行波电流信号输入端口7，高频电流信号输入端口6和电缆故障行波电流信号输入端口7通常为6个，通过高频传输电缆连接进行监测数据的传输通信，第二集成箱壳13的另一侧设有若干个工频电流输入端口9和GPS时钟对时天线10，若干个高频电流信号输入端口6、电缆故障行波电流信号输入端口7、工频电流输入端口9和GPS时钟对时天线10均为等间距排布，GPS模块在集成箱壳右侧引出GPS时钟对时天线10，便于时钟对时计算及数据无线通信应用，第二集成箱壳13内设有工频电流装换模块8，第二集成箱壳13上集成有故障定位综合处理***；
其中，电缆故障行波电流信号输入端口7作为连接三通道故障行波传感器，用于监测电缆中的故障行波信号，信号监测范围为100A~1200A；高频电流输入端口6作为连接三通道高频电流传感器，用于监测电缆中的高频电流信号，信号监测范围为100mA~500mA；工频电流输入端口9用作连接三通道可扩展到四通道工频电流传感器，用于监测接地电缆中的电流幅值，电流幅值监测范围为10A~1500A；单套设备可同时监测及定位3相电缆线路，可扩展更多通道；通过故障自检及报警功能，如工作电压、工作温度、GPS有效性等；工作电源采用AC220V、感应取电及太阳能取电混合模式；现场终端单元具有缓存功能；具备对雷击波的入侵、负荷电流的突变、开关操作过电压等非故障信号的抗干扰能力，定位精度小于2m，提升了定位精度。
请参阅图2，故障定位综合处理***包括信号处理主板11、故障行波输入模块、高频电流输入模块、工频电流输入模块、环流变送板和无线路由器4，故障行波输入模块和高频电流输入模块的输出端分别与信号处理主板11的输入端连接，工频电流输入模块的一端与环流变送板连接，环流变送板的输出端与信号处理主板11连接，电源模块1的输出端与无线路由器4连接，无线路由器4与信号处理主板11的输入输出端连接，信号处理主板11包括全波整流电路、模拟放大电路、MCU模块、FPGA模块、恒温晶振和GPS模块，FPGA模块及MCU模块通过时延计算公式及波形脉冲前沿触发的模式进行监测数据的分析、位置定位计算及发出报警信号，GPS模块的输出端分别与FPGA模块和MCU模块连接，恒温晶振的一端与FGA连接，全波整流电路的一端连接有比较器，模拟放大电路的一端连接高速ADC，MCU模块的一端连接SD卡，模拟放大电路、高速ADC、全波整流电路、FPGA模块、MCU模块、GPS模块及电源模块1组成信号采集分析处理单元，可根据应用需求同时连接使用或单独、多个复用，恒温晶振的频率为20MHz，用于为FPGA模块提供短期内稳定可靠的时钟源，与授时精度在20ns以内的GPS模块进行调试精算，保证电缆故障时的距离定位精度控制在2m以内，电缆故障行波电流信号输入端口7基于工频运行电流的实时采集分析而形成的定位计算及报警输出分析策略，提升监测有效性，信号处理主板11用于自动分析采集后的数据、计算定位并将报警信息通过通用物联网、电力专用无线网络APN、VPN与远端用户监测平台进行实时对接通信。
其中，环流变送模块用于对输入的工频电流进行滤波、整流、放大，输出模拟信号到MCU模块，由MCU模块的ADC外设对信号进行采样，计算得到工频电流大小；模拟放大电路用于对输入的故障行波信号和高频电流信号进行滤波、放大，将信号幅值放大到0.5V Vpp后，再加250mV的直流偏置电压，最后送进后级ADC模块；高速ADC模块用于具有100MSPS采样速率的高速ADC芯片，对输入的模拟信号进行采集，转换成8位数字信号并行输入到FPGA模块中；全波整流电路用于输入信号有可能是正脉冲或负脉冲，因此使用全波整流电路将脉冲信号整流成正脉冲信号，并对信号进行放大；比较器用于对进行过全波整流的脉冲信号进行比较，若脉冲信号幅值大于设定的阈值，比较器输出一个高电平信号给FPGA模块，通知FPGA模块进行故障脉冲波形处理；FPGA模块用于数据处理单元，储存ADC输入的波形数据，当有故障脉冲到来时，记录1ms长度的波形数据，并记录当前的时间戳，向MCU模块发出中断，通知MCU模块获取波形数据和故障行波信息；当MCU模块要求获取高频电流数据时，FPGA模块会将20ms长度的高频电流波形数据发送给MCU模块；同时，FPGA模块还实现GPS时钟驯服算法，保证时间戳的精度；恒温晶振用于20MHz的恒温晶振，为FPGA模块提供短期内稳定可靠的时钟源，是FPGA模块的GPS时钟驯服算法的根本；恒温晶振初始频率精度为0.05ppm，温度频率稳定度为0.05ppm，短期频率稳定度为0.1ppb/s；GPS模块专用GPS授时模块，授时精度在20ns以内，为FPGA模块提供1PPS信号，为MCU模块提供当前时间、授时精度等信息；MCU模块用作***控制单元，控制***内各模块的工作，处理网络中的命令和数据，处理FPGA模块传递过来的波形数据；同时MCU模块还具备控制FPGA模块采集数据、向网络发送数据包并修改GPS模块设置的功能；SD卡为16GB的储存卡，用于就地保存故障录波数据，一个故障行波信息文件的大小约为300KB，里面保存了故障行波出现的时间，电流幅值大小，故障行波出现后一定时间内的电流最大值、最小值以及电流持续时间，三个通道的波形数据；无线路由器4通过4G专网与远程主机进行通信，远程主机的后台软件监控设备的运行情况；电源模块1包含了EMC滤波模块和DCDC降压模块，将输入的220V交流电压转换成12V直流电压输出到设备的各个模块。
