CN114062835B - 激光供电的gil击穿故障定位***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光供电的GIL击穿故障定位***，它包括激光供能单元、超声波传感器阵列、故障定位监测IED阵列和后台监测单元；所述激光供能单元包括激光供电基站、激光供电能量接收模块和供电管控模块。本发明中激光供电通过激光的形式以光纤传输能量，实现了高、低电位间的隔离，具有良好的安全性，保证了故障定位结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电工检测技术领域，具体地指一种激光供电的GIL击穿故障定位***及方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission lines，GIL)是一种采用压缩的绝缘气体(如SF6、N2等)，外壳与导体同轴布置的输电设备，具有高电压、大电流、布置灵活、稳定运行、与环境相互影响小等优点，在电力***中广泛应用。
GIL采用全密封设计，且气室大、管道长，若在运行过程中发生电弧击穿故障，需要快速准确定位故障位置，及时修复，否则将严重影响整条输电线路的稳定输电，对电力***造成巨大影响。
在GIL电弧故障时，会产生电流脉冲，使得故障区域的介质疏密瞬间发生变化，从而形成超声波脉冲。现有的GIL故障监测手段基本是通过在GIL外壳上安装监测传感器，通过监测传感器检测到超声波信号，并通过相关定位方法对超声波源位置进行定位，从而达到故障定位的目的。
为保证监测的准确性，需要在GIL管道上布置较多的监测装置，而GIL所处电压等级都比较高，电磁环境复杂，会严重干扰某些监测设备的电能供给，也极易造成电力设备的安全隐患，导致重要的检测手段必须停电使用，无法做到实时在线监测。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种激光供电的GIL击穿故障定位***及方法，本发明安全可靠，抗干扰能力强，且能进行GIL的实时在线监测。
为实现此目的，本发明所设计的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：它包括激光供能单元、超声波传感器阵列、故障定位监测IED(智能电子装置，IntelligentElectronic Device)阵列和后台监测单元；
所述激光供能单元包括激光供电基站、激光供电能量接收模块和供电管控模块，激光供电基站用于将电网低压侧的电能转换为光纤传输的激光能，并将激光能通过能量光纤传输至激光供电能量接收模块，所述激光供电能量接收模块用于将激光能转换为电能，供电管控模块用于将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压，同时能监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列的用电量，供电管控模块还用于将蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列的用电量监测数据传输给激光供电能量接收模块，使激光供电能量接收模块进行输出电能的功率自适应调节；同时激光供电能量接收模块中的通信模块将工作参数与监测数据传输给激光供电基站，使激光供电基站根据工作状态，进一步调节电网低压侧输出电流。
所述超声波传感器阵列包括安装在气体绝缘金属封闭输电线路上的多个超声波传感器，各个超声波传感器用于分别对气体绝缘金属封闭输电线路各段进行超声波感应，并将感应到的气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征信号传输给故障定位监测IED阵列；
所述故障定位监测IED阵列包括与多个超声波传感器对应的多个故障定位监测IED，各个故障定位监测IED用于将对应超声波传感器输出的超声波特征信号依次进行滤波和电光转换形成气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号；
所述后台监测单元用于提取气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号的幅值、波形和频率，并判断气体绝缘金属封闭输电线路各段是否发生击穿故障。
本发明的有益效果有：
(1)本发明中激光供电通过激光的形式以光纤传输能量，实现了高、低电位间的隔离，具有良好的安全性，保证了故障定位结果的可靠性，同时稳定可靠的供电使得本发明能进行GIL的实时在线监测；
(2)本发明由于光纤柔性的特质，光纤激光供电***具有较强的环境适应性，体积小走线方便，且传能光纤损耗低适合长距离传输；
(3)本发明供能用激光器采用波长为808nm的双异质结半导体激光器，可输出高功率激光，高功率激光通过光纤输出激光的方式，传输功率损耗小，同时光纤传输利用了光纤的绝缘特性，起到隔离供能的作用，可以避免GIL高压侧附近的电磁干扰的影响；
(4)本发明高、低压分离，可在低压侧监控供电状态，及时维护。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中激光供能单元的原理框图；
其中，1—激光供能单元、11—激光供电基站、111—控制单元、112—供能用激光器、113—第一光纤通信模块、12—激光供电能量接收模块、121—第一功率光伏转换模块、122—第二功率光伏转换模块、123—储能模块、124—MPPT控制模块、125—第一DC/DC升压模块、126—第二DC/DC升压模块、127—控制单元、128—第二光纤通信模块、13—供电管控模块、131—电压调整模块、132—蓄电池、133—电量监测模块、134—第三光纤通信模块、2—超声波传感器阵列、3—故障定位监测IED阵列、4—后台监测单元、41—数据存储单元、42—数据显示单元、43—数据分析单元、44—击穿信号定位单元、45—告警单元。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示的激光供电的GIL击穿故障定位***，它包括激光供能单元1、超声波传感器阵列2、故障定位监测IED阵列3和后台监测单元4；
