一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統的製作方法

2024-02-04 16:30:15

本發明一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統，涉及配電網故障檢測領域。

背景技術：

隨著現代電力技術的發展，提高供電質量和供電可靠性成為目前解決電力需求的關鍵。10kV輻射型配網架空線路由於覆蓋面廣，地形複雜，導致線路故障多、變電站越級跳閘多、故障查找困難。目前主要靠人工排查故障，缺乏自動化技術手段，線路的運行電流、電壓、開關狀態不能實時掌握。傳統的利用注入信號進行故障定位的方法，是通過將線路停電後向線路注入異頻電流，然後利用手持檢測裝置對異頻信號進行檢測，且故障指示器不能實現自動定位。這種單一的定位方法雖然測量精度較高，但測量範圍受限制，且只能進行近距離的測量和操作，信息傳遞速率低、環境幹擾大。現場設備只有簡單的監測功能，缺乏對數據地實時分析運算能力，需要由專用的通信接口傳給CPU控制中心處理，耗費資源和成本，且精度不高。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統，利用信號注入裝置實現線路故障分段定位，利用接收到的波形數據實現自動定位。可增大故障判斷機會，縮小故障判斷範圍，減少故障排查時間，減輕巡線人員勞動強度，提高供電可靠性。

本發明採取的技術方案為：

一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統，包括在線取能供電模塊、注入信號發生器、注入信號接收器、注入信號電流反饋模塊、監測及保護單元。所述在線取能供電模塊包括控制電源模塊、電壓多級放大模塊、通信電源模塊、顯示電源模塊；

所述注入信號發生器包括脈衝電流產生電路，脈衝電流產生電路包括二極體VD4-VD7，MOS管VG1-VG3、諧振電感L4、限流電感L5、儲能電感L6、續流二極體VD7、能量回饋二極體VD5、VD6、VD8、充電電容C7、諧振電容C6連接組成的Buck電路；其中MOS管VG1為主功率變換開關，MOS管VG2、VG3為脈衝形成控制開關；充電電容C7、諧振電容C6、諧振電感L4連接構成諧振電路；

所述注入信號接收器包括依次連接的：電壓回波接收模塊、放大濾波模塊、整形模塊、時刻鑑別模塊、時間數字轉換器；時間數字轉換器連接MCU處理器模塊；

所述注入信號電流反饋模塊包括霍爾傳感器、滯環控制電路，所述霍爾傳感器用於採集儲能電感L6的電流，所述滯環控制電路用於控制MOS管VG1-VG3的通斷；

所述監測及保護單元由溫度監測部分、過壓過流保護部分組成。

所述控制電源模塊，用於控制信號發收；所述電壓多級放大模塊，用於將電壓放大給MCU處理器模塊供電；所述通信電源模塊，用於故障信號的遠程發送；所述顯示電源模塊，通過電源電路輸出12V直流電，使液晶點亮且裝置處於待機狀態。

本發明一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統，優點在於：

1：在架空線路不停電的情況下對線路注入信號電流，沒有儲能電池，不需要對裝置提前充電，採用敏感電壓接收，不存在波形畸變，測量精度高，沒有傳統傳感器的可能燃燒和爆炸的危險，利用光纖傳輸，絕緣性能和抗幹擾能力強；而且實現了裝置一體化，不需要人工尋線，數字輸出，還可用於直流配電網故障查找定位，在需要測量多路電壓時，可將多路電壓反射波信息同時發送到MCU，MCU可識別計算並顯示出來故障距離。

