电力系统接地线通流状态指示系统及指示方法

技术领域

本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种电力系统接地线通流状态指示系统及指示方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。

电力系统需要使用接地线作为检修保护的接地用线；工作接地线是电力作业不可缺少的安全工具，对电力作业人员的人身安全起着极其重要的保障作用。检修前，作业人员应在作业地点两端挂接安全可靠的接地线。如果接地线接地不良，将会造成感应电放电，可能损伤导线及威胁到检修人员的人身安全。

接地线在实际应用时，由于接地和电力系统感应电压的因素，如果接地线可靠接地，接地线上会流过一定数值的电流，通过检测此电流即可检测接地线的接地状态。但是，目前电力系统的接地线通流状态指示方案，采用的依然是以人工检测的方式进行。这种方式不仅安全性较低，可靠性较差，而且无法实时完成接地线通流状态的指示和监测，同时也无法对数据进行记录和保存。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、安全性好且实用性高的电力系统接地线通流状态指示系统。

本发明的目的之二在于提供一种所述电力系统接地线通流状态指示系统的指示方法。

本发明提供的这种电力系统接地线通流状态指示系统，包括电源模块、通信模块、网络模块、传感器模块、报警模块、指示模块、定位模块和控制器模块；传感器模块、报警模块、定位模块和指示模块均与控制模块连接，控制器模块通过通信模块连接网络模块；电源模块给所述电力系统接地线通流状态指示系统供电；传感器模块用于检测电力系统接地线附近设定范围内的磁场数据，并将数据上传控制器模块；报警模块用于接收控制器模块下发的指令，并报警；指示模块用于接收控制器下发的指令，并进行对应的指示；通信模块用于与控制器模块通信和进行数据交互，同时也用于将数据通过网络模块对外发送或者通过网络模块接收外部发送的数据；网络模块用于所述电力系统接地线通流状态指示系统与外部进行数据的隔离和数据交互；定位模块用于获取所述电力系统接地线通流状态指示系统的位置信息，并将数据上传控制器模块；控制器模块用于接收传感器模块上传的信号，进行电力系统接地线的通流状态检测，并将检测结果通过指示模块进行指示，将检测结果通过报警模块进行报警，同时将检测结果通过通信模块和网络模块对外发送，也通过通信模块和网络模块接收外部下发的数据。

所述的电源模块包括5V供电电池、基准电压电路、模拟3.3V电压电路和数字3.3V电压电路；5V供电电池的输出端同时连接基准电压电路的输入端、模拟3.3V电压电路的输入端和数字3.3V电压电路的输入端；基准电压电路的输出端、模拟3.3V电压电路的输出端和数字3.3V电压电路的输出端均连接外部电路并供电。

所述的基准电压电路为由型号为UR6225G的电源芯片构成的电路；所述的模拟3.3V电压电路为由型号为LD1117AG-3.3的电源芯片构成的电路；所述的数字3.3V电压电路为由型号为LM1085R-3.3的电源芯片构成的电路。

所述的通信模块为由型号为W5500的以太网通信芯片构成的电路。

所述的网络模块为由型号为HR911105A的网络变压器芯片构成的电路。

所述的传感器模块包括若干路传感器电路；每一路传感器电路均包括一片磁传感器芯片、一路滤波子电路和一路隔离放大子电路；磁传感器芯片、滤波子电路和隔离放大子电路依次串联；磁传感器芯片用于检测所在环境的磁场数据，并将数据上传滤波子电路；滤波子电路用于对检测数据进行滤波，并将滤波后的数据上传隔离放大子电路；隔离放大子电路用于将接收到的数据进行隔离和放大，并将数据上传控制器模块。

