CN109917172A - 一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导线电位的测量方法，通过预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内，并保证两三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行，根据第一三维电场传感器测得的第一电场强度、第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和第二三维电场传感器的位置信息，即可计算得到待测导线的电位值。采用两个三维电场传感器，相比于电压互感器更为轻便且无需接入被测线路，对被测线路的影响降到最低，而相对于一个电场传感器，大大减少了对测试位置的要求，因此从两个角度降低了测量难度，提高了测量准确性。本发明还提供一种导线电位的测量装置及测量系统，具有上述有益效果。

Description

一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统

技术领域

本发明涉及电力检测技术领域，特别是涉及一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统。

背景技术

作为电力系统实现优化运行、控制、保护等功能必不可少的输入变量，导线电位是常见且需要大规模测试的项目之一，本领域技术人员在如何更为方便、减少对线路影响的基础上测量线路电位的问题上进行了诸多研究。

现有技术中的线路电位测量方法有采用电压互感器、基于霍尔效应原理的电压传感器或者光纤电压传感器等接入测量方法，也有采用基于MEMS技术的电场传感器的非接入测量方法。但是前者需要接入被测线路，安装不便、绝缘要求高，且电压互感器携带铁芯或磁芯，较为笨重；后者虽然不需要接入被测线路且没有铁芯或磁芯，但在测量时必须固定电场传感器与被测导线的相对位置，对安装要求极高，不具有实用性。

如何降低导线电位测量要求，提出一种便于测量的方案，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统，用于降低导线电位测量要求，便于导线电位的测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种导线电位的测量方法，包括：

预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内；其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

分别接收所述第一三维电场传感器测得的第一电场强度、所述第一三维电场传感器的位置信息、所述第二三维电场传感器测得的第二电场强度和所述第二三维电场传感器的位置信息；

根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

可选的，所述接收所述第一三维电场传感器测得的第一电场强度和所述第二三维电场传感器测得的第二电场强度，具体包括：

获取所述第一三维电场传感器的第一转换系数和所述第二三维电场传感器的第二转换系数；

对所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器施加激励后，获取所述第一三维电场传感器的第一输出信号和所述第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算所述第一输出信号和所述第一转换系数的乘积记为所述第一电场强度；

计算所述第二输出信号和所述第二转换系数的乘积记为所述第二电场强度。

可选的，所述接收所述第一三维电场传感器的位置信息和所述第二三维电场传感器的位置信息，具体为：

接收所述第一三维电场传感器的三维坐标和所述第二三维电场传感器的三维坐标。

可选的，所述根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值，具体为：

基于高斯定律和空间几何定律，根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

可选的，所述基于高斯定律和空间几何定律，根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值，具体为根据以下公式计算得到：

P＝(x₁,y₁,z₁)

Q＝(x₂,y₂,z₂)

其中，以无穷远为0电位，E₁为所述第一电场强度，E₂为所述第二电场强度，E_1x、E_1y、E_1z分别为所述第一三维电场传感器在x、y、z三个维度测得的电场强度，E_2x、E_2y、E_2z分别为所述第二三维电场传感器在x、y、z三个维度测得的电场强度，r₀为所述待测导线的半径，P＝(x₁,y₁,z₁)为所述第一三维电场传感器的三维坐标，Q＝(x₂,y₂,z₂)为所述第二三维电场传感器的三维坐标；为所述待测导线的电位值，D₁为所述第一三维电场传感器与所述待测导线的距离，D₂为所述第二三维电场传感器与所述待测导线的距离。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种导线电位的测量装置，包括：

接收单元，用于分别接收第一三维电场传感器测得的第一电场强度、所述第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和所述第二三维电场传感器的位置信息；其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器位于待测导线周围的预设范围内，且所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

计算单元，用于根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

可选的，所述接收单元具体包括：

获取子单元，用于获取所述第一三维电场传感器的第一转换系数和所述第二三维电场传感器的第二转换系数；

激励子单元，用于对所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器施加激励后，获取所述第一三维电场传感器的第一输出信号和所述第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算子单元，用于计算所述第一输出信号和所述第一转换系数的乘积记为所述第一电场强度；计算所述第二输出信号和所述第二转换系数的乘积记为所述第二电场强度。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种导线电位的测量系统，包括：

设置于待测导线周围的预设范围内的第一三维电场传感器和第二三维电场传感器以及分别与所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器连接的处理器；

