基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统与方法

1.本发明涉及变电站自动化控制技术，具体涉及一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统与方法。


背景技术：

2.在变电站中，刀闸设备是一种非常重要的设备，它是由计算机、智能电子装置、操作机构等按照严格的操作条件、规范的操作顺序，来代替现场人工，自动地完成一系列设备的倒闸操作任务的装置。刀闸运行过程中，最大的设备隐患就是不能正确启动和关闭，这将导致触头发热、电弧产生，并可能导致一次装置燃烧和爆炸，因此，程序化运行过程中有一个重要的"双确认"运行原则，也就是当一次装置处于远方控制运行状态时，至少有两项不同的工作原理或者不同的工作状态发生相应的改变，并且全部改变后，才能确定一次装置已经运行就绪。
3.当前，程序化控制仅考虑“运行、热备、冷备”三种状态之间的切换，所涉及到的一次装置主要为断路器和隔离开关。在实际应用中“双确认”的主要判断依据是断路器与断路器的开合处的辅助触点，而在断路器的开合处，则以电流、电压等遥测数据为辅助判断依据。当前，断路器的状态判定主要有三种方式：人工现场检验、图像识别和安装姿态传感器。
4.人工现场检验主要是通过检验人员现场观察判断刀闸分合的正确性，这种方法费时费力、低效、人为因素较多，不利于智能电网的发展。
5.图像识别技术是利用摄像机拍摄下刀闸开关的运行状态，并利用图像处理软件对其进行判断。这种方法很复杂，费用也很高，而且受光线、雨、雾等因素的影响，极易产生误判，很难精确地判断出开合刀闸有没有分合到位。
6.使用姿态传感器与刀闸一起转动，可以获得一种位移或角度位移的数据，通过这种方法可以获得传感器的转角和位移，进而对其开闭合状态进行判断。然而，在机器人的机械旋转过程中，测得的线缆很可能与机器人连接件相缠绕，导致测量结果发生偏移，严重制约了其在实际中的应用。
7.此外，随着无线电能传输技术的发展，申请人在前期研究过程中也曾提出了一种基于无线电能传输的刀闸分合位置实时检测系统及方法，专利申请号：202211598705.3；该专利通过在刀闸上设置接收线圈，通过在地面上设置发射线圈，通过控制发射线圈的旋转来确定刀闸的分合位置。但是其存在的问题是：由于信号处理的滞后性，要想准确把控发射线圈的转动角度，往往需要按照预定的步进控制发射线圈旋转，完成当前角度的检测后再进入下一角度检测，效率相对较低，实时性不强，而且在刀闸分合过程中也无法判定其转动方向。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的第一目的在于提出一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，该系统可以实时性的判定刀闸的位置，且在刀闸分合过程中也能判定其转动方向。
9.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
10.一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其关键在于：在刀闸摆臂上设置接收线圈和能量接收电路，相对所述接收线圈设置有发射线圈和能量发射电路，所述刀闸摆臂在刀闸旋转控制模块的控制下沿水平旋转摆动实现刀闸分合，所述发射线圈在发射线圈旋转控制装置的控制下沿水平旋转，在所述发射线圈与所述接收线圈之间还设置有多个中继线圈，每一个中继线圈上均连接有中继电能拾取电路和电压检测电路，所述发射线圈的旋转路径、所述接收线圈的旋转路径以及所述多个中继线圈的分布路径在不同高度的水平面上呈相对设置，通过分析每一个中继线圈上的检测电压实现刀闸位置和分合方向的判断。
11.可选地，所述发射线圈、所述接收线圈和所述中继线圈均为倾斜设置的平面线圈，当所述发射线圈和所述接收线圈旋转到其中一个中继线圈所处的角度位置时，三个线圈相互平行正对，且该中继线圈上的电压检测电路所检测到的电压最大值u
max
为预设的正对电压参考值u
ref
。
12.可选地，所述能量发射电路包括交流电源、整流逆变电路和lcc补偿网络，所述lcc补偿网络与发射线圈构成lccl拓扑实现所述发射线圈恒流输出，所述能量接收电路包括副边电容补偿模块和用电负载。
13.可选地，所述中继电能拾取电路包括中继电容补偿模块和整流滤波电路，所述电压检测电路包括电压检测模块、ad采样电路和副边控制器。
