一种基于无线传输的线路分布监测系统及同步采样方法与流程

本发明属于电力技术领域。

背景技术：

配电线路中，线路采集装置和监测装置共同构成配电线路在线监测装置，用于对架空配电线路的工况进行监测。其中线路采集装置卡在高压配电线上，采集配电线路的工作状态。监测装置用于监测配电线路的工况，并将配电线路的状态进行处理上报。

目前，线路监测装置多选用馈线终端设备(即FTU)，具备遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能，安装FTU需要配合安装电压电流互感器、断路器等，线路在安装过程中停电时间长，另外FTU造价昂贵，电流电压互感器需要选用专门的高压互感器，工程费用高；近年也有具备二遥功能的故障指示器的使用报道，据实际使用来看，二遥故障指示器同样具备线路电流采集功能，但由于分别独立安装，采集的同步性功能不具备，同时其功能侧重于短路故障检测与上报，电流采集精度一般大于3％，多数没有自取电功能，仅依靠本身自带一次性电池，其工作寿命与可靠性受到广泛质疑，此外其电压采样多采取单端感应方式，电场感应之值较小，相序之间关联性较弱，没有参比的可能性，二遥故障指示器通常独立分相独立安装，各相之间无物理连接，多点多相采集的数据相对独立，数据采集的时间随机性大，这对于后台分析线路状态造成了较大的困难。

对于相互独立采集单元，采取GPS、无线公网GPRS同步时钟实现同步采样的也见报道，两者功耗一般大于100mW，难以在配电线路上弱取电及电池供电的情况下使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于无线传输的线路分布监测系统及同步采样方法，解决了如何保证数据采集的同时性问题，确保了变电站对配电线路故障判断的准确性，对加强电网的管理提供了有力的技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于无线传输的线路分布监测系统，包括数个分布监测单元，每一个分布监测单元均包括一个数据监测装置和与该数据监测装置通信的数个监测指示装置；

所述监测指示装置包括电流电压传感器、采样模块、电源模块、后备电池、控制单元和无线模块；

电流电压传感器设有采样线圈和取能线圈，采样线圈连接采样模块，采样模块连接控制单元，控制单元连接无线模块，取能线圈连接倍压整流电路，取能线圈还连接电源模块，后备电池连接电源模块，电源模块为采样模块、控制单元和无线模块供电，电源模块输出正电源；

无线模块与所述数据监测装置通信；

电源模块设有倍压整流电路，倍压整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、法拉电容C1、法拉电容C2和电容C3，取能线圈112的一端连接二极管D1的负极，另一端连接二极管D5的正极，二极管D5的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极还连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接法拉电容C2的正极，法拉电容C2的负极连接地线，二极管D6的正极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接法拉电容C1的正极，法拉电容C1的负极连接二极管D2的负极，法拉电容C2的正极还连接二极管D8的正极，二极管D8的负极连接二极管D6的正极，法拉电容C1的正极还通过电容C3连接地线；

采样模块包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、放大器U1和放大器U2，采样线圈的一端连接电阻R2的1脚，另一端连接电阻R3的1脚，电阻R2的1脚还通过电容C6连接地线，电阻R3的1脚还通过电容C4连接地线，电阻R2的2脚连接放大器U1的2脚，电阻R3的2脚连接放大器U1的3脚，电阻R3的2脚还通过电阻R4连接地线，放大器U1的8脚连接正电源，放大器U1的4脚连接地线，放大器U1的1脚通过电阻R1连接放大器U1的2脚，放大器U1的1脚通过电容C5连接地线，放大器U1的1脚还连接放大器U2的3脚，放大器U2的2脚连接放大器U2的1脚,放大器U2的8脚连接正电源，放大器U2的4脚连接地线，放大器U2的1脚还通过电阻R5连接所述控制单元。

所述电流电压传感器为开启式电流互感器，所述开启式电流互感器包括上部和下部，所述上部包括两个可打开及对接的上半圆弧部分，上半圆弧部分包括由外至内依次设置的上部外半导电环、上半磁芯和上部内半导电环，上部外半导电环、上部内半导电环和上半磁芯均为半圆弧形；两个上半圆弧部分对接后，两个上部外半导电环相对构成整个圆环形的上部外导电环，两个上部内半导电环相对构成整个圆环形的上部内导电环，两个上半磁芯相对构成整个圆环形的上磁芯，上磁芯的外圈缠绕有上磁环线圈，上磁芯及其上的上磁环线圈均夹设在上部外导电环与上部内导电环之间；

