本發明屬于電力系統及其自動化領域，特別涉及一種配電網線路PMU裝置。

背景技術：

隨著新能源技術的不斷發展和電力需求的日益增加，建設堅強的智能電網成為未來的發展方向。其中，電網的廣域監測與控制技術在電網安全運行中承擔著重要的角色。中國配電網線路規模大、所處環境復雜、故障率高，開發分布式廣域監測裝置，實現對配電網運行狀態的廣域監測對配電網高效經濟運行意義重大。

目前，以同步相量測量單元（PMU）為核心測量裝置的廣域測量系統（WAMS）日趨成熟。現有主網PMU在性能指標、功能等方面和國外產品相比并不遜色，但配電網PMU仍存在一些問題。隨著分布式新能源的大面積接入和配電網規模的不斷壯大，配電網對主網安全性的影響愈發顯著。PMU裝置在配電網的應用面臨如下問題：相比于主網，配電網線路覆蓋范圍廣、分支眾多、運行環境復雜、負荷變化大、建設水平滯后。配電網線路量大、面廣、線長，需要低成本、易帶電安裝的檢測裝置。文獻《輕型廣域測量系統及其在中國的應用》提出了輕型WAMS和輕型PMU的概念，但目前仍處于實驗室階段，且并未對高精度裝置的開發作相關闡述。文獻《配電網信息共享與同步相量測量應用技術評述》所研發的FNET監測系統，能通過低壓側的測量信息監視并辨識高壓側大電網的動態過程，但其主要監測量為頻率和相位參數。現有加裝全球定位系統(GPS)的故障定位裝置符合配電網輕型WAMS的要求，但其功能存在缺陷，無法實現電壓的準確測量。國外學者所開發的μPMU定義了配電網PMU的功能及工作模式，配電網PMU能夠實現相量測量、同步采樣和遠程通信，但因安裝條件所限，數據處理及分析需在后臺進行。μPMU的相量測量精度高，具備電能質量的檢測功能，裝置主要用于變電站、用戶等主節點，但其無法在線路上沿線安裝。

因此設計一種適用于配電網線路的小型化、低成本PMU裝置，以適應大面積分布式安裝的要求，為新型配電網線路PCB的研制尋找新的解決方案十分必要，對于未來電網的智能化發展具有重要意義。

技術實現要素：

所述配電網PMU裝置直接安裝在配電網線路上，每組PMU裝置由三相終端構成，其中Ａ相為協調器，三相終端之間通過ZigBee實現數據交互。協調器與后臺通過GPRS/CDMA/3G（通用分組無線業務/碼分多址/第3代移動通信技術)通信。各個裝置通過GPS/Beidou實現分布式同步采樣。

所述配電網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成。供電模塊主要從配電網線路上獲取能量，為裝置供電；電壓、電流傳感器分別采集導線電壓和電流；主控通信模塊實現電壓、電流信號的同步采集存儲及傳輸功能。

所述配電網PMU裝置中的感應取電模塊主要利用電流互感器原理，將線路電流轉化為功率并輸出。考慮PMU裝置需長時間懸掛于架空線路，裝置整體重量應不超過1.5kg，設計磁芯重量不超過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，取電磁芯應具有300MW/10A/500g的功率密度，能保證裝置的穩定供電。微晶合金密度小且初始磁導率大，小電流情況下輸出功率較高，符合配電網線路的實際要求，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為磁芯磁導率；I_μ為勵磁電流；S為磁芯截面積；l為磁路長度，可由磁芯尺寸計算得出；I₁為原邊電流取10A；N₂＇為匝數；Vmin為后級穩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。根據上式計算，最終選取磁芯的尺寸為內徑55mm，外徑85mm，度30mm，匝數200，滿足裝置要求。

因配電網線路負荷波動較大，在波谷時段線路電流較低，為維持PMU裝置的不間斷運行，設計鋰電池模塊作為后備電源。另設計保護電路，防止故障時電流驟升損害裝置。

所述配電網PMU裝置中的電流傳感器，將PCB式羅氏線圈作為測量元件, 具有低成本、重量輕、走線方式靈活等優點，能夠解決垂直方向磁場干擾和開啟式結構等問題。羅氏線圈傳統添加單根回線存在回線半徑和順繞半徑不嚴格相等的問題，差分線比單根傳輸線在傳輸信號方面具有抗干擾能力強、有效抑制電磁干擾（EMI）、時序定位準確等優點，在PCB設計中被廣泛使用。因此采用差分繞線的設計方案，用兩根信號線雙絞，一根視為順繞，另一根為回繞，使得順繞和回繞等效半徑嚴格相等，達到消除干擾的目的。同時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閉合成整圈結構設計，以方便裝置的閉合與開啟。線匝連接設計采用多排過孔方式。本發明設計的PCB式羅氏線圈實物參數如下：骨架內半徑24.0mm，骨架外半徑39.0mm，匝數232，厚度3.0mm。

