本實用新型一種基于信號注入裝置的架空配電網行波定位系統(tǒng)，涉及配電網故障檢測領域。

背景技術：

隨著現(xiàn)代電力技術的發(fā)展，提高供電質量和供電可靠性成為目前解決電力需求的關鍵。10kV輻射型配網架空線路由于覆蓋面廣，地形復雜，導致線路故障多、變電站越級跳閘多、故障查找困難。目前主要靠人工排查故障，缺乏自動化技術手段，線路的運行電流、電壓、開關狀態(tài)不能實時掌握。傳統(tǒng)的利用注入信號進行故障定位的方法，是通過將線路停電后向線路注入異頻電流，然后利用手持檢測裝置對異頻信號進行檢測，且故障指示器不能實現(xiàn)自動定位。這種單一的定位方法雖然測量精度較高，但測量范圍受限制，且只能進行近距離的測量和操作，信息傳遞速率低、環(huán)境干擾大?，F(xiàn)場設備只有簡單的監(jiān)測功能，缺乏對數(shù)據地實時分析運算能力，需要由專用的通信接口傳給CPU控制中心處理，耗費資源和成本，且精度不高。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述技術問題，本實用新型提供一種基于信號注入裝置的架空配電網行波定位系統(tǒng)，利用信號注入裝置實現(xiàn)線路故障分段定位，利用接收到的波形數(shù)據實現(xiàn)自動定位?？稍龃蠊收吓袛鄼C會，縮小故障判斷范圍，減少故障排查時間，減輕巡線人員勞動強度，提高供電可靠性。

本實用新型采取的技術方案為：

一種基于信號注入裝置的架空配電網行波定位系統(tǒng)，包括在線取能供電模塊、注入信號發(fā)生器、注入信號接收器、注入信號電流反饋模塊、監(jiān)測及保護單元。所述在線取能供電模塊包括控制電源模塊、電壓多級放大模塊、通信電源模塊、顯示電源模塊；

所述注入信號發(fā)生器包括脈沖電流產生電路，脈沖電流產生電路包括二極管VD4-VD7，MOS管VG1-VG3、諧振電感L4、限流電感L5、儲能電感L6、續(xù)流二極管VD7、能量回饋二極管VD5、VD6、VD8、充電電容C7、諧振電容C6連接組成的Buck電路；其中MOS管VG1為主功率變換開關，MOS管VG2、VG3為脈沖形成控制開關；充電電容C7、諧振電容C6、諧振電感L4連接構成諧振電路；

所述注入信號接收器包括依次連接的：電壓回波接收模塊、放大濾波模塊、整形模塊、時刻鑒別模塊、時間數(shù)字轉換器；時間數(shù)字轉換器連接MCU處理器模塊；

所述注入信號電流反饋模塊包括霍爾傳感器、滯環(huán)控制電路，所述霍爾傳感器用于采集儲能電感L6的電流，所述滯環(huán)控制電路用于控制MOS管VG1-VG3的通斷；

所述監(jiān)測及保護單元由溫度監(jiān)測部分、過壓過流保護部分組成。

所述控制電源模塊，用于控制信號發(fā)收；所述電壓多級放大模塊，用于將電壓放大給MCU處理器模塊供電；所述通信電源模塊，用于故障信號的遠程發(fā)送；所述顯示電源模塊，通過電源電路輸出12V直流電，使液晶點亮且裝置處于待機狀態(tài)。

本實用新型一種基于信號注入裝置的架空配電網行波定位系統(tǒng)，優(yōu)點在于：

1：在架空線路不停電的情況下對線路注入信號電流，沒有儲能電池，不需要對裝置提前充電，采用敏感電壓接收，不存在波形畸變，測量精度高，沒有傳統(tǒng)傳感器的可能燃燒和爆炸的危險，利用光纖傳輸，絕緣性能和抗干擾能力強；而且實現(xiàn)了裝置一體化，不需要人工尋線，數(shù)字輸出，還可用于直流配電網故障查找定位，在需要測量多路電壓時，可將多路電壓反射波信息同時發(fā)送到MCU，MCU可識別計算并顯示出來故障距離。

2、可用于直流配電網和交流配電網中故障定位，并且可識別計算并顯示出來故障點與信號注入點的距離。

3、可用于配電網不停電時在線取能，并且注入信號檢測定位故障點。

4、利用反饋單元將注入信號反饋到MCU中進行調整，提高了注入信號的準確度和穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統(tǒng)連接框圖。

