CN100507579C - 用于测量电压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助测量电路(MS)在电流分配网络的位置上测量电压的方法，该测量电路(MS)具有与电网的导线(1)耦合的电压传送器(SG)和与该电压传送器(SG)连接的继续处理装置(WA)，在该测量电路的输出端输出电压测量值作为输出信号。为了利用这样的方法独立于所选择的电压传送器(SG)的类型得到精确的电压测量值，本发明建议为获得正确的测量值通过具有与测量电路(MS)的传输函数相反的传输函数的均衡器(KG)来校正测量电路(MS)的输出信号。本发明还涉及一种实施该方法的测量装置(MV)。

Description

用于测量电压的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种借助测量电路在电流分配网络的位置上测量电压的方法，该测量电路具有与电网的传导电流的导线耦合的电压传送器和与该电压传送器连接的继续处理装置，在该测量电路的输出端输出电压测量值作为输出信号。本发明还涉及一种实施该方法的测量装置。

背景技术

在电流分配网络中优选在6-20kV的电压范围内为保护和控制的目的而采用目前常用的展示与方向无关的过电流保护的设备。这对于其中预先给出电流方向的具有集中供能的电网来说是足够的。但在分散供能时对于保护装置的应答还要求除电流值外也采集电流的方向。这可以通过在电网中附加的电压测量来确定。对此目前常用感应式变压器作为电压传送器。这使得可以准确地测量电压，但却是非常大的成本因素，尤其是当事后将它们安装到已有的电网中时。

在德国专利申请公开文本DE 23 25 449 A1中描述了为了在高压开关设备中测量电压而采用电容变压器作为电压传送器，其由高压电网的传导电流的导线和嵌入在导线的支座绝缘子中的电极构成。但目前这样的电容变压器通常仅用于利用高压耦合电容器的位移电流来确定在电流分配网络的导线中是否存在特定最小大小的电压，因为所获得的测量结果部分不够准确，因而其仅用于确定电压的存在，而不用于确定电压的准确大小。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，提供一种上述类型的方法和装置，利用它们可以独立于电压传送器的类型进行准确的电压测量。

本发明的方法的技术问题通过一种所述类型的方法解决，其中，为获得正确的测量值通过具有与测量电路的传输函数相反的传输函数的均衡器来校正测量电路的输出信号。由此，通过为获得正确的测量值而利用具有与测量电路的传输函数相反的传输函数的均衡器来校正测量电路的输出信号，可以比较简单的方式独立于电压传送器的类型进行足够精确的电压测量。

在按照本发明的方法中，作为测量电路的电压传送器优选采用电容器装置。采用电容器装置(即电容变压器)作为电压传送器实际上可以使得电压测量的成本较低。

与此相关地，被认为具有优势的还有，采用由电网的传导电流的导线和与其电气绝缘的电极构成的耦合电容器作为电容器装置。这样的电容器装置具有较简单的结构；此外这类电容器装置通常例如在配电间的高压传输线中就已存在。

但具有优点的还可以是，采用在初级侧与传导电流的导线连接的感应式变压器作为电压传送器。这尤其是因为这样的感应式变压器通常可以非常精确地测量电压而被认为是具有优点的。但由于测量电路在采用感应式变压器时也会具有使电压测量值稍有失真的传输函数，采用按照本发明方法的借助均衡器的校正在此可以得到更加精确的电压测量值。

但在此还被认为是具有优点的是，采用可通过开关可选择地桥接的均衡器。以这种方式可以在采用感应式变压器达到的电压测量值的足够精确性下轻易地将均衡器桥接；因此在这种情况下不对电压测量值进行校正。

根据测量电路的输出信号是模拟的还是数字的，可以采用具有与测量电路的传输函数相反的传输函数的模拟滤波器或数字滤波器作为均衡器。模拟滤波器合适地模拟具有PID特征的传输函数。

在采用数字滤波器时作为相反的传输函数提供了时间离散的传输函数。该传输函数可以公知的方式借助双线性变换产生。

与此相关被认为具有优点的还有，对于数字滤波器时间离散的传输函数的系数是可变的。因此在这种情况下可使均衡器的传输函数与通过不同的电压传送器引起的测量电路的传输函数非常简单地匹配。

