基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别系统及方法与流程

本发明涉及变电站自动化控制领域，尤其涉及一种基于无线电能传输系统副边电压辨识的刀闸合位可靠性判别方法。

背景技术

刀闸设备是变电站中非常重要的设备，变电站进行倒闸操作时由于一次设备刀闸侧部分机械构件存在松动或二次回路限位开关故障，可能会造成误操作事故，影响系统供电的安全性及可靠性，从而影响社会的正常生产，造成国民经济损失。

随着智能电网的发展，需要实时掌握隔离开关运行状态，及时避免由于误操作引起的重大事故，提高电网运行的可靠性。变电站操作规范中要求需要个非同样原理或非同源的方法对刀闸进行检测，当两个非同源检测信号都发生变化，才能确定刀闸分合到位。目前刀闸合位第一判据主要是通过机构辅助开关节点获取，但长时间运行节点可能出现打滑、变形，造成刀闸位置检测不准确。目前刀闸合位第二判据主要通过三种方法：人工现场确认、图像识别、安装姿态传感器等。

人工现场确认是变电站人员到现场直接观察刀闸分合状态确认刀闸分合是否到位，这种方法费事费力，操作效率低，同时人为因素较大，也不符合智能电网的发展。

图像识别是通过采用摄像头捕捉刀闸的分合状态，将捕捉的状态照片通过图像分析软件进行状态识别，完成刀闸分合状态判断。此方法需装设较多摄像头，成本较高，同时摄像头拍摄照片受环境因素影响较大，在光线不足或雨雾等环境下拍摄照片不清晰，容易造成无法判断或判断错误，难以实现对刀闸分合到位可靠性的自动判别。

姿态传感器是通过安装在刀闸上，随刀闸分合闸转动，形成分闸到合闸过程的位置或角度偏移信息，通过算法计算出传感器的旋转角度和变化情况，从而判断隔离开关是否分合闸到位。但是姿态传感器电缆随机构转动，易缠绕在机构连杆上，存在数据漂移的现象，应用效果不佳。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别系统及方法，实现了高精度、低成本的刀闸合位可靠性的自动判别。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别系统，包括交流电源、整流逆变电路、发射线圈、拾取线圈、A/D采样模块、比较模块，其中：

所述交流电源、整流逆变电路、发射线圈依次连接；所述发射线圈安装在开关刀闸基座低压侧；所述拾取线圈、A/D采样模块、比较模块依次连接，所述拾取线圈安装在开关刀闸触头高压侧；

交流电源提供电源，整流逆变电路输出高频方波，高频方波电源通过发射线圈发射无线电能；

所述拾取线圈接收发射线圈发送的电能并生成副边电压；副边电压通过A/D采样模块转化为数字信号，进入比较模块判别副边电压值是否达到完全合闸电压Uref，得到最终合闸判别结果。

优选的：比较模块设置有如下比较判别电路：

其中，Uref表示完全合闸电压，完全合闸电压Uref指在刀闸合位时，拾取线圈副边电压最大时的电压。

优选的：包括LCCL拓扑，所述LCCL拓扑设置于整流逆变电路和发射线圈之间，所述LCCL拓扑用于根据刀闸不同位置时系统原边的反射阻抗进行补偿，以保证系统安全。

优选的：包括电容补偿电路，所述电容补偿电路设置于拾取线圈、A/D采样模块之间，所述电容补偿电路对副边电压进行补偿。

优选的：包括wifi信号发射模块、wifi信号接收模块、显示模块，所述显示模块分别与交流电源、wifi信号接收模块连接，所述wifi信号接收模块与发射线圈连接。所述比较模块与wifi信号发射模块连接。所述wifi信号接收模块用来接收wifi信号发射模块发出的刀闸高压侧的合闸判别结果信号，并通过显示模块显示。

