一种避雷器阻性电流在线监测系统及方法与流程

[0001]
本发明涉及电网在线监测技术领域，特别是一种避雷器阻性电流在线监测系统及方法。


背景技术：

[0002]
金属氧化物避雷器(moa)主要由氧化锌阀片串联而成，具有非常优良的非线性伏安特性。moa在工频电压下电阻率很大，能迅速有效抑制工频电流；在雷电过电压下电阻率会变得很小，能很好泄放雷电流，被广泛应用于电力系统的过电压保护。然而随着避雷器投入运行时间的增长以及其产品存在的缺陷，避雷器在运行电压下的受潮、老化问题日益突出。对于避雷器，由于其故障发展速度快，传统的每年一次的预防性试验是不能完全发现其缺陷的，必须结合其他测试手段来掌握避雷器的运行状况，以确保其安全运行。
[0003]
要掌握避雷器的运行状况，测量其交流运行电压下的泄漏电流中阻性分量是一个非常有效的手段。目前，主要有带电检测和在线监测两种技术手段，如在线监测全电流及阻性电流分量、现场不定期带电测量全电流及阻性电流分量、红外线监测避雷器温度等方法。在线监测方式实时性高，有助于及时发现避雷器缺陷，防止缺陷发展成为严重事故，是避雷器状态监测技术发展的趋势。
[0004]
避雷器在工频电压下运行时，其流过的电流中包含阻性分量和容性分量，为实现阻性分量的监测和提取，必须同步监测避雷器两端的运行电压以及流过避雷器的全电流，且要求电压监测必须具有很高的相位精度。通过在避雷器下端接地线上可以较容易的直接提取出电流信号，而目前提取避雷器两端的运行电压信号一种方法是在pt二次侧提取，这种信号提取方式有以下弊端：由于避雷器在变电站内分散布置，站内各种容性或感性设备的存在使得不同监测点工频电压并不是完全同步，而是存在一定的相位差，因此pt二次侧测量的工频信号不能精确反应避雷器两端的电压。另一种提取方法是在避雷器两端并联高精度电压传感器，如电容传感器等，也存在明显的弊端：由于避雷器数量较多，配置大量电压传感器经济效益差，且不利于安装，另一方面，电压传感器长期并联运行于高压环境下，容易产生过热隐患。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提出一种避雷器阻性电流在线监测系统及方法，通过安装于避雷器旁的高压导线或母线上的电压采集终端监测避雷器两端运行电压，通过安装于避雷器接地引下线上的电流采集终端监测避雷器运行时的全电流，进而计算避雷器阻性电流，为变电站避雷器阻性电流在线监测提供了一种实时可靠的监测方式。
[0006]
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007]
本发明提供一种避雷器阻性电流在线监测系统，包括：电压采集终端、电流采集终端、边缘计算节点和监测系统后台；
[0008]
所述电压采集终端安装于避雷器旁的高压导线或母线上，用于监测避雷器两端运
行电压；
[0009]
所述电流采集终端安装于避雷器接地引下线上，用于监测避雷器运行时的全电流；
[0010]
所述边缘计算节点用于下发控制指令至电压采集终端和电流采集终端；以及，根据收集到的电压及电流，计算避雷器阻性电流；以及，将计算结果上传至监测系统后台；
[0011]
所述监控系统后台用于对上传的避雷器阻性电流和上传时间进行分析与存储，形成历史阻性电流变化趋势；以及，进行避雷器阻性电流异常预警及推送。
[0012]
进一步的，所述电压采集终端包括电压传感器、调理电路、采集单元、无线通信模块和电源模块；
[0013]
所述电压传感器基于耦合电容分压法得到避雷器两端运行电压；
[0014]
所述调理电路用于将耦合到的电压进行滤波及放大处理；
[0015]
所述采集单元用于将调理电路处理后的模拟电压信号转换为数字信号；
[0016]
所述无线通信单元用于将数字电压信号进行上传；
[0017]
所述电源单元用于为调理电路和采集单元提供电力支持；
[0018]
所述调理电路、采集单元、无线通信模块和电源模块均置于金属腔体外壳内；
[0019]
所述电压传感器结构为：
[0020]
