一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及线路拓扑节点监测领域，尤其涉及一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置。


背景技术：

2.低压配电网在运营管理过程中，为保证用户档案准确，经常需要将用户档案与现场数据进行比对核实。用户的台区归属、拓扑关系、用电设备的用电相位、工作相序等这些基础数据，对计算台区线损是否正确，用电负载是否平衡，能否降低负载不平衡损耗，从而实现低压台区线损管理、故障研判、电能质量治理、精准运维及检修起着至关重要的作用，是推进坚强、智能电网建设的基本要素。
3.获取准确的基础数据，首先要建立正确的拓扑节点关系图(配变-线路-户表)。传统方法主要依靠配电台区普查，借助运维人员在现场使用台区用户识别仪(或称查询仪、营业普查仪)等仪器，查清用户是由哪台变压器、哪条线路、哪相供电。这种“顺藤摸瓜”式的梳理得到的数据出错概率高，拓扑关系和用户相别关系不完全准确，且营销和运检系统维护的拓扑数据也不完全一致，低压侧切改或异动等操作导致拓扑发生变化时系统无法保证及时更新，效率很低。
4.缺乏高效的拓扑自动识别手段一直以来是用电管理部门的一个痛点，近年来在自动拓扑方面进行了很多探索，主流的方法如基于节点序电压、序电流、功率、电量数据计算的拓扑识别；基于停电累积数据的被动拓扑识别；基于电力线载波的拓扑识别等；基于电容充放电的无功脉冲电流法等。但由于如下一些原因导致上述方法的拓扑识别成功率不高：
5.1.基于序电压、序电流、功率、电量、停电累积数据的拓扑识别方式主要是依靠大数据计算，对软硬件配置要求较高，且计算结果受现场因素影响较多，拓扑图形成需要一定的时间跨度，拓扑图准确性与算法紧密相关，和实际节点关系不一定完全吻合；
6.2.基于载波的拓扑识别方式，电网中的电容和电感对载波信号的影响非常大，造成载波通信信号的传输不稳定。且由于载波通信本身的工作方式，在相邻变压器进行传送过程中，极易发生共电缆沟、共地、共高压等现象，造成载波信号发生共高压、共地、并行传输串扰，从而造成台区拓扑节点关系识别失败。另外载波拓扑识别方式是将载波信号叠加在电压信号上，不能确定节点之间的上下级从属关系，也就是说利用电力线载波可以实现用户台区归属关系识别，但无法实现用电客户的拓扑节点关系。
7.3.采用电容充放电的无功脉冲电流法，由于电容的充放电需要时间，响应速度慢，只能形成工频信号，极易被淹没不易识别。
8.随着低压配网建设的进步发展，配电网络基础设施在不断完善，配网智能化运维、营销精细化管理以及减损降耗已经成为一种趋势。正是由于现有自动拓扑识别方式的不足，研究一种新型的台区拓扑自动识别技术显得非常重要。


技术实现要素：

9.本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，以达到方便台区自动拓扑识别的目的。为此，本实用新型采取以下技术方案。
10.一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，包括用于将市电转为直流电的整流稳压电路、与整流稳压电路相连的用于生成恒流特征信号的开关电路；所述的开关电路包括位于低压配电线路的相线和零线之间的投切电阻，开关电路通过投切电阻产生特征电流信号。本技术方案采用电阻投切，经mcu控制，可得到不同于配电网谐波频率的简谐波恒流电流特征编码信号。本技术方案利用产生的恒流电流特征编码信号，可确定低压配电台区用户的台区归属关系，得到用户的拓扑节点关系。从而确定拓扑结构，实现配变——线路——户表拓扑关系高效的自动化识别。使技术人员能结合低压配电台区主站、智能融合终端、智能电表等设备，对配电台区的线损进行管理，故障节点进行定位。
11.作为优选技术手段：所述的整流稳压电路包括整流电路和稳压电路，所述的整流稳压电路设有两输入端和两输出端，两输入端分别为与市电相连的第一输入端和与零线相连的第二输入端；所述的两输出端分别为与开关电路相连的第一输出端和第二输出端。第一输出端和第二输出端可以输出不同的电压以满足需要。