所述配電網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PMU裝置上的金屬線夾直接與C的上極板相連，通過測量C上的電壓波形便可推算出導線上電壓。C上電壓信號引出后通過后續調理電路由CPU采樣轉化成數字信號，再經CPU處理后交由通信模塊無線傳輸至系統后臺。

所述配電網PMU裝置中的通信模塊主要包括相間短距離通信和遠距離通信，A相作為協調器，每相數據由ZigBee模塊匯總至Ａ相，再由A相上配備的GPRS模塊將數據打包傳輸至主站。本文采用的ZigBee相間通信模塊主要負責將BC兩相數據傳至A相，A相上配備的遠距離通信模塊通過全球移動通信系統（GSM）網絡使用GPRS將數據傳輸至后臺，主要負責后臺與安裝節點的數據交換。相間通信和遠距離通信相結合的方式能夠滿足裝置成本和功耗的要求。

附圖說明

圖1是所述配電網線路PMU裝置工作模式示意圖。

圖2是所述配電網線路PMU裝置模塊框圖。

圖3是所述感應取電模塊結構示意圖。

圖4是所述雙半環PCB式羅氏線圈線匝連接設計示意圖。

圖5是所述電壓互感器空間電容分壓測量等效電路。

具體實施方式

本發明提供了一種配電網線路PMU裝置，下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

圖1所示為所述配電網線路PMU裝置工作模式示意圖。配電網PMU裝置直接安裝在配電網線路上，每組PMU裝置由三相終端構成，其中Ａ相為協調器，三相終端之間通過ZigBee實現數據交互。協調器與后臺通過GPRS/CDMA/3G（通用分組無線業務/碼分多址/第3代移動通信技術)通信。各個裝置通過GPS/Beidou實現分布式同步采樣。

圖2所示為所述配電網線路PMU裝置模塊框圖。各模塊架構如圖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成。供電模塊主要從配電網線路上獲取能量，為裝置供電；電壓、電流傳感器分別采集導線電壓和電流；主控通信模塊實現電壓、電流信號的同步采集存儲及傳輸功能。

圖3為所述感應取電模塊結構示意圖。感應取電模塊主要利用電流互感器原理，將線路電流轉化為功率并輸出。如圖3所示，取能磁芯套裝于線路上，經過功率控制及過壓保護模塊后整流、濾波，輸送到第1級DC/DC轉換器轉換為5V輸出。在供電管理模塊控制下，5V輸出可經第2級DC/DC轉換器轉換為3.3V輸出供給負載。在取能充足時，5V輸出可通過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PCB式羅氏線圈線匝連接設計示意圖。電流傳感器的測量元件是羅氏線圈，測量原理為：通有待測電流的導體從線圈中心垂直穿過，待測電流的變化反映在其產生的磁場變化上，羅氏線圈從磁通的變化中感應出電壓信號，從中可以還原出待測電流信號。本線圈線匝連接方式采用差分繞線的設計方案，用兩根信號線雙絞，一根視為順繞，另一根為回繞，使得順繞和回繞等效半徑嚴格相等，達到消除干擾的目的。同時為了滿足裝置帶電安裝的要求，本發明所采用的PCB式羅氏線圈為雙半環閉合成整圈結構設計，以方便裝置的閉合與開啟。線匝連接設計采用多排過孔方式。

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

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

導線對地相電壓，其核心部件是將一個分壓電容置于導線和大地之間，對線路相電壓進行串聯分壓，電容上下極板與導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：節點1和2分別為分壓電容的兩極；C為分壓電容值，可以人為選取；C_l1和C_l2為兩極板到高壓導線的電容，C_g1和C_g2為兩極板到大地的電容。根據圖5中電流與電壓的關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線電壓之比為：

式中：C_l1、C_l2、C_g1、C_g2一般數量級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數量級，因此有：

當分壓電容選定完畢，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定的分壓比，可通過測量分壓電容上的電壓推算出線路電壓。