14.可选地，所述副边控制器通过wifi/蓝牙模块与原边控制器连接，在所述原边控制器上还连接有电压比较模块，所述电压比较模块将比较结果输出至所述发射线圈旋转控制装置，在所述发射线圈旋转控制装置上还连接有用于显示刀闸状态的显示装置。
15.可选地，所述发射线圈、所述接收线圈和所述中继线圈与水平面都保持α角，多个所述中继线圈采用弧形空间阵列形式并依次编号为1～n，n中继线圈个数。
16.可选地，编号为1的中继线圈与刀闸摆臂完全分闸时所述接收线圈所处的位置正对，编号为n的中继线圈与刀闸摆臂完全合闸时所述接收线圈所处的位置正对。
17.基于上述系统，本发明还提出一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测方法，采用前文所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其关键在于，包括以下步骤：
18.s1：通过发射线圈旋转控制装置控制发射线圈沿预设旋转路径水平匀速旋转；
19.s2：实时采集各个中继线圈的拾取电压，并获取每个中继线圈的最大电压值；
20.s3：判断中继线圈的最大电压值是否等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，如果等于，则根据当前中继线圈的编号确定刀闸摆臂的位置，然后进入步骤s4；否则，直接进入步骤s4；
21.s4：判断当前中继线圈相邻两个中继线圈的最大检测电压变化情况，如果相邻两个中继线圈的最大检测电压不变，则认定为停闸状态；如果上一个中继线圈的最大检测电压变小且下一个中继线圈的最大检测电压变大，则认定为正在分闸状态；如果上一个中继线圈的最大检测电压变大且下一个中继线圈的最大检测电压变小，则认定为正在合闸状态；
22.s5：输出当前状态，并返回步骤s1循环进行。
23.可选地，发射线圈旋转角速度大于接收线圈旋转角速度。
24.可选地，如果第1个中继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全分闸状态；如果第n个中继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全合闸状态。
25.本发明的效果是：
26.(1)本发明不需要工作人员直接到现场进行实时刀闸位置监测，同时还能得到刀闸运行方向，极大减少了运维人员的工作强度，可节省大量运行和维修时间﹐提升工作效率和安全性。
27.(2)本方案能够以较低成本实现刀闸运行位置及分合方向的实时检测，检测灵敏度高，具有较高的实用性。
28.(3)本发明采用无线电能传输原理，能量传输可以给中继侧供电，中继侧无需外加电源，发射线圈旋转控制模块和刀闸的旋转动力来源相同，阵列中继线圈安装方便，简化系统结构，减少检测误差。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明具体实施例中系统的安装结构示意图；
31.图2为本发明具体实施例中系统电路结构示意图；
32.图3为本发明具体实施例中系统等效电路原理图；
33.图4为本发明具体实施例中系统中继线圈的电压变化曲线图；
34.图5为本发明具体实施例中系统控制流程图。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
36.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
37.如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，在刀闸摆臂上设置接收线圈和能量接收电路，相对接收线圈设置有发射线圈和能量发射电路，在发射线圈与接收线圈之间还设置有多个中继线圈，每一个中继线圈上均连接有中继电能拾取电路和电压检测电路，具体实施时，能量发射电路包括交流电源、整流逆变电路和lcc补偿网络，交流电源提供电源，整流逆变电路输出高频方波电源，高频方波电源通过发射线圈发射无线电能，lcc补偿网络与发射线圈构成lccl拓扑实现发射线圈恒流输出，能量接收电路包括副边电容补偿模块和用电负载；中继电能拾取电路包括中继电容补偿模块和整流滤波电路，电压检测电路包括电压检测模块、ad采样电路和副边控制器；高压侧的
刀闸摆臂在刀闸旋转控制模块的控制下沿水平旋转摆动实现刀闸分合，接收线圈固定在刀闸摆臂上与刀闸摆臂做同步运动，低压侧通过基座和绝缘子支撑有合闸触点，发射线圈及发射线圈旋转控制装置安装在开关刀闸旋转中心轴底部，发射线圈在发射线圈旋转控制装置的控制下沿水平旋转，发射线圈的旋转路径、接收线圈的旋转路径以及所述多个中继线圈的分布路径在不同高度上的水平面上呈相对设置，通过分析每一个中继线圈上的检测电压实现刀闸位置和分合方向的判断。