本发明方法的另一种优选的扩展在于，采用在其输入区中具有电隔离元件的继续处理装置。因此以这种方式可使继续处理装置和均衡器毫无问题地与高压一侧电隔离。

本发明的装置的技术问题通过一种借助测量电路在电流分配网络的位置上测量电压的测量装置来解决，该测量电路具有与电网的传导电流的导线耦合的电压传送器和与该电压传送器连接的继续处理装置，在该测量电路的输出端输出电压测量值作为输出信号。按照本发明，为从该测量电路的输出信号中获得正确的测量值，在该测量电路的输出端连接一个均衡器，其具有与测量电路的传输函数相反的传输函数。通过采用具有与测量电路的传输函数相反的传输函数的均衡器，使得在这样的测量装置中可用任何测量传送器获得精确的电压测量值。

出于费用的原因，优选采用电容器装置作为电压传送器。根据一优选实施方式，这样的电容器装置还可以是由电网的传导电流的导线和与其电气绝缘的电极构成的耦合电容器。这样实现的电极优选是环形电极。

但还可以将在初级侧与传导电流的导线连接的感应式变压器用作电压传送器。

由于这样的感应式变压器通常已能提供质量很好的电压测量值，因此与此相关地还可以使均衡器通过开关可选择地桥接。

但就是对于感应式变压器通过按照本发明采用具有相反传输函数的均衡器也常常可以进一步提高电压测量值的质量，因此就是在这种情况下使用因此而未桥接的均衡器也是值得的。

换言之，按照本发明的测量装置具有例如用于可选地连接任意电压传送器的输入端，例如与耦合电容器的电极连接，或与在初级侧与传导电流的导线连接的感应式变压器的次极侧连接。由此可以根据在电网的测量位置上是否已安装了耦合电容器或感应式变压器来将测量装置与相应的电压传送器连接。因此在测量装置中设置了用于接通或断开反映反传输函数的均衡器的开关，以便在连接耦合电容器时接通该均衡器，而在连接变压器时根据需要断开均衡器。就是在感应式变压器的情况下也可以保持接通均衡器，在此须相应地改变其反传输函数。这在均衡器为具有时间离散的传输函数的数字滤波器时尤其可以通过调节系数简单地实现。

根据测量电路的输出信号是模拟的还是数字的输出信号，采用具有PID特征的模拟滤波器或数字滤波器。

本发明测量装置的一种优选扩展是，继续处理装置在其输入区中具有电隔离元件。以这种方式可以毫无问题地将测量装置的高压部分和低压部分隔离。电隔离元件优选是感应式变流器。

按照本发明测量装置的另一种优选扩展，电压传送器在输出端与由高欧姆电阻和感应式变流器的初级绕组组成的串联电路连接。通过高欧姆电阻将继续处理装置的输入电压转换为相对低的电流，从而可以使感应式变流器比较小并由此可以较低的造价实现。

按照本发明测量装置的另一优选扩展，变流器的次级绕组被加载了内阻为0欧姆的反向耦合的运算放大器。利用运算放大器还进行电流-电压转换，在此通过运算放大器的反向耦合来调节例如设置在反向耦合支路中的电阻上产生的电压大小的范围。

此外，作为按照本发明测量装置的优选实施方式，在测量电路的输出端具有模拟/数字转换器，以产生测量装置的数字输出信号。

附图说明

以下借助附图所示实施例对本发明进行描述。图中示出：

图1示出用于电压测量的测量装置MV的电路图，其具有用于校正电压测量值的作为均衡器KG的数字滤波器。

具体实施方式

电流分配网络的电流导线1构成作为高压耦合电容器2形式的电压传送器SG的电容变压器的电极。耦合电容器2的另一个优选与电流导线1电隔离的电极环形地围绕该电流导线1，并与测量装置MV的继续处理装置WA的输入端3连接。与之相似地，还可以采用其它形式的电容变压器作为电压传送器SG。如图所示，电容变压器可以可选地是其低压电容器在图中用虚线表示的电容分压器。但不一定必须实施为电容分压器，而可以代之以用点划线示出的在初级侧与电流导线1连接的感应式变压器4的次级绕组与继续处理装置WA的输入端3的连接。如图中用弧形括号所示出的，电压传送器SG和继续处理装置WA共同构成所谓的测量电路MS。

