配網(wǎng)運行設備數(shù)據(jù)智能采集裝置的研制

1智能采集裝置的研究目的和意義

隨著電力建設不斷投入,配網(wǎng)規(guī)模日益龐大。在《南方電網(wǎng)公司關于全面推進"十三五"改革發(fā)展的若干意見》中提出:"圍繞服務城鎮(zhèn)化建設,提高供電可靠性,提高配網(wǎng)智能化水平,做強配網(wǎng)。以先進技術標準引領配電網(wǎng)發(fā)展,著力構建強大有序、靈活可靠的配電網(wǎng)架構,全面提升配網(wǎng)裝備水平。打造國際先進的中心城市(區(qū)）高可靠性配電網(wǎng),大幅提升自動化水平和通信支撐能力,實現(xiàn)配電網(wǎng)可觀可控。"因此,應建立一個實時、準確、清晰、可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至屬地運維中心。目前,配網(wǎng)運行設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)往往通過人工定期監(jiān)測來獲得,此方法不但耗費大量人力成本,效率過低,而且現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲得不夠清晰、準確、及時、可靠,嚴重制約了供電的可靠性與穩(wěn)定性。

配網(wǎng)運行設備數(shù)據(jù)智能采集裝置正是在這樣的市場需求背景下研制開發(fā)的,裝置采集內(nèi)容包括電壓、電流和溫度信息,電壓、電流信息能夠反映用戶用電負荷信息及設備運行狀態(tài),溫度信息能夠顯示運行設備的健康狀況,通過電流和溫度數(shù)據(jù)相關性分析,能夠?qū)\行設備的故障進行深度預警,預防故障的發(fā)生。

電流和溫度數(shù)據(jù)之間關系聯(lián)系緊密,相互耦合和獨立構成有機整體,通過監(jiān)測和分析電流、電壓數(shù)據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)運行設備的狀態(tài)巡檢和故障預警。

2智能采集裝置技術原理

智能采集裝置由電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路、數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路和主控制電路等五部分組成。外接交流AC220V對裝置進行供電,可以外接三路電壓、六路電流及六路溫度傳感器。

在智能采集裝置內(nèi),數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路連接交流電壓采集電路、交流電流采集電路和聲表面波溫度采集電路,主控制電路連接數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路。

電流和電壓的采集是基于電磁互感原理和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理,原理簡單,在此不做重復敘述。溫度采集電路是基于采集聲表面波溫度傳感器的信號來實現(xiàn),在此重點描述。

聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。由于壓電晶體本身是換能介質(zhì),電聲之間存在耦合,因此在傳播聲表面波的壓電晶體表面可以制作電聲換能器,使電能和聲能互相轉(zhuǎn)換(圖1）。當壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應將輸入的無線信號轉(zhuǎn)變成聲信號后,被左右兩個周期性柵條反射形成諧振,該諧振器的諧振頻率與溫度有關,其諧振頻率隨溫度改變的改變在一定范圍內(nèi)呈線性關系,利用這種線性關系就可以通過獲取聲表面波的頻率得到精確的被測溫度。

圖1電聲轉(zhuǎn)換

無源傳感器采樣聲表面波器件(簡稱SAW）,在外部溫度變化時,其諧振頻率會隨之變化,根據(jù)這個特性我們通過溫度采集電路發(fā)射無線電磁波激勵SAW器件,SAW器件通過外置的天線接收到電磁波后,將其轉(zhuǎn)換為聲表面波信號,在其內(nèi)部激勵震蕩,諧振發(fā)生后,諧振的聲表面波信號會變換為電磁波信號通過外置的天線發(fā)出,溫度采集電路接收此SAW特征電磁波信號并分析轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。

聲表面波(SAW）器件作為傳感器,結合溫度采集電路,實現(xiàn)溫度信息的采集與傳輸,傳感器安裝在被測點上,無需連線即可將被測點的溫度信息傳送出去。而傳感器本身無需電源供電,亦無需從電力裝備上取電,因而具有優(yōu)越的安全性、可靠性和可維護性。作為高電壓設備安全在線監(jiān)測方面一項顛覆性的技術,該技術是智能電網(wǎng)高壓設備實時溫度監(jiān)測技術上的重大突破。

