本發明屬于電力技術領域。

背景技術：

配電線路中，線路采集裝置和監測裝置共同構成配電線路在線監測裝置，用于對架空配電線路的工況進行監測。其中線路采集裝置卡在高壓配電線上，采集配電線路的工作狀態。監測裝置用于監測配電線路的工況，并將配電線路的狀態進行處理上報。

目前，線路監測裝置多選用饋線終端設備(即FTU)，具備遙控、遙信，故障檢測功能，并與配電自動化主站通信，提供配電系統運行情況和各種參數即監測控制所需信息,并執行配電主站下發的命令，對配電設備進行調節和控制，實現故障定位、故障隔離和非故障區域快速恢復供電等功能，安裝FTU需要配合安裝電壓電流互感器、斷路器等，線路在安裝過程中停電時間長，另外FTU造價昂貴，電流電壓互感器需要選用專門的高壓互感器，工程費用高；近年也有具備二遙功能的故障指示器的使用報道，據實際使用來看，二遙故障指示器同樣具備線路電流采集功能，但由于分別獨立安裝，采集的同步性功能不具備，同時其功能側重于短路故障檢測與上報，電流采集精度一般大于3％，多數沒有自取電功能，僅依靠本身自帶一次性電池，其工作壽命與可靠性受到廣泛質疑，此外其電壓采樣多采取單端感應方式，電場感應之值較小，相序之間關聯性較弱，沒有參比的可能性，二遙故障指示器通常獨立分相獨立安裝，各相之間無物理連接，多點多相采集的數據相對獨立，數據采集的時間隨機性大，這對于后臺分析線路狀態造成了較大的困難。

對于相互獨立采集單元，采取GPS、無線公網GPRS同步時鐘實現同步采樣的也見報道，兩者功耗一般大于100mW，難以在配電線路上弱取電及電池供電的情況下使用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于無線傳輸的線路分布監測系統及同步采樣方法，解決了如何保證數據采集的同時性問題，確保了變電站對配電線路故障判斷的準確性，對加強電網的管理提供了有力的技術支撐。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于無線傳輸的線路分布監測系統，包括數個分布監測單元，每一個分布監測單元均包括一個數據監測裝置和與該數據監測裝置通信的數個監測指示裝置；

所述監測指示裝置包括電流電壓傳感器、采樣模塊、電源模塊、后備電池、控制單元和無線模塊；

電流電壓傳感器設有采樣線圈和取能線圈，采樣線圈連接采樣模塊，采樣模塊連接控制單元，控制單元連接無線模塊，取能線圈連接倍壓整流電路，取能線圈還連接電源模塊，后備電池連接電源模塊，電源模塊為采樣模塊、控制單元和無線模塊供電，電源模塊輸出正電源；

無線模塊與所述數據監測裝置通信；

電源模塊設有倍壓整流電路，倍壓整流電路包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6、二極管D7、二極管D8、法拉電容C1、法拉電容C2和電容C3，取能線圈112的一端連接二極管D1的負極，另一端連接二極管D5的正極，二極管D5的負極連接二極管D3的正極，二極管D3的負極連接二極管D1的正極，二極管D1的負極還連接二極管D6的正極，二極管D6的負極連接二極管D4的正極，二極管D4的負極連接二極管D2的正極，二極管D2的負極連接法拉電容C2的正極，法拉電容C2的負極連接地線，二極管D6的正極連接二極管D7的正極，二極管D7的負極連接法拉電容C1的正極，法拉電容C1的負極連接二極管D2的負極，法拉電容C2的正極還連接二極管D8的正極，二極管D8的負極連接二極管D6的正極，法拉電容C1的正極還通過電容C3連接地線；

采樣模塊包括電容C4、電容C5、電容C6、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、放大器U1和放大器U2，采樣線圈的一端連接電阻R2的1腳，另一端連接電阻R3的1腳，電阻R2的1腳還通過電容C6連接地線，電阻R3的1腳還通過電容C4連接地線，電阻R2的2腳連接放大器U1的2腳，電阻R3的2腳連接放大器U1的3腳，電阻R3的2腳還通過電阻R4連接地線，放大器U1的8腳連接正電源，放大器U1的4腳連接地線，放大器U1的1腳通過電阻R1連接放大器U1的2腳，放大器U1的1腳通過電容C5連接地線，放大器U1的1腳還連接放大器U2的3腳，放大器U2的2腳連接放大器U2的1腳,放大器U2的8腳連接正電源，放大器U2的4腳連接地線，放大器U2的1腳還通過電阻R5連接所述控制單元。