优选的：所述整流逆变电路为由4个开关管构成的全桥式逆变电路。

优选的：所述A/D采样模块、比较模块、wifi信号发射模块的电源由拾取线圈提供。

一种基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别方法，刀闸在分合过程中拾取线圈与发射线圈间的互感变化会导致副边电压变化，因此通过检测副边电压判断刀闸的分合状态，基于无线电能传输原理，电能经发射线圈发射并由拾取线圈接收，拾取线圈的副边电压经A/D采样后进行比较。副边电压达到完全合闸电压Uref代表刀闸完全合闸。副边电压未达到完全合闸电压Uref代表刀闸分闸。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

(1)本方案不需要人员直接到现场进行状态检查，大大减少了运行人员的劳动强度，缩短了操作时间，提高了操作效率和安全水平。

(2)本方案检测精度高，成本低，能够以较低成本实现刀闸合位高精度检测，具有较高的实用性。

(3)本方案采用无线电能传输原理，能量传输可以给副边供电，在刀闸侧无需外加电源，简化系统结构。

附图说明

图1为基于无线电能传输系统副边电压刀闸合位可靠性判别方法安装示意图；

图2为基于无线电能传输系统副边电压刀闸合位可靠性判别方法原理图；

图3为基于无线电能传输系统副边电压刀闸合位可靠性判别方法流程图；

图4为基于无线电能传输系统副边电压刀闸合位可靠性判别方法等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别系统，如图1所示，包括交流电源1、整流逆变电路2、LCCL拓扑3、发射线圈4、拾取线圈5、补偿比较电路6、A/D采样模块7、比较模块8、wifi信号发射模块9、wifi信号接收模块10、显示模块11，其中：

所述交流电源1、整流逆变电路2、发射线圈4依次连接，所述显示模块11分别与交流电源1、wifi信号接收模块10连接，所述wifi信号接收模块10与发射线圈4连接。所述交流电源1、整流逆变电路2、发射线圈4、wifi信号接收模块10、显示模块11安装在开关刀闸基座低压侧。所述拾取线圈5、电容补偿电路6、A/D采样模块7、比较模块8、wifi信号发射模块9依次连接，所述拾取线圈5、电容补偿电路6、wifi信号发射模块9安装在开关刀闸触头高压侧的刀闸上。所述LCCL拓扑3设置于整流逆变电路2和发射线圈4之间，所述LCCL拓扑3用于根据刀闸不同位置时系统原边的反射阻抗进行补偿，以保证系统安全。

交流电源1提供电源，整流逆变电路2输出高频方波高频方波电源，高频方波电源通过发射线圈4发射无线电能。磁能发射线圈及控制装置安装在基座低压侧的刀闸合位正下方，包括交流电源，AC/DC变换环节，高频逆变电路、原边补偿电容、电感，原边线圈；其中，AC/DC变换将交流电源变换为直流电；高频逆变电路将直流电变换为高频的交流电；原边补偿电容与电感和原边线圈构成电能发射通道。

所述拾取线圈5接收发射线圈4发送的电能并生成副边电压。电容补偿电路6中补偿电容对副边电压进行补偿，输出的电压通过A/D采样模块7转化为数字信号，进入比较模块判别副边电压值是否达到完全合闸电压Uref，最终合闸判别结果经wifi信号发射模块9发出。

无源拾取线圈及检测附件安装在一次设备刀闸上，包括括副边线圈、副边补偿电容、整流电路、DC/DC变换环节、负载以及检测附件；其中，副边线圈通过与原边线圈耦合生成感应电压；副边补偿电容与副边线圈组成电能传输通道；整流电路将交流电转换为直流电；DC/DC变换将整流后的直流电转换成附件工作所需要的直流电压；负载以及检测附件构成刀闸状态采集及发送装置。

