CN103217564A

CN103217564A - 一种基于合金电阻的电压传感器及其实现方法

Info

Publication number: CN103217564A
Application number: CN2013101032908A
Authority: CN
Inventors: 雷宪章; 吕志来; 薛飞
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: CN103217564B

Abstract

本发明公开了一种基于合金电阻的电压传感器及其实现方法，打破了电力设备一次与二次部分之间电气连接的鸿沟，不再需要电磁转换或光学转换等复杂物理过程在一二次设备之间传递电压测量信息。通过高精密的合金电阻与大阻抗器件，使得测量支路大电流流过合金电阻的电压在弱电测量设备的输入范围之内。通过测量该电压，并结合已知的合金电阻值，可以简便的计算出测量支路电流值。根据已知大阻抗器件的阻抗值、合金电阻的阻抗值和电流值，计算出测量点电压。本发明与传统电压互感器相比，具有无温漂、抗机械振动、频率特性好、交直流通用以及体积小、可组装等优势。

Description

一种基于合金电阻的电压传感器及其实现方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化信息采集与控制领域，具体涉及一种基于合金电阻的电压传感器及其实现方法。

背景技术

目前，智能电网已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题。智能电网的基本思想是利用先进的数字化信息网络将发电、输电、变电、配电和用电服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施连接在一起，通过智能化控制实现对电能的管理，通过精确供能、对应供能、互助供能和互补供能等方式，达到提高资源利用效率，提高供电质量和可靠性的目标。

传感器和测量技术是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。只有采用先进的传感技术，建设发达的传感器网络，再配合发达的通信体系和仿真技术，才能实现整个电网智能化。

在传统的电力系统测控与保护技术领域，由于电网和电力设备的具有高电压强电流，而保护或测控等二次设备属于弱电电子设备，因此两者之间具有天然的鸿沟。因此，传统的技术在电力系统一次与二次系统之间建立了屏障，打破两者的电气联系，利用电磁或光学转换作为双方联系的纽带。尽管电压互感器从最初的模拟技术走入了数字化阶段，在设备小型化等方面也取得了重大进展。但是，其本质未发生根本变化，电磁或光学转换原理复杂，线性化不够理想且不稳定，一次与二次系统之间的隔阂依旧，频率响应、动态特性以及交直流等电气特性依然对通过电磁转换或光学转换的电压测量的可靠性和通用性等方面构成潜在威胁。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明打破了电压传感测量中一次系统与二次系统电气连接的鸿沟，不再借助于电磁转换或光学转换等方法，利用纯电路原理实现电力系统电压的感知测量。本发明提出一种基于合金电阻的电压传感器及其实现方法，利用合金电阻作为电压传感器的核心元件，实现电力系统强电设备与弱电设备的电气关联，简化电压的测量原理，改善其对于电力系统频率、动态等特性的适应性，并提高精度缩小体积。

本发明提供的一种基于合金电阻的电压传感器，其改进之处在于，所述电压传感器包括大阻抗器件、合金电阻、供电单元、电压测量单元、控制器；

所述大阻抗器件与所述合金电阻串联后一端连接在测量点，另一端接地；

所述电压测量单元测量出所述合金电阻两端的电压后，计算出流过合金电阻的电流并传给所述控制器；所述控制器根据所述大阻抗器件的阻抗值、所述合金电阻的阻抗值和流过合金电阻的电流值算出测量点的电压并输出；

所述供电单元为所述电压测量单元和所述控制器供电。

其中，所述电压测量单元并联在所述合金电阻两端，并与所述控制器连接；

所述供电单元分别与所述电压测量单元和所述控制器连接。

其中，所述电压传感器包括通信单元，用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测量数据时，通过所述通信单元进行传输；

所述供电单元给所述通信单元供电。

其中，所述合金电阻的阻值小于0.001欧姆。

其中，所述大阻抗器件用于承受电网高压端的电压，其包括大阻抗电容或电阻，其阻值根据现场应用环境确定。

其中，，所述电压测量单元包括二次电子回路；

所述二次电子回路包括电压感应装置、模数转换器以及DSP微处理器；

所述DSP微处理器控制所述电压感应装置测量出所述合金电阻的电压，再根据合金电阻的阻值计算出流过合金电阻回路的电流，传给模数转换器转换成数字信号输出。

本发明基于另一目的提供的一种基于合金电阻的电压传感器的实现方法，其改进之处在于，将大阻抗器件与合金电阻串联后一端连接在测量点，另一端接地；电压测量单元测量出所述合金电阻两端的电压后，计算出流过合金电阻的电流并传给所述控制器；所述控制器根据所述大阻抗器件的阻抗值、所述合金电阻的阻抗值和所述测试电流算出测量点的电压并输出；其中，供电单元为所述电压测量单元、所述控制器的通信单元供电。