所述的磁传感器芯片为型号为TMR2605的磁传感器芯片；所述的滤波子电路为RC滤波电路；所述的隔离放大子电路为由运算放大器构成的隔离放大电路。

所述的报警模块为声光报警模块。

所述的指示模块为指示灯电路。

所述的定位模块为北斗定位模块。

所述的控制器模块为由型号为STM32F407ZET6的DSP芯片构成的电路。

本发明还公开了一种所述电力系统接地线通流状态指示系统的指示方法，具体包括如下步骤：

S1.采用所述的电力系统接地线通流状态指示系统，获取电力系统接地线的磁场状态数据；

S2.对步骤S1获取的磁场状态数据，依次进行平方计算、求和计算、开方计算和求平均值计算，得到磁场状态数据检测值；

S3.根据步骤S2得到的磁场状态数据检测值，输出对应的报警信号和指示信号；

S4.根据步骤S3输出的报警信号和指示信号，进行对应的报警和指示。

步骤S3所述的根据步骤S2得到的磁场状态数据检测值，输出对应的报警信号和指示信号，具体包括如下步骤：

若磁场状态数据检测值大于或等于第一设定值，则检测结果为良好，输出指示灯信号指示为绿灯信号；

如磁场状态数据检测值大于或等于第二设定值且小于第一设定值，则检测结果为一般，输出指示灯信号为红灯信号；

若磁场状态数据检测值小于第二设定值，则输出指示灯信号为红灯信号，并输出报警信号。

本发明提供的这种电力系统接地线通流状态指示系统及指示方法，不仅实现了对接地导线上磁场状态的实时检测，并通过磁场状态的实时检测实现接地线通流状态的检测，进而实现了接地线的接地可靠性的检测；因此本发明的可靠性高、安全性好且实用性高。

附图说明

图1为本发明系统的功能模块示意图。

图2为本发明系统的电源模块的电路原理示意图。

图3为本发明系统的通信模块的电路原理示意图。

图4为本发明系统的网络模块的电路原理示意图。

图5为本发明系统的一路传感器电路的电路原理示意图。

图6为本发明系统的控制器模块的电路原理示意图。

图7为本发明方法的方法流程示意图。

图8为本发明方法的接地线载流与空间磁场观测点模型示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明提供的这种电力系统接地线通流状态指示系统，包括电源模块、通信模块、网络模块、传感器模块、报警模块、指示模块、定位模块和控制器模块；传感器模块、报警模块、定位模块和指示模块均与控制模块连接，控制器模块通过通信模块连接网络模块；电源模块给所述电力系统接地线通流状态指示系统供电；传感器模块用于检测电力系统接地线附近设定范围内的磁场数据，并将数据上传控制器模块；报警模块用于接收控制器模块下发的指令，并报警；指示模块用于接收控制器下发的指令，并进行对应的指示；通信模块用于与控制器模块通信和进行数据交互，同时也用于将数据通过网络模块对外发送或者通过网络模块接收外部发送的数据；网络模块用于所述电力系统接地线通流状态指示系统与外部进行数据的隔离和数据交互；定位模块用于获取所述电力系统接地线通流状态指示系统的位置信息，并将数据上传控制器模块；控制器模块用于控制所述系统工作，包括用于接收传感器模块上传的信号，进行电力系统接地线的通流状态检测，并将检测结果通过指示模块进行指示，将检测结果通过报警模块进行报警，同时将检测结果通过通信模块和网络模块对外发送，也通过通信模块和网络模块接收外部下发的数据。

如图2所示为本发明系统的电源模块的电路原理示意图：电源模块包括5V供电电池、基准电压电路、模拟3.3V电压电路和数字3.3V电压电路；5V供电电池的输出端同时连接基准电压电路的输入端、模拟3.3V电压电路的输入端和数字3.3V电压电路的输入端；基准电压电路的输出端、模拟3.3V电压电路的输出端和数字3.3V电压电路的输出端均连接外部电路并供电。

具体实施时，基准电压电路为由型号为UR6225G的电源芯片(图中标示U4)构成的电路；芯片的1脚为接地引脚，并直接连接模拟地信号AGND；芯片的2脚为电源输入引脚，其连接电池输出的5V电压信号并取电，同时该引脚也通过电容C79和C80接地滤波；芯片的3脚为输出引脚，其输出参考电压信号VREF，同时该引脚也通过电容C87和C88接地滤波，同时还通过电阻R46接地；

模拟3.3V电压电路为由型号为LD1117AG-3.3的电源芯片(图中标示U3)构成的电路；芯片的1脚直接连接模拟地AGND；芯片的3脚为电源输入引脚，其直接连接电池输出的5V电压信号并取电，同时该引脚也通过电容C74和C77接地滤波；芯片的2脚和4脚为输出引脚，其输出稳定的模拟3.3V电源信号A3V3，同时该两个引脚也通过电容C75、C76和C78接地并滤波；