如图2所示，采用无线电能传输原理对副边电压进行辨识实现对刀闸合位可靠性判别，无线电能传输系统包含原边回路和副边回路，原边回路包含交流电源，AC/DC整流环节，高频逆变电路，原边补偿电容Cp、Cf，补偿电感Lf，原边线圈Lp。其中，AC/DC变换将交流电源变换为直流电；高频逆变电路将直流电变换为高频的交流电；原边补偿电容Cp、Cf、补偿电感Lf和原边线圈Lp构成电能发射通道。

副边回路包括副边线圈Ls、副边补偿电容Cs、整流电路，DC/DC变换环节，负载RL以及检测附件，检测部分包含A/D采样模块，单片机电压辨识模块，wifi信号发送模块。其中，副边线圈通过与原边线圈耦合生成感应电压；副边补偿电容Cs与副边线圈Ls组成电能传输通道；整流电路将交流电转换为直流电；DC/DC变换将整流后的直流电转换成附件工作所需要的直流电压；负载RL以及检测附件构成刀闸状态采集及发送装置。

原边补偿电容Cp、Cf，补偿电感Lf，原边线圈Lp，副边线圈Ls、副边补偿电容Cs满足：

其中，f为高频逆变器工作频率。

wifi信号接收模块8用来接收wifi信号发射模块7发出的刀闸高压侧的合闸判别结果信号，并通过显示模块9显示。电压的比较判别与信号发送由单片机控制。

所述整流逆变电路2为由4个开关管构成的全桥式逆变电路。

所述补偿比较电路6、A/D采样模块、比较模块、wifi信号发射模块7的电源由拾取线圈5提供，电能通过无线传输给副边供电，在刀闸侧无需外加电源。

一种基于无线电能传输副边电压刀闸分合到位判别方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：根据刀闸到位时，拾取线圈与发射线圈的具体位置，建立刀闸合闸时完全合闸电压Uref。

对于图4所示，在满足式(1)的条件下，副边反射阻抗ZM为：

其中Req为副边等效负载，Rs为拾取线圈内阻，M为发射线圈与拾取线圈之间的互感。

系统输入总阻抗Zin为：

其中Rf为补偿线圈Lf内阻，Rs为副边线圈Ls内阻。

假设整流后电压u0为：

u0＝E (4)

逆变器输出电压uAB为：

逆变器输出电流if为：

原边电流ip为：

副边电流is为：

等效负载电压为：

实际负载端电压有效值U为：

结合式(8-10)可知，当互感M发生变化，实际负载端电压u也发生变化，互感M的值与原副边线圈距离有关，由此建立完全合闸电压Uref：

当刀闸处于合位时，原边线圈与副边线圈在竖直方向上正对，相距H米，得到标准互感阈值MH,代入式(10)，得到检测电压标准阈值Uref＝URH，将检测电压标准阈值放于单片机寄存器中。

步骤二：副边电压实时采样，单片机比较判别刀闸是否合位可靠，同时将结果发送给显示模块。

通过A/D模块对副边负载电压实时采样，采样结果u送入单边机中，与储存的完全合闸电压Uref作比较，比较规则如下：

其中，Uref表示完全合闸电压，完全合闸电压Uref指在刀闸合位时，拾取线圈副边电压最大时的电压。若拾取线圈(5)上的副边电压小于完全合闸电压Uref，则表示刀闸未完全合闸；若拾取线圈(5)上的副边电压等于完全合闸电压Uref，则表示刀闸完全合闸。

本发明基于无线电能传输中互感耦合原理，刀闸在分合过程中，拾取线圈随刀闸的位置变化而变化，由于发射线圈位置固定，拾取线圈与发射线圈间的互感会随着刀闸位置的变化而变化，进而导致拾取线圈上的副边电压发生变化。在刀闸合位时，拾取线圈副边电压最大，定义为完全合闸电压Uref，其他位置的副边电压均小于完全合闸电压。

最后，单边机将比较的结果通过wifi发送给显示模块，作为判断刀闸状态的辅助判据，从而实现刀闸分合到位高精度、低成本监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。