圖2為本實用新型的注入信號接收器連接框圖。

圖3為本實用新型的在線取能供電模塊電路圖。

圖4為本實用新型的脈沖電流產生電路圖。

圖5為本實用新型的控制脈沖驅動功率放大及信號方波逆變電路圖。

圖6(a)為本實用新型的故障波折反射原理圖一。

圖6(b)為本實用新型的故障波折反射原理圖二。

圖6(c)為本實用新型的故障波折反射原理圖三。

圖7為本實用新型的監(jiān)測及保護電路圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于信號注入裝置的架空配電網行波定位系統(tǒng)，包括在線取能供電模塊、注入信號發(fā)生器、注入信號接收器、注入信號電流反饋模塊、監(jiān)測及保護單元。

所述在線取能供電模塊包括控制電源模塊、電壓多級放大模塊、通信電源模塊、顯示電源模塊。該模塊采用電容分壓原理，由以下幾個部分構成，高壓陶瓷電容C₁電容值為332pF，低壓金屬化聚丙烯膜電容電容C₂電容值為0.447uF，接地電阻R1為1KΩ，電壓互感器T為220V/24V，濾波電容C₃值為6250μF，濾波電感L₂值為0.005H(整流電路輸出為24V，電流為5A)，初級儲能電容C₄值為47uF；濾波電感L的值為3.7H，應用儲能電容C₅值為100uF，VD₁、VD₂型號為2CW20B二極管。VT₁、VT₂型號為IRFD9120的三極管，VT₂為雙向二極管，VT₃為閉鎖二極管，本電源AC/DC模塊電壓輸入為寬范圍輸入，且具有高的轉化效率，能進一步地降低啟動電流，從而提高電源的輸出效率，電容分壓器如圖3所示。

注入信號發(fā)生器采用脈沖電流產生電路。設計實現(xiàn)電路圖如圖4所示。利用改進型的Buck電路，由型號為2CW20B的二極管VD4-VD7，型號為IRFD9120MOS管VG1-VG3組成，VG₁為主功率變換開關，VG₂和VG₃為脈沖形成控制開關，L₄為拓撲諧振電感，其大小為7mH，L₅為其大小為4.7μH的限流電感，L₆為儲能電感，型號為2CW20B的VD₄為續(xù)流二極管，VD₅、VD₆和VD₈為能量回饋二極管，VD₇為負載續(xù)流二極管，防止VG₃關斷時負載連接線的感性特性造成的電壓尖峰。大小為10pH的低頻瓷介電容C₇為充電電容，大小為1μF的電容C₆為拓撲諧振電容，與L₄構成諧振電路。由于脈沖電流產生的信號為方波波信號，因此設計結合控制脈沖功率放大驅動脈沖，利用經典的全橋式電壓源方波逆變對輸出脈沖信號逆變，對信號輸出進行調整，如圖5所示。

注入信號接收器由電壓回波接收模塊、放大濾波模塊、整形模塊、時刻鑒別模塊、時間數(shù)字轉換器組成，時刻鑒別模塊功能：信號接收器擬合接收反射波所需的時間長度，送入MCU中處理后，通過數(shù)據擬合算出反射波到來的精確時刻，從而實現(xiàn)時刻鑒別，提高精度。具體框圖如圖2所示。

注入信號電流反饋模塊利用電流采樣技術，通過霍爾傳感器采樣電感L₆的電流，采用滯環(huán)電路控制開關管的通斷，同時這三個開關管的開關動作都被控制信號控制在給定的脈沖時間內，即實現(xiàn)定時功能。

監(jiān)測及保護單元由溫度監(jiān)測和過壓過流保護兩部分組成。如圖7所示。該電路包含電壓為3.3V的穩(wěn)壓二極管、型號為2SC3907的三極管、型號為LM258的運算放大器、熱敏電阻Rr等主要元件組成。

工作原理：

信號檢測使用的計算分段節(jié)點位于配電網的各支線的末端位置，該方法為：根據各終端節(jié)點的故障回波初始波頭時刻和支線線路長度計算主干線上與各終端節(jié)點對應的各虛擬節(jié)點的故障初始波頭時刻的步驟；根據各終端節(jié)點的小波變換模值、各虛擬節(jié)點的故障初始波頭時刻、以及線路長度數(shù)據來確定主干線上的基準節(jié)點的步驟；根據基準節(jié)點相鄰的兩虛擬節(jié)點的故障初始波頭時刻、以及線路長度數(shù)據判斷故障點在主干線或者在支線上的步驟；以及計算出故障點位置的步驟。根據本實用新型的方法實現(xiàn)對主干線路和分支線路故障的精確定位，裝置具有較高的可靠性。

