一种配电网线路PMU装置的制作方法

本发明属于电力系统及其自动化领域，特别涉及一种配电网线路PMU装置。

背景技术：

随着新能源技术的不断发展和电力需求的日益增加，建设坚强的智能电网成为未来的发展方向。其中，电网的广域监测与控制技术在电网安全运行中承担着重要的角色。中国配电网线路规模大、所处环境复杂、故障率高，开发分布式广域监测装置，实现对配电网运行状态的广域监测对配电网高效经济运行意义重大。

目前，以同步相量测量单元（PMU）为核心测量装置的广域测量系统（WAMS）日趋成熟。现有主网PMU在性能指标、功能等方面和国外产品相比并不逊色，但配电网PMU仍存在一些问题。随着分布式新能源的大面积接入和配电网规模的不断壮大，配电网对主网安全性的影响愈发显著。PMU装置在配电网的应用面临如下问题：相比于主网，配电网线路覆盖范围广、分支众多、运行环境复杂、负荷变化大、建设水平滞后。配电网线路量大、面广、线长，需要低成本、易带电安装的检测装置。文献《轻型广域测量系统及其在中国的应用》提出了轻型WAMS和轻型PMU的概念，但目前仍处于实验室阶段，且并未对高精度装置的开发作相关阐述。文献《配电网信息共享与同步相量测量应用技术评述》所研发的FNET监测系统，能通过低压侧的测量信息监视并辨识高压侧大电网的动态过程，但其主要监测量为频率和相位参数。现有加装全球定位系统(GPS)的故障定位装置符合配电网轻型WAMS的要求，但其功能存在缺陷，无法实现电压的准确测量。国外学者所开发的μPMU定义了配电网PMU的功能及工作模式，配电网PMU能够实现相量测量、同步采样和远程通信，但因安装条件所限，数据处理及分析需在后台进行。μPMU的相量测量精度高，具备电能质量的检测功能，装置主要用于变电站、用户等主节点，但其无法在线路上沿线安装。

因此设计一种适用于配电网线路的小型化、低成本PMU装置，以适应大面积分布式安装的要求，为新型配电网线路PCB的研制寻找新的解决方案十分必要，对于未来电网的智能化发展具有重要意义。

技术实现要素：

所述配电网PMU装置直接安装在配电网线路上，每组PMU装置由三相终端构成，其中Ａ相为协调器，三相终端之间通过ZigBee实现数据交互。协调器与后台通过GPRS/CDMA/3G（通用分组无线业务/码分多址/第3代移动通信技术)通信。各个装置通过GPS/Beidou实现分布式同步采样。

所述配电网PMU装置，主要由供电模块、电压传感模块、电流传感模块和主控通信模块构成。供电模块主要从配电网线路上获取能量，为装置供电；电压、电流传感器分别采集导线电压和电流；主控通信模块实现电压、电流信号的同步采集存储及传输功能。

所述配电网PMU装置中的感应取电模块主要利用电流互感器原理，将线路电流转化为功率并输出。考虑PMU装置需长时间悬挂于架空线路，装置整体重量应不超过1.5kg，设计磁芯重量不超过500g。线路电流在正常情况下大于10A，PMU整体最低功耗约为300MW。综上所述，取电磁芯应具有300MW/10A/500g的功率密度，能保证装置的稳定供电。微晶合金密度小且初始磁导率大，小电流情况下输出功率较高，符合配电网线路的实际要求，因此选用微晶合金作为磁芯材料。取电模块功率估算公式如下：

式中：μ为磁芯磁导率；I_μ为励磁电流；S为磁芯截面积；l为磁路长度，可由磁芯尺寸计算得出；I₁为原边电流取10A；N₂＇为匝数；Vmin为后级稳压芯片最低工作电压取9V；Pmin为最低输出功率，考虑磁芯输出效率和功耗要求，取Pmin为0.55W。根据上式计算，最终选取磁芯的尺寸为内径55mm，外径85mm，度30mm，匝数200，满足装置要求。

因配电网线路负荷波动较大，在波谷时段线路电流较低，为维持PMU装置的不间断运行，设计锂电池模块作为后备电源。另设计保护电路，防止故障时电流骤升损害装置。

所述配电网PMU装置中的电流传感器，将PCB式罗氏线圈作为测量元件, 具有低成本、重量轻、走线方式灵活等优点，能够解决垂直方向磁场干扰和开启式结构等问题。罗氏线圈传统添加单根回线存在回线半径和顺绕半径不严格相等的问题，差分线比单根传输线在传输信号方面具有抗干扰能力强、有效抑制电磁干扰（EMI）、时序定位准确等优点，在PCB设计中被广泛使用。因此采用差分绕线的设计方案，用两根信号线双绞，一根视为顺绕，另一根为回绕，使得顺绕和回绕等效半径严格相等，达到消除干扰的目的。同时为了满足装置带电安装的要求，本文的PCB式罗氏线圈为双半环闭合成整圈结构设计，以方便装置的闭合与开启。线匝连接设计采用多排过孔方式。本发明设计的PCB式罗氏线圈实物参数如下：骨架内半径24.0mm，骨架外半径39.0mm，匝数232，厚度3.0mm。