所述下部包括两个可打开及对接的下半圆弧部分，下半圆弧部分包括由外至内依次设置的下部外半导电环、下半磁芯组件和下部内半导电环，下半磁芯组件包括上下间隔设置的半取能磁芯和半采样磁芯，下部外半导电环、半取能磁芯、半采样磁芯和下部内半导电环均为半圆弧形；两个下半圆弧部分对接后，两个下部外半导电环相对构成整个圆环形的下部外导电环，两个下部内半导电环相对构成整个圆环形的下部内导电环，两个半取能磁芯相对构成整个圆环形的取能磁芯，两个半采样磁芯相对构成整个圆环形的采样磁芯，取能磁芯的外圈缠绕取能线圈，采样磁芯的外圈缠绕有采样线圈，取能磁芯及其上的取能线圈均夹设在下部外导电环与下部内导电环之间，采样磁芯及其上的采样线圈也均夹设在下部外导电环与下部内导电环之间，取能磁芯间隔设于采样磁芯的上侧；

取能磁芯的截面积是采样磁芯的截面积的倍。

所述放大器U1和放大器U2的型号均为LM833。

所述控制单元为ARM9控制器。

所述数据监测装置的型号为WX-PW-SJJC-002；所述数据监测装置内设有北斗导航模块，所述北斗导航模块的型号为WX-BD-IOT-002；

所述无线模块的型号为WX-RF-IOT-003。

与所述的一种基于无线传输的线路分布监测系统配套的同步采样方法，包括如下步骤：

步骤1：控制单元进行初始化，控制单元对无线模块进行初始化；控制单元进行初始化的内容包括：初始化时钟计数器和初始化采样计数器；

步骤2：控制单元进入待机休眠状态；

步骤3：数据监测装置通过北斗导航模块获取准确时间，所述准确时间由北斗卫星提供，数据监测装置根据所述准确时间生成时标信息，并根据时标信息生成同步信息；

数据监测装置向监测指示装置发送同步信息，监测指示装置的无线模块接收同步信息并发生无线接收中断，无线模块将同步信息发送给控制单元，控制单元接收到同步信息后从待机休眠状态唤醒进入工作模式，并读取无线模块接收到的数据，控制单元判断无线模块接收到的数据是否包含正确的同步信息：包含，则执行步骤4；不包含，则执行步骤2；

步骤4：控制单元根据同步信息中的时标信息来修正自身的时钟计数器，使自身的时钟计数器与时标信息同步；

控制单元根据时钟计数器重置采样计数器；

步骤5：控制单元根据采样计数器触发等间隔采样命令，采样模块根据所述等间隔采样命令采集配电线路中的电流数据和电压数据，并将电流数据和电压数据传输至控制单元；

步骤6：控制单元将电流数据和电压数据处理后生成采样数据，控制单元将采样数据发送给无线模块，无线模块将采样数据传送给数据监测装置；

控制单元根据采样数据计算电流有效值，控制单元判断电流有效值是否大于3A：大于则执行步骤5；不大于，则执行步骤2。

本发明所述的一种基于无线传输的线路分布监测系统及同步采样方法，通过无线传输同步方式实现三相电流电压的同步采集，实现线路状态的实时采集，解决了如何保证数据采集的同时性问题，确保了变电站对配电线路故障判断的准确性，对加强电网的管理提供了有力的技术支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的监测指示装置的原理框图；

图3是本发明的倍压整流电路的原理图；

图4是本发明的采样模块的原理图；

图5是本发明的流程图；

图6是上半圆弧部分和下半圆弧部分的结构示意图；

图7是上磁芯114与上部外导电环113和上部内导电环115的结构示意图；

图8是取能磁芯118与下部外导电环116和下部内导电环117的结构示意图；

图9是采样磁芯119与下部外导电环116和下部内导电环117的结构示意图；

图中：电流电压传感器1、电源模块2、后备电池3、无线模块5、采样模块6、控制单元7、数据监测装置8、监测指示装置9、上部内半导电环101、上半磁芯102、上部外半导电环103、上半圆弧部分104、上磁环线圈105、下部内半导电环106、下部外半导电环107、半取能磁芯108、半采样磁芯109、下半圆弧部分110、采样线圈111、取能线圈112、上部外导电环113、上磁芯114、上部内导电环115、下部外导电环116、下部内导电环117、取能磁芯118、采样磁芯119。

具体实施方式

实施例一：

如图1-4所示的一种基于无线传输的线路分布监测系统，包括数个分布监测单元，每一个分布监测单元均包括一个数据监测装置8和与该数据监测装置8通信的数个监测指示装置9；

所述监测指示装置9包括电流电压传感器1、采样模块6、电源模块2、后备电池3、控制单元7和无线模块5；

电流电压传感器1设有采样线圈111和取能线圈112，采样线圈111连接采样模块6，采样模块6连接控制单元7，控制单元7连接无线模块5，取能线圈112连接倍压整流电路，取能线圈112还连接电源模块2，后备电池3连接电源模块2，电源模块2为采样模块6、控制单元7和无线模块5供电，电源模块2输出正电源；