以下将注意这样的情况，耦合电容器2作为电压传送器SG与继续处理装置WA的输入端3连接。连接在输入端3之后通常为高欧姆的前置电阻5(Rv)将在耦合电容器2的与电流导线1电隔离的电极上电容式抽取的电压经电压/电流转换为位移电流。前置电阻5还与耦合电容器2的电容形成高通滤波器并因此而改善了测量装置MV输入端的EMV(电磁兼容性)特性。

初级侧与前置电阻5连接的感应式变流器6形式的电隔离元件一方面用于分离电势，另一方面用于相对于高压导线降低耦合电容，并由此起到进一步屏蔽EMV的作用。因为由于前置电阻5的阻值大小而使位移电流较小，因而可以将感应式变流器6构造得较小。

在感应式变流器6的次级侧连接有带有反馈电阻8(Rm)的运算放大器7。运算放大器7以0欧姆的内阻用作感应式变流器6的有源负载。运算放大器7还同时进行电流/电压转换并将由感应式变流器6提供的电流转换为电压。运算放大器7输出电压与输入电流的比值由反馈电阻8的值Rm确定。该值可以通过桥式电路或如图所示的模拟开关进行转换，以便能够将依赖于耦合电容器2或变压器3的对感应式变流器6的控制与连接在运算放大器7之后的模拟/数字转换器9的测量范围相匹配。模拟/数字转换器9将其输入电压转换为数字扫描值序列。

如果继续处理装置WA的输入端3与感应式变压器4连接，则由电压传送器SG(在此情况下为感应式变压器4)和继续处理装置WA构成的测量电路MS的传输特性在相关的频域(50至60Hz)内与频率无关。

与此相对的是，在与耦合电容器2连接时，给出测量电路MS直至模拟/数字转换器9的传输函数如下：

$\frac{U_A}{U_{\mathrm{Prim}}}=\frac{\mathrm{j\ω}{C}_D\·R_m}{1+\mathrm{j\ω}{C}_D\·R_v}$

其中，U_A表示运算放大器7输出端的电压，U_Prim为电流导线1的电压，而C_D为耦合电容器2的电容。如果借助该传输函数得到的值U_A没有变化，则所获得的电压测量值完全不适用于精确的电压测量。因此整个测量装置MV(由电压传送器SG、继续处理装置WA和均衡器KG构成)的传输函数必须通过后接的均衡器KG借助与测量电路MS的传输函数相反的传输函数来校正。用于校正的均衡器KG的反传输函数应用下式表示：

$G_{\mathrm{korr}}=\frac{1+\mathrm{j\ω}{C}_D\·R_v}{1+\mathrm{j\ω}{T}_K}$

整个测量装置MV的结果传输函数又表现为高通，但具有新的角频率1/(2*π*T_K)。这样选择时间常数T_K，使得角频率处于要采集的电压测量参数的频率范围之下，从而使整个测量装置MV的传输函数在该频率范围内线性变化。尤其具有优点的是，选择T_K等于所采用的用于采集电流信号的变流器的时间常数，该电流信号与电压信号同时测量。

如图所示，当采用数字滤波器10来校正测量电路MS的传输函数时，先将被校正传输函数G_korr变换为时间离散的传输函数G(z^-1)。这借助于下面的双线性变换实现：

$e^{-\mathrm{j\ω}{T}_A}=\frac{2}{T_A}\·\frac{z+1}{z-1}$

该公式的右侧是函数e^-jωT在第一项后就被消除的级数展开。

由此得到：

$G\left(z^{-1}\right)=\frac{a_1{z}^{-1}+a_0}{1+b_1{z}^{-1}}$

其中，z^-1表示扫描值延迟了一个扫描间隔；a₀、a₁、b₁是时间离散的传输函数的系数。该时间离散的传输函数G(z^-1)通过图中所示的数字滤波器10实现。数字滤波器10在频率0时还具有最终放大，从而使装置的数值稳定性就是在模拟/数字转换器9偏移的情况下也能得到保证。

开关11用于直接或通过数字滤波器10来连接模拟/数字转换器9的输出端和测量装置MV的测量值输出端。当感应式变压器4作为电压传送器SG连接在继续处理装置WA的输入端3时，可以选择直接连接；而当耦合电容器2作为电压传送器SG连接在输入端3时，可以选择通过数字滤波器10连接。但也可以取消开关11，从而在两种情况下都引入数字滤波器10，因为即便是在使用感应式变压器4的情况下通过平移整个测量装置MV的传输函数的角频率也能达到改善电压测量值质量的效果。但对于连接感应式变压器4和连接耦合电容器2要将数字滤波器10的系数分别不同地设置。

