本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及一種配電網(wǎng)線路PMU裝置。

背景技術(shù)：

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展和電力需求的日益增加，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)成為未來(lái)的發(fā)展方向。其中，電網(wǎng)的廣域監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)在電網(wǎng)安全運(yùn)行中承擔(dān)著重要的角色。中國(guó)配電網(wǎng)線路規(guī)模大、所處環(huán)境復(fù)雜、故障率高，開發(fā)分布式廣域監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的廣域監(jiān)測(cè)對(duì)配電網(wǎng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。

目前，以同步相量測(cè)量單元（PMU）為核心測(cè)量裝置的廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）日趨成熟?，F(xiàn)有主網(wǎng)PMU在性能指標(biāo)、功能等方面和國(guó)外產(chǎn)品相比并不遜色，但配電網(wǎng)PMU仍存在一些問(wèn)題。隨著分布式新能源的大面積接入和配電網(wǎng)規(guī)模的不斷壯大，配電網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)安全性的影響愈發(fā)顯著。PMU裝置在配電網(wǎng)的應(yīng)用面臨如下問(wèn)題：相比于主網(wǎng)，配電網(wǎng)線路覆蓋范圍廣、分支眾多、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、負(fù)荷變化大、建設(shè)水平滯后。配電網(wǎng)線路量大、面廣、線長(zhǎng)，需要低成本、易帶電安裝的檢測(cè)裝置。文獻(xiàn)《輕型廣域測(cè)量系統(tǒng)及其在中國(guó)的應(yīng)用》提出了輕型WAMS和輕型PMU的概念，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，且并未對(duì)高精度裝置的開發(fā)作相關(guān)闡述。文獻(xiàn)《配電網(wǎng)信息共享與同步相量測(cè)量應(yīng)用技術(shù)評(píng)述》所研發(fā)的FNET監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能通過(guò)低壓側(cè)的測(cè)量信息監(jiān)視并辨識(shí)高壓側(cè)大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，但其主要監(jiān)測(cè)量為頻率和相位參數(shù)?，F(xiàn)有加裝全球定位系統(tǒng)(GPS)的故障定位裝置符合配電網(wǎng)輕型WAMS的要求，但其功能存在缺陷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。國(guó)外學(xué)者所開發(fā)的μPMU定義了配電網(wǎng)PMU的功能及工作模式，配電網(wǎng)PMU能夠?qū)崿F(xiàn)相量測(cè)量、同步采樣和遠(yuǎn)程通信，但因安裝條件所限，數(shù)據(jù)處理及分析需在后臺(tái)進(jìn)行。μPMU的相量測(cè)量精度高，具備電能質(zhì)量的檢測(cè)功能，裝置主要用于變電站、用戶等主節(jié)點(diǎn)，但其無(wú)法在線路上沿線安裝。

因此設(shè)計(jì)一種適用于配電網(wǎng)線路的小型化、低成本PMU裝置，以適應(yīng)大面積分布式安裝的要求，為新型配電網(wǎng)線路PCB的研制尋找新的解決方案十分必要，對(duì)于未來(lái)電網(wǎng)的智能化發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

所述配電網(wǎng)PMU裝置直接安裝在配電網(wǎng)線路上，每組PMU裝置由三相終端構(gòu)成，其中Ａ相為協(xié)調(diào)器，三相終端之間通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。協(xié)調(diào)器與后臺(tái)通過(guò)GPRS/CDMA/3G（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)/碼分多址/第3代移動(dòng)通信技術(shù))通信。各個(gè)裝置通過(guò)GPS/Beidou實(shí)現(xiàn)分布式同步采樣。

所述配電網(wǎng)PMU裝置，主要由供電模塊、電壓傳感模塊、電流傳感模塊和主控通信模塊構(gòu)成。供電模塊主要從配電網(wǎng)線路上獲取能量，為裝置供電；電壓、電流傳感器分別采集導(dǎo)線電壓和電流；主控通信模塊實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)的同步采集存儲(chǔ)及傳輸功能。

所述配電網(wǎng)PMU裝置中的感應(yīng)取電模塊主要利用電流互感器原理，將線路電流轉(zhuǎn)化為功率并輸出?？紤]PMU裝置需長(zhǎng)時(shí)間懸掛于架空線路，裝置整體重量應(yīng)不超過(guò)1.5kg，設(shè)計(jì)磁芯重量不超過(guò)500g。線路電流在正常情況下大于10A，PMU整體最低功耗約為300MW。綜上所述，取電磁芯應(yīng)具有300MW/10A/500g的功率密度，能保證裝置的穩(wěn)定供電。微晶合金密度小且初始磁導(dǎo)率大，小電流情況下輸出功率較高，符合配電網(wǎng)線路的實(shí)際要求，因此選用微晶合金作為磁芯材料。取電模塊功率估算公式如下：

