CN202710690U - 一种基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测*** - Google Patents
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Abstract
一种基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，该***包括主机、若干无线传感器网络基站(节点)、若干无线泄漏电流监测传感器、若干无线电压监测传感器，所述的主机、无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器各单元通过无线网络互联协同完成避雷器泄漏电流的总电流检测、动作次数检测、谐波电流计算、阻性电流计算和告警信息的发布，其中所述的无线电压监测传感器测量电网的时基信息和电压谐波参数；所述的无线泄漏电流监测传感器测量避雷器的泄漏电流参数和避雷器的环境温、湿度；所述的无线传感器网络基站作为网络的骨干节点，将各无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器之间、无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器和主机之间联系起来；它具有低成本、低功耗、高安全性、高可靠性，实时在线、环境适应性好的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种基于无线传感器网络的避雷器泄漏电流在线监测***，属电子信息技术领域。
背景技术
电力高压避雷器是保障电网安全运行的重要设备，它主要用于将雷击电流和超限浪涌电流安全的传导到大地，限制高压线路过电压，保护其他输配电设备免遭雷击和浪涌的损害。变电站通常安装有数量众多的各种避雷器，由于避雷器工作时要承受巨大的瞬时功率，其特性通常会劣化，泄漏电流会逐步增大，当这种劣化到一定程度后就会导致避雷器故障，制造缺陷、避雷器芯棒受潮等原因也会导致泄漏电流增大甚至避雷器***的故障，另外气候、环境潮湿也会导致泄漏电流增大。泄漏电流由阻性分量和容性分量组成，一般的避雷器芯棒的阻性电流值大小表征了避雷器的质量状态，测量避雷器芯棒阻性电流的大小可以判断避雷器的质量状态，所以为了避免避雷器损坏事故，通常要定期监测避雷器的泄漏电流。
现有的方法是人工定期观查记录总泄漏电流，通过记录总泄漏电流的大小、天气情况等因素人工判决避雷器的质量状态，这需要大量的人工，并且判读的准确性取决于操作工人的技术水平和责任心，具有人为因素的决策风险，如果采用通常的工业测控网络进行在线监测，可以减少人工的投入，但有可能将雷击能量通过测控网络导入到变电站控制室，面临巨大的安全风险，所以普通工业测控网络应用在变电站避雷器泄漏电流在线监测方面是有巨大安全风险的，是不适宜的。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述存在的问题，提出一种低成本、低功耗、高安全性、高可靠，环境适应性好的基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***。
本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，该***由主机、若干无线传感器网络基站(节点)、若干无线泄漏电流监测传感器、若干无线电压监测传感器组成，所述的主机、无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器各单元通过无线网络互联协同完成避雷器泄漏电流的总电流检测、动作次数检测、谐波电流计算、阻性电流计算和告警信息的发布，其中所述的无线电压监测传感器测量电网的时基信息和电压谐波参数；所述的无线泄漏电流监测传感器测量避雷器的泄漏电流参数和避雷器的环境温、湿度；所述的无线传感器网络基站(节点)作为网络的骨干节点，将各无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器之间、无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器和主机之间联系起来；所述的主机处理无线泄漏电流监测传感器避雷器泄漏电流信息、环境温湿度信息、并融合无线电压监测传感器的电网谐波信息形成避雷器故障信息判据，根据事先确定专家故障数据库和故障判定算法产生告警信息、并向上级人、机发布这些信息。