12.作为优选技术手段：所述的整流电路包括电阻r1、电阻r2、桥堆b1及电容c1；桥堆b1为全桥整流桥堆；相线通过电阻r1与桥堆b1第一引脚相连；零线通过电阻r2与桥堆b1的第三引脚相连，桥堆b1的第二引脚、第四引脚之间设有所述的电容c1；桥堆b1的第二引脚为与第一输出端相连的直流正极端；所述的桥堆b1的第四引脚为直流负极端。电阻r1、电阻r2为限流电阻，桥堆b1和电容c1构成全波整流电路，从而得到电压b+，电压b+为整流稳压电路的第一输出端。
13.作为优选技术手段：所述的稳压电路包括电阻r3、mos管q1和电容c3；所述的mos管q1的栅极通过电阻r3与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的漏极通过电阻r4与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的源极通过电容c3接地；mos管q1的源极连接整流稳压电路的第二输出端。电阻r3用于限流，电阻r4、mos管q1、电容c3构成可以储能的稳压电路，为后端电路工作提供电源。因为mos管q1的栅极对地电压可以被嵌位在25v，电容c3上的电压等于25v-q1gs(q1栅极对源极电压)，电容c3上的电压被稳在约21v。电阻r4、mos管q1的ds为电路的电流通道，第一输出端b+通过电阻r4、mos管q1的ds导电通道为电容c3提供充电电流。
14.作为优选技术手段：所述的mos管q1的栅极与直流负极端之间设有稳压管z1和电容c2；所述的稳压管z1和电容c2并联设置。稳压管z1用于稳压，电容c2用于滤波，使mos管q1的gs电压可以稳在25v，即第一输出端输出25v。
15.作为优选技术手段：所述的开关电路包括用于提供驱动信号的mcu控制器、用于隔离的光耦o1、投切电阻、及控制投切电阻得失电的mos管q2，所述的mcu控制器与隔离的光耦o1相连，以控制光耦o1的通断；所述的第二输出端与mos管q2的栅极之间通过光耦o1相连，所述的第一输出端与投切电阻之间设有所述的mos管q2。光耦o1起隔离作用，隔离弱电与强电回路；电路的驱动信号由mcu控制器提供，驱动信号的占空比，频率受mcu控制。mcu编码后，可输出固定时长的，含有编码特征信息的驱动信号。
16.作为优选技术手段：开关电路还包括电阻r5、电阻r6、电阻r7和三极管q3；mcu控制器通过电阻r6与三极管q3的基极相连；光耦o1的发光器正极通过电阻r5与5v电源相连，光耦o1的发光器的负极与三极管q3的集电极相连，三极管q3的发射极接地；光耦o1的受光器的一端与第二输出端相连，光耦o1的受光器的另一端通过电阻r7与第二mos管q2的栅极相连，第一输出端与第二mos管q2的漏极相连，第二mos管q2的源极通过投切电阻与直流负极端相连。
17.作为优选技术手段：所述的投切电阻包括电阻r8和电阻r9，所述的电阻r8、电阻r9并联设置；当mos管q2管开通时，电流由市电火线流出，经电阻r1，桥堆b1，mos管q2，电阻r8//电阻r9，桥堆b1，再到零线。光耦二次侧，电源电压由稳压后得到的21v电压提供，光耦导通时，驱动mos管q2导通。因为mos管q2的栅极对地电压是固定的，同样加在并联电阻r8//r9上的电压等于21v-光耦导通电压-电阻r7压降-q2gs(q2栅极对源极电压)。由于加在并联电阻r8//r9的电压是恒定的，因此会得到一个恒定的电流。
18.作为优选技术手段：所述的监测装置设于台区的线路分支节点；分支节点包括各级断路器设置点、电表箱的进线点。设于分支节点上，有利于进行节点监测。
19.作为优选技术手段：所述的监测装置还包括用于通讯的通讯模块、电流互感器、电压互感器、与电流互感器和电压互感器相连的ad采样芯片；所述的ad采样芯片与mcu控制器的spi通信接口相连。配置电流互感器、电压互感器，可以对电流和电压等进行采样，从而得到所需的电能信息。通讯模块可以与主站、智能融合终端等进行通信，从而将相关信息上传至主站和智能融合终端，由主站和智能融合终端进行相应的分析。
20.有益效果：本技术方案通过整流稳压电路和开关电路产生恒流电流信号，从而帮助技术人员确定低压配电台区用户的台区归属关系，并确定台区拓扑节点关系，使配变——线路——户表拓扑关系得到高效的自动化识别。
21.采用投切电阻得到满足一定频域规律的有功特征电流信号，形成的电流信号编码特征明显，工作效率高，更容易识别。
附图说明
22.图1是本实用新型的整流稳压电路图。
23.图2是本实用新型的开关电路图。