无线模块5与所述数据监测装置8通信；

无线模块与控制单元之间的通信接口为SPI，无线模块还设有输出端OSC、输出端IRQ0和输出端IRQ1,输出端OSC为无线模块晶振经分频锁相输出，频率12M，温漂系数5ppM，输出端OSC作为控制单元的高频振荡源输入信号，输出端IRQ0和输出端IRQ1分别为载波监听中断与接收中断，当无线模块检测到数据采集装置发出的无线载波信号并锁定时通过输出端IRQ0发出IRQ0信号，当数据接收完时通过输出端IRQ1发出IRQ1中断，不同模块之间接收中断误差经检测在6—10uS之间，此作为无线模块的处理延时td1，控制单元接收到此中断后，开始读取无线接收到的数据并分析，在此过程中控制单元处理时间为td2，然后上传确认帧，数据监测装置接收到采集装置的确认信号后开始计算传输与数据处理延时：

Ttd＝tm2-tm1-(2×td1+td2)；

其中tm2为数据监测装置接收到数据的时刻；tm1为装置发出数据的时刻；

Ttd参数作为校时参数误差补偿值，在发校时命令时一起发送至采集装置，通过误差修正采集装置与数据监测装置的时钟误差小于2uS，多点多相采集时，分别对各点各相时钟分别校准。

电源模块设有倍压整流电路，倍压整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、法拉电容C1、法拉电容C2和电容C3，取能线圈112的一端连接二极管D1的负极，另一端连接二极管D5的正极，二极管D5的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极还连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接法拉电容C2的正极，法拉电容C2的负极连接地线，二极管D6的正极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接法拉电容C1的正极，法拉电容C1的负极连接二极管D2的负极，法拉电容C2的正极还连接二极管D8的正极，二极管D8的负极连接二极管D6的正极，法拉电容C1的正极还通过电容C3连接地线；

法拉电容C1和法拉电容C2的容量均为0.5法拉，充满电状态储存能量W＝1/2C(5.0-UlowΔU)²,其中Ulow为MCU的工作电压下限，控制单元及无线模块的最小工作电压均为2.2V，取Ulow＝2.4V，由此计算出充满电后法拉电容储存能量W＝1.69J。

控制单元工作电流为900uA，无线模块工作平均电流为30mA，在通讯速率25kbps情况下传输字节数3840，发射持续时间约为2s,消耗能量为W＝UIΔt＝0.18J，小于法拉电容储存的能量，因而此设计满足工作的要求。

采样模块6包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、放大器U1和放大器U2，采样线圈111的一端连接电阻R2的1脚，另一端连接电阻R3的1脚，电阻R2的1脚还通过电容C6连接地线，电阻R3的1脚还通过电容C4连接地线，电阻R2的2脚连接放大器U1的2脚，电阻R3的2脚连接放大器U1的3脚，电阻R3的2脚还通过电阻R4连接地线，放大器U1的8脚连接正电源，放大器U1的4脚连接地线，放大器U1的1脚通过电阻R1连接放大器U1的2脚，放大器U1的1脚通过电容C5连接地线，放大器U1的1脚还连接放大器U2的3脚，放大器U2的2脚连接放大器U2的1脚,放大器U2的8脚连接正电源，放大器U2的4脚连接地线，放大器U2的1脚还通过电阻R5连接所述控制单元7。

如图6-9所述电流电压传感器1为开启式电流互感器，所述开启式电流互感器包括上部和下部，所述上部包括两个可打开及对接的上半圆弧部分104，上半圆弧部分104包括由外至内依次设置的上部外半导电环103、上半磁芯102和上部内半导电环101，上部外半导电环103、上部内半导电环101和上半磁芯102均为半圆弧形；两个上半圆弧部分104对接后，两个上部外半导电环103相对构成整个圆环形的上部外导电环113，两个上部内半导电环101相对构成整个圆环形的上部内导电环115，两个上半磁芯102相对构成整个圆环形的上磁芯114，上磁芯114的外圈缠绕有上磁环线圈105，上磁芯114及其上的上磁环线圈105均夹设在上部外导电环113与上部内导电环115之间；

所述下部包括两个可打开及对接的下半圆弧部分110，下半圆弧部分110包括由外至内依次设置的下部外半导电环107、下半磁芯组件和下部内半导电环106，下半磁芯组件包括上下间隔设置的半取能磁芯108和半采样磁芯109，下部外半导电环107、半取能磁芯108、半采样磁芯109和下部内半导电环106均为半圆弧形；两个下半圆弧部分110对接后，两个下部外半导电环107相对构成整个圆环形的下部外导电环116，两个下部内半导电环106相对构成整个圆环形的下部内导电环117，两个半取能磁芯108相对构成整个圆环形的取能磁芯118，两个半采样磁芯109相对构成整个圆环形的采样磁芯119，取能磁芯118的外圈缠绕取能线圈112，采样磁芯119的外圈缠绕有采样线圈111，取能磁芯118及其上的取能线圈112均夹设在下部外导电环116与下部内导电环117之间，采样磁芯119及其上的采样线圈111也均夹设在下部外导电环116与下部内导电环117之间，取能磁芯118间隔设于采样磁芯119的上侧；