式中：μ為磁芯磁導(dǎo)率；I_μ為勵(lì)磁電流；S為磁芯截面積；l為磁路長(zhǎng)度，可由磁芯尺寸計(jì)算得出；I₁為原邊電流取10A；N₂＇為匝數(shù)；Vmin為后級(jí)穩(wěn)壓芯片最低工作電壓取9V；Pmin為最低輸出功率，考慮磁芯輸出效率和功耗要求，取Pmin為0.55W。根據(jù)上式計(jì)算，最終選取磁芯的尺寸為內(nèi)徑55mm，外徑85mm，度30mm，匝數(shù)200，滿足裝置要求。

因配電網(wǎng)線路負(fù)荷波動(dòng)較大，在波谷時(shí)段線路電流較低，為維持PMU裝置的不間斷運(yùn)行，設(shè)計(jì)鋰電池模塊作為后備電源。另設(shè)計(jì)保護(hù)電路，防止故障時(shí)電流驟升損害裝置。

所述配電網(wǎng)PMU裝置中的電流傳感器，將PCB式羅氏線圈作為測(cè)量元件, 具有低成本、重量輕、走線方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決垂直方向磁場(chǎng)干擾和開啟式結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。羅氏線圈傳統(tǒng)添加單根回線存在回線半徑和順繞半徑不嚴(yán)格相等的問(wèn)題，差分線比單根傳輸線在傳輸信號(hào)方面具有抗干擾能力強(qiáng)、有效抑制電磁干擾（EMI）、時(shí)序定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在PCB設(shè)計(jì)中被廣泛使用。因此采用差分繞線的設(shè)計(jì)方案，用兩根信號(hào)線雙絞，一根視為順繞，另一根為回繞，使得順繞和回繞等效半徑嚴(yán)格相等，達(dá)到消除干擾的目的。同時(shí)為了滿足裝置帶電安裝的要求，本文的PCB式羅氏線圈為雙半環(huán)閉合成整圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以方便裝置的閉合與開啟。線匝連接設(shè)計(jì)采用多排過(guò)孔方式。本發(fā)明設(shè)計(jì)的PCB式羅氏線圈實(shí)物參數(shù)如下：骨架內(nèi)半徑24.0mm，骨架外半徑39.0mm，匝數(shù)232，厚度3.0mm。

所述配電網(wǎng)PMU裝置中的電壓傳感器，將其核心部件分壓電容C直接焊于PCB上，高壓線路通過(guò)PMU裝置上的金屬線夾直接與C的上極板相連，通過(guò)測(cè)量C上的電壓波形便可推算出導(dǎo)線上電壓。C上電壓信號(hào)引出后通過(guò)后續(xù)調(diào)理電路由CPU采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)CPU處理后交由通信模塊無(wú)線傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)。

所述配電網(wǎng)PMU裝置中的通信模塊主要包括相間短距離通信和遠(yuǎn)距離通信，A相作為協(xié)調(diào)器，每相數(shù)據(jù)由ZigBee模塊匯總至Ａ相，再由A相上配備的GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包傳輸至主站。本文采用的ZigBee相間通信模塊主要負(fù)責(zé)將BC兩相數(shù)據(jù)傳至A相，A相上配備的遠(yuǎn)距離通信模塊通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)使用GPRS將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)，主要負(fù)責(zé)后臺(tái)與安裝節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。相間通信和遠(yuǎn)距離通信相結(jié)合的方式能夠滿足裝置成本和功耗的要求。

附圖說(shuō)明

圖1是所述配電網(wǎng)線路PMU裝置工作模式示意圖。

圖2是所述配電網(wǎng)線路PMU裝置模塊框圖。

圖3是所述感應(yīng)取電模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是所述雙半環(huán)PCB式羅氏線圈線匝連接設(shè)計(jì)示意圖。