綜上所述,配網(wǎng)運行設備數(shù)據(jù)智能采集裝置實現(xiàn)了交流電壓、交流電流和溫度采集的一體化,并且各個采集通路各自隔離設計,既實現(xiàn)了功能的一體化,又實現(xiàn)了安全隔離,同時降低了產(chǎn)品成本:并將電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進行相關性建模,能夠進行故障預警,實現(xiàn)了對配網(wǎng)運行設備的可靠監(jiān)測。

3智能采集裝置設計實現(xiàn)說明

智能采集裝置包括交流電壓采集電路、交流電流采集電路、聲表面波溫度采集電路、數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路和主控制電路。

3.1交流電壓采集電路實現(xiàn)說明

交流電壓采集電路由交流電壓調(diào)理電路及直流電流輸出電路組成,實現(xiàn)交流400V電壓的直流轉(zhuǎn)換輸出。

交流電壓互感器輸出的交流變比小信號輸入到調(diào)理電路,變化為直流4～20mA信號輸出,其實現(xiàn)原理圖如圖2所示。

3.2交流交電采流路實現(xiàn)說明

交流電流采集電路由交流電流調(diào)理電路及直流電流輸出電路組成,實現(xiàn)交流電流的直流轉(zhuǎn)換輸出。

交流電流采集模塊由電流互感器輸出交流電流變比信號,輸入到交流電流調(diào)理電路,對信號進行調(diào)理輸出直流信號,直流信號在直流電流輸出接口處理為標準化的4～20mA信號。其實現(xiàn)設計說明如圖3所示。

3.3溫度電采流路實現(xiàn)說明

溫度采集電路由射頻收發(fā)鏈路及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路組成,實現(xiàn)基于聲表面波溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)測量,其實現(xiàn)電路圖如圖4所示。

基于聲表面波技術的溫度傳感器采集實現(xiàn)電路,重點是實現(xiàn)小信號的接收和抗干擾設計。由于聲表面波陀螺的輸出電壓信號非常微弱,通常在十幾納伏,精度越高其電壓值越小。若使用噪聲很低的放大器對信號進行放大,設其噪聲為5nV/Hz,帶寬為100Hz,增益為1000,若聲表面波溫度傳感器輸出的電壓為10nV,則放大后有用信號為10μV,噪聲信號為1.6mV。有用信號完全被淹沒在噪聲之中,所以利用鎖相放大可將信號提取出來。如圖5所示,其優(yōu)點是能夠通過移相器的移相,從x得到準確的電壓值。若移相效果不夠理想,同時也可以通過R通道得到準確的電壓值。

3.4數(shù)字處理及主控模塊

數(shù)字處理及主控模塊實現(xiàn)電壓、電流的數(shù)字化,及電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的相關性處理,其實現(xiàn)電路圖如圖6所示。

4智能采采裝置技術優(yōu)勢

4.1流交、流壓采采技術優(yōu)勢

電流、電壓采集采用交流電磁隔離,轉(zhuǎn)換為4～20mA采集方式,在配網(wǎng)運行設備帶電運行時,依然能夠進行安全的工程施工。

4.2溫度采采技術優(yōu)勢

配網(wǎng)運行設備的電纜、母排等連接處如果接觸不好或設備老化,存在觸點高溫的安全隱患,嚴重情況下會造成配電站不能正常在網(wǎng)運行,導致重大事故。傳統(tǒng)測溫技術,離線巡檢用紅外設備價格昂貴,需要用戶定時巡檢,人工成本高昂,且不能保障設備在線運行實時的安全性:有源在線溫度監(jiān)測設備,采樣有源傳感器存在電池供電的安全隱患,安裝有源傳感器,在為用戶解決問題的同時,也引入了安全隱患。

相比無線有源的測溫方案,基于聲表面波技術的溫度采集后續(xù)維護成本低廉,能夠長期工作在高溫環(huán)境,對測溫場景要求低,能夠適應各種測試場景。

5結語

綜上所述,此產(chǎn)品設計創(chuàng)新性地將電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集集成為一體化設計,降低了配網(wǎng)運行設備數(shù)據(jù)采集的設備部署難度,模塊通用電路的一體化設計降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本,也同時降低了設備的部署和維護成本,為配網(wǎng)運行設備數(shù)據(jù)的智能化采集搭建了可靠的應用基礎。