一種適用于10kV架空線單相接地點定位的在線信號注入裝置，利用光纖將信號注入電力線路中，在電力線路不停電的情況下，利用光纖實現(xiàn)裝置的在線取能。如圖3所示，交流架空配電網高電位在線取能方式是利用電容分壓原理，通過高、低壓電容器分壓然后經過后期處理得到所需電壓，3個高壓陶瓷電容器通過光纖與中低壓壓配網三相線路相接觸，利用電容值為332pF的高壓陶瓷電容C₁對10Kv電壓進行分壓，并從中低壓電路獲取電能，電容C₂電容值為0.447uF低壓金屬化聚丙烯膜電容，再利用上述電容分壓原理U₀＝C₁/(C₁+C₂)·U，其中C₁,C₂為電容的大小，U為電網電壓，利用3×L₁進行取能。接地電阻R1為1KΩ，是為了防止電容擊穿后影響后續(xù)電路。線路從低壓電容器兩端取能，之后經變壓器T變換后進行整流濾波。如圖3所示，利用變壓器將電容C₂兩端的電壓轉換為低壓24V，VD與VT構成PWM整流電路，其中L為限流電感。電感L₂和C₃、C₄組成濾波單元，濾除多余的紋波。為了防止線路中的各種過電壓及大電流沖擊電源電路，電路前端會加裝壓敏電阻以對電路進行保護。線路中，整流濾波后的電壓會隨著前端母線電流的升高而升高，當鐵心飽和后，感應出的電壓也比較高，因此需加裝電壓保護及能量泄放回路，以使后續(xù)電路免受破壞。當電壓U_ab較高時，穩(wěn)壓二極管VD₂被擊穿，與R₂和L₃、VT₂組成降壓電路，此時額定電流為10A的大功率雙向晶體管開始工作，與R₂和VT₃組成能量泄流并閉鎖電路，多余的能量進行泄放，后接電路閉鎖不會損壞裝置；當電壓U_ab較低時，穩(wěn)壓二極管VD₂不會被擊穿，此時不會影響線路中的起動電流以及該裝置在小電流下的正常工作。將光纖與架空配電線路接觸，使用電容分壓電路分壓，此時電容分壓器的輸入與輸出之間的關系是U₀＝C₁/(C₁+C₂)·U，這樣就可以將較高的電壓進行分壓，分壓之后的值將遠大于信號注入裝置的工作電壓，因此利用電壓互感器進行高低壓轉換，整流濾波，儲能電容對裝置實現(xiàn)自取能。然后輸出電壓對控制電源模塊、多級放大模塊、通信電源模塊、顯示模塊進行供電。

注入信號發(fā)生器采用脈沖電流產生電路，脈沖電流技術本質上是將脈沖功率能量在時間尺度上進行壓縮，從而能在很短時間內獲得高幅值功率輸出。由能量守恒定律，由于脈沖寬度在時間上被大幅度壓縮，從而峰值功率將得到大幅提高。本實用新型設計的脈沖電流源的電路圖如圖4所示，在buck電路上增加了另外VG₂,VG₃兩個開關管，通過VG₁,VG₂,VG₃這三個開關管實現(xiàn)不同時刻的控制功能。主要包括無源關斷緩沖電路1和有源開通緩沖電路2，通過該電路實現(xiàn)零點壓開關環(huán)境，降低開關損耗，適用于高壓工況情況。在初始狀態(tài)下，VD₇導通，其它元件關閉。C₆上充有電壓V_i；開通過程此時，VG₁,VG₂導通，VD₆,VD₇導通，VD₀與VG₂進行換流，在VG₁與VG₂導通的同時，L₄與C₇進行儲能，逆變電路中的電流經VD₇流通，隨后C₆與L₄產生諧振，VD₀關斷，VD₆導通，L₄將儲存的能量經VD₅,VD₆,VD₇反饋到電路中，由電路框圖可知，VG₂與VG₃連接為互補導通的，此時控制VG₂關斷，VG₃隨之導通，將脈沖電流注入逆變電路中，對電流進行DC/AC變換；一個脈沖時間結束后，VG₃關斷，L₆中剩余的能量通過VD₅,VD₇,C₇,VD₄回路將剩余能量給電容C₇充電，脈沖電流經VD₇續(xù)流。