所述電流電壓傳感器為開啟式電流互感器，所述開啟式電流互感器包括上部和下部，所述上部包括兩個可打開及對接的上半圓弧部分，上半圓弧部分包括由外至內依次設置的上部外半導電環、上半磁芯和上部內半導電環，上部外半導電環、上部內半導電環和上半磁芯均為半圓弧形；兩個上半圓弧部分對接后，兩個上部外半導電環相對構成整個圓環形的上部外導電環，兩個上部內半導電環相對構成整個圓環形的上部內導電環，兩個上半磁芯相對構成整個圓環形的上磁芯，上磁芯的外圈纏繞有上磁環線圈，上磁芯及其上的上磁環線圈均夾設在上部外導電環與上部內導電環之間；

所述下部包括兩個可打開及對接的下半圓弧部分，下半圓弧部分包括由外至內依次設置的下部外半導電環、下半磁芯組件和下部內半導電環，下半磁芯組件包括上下間隔設置的半取能磁芯和半采樣磁芯，下部外半導電環、半取能磁芯、半采樣磁芯和下部內半導電環均為半圓弧形；兩個下半圓弧部分對接后，兩個下部外半導電環相對構成整個圓環形的下部外導電環，兩個下部內半導電環相對構成整個圓環形的下部內導電環，兩個半取能磁芯相對構成整個圓環形的取能磁芯，兩個半采樣磁芯相對構成整個圓環形的采樣磁芯，取能磁芯的外圈纏繞取能線圈，采樣磁芯的外圈纏繞有采樣線圈，取能磁芯及其上的取能線圈均夾設在下部外導電環與下部內導電環之間，采樣磁芯及其上的采樣線圈也均夾設在下部外導電環與下部內導電環之間，取能磁芯間隔設于采樣磁芯的上側；

取能磁芯的截面積是采樣磁芯的截面積的倍。

所述放大器U1和放大器U2的型號均為LM833。

所述控制單元為ARM9控制器。

所述數據監測裝置的型號為WX-PW-SJJC-002；所述數據監測裝置內設有北斗導航模塊，所述北斗導航模塊的型號為WX-BD-IOT-002；

所述無線模塊的型號為WX-RF-IOT-003。

與所述的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統配套的同步采樣方法，包括如下步驟：

步驟1：控制單元進行初始化，控制單元對無線模塊進行初始化；控制單元進行初始化的內容包括：初始化時鐘計數器和初始化采樣計數器；

步驟2：控制單元進入待機休眠狀態；

步驟3：數據監測裝置通過北斗導航模塊獲取準確時間，所述準確時間由北斗衛星提供，數據監測裝置根據所述準確時間生成時標信息，并根據時標信息生成同步信息；

數據監測裝置向監測指示裝置發送同步信息，監測指示裝置的無線模塊接收同步信息并發生無線接收中斷，無線模塊將同步信息發送給控制單元，控制單元接收到同步信息后從待機休眠狀態喚醒進入工作模式，并讀取無線模塊接收到的數據，控制單元判斷無線模塊接收到的數據是否包含正確的同步信息：包含，則執行步驟4；不包含，則執行步驟2；

步驟4：控制單元根據同步信息中的時標信息來修正自身的時鐘計數器，使自身的時鐘計數器與時標信息同步；

控制單元根據時鐘計數器重置采樣計數器；

步驟5：控制單元根據采樣計數器觸發等間隔采樣命令，采樣模塊根據所述等間隔采樣命令采集配電線路中的電流數據和電壓數據，并將電流數據和電壓數據傳輸至控制單元；

步驟6：控制單元將電流數據和電壓數據處理后生成采樣數據，控制單元將采樣數據發送給無線模塊，無線模塊將采樣數據傳送給數據監測裝置；

控制單元根據采樣數據計算電流有效值，控制單元判斷電流有效值是否大于3A：大于則執行步驟5；不大于，則執行步驟2。

本發明所述的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統及同步采樣方法，通過無線傳輸同步方式實現三相電流電壓的同步采集，實現線路狀態的實時采集，解決了如何保證數據采集的同時性問題，確保了變電站對配電線路故障判斷的準確性，對加強電網的管理提供了有力的技術支撐。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的監測指示裝置的原理框圖；

