CN102156218A - 非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置及方法，涉及智能电网领域中的电子传感器，包括电压测试传感器，所述电压测试传感器包括采集输电线周围电场信号电场传感器和电压校正传感器，接收的电场信号，并将其转化成电压信号的数据处理模块，号输出模块接收电压信号，将其处理后输出到显示器；所述电场传感器包括两个半球壳式电极和置于两个半球壳所形成空腔中的测量电容，所述测量电容的两极板分别与半球壳式电极连接；本发明将采集信号进行数字化传输，提高了提高精度，量程范围宽，不会出现饱和等现象，传感器为单极式非接触传感器，安装简单，拆卸方便，体积小，为电网建设和维护提供了极大的方便。

Description

非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置及方法

技术领域

本发明涉及智能电网领域中的电子传感器，特别涉及一种有源型电子式的单极式电压传感器及电压测量方法。

背景技术

现代电力系统发展的特点是大容量、高电压、小型化、数字化和输配电系统自动化。电网电压的不断提高，使传统互感器的体积愈来愈大，绝缘结构愈来愈复杂，制造的难度也愈来愈提高。同时，传统互感器存在的磁滞、磁饱和、二次不能开路、线性度低、静态和动态准确范围小等问题日益突出，已经不能为电力系统发展提供保证。由于传统互感器输出为模拟信号，不能为输配电系统自动化提供所需的数字信号，因而也成为数字化变电站必须解决的难题。另外，传统的电磁式电流电压互感器体积大，结构复杂，铁心易饱和，可靠性差，集成度与数字化不高，绝缘性能要求高。诸多不便，难以满足目前基于物联网的智能电网建设要求。

因此急需一种低能耗、高精度的仪器装置来采集高压输电线的电压并且能够实现采集信号的数字化、集成化。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种低能耗、高精度的仪器装置来采集高压输电线电压并且能够实现采集信号的数字化、集成化；并且该仪器的量程范围宽，不会出现饱和等现象，提高了可靠性和工作效率。

本发明的目的之一是提出一种非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置；本发明的目的之二是提出一种非接触式电荷感应式高压输电线电压测量方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，包括电压测试传感器，所述电压测试传感器包括电场传感器、数据处理模块和信号输出模块；

所述电场传感器采集输电线周围电场信号，并将电场信号传送到数据处理模块；

所述数据处理模块将接收的电场信号，并将其转化成电压信号后传输到信号输出模块；

所述信号输出模块接收电压信号，将其处理后输出到显示器。

进一步，所述电场传感器包括两个半球壳式电极和置于两个半球壳所形成空腔中的测量电容，所述测量电容的两极板分别与半球壳式电极连接；

进一步，所述数据处理模块包括测量信号放大电路、一次转换器和无线发送模块、所述测量信号放大电路的输入端与测量电容的两极板连接，所述测量信号放大电路的输出端与一次转换器的输入端连接，所述一次转换器的输出端与无线发送模块的输入端连接；

进一步，所述一次转换器包括A/D转换模块和MCU数据处理器，所述A/D转换模块将电场传感器采集输电线周围电场信号由模拟信号转换为数字信号，所述MCU数据处理器用于将电场信号转换为电压信号，所述A/D转换模块的输入端与测量信号放大电路的输出端连接，所述A/D转换模块的输出端与MCU数据处理器的输入端连接；

进一步，所述输出模块包括无线发送模块、无线接收模块、二次转换器和信号输出端口，所述MCU数据处理器的输出端与无线发送模块的输入端连接，所述无线发送模块向无线接收模块发送信号，所述无线接收模块、二次转换器和信号输出端口依次连接；

进一步，所述信号输出端口设置有模拟信号输出通道和数字信号输出通道；

进一步，还包括设置至少一个电压校正传感器，所述电压校正传感器与所述电压测试传感器为同种类型的传感器，所述电压校正传感器与电压测试传感器固定于以高压输电线为中心的两个相对位置上；

进一步，所述无线发送模块按照数据通信协议层的数据协议格式向无线接收模块发送信号，所述无线接收模块采用RF接口并按照物联电网数据协议栈格式通过通信协议栈传输到物联网；

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量方法，包括以下步骤：

(1)分别将电压测试传感器和电压校正传感器固定安装于高压输电线的相对两个位置；

(2)通过电压测试传感器和电压校正传感器分别获取测量电容的感应电压；

(3)将感应电压进行放大、滤波处理和A/D采样分别得到测量感应电压U_测量，校正感应电压U_校正；

(4)通过下列公式将测量感应电压U_测量和校正感应电压U_校正分别换算为测量感应电场E_{测 量}，校正感应电场E_校正；

其中C_M为传感器的取样电容，R为球型传感器的半径，ε₀为真空介电常数。

(5)通过下列公式比较测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值是否小于预设值ε；|E_测量-E_校正|＜ε