在金属腔体外壳下方敷设同轴弧形金属板，在金属腔体外壳和弧形金属板两端并联一个并联电容；所述金属腔体外壳和弧形金属板之间的电容与并联电容的等效电容构成电压传感器的低压臂；所述弧形金属板与大地之间的电容构成电压传感器的高压臂。
[0021]
进一步的，所述电压采集终端具体用于，
[0022]
采集低压臂电压；
[0023]
基于采集的低压臂电压，低压臂电容和高压臂电容，计算避雷器两端运行电压：
[0024][0025]
其中，u0为避雷器两端运行电压，u1为低压臂电压，c0为并联电容值，c1为金属腔体外壳与弧形金属板之间的耦合电容，c2为弧形金属板与大地之间的杂散电容。
[0026]
进一步的，所述并联电容超过c1的一万倍。
[0027]
进一步的，所述金属腔体外壳呈圆柱状。
[0028]
进一步的，所述边缘计算节点包括边缘计算模块、低功耗无线通信模块和以太网网口；
[0029]
所述边缘计算节点与电压采集终端、电流采集终端通过低功耗无线通信模块连接；
[0030]
所述边缘计算模块用于控制同一个避雷器上的电压采集终端和电流采集终端同步采集电压与电流波形；以及计算避雷器阻性电流；
[0031]
所述边缘计算节点通过以太网网口与监测系统后台连接。
[0032]
进一步的，所述边缘计算模块具体用于，
[0033]
获取同一个避雷器上的电压采集终端采集的电压波形，以及电流采集终端采集的电流波形；
[0034]
根据电压波形和电流波形采用傅里叶级数法计算电压基波初相位和电流基波初
相位；
[0035]
根据电压基波初相位和电流基波初相位，计算避雷器阻性电流：
[0036]
i
r
＝i cos∠(φ
u-φ
i
)；
[0037]
其中，i
r
为避雷器阻性电流，i为电流采集终端采集的电流波形的有效值，φ
u
为电压基波初相位，φ
i
为电流基波初相位。
[0038]
进一步的，所述边缘计算节点与多个避雷器上的电压采集终端、电流采集终端通过低功耗无线通信模块连接。
[0039]
进一步的，所述监测系统后台还用于，
[0040]
设定电流采集终端和电压采集终端的工作模式，包括等间隔采集模式和手动召回模式，
[0041]
以及，
[0042]
当避雷器阻性电流异常时，下发命令至边缘计算节点，召回电流采集终端、电压采集终端采集的波形。
[0043]
进一步的，还包括远程客户端，
[0044]
所述远程客户端用于通过访问监控系统后台获取避雷器阻性电流，以及，对监控系统后台进行参数配置。
[0045]
本发明还提供一种避雷器阻性电流在线监测方法，包括：
[0046]
控制同一个避雷器上的电压采集终端和电流采集终端同步采集电压与电流波形；
[0047]
根据采集的电压与电流波形计算避雷器阻性电流；
[0048]
将计算结果上传至监测系统后台。
[0049]
进一步的，
[0050]
所述电压采集终端为前述的电压采集终端；
[0051]
所述电流采集终端为前述的电流采集终端。
[0052]
进一步的，所述根据采集的电压与电流波形计算避雷器阻性电流，包括：
[0053]
根据电压波形和电流波形采用傅里叶级数法计算电压基波初相位和电流基波初相位；
[0054]
根据电压基波初相位和电流基波初相位，计算避雷器阻性电流：
[0055]
i
r
＝i cos∠(φ
u-φ
i
)；
[0056]
其中，i
r
为避雷器阻性电流，i为电流采集终端采集的电流波形的有效值，φ
u
为电压基波初相位，φ
i
为电流基波初相位。
[0057]
本发明的有益效果为：
[0058]
本发明提供一种避雷器阻性电流在线监测系统及方法，设计电压采集终端安装于避雷器旁的高压导线或母线上，监测避雷器两端运行电压；设计电流采集终端安装于避雷器接地引下线上，监测避雷器运行时的全电流；再由边缘计算节点根据收集到电压及电流波形，计算避雷器阻性电流；为变电站避雷器阻性电流在线监测提供了一种实时、高效且稳定可靠的监测方式，帮助及时发现避雷器缺陷，防止避雷器失效引起电力设备损坏，对电网安全运行至关重要。
附图说明
[0059]
