專利名稱：一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置。
背景技術(shù)：
目前電力系統(tǒng)對變電站高壓隔離開關(guān)觸頭溫度進行監(jiān)測的常規(guī)方法是依靠人力以及紅外測溫儀進行定時巡檢，這種方法不僅耗費大量人力，也不能實現(xiàn)對觸頭溫度變化的實時監(jiān)測。也有一些在線測量方案被提出，但是在這些方案中由于在線測量裝置安裝在隔離開關(guān)高壓導電臂上，因此如何解決裝置的供電的問題是技術(shù)的瓶頸?，F(xiàn)有的方案包括(I)采用光纖測溫技術(shù)。在這種方案中，光纖作為傳光元件把晶體溫度傳感器對光特性的變化量進行傳輸，由于光纖具有電氣絕緣的性能，因此可以把傳·感信號直接引入低壓側(cè)的測量電路，從而比較容易解決供電的問題。在技術(shù)上還不成熟，成本較高，同時電力系統(tǒng)目前還不允許將光纖直接從高壓側(cè)接地。(2)懸浮溫度測量裝置，采用太陽能電池供電。在這種方案中，太陽能電池板被用于為懸浮測量裝置供電，裝置內(nèi)配置蓄電池，用于在光照條件下對能量進行存儲，在無光照條件下為裝置持續(xù)工作提供電源。這種技術(shù)方案的主要問題一是容易受到環(huán)境的影響，例如太陽能電池板的發(fā)電能力決定于光照條件，夜晚或陰雨天氣以及灰塵覆蓋下發(fā)電能力受到極大限制；其次，蓄電池的工作壽命有限，而且在低溫下儲能釋放能力受到極大的限制。(3)懸浮溫度測量裝置，采用磁場線圈感應供電。這種方案中測量裝置的供電通過線圈來感應線路中的負荷電流來實現(xiàn)。這種方案的最大問題是負荷電流總是處于不斷的波動之中，供電的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，能夠既不受環(huán)境的影響，也不受負載電流波動的影響，并且長壽命、免維護。一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特別之處在于包括安裝在變電站每個隔離開關(guān)導電臂上的懸浮測量裝置，以及與所有懸浮測量裝置無線通信的協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器通過光纖與后臺PC連接。其中后臺PC與變電站的控制系統(tǒng)連接。其中懸浮測量裝置包括與隔離開關(guān)觸頭直接接觸的熱電偶，該熱電偶與一微控制器連接從而采集溫度數(shù)據(jù)，該微控制器與無線通信模塊連接從而與協(xié)調(diào)器之間實現(xiàn)無線通信；以及為懸浮測量裝置供電的供電電路。其中微控制器采用單片機。其中懸浮測量裝置與協(xié)調(diào)器之間通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)連接。其中供電電路包括感應取能電路、儲能及其控制電路和微功耗DC-DC電路；該感應取能電路收集安裝在導電臂上的感應板與大地之間的等效電容在交流高壓下產(chǎn)生的位移電流，并使之通過整流橋變換為直流電流向一個取能電容充電；儲能及其控制電路把從該取能電容上獲得的能量通過一個降壓脈沖變壓器向儲能電容來釋放；微功耗DC-DC電路對該儲能電容的電壓進行調(diào)整以及維持輸出的穩(wěn)壓。其中在儲能及其控制電路中還設(shè)有放電開關(guān)控制電路，該放電開關(guān)控制電路通過一個分壓器檢測當前取能電容兩側(cè)的電壓，當它達到一個預設(shè)的閾值的時候，對半導體開關(guān)發(fā)出控制脈沖，使其導通放電，放電電流通過降壓脈沖變壓器向儲能電容充電；該放電開關(guān)控制電路通過一個高壓恒流源電路接取能電容從而獲得供電。其中在儲能及其控制電路中還設(shè)有儲能電容電壓監(jiān)測電路，該儲能電容電壓監(jiān)測電路對當前儲能電容中能量積累情況進行監(jiān)視，當儲能達到一定量后則發(fā)出一個控制脈沖啟動后續(xù)微功耗DC-DC電路工作；該儲能電容電壓監(jiān)測電路通過一個高壓恒流源電路接取能電容從而獲得供電。其中微功耗DC-DC電路包括基于PWM的DC-DC降壓斬波模塊?！?br> 本發(fā)明的主要特點是溫度測量裝置被懸掛在隔離開關(guān)導電臂上接近觸頭的位置，懸掛點埋設(shè)了測溫元件，可以直接對觸頭附近的溫度進行測量；整個裝置通過感應交變的高壓電場來取能，屬于自供電系統(tǒng)，無需外加電源；測量結(jié)果通過ZigBee無線射頻技術(shù)發(fā)送到變電站的主控室，對于多個測溫節(jié)點，它們可以組成一個無線網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)比目前提出的采用太陽能電池供電和磁場線圈供電方式的溫度測量方案相比具有明顯的優(yōu)勢，首先它不受環(huán)境的影響，不受負載電流波動的影響，其次具有長壽命以及免維護的特點。這種方案中溫度的檢測和數(shù)據(jù)的記錄都可以自動完成，能夠?qū)崿F(xiàn)自動預警等功能，從而可以節(jié)約大量人力，對于實現(xiàn)變電站的無人值守具有重要意義。