数字3.3V电压电路为由型号为LM1085R-3.3的电源芯片(图中标示U2)构成的电路；芯片的1脚为接地引脚，并直接连接数字地DGND；芯片的3脚为电源输入引脚，其连接数字电源信号D5V并取电，同时该引脚也通过电容C29和C30接地滤波；芯片的4脚直接连接芯片的2脚；芯片的2脚为输出引脚，其输出数字3.3V电源信号D3V3，同时该引脚也通过电容C31、C32和C33接地滤波；芯片的2脚还通过电阻R12和发光二极管LED5接地，发光二极管LED5用于指示数字3.3V电源信号的状态。

此外，电池输出的5V电压信号(A5V)通过隔离电感L3输出数字电源信号D5V。

如图3所示为本发明系统的通信模块的电路原理示意图：所述的通信模块为由型号为W5500的以太网通信芯片(图中标示U8)构成的电路；芯片的1脚、2脚、5脚和6脚为通信引脚，并连接网络模块进行数据通信；芯片的10脚通过下拉电阻R19接数字地；芯片的20脚通过电容C53接数字地；芯片的22脚通过电容C63连接数字地；芯片的24脚为LED指示驱动信号，其输出驱动信号到网路模块并驱动网络模块的LED灯工作；芯片的25脚为LED指示驱动信号，其输出驱动信号到网路模块并驱动网络模块的LED灯工作；芯片的26脚为LED指示驱动信号，其输出驱动信号到网路模块并驱动网络模块的LED灯工作；芯片的27脚为LED指示驱动信号，其输出驱动信号到网路模块并驱动网络模块的LED灯工作；芯片的32脚为通信控制引脚，其连接控制器模块的通信控制引脚并获取通信控制信号；芯片的33脚为通信时钟引脚，其连接控制器模块的通信时钟引脚并获取通信时钟信号；芯片的34脚和35脚为通信信号引脚，其连接控制器模块的通信引脚并进行数据交互；芯片的36脚为中断信号引脚，其连接控制器模块的输出引脚并获取中断信号；芯片的37脚为复位信号引脚，其连接控制器模块的输出引脚并获取复位信号；芯片的43脚～45脚均通过各自的上拉电阻连接电源信号VCC_3V3A，从而保证引脚电平的稳定性；芯片的30脚和31脚为晶振信号引脚，其连接晶振芯片X2并获取对应的晶振信号，同时该两引脚也通过电容C52和C100接地；芯片的3脚、9脚、14脚、16脚、19脚和23脚均为接地引脚，并直接接地；芯片的4脚、8脚、11脚、15脚、17脚和21脚为电源引脚，并连接电源信号VCC_3V3A取电。

如图4所示为本发明系统的网络模块的电路原理示意图：所述的网络模块为由型号为HR911105A的网络变压器芯片(图中标示J2)构成的电路；芯片的6脚为接收负引脚，3脚为接收正引脚，5脚为接收端公共端；6脚和3脚通过滤波电容(电容C70和C71、电阻R21和R22)接地滤波后，通过各自的匹配电阻(图中标示R230R和R250R)连接通信信号RX_N和RX_P，同时通信信号RX_N和RX_P也连接以太网通信芯片的5脚和6脚，并进行数据交互；

芯片的2脚为发送负引脚，1脚为发送正引脚，4脚为发送端公共端；2脚和1脚通过各自的匹配电阻(图中标示R260R和R270R)连接TX_N信号和TX_P信号，同时TX_N信号和TX_P信号也连接以太网通信芯片的1脚和2脚；此外，芯片的2脚、1脚和4脚均通过各自的上拉电阻(图中标示R28、R30和R29)连接电源信号VCC_3V3A，以保证引脚信号的电平稳定性。芯片的8脚直接接地，芯片的10脚连接以太网通信芯片的25脚并获取指示信号，芯片的11脚连接以太网通信芯片的27脚并获取指示信号；芯片的9脚则通过电阻R31连接电源信号VCC_3V3A；芯片的12脚则通过电阻R36连接电源信号VCC_3V3A；当信号LINKLED信号或ACTLED为低电平时，此时芯片内部的灯将点亮；类似的，以太网通信芯片输出的信号SPDLED(24脚)或DUPLED(26脚)为低电平时，对应的LED灯LED1或LED2将点亮。指示灯的点亮，用于表示对应的电路的工作状态。

如图5所示为本发明系统的一路传感器电路的电路原理示意图：传感器电路包括一片磁传感器芯片、一路滤波子电路和一路隔离放大子电路；磁传感器芯片、滤波子电路和隔离放大子电路依次串联；磁传感器芯片用于检测所在环境的磁场数据，并将数据上传滤波子电路；滤波子电路用于对检测数据进行滤波，并将滤波后的数据上传隔离放大子电路；隔离放大子电路用于将接收到的数据进行隔离和放大，并将数据上传控制器模块。