图1是本发明的避雷器阻性电流在线监测系统结构示意图；
[0060]
图2是本发明的电压采集终端结构示意图；
[0061]
图3是本发明的避雷器阻性电流在线监测系统的电容传感器原理图；图3(a)为正视图；图3(b)为侧视图；
[0062]
图4是本发明的避雷器阻性电流在线监测方法流程图。
具体实施方式
[0063]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0064]
实施例一
[0065]
本发明实施例提供一种避雷器阻性电流在线监测系统，如图1所示，包括电压采集终端、电流采集终端、边缘计算节点、监测系统后台和远程客户端。
[0066]
具体的，
[0067]
电压采集终端3就近安装于避雷器2旁的高压导线或母线1上，用于监测避雷器两端运行电压。参见图2，电压采集终端3包括基于耦合电容分压法的电压传感器、调理电路、采集单元、无线通信模块和电源模块，除电压传感器外，其余所有模块均内置于金属腔体内，且与导线等电位连接。
[0068]
电压传感器用于耦合得到避雷器两端运行电压；
[0069]
调理电路用于将耦合到的电压进行滤波及放大处理；
[0070]
采集单元用于将调理电路处理后的模拟电压信号转换为数字信号；
[0071]
无线通信单元用于将数字电压信号进行上传。
[0072]
电源单元用于为调理电路和采集单元提供电力支持。
[0073]
参见图3(a)和(b)，电压传感器结构如下：
[0074]
在金属腔体外壳10下方敷设一同轴的弧形金属板11，在金属腔体外壳和弧形金属板两端并联一个电容，形成腔体-金属板及金属板-大地电容分压模式；金属腔体外壳，弧形金属板，并联电容，以及大地构成电压传感器；所述金属腔体外壳和弧形金属板之间电容与并联电容的等效电容为传感器的低压臂；所述弧形金属板与大地12之间电容构成传感器的高压臂。
[0075]
电压采集终端获取避雷器两端运行电压的方式为：
[0076]
图3中，电压采集终端外壳(金属腔体)与导线/母线等电位连接，与其下方安装的传感器金属片之间耦合电容为c1，传感器金属片与大地之间杂散电容为c2，为了降低c1两端的电压以适应电压采集终端的采集，需在c1两端并联一远大于c1的无感电容c0(将c0的两个端子分别接在金属腔体外壳以及弧形金属板上)，此时c0+c1为电容分压器的低压臂等效电容，c2为电容分压器的高压臂电容，当导线/母线上运行电压为u0时，低压臂电压输出u1为：
[0077][0078]
通过采集低压臂电压u1，即可获取导线/母线上电压，即：
[0079][0080]
本发明中，c0的大小与传感器安装位置及对地高度有关，因此并联多大c0应结合实际安装环境而定，另外，不同电压等级并联的c0也不一样，实际工程应用时应对现场环境进行一定考察，然后确定一个比较合适的c0。根据经验，c0一般超过c1一万倍以上。
[0081]
优选的，金属腔体呈圆柱状，且进行了低电晕结构处理。
[0082]
电流采集终端4安装于避雷器2接地引下线上面，用于对避雷器运行时的全电流进行监测。电流采集终端4包括：高精度微电流罗氏线圈传感器、调理电路、采集单元、无线通信模块和电源模块。各模块连接关系与电压采集终端相同。
[0083]
边缘计算节点5包括边缘计算模块、低功耗无线通信模块和以太网网口等。边缘计算节点与电压采集终端和电流采集终端通过低功耗无线通信模块8进行数据交互，下发控制指令，控制同一个避雷器上的电压采集终端和电流采集终端分别同步采集电压与电流波形；以及，根据收集到电压及电流信号，进行边缘计算分析，得到避雷器阻性电流大小；以及，将计算结果经由以太网网口通过电力内网9上传至监测系统后台。
[0084]
监测系统后台6安装有一套与边缘计算节点配套的监测系统，用于与边缘计算节点之间进行通信，对上传的阻性电流计算结果及上传时间分别进行分析与存储，形成历史阻性电流变化趋势结果；以及，结合设定阈值，对阻性电流超限或变化异常避雷器进行及时预警；以及，将报警信号推送到运检人员手机上。
[0085]