圖3是本發明的倍壓整流電路的原理圖；

圖4是本發明的采樣模塊的原理圖；

圖5是本發明的流程圖；

圖6是上半圓弧部分和下半圓弧部分的結構示意圖；

圖7是上磁芯114與上部外導電環113和上部內導電環115的結構示意圖；

圖8是取能磁芯118與下部外導電環116和下部內導電環117的結構示意圖；

圖9是采樣磁芯119與下部外導電環116和下部內導電環117的結構示意圖；

圖中：電流電壓傳感器1、電源模塊2、后備電池3、無線模塊5、采樣模塊6、控制單元7、數據監測裝置8、監測指示裝置9、上部內半導電環101、上半磁芯102、上部外半導電環103、上半圓弧部分104、上磁環線圈105、下部內半導電環106、下部外半導電環107、半取能磁芯108、半采樣磁芯109、下半圓弧部分110、采樣線圈111、取能線圈112、上部外導電環113、上磁芯114、上部內導電環115、下部外導電環116、下部內導電環117、取能磁芯118、采樣磁芯119。

具體實施方式

實施例一：

如圖1-4所示的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統，包括數個分布監測單元，每一個分布監測單元均包括一個數據監測裝置8和與該數據監測裝置8通信的數個監測指示裝置9；

所述監測指示裝置9包括電流電壓傳感器1、采樣模塊6、電源模塊2、后備電池3、控制單元7和無線模塊5；

電流電壓傳感器1設有采樣線圈111和取能線圈112，采樣線圈111連接采樣模塊6，采樣模塊6連接控制單元7，控制單元7連接無線模塊5，取能線圈112連接倍壓整流電路，取能線圈112還連接電源模塊2，后備電池3連接電源模塊2，電源模塊2為采樣模塊6、控制單元7和無線模塊5供電，電源模塊2輸出正電源；

無線模塊5與所述數據監測裝置8通信；

無線模塊與控制單元之間的通信接口為SPI，無線模塊還設有輸出端OSC、輸出端IRQ0和輸出端IRQ1,輸出端OSC為無線模塊晶振經分頻鎖相輸出，頻率12M，溫漂系數5ppM，輸出端OSC作為控制單元的高頻振蕩源輸入信號，輸出端IRQ0和輸出端IRQ1分別為載波監聽中斷與接收中斷，當無線模塊檢測到數據采集裝置發出的無線載波信號并鎖定時通過輸出端IRQ0發出IRQ0信號，當數據接收完時通過輸出端IRQ1發出IRQ1中斷，不同模塊之間接收中斷誤差經檢測在6—10uS之間，此作為無線模塊的處理延時td1，控制單元接收到此中斷后，開始讀取無線接收到的數據并分析，在此過程中控制單元處理時間為td2，然后上傳確認幀，數據監測裝置接收到采集裝置的確認信號后開始計算傳輸與數據處理延時：

Ttd＝tm2-tm1-(2×td1+td2)；

其中tm2為數據監測裝置接收到數據的時刻；tm1為裝置發出數據的時刻；

Ttd參數作為校時參數誤差補償值，在發校時命令時一起發送至采集裝置，通過誤差修正采集裝置與數據監測裝置的時鐘誤差小于2uS，多點多相采集時，分別對各點各相時鐘分別校準。

電源模塊設有倍壓整流電路，倍壓整流電路包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6、二極管D7、二極管D8、法拉電容C1、法拉電容C2和電容C3，取能線圈112的一端連接二極管D1的負極，另一端連接二極管D5的正極，二極管D5的負極連接二極管D3的正極，二極管D3的負極連接二極管D1的正極，二極管D1的負極還連接二極管D6的正極，二極管D6的負極連接二極管D4的正極，二極管D4的負極連接二極管D2的正極，二極管D2的負極連接法拉電容C2的正極，法拉電容C2的負極連接地線，二極管D6的正極連接二極管D7的正極，二極管D7的負極連接法拉電容C1的正極，法拉電容C1的負極連接二極管D2的負極，法拉電容C2的正極還連接二極管D8的正極，二極管D8的負極連接二極管D6的正極，法拉電容C1的正極還通過電容C3連接地線；