相应地，还可以实现具有模拟电压信号的测量装置，在这种情况下用滤波器来替代数字滤波器，并取消A-D-转换器。

Claims (20)

1.一种借助测量电路在电流分配网络的位置上测量电压的方法，该测量电路具有与电网的传导电流的导线(1)耦合的电压传送器和与该电压传送器连接的继续处理装置，在该测量电路的输出端输出电压测量值作为输出信号，其中，为获得正确的测量值通过具有与该测量电路的传输函数相反的传输函数的均衡器来校正测量电路的输出信号，以及其中，作为均衡器采用电滤波器，该电滤波器的传输函数为了与测量电路的各传输函数相匹配而可调，其特征在于，

所述测量电路可选地连接到作为电压传送器的感应式变压器(4)或者作为电压传送器的电容器装置，以及

所述均衡器通过开关(11)可选择地桥接，其中该均衡器当所述电容器用作电压传送器时通过开关(11)接通，而当所述感应式变压器(4)用作电压传送器时通过开关(11)断开。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为所述电容器装置采用由电网的传导电流的导线(1)和与其电气绝缘的电极构成的耦合电容器(2)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述测量电路的模拟输出信号下通过具有PID特征的模拟滤波器来作为均衡器进行校正。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述测量电路的数字输出信号下通过数字滤波器(10)来作为均衡器进行校正。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用通过时间离散的传输函数表示反传输函数的数字滤波器(10)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用所述时间离散的传输函数的系数可改变的数字滤波器(10)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用在输入区中具有电隔离元件的继续处理装置。

8.一种借助测量电路在电流分配网络的位置上测量电压的测量装置，该测量电路具有与电网的传导电流的导线(1)耦合的电压传送器和与该电压传送器连接的继续处理装置，在该测量电路的输出端输出电压测量值作为输出信号，其中，为从该测量电路的输出信号中获得正确的测量值在该测量电路的输出端连接一个作为均衡器的电滤波器，该电滤波器具有与测量电路的传输函数相反的传输函数，以及其中，该均衡器的传输函数为了与测量电路的各传输函数相匹配而可调，其特征在于，

所述测量电路可选地连接到作为电压传送器的感应式变压器(4)或者连接到作为电压传送器的电容器装置，以及

所述均衡器通过开关(11)可选择地桥接，其中该均衡器当所述电容器用作电压传送器时通过开关(11)接通，而当所述感应式变压器(4)用作电压传送器时通过开关(11)断开。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述电容器装置是由电网的传导电流的导线(1)和与其电气绝缘的电极构成的耦合电容器(2)。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述耦合电容器(2)的电极是包围所述传导电流的导线(1)的环形电极。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的测量装置，其特征在于，在所述测量电路的模拟输出信号下所述均衡器是具有PID特征的模拟滤波器。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的测量装置，其特征在于，在所述测量电路的数字输出信号下所述均衡器是数字滤波器(10)。

13.根据权利要求12所述的测量装置，其特征在于，所述数字滤波器(10)的传输函数通过时间离散的传输函数表示。

14.根据权利要求13所述的测量装置，其特征在于，所述数字滤波器(10)具有系数可变的时间离散的传输函数。

15.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述继续处理装置在其输入区中具有电隔离元件。

16.根据权利要求15所述的测量装置，其特征在于，所述电隔离元件是感应式变流器(6)。

17.根据权利要求16所述的测量装置，其特征在于，所述电压传送器在输出端与由高欧姆电阻(5)和所述感应式变流器(6)的初级绕组组成的串联电路连接。

18.根据权利要求16所述的测量装置，其特征在于，所述感应式变流器(6)的次级绕组被加载了内阻为0欧姆的反向耦合的运算放大器(7)。

19.根据权利要求17所述的测量装置，其特征在于，所述感应式变流器(6)的次级绕组被加载了内阻为0欧姆的反向耦合的运算放大器(7)。

20.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述测量电路在输出端具有模拟/数字转换器(9)。