所述激光供能单元1包括激光供电基站11、激光供电能量接收模块12和供电管控模块13，所述激光供电基站11位于低电压侧站控室，激光供电能量接收单元12置于高电位超声波传感器端(高压侧设备支架上)，激光供电基站11用于将电网低压侧的电能转换为光纤传输的激光能，并将激光能通过能量光纤传输至激光供电能量接收模块12，所述激光供电能量接收模块12用于将激光能转换为电能，供电管控模块13用于将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压，同时能监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列3的用电量，供电管控模块13还用于将蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列3的用电量监测数据传输给激光供电能量接收模块12，使激光供电能量接收模块12进行输出电能的功率调节；
所述超声波传感器阵列2包括安装在气体绝缘金属封闭输电线路上的多个超声波传感器，各个超声波传感器用于分别对气体绝缘金属封闭输电线路各段进行超声波感应，并将感应到的气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征信号传输给故障定位监测IED阵列3；
所述故障定位监测IED阵列3包括与多个超声波传感器对应的多个故障定位监测IED，各个故障定位监测IED用于将对应超声波传感器输出的超声波特征信号依次进行滤波、放大、采集和电光转换形成气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号，滤波用于过滤掉干扰噪声，进行滤波放大采集后，得到信噪比比较好的信号；
所述后台监测单元4用于提取气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号的幅值、波形和频率，并根据电弧故障波形图谱判断气体绝缘金属封闭输电线路各段是否发生击穿故障，再采用信号到达时间差的计算方法对故障点进行准确定位。
上述技术方案中，所述激光供电基站11包括控制单元111、供能用激光器112和第一光纤通信模块113，所述控制单元111用于根据站控室后台监控站的控制指令控制供能用激光器112的工作状态，供能用激光器112用于将电能以激光的形式通过能量光纤发送到激光供电能量接收模块12，第一光纤通信模块113用于接收激光供电能量接收模块12的工作状态信息，并将其发送给站控室后台监控站，用于运维人员对激光供电***的工作状态进行监测；
上述技术方案中，所述激光供电能量接收模块12包括第一功率光伏转换模块121和MPPT控制模块124，所述第一功率光伏转换模块121用于接收供能用激光器112发射的激光，并将其转换为直流电，额定输出电压24V，通过所述MPPT(Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪)控制模块124实现5V电压的直流电稳定输出。所述MPPT控制模块124控制所述光伏转换模块工作在最大功率点附近，保证光电能量转换效率。
上述技术方案中，所述激光供电能量接收模块12还包括第二功率光伏转换模块122和第一DC/DC(直流/直流)升压模块125，所述第二功率光伏转换模块122用于接收供能用激光器112发射的激光，并将其转换为直流电，额定输出电压6.5V，通过所述第一DC/DC升压模块125将直流电压调整到5V输出。
上述技术方案中，所述激光供电能量接收模块12还包括储能模块123和第二DC/DC升压模块126，储能模块123用于采集第一功率光伏转换模块121散发的热量，通过温差实现直流发电，并由第二DC/DC升压模块126将直流电压调整到5V输出。
上述技术方案中，所述激光供电能量接收模块12还包括控制单元127，控制单元127用于在第一功率光伏转换模块121、第二功率光伏转换模块122和储能模块123这三种能源转换方式中进行选择切换，并实现所述三种能源转换方式的功率调节。在正常情况下，主要通过所述第一功率光伏转换模块121输出电能量，如果所述第一功率光伏转换模块121达到极限，启动所述第二功率光伏转换模块122作为能量的补充，提高***输出功率。进一步，当外界负载需要的功耗突然增加时，此时将所述储能模块123接入电路中，短时间内作为能源，直至光伏转换模块的功率提高，从而实现稳定供电。能源管理方面，采用MOS管作为切换开关，由所述控制单元127控制。
上述技术方案中，所述激光供电能量接收模块12还包括第二光纤通信模块128，第二光纤通信模块128用于将三种能源转换方式的切换信息和功率调节信息通过第一光纤通信模块113发送给站控室后台监控站。
上述技术方案中，所述供电管控模块13包括电压调整模块131、蓄电池132和电量监测模块133，所述电压调整模块131用于将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压给蓄电池132充电，同时具备限流能力，避免电流过大影响所述蓄电池132的使用寿命，电量监测模块133用于监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列3的用电量，蓄电池132用于给故障定位监测IED阵列3供电。