2、可用於直流配電網和交流配電網中故障定位，並且可識別計算並顯示出來故障點與信號注入點的距離。

3、可用於配電網不停電時在線取能，並且注入信號檢測定位故障點。

4、利用反饋單元將注入信號反饋到MCU中進行調整，提高了注入信號的準確度和穩定性。

附圖說明

圖1為本發明的系統連接框圖。

圖2為本發明的注入信號接收器連接框圖。

圖3為本發明的在線取能供電模塊電路圖。

圖4為本發明的脈衝電流產生電路圖。

圖5為本發明的控制脈衝驅動功率放大及信號方波逆變電路圖。

圖6(a)為本發明的故障波折反射原理圖一。

圖6(b)為本發明的故障波折反射原理圖二。

圖6(c)為本發明的故障波折反射原理圖三。

圖7為本發明的監測及保護電路圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種基於信號注入裝置的架空配電網行波定位系統，包括在線取能供電模塊、注入信號發生器、注入信號接收器、注入信號電流反饋模塊、監測及保護單元。

所述在線取能供電模塊包括控制電源模塊、電壓多級放大模塊、通信電源模塊、顯示電源模塊。該模塊採用電容分壓原理，由以下幾個部分構成，高壓陶瓷電容C1電容值為332pF，低壓金屬化聚丙烯膜電容電容C2電容值為0.447uF，接地電阻R1為1KΩ，電壓互感器T為220V/24V，濾波電容C3值為6250μF，濾波電感L2值為0.005H(整流電路輸出為24V，電流為5A)，初級儲能電容C4值為47uF；濾波電感L的值為3.7H，應用儲能電容C5值為100uF，VD1、VD2型號為2CW20B二極體。VT1、VT2型號為IRFD9120的三極體，VT2為雙向二極體，VT3為閉鎖二極體，本電源AC/DC模塊電壓輸入為寬範圍輸入，且具有高的轉化效率，能進一步地降低啟動電流，從而提高電源的輸出效率，電容分壓器如圖3所示。

注入信號發生器採用脈衝電流產生電路。設計實現電路圖如圖4所示。利用改進型的Buck電路，由型號為2CW20B的二極體VD4-VD7，型號為IRFD9120MOS管VG1-VG3組成，VG1為主功率變換開關，VG2和VG3為脈衝形成控制開關，L4為拓撲諧振電感，其大小為7mH，L5為其大小為4.7μH的限流電感，L6為儲能電感，型號為2CW20B的VD4為續流二極體，VD5、VD6和VD8為能量回饋二極體，VD7為負載續流二極體，防止VG3關斷時負載連接線的感性特性造成的電壓尖峰。大小為10pH的低頻瓷介電容C7為充電電容，大小為1μF的電容C6為拓撲諧振電容，與L4構成諧振電路。由於脈衝電流產生的信號為方波波信號，因此設計結合控制脈衝功率放大驅動脈衝，利用經典的全橋式電壓源方波逆變對輸出脈衝信號逆變，對信號輸出進行調整，如圖5所示。

注入信號接收器由電壓回波接收模塊、放大濾波模塊、整形模塊、時刻鑑別模塊、時間數字轉換器組成，時刻鑑別模塊功能：信號接收器擬合接收反射波所需的時間長度，送入MCU中處理後，通過數據擬合算出反射波到來的精確時刻，從而實現時刻鑑別，提高精度。具體框圖如圖2所示。

注入信號電流反饋模塊利用電流採樣技術，通過霍爾傳感器採樣電感L6的電流，採用滯環電路控制開關管的通斷，同時這三個開關管的開關動作都被控制信號控制在給定的脈衝時間內，即實現定時功能。

監測及保護單元由溫度監測和過壓過流保護兩部分組成。如圖7所示。該電路包含電壓為3.3V的穩壓二極體、型號為2SC3907的三極體、型號為LM258的運算放大器、熱敏電阻Rr等主要元件組成。

工作原理：

信號檢測使用的計算分段節點位於配電網的各支線的末端位置，該方法為：根據各終端節點的故障回波初始波頭時刻和支線線路長度計算主幹線上與各終端節點對應的各虛擬節點的故障初始波頭時刻的步驟；根據各終端節點的小波變換模值、各虛擬節點的故障初始波頭時刻、以及線路長度數據來確定主幹線上的基準節點的步驟；根據基準節點相鄰的兩虛擬節點的故障初始波頭時刻、以及線路長度數據判斷故障點在主幹線或者在支線上的步驟；以及計算出故障點位置的步驟。根據本發明的方法實現對主幹線路和分支線路故障的精確定位，裝置具有較高的可靠性。

