一种输电线路的故障辨识及定位设备的制作方法

本发明涉及输电线路设备技术领域，特别涉及一种输电线路的故障辨识及定位设备。

背景技术：

随着国民经济的发展与电力需求的不断增长，电力生产的安全运行问题也越来越突出。对于输电线路来讲，雷击跳闸一直是影响高压输电线路供电可靠性的重要因素。由于大气雷电活动的随机性和复杂性，目前对输电线路雷害除“避雷”外没有其他有效防雷措施。目前，在输电线路遭受雷击后，对雷击故障的精确定位与及时发现成为本领域的一项技术难题，更不用说对雷击故障类型的分析。

同时，有些雷击虽然没有严重到跳闸的程度，但其对高压输电线路会造成潜在损害，进而引发的恶性事故也数不胜数。

因此，关于输电线路的雷击故障辨识、定位的技术急需改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种输电线路的故障辨识及定位设备，能够极大地提高输电可靠性并减少电量损耗。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种输电线路的故障辨识及定位设备，包括：集成信号采集互感器、信号计量电路和信号处理电路，其中，所述集成信号采集互感器包括传感器、第一线圈和第二线圈，所述信号计量电路包括微控制器和放大器；所述传感器将检测到的雷电流感应磁信号发送至所述微控制器，所述微控制器根据所述雷电流感应磁信号为所述第一线圈提供驱动脉冲，所述第二线圈根据所述驱动脉冲获取反馈信号；所述反馈信号依次经所述放大器和所述微控制器处理后转变为待处理数字信号，并发送至所述信号处理电路，以产生故障分析信号。

根据本发明实施例的输电线路的故障辨识及定位设备，可对杆塔雷电信号进行实时监控，通过每基铁塔的实时录波数据进行比较分析，进而得出该线路雷击故障的位置与类型，因此该设备有效提高了输电线路的雷击隐患定位精度，极大地提高输电可靠性并减少电量损耗。

另外，根据本发明上述实施例提出的输电线路的故障辨识及定位设备还可以具有如下附加的技术特征：

具体的，所述输电线路的故障辨识及定位设备还包括：短波报文中继电路，其接收来自所述信号处理电路的所述故障分析信号并将其中继给用户以提示或告警。

根据本发明的一个实施例，所述短波报文中继电路包括短波编解码器、扩频收发器和中继转发器。

根据本发明的一个实施例，所述扩频收发器的工作频段为26-29mhz。

根据本发明的一个实施例，所述信号处理电路包括高速专用现场可编程门阵列fpga和16个单片机。

根据本发明的一个实施例，所述第一线圈和所述第二线圈均绕制在由铁氧体磁性材料制成的环形铁芯上。

根据本发明的一个实施例，所述输电线路的故障辨识及定位设备还包括：容性储能电路，用于将所述集成信号采集互感器产生的所述反馈信号进行回收储能，以为所述输电线路的故障辨识及定位设备提供电源。

根据本发明的一个实施例，所述输电线路的故障辨识及定位设备还包括防护外壳。

根据本发明的一个实施例，所述输电线路的故障辨识及定位设备安装在所述输电线路的防雷接地引线上。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的输电线路的故障辨识及定位设备的示意图；

图2为根据本发明一个实施例的“树闪”故障的波形分析示意图；

图3为根据本发明一个实施例的“鸟闪”故障的波形分析示意图；

图4为根据本发明一个实施例的“外破”故障的波形分析示意图；

图5为根据本发明一个实施例的“多重雷击”故障的波形分析示意图；

附图标记：

集成信号采集互感器1、信号计量电路2、信号处理电路3、短波报文中继电路4、中继转发器5、短波编解码器6、sh69p862单片机7、现场可编程门阵列8、微控制器9、放大器10、第二线圈11、传感器12、第一线圈13、扩频收发器14。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的输电线路的故障辨识及定位设备。

如图1所示，所述输电线路的故障辨识及定位设备，包括：集成信号采集互感器1、信号计量电路2和信号处理电路3，其中，所述集成信号采集互感器1包括传感器12、第一线圈13和第二线圈11，所述信号计量电路2包括微控制器9和放大器10。

优选的，所述第一线圈13和所述第二线圈11均绕制在由在铁氧体磁性材料制成的两个环形铁芯上。所述传感器12可以为霍尔传感器。所述放大器10可以为lmv324运算放大器，所述微控制器9可以为stm32l0单片微控制器。所述信号处理电路3可以包括高速专用的fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)8和16个单片机7。