38.具体实施时，发射线圈、接收线圈和中继线圈均为倾斜设置的平面线圈，当发射线圈和接收线圈旋转到其中一个中继线圈的角度位置时，三个线圈相互平行正对，且该中继线圈上的电压检测电路所检测到的电压最大值u
max
为预设的正对电压参考值u
ref
。
39.通过图1可以看出，发射线圈、所述接收线圈和中继线圈与水平面都保持α角，多个中继线圈采用弧形空间阵列形式并依次编号为1～n，n中继线圈个数，通常将编号为1的中继线圈与刀闸摆臂完全分闸时接收线圈所处的位置正对，编号为n的中继线圈与刀闸摆臂完全合闸时所述接收线圈所处的位置正对，根据检测的精度和刀闸摆臂的长度l可以确定n的具体取值，比如刀闸的摆动弧度为90
°
，n取10可以实现偏移角度为10
°
的位置检测；
40.具体实施时，所述副边控制器通过wifi/蓝牙模块与原边控制器连接，在所述原边控制器上还连接有电压比较模块，所述电压比较模块将比较结果输出至所述发射线圈旋转控制装置，在所述发射线圈旋转控制装置上还连接有用于显示刀闸状态的显示装置。
41.根据图2所示系统可以看出，系统电路包含一个发射线圈、一个接收线圈以及n个中继线圈，l
t
和c
t
为发射线圈的自感和谐振电容；m
t1
～m
tn
为发射端和各中继线圈之间的互感，m
r1
～m
rn
为接收线圈和各中继线圈之间的互感；l1～ln、c1～cn以及r1～rn分别为各中继线圈的自感、谐振电容和内阻。中继线圈通过与发射线圈耦合生成感应电压；中继补偿电容与中继线圈自感组成电能传输通道；整流滤波电路将交流电转换为直流电；其它检测附件作为中继线圈电压信号采集及信号发送装置。
42.原边补偿电容c
t
、cf，补偿电感lf，发射线圈l
t
，中继线圈lm、中继补偿电容c
sm
、接收线圈lr、副边补偿电容cr满足：
[0043][0044]
其中，f为高频逆变器工作频率。电压的比较判别与信号发送由单片机控制。整流逆变电路为由4个开关管构成的全桥式逆变电路。
[0045]
所述电容补偿电路、电压检测模块、a/d采样模块、wifi信号发射模块的电源由中继线圈提供、比较分析模块的电源由交流电源提供，电能无线传输给中继线圈供电，中继线圈感应获得电能产生电压。
[0046]
对应图3可以看出，原边阻抗z
t
、中继线圈阻抗zm、副边阻抗zr为：
[0047][0048]
其中有原边补偿电容c
t
、cf，补偿电感lf，发射线圈l
t
，中继线圈l
sn
、中继补偿电容c
sn
、接收线圈lr、副边补偿电容cr。
[0049]
假设整流后电压u0为：
[0050]
u0＝e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0051]
逆变器输出电压u
ab
为：
[0052][0053]
根据kvl系统方程网络为:
[0054][0055]
中继端电压：
[0056]
u＝f(m
tm
,m
rm
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057]
结合式(1)-式(6)可知，当互感m
rm
和m
tm
发生变化，实际中继线圈电压u也发生变化，互感m
rm
和m
tm
的值与原中副线圈正对程度有关，由此建立完全正对电压u
ref
：
[0058]
当刀闸运行时，目标为检测中继线圈m，发射线圈旋转控制模块控制发射线圈跟踪接收线圈运动，检测相邻两中继线圈，即中继线圈m-1和中继线圈m+1的电压变化趋势以及所有中继线圈的实时电压值并得到实时中继最大值u
max
，当三者正对时，得到被测中继线圈与发射和接收端线圈最大互感阈值代入式(6)，得到完全正对电压值u
ref
，将此电压最大值放于单片机寄存器中。
[0059]
刀闸运行时，检测m-1和m+1两中继线圈的最大电压变化趋势以及所有中继线圈的实时电压值并得到实时中继最大值u
max
，，结果信号作为发射线圈旋转控制模块输入控制线圈旋转，当u
max
与u
ref
值差值为0时，即可获得被测中继线圈编号，进而获得刀闸实时位置与
刀闸旋转方向。
[0060]
通过实时采样，中继电压值u变化如图4所示，即发射线圈跟踪接收线圈的过程中，中继线圈电压会逐渐逼近所设阈值电压u
ref
。采样结果信号u送入单边机中，通过wifi信号发射模块发射给wifi信号接收模块，进而传入比较分析模块，与储存的完全正对电压u