整体的工作原理为，集成箱壳为波纹铝合金金属外壳，且整个外壳防护等级可达IP68防尘防水级别，内腔底部设置分布多个不同位置的固定铜螺柱作为处理电路板模块的固定底板，底板的左侧安装有故障行波电流信号处理模块、高频电流信号处理模块及工频电流信号处理模块，中间部位布置信号放大、A/D转换及分析处理的FPGA、MCU处理模块，右侧布置时钟对时GPS模块及其他电源、通信模块等,信号分析处理装置左侧采用6个航空防水接口连接外部的故障行波电流传感器、高频电流传感器及工频电流传感器。通过高频传输电缆连接进行监测数据的传输通信，的对时时钟GPS模块在外壳右侧引出GPS无线天线，便于时钟对时计算及数据无线通信应用，的FPGA及MUC通过时延计算公式及波形脉冲前沿触发的模式进行监测数据的分析、位置定位计算及发出告警信号；其中，传输方式具备光纤有线传输和4/5G或GPS无线传输方式；
故障录波：记录故障发生时线路故障行波电流波形，收集不同故障类型的行波电流波形，如电缆护层接地、电缆接头或本体击穿等故障电流波形，并建立故障行波波形数据库；
定位原理：双端定位模式，利用两个监测终端测量线路故障点产生的初始行波到达两个监测终端的时间差来计算故障点位置；
故障报警：监测状态信息及故障定位结果以手机短信、WEB发布等多种方式提供给用户人员，实现故障报警。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，包括第一集成箱壳（12）、第二集成箱壳（13）、电源模块（1）、电源开关及避雷器（2）、电源输出口（3）、无线路由器（4）和4G/5G天线输出端口（5），所述第二集成箱壳（13）一侧固定有若干个高频电流信号输入端口（6）和电缆故障行波电流信号输入端口（7），第二集成箱壳（13）的另一侧设有若干个工频电流输入端口（9）和GPS时钟对时天线（10），若干个所述高频电流信号输入端口（6）、电缆故障行波电流信号输入端口（7）、工频电流输入端口（9）和GPS时钟对时天线（10）均为等间距排布，所述第二集成箱壳（13）内设有工频电流装换模块（8），第二集成箱壳（13）上集成有故障定位综合处理***。
2.根据权利要求1所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述第一集成箱壳（12）一端和第二集成箱壳（13）活动连接，所述第一集成箱壳（12）和第二集成箱壳（13）均为金属铝箱壳，用于增强信号传输过程中的抗干扰能力。
3.根据权利要求1所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述电源模块（1）、电源开关及避雷器（2）和无线路由器（4）设于第一集成箱壳（12）内，所述电源输出口（3）和4G/5G天线输出端口（5）分别设置于第一集成箱壳（12）的两个相对侧面。
4.根据权利要求1所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述故障定位综合处理***包括信号处理主板（11）、故障行波输入模块、高频电流输入模块、工频电流输入模块、环流变送板和无线路由器（4），所述故障行波输入模块和高频电流输入模块的输出端分别与信号处理主板（11）的输入端连接，所述工频电流输入模块的一端与环流变送板连接，所述环流变送板的输出端与信号处理主板（11）连接，所述电源模块（1）的输出端与无线路由器（4）连接，所述无线路由器（4）与信号处理主板（11）的输入输出端连接。
5.根据权利要求4所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述信号处理主板（11）包括全波整流电路、模拟放大电路、MCU模块、FPGA模块、恒温晶振和GPS模块，所述GPS模块的输出端分别与FPGA模块和MCU模块连接，所述恒温晶振的一端与FGA连接，所述全波整流电路的一端连接有比较器，所述模拟放大电路的一端连接高速ADC，所述MCU模块的一端连接SD卡。
6.根据权利要求5所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述模拟放大电路、高速ADC、全波整流电路、FPGA模块、MCU模块、GPS模块及电源模块（1）组成信号采集分析处理单元，可根据应用需求同时连接使用或单独、多个复用。
7.根据权利要求6所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述恒温晶振的频率为20MHz，用于为FPGA模块提供短期内稳定可靠的时钟源，与授时精度在20ns以内的GPS模块进行调试精算，保证电缆故障时的距离定位精度控制在2m以内。
8.根据权利要求1所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述电缆故障行波电流信号输入端口（7）基于工频运行电流的实时采集分析而形成的定位计算及报警输出分析策略，提升监测有效性。
9.根据权利要求5所述的一种高压电缆状态智能诊断及精确定位装置，其特征在于，所述信号处理主板（11）用于自动分析采集后的数据、计算定位并将报警信息通过通用物联网、电力专用无线网络APN、VPN与远端用户监测平台进行实时对接通信。
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