24.图3是本实用新型的监测装置的结构框图。
25.图4是本实用新型的监测装置的连接图。
具体实施方式
26.以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。
27.本实用新型包括用于将市电转为直流电的整流稳压电路、与整流稳压电路相连的用于生成恒流特征信号的开关电路；所述的开关电路包括位于低压配电线路的相线和零线之间的投切电阻，开关电路通过投切电阻产生特征电流信号。本技术方案采用电阻投切，经mcu控制，可得到不同于配电网谐波频率的简谐波恒流电流特征编码信号。本技术方案利用产生的恒流电流特征编码信号，可确定低压配电台区用户的台区归属关系，得到用户的拓扑节点关系。从而确定拓扑结构，实现配变——线路——户表拓扑关系高效的自动化识别。
使技术人员能结合低压配电台区主站、智能融合终端、智能电表等设备，对配电台区的线损进行管理，故障节点进行定位。
28.具体的，整流稳压电路如图1所示；整流稳压电路包括整流电路和稳压电路，所述的整流稳压电路设有两输入端和两输出端，两输入端分别为与市电l相连的第一输入端和与零线n相连的第二输入端；所述的两输出端分别为与开关电路相连的第一输出端b+和第二输出端+21v。
29.整流电路包括电阻r1、电阻r2、桥堆b1及电容c1；桥堆b1为全桥整流桥堆；相线通过电阻r1与桥堆b1第一引脚相连；零线通过电阻r2与桥堆b1的第三引脚相连，桥堆b1的第二引脚、第四引脚之间设有所述的电容c1；桥堆b1的第二引脚为与第一输出端相连的直流正极端；所述的桥堆b1的第四引脚为直流负极端。所述的稳压电路包括电阻r3、mos管q1和电容c3；所述的mos管q1的栅极通过电阻r3与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的漏极通过电阻r4与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的源极通过电容c3接地；mos管q1的源极连接整流稳压电路的第二输出端；所述的mos管q1的栅极与直流负极端之间设有稳压管z1和电容c2；所述的稳压管z1和电容c2并联设置。
30.整流稳压电路的工作原理：
31.由限流电阻r1、r2，桥堆b1和电容c1构成全波整流电路，得到电压b+。
32.再由限流电阻r3、稳压管z1(25v稳压管)、滤波电容c2构成稳压电路，可使mos管q1的gs电压稳在25v。
33.由电阻r4、mos管q1、电容c3构成可以储能的稳压电路，为后端电路工作提供电源。因为mos管q1的栅极对地电压被嵌位在25v，电容c3上的电压等于25v-q1gs(q1栅极对源极电压)，电容c3上的电压被稳在约21v。电阻r4、mos管q1的ds为电路的电流通道，b+通过电阻r4、mos管q1的ds导电通道为电容c3提供充电电流。
34.如图2所示，所述的开关电路包括用于提供驱动信号的mcu控制器、用于隔离的光耦o1、投切电阻、控制投切电阻得失电的mos管q2、电阻r5、电阻r6、电阻r7和三极管q3，所述的mcu控制器与隔离的光耦o1相连，以控制光耦o1的通断；所述的第二输出端与mos管q2的栅极之间通过光耦o1相连，所述的第一输出端与投切电阻之间设有所述的mos管q2；mcu控制器通过电阻r6与三极管q3的基极相连；光耦o1的发光器正极通过电阻r5与5v电源相连，光耦o1的发光器的负极与三极管q3的集电极相连，三极管q3的发射极接地；光耦o1的受光器的一端与第二输出端相连，光耦o1的受光器的另一端通过电阻r7与第二mos管q2的栅极相连，第一输出端与第二mos管q2的漏极相连，第二mos管q2的源极通过投切电阻与直流负极端相连；其中的投切电阻为并联的电阻r8和电阻r9。
35.开关电路工作原理：
36.光耦o1起隔离作用，隔离弱电与强电回路。
37.电路的驱动脉冲信号由mcu控制器提供，驱动信号的占空比，频率受mcu控制。mcu编码后，可输出固定时长的，含有编码特征信息的驱动信号。
38.光耦o1二次侧的4脚的电源电压由图1稳压后得到的21v电压提供，光耦导通时，驱动mos管q2导通。因为mos管q2的栅极对地电压是固定的，同样加在并联电阻r8//r9上的电压等于21v-光耦导通电压(3、4脚)-电阻r7压降-q2gs(q2栅极对源极电压)。加在并联电阻r8//r9的电压是恒定的，因此会得到一个恒定的电流。