由于脈沖電流產生的信號為方波波信號，因此設計結合控制脈沖功率放大驅動脈沖，利用經典的全橋式電壓源方波逆變對輸出脈沖信號逆變，對信號輸出進行調整?？刂泼}沖驅動功率放大及信號方波逆變電路基本工作原理為如圖5所示是低頻功率放大SPWM逆變器的主電路設計圖。圖中T₁、T₂為型號為IRFD9120的功放管組成的推挽式電路,兩只晶體管180°反相地受到激勵，一只工作時另一只截止，兩管輪流導通工作，信號正負半周分開放大，在負載上合成得到完整的波形。Vcc由脈沖電路輸出24V電壓提供。VTc1—VTc6是逆變器的六個功率開關器件，型號為IRF3205，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)(VDc1-VDc6型號為1N4001)，整個逆變器由恒值直流電壓U_d供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號的基波頻率為22Hz，應在所要求的輸出頻率范圍內可調。參考信號的幅值也可在一定范圍內變化，決定輸出電壓的大小。控制脈沖驅動電流信號作為逆變器功率開關器件的驅動控制信號。當U_d<U_q時，給V₄導通信號，給V₁關斷信號，給V1(V4)加導通信號時，可能是VTc₄(VTc₁)導通，也可能是VDc₄(VDc₁)導通。U_d和U的PWM波形只有兩種電平。當U_d>U_q時，給V1導通信號，給V4關斷信號，U_AB的波形可由U_Ao-U_Bo得出，當1和6通時，U_A＝U_d，當3和4通時，U_BA＝U_d，當1和3或4和6通時，U_AB＝0。輸出線電壓PWM波由U_d和0三種電平構成負載相電壓PWM波由和0共5種電平組成。

注入信號電流反饋模塊根據線路上的實時電流相角和幅值變化及時對注入電流進行調整。如圖4所示，利用電流采樣采集架空線路電流大小輸入滯環(huán)控制環(huán)節(jié)，利用電流對比來設定電流大小和相位，利用電流輸入滯環(huán)控制進行驅動，對注入電流進行反饋調節(jié)。

注入信號接收器的原理是：根據電力線路中的行波的折射與反射規(guī)律，當電力線路發(fā)生單相接地故障后，架空線路上的故障點兩端的波阻抗不同，此時可獲得線路中的故障行波的折射和反射波，通過接收故障行波的反射波對故障點進行計算。根據行波折反射規(guī)律，Z為線路波阻抗，電壓折射系數(shù)為線路Z₂上的折射電壓波U_2q與線路Z₁上的注入電壓波U_1q的比值，同理為電流折射系數(shù)，可以推算出，折射系數(shù)恒為正值，這說明折射電壓U_f和電流波I_f與注入的電壓波U_q、電流波I_q同極性，當Z₂＝0時，α_u＝0,當Z₂＝∞時，α_u＝2，因此0≤α_u≤2。電壓反射系數(shù)為線路Z₂上的反射電壓波U_1f與線路Z₁上的注入電壓波U_1q的比值，同理為電流反射系數(shù)，當Z₂＝0時，β_u＝-1,當Z₂＝∞時，β_u＝1，因此反射系數(shù)有正有負，所以選取反射波作為裝置檢測和判斷依據。如圖6中線路末端接地時電壓與電流波的折反射。根據圖(a)中，線路Z₁接地點相當于在接地點后接有一條Z₂＝0的線路，β_u＝-1，β_i＝1，所以U_1f＝-U_1q,i_1f＝i_1q；圖(b)中Z₁>Z₂，β_u<0，β_i>0，所以U₁f<0,i_1f<i_1q；圖(c)中Z₁<Z₂，β_u>0，β_i<0，所以U_1q<U_1f<2U_1q,i_1f<0；在這樣的描述中，再利用圖2的信號波接收電路，得到與注入的電流和電壓波數(shù)據和相位之間的交流混合的電壓信號，再將此信號放大，利用濾波單元將其中的其他頻率的信號和頻率為22Hz的信號進行分離，再將粗處理過的電流波和電壓波信號傳輸至MCU模塊處理。MCU處理模塊的原理是利用脈沖式測距的原理是利用注入模塊注入脈沖電流，遇到接地點反射產生回波，由探測器接收到回波之后，進行處理得到行波的注入與接收時間來得到待測距離。設信號波波速為v＝sqrt(LC)，令注入信號波的頻率為f₀，反射波在注入點與反射點間的時間為t，發(fā)射、接收波形之間的相位差是在t₀時刻注入信號為：I₁＝Asin(ωt₀+θ₀)，接收時刻為t₁，接收到的信號波為時間差可得故障點距離與注入點距離為λ為波長，N為整波數(shù)，△N為整波數(shù)余數(shù)。