其中，所述通信单元用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测量数据时，通过所述通信单元进行传输。

其中，所述供电单元为所述电压测量单元、所述控制器的通信单元提供直流24V电压。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明利用电阻分流的原理进行大电流的直接测量，再通过电流与已知大阻抗器件计算测量点电压，实现了纯电路测量，并且确保了测量精度。

本发明的电压传感器原理与结构简单，具有结构组合化特征，利用电子式微功率、小型化优势，数据采集装置可以组件方式组合于变压器、GIS、HGIS、断路器、隔离刀等组合电器中，减少占地，降低造价，还可以通过功能复用促进一次电气设备本身的小型化和智能化。

本发明的电压传感器由于所测量的强电流流过合金电阻片所产生的电压降落在弱电测量设备的测量范围之内，可以直接采用二次电子回路测量其产生的电压降，进而换算成被测的电流值。因此，一次部分与二次部分具有直接的电气连接，无任何电磁或光学转换过程，输出的测量值与被测电压之间具有简单的基于电路理论的电气关联，原理简单、线性良好，客服了温漂、抗机械振动能力差和体积过大等问题。

本发明的电压传感器测量所得电压值进行数字化输出、易于与微控制器的接口处理，传递的数字信息可通过以太网UDP/IP通讯协议进行传递，方便安装、运营和维护。

本发明与霍尔效应传感器元件相比，无饱和、温漂小、抗机械振荡能力强、绝缘简单、体积小。全量程线性度好、精度高。与新型光纤电流传感器相比，其结构简单，消除了光学互感器环境适应性差、温漂大、抗干扰能力差的缺点，更适宜大规模推广使用。

本发明的合金电阻的阻值小于0.001欧姆，保证了装置的安全性和准确性。

附图说明

图1为本发明提供的电压传感器的原理图。

图2为本发明提供的电压传感器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的一种基于合金电阻的电压传感器，包括大阻抗器件、合金电阻、供电单元、电压测量单元、控制器和通信单元；其原理示意图如图1所示，图中W1、W2直接与测量支路相连接，W3、W4是感测线路，X是合金电阻，其与大阻抗器件相串联后形成测量支路，并连接入被测量点与零电位之间，Y是外围放大电路。

该传感器将高精密的合金电阻与大阻抗器件（电阻或电容）相串联后形成测量支路，该测量支路并联接入被测量点（电网高压端）与零电位之间。所述合金电阻具有足够小和精度稳定的欧姆值，测量支路电流流过合金电阻所产生的电压降落在弱电测量设备的测量范围之内。

所述合金电阻由测量支路电流产生的电压降落直接作为电压测量单元的弱电测量设备的输入，精确测量该电压降落后，通过该电压与已知合金电阻的欧姆值的比值计算出测试电流。

根据已知的大阻抗器件和合金电阻阻抗值总和计算出测量支路的总阻抗，通过所获得的测试电流与总阻抗计算出测量支路两端，也就是电压测量点与零电位之间的电压值。

具体的，如图2所示，为本实施例提供的电压传感器的电路图。电压传感器包括大阻抗器件、合金电阻、供电单元、电压测量单元、控制器和通信单元；

大阻抗器件与合金电阻串联后一端连接在测量点，另一端接地；高精度的电压测量单元测量出合金电阻两端的电压后，计算出测试电流并传给控制器；控制器根据大阻抗器件的阻抗值、合金电阻的阻抗值和测试电流算出测量点的电压并输出；其中供电单元为所述电压测量单元、所述控制器和所述通信单元供电。

其电路连接为：大阻抗器件与合金电阻串联后一端连接在测量点，另一端接地；电压测量单元并联在合金电阻两端，并与控制器连接；控制器与通信单元连接；供电单元分别与电压测量单元、控制器和通信单元连接。

本实施例的控制器采用微控制器实现，其是该电压传感器的数据处理和计算的核心单元，可按照设定程序对输入的电压测量结果进行处理运算。所串接的合金电阻的特征信息，包括其欧姆值；串联接入的大阻抗器件的特征信息，包括其欧姆值等，通过交互接口提前预置于控制器存储单元内。根据预先预置的合金电阻值以及大阻抗器件阻抗值，计算出测量支路总阻抗值。通过测试电流及其总阻抗值，根据电路原理，简便的计算出测量支路两端电压，也就是测量点对零电位的电压值。此外，根据该装置应用场景和环境的需求，如对所测量数据有其它进一步的处理需求，可以通过对处理程序的设定灵活实现，使该装置具有智能化特性。