ref
作比较，比较规则如下：
[0061][0062]
其中，u
ref
表示完全正对电压，u
max
表示发射线圈旋转过程中中继线圈实时最大电压。
[0063]
通过实验测试发现，当接收线圈靠近某一个中继线圈时，该中继线圈的最大电压值会变小，因此，当检测到第m个中继线圈与接收线圈正对时，如果接收线圈因为分闸或合闸继续移动，则相邻线圈的变化趋势为：
[0064][0065]
△um+1
表示中继线圈m合闸方向相邻的一个中继线圈最大电压变化趋势，
△um-1
表示中继线圈m分闸方向相邻的一个中继线圈最大电压变化趋势，检测范围为第m+1和m-1个中继线圈中心之间，从而对刀闸实时旋转方向判别。
[0066]
当中继线圈电压采样结果最大值u
max
与完全正对电压u
ref
差值为零，则可读取中继线圈编号，确定刀闸实时位置，当二者差值不为零，则位置不能确定，则刀闸继续旋转，直至二者相差为零，获得刀闸运行位置。
[0067]
综上，本实施例可以总结得出图5所示的一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测方法，包括以下步骤：
[0068]
s1：通过发射线圈旋转控制装置控制发射线圈沿预设旋转路径水平匀速旋转；
[0069]
s2：实时采集各个中继线圈的拾取电压，并获取每个中继线圈的最大电压值；
[0070]
s3：判断中继线圈的最大电压值是否等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，如果等于，则根据当前中继线圈的编号确定刀闸摆臂的位置，然后进入步骤s4；否则，直接进入步骤s4；
[0071]
s4：判断当前中继线圈相邻两个中继线圈的最大检测电压变化情况，如果相邻两个中继线圈的最大检测电压不变，则认定为停闸状态；如果上一个中继线圈的最大检测电压变小且下一个中继线圈的最大检测电压变大，则认定为正在分闸状态；如果上一个中继线圈的最大检测电压变大且下一个中继线圈的最大检测电压变小，则认定为正在合闸状态；
[0072]
s5：输出当前状态，并返回步骤s1循环进行。
[0073]
具体实施时，发射线圈旋转角速度大于接收线圈旋转角速度，将编号为1的中继线圈与刀闸摆臂完全分闸时接收线圈所处的位置正对，编号为n的中继线圈与刀闸摆臂完全合闸时所述接收线圈所处的位置正对，如果第1个中继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全分闸状态；如果第n个中
继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全合闸状态。
[0074]
综上可以看出，本发明基于无线电能传输中互感耦合原理，原边线圈向中继线圈和接收线圈发送电能，刀闸在运行过程中，发射线圈旋转控制模块接收来自刀闸旋转控制模块的动力输入信号和来自中继线圈实时最大电压u
max
与所测完全正对电压u
ref
比较后的控制信号以及特定线圈的电压变化趋势控制发射线圈旋转，发射线圈与接收线圈和中继线圈正对时，中继线圈电压实时采样结果最大值u
max
与完全正对电压u
ref
相差为0，此时中继线圈的编号即为刀闸的实时位置，最后将所得到的刀闸的实时位置信息与运行方向通过显示模块显示，从而实现刀闸实时运行位置与运行方向的高精度、低成本监测。
[0075]
最后需要说明的是，以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：在刀闸摆臂上设置接收线圈和能量接收电路，相对所述接收线圈设置有发射线圈和能量发射电路，所述刀闸摆臂在刀闸旋转控制模块的控制下沿水平旋转摆动实现刀闸分合，所述发射线圈在发射线圈旋转控制装置的控制下沿水平旋转，在所述发射线圈与所述接收线圈之间还设置有多个中继线圈，每一个中继线圈上均连接有中继电能拾取电路和电压检测电路，所述发射线圈的旋转路径、所述接收线圈的旋转路径以及所述多个中继线圈的分布路径在不同高度的水平面上呈相对设置，通过分析每一个中继线圈上的检测电压实现刀闸位置和分合方向的判断。2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：所述发射线圈、所述接收线圈和所述中继线圈均为倾斜设置的平面线圈，当所述发射线圈和所述接收线圈旋转到其中一个中继线圈所处的角度位置时，三个线圈相互平行正对，且该中继线圈上的电压检测电路所检测到的电压最大值u
max
