(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 107561341 A(43)申请公布日 2018.01.09
(21)申请号 201710700092.8(22)申请日 2017.08.16
(71)申请人 国网辽宁省电力有限公司电力科学
研究院
地址 110006 辽宁省沈阳市和平区四平街
39-7号
申请人 沈阳科开电力技术有限公司
国家电网公司(72)发明人 高强 刘齐 原峰 代继成
李在林 潘丰厚 张云华 郭占男 潘加玉 李晓明 韩月 赵东旭 陈瑞国 (74)专利代理机构 辽宁沈阳国兴知识产权代理
有限公司 21100
代理人 何学军
权利要求书2页 说明书6页 附图1页
(51)Int.Cl.
G01R 19/00(2006.01)G01R 31/00(2006.01)G08C 17/02(2006.01)
CN 107561341 A(54)发明名称
基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法(57)摘要
本发明属于避雷器在线监测技术领域，尤其涉及一种基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，具体是一种用于检测金属氧化物避雷器电气性能的在线监测方法。本发明包括电流信号采集装置、电压信号采集装置、手持设备终端、数据采集装置、RS485总线以及综合状态监测单元。本发明手持设备终端自带操作键盘、显示屏和通信接口，方便试验人员操作、观察和上传数据与波形等。能够实现存储数据显示和查询功能，符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》。提高了各装置的抗干扰能力，具有可靠的浪涌保护电路，对电压和电流信号采集测量电路，电源电路，通信电路等接口进行了过电压保护电路的设计，有效提高了各装置的可靠性。
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权 利 要 求 书
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1.基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：包括电流信号采集装置（1）、电压信号采集装置（2）、手持设备终端（3）、数据采集装置（4）、RS485总线（5）以及综合状态监测单元（6）；通过将电流信号采集装置（1）安装在避雷器本体末端上，获得避雷器泄露电流值，电流信号采集装置（1）对此电流信号进行采集、计算处理以及就地存储和显示，并通过2.4G无线通信技术与数据采集装置（4）进行通信；将电压信号采集装置（2）安装于PT二次侧，获得各相避雷器工作电压信号，电压信号采集装置（2）对此电压信号进行采集和计算处理，通过2.4G无线通信技术与数据采集装置（4）进行通信；数据采集装置（4）获得数据后，通过RS485总线（5）与综合状态监测单元（6）连接，进行数据通信，数据采集装置（4）还可同时通过433MHz无线通信与手持设备终端（3）进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述电流信号采集装置（1）安装于避雷器本体末端，用于在线监测避雷器全电流、全电流基波相位、基波频率、动作次数和动作发生时间等参数，同时具有本地机械电流表、计数表显示，方便现场查看避雷器的运行状态，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。
3.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述电压信号采集装置（2）安装于PT二次侧，用于监测PT二次侧电压以及电压基波相位、频率等参数，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。
4.根据权利要求3所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述2.4G无线通信模块包括2.4G无线模块和2.4G天线，是数据采集装置（4）与电流信号采集装置（1）和电压信号采集装置（2）之间的阻性电流相关数据交互方式。
5.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述数据采集装置（4）安装于变电站内，通过内置2.4G无线通信模块，向电流信号采集装置(1)和电压信号采集装置（2）发出无线同步采集信号,接收电流信号采集装置（1）和电压信号采集装置（2）所发出的采集数据,即实现PT二次侧电压和三相避雷器全电流的同步采集；经无线通信，汇集电流信号采集装置（1）和电压信号采集装置（2）的相关监测数据，进而计算出三相避雷器的阻性电流。
6.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述数据采集装置（4）具有远程通信功能，采用MODBUS-RTU协议；数据采集装置内置433MHz无线通信模块，实现与手持终端设备的远程无线通信。