如该传感器作为变压器、GIS、HGIS、断路器、隔离刀等智能电器的组件，可将处理结果由控制器通过本地输出（如串口），与其它设备处理单元接口并驱动。

如该传感器需要向远端或后台等提供测量数据，则控制器将处理结果输出给专用通讯模块。专用通讯模块根据现场通讯通道和协议的要求，例如以太网UDP/IP通讯协议，将测量数据进行处理后向后台远端进行传输。

本实施例的合金电阻具有足够小和精度稳定的欧姆值（小于0.001欧姆），强电流流过合金电阻所产生的电压降落在弱电测量设备的测量范围之内。合金电阻可采用镍铬合金、铜镍合金等。

本实施例的大阻抗器件用于承受电网高压端的电压，其包括大阻抗电容或电阻。根据电压等级、电路的容性或感性等实际情况选择。例如电路为感性的10kV电压，可选择电阻为10k欧姆。

本实施例的电压测量单元包括二次电子回路；二次电子回路包括电压感应装置、模数转换器以及DSP微处理器；DSP微处理器控制电压感应装置测量出合金电阻的电压，再根据合金电阻的阻值计算出流过合金电阻回路的电流，传给模数转换器转换成数字信号输出。

本实施例的供电单元采取适合现场应用环境的技术，对电压测量单元、微控制器以及通信单元提供直流24V驱动电力。

本实施例基于新型采集材料（合金电阻）设计的新型电压传感器，将开创国内电力系统测量领域的先河，可实现与保护控制设备的直接弱电接口，且具有良好的测量性能，与传统电压互感器性能对比如下表1。

表1：新型智能型电子式电压传感器数据采集装置与传统电压互感器性能对比

性能	传统电压互感器	智能型电子式电压传感器数据采集装置
			信号	100V	24V
次级负载	1-50VA	≥4光欧
			准确度	测量：0.2%-1%保护：5%-10%	多用途，误差小于1%
动态范围	1.9xU_n	无限制
			线性	非线性	线性度高
饱和	输出信号畸变	无
			铁磁畸变	破坏性（电压互感器）	无
温度系数	无影响	受补偿

短路的次级	破坏性（电压互感器）	无伤害
			信息传递	模拟量传递	数字信息，通过UDP/IP通讯协议进行传递
寿命期成本	高	低
			与微处理器接口	需高/低变换，接口处理成本高	可通过分压直接应用，接口处理简单

通过上述对比分析，本实施例的新型智能型电子式电压传感器在准确度、动态范围、线性度等方面优于现有电压互感器，这种新型互感器具有灵敏度高、用途广、性能稳定、易于使用和成本低廉等特点。

本实施例的电压传感器利用合金电阻作为核心感知器件，可用于交流电路工频以及高频（MHz量级）高电压的测量，且原理相同通用便捷。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于合金电阻的电压传感器，其特征在于，所述电压传感器包括大阻抗器件、合金电阻、供电单元、电压测量单元、控制器；

所述供电单元为所述电压测量单元和所述控制器供电。

2.如权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述电压测量单元并联在所述合金电阻两端，并与所述控制器连接；

所述供电单元分别与所述电压测量单元和所述控制器连接。

3.如权利要求1或2所述的电压传感器，其特征在于，所述电压传感器包括通信单元，用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测量数据时，通过所述通信单元进行传输；

所述供电单元给所述通信单元供电。

4.如权利要求1或2所述的电压传感器，其特征在于，所述合金电阻的阻值小于0.001欧姆。

5.如权利要求1或2所述的电压传感器，其特征在于，所述大阻抗器件用于承受电网高压端的电压，其包括大阻抗电容或电阻。

6.如权利要求1或2所述的电压传感器，其特征在于，所述电压测量单元包括二次电子回路；

7.一种基于合金电阻的电压传感器的实现方法，其特征在于，将大阻抗器件与合金电阻串联后一端连接在测量点，另一端接地；电压测量单元测量出所述合金电阻两端的电压后，计算出流过合金电阻的电流并传给所述控制器；所述控制器根据所述大阻抗器件的阻抗值、所述合金电阻的阻抗值和所述测试电流算出测量点的电压并输出；其中，供电单元为所述电压测量单元、所述控制器的通信单元供电。

8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述通信单元用于所述控制器的远程输出；当所述控制器向远端或后台提供测量数据时，通过所述通信单元进行传输。

9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，所述供电单元为所述电压测量单元、所述控制器的通信单元提供直流24V电压。