附圖I為本發(fā)明中懸浮測量裝置的供電電路原理圖；附圖2為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。
具體實施例方式本發(fā)明中隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量裝置的電場感應供電電路原理圖如圖I所示。整個感應供電電路分為三個部分(I)感應取能電路I ; (2)儲能及其控制電路2 ;微功耗DC-DC電路3。其中，感應取能電路I主要作用是利用感應板4與大地之間的高壓電場產(chǎn)生的位移電流給取能電容Cl充電；儲能及其控制電路2主要作用是把取能電容Cl獲得的能量通過一個降壓脈沖變壓器來轉(zhuǎn)移到大容量儲能電容C2上；微功耗DC-DC電路3用于把儲能電容C2電壓轉(zhuǎn)換為溫度測量電路和無線傳輸系統(tǒng)所需的電壓等級。I、感應取能電路I由四個二極管D1、D2、D3和D4以及一個取能電容Cl構(gòu)成，取能電容Cl采用薄膜電容。二極管Dl D4構(gòu)成一個全橋整流電路，其交流側(cè)分別連接隔離開關(guān)導電臂5以及感應板4，把AC位移電流轉(zhuǎn)為DC電流，并給取能電容Cl充電。2、儲能及其控制電路2的主電路由半導體開關(guān)SI，降壓脈沖變壓器Tl，二極管D5以及大容量儲能電容C2構(gòu)成。電阻Rl和R2構(gòu)成一個分壓器，用于監(jiān)視取能電容Cl兩端電壓的高低，當電壓達到設(shè)定的閾值時，放電開關(guān)控制電路驅(qū)動半導體開關(guān)SI導通，把取能電容Cl上的能量通過降壓脈沖變壓器Tl釋放。降壓脈沖變壓器Tl是一個降壓變壓器，用于把取能電容Cl儲存的能量通過整流二極管D5向儲能電容C2轉(zhuǎn)移。儲能電容C2的電壓被儲能電容電壓監(jiān)測電路監(jiān)測，當電壓升到預設(shè)閾值時，該監(jiān)測電路發(fā)出啟動脈沖，控制后微功耗DC-DC電路3工作。二極管D6為續(xù)流二極管，用于半導體開關(guān)SI關(guān)斷后的降壓脈沖變壓器Tl漏感中能量的緩沖和釋放。3、微功耗DC-DC電路3是一個降壓型的PWM斬波器，它及其反饋控制電路用于把儲能電容C2上變化的電壓進行調(diào)整，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，來為后續(xù)溫度測量和無線傳輸系統(tǒng)供電。本發(fā)明的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量裝置的溫度測量電路及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)原理如圖2所示。隔離開關(guān)觸頭溫度采用熱電偶來測量，熱電偶輸出信號被單片機內(nèi)置的ADC模塊采樣。溫度采集數(shù)據(jù)通過一個2. 4GHz的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)向主控室內(nèi)后臺PC的傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形組網(wǎng)方式，每個在線溫度測量裝置為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個終端設(shè)備(Device),它們直接向在主控室附近安裝的協(xié)調(diào)器(Coordinator)發(fā)送接收到的溫度信息。協(xié)調(diào)器把收到的溫度信息通過光纖通訊方式傳送到后臺PC上。后臺PC則運行 IEC61850協(xié)議，被模擬成一個IED設(shè)備，融入電力系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)。管理部門可以直接通過變電站IEC61850實現(xiàn)對溫度測量信息的遠程監(jiān)視。本發(fā)明公開了一種采用電場感應供電的電力系統(tǒng)高壓隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置的技術(shù)方案。該方案直接采用懸浮測量裝置，利用熱電偶對觸頭溫度進行溫度接觸式測量。懸浮測量裝置的供電則通過感應高壓電場的位移電流來實現(xiàn)。相比于現(xiàn)有的其它供電方式，這種供電方式能源提供比較穩(wěn)定，因為電力系統(tǒng)母線電壓是很穩(wěn)定的，它不像負荷電流那樣大幅度波動；另外，電場感應供電方式不受環(huán)境的影響，無論是陰雨天氣或是有灰塵覆蓋，都不會影響其供電效能。因此，這種供電方法可以有效解決現(xiàn)有方案的技術(shù)缺陷。本發(fā)明的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量系統(tǒng)包括懸浮測量裝置以及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，懸浮測量裝置被安裝在變電站每個隔離開關(guān)的導電臂5上，通過熱電偶對觸頭溫度進行接觸式測量，并通過一個單片機及其ADC進行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。