7.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述的433MHz无线通信模块包括433MHz无线模块和433MHz天线，是数据采集装置（4）与手持设备终端（3）之间的相关数据交互方式；数据采集装置（4）通过RS485总线（5）与站内综合状态监测单元（6）连接，通过协议发送采集计算的数据。
8.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：所述综合状态监测单元（6）和手持设备终端（3）实时显示监测数据、存储数据和配置参数；其中，标准RS485总线（5）通信接口，通信参数可灵活配置，方便与综合状态监测单元（6）进行通信，符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》；当数据采集装置（4）所监测的避雷器全电流值和阻性电流值超过用户设定值时，将输出报警信号，及时发现避雷器
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老化或受潮问题，防止故障的发生；所述综合状态监测单元（6）与基于无线数据通信技术的数据采集装置（4）通过标准RS485总线（5）通信接口相连，获取避雷器阻性电流在线监测数据，通过软件界面显示避雷器全电流、阻性电流、报警信息、动作次数和动作时间等相关参数。
9.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：
所述手持设备终端（3）实现远程获取数据采集装置（4）的监测数据，远程设置数据采集装置（4）、电压信号采集装置（2）和电流信号采集装置（1）的相关参数，实现在线监测数据的手持巡检、实时查看和设置。
10.根据权利要求1所述的基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其特征是：
具体操作步骤如下：（1）利用电流信号采集装置采集避雷器电流信号，所述电流信号采集装置通过2.4G无线同步技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样；（2）电压信号采集装置安装于PT二次侧，采集电压信号；电压信号采集装置通过2.4G无线同步技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样；（3）数据采集装置依据《智能变电站状态监测系统站内接口规范》，与站端综合状态监测单元相连接；通过MODBUS-RTU通信协议将数据上传，计算机对数据采集装置的通信、测量、报警、校准参数进行配置；（4）数据采集装置利用2.4G无线通信技术的高通信速率，实现电压、电流信号采集装置的电压和电流同步采样；电压信号采集装置和电流信号采集装置初步计算的结果数据通过2.4G无线通信上传于数据采集装置；（5）数据采集装置获取电压信号采集装置和电流信号采集装置的计算结果和采样时间后计算出阻性电流，并保存数据到装置的FLASH存储器，便于后续分析；（6）数据采集装置通过RS485总线把步骤5得到的实时数据或历史数据上传到站端综合状态监测单元，站端综合状态监测单元通过协议可对数据采集装置进行各种相关参数配置；（7）手持设备终端通过433MHz无线通信技术实现与数据采集装置的数据通信，获取步骤5得到的实时数据或历史数据，手持设备终端通过协议对数据采集装置进行各种相关参数配置。
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基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法
技术领域
[0001]本发明属于避雷器在线监测技术领域，尤其涉及一种基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，具体是一种用于检测金属氧化物避雷器电气性能的在线监测方法。
背景技术
[0002]避雷器是一种重要的过电压保护装置，是电力系统安全运行的有力保障。其中，金属氧化物避雷器由于其具有优良的非线性和大流通容量等优点，在电网中广泛应用。无间隙金属氧化物避雷器如果发生故障，问题会比有串联间隙的阀式避雷器更为严重，因此测量运行中无间隙金属氧化物避雷器阻性电流的工作越来越受到重视。[0003]目前，变电站内所有避雷器均安装计数表，巡检人员通常观察计数表显示的泄漏电流值和动作次数来初步判断避雷器运行状态。随着智能电网的大力发展，现场避雷器都加装在线监测装置，装置内部引入PT电压互感器的二次信号，随着在线监测装置在户外环境下运行时间的加长，内部容易受潮或损坏，这样极易引发PT二次故障，导致事故的发生，而不采用电压参考的方式，在线监测装置只能测量出阻性电流变化的趋势，无法得到其真值。
[0004]由于按照例行试验要求，避雷器的运行状态是否良好需要利用便携式阻性电流测量仪器进行测量，阻性电流测试仪器的操作通常需要2-3个人完成整站的试验，并且测试夹需要试验人员进行操作，这样不仅高场强下人体具有辐射的危害，而且容易引发人体与高压接触的危险。无论是传统变电站还是智能变电站，例行试验中都需要利用阻性电流测试仪器检测避雷器的运行状态。现有试验体系无法减轻避雷器阻性电流带电检测为巡检人员带来的试验工作量，同时可能对PT进行多次操作，工作效率低下，并存在多种重大安全隐患。