39.恒流电路回路：由市电ln，电阻r1，电阻r2，桥堆b1，mos管q2，并联电阻r8//r9组成。电流由市电火线l流出，经电阻r1，桥堆b1，mos管q2，电阻r8//r9，桥堆b1，再到零线n。
40.驱动脉冲信号经光耦隔离后驱动mos管q2。恒流特征信号的频率由单片机控制，可产生具有特征编码的电流信号。
41.如图3所示，监测装置包括用于通讯的通讯模块、电流互感器、电压互感器、与电流互感器和电压互感器相连的ad采样芯片；所述的ad采样芯片与mcu控制器spi通信接口相连；为提高采集精度，采用高精度电流互感器，可在-40-85℃内，对100ma-800a的电流进行采样，精度≤0.1％。采用一种soc计量芯片，提供全波、基波三相电流有效值测量，集成采样算法固件，可完成对整个低压台区所安装的拓扑节点监测装置产生的有功电流特征信号采集。同时，拓扑节点监测装置可测量所在节点的全波和基波三相电压、电流，功率因数，有功、无功、视在功率，电压相序检测，可计量有功电能、无功电能、视在电能。通过高精度ad采样芯片对线路电流特征信号进行实时采样分析，记录信号识别到的时间标，对时间标进行对比分析，从而绘制线路物理拓扑。
42.如图4所示，为能快速有效地实现台区的线路分支节点拓扑关系监测，如可在变压器侧断路器处(1#断路器)装一个监测装置设为总点；其余断路器(2#-9#断路器)每个旁边装一个监测装置，用户侧电表箱每个表箱旁装一个监测装置。通过监测装置生成的电流编码特征信号，把低压台区的分支点，上下级关系准确地列出来，从而自动把整个供电台区的分支准确绘出来，得到形成配电台区拓扑图；如自家电表箱为12#表箱，当8#断路器与12#表箱之间线路出现短路故障。基于级差配合保护，则故障点上一级8#断路器跳闸保护。再上级的1#，3#，5#断路器均不动作。8#断路器动作保护后，切除故障，则8#断路器下级12#表箱停电，隔离故障点，线路其他分支均正常供电。装在8#断路器旁边的监测装置向智能配变终端上报故障事件，包括故障类型、故障时各相电流、电压，故障时间等。智能配变终端接收到8#断路器的故障信息和12#电表箱停电相关信息，研判其故障点为8#断路器与12#表箱之间线路故障，并研判出故障类型、故障特征。主站可通过短信向运维人员派出工单，实现故障定位和智能化运维。
43.设在供电分支节点的监测装置可以设在断路器出线侧或者进线侧，以及表箱的前端，准确形成整个台区的拓扑图后，还可以获得每个分段的线损。监测装置内置交采电路，可通过ad采样芯片获取所在分支点的电能计量数据。如1#断路器的电能计量值可以和2#和3#断路器的计量值和进行比对，从而确定1#断路器到2#断路器，或1#断路器到3#断路器之间的供电线路线损是否有异常。另如电表箱有10户的电能表，可以通过监测装置采样得知这10块表总的电能是多少度，当该10户电能表的总数与监测装置采样的数据合不上时，便可分析具体到哪户的线损异常。
44.以上所示的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置是本实用新型的具体实施例，已经体现出本实用新型实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本实用新型的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

技术特征：
1.一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：包括用于将市电转为直流电的整流稳压电路、与整流稳压电路相连的用于生成恒流特征信号的开关电路；所述的开关电路包括位于低压配电线路的相线和零线之间的投切电阻，开关电路通过投切电阻产生特征电流信号。2.根据权利要求1所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的整流稳压电路包括整流电路和稳压电路，所述的整流稳压电路设有两输入端和两输出端，两输入端分别为与市电相连的第一输入端和与零线相连的第二输入端；所述的两输出端分别为与开关电路相连的第一输出端和第二输出端。3.