所述传感器12检测雷电流感应磁信号，并将该雷电流感应磁信号发送至所述微控制器9。所述微控制器9根据该雷电流感应磁信号产生测量信号，该测量信号经驱动电路为所述第一线圈13提供电磁脉冲，也即“驱动脉冲”。所述第二线圈11根据所述“驱动脉冲”获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述放大器10，接着放大后的反馈信号被发送至所述微控制器9。经所述微控制器9处理后，放大后的反馈信号转变为待处理数字信号。

进而，所述微控制器9将所述待处理数字信号发送至所述信号处理电路3，最终产生故障分析信号。具体的，所述信号处理电路3接收到所述待处理数字信号后，通过专用fpga现场可编程门阵列，进行高速数据分析。此处选用的fpga基于xilinxspartan-6芯片进行设计。spartan-6芯片为xilinx的低成本、低功耗的fpga，其基于低功耗45nm、9金属铜层、双栅极氧化层工艺技术，以及高级功耗管理技术。此系列含最多150000个逻辑单元、集成式pciexpress模块、高级储存器支持、250mhzdspslice和3.125gbps低功耗收发器。进一步的，在本电路中使用了lanview进行开发固化逻辑，spartan-6芯片使用16+4数据总线连接，由16个sh69p862单片机7组成的算法参数计算模块来实现计量数据的多算法平行计算，成本相对低廉。其中，每组数据均会在同一时间节点进行16种模式的分析计算，在得到初步解算结果后进行时域分析得出最终分析结果。

此外，上述输电线路的故障辨识及定位设备还可以包括短波报文中继电路4和防护外壳。所述短波报文中继电路4为多功能中继电路，用来接收来自所述信号处理电路的所述故障分析信号并将其中继给用户以提示或告警。本实施例中的所述多功能短波报文中继电路4基于一种自主对等基站网络技术。该技术将每一首发节点均视为中继节点，并允许一对多数据报文中继。鉴于此原理使用无线自动接力技术实现的无线网络将具有无可比拟的网络健壮性和实施便利性。在本系统中使用了短波cw模式报文数据传输方式，自主开发无线自组网数据报协议，每个监测终端具有1个无线数据芯片以监听模式工作，聆听周围监测终端发来的数据报文，处理并转发出去。实际使用中，单一监测终端可覆盖1.5公里的数据通讯范围。具体的，所述短波报文中继电路4同时集成了短波编解码器6、扩频收发器14和中继转发器5。优选的，所述短波编解码器6可以为短波莫尔斯编解码电路，所述扩频收发器14可以为27mhz扩频收发电路。其中，短波编解码器6由attiny85单片机组成，利用attiny85的adc进行莫尔斯音频的解码，通过io端口与rc组成的dac电路进行莫尔斯音频的编码。所述扩频收发器14可以为一个标准的qrp收发机电路，其工作频段可以为26-29mhz。实际使用中，所述扩频收发器14可根据需要自动改变频段以避开干扰。

为了保证输电线路的可靠工作，本实施例中的故障辨识及定位设备还包括容性储能电路，用于将所述集成信号采集互感器产生的所述反馈信号进行回收储能，以为所述输电线路的故障辨识及定位设备提供电源。所述容性储能电路利用“大容量法拉电容”的电能存储特性进行电能存储，其特性类似于充电电池。由于“大容量法拉电容”的特殊性，使集成信号采集互感器1产生的微弱电流信号可以被回收利用，使之成为整个故障辨识及定位设备的可靠电源。具体的，本设备中使用集成信号采集互感器感应出来的电流换能，将其转化为0.9v至1.24v交流电，经整流升压得到3.3伏工作电压，作为整个设备的待机电源。同时，该工作电压将以2ma/h的充电速率对容性储能电路进行充电。当需要数据信号发送时，由容性储能电路中的法拉电容提供必须的电能。

本发明实施例中描述的输电线路的故障辨识及定位设备为目前第一型可以安装在接地引线上的用于确定雷击原因与雷击定位的设备，其基于接地引线感应原理进行实时监测，具体来说，该设备利用高压输电线路铁塔的金属特性实现雷电不同波段信号的采集，进而运用高速专用处理电路技术对采集到的信号进行时域分析并提取特征，然后通过短波报文中继技术将定位信号发送至工作人员，有效地提高了雷击跳闸事故的处理效率，减轻了工作人员的负担。