(6)利用最小二乘原理并通过下列公式计算模拟电荷的大小，

$\underset{q\∈Q}{\min }{\left|\right|E-F\left(q\right)\left|\right|}^2$

其中F(q)为非线性算子，q为模拟电荷的大小；

(7)利用麦克斯韦电位系数法得到电位

其中

——为导线对地电压矩阵；

[λ]——为输电线的电位系数矩阵；

[q]——为等效电荷大小矩阵。

进一步，所述步骤(5)中包括如果测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值大于或等于预设值，则返回步骤(2)。

本发明的优点在于：

1、降低能耗，现有的电压互感器线圈耗能不能忽视，而本发明耗能为几个电子元件的功耗，数值上基本可以忽略不计。

2、提高精度，原有传感器为模拟信号，体积大，铁心饱和造成较大误差，该发明针对采集信号进行高精度采集，量程范围宽，不会出现饱和等现象。

3、提高操作人员工作效率，本发明将采集信号进行数字化传输，提高了可靠性和工作效率。

4、传感器为单极式非接触传感器，安装简单，拆卸方便，体积小，为电网建设和维护提供了极大的方便。

5、工作性能的提高，制作成本、能量损耗的减少，稳定性的增加，操作、控制、使用的简便，以及其他有用性能的出现等方面反映出来。

本发明的其它优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1单极式电压传感器的内部构造图；

图2球型传感器结构示意图；

图3电压传感器模型；

图4无线数传模块应用原理图；

图5单个传感器结构图；

图6单个传感器接收器节点示意图；

图7电压测量流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1单极式电压传感器的内部构造图；如图所示，如图所示，本发明提供的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，包括电压测试传感器，所述电压测试传感器包括电场传感器101、数据处理模块和信号输出模块；

所述电场传感器采集输电线303周围电场信号，并将电场信号传送到数据处理模块；

所述数据处理模块将接收的电场信号，并将其转化成电压信号后传输到信号输出模块；

所述信号输出模块接收电压信号，将其处理后输出到显示器。

高压输电线的电场分布是比较均匀的，将传感器的位置固定于其切向方位，大多数电力线将穿过传感器，因此采用一维电场测量就可以达到较高的准确度。

图2球型传感器结构示意图；如图所示，作为上述实施例的进一步改进，所述电场传感器包括两个半球壳式电极和置于两个半球壳所形成空腔中的测量电容102，所述测量电容102的两极板分别与半球壳式电极连接。

图3电压传感器模型，如图所示，电压传感器与电流互感器感应线圈位置并列，在相对两个位置安装了两个电压传感器，一个为电压测试传感器301，另一个为电压校正传感器302。两个传感器位置固定，理论上分析可知他们在此感应的电荷量是一定的，通过测量该位置的电场数值，进而通过电场逆问题计算获得导线上电位大小，从而得到电压数值。传感器的基本测量思路就是测量其在导线附近固定位置的感应电荷量，从而推导得到电压值。该两个传感器在带电导线周围电场分布大致情况为，基本上所有的电力线均是径向方向，在传感器的边缘出现一些畸变。在导线模拟电荷q的作用下，传感器在电场中感应电荷密度为σ。当模拟电荷量发生变化时，感应电荷随之变化。

图4无线数传模块应用原理图；感应电荷量检测电路403采用电压传感器来采集电场信息，通过转换处理后在送人到射频控制微处理器402中然后通过射频电路401将其数据信号发送出去；图5单个传感器结构图，如图所示传感器501采用电压传感器来采集信号502并结合信号处理算法506并通过状态信息数据链路503按照通信协议栈504方式以射频接口505发送数据信号；

本发明的实施例提供的电压传感器分为两个部分，一是采集终端，二是地面接收器；采集终端如图5所示的单个传感器结构图，如图所示传感器501采用电压传感器来采集信号502并结合信号处理算法506并将自身信息和采集信息按照一定数据协议格式打包，同时包含了数据通信协议层，通过状态信息数据链路503按照通信协议栈504方式以射频接口505发送数据信号到地面的接收器；地面接收器如图6所示的单个传感器接收器节点示意图，地面接收器经过RF接口601，通过通信协议栈602进行数据处理603，按照物联电网数据协议栈604格式进行传输，实现与物联电网节点605并网。