單片機把接收到的溫度數(shù)據(jù)通過一個采用公共頻段2. 4GHz的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。ZigBee是建立在IEEE Std 802. 15. 4-2003之上的一種無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。IEEE Std802. 15. 4-2003定義了一種應用于數(shù)據(jù)通訊和無線局域網(wǎng)的具有低傳輸速率、低功耗、低成本但發(fā)送距離有限的射頻通訊協(xié)議。ZigBee常常被用于組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明利用ZigBee技術(shù)把隔離開關(guān)觸頭溫度的懸掛測量裝置作為終端設(shè)備(Device)組建了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用星形組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)的核心部件協(xié)調(diào)器(Coordinator)不僅用于動態(tài)建立網(wǎng)絡(luò)，也是所有終端設(shè)備的溫度信息傳輸?shù)哪康牡亍f(xié)調(diào)器被安裝在主控室附近，通過天線接收來自各個終端發(fā)送的射頻信號，并提取其中的溫度信息，把它們通過光纖傳送到安裝在主控室的后臺PC上。后臺PC主要功能一是本地顯示當前各個隔離開關(guān)的溫度信息，另外則實現(xiàn)了一個IEC61850的服務(wù)器。它被接入到整個變電站的DCS系統(tǒng)中，從而使得各個隔離開關(guān)的溫度信息可以被遠程傳輸?shù)秸{(diào)度和控制中心的顯示器上。本發(fā)明的核心是通過電場感應方式來為懸浮測量裝置提供電源。供電電路的原理如圖I所示，分為三個主要部分(I)感應取能電路I ;(2)儲能及其控制電路2 ; (3)微功耗DC-DC 電路 3。感應取能電路I主要收集安裝在導電臂5上的感應板4 (通常就是懸掛裝置的外殼)與大地之間的等效電容(圖I中虛線所示)在交流高壓下產(chǎn)生的位移電流，并使之向一個取能電容Cl充電。由于感應板4與大地之間的等效電容相比取能電容Cl要小的多，因此位移電流可等效為一個交流恒流源。為了獲得足夠的位移電流，感應板4要具有一定的對地面積，同時電壓等級越高，則位移電流越大，所以本發(fā)明較為適用于IlOkV及以上電壓等級的電力系統(tǒng)。而對于IlOkV以下電壓等級由于需要較大的感應板4面積，因此其應用受到一定的限制。具體是交流位移電流通過一個由二極管Dl D4四個二極管構(gòu)成的整流橋變換為直流電流向取能電容Cl充電。儲能及其控制電路2的主要作用是把取能電容Cl上獲得的能量通過一個半導體放電開關(guān)S和降壓脈沖變壓器Tl向大容量的儲能電容C2來釋放。為了獲得較高的能量， 取能電容Cl的容量一般選擇比較小，而電壓則比較高，因此該能量不能直接被提供給后續(xù)溫度測量電路以及射頻電路，需要進行變換。儲能及其控制電路2的功能就是實現(xiàn)這樣的變換，把取能電容Cl的能量通過降壓脈沖變壓器Tl傳送到低壓側(cè)的儲能電容C2上。大容量的儲能電容C2的設(shè)置主要目的是為后續(xù)溫度測量電路和射頻電路的一次工作儲存足夠的能量。由于通過電場感應所能提供的能量是有限的，因此它是不能夠維持測量電路和射頻電路持續(xù)工作的，只能采用間歇式的工作方式，即儲能-工作-再儲能-再工作的循環(huán)。為了實現(xiàn)上述功能，在電路中設(shè)置了兩個控制單元，一個用于取能電容Cl能量的放電控制，另外一個則用于儲能電容C2的能量監(jiān)測，如圖I所示。放電開關(guān)控制電路的原理是通過一個分壓器檢測當前取能電容Cl兩側(cè)的電壓，當它達到一個預設(shè)的閾值的時候，對半導體開關(guān)SI發(fā)出控制脈沖，使半導體開關(guān)SI導通放電。放電電流通過降壓脈沖變壓器Tl向儲能電容C2充電。二極管D5為變壓器副邊的整流二極管，用于儲能電容C2的單向充電。二極管D6則用于半導體開關(guān)SI關(guān)斷后降壓脈沖變壓器Tl漏感能量的緩沖和釋放。儲能電容電壓監(jiān)測電路主要用于對當前儲能電容C2中能量積累情況進行監(jiān)視，當儲能達到一定量后，它會發(fā)出一個控制脈沖啟動后續(xù)微功耗DC-DC變換電路3工作，為溫度測量電路及射頻電路供電。放電開關(guān)控制電路和儲能電容電壓監(jiān)視電路需要一個輔助的電源為其供電，在本發(fā)明中，這個輔助電源是通過一個高壓恒流源電路從取能電容Cl上直接獲得的。微功耗DC-DC變換電路3的主要作用是對儲能電容C2的電壓進行調(diào)整以及維持輸出的穩(wěn)壓。由于儲能電容C2在釋放能量的過程中，其兩端電壓將不斷變化，這種變化將超過溫度測量電路和射頻電路的工作電源電壓范圍，因此必須要進行穩(wěn)壓控制。為了減少DC-DC變換器的自身功耗，一個基于PWM原理的降壓斬波型DC-DC降壓斬波模塊被采用，從而實現(xiàn)了很高的效率。