所述的无线传感器网络基站(节点)由基站控制电路、四路射频链路、铜缆通讯界面和电源组成，其中所述基站控制电路是由MCU、存储器和晶体组成的；所述的四路射频链路是由双路短距离射频链路和双路长距离射频链路组成；所述的铜缆通讯界面用于与外部的通讯连接，铜缆通讯的RS-485串行通讯端口用于将无线网络信息传输到主机；基站控制电路通过SPI总线读写各射频收发集成电路，完成全部网络通讯的协议解析、路由算法、路由表构建和管理，并对该骨干节点下的传感器入网、离线进行管理，分配地址、频率和通讯时隙。
所述的无线泄漏电流传感器由控制电路、泄漏电流传感器、泄漏电流调理取样单元、环境温度、湿度传感器、环境能源获取单元、储能单元、供电单元、数字无线通讯模块、LCD显示单元和备用电池组成；所述的无线电压监测传感器由控制电路、电压取样调理单元、供电单元、数字无线通讯模块和备用电池组成；其中所述无线泄漏电流监测传感器中的控制电路和无线电压监测传感器中的控制电路分别是由微控制器（MCU）、存储器和晶体组成。
所述的无线泄漏电流监测传感器中的泄漏电流传感器是一种完成泄漏电流取样、并为高强度雷击电流提供安全泄放通路的微电流互感器或直接电阻取样微电流传感器；所述泄漏电流调理取样单元由一种保护整个无线泄漏电流监测传感器不被雷击损坏、调理泄漏电流到适合A/D的电压，完成A/D转换功能的保护电路、运算放大器和A/D转换电路组成；所述的环境温度、湿度传感器是由集成数字式温湿度传感器和接口电路组成，通过SPI总线与MCU交换数据；所述的环境能源获取单元由从工作环境中获取无线泄漏电流监测传感器正常工作所需的能源的泄漏电流窃取电路及保护电路或太阳能电池组成；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
所述的无线电压监测传感器中的电压取样调理单元由采集各相位的电压相位信息和电压幅值信息的标准电压互感器和A/D转换电路组成；所述的供电单元是一个多路低功耗DC/DC转换电路；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
本实用新型的无线避雷器在线监测装置是一个开放的无线传感网平台，可以有其他类型的无线传感器融合进来。
无线泄漏电流传感器通常处于休眠状态，在此期间通过太阳能供电单元积累电流到超级电容器，直到与上层路由节点协调的启动时隙后MCU自动启动，并开启泄漏电流调理取样单元，采样泄漏电流信号，通过FFT计算泄漏电流的谐波分量，并通过与无线电压监测传感器协同计算阻性电流分量，这些电流数据显示在LCD上。
无线电压监测传感器始终在监测电网电压信号，每次电压信号的过零点时刻将被标志和广播，广播的内容是无线电压监测传感器时间和最近一次过零点时刻T无线电压监测传感器＋T0。路由节点收到无线电压监测传感器的时间广播后计算本节点的延迟Tdel i，然后转发T无线电压监测传感器＋T0 +Tdel i到下一个节点。无线泄漏电流监测传感器收到时间广播后扣除本机处理时间和路由延时时间，计算出T0 与本地时间的相对时差，标定零点时刻，从而计算出阻性电流。
无线泄漏电流监测传感器的唤醒时间是与其上层路由节点（节点 或无线泄漏电流监测传感器）协调确定的时隙，在该时隙完成测量，并发送到依路由表确定的节点,节点将汇集到各传感器信息经过融合、过滤、综合后再传输给主机。
主机存储、分析这些数据，通过与事先设定的专家数据库进行匹配识别，从而判定各被测避雷器的质量状态，在避雷器发生性能劣化到危险程度时及时自动发出警报，杜绝避雷器***事故的发生。
本实用新型与现有技术相比，具有低成本、低功耗、高安全性、高可靠，环境适应性好等特点。
附图说明
图１为本实用新型的无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***方块原理图。
图2为本实用新型的无线传感器网络典型拓扑图。
图3为本实用新型的无线传感器网络基站（节点）的工作原理图。
图4为本实用新型的无线泄漏电流传感器的方块原理图。
图5为本实用新型的无线电压监测传感器的工作原理图。
具体实施方式
本实用新型主要由主机、若干无线传感器网络基站(节点)、若干无线泄漏电流监测传感器、若干无线电压监测传感器组成，所述的主机、无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器各单元通过无线网络互联协同完成避雷器泄漏电流的总电流检测、动作次数检测、谐波电流计算、阻性电流计算和告警信息的发布，其中所述的无线电压监测传感器测量电网的时基信息和电压谐波参数；所述的无线泄漏电流监测传感器测量避雷器的泄漏电流参数和避雷器的环境温、湿度；所述的无线传感器网络基站(节点)作为网络的骨干节点，将各无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器之间、无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器和主机之间联系起来；所述的主机处理无线泄漏电流监测传感器避雷器泄漏电流信息、环境温湿度信息、并融合无线电压监测传感器的电网谐波信息形成避雷器故障信息判据，根据事先确定专家故障数据库和故障判定算法产生告警信息、并向上级人、机发布这些信息。