作为上述实施例的进一步改进，所述数据处理模块包括测量信号放大电路103、一次转换器和无线发送模块106、所述测量信号放大电路103的输入端与测量电容102的两极板连接，所述测量信号放大电路的输出端与一次转换器的输入端连接，所述一次转换器的输出端与无线发送模块的输入端连接。

作为上述实施例的进一步改进，所述一次转换器包括A/D转换模块104和MCU数据处理器105，所述A/D转换模块104将电场传感器采集输电线周围电场信号由模拟信号转换为数字信号，所述MCU数据处理器105用于将电场信号转换为电压信号，所述A/D转换模块104的输入端与测量信号放大电路的输出端连接，所述A/D转换模块104的输出端与MCU数据处理器的输入端连接。

作为上述实施例的进一步改进，所述输出模块包括无线发送模块106、无线接收模块107、二次转换器和信号输出端口，所述MCU数据处理器105的输出端与无线发送模块106的输入端连接，所述无线发送模块106向无线接收模块107发送信号，所述无线接收模块106、二次转换器和信号输出端口依次连接；无线发送模块106将经过单片机处理后得到数据通过点对点的无线传输方式发送到安装在地面上的无线接收模块107，为给二次保护、控制设备的提供数字输出信号，并完成模拟信号的重建。

作为上述实施例的进一步改进，所述信号输出端口设置有模拟信号输出通道110和数字信号输出通道109。

作为上述实施例的进一步改进，还包括设置至少一个电压校正传感器301，所述电压校正传感器301与所述电压测试传感器302为同种类型的传感器，所述电压校正传感器301与电压测试传感器302固定于以高压输电线303为中心的两个相对位置上。

作为上述实施例的进一步改进，为了适应智能电网的建设需求，在不用影响测量效果的前提下，增加系统的使用范围和灵活性，提高传感器的数字化程度，传感器还需要提供无线数据接口功能和组网协议接口。在传感器测量终端与地面接收节点之间采用无线模块组成无线通信网，完成测量数据信息的传输。同时，在地面接收节点具有采用物联网技术的通信接口和协议；所述无线发送模块按照数据通信协议层的数据协议格式向无线接收模块发送信号，所述无线接收模块采用RF接口并按照物联电网数据协议栈格式通过通信协议栈传输到物联网。

电压测量的原理：电压测量传感器或电压校正传感器在测量得到感应电荷后，根据静电感应原理，处于电场中的传感器，在其表面会产生感应电荷，在传感器的电极间接入测量电容后，电容上产生的电压便可作为测量信号，得到感应电压与被测电场的关系。

设半球壳表面积为A，球表面电荷的面密度为σ，则半球壳的总表面电荷为Q₁(t)，

Q(t)＝∫σ(t)dA          (1)

由上式可知，将传感器放入电场后，球壳上的表面电荷量与球心处的电场强度E₀(t)成正比：

Q(t)＝KE₀(t)             (2)

其中K为比例系数。这些感应电荷将在取样电容C_M上产生一个微小的感应电压U_M为：

U_M(t)＝Q(t)/C_M           (3)

将式(2)代入式(3)可得：

U_M(t)＝KE₀(t)/C_M         (4)

通过测量取样电容上的电压U_M(t)就可以得到E₀(t)，这就是电容式传感器测量的基本原理。

将该面电荷密度沿上半球面积分，可得到在均匀电场中，上半球面的感应电荷Q₁(t)：

$Q_1\left(t\right)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}3{\mathrm{\ϵ}}_0{E}_o\left(t\right)\cos \mathrm{\θ}{R}^2\sin \mathrm{\θd\θd\Φ}$

$=3\mathrm{\π}{R}^2{\mathrm{\ϵ}}_0{E}_0\left(t\right)---\left(5\right)$

若在传感器的两个电极间接入测量电容C_M。联合(4)和(5)式可知在均匀电场中该测量电容上的电压U_M：

$U_M\left(t\right)=\frac{3\mathrm{\π}{R}^2{\mathrm{\ϵ}}_0{E}_O\left(t\right)}{C_M}---\left(6\right)$

在已知输电线的参数和边界条件时，通过高压输电线电场正问题的计算，可以得到输电线周围的高压电场分布情况，从而可以估算出对环境的影响。对于实际运行中的输电线周围工频电场的分布，由于其实际电位和相位未知，无法直接根据正问题进行计算。所以利用输电线工频电场逆问题，通过测量导线附近一定数量测点的电场强度，反向计算出场源参数。与正问题的计算相同，采用模拟电荷法(CSM)等效模型，计算模拟电荷的大小，根据最小二乘原理将逆问题的求解转换成极值问题。

