本發(fā)明涉及輸電線路設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與電力需求的不斷增長(zhǎng)，電力生產(chǎn)的安全運(yùn)行問題也越來越突出。對(duì)于輸電線路來講，雷擊跳閘一直是影響高壓輸電線路供電可靠性的重要因素。由于大氣雷電活動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，目前對(duì)輸電線路雷害除“避雷”外沒有其他有效防雷措施。目前，在輸電線路遭受雷擊后，對(duì)雷擊故障的精確定位與及時(shí)發(fā)現(xiàn)成為本領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)難題，更不用說對(duì)雷擊故障類型的分析。

同時(shí)，有些雷擊雖然沒有嚴(yán)重到跳閘的程度，但其對(duì)高壓輸電線路會(huì)造成潛在損害，進(jìn)而引發(fā)的惡性事故也數(shù)不勝數(shù)。

因此，關(guān)于輸電線路的雷擊故障辨識(shí)、定位的技術(shù)急需改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備，能夠極大地提高輸電可靠性并減少電量損耗。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一方面實(shí)施例提出了一種輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備，包括：集成信號(hào)采集互感器、信號(hào)計(jì)量電路和信號(hào)處理電路，其中，所述集成信號(hào)采集互感器包括傳感器、第一線圈和第二線圈，所述信號(hào)計(jì)量電路包括微控制器和放大器；所述傳感器將檢測(cè)到的雷電流感應(yīng)磁信號(hào)發(fā)送至所述微控制器，所述微控制器根據(jù)所述雷電流感應(yīng)磁信號(hào)為所述第一線圈提供驅(qū)動(dòng)脈沖，所述第二線圈根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)脈沖獲取反饋信號(hào)；所述反饋信號(hào)依次經(jīng)所述放大器和所述微控制器處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榇幚頂?shù)字信號(hào)，并發(fā)送至所述信號(hào)處理電路，以產(chǎn)生故障分析信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備，可對(duì)桿塔雷電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過每基鐵塔的實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，進(jìn)而得出該線路雷擊故障的位置與類型，因此該設(shè)備有效提高了輸電線路的雷擊隱患定位精度，極大地提高輸電可靠性并減少電量損耗。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例提出的輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

具體的，所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還包括：短波報(bào)文中繼電路，其接收來自所述信號(hào)處理電路的所述故障分析信號(hào)并將其中繼給用戶以提示或告警。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述短波報(bào)文中繼電路包括短波編解碼器、擴(kuò)頻收發(fā)器和中繼轉(zhuǎn)發(fā)器。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述擴(kuò)頻收發(fā)器的工作頻段為26-29mhz。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述信號(hào)處理電路包括高速專用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列fpga和16個(gè)單片機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一線圈和所述第二線圈均繞制在由鐵氧體磁性材料制成的環(huán)形鐵芯上。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還包括：容性儲(chǔ)能電路，用于將所述集成信號(hào)采集互感器產(chǎn)生的所述反饋信號(hào)進(jìn)行回收儲(chǔ)能，以為所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備提供電源。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還包括防護(hù)外殼。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備安裝在所述輸電線路的防雷接地引線上。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的“樹閃”故障的波形分析示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的“鳥閃”故障的波形分析示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的“外破”故障的波形分析示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的“多重雷擊”故障的波形分析示意圖；

附圖標(biāo)記：

集成信號(hào)采集互感器1、信號(hào)計(jì)量電路2、信號(hào)處理電路3、短波報(bào)文中繼電路4、中繼轉(zhuǎn)發(fā)器5、短波編解碼器6、sh69p862單片機(jī)7、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列8、微控制器9、放大器10、第二線圈11、傳感器12、第一線圈13、擴(kuò)頻收發(fā)器14。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

下面結(jié)合附圖來描述本發(fā)明實(shí)施例的輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備。

如圖1所示，所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備，包括：集成信號(hào)采集互感器1、信號(hào)計(jì)量電路2和信號(hào)處理電路3，其中，所述集成信號(hào)采集互感器1包括傳感器12、第一線圈13和第二線圈11，所述信號(hào)計(jì)量電路2包括微控制器9和放大器10。