远程客户端7用于通过电网单位内网远程访问和控制监测系统后台，获取各个监测点的避雷器阻性电流信息；以及，对所述监测系统后台配套的监测系统进行远程参数配置。
[0086]
具体的，一台边缘计算节点可以同时控制多个避雷器上的电压及电流采集终端同步测量，并支持多组电压电流波形同时分析计算，给出多个避雷器的阻性电流计算结果，最终将处理完毕的多组结果以及对应的采集时间通过电力内网上传至监测系统后台。
[0087]
边缘计算节点与采集终端之间的通信方式为低功耗无线通信协议，在边缘计算节点覆盖范围内，一个边缘计算节点可以控制不低于20个避雷器的数据监测，当避雷器数量超过限制或距离超过低功耗无线通信协议覆盖范围时，应新增边缘计算节点。
[0088]
具体的，监测系统后台通常是安装有与边缘计算节点配套使用的监测系统的计算机服务器，包含专门的数据库。一方面与边缘计算节点进行数据交互，完成边缘计算节点及电流、电压采集终端参数配置、软件升级、台账管理等功能；另一方面，对边缘计算节点上传的数据进行解析并存储，对阻性电流超标避雷器发出预警信息，预警方式可以通过web消息弹窗或短信方式。
[0089]
监测系统后台还用于设定电流、电压采集终端的工作模式，一般有两种模式，一是等间隔采集模式，间隔时间可设，另一种是手动召回模式，可在任意时刻，发送手动召回结果命令，电流、电压采集终端收到监测系统后台下发的召回命令后，将监测数据上传至边缘计算节点，经分析后将结果传回监测系统后台。
[0090]
监测系统后台还用于，当诊断结果异常时，下发命令将电流、电压采集终端波形通过边缘计算节点传回，以作进一步分析。
[0091]
具体的，边缘计算节点计算避雷器阻性电流，具体如下：
[0092]
计算电压基波和电流基波的初相位，以电压为例，假设电压采集终端采集的电压波形数组为u(n)，采样率为f
s
/hz，一个工频周期(即20ms)对应的点数为n，且有n＝0.02*f
s
。
[0093]
将电压波形数组u(n)中前n个点取出，生成数组，m＝1,2,n，进行如下计算：
[0094][0095][0096]
其中，j为复数单位，j2＝-1。
[0097]
为一复数，该复数的相角即为电压数组基波初相位，记为φ
u
。按相同方法可以求出电流基波初始相位，记为φ
i
。
[0098]
注：电压数组u(n)总长度m应不小于2n，电流数组长度及采样率均与电压数组相同。
[0099]
基于电压基波和电流基波的初相位，计算避雷器阻性电流，如下：
[0100]
计算电流采集终端采集的电流波形数组的有效值i：
[0101][0102]
其中，i(i)为电流采集终端采集的电流波形数组，n为一个工频周期的采样点数；
[0103]
计算避雷器阻性电流i
r
：
[0104]
i
r
＝i cos∠(φ
u-φ
i
)。
[0105]
实施例二
[0106]
本发明实施例提供一种避雷器阻性电流在线监测方法，参见图4，包括：
[0107]
步骤s210，监测系统后台对各边缘计算节点下发采集指令，设定采集时刻点或采集方式；
[0108]
步骤s220，边缘计算节点收到监测系统后台下发的采集指令后，进一步下发至相关的避雷器上的电压与电流采集终端。电压与电流采集终端启动同步采集功能，并将各自采集的电压或电流数据上传至对应的边缘计算节点；
[0109]
步骤s230，边缘计算节点针对同步采集的电压、电流进行分析，计算电压、电流基波分量的初始相位，进而得到相位差，并结合电流波形数据，计算出避雷器阻性电流，最终将计算结果通过电力内网上传至监测系统后台。此外，边缘计算节点也支持将电压、电流采集终端上传的波形进一步上传至监测系统后台，以作更深入的分析。
[0110]
步骤s240，监测系统后台对各边缘计算节点上传结果进行解析并存储，并对阻性电流超标的避雷器及时发出预警信息。
[0111]
远程访问端通过监测系统后台访问监测结果，支持结果导出功能。
[0112]
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。