[0005]因此，非常有必要进行基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法的研究。
发明内容
[0006]针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，其目的是解决当前避雷器运行状态监测存在的问题，提高巡检数据准确性，降低阻性电流测量工作量，并能够及时发现避雷器老化或受潮问题，实时监测避雷器运行参数，防止故障的发生。[0007]为了实现上述发明目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，包括电流信号采集装置、电压信号采集装置、手持设备终端、数据采集装置、RS485总线以及综合状态监测单元；通过将电流信号采集装置安装在避雷器本体末端上，获得避雷器泄露电流值，电流信号采集装置对此电流信号进行采集、计算处理以及就地存储和显示，并通过2.4G无线通信技术与数据
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采集装置进行通信；将电压信号采集装置安装于PT二次侧，获得各相避雷器工作电压信号，电压信号采集装置对此电压信号进行采集和计算处理，通过2.4G无线通信技术与数据采集装置进行通信；数据采集装置获得数据后，通过RS485总线与综合状态监测单元连接，进行数据通信，数据采集装置还可同时通过433MHz无线通信与手持设备终端进行数据交互。[0008]所述电流信号采集装置安装于避雷器本体末端，用于在线监测避雷器全电流、全电流基波相位、基波频率、动作次数和动作发生时间等参数，同时具有本地机械电流表、计数表显示，方便现场查看避雷器的运行状态，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。
[0009]所述电压信号采集装置安装于PT二次侧，用于监测PT二次侧电压以及电压基波相位、频率等参数，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。[0010]所述2.4G无线通信模块包括2.4G无线模块和2.4G天线，是数据采集装置与电流信号采集装置和电压信号采集装置之间的阻性电流相关数据交互方式。[0011]所述数据采集装置安装于变电站内，通过内置2.4G无线通信模块，向电流信号采集装置和电压信号采集装置发出无线同步采集信号,接收电流信号采集装置和电压信号采集装置所发出的采集数据,即实现PT二次侧电压和三相避雷器全电流的同步采集；经无线通信，汇集电流信号采集装置和电压信号采集装置的相关监测数据，进而计算出三相避雷器的阻性电流。
[0012]所述数据采集装置具有远程通信功能，采用MODBUS-RTU协议；数据采集装置内置433MHz无线通信模块，实现与手持终端设备的远程无线通信。
[0013]所述的433MHz无线通信模块包括433MHz无线模块和433MHz天线，是数据采集装置与手持设备终端之间的相关数据交互方式；数据采集装置通过RS485总线与站内综合状态监测单元连接，通过协议发送采集计算的数据。
[0014]所述综合状态监测单元和手持设备终端实时显示监测数据、存储数据和配置参数；其中，标准RS485总线通信接口，通信参数可灵活配置，方便与综合状态监测单元进行通信，符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》；当数据采集装置所监测的避雷器全电流值和阻性电流值超过用户设定值时，将输出报警信号，及时发现避雷器老化或受潮问题，防止故障的发生；所述综合状态监测单元与基于无线数据通信技术的数据采集装置通过标准RS485总线通信接口相连，获取避雷器阻性电流在线监测数据，通过软件界面显示避雷器全电流、阻性电流、报警信息、动作次数和动作时间等相关参数。
[0015]所述手持设备终端实现远程获取数据采集装置的监测数据，远程设置数据采集装置、电压信号采集装置和电流信号采集装置的相关参数，实现在线监测数据的手持巡检、实时查看和设置。
[0016]基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，具体操作步骤如下：
（1）利用电流信号采集装置采集避雷器电流信号，所述电流信号采集装置通过2.4G无线同步技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样；
（2）电压信号采集装置安装于PT二次侧，采集电压信号；电压信号采集装置通过2.4G无线同步技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样；
（3）数据采集装置依据《智能变电站状态监测系统站内接口规范》，与站端综合状态监测单元相连接；通过MODBUS-RTU通信协议将数据上传，计算机对数据采集装置的通信、测
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量、报警、校准参数进行配置；
