高压输电线路电能无线监测装置及监测方法
【专利摘要】本发明高压输电线路电能无线监测装置及监测方法，包括三个电能测量装置、电能计量装置和配电主站；三个电能测量装置分别用绝缘杆固定在A、B、C相杆塔的下方，其电极分别与A、B、C相高压输电线路接触；电能计量装置安装在配电变压器附近，从配电变压器获得低电压信号；三个电能测量装置与电能计量装置之间通过无线方式发送数据，解决了高低压物理隔离问题；电能计量装置和配电主站之间采用无线GPRS传递数据信息。
【专利说明】
高压输电线路电能无线监测装置及监测方法
技术领域
[0001]本发明涉及高压输电线路电量计量装置技术领域，具体为高压输电线路电能无线监测装置及监测方法。
【背景技术】
为了对10-35KV高压输电线路各分支线路用电状况进行实时计量，以便集中管理和统计用电企业及用电设备对电能的需求，高压输电线路传统的计量方法是采用高压电压互感器、电流互感器、防止雷击的避雷器及计量仪表进行计量，这种计量方法存在的主要问题是计量设备复杂、投资大、占地面积大，尤其是放在户外极易受到雷击而损坏计量设备。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种高压输电线路电能无线监测装置及监测方法，解决现有技术中如何采用电场耦合原理非接触获得高压输电线路电压相位信号，利用开口式电流互感器获得高压输电线路电流信号，实现对高压输电线路电能进行计量的技术问题，对减少能源浪费具有重要的意义。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
高压输电线路电能无线监测装置，用于对高压A、B、C三相输电线路电能进行监测，其特征在于:包括三个电能测量装置、电能计量装置和配电主站;所述电量测量装置包括电极、绝缘杆、电源、开口式电流互感器和电量测量电路；电源为太阳能电池；绝缘杆为耐压为35KV的绝缘子。
[0005]所述三个电能测量装置分别通过绝缘杆固定在A、B、C三相杆塔的下方，三个电能测量装置的电极分别与A、B、C相尚压输电线路接触，开口式电流互感器套设置在与电极对应的高压输电线路上，每个电能测量装置的电源、电极和开口式电流互感器均与电量测量电路之间电连接；
所述电能计量装置安装在配电变压器附近，从配电变压器获得低电压信号;三个电能测量装置与电能计量装置之间通过无线方式通讯，电能计量装置和配电主站之间采用无线GPRS传递数据信息。
[0006]进一步改进，所述电量测量电路包括微控制器、电流采集模块、电压采集模块、电源模块、电能计量模块、无线发送模块、从机地址设定模块;开口式电流互感器与电流采集模块输入端电连接，电极通过感应电极电路与电压采集模块的输入端电连接，电流采集模块、电压采集模块的输出端与电能计量模块的输出端电连接，电能计量模块、无线发送模块和从机地址设定模块均与微控制器电连接，电源模块为电能计量模块、无线发送模块和微控制器供电；电量测量电路对高压输电线路上功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量进行实时测量;在电量测量装置与电量计量装置构成的网络中，电量测量装置作为从机，一直处于接收状态等待电量计量装置发起指令并根据指令实时传输电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号。
[0007]进一步改进，所述电能计量装置包括主控芯片、电源供电模块、电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块和RS485接口，电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块和RS485接口均与主控芯片之间电连接，电源供电模块为主控芯片供电，人机交互接口模块上设置有按键。
[0008]根据高压输电线路电能无线监测装置进行监测的方法，包括如下步骤:一、高压输电线路电能无线监测装置采用电场法非接触方式获得高压输电线路电压相位信号，利用开口式电流互感器测量高压输电线路电流信号，这样利用电量测量装置可以直接测量输电线路的功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号，并通过无线方式发送给电量计量装置;二、电量计量装置测量电压有效值，同时接收来自A相、B相、C相电量测量装置输电线路功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号，电量计量装置根据获得的功率因数和电流有效值乘积及A相、B相、C相电压有效值分别计算输电线路A相、B相、C相的有功功率、无功功率、功率因数、电流谐波含量、电能及累计总电能，并在电量计量装置的液晶显示屏上显示。