根据权利要求2所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的整流电路包括电阻r1、电阻r2、桥堆b1及电容c1；桥堆b1为全桥整流桥堆；相线通过电阻r1与桥堆b1第一引脚相连；零线通过电阻r2与桥堆b1的第三引脚相连，桥堆b1的第二引脚、第四引脚之间设有所述的电容c1；桥堆b1的第二引脚为与第一输出端相连的直流正极端；所述的桥堆b1的第四引脚为直流负极端。4.根据权利要求3所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的稳压电路包括电阻r3、mos管q1和电容c3；所述的mos管q1的栅极通过电阻r3与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的漏极通过电阻r4与整流稳压电路的第一输出端相连；mos管q1的源极通过电容c3接地；mos管q1的源极连接整流稳压电路的第二输出端。5.根据权利要求4所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的mos管q1的栅极与直流负极端之间设有稳压管z1和电容c2；所述的稳压管z1和电容c2并联设置。6.根据权利要求2所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的开关电路包括用于提供驱动信号的mcu控制器、用于隔离的光耦o1、投切电阻、及控制投切电阻得失电的mos管q2，所述的mcu控制器与隔离的光耦o1相连，以控制光耦o1的通断；所述的第二输出端与mos管q2的栅极之间通过光耦o1相连，所述的第一输出端与投切电阻之间设有所述的mos管q2。7.根据权利要求6所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：开关电路还包括电阻r5、电阻r6、电阻r7和三极管q3；mcu控制器通过电阻r6与三极管q3的基极相连；光耦o1的发光器正极通过电阻r5与5v电源相连，光耦o1的发光器的负极与三极管q3的集电极相连，三极管q3的发射极接地；光耦o1的受光器的一端与第二输出端相连，光耦o1的受光器的另一端通过电阻r7与mos管q2的栅极相连，第一输出端与mos管q2的漏极相连，mos管q2的源极通过投切电阻与直流负极端相连。8.根据权利要求7所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的投切电阻包括电阻r8和电阻r9，所述的电阻r8、电阻r9并联设置；当mos管q2管开通时，电流由市电火线流出，经电阻r1，桥堆b1，mos管q2，电阻r8//电阻r8，桥堆b1，再到零线。9.根据权利要求8所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的监测装置设于台区的线路分支节点；分支节点包括各级断路器设置点、电表箱的进线点。10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，其特征在于：所述的监测装置还包括用于通讯的通讯模块、电流互感器、电压互感器、与电流互感器和电压互感器相连的ad采样芯片；所述的ad采样芯片与mcu控制器的spi通信接口
相连。

技术总结
本实用新型公开了一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，涉及线路拓扑节点监测领域。采用电容充放电的无功脉冲电流法等，电容的充放电需要时间，响应速度慢，只能形成工频信号，极易被淹没不易识别。一种低压配电台区线路拓扑节点监测装置，包括用于将市电转为直流电的整流稳压电路、与整流稳压电路相连的用于生成恒流特征信号的开关电路；所述的开关电路包括位于低压配电线路的相线和零线之间的投切电阻，开关电路通过投切电阻产生特征电流信号。本技术方案采用电阻投切，经MCU控制，可得到不同于配电网谐波频率的简谐波恒流电流特征编码信号；且形成的电流信号编码特征明显，工作效率高，更容易识别。更容易识别。更容易识别。


技术研发人员：滕明茂 王鹏 田团峰 郑业童 冯亚军 孙伟槺 张飞 丁发根 刘仁芳
受保护的技术使用者：浙江华云信息科技有限公司
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/7/23