圖5是所述電壓互感器空間電容分壓測(cè)量等效電路。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種配電網(wǎng)線路PMU裝置，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1所示為所述配電網(wǎng)線路PMU裝置工作模式示意圖。配電網(wǎng)PMU裝置直接安裝在配電網(wǎng)線路上，每組PMU裝置由三相終端構(gòu)成，其中Ａ相為協(xié)調(diào)器，三相終端之間通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。協(xié)調(diào)器與后臺(tái)通過(guò)GPRS/CDMA/3G（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)/碼分多址/第3代移動(dòng)通信技術(shù))通信。各個(gè)裝置通過(guò)GPS/Beidou實(shí)現(xiàn)分布式同步采樣。

圖2所示為所述配電網(wǎng)線路PMU裝置模塊框圖。各模塊架構(gòu)如圖2所示，主要由供電模塊、電壓傳感模塊、電流傳感模塊和主控通信模塊構(gòu)成。供電模塊主要從配電網(wǎng)線路上獲取能量，為裝置供電；電壓、電流傳感器分別采集導(dǎo)線電壓和電流；主控通信模塊實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)的同步采集存儲(chǔ)及傳輸功能。

圖3為所述感應(yīng)取電模塊結(jié)構(gòu)示意圖。感應(yīng)取電模塊主要利用電流互感器原理，將線路電流轉(zhuǎn)化為功率并輸出。如圖3所示，取能磁芯套裝于線路上，經(jīng)過(guò)功率控制及過(guò)壓保護(hù)模塊后整流、濾波，輸送到第1級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為5V輸出。在供電管理模塊控制下，5V輸出可經(jīng)第2級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為3.3V輸出供給負(fù)載。在取能充足時(shí)，5V輸出可通過(guò)充電管理模塊為鋰電池充電作為后備電源。

圖4為所述雙半環(huán)PCB式羅氏線圈線匝連接設(shè)計(jì)示意圖。電流傳感器的測(cè)量元件是羅氏線圈，測(cè)量原理為：通有待測(cè)電流的導(dǎo)體從線圈中心垂直穿過(guò)，待測(cè)電流的變化反映在其產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化上，羅氏線圈從磁通的變化中感應(yīng)出電壓信號(hào)，從中可以還原出待測(cè)電流信號(hào)。本線圈線匝連接方式采用差分繞線的設(shè)計(jì)方案，用兩根信號(hào)線雙絞，一根視為順繞，另一根為回繞，使得順繞和回繞等效半徑嚴(yán)格相等，達(dá)到消除干擾的目的。同時(shí)為了滿足裝置帶電安裝的要求，本發(fā)明所采用的PCB式羅氏線圈為雙半環(huán)閉合成整圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以方便裝置的閉合與開啟。線匝連接設(shè)計(jì)采用多排過(guò)孔方式。

在每個(gè)半圈內(nèi)，將同一根導(dǎo)線對(duì)折成兩股在單個(gè)半環(huán)內(nèi)同向繞制，兩根差分線緊密雙絞，流經(jīng)電流方向相反，所產(chǎn)生的耦合磁通大小相等、方向相反，以抵消垂直方向產(chǎn)生的共模干擾信號(hào)。當(dāng)雙半環(huán)閉合成整線圈時(shí)，把兩個(gè)半環(huán)上的回繞出線短接（如圖中X-X＇），順繞出線組合成輸出端（如圖中Y-Y＇），采集效果和整個(gè)線圈相同。

圖5為所述電壓互感器空間電容分壓測(cè)量等效電路。電壓傳感器采用空間電容分壓的原理測(cè)量

導(dǎo)線對(duì)地相電壓，其核心部件是將一個(gè)分壓電容置于導(dǎo)線和大地之間，對(duì)線路相電壓進(jìn)行串聯(lián)分壓，電容上下極板與導(dǎo)線和大地之間存在雜散電容，形成如圖5所示的等效電路。圖中：節(jié)點(diǎn)1和2分別為分壓電容的兩極；C為分壓電容值，可以人為選??；C_l1和C_l2為兩極板到高壓導(dǎo)線的電容，C_g1和C_g2為兩極板到大地的電容。根據(jù)圖5中電流與電壓的關(guān)系以及基爾霍夫電流定律，令△U=V₁-V₂，可求得電容上的電壓與導(dǎo)線電壓之比為：

式中：C_l1、C_l2、C_g1、C_g2一般數(shù)量級(jí)為幾皮法到幾十皮法；分壓電容的電容值C可以人為選取大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此有：

當(dāng)分壓電容選定完畢，并且選取合適的安裝條件使得C₀不變，則傳感器可以獲得穩(wěn)定的分壓比，可通過(guò)測(cè)量分壓電容上的電壓推算出線路電壓。