一種適用於10kV架空線單相接地點定位的在線信號注入裝置，利用光纖將信號注入電力線路中，在電力線路不停電的情況下，利用光纖實現裝置的在線取能。如圖3所示，交流架空配電網高電位在線取能方式是利用電容分壓原理，通過高、低壓電容器分壓然後經過後期處理得到所需電壓，3個高壓陶瓷電容器通過光纖與中低壓壓配網三相線路相接觸，利用電容值為332pF的高壓陶瓷電容C1對10Kv電壓進行分壓，並從中低壓電路獲取電能，電容C2電容值為0.447uF低壓金屬化聚丙烯膜電容，再利用上述電容分壓原理U0＝C1/(C1+C2)·U，其中C1,C2為電容的大小，U為電網電壓，利用3×L1進行取能。接地電阻R1為1KΩ，是為了防止電容擊穿後影響後續電路。線路從低壓電容器兩端取能，之後經變壓器T變換後進行整流濾波。如圖3所示，利用變壓器將電容C2兩端的電壓轉換為低壓24V，VD與VT構成PWM整流電路，其中L為限流電感。電感L2和C3、C4組成濾波單元，濾除多餘的紋波。為了防止線路中的各種過電壓及大電流衝擊電源電路，電路前端會加裝壓敏電阻以對電路進行保護。線路中，整流濾波後的電壓會隨著前端母線電流的升高而升高，當鐵心飽和後，感應出的電壓也比較高，因此需加裝電壓保護及能量洩放迴路，以使後續電路免受破壞。當電壓Uab較高時，穩壓二極體VD2被擊穿，與R2和L3、VT2組成降壓電路，此時額定電流為10A的大功率雙向電晶體開始工作，與R2和VT3組成能量洩流並閉鎖電路，多餘的能量進行洩放，後接電路閉鎖不會損壞裝置；當電壓Uab較低時，穩壓二極體VD2不會被擊穿，此時不會影響線路中的起動電流以及該裝置在小電流下的正常工作。將光纖與架空配電線路接觸，使用電容分壓電路分壓，此時電容分壓器的輸入與輸出之間的關係是U0＝C1/(C1+C2)·U，這樣就可以將較高的電壓進行分壓，分壓之後的值將遠大於信號注入裝置的工作電壓，因此利用電壓互感器進行高低壓轉換，整流濾波，儲能電容對裝置實現自取能。然後輸出電壓對控制電源模塊、多級放大模塊、通信電源模塊、顯示模塊進行供電。

注入信號發生器採用脈衝電流產生電路，脈衝電流技術本質上是將脈衝功率能量在時間尺度上進行壓縮，從而能在很短時間內獲得高幅值功率輸出。由能量守恆定律，由於脈衝寬度在時間上被大幅度壓縮，從而峰值功率將得到大幅提高。本發明設計的脈衝電流源的電路圖如圖4所示，在buck電路上增加了另外VG2,VG3兩個開關管，通過VG1,VG2,VG3這三個開關管實現不同時刻的控制功能。主要包括無源關斷緩衝電路1和有源開通緩衝電路2，通過該電路實現零點壓開關環境，降低開關損耗，適用於高壓工況情況。在初始狀態下，VD7導通，其它元件關閉。C6上充有電壓Vi；開通過程此時，VG1,VG2導通，VD6,VD7導通，VD0與VG2進行換流，在VG1與VG2導通的同時，L4與C7進行儲能，逆變電路中的電流經VD7流通，隨後C6與L4產生諧振，VD0關斷，VD6導通，L4將儲存的能量經VD5,VD6,VD7反饋到電路中，由電路框圖可知，VG2與VG3連接為互補導通的，此時控制VG2關斷，VG3隨之導通，將脈衝電流注入逆變電路中，對電流進行DC/AC變換；一個脈衝時間結束後，VG3關斷，L6中剩餘的能量通過VD5,VD7,C7,VD4迴路將剩餘能量給電容C7充電，脈衝電流經VD7續流。