優(yōu)選的，所述第一線圈13和所述第二線圈11均繞制在由在鐵氧體磁性材料制成的兩個(gè)環(huán)形鐵芯上。所述傳感器12可以為霍爾傳感器。所述放大器10可以為lmv324運(yùn)算放大器，所述微控制器9可以為stm32l0單片微控制器。所述信號(hào)處理電路3可以包括高速專用的fpga(field－programmablegatearray，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)8和16個(gè)單片機(jī)7。

所述傳感器12檢測(cè)雷電流感應(yīng)磁信號(hào)，并將該雷電流感應(yīng)磁信號(hào)發(fā)送至所述微控制器9。所述微控制器9根據(jù)該雷電流感應(yīng)磁信號(hào)產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，該測(cè)量信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路為所述第一線圈13提供電磁脈沖，也即“驅(qū)動(dòng)脈沖”。所述第二線圈11根據(jù)所述“驅(qū)動(dòng)脈沖”獲取反饋信號(hào)，并將所述反饋信號(hào)發(fā)送至所述放大器10，接著放大后的反饋信號(hào)被發(fā)送至所述微控制器9。經(jīng)所述微控制器9處理后，放大后的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇幚頂?shù)字信號(hào)。

進(jìn)而，所述微控制器9將所述待處理數(shù)字信號(hào)發(fā)送至所述信號(hào)處理電路3，最終產(chǎn)生故障分析信號(hào)。具體的，所述信號(hào)處理電路3接收到所述待處理數(shù)字信號(hào)后，通過專用fpga現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)分析。此處選用的fpga基于xilinxspartan-6芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。spartan-6芯片為xilinx的低成本、低功耗的fpga，其基于低功耗45nm、9金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術(shù)，以及高級(jí)功耗管理技術(shù)。此系列含最多150000個(gè)邏輯單元、集成式pciexpress模塊、高級(jí)儲(chǔ)存器支持、250mhzdspslice和3.125gbps低功耗收發(fā)器。進(jìn)一步的，在本電路中使用了lanview進(jìn)行開發(fā)固化邏輯，spartan-6芯片使用16+4數(shù)據(jù)總線連接，由16個(gè)sh69p862單片機(jī)7組成的算法參數(shù)計(jì)算模塊來實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的多算法平行計(jì)算，成本相對(duì)低廉。其中，每組數(shù)據(jù)均會(huì)在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行16種模式的分析計(jì)算，在得到初步解算結(jié)果后進(jìn)行時(shí)域分析得出最終分析結(jié)果。

此外，上述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還可以包括短波報(bào)文中繼電路4和防護(hù)外殼。所述短波報(bào)文中繼電路4為多功能中繼電路，用來接收來自所述信號(hào)處理電路的所述故障分析信號(hào)并將其中繼給用戶以提示或告警。本實(shí)施例中的所述多功能短波報(bào)文中繼電路4基于一種自主對(duì)等基站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)將每一首發(fā)節(jié)點(diǎn)均視為中繼節(jié)點(diǎn)，并允許一對(duì)多數(shù)據(jù)報(bào)文中繼。鑒于此原理使用無線自動(dòng)接力技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)將具有無可比擬的網(wǎng)絡(luò)健壯性和實(shí)施便利性。在本系統(tǒng)中使用了短波cw模式報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸方式，自主開發(fā)無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，每個(gè)監(jiān)測(cè)終端具有1個(gè)無線數(shù)據(jù)芯片以監(jiān)聽模式工作，聆聽周圍監(jiān)測(cè)終端發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)文，處理并轉(zhuǎn)發(fā)出去。實(shí)際使用中，單一監(jiān)測(cè)終端可覆蓋1.5公里的數(shù)據(jù)通訊范圍。具體的，所述短波報(bào)文中繼電路4同時(shí)集成了短波編解碼器6、擴(kuò)頻收發(fā)器14和中繼轉(zhuǎn)發(fā)器5。優(yōu)選的，所述短波編解碼器6可以為短波莫爾斯編解碼電路，所述擴(kuò)頻收發(fā)器14可以為27mhz擴(kuò)頻收發(fā)電路。其中，短波編解碼器6由attiny85單片機(jī)組成，利用attiny85的adc進(jìn)行莫爾斯音頻的解碼，通過io端口與rc組成的dac電路進(jìn)行莫爾斯音頻的編碼。所述擴(kuò)頻收發(fā)器14可以為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的qrp收發(fā)機(jī)電路，其工作頻段可以為26-29mhz。實(shí)際使用中，所述擴(kuò)頻收發(fā)器14可根據(jù)需要自動(dòng)改變頻段以避開干擾。