所述的磁传感器芯片为型号为TMR2605的磁传感器芯片(图中标示U11)；所述的滤波子电路为RC滤波电路(图中包括电阻R59和R61，以及电容C115)；所述的隔离放大子电路为由运算放大器构成的隔离放大电路(图中标示U12)；芯片U11的3脚接地，4脚通过电容C113接地；芯片U11的6脚连接模拟电源信号A3V3_A并取电，同时该引脚也通过电容C111接地滤波；芯片U11的5脚为输出信号引脚，其输出的信号通过RC滤波电路接地滤波后，输入到运放芯片U12的3脚；芯片U12的2脚直接接地；芯片U12的1脚和4脚之间串接电阻R60；芯片U12的1脚为输出引脚，其输出本路传感器电路的检测信号ADC_CH2，并输出到控制器模块；运放芯片U12的连接方式，使得运放芯片U12成为隔离放大电路，并对输入的信号进行隔离和放大。

具体实施时，本发明采用了24路传感器电路，用于对接地线附近的磁场数据进行检测；因此，24路传感器电路输出的信号依次为ADC_CH1～ADC_CH24。

如图6所示为本发明系统的控制器模块的电路原理示意图：所述的控制器模块为由型号为STM32F407ZET6的DSP芯片构成的电路；图中，DSP芯片被划分为3个部分，分别为U5.1、U5.2和U5.3；芯片U5.1的99脚输出通信控制信号，并输出到以太网通信芯片的32脚，从而对通信过程进行控制；芯片U5.1的111脚输出时钟信号引脚，其输出时钟信号到以太网通信芯片的33脚；芯片U5.1的97脚输出复位信号到以太网通信芯片的37脚；芯片U5.1的98脚输出中断信号到以太网通信芯片的36脚；芯片U5.1的112脚和113脚为通信信号引脚，其连接以太网通信芯片的34脚和35脚，并进行通信和数据交互；

芯片U5.2的23脚和24脚为晶振信号引脚，其连接外置晶振X1的两端并获取标准晶振信号；芯片U5.2的138脚通过下拉电阻R5接地；芯片U5.2的25脚为复位引脚，其连接复位芯片U1(专用复位芯片，型号为CN706T)的复位端并获取对应的复位信号；芯片U5.2的71脚通过电容C17和C18接地；芯片U5.2的106脚通过电容C15和C16接地；芯片U5.2的129脚和132脚为指示引脚，其通过各自的指示灯(LED3和LED4)和限流电阻(R10和R11)连接电源信号D3V3，通过该两引脚的电平变化，从而控制指示灯的点亮和关闭的状态。

具体实施时，24路传感器电路输出的检测信号ADC_CH1～ADC_CH24，每一路检测信号均通过一个串接的电阻后，输出对应的检测信号到控制器模块中；具体的对应关系如下：

第一路检测信号ADC_CH1，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN9，并连接控制器芯片的13脚；第一路检测信号ADC_CH2，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN14，并连接控制器芯片的14脚；第一路检测信号ADC_CH3，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN15，并连接控制器芯片的15脚；第一路检测信号ADC_CH4，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN4，并连接控制器芯片的18脚；第一路检测信号ADC_CH5，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN5，并连接控制器芯片的19脚；第一路检测信号ADC_CH6，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN6，并连接控制器芯片的20脚；第一路检测信号ADC_CH7，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN7，并连接控制器芯片的21脚；第一路检测信号ADC_CH8，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC3_IN8，并连接控制器芯片的22脚；第一路检测信号ADC_CH9，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN10，并连接控制器芯片的26脚；第一路检测信号ADC_CH10，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN11，并连接控制器芯片的27脚；第一路检测信号ADC_CH11，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN12，并连接控制器芯片的28脚；第一路检测信号ADC_CH12，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN13，并连接控制器芯片的29脚；第一路检测信号ADC_CH13，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN0，并连接控制器芯片的34脚；第一路检测信号ADC_CH14，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN1，并连接控制器芯片的35脚；第一路检测信号ADC_CH15，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN2，并连接控制器芯片的36脚；第一路检测信号ADC_CH16，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC123_IN3，并连接控制器芯片的37脚；第一路检测信号ADC_CH17，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN4，并连接控制器芯片的40脚；第一路检测信号ADC_CH18，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN45，并连接控制器芯片的41脚；第一路检测信号ADC_CH19，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN6，并连接控制器芯片的42脚；第一路检测信号ADC_CH20，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN7，并连接控制器芯片的43脚；第一路检测信号ADC_CH21，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN14，并连接控制器芯片的44脚；第一路检测信号ADC_CH22，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN15，并连接控制器芯片的45脚；第一路检测信号ADC_CH23，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN8，并连接控制器芯片的46脚；第一路检测信号ADC_CH24，通过串接电阻(阻值为100欧)后，输出对应的检测信号ADC12_IN9，并连接控制器芯片的47脚；