上述技术方案中，它还包括第三光纤通信模块134，第三光纤通信模块134用于传输蓄电池电压和故障定位监测IED阵列3的用电量监测数据给激光供电能量接收模块12的第二光纤通信模块128，通过控制单元127控制三种能源转换方式的切换，实现三种能源转换方式的功率调节，保障故障定位监测IED阵列3的持续供电。
上述技术方案中，所述超声波传感器采用压电陶瓷传感器，用于采集GIL击穿故障产生的超声波特征信号，检测频段为20～200kHz,中心频率为40～150kHz，通过专用弹性座固定在GIL壳体上。所述超声波传感器布置在GIL每两个标准节位置处。
所述故障定位监测IED固定在GIL安装支架上，将所述超声波特征信号通过滤波、放大、采集、电光转换后通过光纤将信号传输至所述后台监测***4。
所述超声波传感器与所述故障定位监测IED之间通过屏蔽电缆相连，所述故障定位监测IED之间通过光纤相连，所述故障定位监测IED与所述后台监测***通过光纤相连。所述故障定位监测IED阵列2通过对所述超声波传感器阵列1传输的超声波信号进行采集监测，并将采集信号传输至所述后台监测***4进行分析定位。
所述后台监测***4包括数据存储单元41、数据显示单元42、数据分析单元43、击穿信号定位单元44和告警单元45。所述数据存储单元41用于接收所述故障定位监测IED阵列31输出的超声波光纤信号，所述数据显示单元42用于显示GIL超声波信号的实时数据以及历史数据，所述数据分析单元43用于分析GIL超声波信号并提取超声波信号幅值、波形、频率等有效数据，并判断GIL是否发生击穿故障。所述击穿信号定位单元44通过发生故障的所述故障定位监测IED31位置对GIL击穿故障进行精确定位。所述告警单元45用于在GIL发生击穿故障是发出警报，提醒运维人员注意GIL工作状态。
一种激光供电的GIL击穿故障定位方法，它包括如下步骤：
步骤1：各个超声波传感器分别对气体绝缘金属封闭输电线路各段进行超声波感应，并将感应到的气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征信号传输给故障定位监测IED阵列3；
步骤2：各个故障定位监测IED将对应超声波传感器输出的超声波特征信号依次进行滤波和电光转换形成气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号；
激光供电基站11将电网低压侧的电能转换为光纤传输的激光能，并将激光能通过能量光纤传输至激光供电能量接收模块12，激光供电能量接收模块12将激光能转换为电能，供电管控模块13将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压，同时能监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列3的用电量，供电管控模块13将蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列3的用电量监测数据传输给激光供电能量接收模块12，使激光供电能量接收模块12进行输出电能的功率自适应调节；
步骤3：后台监测单元4提取气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号的幅值、波形和频率，并根据电弧故障波形图谱判断气体绝缘金属封闭输电线路各段是否发生击穿故障。击穿信号定位单元通过发生击穿故障的所述故障监测IED位置对GIL击穿故障进行定位，告警单元在GIL发生击穿故障是发出警报，提醒运维人员注意GIL工作状态。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：它包括激光供能单元(1)、超声波传感器阵列(2)、故障定位监测IED阵列(3)和后台监测单元(4)；
所述激光供能单元(1)包括激光供电基站(11)、激光供电能量接收模块(12)和供电管控模块(13)，激光供电基站(11)用于将电网低压侧的电能转换为光纤传输的激光能，并将激光能通过能量光纤传输至激光供电能量接收模块(12)，所述激光供电能量接收模块(12)用于将激光能转换为电能，供电管控模块(13)用于将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压，同时能监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列(3)的用电量，供电管控模块(13)还用于将蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列(3)的用电量监测数据传输给激光供电能量接收模块(12)，使激光供电能量接收模块(12)进行输出电能的功率调节；
所述超声波传感器阵列(2)包括安装在气体绝缘金属封闭输电线路上的多个超声波传感器，各个超声波传感器用于分别对气体绝缘金属封闭输电线路各段进行超声波感应，并将感应到的气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征信号传输给故障定位监测IED阵列(3)；
所述故障定位监测IED阵列(3)包括与多个超声波传感器对应的多个故障定位监测IED，各个故障定位监测IED用于将对应超声波传感器输出的超声波特征信号依次进行滤波和电光转换形成气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号；
所述后台监测单元(4)用于提取气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号的幅值、波形和频率，并判断气体绝缘金属封闭输电线路各段是否发生击穿故障。