图7电压测量流程示意图，非接触式电荷感应式高压输电线电压测量方法，包括以下步骤：

(1)分别将电压测试传感器和电压校正传感器固定安装于高压输电线的相对两个位置；

(2)通过电压测试传感器和电压校正传感器分别获取测量电容的感应电压；

(3)将感应电压进行放大、滤波处理和A/D采样分别得到测量感应电压U_测量，校正感应电压U_校正；

(4)通过下列公式将测量感应电压U_测量和校正感应电压U_校正分别换算为测量感应电场E_{测 量}，校正感应电场E_校正；

其中C_M为传感器的取样电容，R为球型传感器的半径，ε₀为真空介电常数。

(5)通过下列公式比较测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值是否小于预设值ε；|E_测量-E_校正|＜ε

(6)利用最小二乘原理并通过下列公式计算模拟电荷的大小，

$\underset{q\∈Q}{\min }{\left|\right|E-F\left(q\right)\left|\right|}^2$

其中F(q)为非线性算子，q为模拟电荷的大小；

(7)利用麦克斯韦电位系数法得到电位

其中

——为导线对地电压矩阵；

[λ]——为输电线的电位系数矩阵；

[q]——为等效电荷大小矩阵。

作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(5)中包括如果测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值大于或等于预设值，则返回步骤(2)。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：包括电压测试传感器，所述电压测试传感器包括电场传感器、数据处理模块和信号输出模块；

所述电场传感器采集输电线周围电场信号，并将电场信号传送到数据处理模块；

所述数据处理模块将接收的电场信号，并将其转化成电压信号后传输到信号输出模块；

所述信号输出模块接收电压信号，将其处理后输出到显示器。

2.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述电场传感器包括两个半球壳式电极和置于两个半球壳所形成空腔中的测量电容，所述测量电容的两极板分别与半球壳式电极连接。

3.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述数据处理模块包括测量信号放大电路、一次转换器和无线发送模块、所述测量信号放大电路的输入端与测量电容的两极板连接，所述测量信号放大电路的输出端与一次转换器的输入端连接，所述一次转换器的输出端与无线发送模块的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述一次转换器包括A/D转换模块和MCU数据处理器，所述A/D转换模块将电场传感器采集输电线周围电场信号由模拟信号转换为数字信号，所述MCU数据处理器用于将电场信号转换为电压信号，所述A/D转换模块的输入端与测量信号放大电路的输出端连接，所述A/D转换模块的输出端与MCU数据处理器的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述输出模块包括无线发送模块、无线接收模块、二次转换器和信号输出端口，所述MCU数据处理器的输出端与无线发送模块的输入端连接，所述无线发送模块向无线接收模块发送信号，所述无线接收模块、二次转换器和信号输出端口依次连接。

6.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述信号输出端口设置有模拟信号输出通道和数字信号输出通道。

7.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：还包括至少一个电压校正传感器，所述电压校正传感器与所述电压测试传感器为同种类型的传感器，所述电压校正传感器与电压测试传感器固定于以高压输电线为中心的两个相对位置上。

8.根据权利要求1所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量装置，其特征在于：所述无线发送模块按照数据通信协议层的数据协议格式向无线接收模块发送信号，所述无线接收模块采用RF接口并按照物联电网数据协议栈格式通过通信协议栈传输到物联网。

9.非接触式电荷感应式高压输电线电压测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)分别将电压测试传感器和电压校正传感器固定安装于高压输电线的相对两个位置；

(2)通过电压测试传感器和电压校正传感器分别获取测量电容的感应电压；

(3)将感应电压进行放大、滤波处理和A/D采样分别得到测量感应电压U_测量，校正感应电压U_校正；

(4)通过下列公式将测量感应电压U_测量和校正感应电压U_校正分别换算为测量感应电场E_{测 量}，校正感应电场E_校正；

其中C_M为传感器的取样电容，R为球型传感器的半径，ε₀为真空介电常数；

(5)通过下列公式比较测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值是否小于预设值ε；|E_测量-E_校正|＜ε

(6)利用最小二乘原理并通过下列公式计算模拟电荷的大小，

$\underset{q\∈Q}{\min }{\left|\right|E-F\left(q\right)\left|\right|}^2$

其中E表示测量感应电场E_测量或校正感应电场E_校正，F(q)为非线性算子，q为模拟电荷的大小；

(7)利用麦克斯韦电位系数法得到电位

其中

为导线对地电压矩阵；[λ]为输电线的电位系数矩阵；[q]为等效电荷大小矩阵。

10.根据权利要求9所述的非接触式电荷感应式高压输电线电压测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中包括如果测量感应电场E_测量与校正感应电场E_校正的差值大于或等于预设值，则返回步骤(2)。

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