法拉電容C1和法拉電容C2的容量均為0.5法拉，充滿電狀態儲存能量W＝1/2C(5.0-UlowΔU)²,其中Ulow為MCU的工作電壓下限，控制單元及無線模塊的最小工作電壓均為2.2V，取Ulow＝2.4V，由此計算出充滿電后法拉電容儲存能量W＝1.69J。

控制單元工作電流為900uA，無線模塊工作平均電流為30mA，在通訊速率25kbps情況下傳輸字節數3840，發射持續時間約為2s,消耗能量為W＝UIΔt＝0.18J，小于法拉電容儲存的能量，因而此設計滿足工作的要求。

采樣模塊6包括電容C4、電容C5、電容C6、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、放大器U1和放大器U2，采樣線圈111的一端連接電阻R2的1腳，另一端連接電阻R3的1腳，電阻R2的1腳還通過電容C6連接地線，電阻R3的1腳還通過電容C4連接地線，電阻R2的2腳連接放大器U1的2腳，電阻R3的2腳連接放大器U1的3腳，電阻R3的2腳還通過電阻R4連接地線，放大器U1的8腳連接正電源，放大器U1的4腳連接地線，放大器U1的1腳通過電阻R1連接放大器U1的2腳，放大器U1的1腳通過電容C5連接地線，放大器U1的1腳還連接放大器U2的3腳，放大器U2的2腳連接放大器U2的1腳,放大器U2的8腳連接正電源，放大器U2的4腳連接地線，放大器U2的1腳還通過電阻R5連接所述控制單元7。

如圖6-9所述電流電壓傳感器1為開啟式電流互感器，所述開啟式電流互感器包括上部和下部，所述上部包括兩個可打開及對接的上半圓弧部分104，上半圓弧部分104包括由外至內依次設置的上部外半導電環103、上半磁芯102和上部內半導電環101，上部外半導電環103、上部內半導電環101和上半磁芯102均為半圓弧形；兩個上半圓弧部分104對接后，兩個上部外半導電環103相對構成整個圓環形的上部外導電環113，兩個上部內半導電環101相對構成整個圓環形的上部內導電環115，兩個上半磁芯102相對構成整個圓環形的上磁芯114，上磁芯114的外圈纏繞有上磁環線圈105，上磁芯114及其上的上磁環線圈105均夾設在上部外導電環113與上部內導電環115之間；

所述下部包括兩個可打開及對接的下半圓弧部分110，下半圓弧部分110包括由外至內依次設置的下部外半導電環107、下半磁芯組件和下部內半導電環106，下半磁芯組件包括上下間隔設置的半取能磁芯108和半采樣磁芯109，下部外半導電環107、半取能磁芯108、半采樣磁芯109和下部內半導電環106均為半圓弧形；兩個下半圓弧部分110對接后，兩個下部外半導電環107相對構成整個圓環形的下部外導電環116，兩個下部內半導電環106相對構成整個圓環形的下部內導電環117，兩個半取能磁芯108相對構成整個圓環形的取能磁芯118，兩個半采樣磁芯109相對構成整個圓環形的采樣磁芯119，取能磁芯118的外圈纏繞取能線圈112，采樣磁芯119的外圈纏繞有采樣線圈111，取能磁芯118及其上的取能線圈112均夾設在下部外導電環116與下部內導電環117之間，采樣磁芯119及其上的采樣線圈111也均夾設在下部外導電環116與下部內導電環117之間，取能磁芯118間隔設于采樣磁芯119的上側；