[0009]进一步改进，所述电量测量装置的软件工作流程如下:电量测量装置作为从机，负责采集高压线路上的电流、电流谐波分量和电流与电压相位角电能参数，电流采集模块、电压采集模块将采集到的电能参数的模拟信号送到电能计量模块中的电能计量芯片IDT-90E36进行AD转换，得到电能参数的数字值，电量测量装置上的无线收发模块一直处于接收状态，等待电量计量装置发送指令;当无线收发模块接收到电能计量装置发来的指令时，首先验证帧头、帧尾，其次再进行CRC校验，若校验结构正确，则将接收到的指令地址码和自身拨码开关设定的地址位进行比较，比较结构相同，则响应电能计量装置的需求，同时发送数据给电能计量装置，否则不响应。
[0010]进一步改进，所述电量计量装置的软件流程如下:电量计量装置硬件系统上电复位以后，软件系统首先对电源供电模块、电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块进行初始化操作，包括主控芯片输入输出口功能寄存器的初始化、液晶驱动初始化、实时时钟芯片、存储器件初始化和串口通信初始化;然后显示电量计量装置的主菜单，用户可以通过按键选择进入所需的功能模块，电量计量装置软件系统针对主菜单中各项模块功能设计了对应的应用模块子菜单，以供电量计量装置软件主程序调用，执行电量计量装置各模块相应的功能，同时主程序的后台在中断中与高压线路上电量测量装置实时进行通讯。
[0011]利用本方法通过场强法检测出输电线路电压、电流相位的原理，也可以实现对输电线路接地故障定位的检测，当线路发生接地故障时电压和电流相位差会发生突变，由于输电线路存在分布电容当发生接地故障时电压和电流相位差会显现出容性特性，而通常负载均为感性负载，根据这一特点，可以快速判断输电线路发生接地故障，从而真正解决输电线路接地故障点准确定位的难题。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
本发明利用电场耦合原理非接触获得高压输电线路电压相位信号，利用开口式电流互感器获得高压输电线路电流信号，利用专用电能计量芯片IDT-90E36和微处理器实现输电线路电压和电流的相位差、电流有效值及电流谐波等参数的测量，并通过无线通信技术进行数据传输，解决了高低压的物理隔离问题;利用本方法通过场强法检测出输电线路电压、电流相位的原理，也可以实现对输电线路接地故障定位的检测，当线路发生接地故障时电压和电流相位差会发生突变，由于输电线路存在分布电容当发生接地故障时电压和电流相位差会显现出容性特性，而通常负载均为感性负载，根据这一特点，可以快速判断输电线路发生接地故障，从而真正解决输电线路接地故障点准确定位的难题。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1的高压输电线路电能无线监测装置原理结构图。
[0014]图2为实施例1的电量测量电路原理结构图。
[0015]图3为实施例1的电量计量装置原理结构图。
[0016]图4为实施例1的90E36谐波计算分析原理框图。
[0017]图5为实施例1的电量测量装置程序流程图。
[0018]图6为实施例1的测量装置通信流程图。
[0019]图7为实施例1的系统主程序前台流程图。
[0020]图8为实施例1的系统主程序后台数据通信流程图。
[0021]图9为实施例1的电量计量装置软件总体框架图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0023]如图1所示，高压输电线路电能无线监测装置，用于对高压A、B、C三相输电线路电能进行监测，其特征在于:包括三个电能测量装置1、电能计量装置4和配电主站5;
所述电量测量装置I包括电极11、绝缘杆12、电源13、开口式电流互感器14和电量测量电路;电源为太阳能电池;绝缘杆为耐压为35KV的绝缘子。
[0024]所述三个电能测量装置I分别通过绝缘杆12固定在A、B、C三相杆塔的下方，三个电能测量装置I的电极11分别与A、B、C相高压输电线路接触，开口式电流互感器14套设置在与电极11对应的高压输电线路上，每个电能测量装置I的电源13、电极11和开口式电流互感器14均与电量测量电路之间电连接；
所述电能计量装置4安装在配电变压器附近，从配电变压器获得低电压信号;三个电能测量装置I与电能计量装置4之间通过无线方式通讯，电能计量装置4和配电主站之间采用无线GPRS传递数据信息。
[0025]如附图2所示，电量测量电路主要由微控制器、电流采集模块、电压采集模块、电源模块、电能计量模块，无线发送模块、从机地址设定模块组成;主要完成三相高压输电线路上电流有效值、功率因数及电流谐波含量等电能参数的测量，在与电量计量装置组成的网络中，电量测量装置作为从机，一直处于接收状态等待电量计量装置发起指令并根据指令实时传输相应的数据。
[0026]如附图3所示，电能计量装置主要包括主控芯片、电源供电模块、电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块、RS485接口。