所述的无线传感器网络基站(节点)由基站控制电路、四路射频链路、铜缆通讯界面和电源组成，其中所述基站控制电路是由MCU、存储器和晶体组成的；所述的四路射频链路是由双路短距离射频链路和双路长距离射频链路组成；所述的铜缆通讯界面用于与外部的通讯连接，铜缆通讯的RS-485串行通讯端口用于将无线网络信息传输到主机；基站控制电路通过SPI总线读写各射频收发集成电路，完成全部网络通讯的协议解析、路由算法、路由表构建和管理，并对该骨干节点下的传感器入网、离线进行管理，分配地址、频率和通讯时隙。
所述的无线泄漏电流传感器由控制电路、泄漏电流传感器、泄漏电流调理取样单元、环境温度、湿度传感器、环境能源获取单元、储能单元、供电单元、数字无线通讯模块、LCD显示单元和备用电池组成；所述的无线电压监测传感器由控制电路、电压取样调理单元、供电单元、数字无线通讯模块和备用电池组成；其中所述无线泄漏电流监测传感器中的控制电路和无线电压监测传感器中的控制电路分别是由微控制器（MCU）、存储器和晶体组成。
所述的无线泄漏电流监测传感器中的泄漏电流传感器是一种完成泄漏电流取样、并为高强度雷击电流提供安全泄放通路的微电流互感器或直接电阻取样微电流传感器；所述泄漏电流调理取样单元由一种保护整个无线泄漏电流监测传感器不被雷击损坏、调理泄漏电流到适合A/D的电压，完成A/D转换功能的保护电路、运算放大器和A/D转换电路组成；所述的环境温度、湿度传感器是由集成数字式温湿度传感器和接口电路组成，通过SPI总线与MCU交换数据；所述的环境能源获取单元由从工作环境中获取无线泄漏电流监测传感器正常工作所需的能源的泄漏电流窃取电路及保护电路或太阳能电池组成；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
所述的无线电压监测传感器中的电压取样调理单元由采集各相位的电压相位信息和电压幅值信息的标准电压互感器和A/D转换电路组成；所述的供电单元是一个多路低功耗DC/DC转换电路；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
下面将结合附图对本实用新型作更详细的介绍：
如图１所示：整套装置由主机1（PC计算机）、若干无线传感器网络基站2(节点)、若干无线泄漏电流监测传感器3、若干无线电压监测传感器4等组成。
图2中，无线泄漏电流传感器简称为I，无线电压监测传感器简称为P。
图3所示，无线传感器网络基站(节点)由基站控制电路、四路射频链路、铜缆通讯界面和电源等组成。
上述基站控制电路是由MCU、存储器和晶体组成的。
上述四路射频链路是由双路短距离射频链路（射频收发集成电路、晶体振荡器、天线）和双路长距离射频链路（射频收发集成电路、晶体振荡器、天线组成）。双路射频电路构成分集收发信机以提高抗衰落、抗多径性能，同时也互为备份提高可靠性。短距离链路射频电路用于与无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器等传感器构成前端短距离无线星形链路（百m级链路），长距离射频链路用于基站(节点)间构成骨干网的长距离无线网状链路（Km级链路）。
上述铜缆通讯界面有一下某种或全部通讯接口： RS485总线。
上述电源由太阳能电池、超级电容储能电路、后备电池、宽外部供电接口（7～24Vdc）、DC/DC稳压电路等组成。
控制电路通过SPI总线读写各射频收发集成电路，完成全部网络通讯的协议解析、路由算法、路由表构建和管理，并对该骨干节点下的传感器入网、离线进行管理，分配地址、频率和通讯时隙。
基站还有与外部通讯的铜缆界面，铜缆通讯的RS-485串行通讯端口用于将无线网络信息传输到主机。
如图4所示无线泄漏电流传感器由控制电路40、泄漏电流传感器41、泄漏电流调理电路42、环境温度、湿度传感器43、环境能源获取单元44、储能单元45、供电单元46、无线数字通讯模块47、LCD显示单元48和备用电池49组成。
上述无线泄漏电流监测传感器中的控制电路是由微控制器（MCU）、存储器和晶体等组成的。
上述无线泄漏电流监测传感器中的泄漏电流传感器可以是微电流互感器或直接电阻取样微电流传感器，其功能是完成泄漏电流取样、并为高强度雷击电流提供安全泄放通路。