由於脈衝電流產生的信號為方波波信號，因此設計結合控制脈衝功率放大驅動脈衝，利用經典的全橋式電壓源方波逆變對輸出脈衝信號逆變，對信號輸出進行調整。控制脈衝驅動功率放大及信號方波逆變電路基本工作原理為如圖5所示是低頻功率放大SPWM逆變器的主電路設計圖。圖中T1、T2為型號為IRFD9120的功放管組成的推挽式電路,兩隻電晶體180°反相地受到激勵，一隻工作時另一隻截止，兩管輪流導通工作，信號正負半周分開放大，在負載上合成得到完整的波形。Vcc由脈衝電路輸出24V電壓提供。VTc1—VTc6是逆變器的六個功率開關器件，型號為IRF3205，各由一個續流二極體反並聯(VDc1-VDc6型號為1N4001)，整個逆變器由恆值直流電壓Ud供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號的基波頻率為22Hz，應在所要求的輸出頻率範圍內可調。參考信號的幅值也可在一定範圍內變化，決定輸出電壓的大小。控制脈衝驅動電流信號作為逆變器功率開關器件的驅動控制信號。當UdUq時，給V1導通信號，給V4關斷信號，UAB的波形可由UAo-UBo得出，當1和6通時，UA＝Ud，當3和4通時，UBA＝Ud，當1和3或4和6通時，UAB＝0。輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由和0共5種電平組成。

注入信號電流反饋模塊根據線路上的實時電流相角和幅值變化及時對注入電流進行調整。如圖4所示，利用電流採樣採集架空線路電流大小輸入滯環控制環節，利用電流對比來設定電流大小和相位，利用電流輸入滯環控制進行驅動，對注入電流進行反饋調節。

注入信號接收器的原理是：根據電力線路中的行波的折射與反射規律，當電力線路發生單相接地故障後，架空線路上的故障點兩端的波阻抗不同，此時可獲得線路中的故障行波的折射和反射波，通過接收故障行波的反射波對故障點進行計算。根據行波折反射規律，Z為線路波阻抗，電壓折射係數為線路Z2上的折射電壓波U2q與線路Z1上的注入電壓波U1q的比值，同理為電流折射係數，可以推算出，折射係數恆為正值，這說明折射電壓Uf和電流波If與注入的電壓波Uq、電流波Iq同極性，當Z2＝0時，αu＝0,當Z2＝∞時，αu＝2，因此0≤αu≤2。電壓反射係數為線路Z2上的反射電壓波U1f與線路Z1上的注入電壓波U1q的比值，同理為電流反射係數，當Z2＝0時，βu＝-1,當Z2＝∞時，βu＝1，因此反射係數有正有負，所以選取反射波作為裝置檢測和判斷依據。如圖6中線路末端接地時電壓與電流波的折反射。根據圖6(a)中，線路Z1接地點相當於在接地點後接有一條Z2＝0的線路，βu＝-1，βi＝1，所以U1f＝-U1q,i1f＝i1q；圖6(b)中Z1>Z2，βu0，所以U1f<0,i1f<i1q；圖6(c)中Z10，βi<0，所以U1q<U1f<2U1q,i1f<0；在這樣的描述中，再利用圖2的信號波接收電路，得到與注入的電流和電壓波數據和相位之間的交流混合的電壓信號，再將此信號放大，利用濾波單元將其中的其他頻率的信號和頻率為22Hz的信號進行分離，再將粗處理過的電流波和電壓波信號傳輸至MCU模塊處理。MCU處理模塊的原理是利用脈衝式測距的原理是利用注入模塊注入脈衝電流，遇到接地點反射產生回波，由探測器接收到回波之後，進行處理得到行波的注入與接收時間來得到待測距離。設信號波波速為v＝sqrt(LC)，令注入信號波的頻率為f0，反射波在注入點與反射點間的時間為t，發射、接收波形之間的相位差是在t0時刻注入信號為：I1＝Asin(ωt0+θ0)，接收時刻為t1，接收到的信號波為時間差可得故障點距離與注入點距離為λ為波長，N為整波數，△N為整波數餘數。