（4）数据采集装置利用2.4G无线通信技术的高通信速率，实现电压、电流信号采集装置的电压和电流同步采样；电压信号采集装置和电流信号采集装置初步计算的结果数据通过2.4G无线通信上传于数据采集装置；
（5）数据采集装置获取电压信号采集装置和电流信号采集装置的计算结果和采样时间后计算出阻性电流，并保存数据到装置的FLASH存储器，便于后续分析；
（6）数据采集装置通过RS485总线把步骤5得到的实时数据或历史数据上传到站端综合状态监测单元，站端综合状态监测单元通过协议可对数据采集装置进行各种相关参数配置；
（7）手持设备终端通过433MHz无线通信技术实现与数据采集装置的数据通信，获取步骤5得到的实时数据或历史数据，手持设备终端通过协议对数据采集装置进行各种相关参数配置。
[0017]本发明的优点及有益效果是：
通过本发明技术方案的实施，能够真正实现对避雷器阻性电流的准确而稳定的实时监测。本发明设计方法具有以下创新点：
1.监测方法的创新：（1）全无线通信方式设计，实现三相避雷器阻性电流的无线同步测量。电压、电流信号和数据采集装置完全隔离，消除了各相测量回路之间的干扰，使测量数据有效、可靠，安装方便；
（2）采用谐波分析法和数字滤波算法等软件抗干扰方法使测量结果准确、稳定；并能克服相间干扰影响，正确测量边相避雷器的阻性电流；
（3）针对特高压大容量氧化锌避雷器泄漏电流测量范围大的特点，电流信号采集装置具备智能电流检测和量程自动切换功能，以满足各电压等级氧化锌避雷器在线监测试验要求。
[0018]2.结构设计的创新：
（1）电流信号采集装置壳体材质为铸铝，分为上下两部分，上壳体开有窗口并由钢化玻璃密封，钢化玻璃表面贴装2.4GHz通信天线，电流表和计数表安装于上壳体，可从窗口中显示。下壳体顶端装有绝缘支柱，避雷器泄漏电流通过绝缘支柱引入到电路板上；下壳体底端还设有两处安装孔和两处用于接线的航空插座。[0019]（2）电压信号采集装置采用方形金属外壳，内置分压测量单元，外置2.4GHz通信天线。上部和底部分别有两处用于接线的航空插座，上部的航空插座用于与PT二次侧电压信号连接，下部的航空插座用于与供电电源连接，采用两芯屏蔽电缆连接。[0020]（3）数据采集装置采用方形金属外壳，内置数据处理单元，外置2.4GHz和433MHz两根通信天线。底部有一处用于接线的航空插座，用于与供电电源和状态综合监测单元连接，采用四芯屏蔽电缆连接。
[0021]3.手持设备终端自带操作键盘、大屏幕液晶显示屏和RJ45通信接口，方便试验人员操作、观察和上传数据与波形等。
[0022]4.数据采集装置具有试验数据存储功能，将试验数据保存在装置存储器中，存储数据掉电不丢失，并且能连续保存一年以上的试验数据。为分析避雷器的运行状态提供依
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5.数据采集装置可同时与站内综合状态监测单元连接和手持终端设备通信。数据
采集装置通过RS485总线与站内综合状态监测单元连接，通过MODBUS-RTU通信发送采集计算的数据，并由专用的上位机软件实现存储数据显示和查询功能。符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》。
[0024]6.抗电磁干扰及浪涌保护电路的设计。由于电流信号采集装置、电压信号采集装置和数据采集装置均处于高电压，强磁场环境，对电子设备产生的电磁干扰容易导致监测数据不准确，工作不正常。为此，专门从硬件和软件采取措施，提高了各装置的抗干扰能力。各装置均设计了可靠的浪涌保护电路，对电压和电流信号采集测量电路，电源电路，通信电路等接口进行了过电压保护电路的设计，有效的提高了各装置的可靠性。[0025]下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细的说明，但不受本实施例所限。
附图说明
[0026]图1为本发明的工作原理示意图。[0027]图中：电流信号采集装置1，电压信号采集装置2，手持设备终端3，数据采集装置4， RS485总线5，综合状态监测单元6。具体实施方式
[0028]本发明是一种基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法，可以用于整站的避雷器阻性电流在线监测。如图1所示，图1为本发明的工作原理示意图。本发明包括电流信号采集装置1、电压信号采集装置2、手持设备终端 3、数据采集装置4、RS485总线 5以及综合状态监测单元6。通过将电流信号采集装置 1安装在避雷器本体末端上，获得避雷器泄露电流值，电流信号采集装置 1对此电流信号进行采集、计算处理以及就地存储和显示，并通过2.4G无线通信技术与数据采集装置 4进行通信；将电压信号采集装置 2安装于PT二次侧，获得各相避雷器工作电压信号，电压信号采集装置 2对此电压信号进行采集和计算处理，通过2.4G无线通信技术与数据采集装置 4进行通信；数据采集装置 4获得数据后，通过RS485总线 5与综合状态监测单元 6连接，进行数据通信，数据采集装置 4还可同时通过433MHz无线通信与手持设备终端 3进行数据交互。[0029]其中，电流信号采集装置1安装于避雷器本体末端，用于在线监测避雷器全电流、全电流基波相位、基波频率、动作次数和动作发生时间等参数，同时具有本地机械电流表、计数表显示，方便现场查看避雷器的运行状态，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。