權(quán)利要求
1.一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于包括安裝在變電站每個隔離開關(guān)導電臂(5)上的懸浮測量裝置，以及與所有懸浮測量裝置無線通信的協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器通過光纖與后臺PC連接。
2.如權(quán)利要求I所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中后臺PC與變電站的控制系統(tǒng)連接。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中懸浮測量裝置包括與隔離開關(guān)觸頭直接接觸的熱電偶，該熱電偶與一微控制器(MCU)連接從而采集溫度數(shù)據(jù)，該微控制器(MCU)與無線通信模塊連接從而與協(xié)調(diào)器之間實現(xiàn)無線通信；以及為懸浮測量裝置供電的供電電路。
4.如權(quán)利要求3所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中微控制器(MCU)采用單片機。
5.如權(quán)利要求3所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中懸浮測量裝置與協(xié)調(diào)器之間通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)連接。
6.如權(quán)利要求3所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中供電電路包括感應取能電路(I)、儲能及其控制電路(2)和微功耗DC-DC電路(3);該感應取能電路⑴收集安裝在導電臂(5)上的感應板(4)與大地之間的等效電容在交流高壓下產(chǎn)生的位移電流，并使之通過整流橋變換為直流電流向一個取能電容(Cl)充電；儲能及其控制電路(2)把從該取能電容(Cl)上獲得的能量通過一個降壓脈沖變壓器向儲能電容(C2)來釋放；微功耗DC-DC電路(3)對該儲能電容(C2)的電壓進行調(diào)整以及維持輸出的穩(wěn)壓。
7.如權(quán)利要求6所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中在儲能及其控制電路(2)中還設(shè)有放電開關(guān)控制電路，該放電開關(guān)控制電路通過一個分壓器檢測當前取能電容(Cl)兩側(cè)的電壓，當它達到一個預設(shè)的閾值的時候，對半導體開關(guān)發(fā)出控制脈沖，使其導通放電，放電電流通過降壓脈沖變壓器向儲能電容(C2)充電；該放電開關(guān)控制電路通過一個高壓恒流源電路接取能電容(Cl)從而獲得供電。
8.如權(quán)利要求6所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中在儲能及其控制電路(2)中還設(shè)有儲能電容電壓監(jiān)測電路，該儲能電容電壓監(jiān)測電路對當前儲能電容(C2)中能量積累情況進行監(jiān)視，當儲能達到一定量后則發(fā)出一個控制脈沖啟動后續(xù)微功耗DC-DC電路(3)工作；該儲能電容電壓監(jiān)測電路通過一個高壓恒流源電路接取能電容(Cl)從而獲得供電。
9.如權(quán)利要求6所述的一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置，其特征在于其中微功耗DC-DC電路(3)包括基于PWM的DC-DC降壓斬波模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種采用電場感應供電的隔離開關(guān)觸頭溫度在線測量和無線傳輸裝置。其特點是包括安裝在變電站每個隔離開關(guān)導電臂(5)上的懸浮測量裝置，以及與所有懸浮測量裝置無線通信的協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器通過光纖與后臺PC連接。本發(fā)明的主要特點是溫度測量裝置被懸掛在隔離開關(guān)導電臂上接近觸頭的位置，懸掛點埋設(shè)了測溫元件，可以直接對觸頭附近的溫度進行測量；整個裝置通過感應交變的高壓電場來取能，屬于自供電系統(tǒng)，無需外加電源；測量結(jié)果通過ZigBee無線射頻技術(shù)發(fā)送到變電站的主控室。這種技術(shù)方案比目前提出的采用太陽能電池供電和磁場線圈供電方式的溫度測量方案相比具有明顯的優(yōu)勢。
文檔編號G01K7/02GK102879117SQ20121041068
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者艾紹貴, 曾翔君, 呂洪波, 張慧, 詹國紅, 梅華, 潘慶慶, 駱一萍 申請人:寧夏電力公司銀川供電局, 國家電網(wǎng)公司