[0027]IDT-90E36的采样速率最高可以达到8KHz，由于芯片采用了sigma-delta ADC可以获得高精度的模数转换，因而获得的采样信号频谱更加精确。90E36的DSP内嵌有离散傅立叶变换(DFT)分析引擎，可以检测出总谐波失真，同时也可以计算采样电压和电流的2至31次的谐波分量，其分析原理如图4所示。
[0028]高压输电线路电能无线监测装置采用电场法非接触方式获得高压输电线路电压相位信号、利用开口式电流互感器测量高压输电线路电流信号，这样利用电量测量装置就可以直接测量输电线路功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量等信号，并通过无线方式发送给电量计量装置，电量计量装置在测量电压有效值的同时，并接收来自A相、B相、C相电量测量装置输电线路功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量，电量计量装置根据获得的功率因数和电流有效值乘积及A相、B相、C相电压有效值分别计算输电线路A相、B相、C相的有功功率、无功功率、功率因数、电流谐波含量、电能及累计总电能，并在电量计量装置液晶显示屏上显示出来，同时电量计量装置为了适应更加宽泛的电能计量，在电量计量装置液晶显示屏上可以设定A相、B相、C相电压变比、电流变比，电量测量装置和电量计量装置之间采用无线方式传递信息，解决了高低压之间物理隔离问题，该装置的使用可以大大提高输电线路电量计量的实时性、可靠性，减少运行成本。
[0029]如附图5所示，电量测量装置软件工作流程:电量测量装置作为从机，负责采集高压线路上的电流、电流谐波分量和电流与电压相位角等电能参数，装置中采集模块将采集到的电能参数模拟信号送到电能计量芯片IDT-90E36测量得到各电能参数的数字值，电量测量装置上的无线收发模块一直处于接收状态，等待主机电量计量装置发送指令，当接收到电能计量装置发来的指令时，首先验证帧头、帧尾，其次再进行CRC校验，若都正确则将接收到的指令地址码和自身拨码开关设定的地址位进行比较，若相同则响应电能计量装置的功能需求，发送所需的数据，否则不响应。
[0030]在整个电能计量装置系统中，电量测量装置和电量计量装置之间采用无线方式传递信息，该方法解决了高低压之间物理隔离问题，无线方式传递是通过无线射频收发模块实现两者通信，无线射频模块与单片机之间通过USART接口连接，由于电量测量装置作为从机，每一次通信都由主机(电量计量装置)发起，故电量测量装置一直处于接收状态，接收由主机发来的帧信息，然后对帧信息进行解析，若帧信息验证正确则根据解析的功能码实现对应的操作，否则丢弃该帧信息。为了保证接收响应的实时性，该通信过程放在接收中断中实现，其通信流程如图6所示。
[0031]所述电量计量装置的软件流程，电量计量装置硬件系统上电复位以后，软件系统首先对各模块进行初始化操作，包括主控芯片输入输出口功能寄存器的初始化、液晶驱动初始化、实时时钟芯片、存储器件初始化和串口通信初始化等，然后显示电量计量装置的主菜单；用户可以通过各个按键选择进入所需的功能模块，软件系统针对主菜单中各项模块功能设计了对应的应用模块子菜单，以供主程序调用，执行电量计量装置各相应的功能，同时主程序的后台在中断中与高压线路上电量测量装置实时进行数据通信，如图7和8所示。
[0032]电量计量装置的软件系统总体框架图如图9所示，实际运行的软件系统主要有三大系统状态组成:主菜单选择、子菜单功能执行和从机电能数据获取，系统程序在主程序中不断循环执行这三种状态的功能，用户通过按键操作进行状态转移，主控程序读取相应的按键值来实现相对应的各个模块功能，所以正确读取按键的程序设计至关重要。
[0033]电量测量装置挂接在高压输电线路上，为了获得较长的续航能力，电量测量装置的供电电源采用12V可充电铅酸电池和15W太阳能电池板。
[0034]利用本方法通过场强法检测出输电线路电压、电流相位的原理，也可以实现对输电线路接地故障定位的检测，当线路发生接地故障时电压和电流相位差会发生突变，由于输电线路存在分布电容当发生接地故障时电压和电流相位差会显现出容性特性，而通常负载均为感性负载，根据这一特点，可以快速判断输电线路发生接地故障，从而真正解决输电线路接地故障点准确定位的难题。
【主权项】