其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

所述处理器用于执行上述任意一项所述的导线电位的测量方法。

可选的，还包括：

与所述处理器连接的触控屏，用于接收输入的所述第一三维电场传感器的位置信息和所述第二三维电场传感器的位置信息，以及显示所述待测导线的电位值。

可选的，还包括：

与所述处理器连接的报警器，用于当所述待测导线的电位值大于预设值时进行报警。

本发明所提供的导线电位的测量方法，通过预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内，保证第一三维电场传感器和第二三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行，根据第一三维电场传感器测得的第一电场强度、第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和第二三维电场传感器的位置信息，即可计算得到待测导线的电位值。采用两个三维电场传感器，相比于电压互感器更为轻便且无需接入被测线路，对被测线路的影响降到最低，而相对于一个电场传感器，大大减少了对测试位置的要求，因此从两个角度降低了测量难度，提高了测量准确性。本发明还提供一种导线电位的测量装置及测量系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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。

图1为本发明实施例提供的一种导线电位的测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种三维电场传感器与待测导线的位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的一种导线电位的测量装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种导线电位的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统，用于降低导线电位测量要求，便于导线电位的测量。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种导线电位的测量方法的流程图。如图1所示，该导线电位的测量方法包括：

S10：预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内；其中，第一三维电场传感器和第二三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行。

在具体实施中，将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内，即将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围空间中的任意两点，保证第一三维电场传感器和第二三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行即可。

需要说明的是，本发明实施例对两个三维电场传感器的电场敏感方向无要求，这进一步地降低了测量导线电位的安装难度。

S11：分别接收第一三维电场传感器测得的第一电场强度、第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和第二三维电场传感器的位置信息。

电场传感器广泛应用于工业生产生活等各个领域，而基于MEMS技术的电场传感器因其体积小、成本低、功耗低等优点，逐渐成为常见的电场传感器之一。MEMS电场传感器可用于静电场和交流电场的测量，按工作原理可以分为感应电荷式、静电力式和引导电荷式。本发明实施例采用三维电场传感器，可以测出直角坐标系x，y，z三个方向的电场强度分量，无需接入被测线路，可以实现非接触测量。各三维电场传感器的测量及转换方法视选择的三维电场传感器的类型而定，具体可以参考现有技术。

具体地，接收第一三维电场传感器测得的第一电场强度和第二三维电场传感器测得的第二电场强度，具体包括：

获取第一三维电场传感器的第一转换系数和第二三维电场传感器的第二转换系数；

对第一三维电场传感器和第二三维电场传感器施加激励后，获取第一三维电场传感器的第一输出信号和第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算第一输出信号和第一转换系数的乘积记为第一电场强度；

计算第二输出信号和第二转换系数的乘积记为第二电场强度。

另外，接收第一三维电场传感器的位置信息和第二三维电场传感器的位置信息，具体可以为：

接收第一三维电场传感器的三维坐标和第二三维电场传感器的三维坐标。

本发明实施例采用两个三维电场传感器进行测量，只需两个三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行即可，在此必要条件的基础上，可以将两个三维电场传感器固定于一个测试板卡上以便于携带与测量，此时无需多次获取各三维电场传感器的位置信息，只需在出厂时记录两个固定的三维坐标即可。以此测试板卡进行测试，虽然与待测导线的位置发生变化，两个三维电场传感器之间的相对位置固定，以二者的三维坐标作为计算待测导线电位值的已知量。此外，各三维电场传感器之间的相对位置也可以不固定，如预先准备一个设有一维滑轨、滑轨上设置两个可沿滑轨滑动的用于固定三维电场传感器的卡槽，在测试之前根据需要选择三维电场传感器的型号和位置，卡槽上可以设置刻度用于读取各三维电场传感器两两之间的相对距离，或采用距离传感器测量相对距离，根据该相对距离，可以为两个三维电场传感器的三维坐标赋值。可以理解的是，除了上述两种方式，在保证本发明实施例提出的必要条件的基础上，如何安装三维电场传感器以及如何获取各三维电场传感器的位置信息，还有多种方式，均属于本发明实施例的保护范围。

在进行一次测试之前，需保证各三维电场传感器和待测导线的位置不变，而后录入一组第一电场强度、第二电场强度和两个三维坐标。其中，第一电场强度和第二电场强度均由三个维度上的电场强度分量组合得到。如果进行多次测试，则每次测试之间可以进行各项参数的变动。

S12：根据第一电场强度、第二电场强度以及各位置信息，计算待测导线的电位值。

本发明实施例根据电场强度和三维电场传感器的位置计算电位，基于电场强度和电位之间的关系，可以采用高斯定律和空间几何定律，通过第一电场强度、第二电场强度和两个三维坐标计算等已知量计算待测导线的电位值。