取能磁芯118的截面积是采样磁芯119的截面积的4倍；取能磁芯118用于装置取能，采样磁芯119用于采样；

分体式磁芯(取能磁芯118和采样磁芯119)的有效初始相对磁导率大于8000，便于在小电流取电，其中取能磁芯118的横截面为1cm²。采样磁芯119横截面为0.25cm²，内径55mm，外径75mm，线路电流3A，取能线圈112为800匝输出电压1.36V，经电源模块倍压整流获得4V的直流电压，满足装置在低功耗下的工作要求；采样线圈111为1500匝，负载电阻5.1欧姆；取能线圈112输出端和采样线圈111输出端都加有抗冲击、过流保护电路，同时在电流互感器内侧与外侧分别加有上部外导电环113、上部内导电环115、下部外导电环116与下部内导电环117用来感应线路周围的变化的电场强度。

所述放大器U1和放大器U2的型号均为LM833。

所述控制单元7为ARM9控制器。

所述数据监测装置8的型号为WX-PW-SJJC-002；所述数据监测装置8内设有北斗导航模块，所述北斗导航模块的型号为WX-BD-IOT-002；

所述无线模块5的型号为WX-RF-IOT-003。

实施例二：

如图5所示，与实施一所述的一种基于无线传输的线路分布监测系统配套的同步采样方法，是在实施一所述的一种基于无线传输的线路分布监测系统的基础上实现的，包括如下步骤：

步骤1：控制单元7进行初始化，控制单元7对无线模块5进行初始化；控制单元7进行初始化的内容包括：初始化时钟计数器和初始化采样计数器；

步骤2：控制单元7进入待机休眠状态；

步骤3：数据监测装置8通过北斗导航模块获取准确时间，所述准确时间由北斗卫星提供，数据监测装置8根据所述准确时间生成时标信息，并根据时标信息生成同步信息；

数据监测装置8向监测指示装置9发送同步信息，监测指示装置9的无线模块5接收同步信息并发生无线接收中断，无线模块5将同步信息发送给控制单元7，控制单元7接收到同步信息后从待机休眠状态唤醒进入工作模式，并读取无线模块5接收到的数据，控制单元7判断无线模块5接收到的数据是否包含正确的同步信息：包含，则执行步骤4；不包含，则执行步骤2；

步骤4：控制单元7根据同步信息中的时标信息来修正自身的时钟计数器，使自身的时钟计数器与时标信息同步；

控制单元7根据时钟计数器重置采样计数器；

步骤5：控制单元7根据采样计数器触发等间隔采样命令，采样模块6根据所述等间隔采样命令采集配电线路中的电流数据和电压数据，并将电流数据和电压数据传输至控制单元7；

步骤6：控制单元7将电流数据和电压数据处理后生成采样数据，控制单元7将采样数据发送给无线模块5，无线模块5将采样数据传送给数据监测装置8；

控制单元7根据采样数据计算电流有效值，控制单元7判断电流有效值是否大于3A：大于则执行步骤5；不大于，则执行步骤2。

本发明使用无线传输同步取代GPS/GPRS实现采集的同步性，大大降低了装置的功耗，GPS信号受到美国军方控制，其对采集系统的运行的不确定因素较大，同样因无线公网GPRS的时钟也采用GPS对时，缺点也同样明显，同时GPS/GPRS用于采集装置，因功耗大，不适用线路采集装置；本发明的数据监测装置选用完全具备我国知识产权的北斗导航模块，完全排除了上述影响；本发明的系统守时精度小于50nS，实现了全网数据同步采集，极大的提高了数据分析的可靠性，为电网大数据云端平台提供了有力的数据支撑。

本发明将数个监测指示装置分布在电网线路上，实现了多点多相数据的同步采集，有利于线路故障的分析判断，数据监测终端将各自下属的监测指示装置采集到的数据上传至主变电站，主变电站依据一定的数据模型分析线路的特征信号，对线路的实时工况进行分析，实时判断，保存线路在突发状态前后的电压电流波形，提高了分析结果的可靠性与实时性；

本发明的监测指示装置在待机时的功耗小于20uW，使本发明更加适用于配电线路的工况的同步采集。

本发明所述的一种基于无线传输的线路分布监测系统及同步采样方法，通过无线传输同步方式实现三相电流电压的同步采集，实现线路状态的实时采集，解决了如何保证数据采集的同时性问题，确保了变电站对配电线路故障判断的准确性，对加强电网的管理提供了有力的技术支撑。