1.高压输电线路电能无线监测装置，用于对高压A、B、C三相输电线路电能进行监测，其特征在于:包括三个电能测量装置(1)、电能计量装置(4)和配电主站(5); 所述电量测量装置(I)包括电极(U)、绝缘杆(12)、电源(13)、开口式电流互感器(14)和电量测量电路;电源为太阳能电池;绝缘杆为耐压为35KV的绝缘子； 所述三个电能测量装置(I)分别通过绝缘杆(12)固定在A、B、C三相杆塔的下方，三个电能测量装置(I)的电极(11)分别与A、B、C相高压输电线路接触，开口式电流互感器(14)套设置在与电极(11)对应的高压输电线路上，每个电能测量装置(I)的电源(13)、电极(11)和开口式电流互感器(14)均与电量测量电路之间电连接； 所述电能计量装置(4)安装在配电变压器附近，从配电变压器获得低电压信号;三个电能测量装置(I)与电能计量装置(4)之间通过无线方式通讯，电能计量装置(4)和配电主站之间采用无线GPRS传递数据信息。2.根据权利要求1所述的高压输电线路电能无线监测装置，其特征在于，所述电量测量电路包括微控制器、电流采集模块、电压采集模块、电源模块、电能计量模块、无线发送模块、从机地址设定模块;开口式电流互感器(14)与电流采集模块输入端电连接，电极(11)通过感应电极电路与电压采集模块的输入端电连接，电流采集模块、电压采集模块的输出端与电能计量模块的输出端电连接，电能计量模块、无线发送模块和从机地址设定模块均与微控制器电连接，电源模块为电能计量模块、无线发送模块和微控制器供电； 电量测量电路对高压输电线路上功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量进行实时测量;在电量测量装置与电量计量装置构成的网络中，电量测量装置作为从机，一直处于接收状态等待电量计量装置发起指令并根据指令实时传输电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号。3.根据权利要求1或2所述的高压输电线路电能无线监测装置，其特征在于，所述电能计量装置包括主控芯片、电源供电模块、电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块和RS485接口，电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块和RS485接口均与主控芯片之间电连接，电源供电模块为主控芯片供电，人机交互接口模块上设置有按键。4.根据权利要求1-3所述的高压输电线路电能无线监测装置进行监测的方法，其特征在于，包括如下步骤:一、高压输电线路电能无线监测装置采用电场法非接触方式获得高压输电线路电压相位信号，利用开口式电流互感器测量高压输电线路电流信号，这样利用电量测量装置(I)可以直接测量输电线路的功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号，并通过无线方式发送给电量计量装置(4); 二、电量计量装置(4)测量电压有效值，同时接收来自A相、B相、C相电量测量装置(I)输电线路功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量信号，电量计量装置(4)根据获得的功率因数和电流有效值乘积及A相、B相、(:相电压有效值分别计算输电线路A相、B相、C相的有功功率、无功功率、功率因数、电流谐波含量、电能及累计总电能，并在电量计量装置(4)的液晶显示屏上显示。5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述电量测量装置(I)的软件工作流程如下:电量测量装置作为从机，负责采集高压线路上的电流、电流谐波分量和电流与电压相位角电能参数，电流采集模块、电压采集模块将采集到的电能参数的模拟信号送到电能计量模块中的电能计量芯片IDT-90E36进行AD转换，得到电能参数的数字值，电量测量装置(I)上的无线收发模块一直处于接收状态，等待电量计量装置(4)发送指令；当无线收发模块接收到电能计量装置(4)发来的指令时，首先验证帧头、帧尾，其次再进行CRC校验，若校验结构正确，则将接收到的指令地址码和自身拨码开关设定的地址位进行比较，比较结构相同，则响应电能计量装置(4)的需求，同时发送数据给电能计量装置(4)，否则不响应。6.根据权利要求4或5所述的监测方法，其特征在于，所述电量计量装置(4)的软件流程如下:电量计量装置(4)硬件系统上电复位以后，软件系统首先对电源供电模块、电压有效值测量模块、无线收发模块、RTC模块、存储器模块、人机交互接口模块进行初始化操作，包括主控芯片输入输出口功能寄存器的初始化、液晶驱动初始化、实时时钟芯片、存储器件初始化和串口通信初始化;然后显示电量计量装置(4)的主菜单，用户可以通过按键选择进入所需的功能模块，电量计量装置(4)软件系统针对主菜单中各项模块功能设计了对应的应用模块子菜单，以供电量计量装置(4)软件主程序调用，执行电量计量装置(4)各模块相应的功能，同时主程序的后台在中断中与高压线路上电量测量装置(I)实时进行通讯。
【文档编号】G01R31/08GK105891597SQ201610211658
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】张博, 王宏华, 孙黎霞
【申请人】河海大学