[0030]电压信号采集装置安装于PT二次侧，用于监测PT二次侧电压以及电压基波相位、频率等参数，装置内置2.4G无线通信模块，通过2.4G无线通信来接收指令和发送数据。所述的2.4G无线通信模块包括2.4G无线模块和2.4G天线，是数据采集装置 4与电流信号采集装置 1和电压信号采集装置 2之间的阻性电流相关数据交互方式。[0031]数据采集装置安装于变电站内空旷位置，通过内置2.4G无线通信模块，向电流信号采集装置1和电压信号采集装置2发出无线同步采集信号,接收电流信号采集装置和电压
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信号采集装置所发出的采集数据,即实现PT二次侧电压和三相避雷器全电流的同步采集。经无线通信，汇集电流信号采集装置和电压信号采集装置的相关监测数据，进而计算出三相避雷器的阻性电流。
[0032]数据采集装置也具有远程通信功能，采用MODBUS-RTU协议。数据采集装置内置433MHz无线通信模块，从而实现与手持终端设备的远程无线通信。所述的433MHz无线通信模块包括433MHz无线模块和433MHz天线，是数据采集装置 4与手持设备终端 3之间的相关数据交互方式。数据采集装置通过RS485总线与站内综合状态监测单元连接，通过协议发送采集计算的数据。综合状态监测单元6和手持设备终端3可实时显示监测数据、存储数据和配置参数。其中，标准RS485总线通信接口，通信参数可灵活配置，方便与综合状态监测单元进行通信，符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》。当数据采集装置所监测的避雷器全电流值和阻性电流值超过用户设定值时，将输出报警信号，及时发现避雷器老化或受潮问题，防止故障的发生。
[0033]本发明融合了业界主流的PT参考电压法，交流220V参考电压法，相角法和三次谐波法四种工作原理的避雷器在线监测方法；支持单相或三相同时测量，能够准确测量避雷器的全电流、阻性电流、动作次数、动作时间、被测相避雷器工作电压、电压谐波含量、电压基波与总电流基波夹角等参数。能够显著提高避雷器运行状态在线监测的准确度和工作效率。
[0034]本发明还具有避雷器阻性电流数据实时监测及超限报警功能，报警阈值可以由用户自行定义，当出现异常情况时，综合状态监测单元和手持终端设备的显示屏及远方监控的计算机均会发出报警信号，使工作人员能够及时采取处理措施，避免故障的发生，保证电力系统的稳定运行。[0035]通过符合《智能变电站状态监测系统站内接口规范》的综合状态监测单元与基于无线数据通信技术的数据采集装置通过标准RS485总线通信接口相连，获取避雷器阻性电流在线监测数据，通过软件界面显示避雷器全电流、阻性电流、报警信息、动作次数和动作时间等相关参数，方便查看避雷器运行状态。[0036]通过手持设备终端3，远程获取数据采集装置4的监测数据，远程设置数据采集装置4、电压信号采集装置2和电流信号采集装置1的相关参数，实现在线监测数据的手持巡检、实时查看和设置。
[0037]本发明是一种基于无线同步采样技术的避雷器阻性电流在线监测方法的具体操作步骤如下：
1.利用电流信号采集装置采集避雷器电流信号,所述电流信号采集装置通过2.4G无线同步技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样。[0038]2.电压信号采集装置安装于PT二次侧，采集电压信号；电压信号采集装置通过2.4G无线通信技术实现与数据采集装置的数据交互和电压电流同步采样。[0039]3.数据采集装置依据《智能变电站状态监测系统站内接口规范》，与站端综合状态监测单元相连接；通过MODBUS-RTU通信协议将数据上传，计算机可以通过串口调试助手等串口工具对数据采集装置的通信、测量、报警、校准等参数进行配置。[0040]4.数据采集装置利用2.4G无线通信技术的高通信速率，实现电压、电流信号采集装置的电压和电流同步采样；电压信号采集装置和电流信号采集装置初步计算的结果数据
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通过2.4G无线通信上传于数据采集装置。
[0041]5.数据采集装置获取电压信号采集装置和电流信号采集装置的计算结果和采样时间后计算出阻性电流，并保存数据到装置的FLASH存储器，便于后续分析。
[0042]6.数据采集装置通过RS485总线把步骤5得到的实时数据或历史数据上传到站端综合状态监测单元，站端综合状态监测单元通信协议对数据采集装置4进行各种相关参数配置。
[0043]7.手持设备终端通过433MHz无线通信技术实现与数据采集装置的数据通信，获取步骤5得到的实时数据或历史数据，通过协议对数据采集装置进行各种相关参数配置。
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