為了保證輸電線路的可靠工作，本實(shí)施例中的故障辨識(shí)及定位設(shè)備還包括容性儲(chǔ)能電路，用于將所述集成信號(hào)采集互感器產(chǎn)生的所述反饋信號(hào)進(jìn)行回收儲(chǔ)能，以為所述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備提供電源。所述容性儲(chǔ)能電路利用“大容量法拉電容”的電能存儲(chǔ)特性進(jìn)行電能存儲(chǔ)，其特性類似于充電電池。由于“大容量法拉電容”的特殊性，使集成信號(hào)采集互感器1產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)可以被回收利用，使之成為整個(gè)故障辨識(shí)及定位設(shè)備的可靠電源。具體的，本設(shè)備中使用集成信號(hào)采集互感器感應(yīng)出來的電流換能，將其轉(zhuǎn)化為0.9v至1.24v交流電，經(jīng)整流升壓得到3.3伏工作電壓，作為整個(gè)設(shè)備的待機(jī)電源。同時(shí)，該工作電壓將以2ma/h的充電速率對(duì)容性儲(chǔ)能電路進(jìn)行充電。當(dāng)需要數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送時(shí)，由容性儲(chǔ)能電路中的法拉電容提供必須的電能。

本發(fā)明實(shí)施例中描述的輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備為目前第一型可以安裝在接地引線上的用于確定雷擊原因與雷擊定位的設(shè)備，其基于接地引線感應(yīng)原理進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體來說，該設(shè)備利用高壓輸電線路鐵塔的金屬特性實(shí)現(xiàn)雷電不同波段信號(hào)的采集，進(jìn)而運(yùn)用高速專用處理電路技術(shù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析并提取特征，然后通過短波報(bào)文中繼技術(shù)將定位信號(hào)發(fā)送至工作人員，有效地提高了雷擊跳閘事故的處理效率，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。

在本實(shí)施例中，系統(tǒng)基礎(chǔ)理論將頻率計(jì)算、變換全周傅氏變換算法、多端統(tǒng)計(jì)測(cè)距算法作為計(jì)算基礎(chǔ)理論，下面逐一介紹。

頻率計(jì)算

采樣電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷盒盘?hào)，其為正弦變化電壓。假設(shè)采樣器件電壓值保持不變，系統(tǒng)頻率也不迅速改變，那么系統(tǒng)電壓信號(hào)采樣可用如下公式：

v(t)＝vsin(2πft)

假設(shè)每周波采樣點(diǎn)為n，每毫秒采樣點(diǎn)為n，當(dāng)電壓信號(hào)以t為時(shí)間間隔采樣是，第k,k+1,k+2的采樣值分別表示為：

vk＝vsin(2πft+θ)

vk+1＝vsin(2πf(t+t)+θ)

vk+2＝vsin(2πf(t+2t)+θ)

由上式可以推導(dǎo)出：

vk+vk+2＝cos(2πft)＝4sin²(πft)

變換全周傅氏變換算法

這是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種較好的算法，尤其是在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)提取基波分量時(shí)占有重要的地位。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)往往產(chǎn)生較大的衰減，非周期分量全周傅氏差分算法則可以消除這種誤差。

具體的，為了降低直流分量的影響，采用差分變換，即用采樣值之差x(n+1)代替x(n)。假定被采樣信號(hào)是一個(gè)周期性的時(shí)間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為n，其為自然數(shù)，代表諧波次數(shù)。