將所得波形傳入A/D轉換模塊，經由A/D轉換模塊傳入MCU。鍵盤按鈕和MCU之間的連接利用無線編碼技術，採用0/1的二進位編碼原理，每一個鍵對應的背面上下各有兩個引腳，撥至ON一側，這下面兩個引腳接通；反之則斷開。按鈕各自獨立，相互沒有關聯。可以設接通為「1」，斷開為「0」，這樣就有多個地址，每個地址對應相對的電壓信息，將設定好的無線地址經過編碼後的信號由MCU處理器模塊的引腳輸出到無線接收模塊，然後無線接收模塊將基帶信號經高頻載波電路調製後，通過顯示屏顯示出來。同時，MCU主要是利用運算模塊進行異頻輸出，同時將電源信息、注入電流大小頻率以及接收數據傳至顯示屏顯示出來。MCU與信號注入模塊之間互聯形成反饋系統，可對注入信號的頻率、相位等進行校準調節。

在線取能供電模塊中的控制電源模塊、多級放大模塊、通信電源模塊和顯示電源模塊，控制電源模塊採用SC200通用型控制器，用於控制信號發收。電壓多級放大用於將電壓放大給MCU供電，通信電源模塊採用通用模塊，用於故障信號的遠程發送。顯示電源模塊通過電源電路輸出12V直流電，使液晶點亮且裝置處於待機狀態，此時可通過控制面板操作按鈕查看注入信號的相位、頻率和大小等。

監測及保護單元由溫度監測和過壓過流保護兩部分組成。保護電路圖如圖7所示，過壓過流保護和溫度監測電路分為兩級電路，第一級由電阻Rg1、三極體V1及穩壓二極體VDg1等構成，當注入信號電流處於正常電流以下時，經整流出來的電壓U0小於V1導通電壓值Uth＝12V，V1、V2及VDg1都不導通，保護電路處於開路狀態；當U0達到或超過V1導通電壓Uth時，則穩壓管VDg1導通，經過電阻Rg1後在V1兩端形成電壓差，此時V1導通，Rg1和V1共同承擔高壓洩放的任務，隨著三極體V1電流的增大，流經Rg1的電流越來越小，此時V1兩端的電壓差逐漸減小，隨之流經V1的電流減小，從而使Rg1的電流又增大，這樣循環下去，可以將電壓穩定在保護電壓值附近。第二級電路是在裝置內電流或注入電流突然增大時，電流採樣所採集到的流過三極體V1的電流將急劇增大，裝置內元件溫度急劇升高，但是受電路板尺寸和體積的限制，很難通過增大散熱片來降溫，為防止三極體V1燒壞，設計採用三極體V2、Rg2、LM258、熱敏電阻Rr構成能量洩放和報警電路。Rg2值為：Rg2＝UREF/[300(1+Rg4/Rg5)。第二級電路工作原理是：設定門限電壓UREF＝3.3V，門限電流IREF＝300mA監測電阻Rg2上的電壓和電壓，將其與設定比較值UREF＝3.3V進行比較，當URg2≥UREF或I≥300mA時，此時比較器就輸出一高電平，這個高電平使V2導通，此時相當於將V1短路，從而能量經過V2洩放，與此同時，當裝置內溫度升高後，熱敏電阻Rr的設置值從10kΩ迅速減小，此時VRr<VRp，後續電路失去平衡，使得運算放大器輸出低電平，使二極體VDr電路導通，警報指示燈和警報鈴導通實現溫度報警。第二級電路不僅實現了對前一級電路的保護，同時還能對裝置溫度進行監測，當注入電流恢復正常，此時比較器就輸出一低電平，後續電路關斷。