上述无线泄漏电流监测传感器中的泄漏电流调理取样单元由保护电路、运算放大器和A/D转换电路（可集成在MPU中）等组成，其功能是保护整个无线泄漏电流监测传感器不被雷击损坏、调理泄漏电流到适合A/D的电压，完成A/D转换功能。
上述无线泄漏电流监测传感器中的环境温度、湿度传感器是由集成数字式温湿度传感器和接口电路组成，通过SPI总线与MCU交换数据，其功能是监测环境温湿度，为***提供避雷器工作环境温湿度数据，从而为故障诊断提供数据支持。
上述无线泄漏电流监测传感器中的环境能源获取单元由泄漏电流窃取电路及保护电路或太阳能电池组成，其功能是从工作环境中获取无线泄漏电流监测传感器正常工作所需的能源。
上述无线泄漏电流监测传感器中的储能单元是由者超级电容或可充电电池和充电电路组成，其功能是储存环境能源获取单元收集的能源。
上述无线泄漏电流监测传感器中的供电单元是一个多路低功耗DC/DC转换电路，其功能是高效率的将储能单元或备用电池的能源转换成各单元合适的电压，以保证无线泄漏电流监测传感器正常工作。
上述无线泄漏电流监测传感器中的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
上述无线泄漏电流监测传感器中的LCD显示单元是一个汉字显示屏，其显示的主要内容是：避雷器动作次数、总电流、阻性电流和3次谐波电流。
上述无线泄漏电流监测传感器中的备用电池是采用锂亚电池。
如图5所示无线电压监测传感器由控制电路51、电压取样调理单元52、供电单元53、无线数字通讯模块54和备用电池55组成。
上述无线电压监测传感器中的控制电路是由微控制器（MCU）、存储器和晶体等组成的。
上述无线电压监测传感器中的电压取样调理单元由标准电压互感器和A/D转换电路（可集成在MCU中）等组成，其功能是采集各相位的电压相位信息和电压幅值信息。
上述无线电压监测传感器中的供电单元是一个多路低功耗DC/DC转换电路，其功能是高效率的将储能单元或备用电池的能源转换成各单元合适的电压，以保证无线电压监测传感器正常工作。
上述无线电压监测传感器中的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
上述无线泄漏电流监测传感器中的备用电池是采用锂亚电池。
实施例：
主机：主机由计算机和主控软件组成，主控软件是一个无线传感网软件平台，该平台主要具备以下功能：多种无线传感器及传感器网络的维护、参数设定、应用对象的实体设备和虚拟设备的管理、无线传感器监测数据的运算和存储、被测设备状态评估和自动告警、人机对话界面和告警信息的发布。
数据传输基站：由微控制器（MCU）、节点控制软件、双通道数字无线通讯模块、RS-485通讯接口、大容量FLASH、电源组成。
节点主要完成无线传感器到主机的通讯汇集功能和信息融合功能。节点与无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器等传感器构成星状网络，节点之间可以通过数字无线通讯构成长距离网状网，然后由其中的至少一个节点通过有线方式与主机互联。
无线泄漏电流传感器：无线泄漏电流传感器：由控制电路、泄漏电流调理取样单元、环境温度、湿度传感器、供电单元、数字无线通讯模块、LCD显示单元和备用电池组成。
无线泄漏电流监测传感器的主要功能是测量避雷器的泄漏电流，并通过FFT计算出泄漏电流的各谐波分量和总电流，与无线电压监测传感器协同计算泄漏电流的阻性分量和容性分量。
无线泄漏电流监测传感器还是超低功耗的，它通过太阳能为自身供电，从而实现长期在线监测而无需担心电池寿命。
可选的LCD显示单元完成人机交互，实时显示所测得的总泄漏电流、泄漏电流基波分量、泄漏电流3次谐波分量和阻性电流。
无线电压监测传感器：由控制电路、电压互感器（PT）电压调理取样单元、PT窃取供电单元、数字无线通讯模块和备用电池组成。无线电压监测传感器的主要功能是测量电网的电压和相位，并通过FFT计算出电网电压中的各谐波分量，为无线泄漏电流监测传感器提供电压相位信息从而协同计算出泄漏电流的阻性分量。
装置工作原理是：
本实用新型的无线避雷器在线监测装置是一个开放的无线传感网平台，可以有其他类型的无线传感器融合进来。
无线泄漏电流传感器通常处于休眠状态，在此期间通过太阳能供电单元积累电流到超级电容器，直到与上层路由节点协调的启动时隙后MCU自动启动，并开启泄漏电流调理取样单元，采样泄漏电流信号，通过FFT计算泄漏电流的谐波分量，并通过与无线电压监测传感器协同计算阻性电流分量，这些电流数据显示在LCD上。