將所得波形傳入A/D轉換模塊，經由A/D轉換模塊傳入MCU。鍵盤按鈕和MCU之間的連接利用無線編碼技術，采用0/1的二進制編碼原理，每一個鍵對應的背面上下各有兩個引腳，撥至ON一側，這下面兩個引腳接通；反之則斷開。按鈕各自獨立，相互沒有關聯(lián)?？梢栽O接通為“1”，斷開為“0”，這樣就有多個地址，每個地址對應相對的電壓信息，將設定好的無線地址經過編碼后的信號由MCU處理器模塊的引腳輸出到無線接收模塊，然后無線接收模塊將基帶信號經高頻載波電路調制后，通過顯示屏顯示出來。同時，MCU主要是利用運算模塊進行異頻輸出，同時將電源信息、注入電流大小頻率以及接收數(shù)據傳至顯示屏顯示出來。MCU與信號注入模塊之間互聯(lián)形成反饋系統(tǒng)，可對注入信號的頻率、相位等進行校準調節(jié)。

在線取能供電模塊中的控制電源模塊、多級放大模塊、通信電源模塊和顯示電源模塊，控制電源模塊采用SC200通用型控制器，用于控制信號發(fā)收。電壓多級放大用于將電壓放大給MCU供電，通信電源模塊采用通用模塊，用于故障信號的遠程發(fā)送。顯示電源模塊通過電源電路輸出12V直流電，使液晶點亮且裝置處于待機狀態(tài)，此時可通過控制面板操作按鈕查看注入信號的相位、頻率和大小等。

監(jiān)測及保護單元由溫度監(jiān)測和過壓過流保護兩部分組成。保護電路圖如圖7所示，過壓過流保護和溫度監(jiān)測電路分為兩級電路，第一級由電阻Rg1、三極管V1及穩(wěn)壓二極管VDg1等構成，當注入信號電流處于正常電流以下時，經整流出來的電壓U₀小于V1導通電壓值Uth＝12V，V1、V2及VDg1都不導通，保護電路處于開路狀態(tài)；當U₀達到或超過V1導通電壓Uth時，則穩(wěn)壓管VDg1導通，經過電阻Rg1后在V1兩端形成電壓差，此時V1導通，Rg1和V1共同承擔高壓泄放的任務，隨著三極管V1電流的增大，流經Rg1的電流越來越小，此時V1兩端的電壓差逐漸減小，隨之流經V1的電流減小，從而使Rg1的電流又增大，這樣循環(huán)下去，可以將電壓穩(wěn)定在保護電壓值附近。第二級電路是在裝置內電流或注入電流突然增大時，電流采樣所采集到的流過三極管V1的電流將急劇增大，裝置內元件溫度急劇升高，但是受電路板尺寸和體積的限制，很難通過增大散熱片來降溫，為防止三極管V1燒壞，設計采用三極管V2、Rg2、LM258、熱敏電阻Rr構成能量泄放和報警電路。Rg2值為：Rg2＝UREF/[300(1+Rg4/Rg5)。第二級電路工作原理是：設定門限電壓UREF＝3.3V，門限電流I_REF＝300mA監(jiān)測電阻Rg2上的電壓和電壓，將其與設定比較值UREF＝3.3V進行比較，當U_Rg2≥UREF或I≥300mA時，此時比較器就輸出一高電平，這個高電平使V2導通，此時相當于將V1短路，從而能量經過V2泄放，與此同時，當裝置內溫度升高后，熱敏電阻Rr的設置值從10kΩ迅速減小，此時V_Rr<V_Rp，后續(xù)電路失去平衡，使得運算放大器輸出低電平，使二極管VDr電路導通，警報指示燈和警報鈴導通實現(xiàn)溫度報警。第二級電路不僅實現(xiàn)了對前一級電路的保護，同時還能對裝置溫度進行監(jiān)測，當注入電流恢復正常，此時比較器就輸出一低電平，后續(xù)電路關斷。