多端統(tǒng)計(jì)測(cè)距算法

利用多端統(tǒng)計(jì)的測(cè)距算法，在原理上完全不受故障過渡電阻(阻抗)的大小、性質(zhì)及線路系統(tǒng)阻抗的影響，可以保證測(cè)距的精度。但是，其主要缺點(diǎn)是需要通道傳遞各點(diǎn)信息。多端數(shù)據(jù)同步和消除測(cè)距方程偽根也是保證測(cè)距精度必不可少的手段。多端測(cè)距方法大多利用各點(diǎn)引線電流量、土壤電流量、土壤電場(chǎng)強(qiáng)度，列出故障點(diǎn)的輸電線路的分布參數(shù)方程。可列出如下方程：

式中，為本端相對(duì)各端不同步相角差，s＝0,1,2為序量標(biāo)號(hào)，“f”代表故障后，“p”代表故障前，“n”代表故障前，“f”代表故障點(diǎn)。由上式可得：

對(duì)非對(duì)稱故障可得：

其中公式求解過程繁瑣，求出的結(jié)果往往是復(fù)數(shù)，存在的誤差較大，為了剔除這些偽根，提出“牛頓法”這種求解方法。牛頓法實(shí)質(zhì)上是一種線性化方法，其基本思想是將非線性方法逐步歸結(jié)為某種線性方程求解。它的優(yōu)點(diǎn)是收斂快。令和0，式中變?yōu)榈暮瘮?shù)，將在點(diǎn)展開，有則則下山法能保證函數(shù)值穩(wěn)定下降，防止迭代發(fā)散。

基于上述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備，當(dāng)高壓輸電線路遭遇雷擊而發(fā)生對(duì)地放電時(shí)，同時(shí)相鄰幾基鐵塔的監(jiān)測(cè)終端同時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)服務(wù)器進(jìn)行波形分析比對(duì)后可以精確定位發(fā)生對(duì)地放電的“鐵塔位置”，并推算出雷擊點(diǎn)、異物放電、鳥閃點(diǎn)、樹木閃絡(luò)、外力放電點(diǎn)等諸多放電位置與兩基鐵塔間檔距的距離范圍，其精度理論上可以達(dá)到30米。

具體的，上述輸電線路的故障辨識(shí)及定位設(shè)備可以綜合錄波線路區(qū)間，進(jìn)行各點(diǎn)逐一分析計(jì)算。優(yōu)選的，本發(fā)明實(shí)施例的故障辨識(shí)及定位設(shè)備以錄波分析為主，電場(chǎng)變化與導(dǎo)電率為輔的算法進(jìn)行綜合錄波分析方法，進(jìn)而可以有效識(shí)別樹閃、鳥閃、冰閃、外破、多重雷擊、多回雷擊等故障原因。下面結(jié)合附圖2-5舉例說明高壓輸電線路的雷擊故障的辨識(shí)分析圖。具體而言，附圖2-5基于錄波信息以及土壤電場(chǎng)變化、土壤導(dǎo)電率信息進(jìn)行分析，并結(jié)合溫濕度傳感器對(duì)特定氣候條件對(duì)故障進(jìn)行辨識(shí)。

附圖2為“樹閃”故障的波形分析示意圖，自上而下分別為接地引線錄波原始、接地引線錄波移相a、接地引線錄波移相b、土壤電場(chǎng)變化表層、土壤電場(chǎng)變化底層、土壤導(dǎo)電率。

附圖3為鳥閃故障的波形分析示意圖，自上而下分別為接地引線錄波原始、接地引線錄波移相a、接地引線錄波移相b、土壤電場(chǎng)變化表層、土壤電場(chǎng)變化底層。此處需注意，冰閃故障與鳥閃故障波形類似，但溫濕度傳感器不同，并以此數(shù)據(jù)區(qū)分這兩種故障類型。

附圖4為外破故障的波形分析示意圖，自上而下分別為接地引線錄波原始、接地引線錄波移相a、接地引線錄波移相b、土壤電場(chǎng)變化表層、土壤電場(chǎng)變化底層、土壤導(dǎo)電率。

附圖5為多重雷擊的波形分析示意圖，自上而下分別為接地引線錄波原始、接地引線錄波移相a、接地引線錄波移相b、土壤電場(chǎng)變化表層、土壤電場(chǎng)變化底層。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)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觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。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，或僅僅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，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。