芯片U5.3的6脚、17脚、30脚、39脚、52脚、62脚、72脚、84脚、95脚、108脚、121脚、131脚和144脚均直接连接数字电源信号D3V3并取电；芯片U5.3的33脚直接模拟电源信号A3V3并取电；芯片U5.3的16脚、38脚、51脚、61脚、83脚、94脚、107脚、120脚和130脚均直接连接数字地DGND；芯片U5.3的31脚则直接连接模拟地AGND。

最后，数字电源信号D3V3通过并联的电容C6～C13、以及电容C19～C22接地滤波。

如图7所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明公开的这种所述电力系统接地线通流状态指示系统的指示方法，具体包括如下步骤：

S1.采用所述的电力系统接地线通流状态指示系统，获取电力系统接地线的磁场状态数据；

S2.对步骤S1获取的磁场状态数据，依次进行平方计算、求和计算、开方计算和求平均值计算，得到磁场状态数据检测值；

具体实施时，包括如下步骤：

如图8所示为接地线载流与空间磁场观测点模型示意图：

接地线长度为l，现在考虑图1所示的长度为du的无限小的电偶极。偶极子在坐标为(u,v,w)的点M处引起的矢量电势A为

式中μ

在v＝u

其中i代表积分区间(u

矢量电势表达式A可简化为

其中，函数H

H

r(m)＝(u-ml)+p(m)

由于(x，y，z)是观察点M的坐标，(x

其中，t是用来代表x、y或z其中一个坐标的变量，T

T

E

其中函数h(m)和f(m)由以下公式给出

由以上公式可得三维磁场的分量及其合成磁场：

/>

其中，α代表轴u和xyz坐标系的x轴之间的角度，|B|为磁场大小；

故接地线状态监测装置的基本工作原理为通过测量接地线周围产生的磁场以确定接地线的连接状态。当接地线内部流过电流I时，将芯片式三维磁场传感器固定在导体周围某处，芯片式三维磁场传感器将导线产生磁场波形转化为输出电压。当导体内部电流大小改变时，周围磁场大小随之发生变化，芯片式三维磁场传感器输出对应的电压信号。因此，当保持导体和芯片式三维磁场传感器的相对位置不变时，可根据芯片式三维磁场传感器的输出电压间接反映导体内部的电流，以达到电流测量的目的。

除此之外，还可以通过多通道磁场测量的方式测量由接地线远至近的空间磁场分布，从而反推接地线上是否通过电流。

具体实施时，三轴磁场的测量电路由三个单轴磁场的测量电路组成，三个TMR2605芯片布置成相互垂直的形式；

三轴磁场的测量电路输出的电压大小为V

所以，磁场实际值为B

8通道三维磁场测量传感器由8个相隔7cm的三维磁场测量单元组成；8通道三维磁场测量传感器可以有效测量导体附近0.5米范围内磁场分布。测量时，8通道三维磁场测量传感器平行或垂直布置导体附近；

然后，数字信号再通过乘法器实现测量磁场信号的平方运算，再通过加法器实现三维磁场的平方求和。开方运算单元对平方求和进行开方运算，结果送求和运算单元；再利用64k的堆栈存储实现数据的存储和求平均。三维磁场的测量信号经处理后转化为模值，再送出至控制器模块。

S3.根据步骤S2得到的磁场状态数据检测值，输出对应的报警信号和指示信号；具体包括如下步骤：

若磁场状态数据检测值大于或等于第一设定值，则检测结果为良好，输出指示灯信号指示为绿灯信号；

如磁场状态数据检测值大于或等于第二设定值且小于第一设定值，则检测结果为一般，输出指示灯信号为红灯信号；

若磁场状态数据检测值小于第二设定值，则输出指示灯信号为红灯信号，并输出报警信号

S4.根据步骤S3输出的报警信号和指示信号，进行对应的报警和指示。