无线电压监测传感器始终在监测电网电压信号，每次电压信号的过零点时刻将被标志和广播，广播的内容是无线电压监测传感器时间和最近一次过零点时刻T无线电压监测传感器＋T0。路由节点收到无线电压监测传感器的时间广播后计算本节点的延迟Tdel i，然后转发T无线电压监测传感器＋T0 +Tdel i到下一个节点。无线泄漏电流监测传感器收到时间广播后扣除本机处理时间和路由延时时间，计算出T0 与本地时间的相对时差，标定零点时刻，从而计算出阻性电流。
无线泄漏电流监测传感器的唤醒时间是与其上层路由节点（节点 或无线泄漏电流监测传感器）协调确定的时隙，在该时隙完成测量，并发送到依路由表确定的节点,节点将汇集到各传感器信息经过融合、过滤、综合后再传输给主机。
主机存储、分析这些数据，通过与事先设定的专家数据库进行匹配识别，从而判定各被测避雷器的质量状态，在避雷器发生性能劣化到危险程度时及时自动发出警报，杜绝避雷器***事故的发生。
Claims (5)
1.一种基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，该***包括主机、若干无线传感器网络基站、若干无线泄漏电流监测传感器、若干无线电压监测传感器，其特征在于主机、无线泄漏电流监测传感器、无线电压监测传感器各单元通过无线网络互联协同完成避雷器泄漏电流的总电流检测、动作次数检测、谐波电流计算、阻性电流计算和告警信息的发布，其中所述的无线电压监测传感器测量电网的时基信息和电压谐波参数；所述的无线泄漏电流监测传感器测量避雷器的泄漏电流参数和避雷器的环境温、湿度；所述的无线传感器网络基站作为网络的骨干节点，将各无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器之间、无线电压监测传感器、无线泄漏电流监测传感器和主机之间联系起来；所述的主机处理无线泄漏电流监测传感器避雷器泄漏电流信息、环境温湿度信息、并融合无线电压监测传感器的电网谐波信息形成避雷器故障信息判据。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，其特征在于所述的无线传感器网络基站由基站控制电路、四路射频链路、铜缆通讯界面和电源组成，其中所述基站控制电路是由微控制器MCU、存储器和晶体组成的；所述的四路射频链路是由双路短距离射频链路和双路长距离射频链路组成；所述的铜缆通讯界面用于与外部的通讯连接，铜缆通讯的RS-485串行通讯端口用于将无线网络信息传输到主机；基站控制电路通过SPI总线读写各射频收发集成电路，完成全部网络通讯的协议解析、路由算法、路由表构建和管理，并对该骨干节点下的传感器入网、离线进行管理，分配地址、频率和通讯时隙。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，其特征在于所述的无线泄漏电流监测传感器由控制电路、泄漏电流传感器、泄漏电流调理取样单元、环境温度、湿度传感器、环境能源获取单元、储能单元、供电单元、数字无线通讯模块、LCD显示单元和备用电池组成；所述的无线电压监测传感器由控制电路、电压取样调理单元、供电单元、数字无线通讯模块和备用电池组成；其中所述无线泄漏电流监测传感器中的控制电路和无线电压监测传感器中的控制电路分别是由微控制器MCU、存储器和晶体组成。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，其特征在于所述的无线泄漏电流监测传感器中的泄漏电流传感器是一种完成泄漏电流取样、并为高强度雷击电流提供安全泄放通路的微电流互感器或直接电阻取样微电流传感器；所述泄漏电流调理取样单元由一种保护整个无线泄漏电流监测传感器不被雷击损坏、调理泄漏电流到适合A/D的电压，完成A/D转换功能的保护电路、运算放大器和A/D转换电路组成；所述的环境温度、湿度传感器是由集成数字式温湿度传感器和接口电路组成，通过SPI总线与MCU交换数据；所述的环境能源获取单元由从工作环境中获取无线泄漏电流监测传感器正常工作所需的能源的泄漏电流窃取电路及保护电路或太阳能电池组成；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
5.根据权利要求3所述的基于无线传感网的避雷器泄漏电流在线监测***，其特征在于所述的无线电压监测传感器中的电压取样调理单元由采集各相位的电压相位信息和电压幅值信息的标准电压互感器和A/D转换电路组成；所述的供电单元是一个多路低功耗DC/DC转换电路；所述的数字无线通讯模块是由双路短距离射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成，CPU通过SPI总线读写2.4GHZ射频收发集成电路。
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