2.根据权利要求1所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电基站(11)包括第一控制单元(111)、供能用激光器(112)和第一光纤通信模块(113)，所述第一控制单元(111)用于根据站控室后台监控站的控制指令控制供能用激光器(112)的工作状态，供能用激光器(112)用于将电能以激光的形式通过能量光纤发送到激光供电能量接收模块(12)，第一光纤通信模块(113)用于接收激光供电能量接收模块(12)的工作状态信息，并将其发送给站控室后台监控站。
3.根据权利要求1所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电能量接收模块(12)包括第一功率光伏转换模块(121)和MPPT控制模块(124)，所述第一功率光伏转换模块(121)用于接收供能用激光器(112)发射的激光，并将其转换为直流电，通过所述MPPT控制模块(124)实现5V电压的直流电稳定输出。
4.根据权利要求1所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电能量接收模块(12)还包括第二功率光伏转换模块(122)和第一DC/DC升压模块(125)，所述第二功率光伏转换模块(122)用于接收供能用激光器(112)发射的激光，并将其转换为直流电，通过所述第一DC/DC升压模块(125)将直流电压调整到5V输出。
5.根据权利要求4所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电能量接收模块(12)还包括储能模块(123)和第二DC/DC升压模块(126)，储能模块(123)用于采集第一功率光伏转换模块(121)散发的热量，通过温差实现直流发电，并由第二DC/DC升压模块(126)将直流电压调整到5V输出。
6.根据权利要求5所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电能量接收模块(12)还包括第二控制单元(127)，第二控制单元(127)用于在第一功率光伏转换模块(121)、第二功率光伏转换模块(122)和储能模块(123)这三种能源转换方式中进行选择切换，并实现所述三种能源转换方式的功率调节。
7.根据权利要求6所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述激光供电能量接收模块(12)还包括第二光纤通信模块(128)，第二光纤通信模块(128)用于将三种能源转换方式的切换信息和功率调节信息通过第一光纤通信模块(113)发送给站控室后台监控站。
8.根据权利要求7所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：所述供电管控模块(13)包括电压调整模块(131)、蓄电池(132)和电量监测模块(133)，所述电压调整模块(131)用于将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压给蓄电池(132)充电，电量监测模块(133)用于监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列(3)的用电量，蓄电池(132)用于给故障定位监测IED阵列(3)供电。
9.根据权利要求8所述的激光供电的GIL击穿故障定位***，其特征在于：它还包括第三光纤通信模块(134)，第三光纤通信模块(134)用于传输蓄电池电压和故障定位监测IED阵列(3)的用电量监测数据给激光供电能量接收模块(12)的第二光纤通信模块(128)，通过第二控制单元(127)控制三种能源转换方式的切换，实现三种能源转换方式的功率调节。
10.一种基于权利要求1所述***的激光供电的GIL击穿故障定位方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：各个超声波传感器分别对气体绝缘金属封闭输电线路各段进行超声波感应，并将感应到的气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征信号传输给故障定位监测IED阵列(3)；
步骤2：各个故障定位监测IED将对应超声波传感器输出的超声波特征信号依次进行滤波和电光转换形成气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号；
激光供电基站(11)将电网低压侧的电能转换为光纤传输的激光能，并将激光能通过能量光纤传输至激光供电能量接收模块(12)，激光供电能量接收模块(12)将激光能转换为电能，供电管控模块(13)将所述电能的电压调整为蓄电池充电电压，同时能监测蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列(3)的用电量，供电管控模块(13)将蓄电池电压以及故障定位监测IED阵列(3)的用电量监测数据传输给激光供电能量接收模块(12)，使激光供电能量接收模块(12)进行输出电能的功率调节；
步骤3：后台监测单元(4)提取气体绝缘金属封闭输电线路各段的超声波特征光信号的幅值、波形和频率，并判断气体绝缘金属封闭输电线路各段是否发生击穿故障。
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- 2021-10-11 CN CN202111181942.0A patent/CN114062835B/zh active Active
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Also Published As
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