本发明实施例提供的导线电位的测量方法，通过预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内，保证第一三维电场传感器和第二三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行，根据第一三维电场传感器测得的第一电场强度、第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和第二三维电场传感器的位置信息，即可计算得到待测导线的电位值。采用两个三维电场传感器，相比于电压互感器更为轻便且无需接入被测线路，对被测线路的影响降到最低，而相对于一个电场传感器，大大减少了对测试位置的要求，因此从两个角度降低了测量难度，提高了测量准确性。

图2为本发明实施例提供的一种三维电场传感器与待测导线的位置关系示意图。

将第一三维电场传感器201、第二三维电场传感器202放置于空间任意两点之后，保持二者所形成的直线与待测导线不平行。

记r₀为待测导线203的半径，E₁为第一电场强度，E₂为第二电场强度，E_1x、E_1y、E_1z分别为第一三维电场传感器201在x、y、z三个维度测得的电场强度，E_2x、E_2y、E_2z分别为第二三维电场传感器202在x、y、z三个维度测得的电场强度，r₀为待测导线203的半径，P＝(x₁,y₁,z₁)为第一三维电场传感器201的三维坐标，Q＝(x₂,y₂,z₂)为第二三维电场传感器202的三维坐标，为已知量。

设为待测导线203的电位值，D₁为第一三维电场传感器201与待测导线203的距离，D₂为第二三维电场传感器202与待测导线203的距离。

在上述实施例的基础上，以无穷远为0电位，基于高斯定律和空间几何定律，可以列出下述公式：

P＝(x₁,y₁,z₁) (5)

Q＝(x₂,y₂,z₂) (6)

联立公式(1)至(6)可以求解得到待测导线203的电位值

求解步骤可以如下所示：

由于待测导线203在空间点产生的电场方向与点到载流导线的距离共线，因此，假设经过P点的电场矢量为经过Q点的电场矢量为则待测导线203应同时垂直于所在直线l₁和所在直线l₂，即l₁和l₂的公垂线l即为待测导线203的中轴所在的直线。

直线l₁的方程可表示为：

直线l₂的方程可表示为：

假设l经过点M＝(x₀,y₀,z₀)，且方向向量为则l的方程可表示为：

假设点M为直线l₁和直线l₂的交点，于是有：

由于l₁⊥l，因此两条直线的方向向量的内积为0，即：

E_1x·X+E_1y·Y+E_1z·Z＝0 (11)

同理可得：

E_2x·X+E_2y·Y+E_2z·Z＝0 (12)

联立公式(11)和公式(12)，可得：

令：

则l的方程可写为：

假设点N(r₀,s₀,t₀)为直线l₂和直线l的交点，于是有：

根据公式组(10)、(16)、(17)中的6个方程可以求得点M＝(x₀,y₀,z₀)和点N(r₀,s₀,t₀)的坐标，继而可以根据下式求出两个三维电场传感器所处位置距离待测导线203的距离D₁、D₂：

根据公式(3)和(4)求出E₁和E₂，然后根据公式(1)或(2)中可得：

采用公式(19)或(20)中的任意一个即可计算得到待测导线相对于无穷远处的电位值

本发明实施例提供了一种基于高斯定律和空间几何定律求解待测导线的电位值的具体方式，便于测试人员的应用。在本发明第一个实施例提供的构思基础上，还可以采用其他列式、求解方法，在此不再赘述。

上文详述了导线电位的测量方法对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述方法对应的导线电位的测量装置。

图3为本发明实施例提供的一种导线电位的测量装置的结构示意图。如图3所示，该导线电位的测量装置包括：

接收单元301，用于分别接收第一三维电场传感器测得的第一电场强度、第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和第二三维电场传感器的位置信息；其中，第一三维电场传感器和第二三维电场传感器位于待测导线周围的预设范围内，且第一三维电场传感器和第二三维电场传感器所在的直线与待测导线不平行；

计算单元302，用于根据第一电场强度、第二电场强度以及各位置信息，计算待测导线的电位值。

进一步的，接收单元301具体可以包括：

获取子单元，用于获取第一三维电场传感器的第一转换系数和第二三维电场传感器的第二转换系数；

激励子单元，用于对第一三维电场传感器和第二三维电场传感器施加激励后，获取第一三维电场传感器的第一输出信号和第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算子单元，用于计算第一输出信号和第一转换系数的乘积记为第一电场强度；计算第二输出信号和第二转换系数的乘积记为第二电场强度。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

上文详述了导线电位的测量方法和测量装置对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述方法及装置对应的导线电位的测量系统。