所述配电网PMU装置中的电压传感器，将其核心部件分压电容C直接焊于PCB上，高压线路通过PMU装置上的金属线夹直接与C的上极板相连，通过测量C上的电压波形便可推算出导线上电压。C上电压信号引出后通过后续调理电路由CPU采样转化成数字信号，再经CPU处理后交由通信模块无线传输至系统后台。

所述配电网PMU装置中的通信模块主要包括相间短距离通信和远距离通信，A相作为协调器，每相数据由ZigBee模块汇总至Ａ相，再由A相上配备的GPRS模块将数据打包传输至主站。本文采用的ZigBee相间通信模块主要负责将BC两相数据传至A相，A相上配备的远距离通信模块通过全球移动通信系统（GSM）网络使用GPRS将数据传输至后台，主要负责后台与安装节点的数据交换。相间通信和远距离通信相结合的方式能够满足装置成本和功耗的要求。

附图说明

图1是所述配电网线路PMU装置工作模式示意图。

图2是所述配电网线路PMU装置模块框图。

图3是所述感应取电模块结构示意图。

图4是所述双半环PCB式罗氏线圈线匝连接设计示意图。

图5是所述电压互感器空间电容分压测量等效电路。

具体实施方式

本发明提供了一种配电网线路PMU装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为所述配电网线路PMU装置工作模式示意图。配电网PMU装置直接安装在配电网线路上，每组PMU装置由三相终端构成，其中Ａ相为协调器，三相终端之间通过ZigBee实现数据交互。协调器与后台通过GPRS/CDMA/3G（通用分组无线业务/码分多址/第3代移动通信技术)通信。各个装置通过GPS/Beidou实现分布式同步采样。

图2所示为所述配电网线路PMU装置模块框图。各模块架构如图2所示，主要由供电模块、电压传感模块、电流传感模块和主控通信模块构成。供电模块主要从配电网线路上获取能量，为装置供电；电压、电流传感器分别采集导线电压和电流；主控通信模块实现电压、电流信号的同步采集存储及传输功能。

图3为所述感应取电模块结构示意图。感应取电模块主要利用电流互感器原理，将线路电流转化为功率并输出。如图3所示，取能磁芯套装于线路上，经过功率控制及过压保护模块后整流、滤波，输送到第1级DC/DC转换器转换为5V输出。在供电管理模块控制下，5V输出可经第2级DC/DC转换器转换为3.3V输出供给负载。在取能充足时，5V输出可通过充电管理模块为锂电池充电作为后备电源。

图4为所述双半环PCB式罗氏线圈线匝连接设计示意图。电流传感器的测量元件是罗氏线圈，测量原理为：通有待测电流的导体从线圈中心垂直穿过，待测电流的变化反映在其产生的磁场变化上，罗氏线圈从磁通的变化中感应出电压信号，从中可以还原出待测电流信号。本线圈线匝连接方式采用差分绕线的设计方案，用两根信号线双绞，一根视为顺绕，另一根为回绕，使得顺绕和回绕等效半径严格相等，达到消除干扰的目的。同时为了满足装置带电安装的要求，本发明所采用的PCB式罗氏线圈为双半环闭合成整圈结构设计，以方便装置的闭合与开启。线匝连接设计采用多排过孔方式。

在每个半圈内，将同一根导线对折成两股在单个半环内同向绕制，两根差分线紧密双绞，流经电流方向相反，所产生的耦合磁通大小相等、方向相反，以抵消垂直方向产生的共模干扰信号。当双半环闭合成整线圈时，把两个半环上的回绕出线短接（如图中X-X＇），顺绕出线组合成输出端（如图中Y-Y＇），采集效果和整个线圈相同。

图5为所述电压互感器空间电容分压测量等效电路。电压传感器采用空间电容分压的原理测量

导线对地相电压，其核心部件是将一个分压电容置于导线和大地之间，对线路相电压进行串联分压，电容上下极板与导线和大地之间存在杂散电容，形成如图5所示的等效电路。图中：节点1和2分别为分压电容的两极；C为分压电容值，可以人为选取；C_l1和C_l2为两极板到高压导线的电容，C_g1和C_g2为两极板到大地的电容。根据图5中电流与电压的关系以及基尔霍夫电流定律，令△U=V₁-V₂，可求得电容上的电压与导线电压之比为：

式中：C_l1、C_l2、C_g1、C_g2一般数量级为几皮法到几十皮法；分压电容的电容值C可以人为选取大几个数量级，因此有：

当分压电容选定完毕，并且选取合适的安装条件使得C₀不变，则传感器可以获得稳定的分压比，可通过测量分压电容上的电压推算出线路电压。