取能磁芯118的截面積是采樣磁芯119的截面積的4倍；取能磁芯118用于裝置取能，采樣磁芯119用于采樣；

分體式磁芯(取能磁芯118和采樣磁芯119)的有效初始相對磁導率大于8000，便于在小電流取電，其中取能磁芯118的橫截面為1cm²。采樣磁芯119橫截面為0.25cm²，內徑55mm，外徑75mm，線路電流3A，取能線圈112為800匝輸出電壓1.36V，經電源模塊倍壓整流獲得4V的直流電壓，滿足裝置在低功耗下的工作要求；采樣線圈111為1500匝，負載電阻5.1歐姆；取能線圈112輸出端和采樣線圈111輸出端都加有抗沖擊、過流保護電路，同時在電流互感器內側與外側分別加有上部外導電環113、上部內導電環115、下部外導電環116與下部內導電環117用來感應線路周圍的變化的電場強度。

所述放大器U1和放大器U2的型號均為LM833。

所述控制單元7為ARM9控制器。

所述數據監測裝置8的型號為WX-PW-SJJC-002；所述數據監測裝置8內設有北斗導航模塊，所述北斗導航模塊的型號為WX-BD-IOT-002；

所述無線模塊5的型號為WX-RF-IOT-003。

實施例二：

如圖5所示，與實施一所述的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統配套的同步采樣方法，是在實施一所述的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統的基礎上實現的，包括如下步驟：

步驟1：控制單元7進行初始化，控制單元7對無線模塊5進行初始化；控制單元7進行初始化的內容包括：初始化時鐘計數器和初始化采樣計數器；

步驟2：控制單元7進入待機休眠狀態；

步驟3：數據監測裝置8通過北斗導航模塊獲取準確時間，所述準確時間由北斗衛星提供，數據監測裝置8根據所述準確時間生成時標信息，并根據時標信息生成同步信息；

數據監測裝置8向監測指示裝置9發送同步信息，監測指示裝置9的無線模塊5接收同步信息并發生無線接收中斷，無線模塊5將同步信息發送給控制單元7，控制單元7接收到同步信息后從待機休眠狀態喚醒進入工作模式，并讀取無線模塊5接收到的數據，控制單元7判斷無線模塊5接收到的數據是否包含正確的同步信息：包含，則執行步驟4；不包含，則執行步驟2；

步驟4：控制單元7根據同步信息中的時標信息來修正自身的時鐘計數器，使自身的時鐘計數器與時標信息同步；

控制單元7根據時鐘計數器重置采樣計數器；

步驟5：控制單元7根據采樣計數器觸發等間隔采樣命令，采樣模塊6根據所述等間隔采樣命令采集配電線路中的電流數據和電壓數據，并將電流數據和電壓數據傳輸至控制單元7；

步驟6：控制單元7將電流數據和電壓數據處理后生成采樣數據，控制單元7將采樣數據發送給無線模塊5，無線模塊5將采樣數據傳送給數據監測裝置8；

控制單元7根據采樣數據計算電流有效值，控制單元7判斷電流有效值是否大于3A：大于則執行步驟5；不大于，則執行步驟2。

本發明使用無線傳輸同步取代GPS/GPRS實現采集的同步性，大大降低了裝置的功耗，GPS信號受到美國軍方控制，其對采集系統的運行的不確定因素較大，同樣因無線公網GPRS的時鐘也采用GPS對時，缺點也同樣明顯，同時GPS/GPRS用于采集裝置，因功耗大，不適用線路采集裝置；本發明的數據監測裝置選用完全具備我國知識產權的北斗導航模塊，完全排除了上述影響；本發明的系統守時精度小于50nS，實現了全網數據同步采集，極大的提高了數據分析的可靠性，為電網大數據云端平臺提供了有力的數據支撐。

本發明將數個監測指示裝置分布在電網線路上，實現了多點多相數據的同步采集，有利于線路故障的分析判斷，數據監測終端將各自下屬的監測指示裝置采集到的數據上傳至主變電站，主變電站依據一定的數據模型分析線路的特征信號，對線路的實時工況進行分析，實時判斷，保存線路在突發狀態前后的電壓電流波形，提高了分析結果的可靠性與實時性；

本發明的監測指示裝置在待機時的功耗小于20uW，使本發明更加適用于配電線路的工況的同步采集。

本發明所述的一種基于無線傳輸的線路分布監測系統及同步采樣方法，通過無線傳輸同步方式實現三相電流電壓的同步采集，實現線路狀態的實時采集，解決了如何保證數據采集的同時性問題，確保了變電站對配電線路故障判斷的準確性，對加強電網的管理提供了有力的技術支撐。