图4为本发明实施例提供的一种导线电位的测量系统的结构示意图。如图4所示，该导线电位的测量系统包括：

设置于待测导线周围的预设范围内的第一三维电场传感器201和第二三维电场传感器202以及分别与第一三维电场传感器201和第二三维电场传感器202连接的处理器401；

其中，第一三维电场传感器201和第二三维电场传感器202所在的直线与待测导线203不平行；

处理器401用于执行上述导线电位的测量方法。

进一步的，导线电位的测量系统还可以包括：

与处理器401连接的触控屏，用于接收输入的第一三维电场传感器201的位置信息和第二三维电场传感器202的位置信息，以及显示待测导线203的电位值。

可选的，导线电位的测量系统还包括：

与处理器401连接的报警器，用于当待测导线203的电位值大于预设值时进行报警。

在具体实施中，报警器可以为LED指示灯或蜂鸣器或语音播报器。

如果采用以直流电压作为激励信号的三维电场传感器，还可以在导线电位的测量系统中连接直流电源，以省去在测试前连接直流电源的步骤。

以上对本发明所提供的一种导线电位的测量方法、测量装置及测量系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种导线电位的测量方法，其特征在于，包括：

预先将第一三维电场传感器和第二三维电场传感器设置于待测导线周围的预设范围内；其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

分别接收所述第一三维电场传感器测得的第一电场强度、所述第一三维电场传感器的位置信息、所述第二三维电场传感器测得的第二电场强度和所述第二三维电场传感器的位置信息；

根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述接收所述第一三维电场传感器测得的第一电场强度和所述第二三维电场传感器测得的第二电场强度，具体包括：

获取所述第一三维电场传感器的第一转换系数和所述第二三维电场传感器的第二转换系数；

对所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器施加激励后，获取所述第一三维电场传感器的第一输出信号和所述第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算所述第一输出信号和所述第一转换系数的乘积记为所述第一电场强度；

计算所述第二输出信号和所述第二转换系数的乘积记为所述第二电场强度。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述接收所述第一三维电场传感器的位置信息和所述第二三维电场传感器的位置信息，具体为：

接收所述第一三维电场传感器的三维坐标和所述第二三维电场传感器的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值，具体为：

基于高斯定律和空间几何定律，根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述基于高斯定律和空间几何定律，根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值，具体为根据以下公式计算得到：

P＝(x₁,y₁,z₁)

Q＝(x₂,y₂,z₂)

其中，以无穷远为0电位，E₁为所述第一电场强度，E₂为所述第二电场强度，E_1x、E_1y、E_1z分别为所述第一三维电场传感器在x、y、z三个维度测得的电场强度，E_2x、E_2y、E_2z分别为所述第二三维电场传感器在x、y、z三个维度测得的电场强度，r₀为所述待测导线的半径，P＝(x₁,y₁,z₁)为所述第一三维电场传感器的三维坐标，Q＝(x₂,y₂,z₂)为所述第二三维电场传感器的三维坐标；为所述待测导线的电位值，D₁为所述第一三维电场传感器与所述待测导线的距离，D₂为所述第二三维电场传感器与所述待测导线的距离。

6.一种导线电位的测量装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于分别接收第一三维电场传感器测得的第一电场强度、所述第一三维电场传感器的位置信息、第二三维电场传感器测得的第二电场强度和所述第二三维电场传感器的位置信息；其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器位于待测导线周围的预设范围内，且所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

计算单元，用于根据所述第一电场强度、所述第二电场强度以及各所述位置信息，计算所述待测导线的电位值。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述接收单元具体包括：

获取子单元，用于获取所述第一三维电场传感器的第一转换系数和所述第二三维电场传感器的第二转换系数；

激励子单元，用于对所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器施加激励后，获取所述第一三维电场传感器的第一输出信号和所述第二三维电场传感器的第二输出信号；

计算子单元，用于计算所述第一输出信号和所述第一转换系数的乘积记为所述第一电场强度；计算所述第二输出信号和所述第二转换系数的乘积记为所述第二电场强度。

8.一种导线电位的测量系统，其特征在于，包括：

设置于待测导线周围的预设范围内的第一三维电场传感器和第二三维电场传感器以及分别与所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器连接的处理器；

其中，所述第一三维电场传感器和所述第二三维电场传感器所在的直线与所述待测导线不平行；

所述处理器用于执行权利要求1至5任意一项所述的导线电位的测量方法。

9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，还包括：

与所述处理器连接的触控屏，用于接收输入的所述第一三维电场传感器的位置信息和所述第二三维电场传感器的位置信息，以及显示所述待测导线的电位值。

10.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，还包括：

与所述处理器连接的报警器，用于当所述待测导线的电位值大于预设值时进行报警。