在本实施例中，系统基础理论将频率计算、变换全周傅氏变换算法、多端统计测距算法作为计算基础理论，下面逐一介绍。

频率计算

采样电流信号经转换变为电压信号，其为正弦变化电压。假设采样器件电压值保持不变，系统频率也不迅速改变，那么系统电压信号采样可用如下公式：

v(t)＝vsin(2πft)

假设每周波采样点为n，每毫秒采样点为n，当电压信号以t为时间间隔采样是，第k,k+1,k+2的采样值分别表示为：

vk＝vsin(2πft+θ)

vk+1＝vsin(2πf(t+t)+θ)

vk+2＝vsin(2πf(t+2t)+θ)

由上式可以推导出：

vk+vk+2＝cos(2πft)＝4sin²(πft)

变换全周傅氏变换算法

这是在电力系统中应用很广泛的一种较好的算法，尤其是在电力系统微机保护提取基波分量时占有重要的地位。当电力系统发生故障时往往产生较大的衰减，非周期分量全周傅氏差分算法则可以消除这种误差。

具体的，为了降低直流分量的影响，采用差分变换，即用采样值之差x(n+1)代替x(n)。假定被采样信号是一个周期性的时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为n，其为自然数，代表谐波次数。

多端统计测距算法

利用多端统计的测距算法，在原理上完全不受故障过渡电阻(阻抗)的大小、性质及线路系统阻抗的影响，可以保证测距的精度。但是，其主要缺点是需要通道传递各点信息。多端数据同步和消除测距方程伪根也是保证测距精度必不可少的手段。多端测距方法大多利用各点引线电流量、土壤电流量、土壤电场强度，列出故障点的输电线路的分布参数方程。可列出如下方程：

式中，为本端相对各端不同步相角差，s＝0,1,2为序量标号，“f”代表故障后，“p”代表故障前，“n”代表故障前，“f”代表故障点。由上式可得：

对非对称故障可得：

其中公式求解过程繁琐，求出的结果往往是复数，存在的误差较大，为了剔除这些伪根，提出“牛顿法”这种求解方法。牛顿法实质上是一种线性化方法，其基本思想是将非线性方法逐步归结为某种线性方程求解。它的优点是收敛快。令和0，式中变为的函数，将在点展开，有则则下山法能保证函数值稳定下降，防止迭代发散。

基于上述输电线路的故障辨识及定位设备，当高压输电线路遭遇雷击而发生对地放电时，同时相邻几基铁塔的监测终端同时向服务器发送数据，经服务器进行波形分析比对后可以精确定位发生对地放电的“铁塔位置”，并推算出雷击点、异物放电、鸟闪点、树木闪络、外力放电点等诸多放电位置与两基铁塔间档距的距离范围，其精度理论上可以达到30米。

具体的，上述输电线路的故障辨识及定位设备可以综合录波线路区间，进行各点逐一分析计算。优选的，本发明实施例的故障辨识及定位设备以录波分析为主，电场变化与导电率为辅的算法进行综合录波分析方法，进而可以有效识别树闪、鸟闪、冰闪、外破、多重雷击、多回雷击等故障原因。下面结合附图2-5举例说明高压输电线路的雷击故障的辨识分析图。具体而言，附图2-5基于录波信息以及土壤电场变化、土壤导电率信息进行分析，并结合温湿度传感器对特定气候条件对故障进行辨识。

附图2为“树闪”故障的波形分析示意图，自上而下分别为接地引线录波原始、接地引线录波移相a、接地引线录波移相b、土壤电场变化表层、土壤电场变化底层、土壤导电率。

附图3为鸟闪故障的波形分析示意图，自上而下分别为接地引线录波原始、接地引线录波移相a、接地引线录波移相b、土壤电场变化表层、土壤电场变化底层。此处需注意，冰闪故障与鸟闪故障波形类似，但温湿度传感器不同，并以此数据区分这两种故障类型。

附图4为外破故障的波形分析示意图，自上而下分别为接地引线录波原始、接地引线录波移相a、接地引线录波移相b、土壤电场变化表层、土壤电场变化底层、土壤导电率。

附图5为多重雷击的波形分析示意图，自上而下分别为接地引线录波原始、接地引线录波移相a、接地引线录波移相b、土壤电场变化表层、土壤电场变化底层。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。