为预设的正对电压参考值u
ref
。3.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：所述能量发射电路包括交流电源、整流逆变电路和lcc补偿网络，所述lcc补偿网络与发射线圈构成lccl拓扑实现所述发射线圈恒流输出，所述能量接收电路包括副边电容补偿模块和用电负载。4.根据权利要求1-4任一所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：所述中继电能拾取电路包括中继电容补偿模块和整流滤波电路，所述电压检测电路包括电压检测模块、ad采样电路和副边控制器。5.根据权利要求4所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：所述副边控制器通过wifi/蓝牙模块与原边控制器连接，在所述原边控制器上还连接有电压比较模块，所述电压比较模块将比较结果输出至所述发射线圈旋转控制装置，在所述发射线圈旋转控制装置上还连接有用于显示刀闸状态的显示装置。6.根据权利要求1或2或5所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：所述发射线圈、所述接收线圈和所述中继线圈与水平面都保持α角，多个所述中继线圈采用弧形空间阵列形式并依次编号为1～n，n中继线圈个数。7.根据权利要求6所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于：编号为1的中继线圈与刀闸摆臂完全分闸时所述接收线圈所处的位置正对，编号为n的中继线圈与刀闸摆臂完全合闸时所述接收线圈所处的位置正对。8.一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测方法，采用权利要求1-7任一所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统，其特征在于，包括以下步骤：s1：通过发射线圈旋转控制装置控制发射线圈沿预设旋转路径水平匀速旋转；s2：实时采集各个中继线圈的拾取电压，并获取每个中继线圈的最大电压值；s3：判断中继线圈的最大电压值是否等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，如果等于，则根据当前中继线圈的编号确定刀闸摆臂的位置，然后进入步骤s4；否则，直接进入步骤s4；s4：判断当前中继线圈相邻两个中继线圈的最大检测电压变化情况，如果相邻两个中继线圈的最大检测电压不变，则认定为停闸状态；如果上一个中继线圈的最大检测电压变小且下一个中继线圈的最大检测电压变大，则认定为正在分闸状态；如果上一个中继线圈
的最大检测电压变大且下一个中继线圈的最大检测电压变小，则认定为正在合闸状态；s5：输出当前状态，并返回步骤s1循环进行。9.根据权利要求8所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测方法，其特征在于，发射线圈旋转角速度大于接收线圈旋转角速度。10.根据权利要求8或9所述的基于无线电能传输的刀闸状态实时检测方法，其特征在于，如果第1个中继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全分闸状态；如果第n个中继线圈的最大电压值等于发射线圈、中继线圈和接收线圈完全正对时的参考电压，则认定为刀闸处于完全合闸状态。

技术总结
本发明提供一种基于无线电能传输的刀闸状态实时检测系统与方法，在刀闸摆臂上设置接收线圈和能量接收电路，相对接收线圈设置有发射线圈和能量发射电路，刀闸摆臂沿水平旋转摆动实现刀闸分合，发射线圈在发射线圈旋转控制装置的控制下沿水平旋转，在发射线圈与接收线圈之间还设置有多个中继线圈，每一个中继线圈上均连接有中继电能拾取电路和电压检测电路，发射线圈的旋转路径、接收线圈的旋转路径以及多个中继线圈的分布路径在不同高度的水平面上呈相对设置，通过分析每一个中继线圈上的检测电压实现刀闸位置和分合方向的判断。其效果是：可实时监测刀闸位置和运行方向，减少运维强度，节省运维时间﹐提升工作效率和安全性。节省运维时间﹐提升工作效率和安全性。节省运维时间﹐提升工作效率和安全性。


技术研发人员：夏晨阳 刘雷雷 刘云海 邢爱雯 杨子跃 鲁扬 陆昊 陈宇航 曹宇恒 王琪 卢辰昊 赵勇超
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/28