配网运行设备数据智能采集装置的研制

1智能采集装置的研究目的和意义

随着电力建设不断投入,配网规模日益庞大。在《南方电网公司关于全面推进"十三五"改革发展的若干意见》中提出:"围绕服务城镇化建设,提高供电可靠性,提高配网智能化水平,做强配网。以先进技术标准引领配电网发展,着力构建强大有序、灵活可靠的配电网架构,全面提升配网装备水平。打造国际先进的中心城市（区）高可靠性配电网,大幅提升自动化水平和通信支撑能力,实现配电网可观可控。"因此,应建立一个实时、准确、清晰、可靠的数据采集系统,将现场数据传输至属地运维中心。目前,配网运行设备现场数据往往通过人工定期监测来获得,此方法不但耗费大量人力成本,效率过低,而且现场数据获得不够清晰、准确、及时、可靠,严重制约了供电的可靠性与稳定性。

配网运行设备数据智能采集装置正是在这样的市场需求背景下研制开发的,装置采集内容包括电压、电流和温度信息,电压、电流信息能够反映用户用电负荷信息及设备运行状态,温度信息能够显示运行设备的健康状况,通过电流和温度数据相关性分析,能够对运行设备的故障进行深度预警,预防故障的发生。

电流和温度数据之间关系联系紧密,相互耦合和独立构成有机整体,通过监测和分析电流、电压数据,能够实现配网运行设备的状态巡检和故障预警。

2智能采集装置技术原理

智能采集装置由电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、数据数字处理电路和主控制电路等五部分组成。外接交流AC220+对装置进行供电,可以外接三路电压、六路电流及六路温度传感器。

在智能采集装置内,数据数字处理电路连接交流电压采集电路、交流电流采集电路和声表面波温度采集电路,主控制电路连接数据数字处理电路。

电流和电压的采集是基于电磁互感原理和AV模数转换原理,原理简单,在此不做重复叙述。温度采集电路是基于采集声表面波温度传感器的信号来实现,在此重点描述。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。由于压电晶体本身是换能介质,电声之间存在耦合,因此在传播声表面波的压电晶体表面可以制作电声换能器,使电能和声能互相转换（图1）。当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将输入的无线信号转变成声信号后,被左右两个周期性栅条反射形成谐振,该谐振器的谐振频率与温度有关,其谐振频率随温度改变的改变在一定范围内呈线性关系,利用这种线性关系就可以通过获取声表面波的频率得到精确的被测温度。

图1电声转换

无源传感器采样声表面波器件（简称sAw）,在外部温度变化时,其谐振频率会随之变化,根据这个特性我们通过温度采集电路发射无线电磁波激励sAw器件,sAw器件通过外置的天线接收到电磁波后,将其转换为声表面波信号,在其内部激励震荡,谐振发生后,谐振的声表面波信号会变换为电磁波信号通过外置的天线发出,温度采集电路接收此sAw特征电磁波信号并分析转换为温度数据。

声表面波（sAw）器件作为传感器,结合温度采集电路,实现温度信息的采集与传输,传感器安装在被测点上,无需连线即可将被测点的温度信息传送出去。而传感器本身无需电源供电,亦无需从电力装备上取电,因而具有优越的安全性、可靠性和可维护性。作为高电压设备安全在线监测方面一项颠覆性的技术,该技术是智能电网高压设备实时温度监测技术上的重大突破。

综上所述,配网运行设备数据智能采集装置实现了交流电压、交流电流和温度采集的一体化,并且各个采集通路各自隔离设计,既实现了功能的一体化,又实现了安全隔离,同时降低了产品成本:并将电流数据和温度数据进行相关性建模,能够进行故障预警,实现了对配网运行设备的可靠监测。

3智能采集装置设计实现说明

智能采集装置包括交流电压采集电路、交流电流采集电路、声表面波温度采集电路、数据数字处理电路和主控制电路。

3.1交流电压采集电路实现说明

交流电压采集电路由交流电压调理电路及直流电流输出电路组成,实现交流400+电压的直流转换输出。

交流电压互感器输出的交流变比小信号输入到调理电路,变化为直流4～20mA信号输出,其实现原理图如图2所示。

3.2D交电交采集电路实现说明

交流电流采集电路由交流电流调理电路及直流电流输出电路组成,实现交流电流的直流转换输出。

交流电流采集模块由电流互感器输出交流电流变比信号,输入到交流电流调理电路,对信号进行调理输出直流信号,直流信号在直流电流输出接口处理为标准化的4～20mA信号。其实现设计说明如图3所示。

3.3温度采集电路实现说明

温度采集电路由射频收发链路及数据采集转换电路组成,实现基于声表面波温度传感器的温度数据测量,其实现电路图如图4所示。

基于声表面波技术的温度传感器采集实现电路,重点是实现小信号的接收和抗干扰设计。由于声表面波陀螺的输出电压信号非常微弱,通常在十几纳伏,精度越高其电压值越小。若使用噪声很低的放大器对信号进行放大,设其噪声为5nV/Hz,带宽为100Hz,增益为1000,若声表面波温度传感器输出的电压为10nV,则放大后有用信号为10uV,噪声信号为1.6mV。有用信号完全被淹没在噪声之中,所以利用锁相放大可将信号提取出来。如图5所示,其优点是能够通过移相器的移相,从x得到准确的电压值。若移相效果不够理想,同时也可以通过R通道得到准确的电压值。

3.4数字处理及主控模块

数字处理及主控模块实现电压、电流的数字化,及电流数据和温度数据的相关性处理,其实现电路图如图6所示。

4智能采集装置技术优势

4.1电交、电压采集技术优势

电流、电压采集采用交流电磁隔离,转换为4～20mA采集方式,在配网运行设备带电运行时,依然能够进行安全的工程施工。

4.2温度采集技术优势

配网运行设备的电缆、母排等连接处如果接触不好或设备老化,存在触点高温的安全隐患,严重情况下会造成配电站不能正常在网运行,导致重大事故。传统测温技术,离线巡检用红外设备价格昂贵,需要用户定时巡检,人工成本高昂,且不能保障设备在线运行实时的安全性:有源在线温度监测设备,采样有源传感器存在电池供电的安全隐患,安装有源传感器,在为用户解决问题的同时,也引入了安全隐患。

相比无线有源的测温方案,基于声表面波技术的温度采集后续维护成本低廉,能够长期工作在高温环境,对测温场景要求低,能够适应各种测试场景。

5结语

综上所述,此产品设计创新性地将电压、电流和温度数据的采集集成为一体化设计,降低了配网运行设备数据采集的设备部署难度,模块通用电路的一体化设计降低了产品生产成本,也同时降低了设备的部署和维护成本,为配网运行设备数据的智能化采集搭建了可靠的应用基础。