CN111751605B - 一种高电位电压测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高电位电压测量装置及方法，所述装置安装于被测输电线路高电位侧，包括：串联的测量电路(1)、调整电路和输出电路；所述测量电路(1)将所述高电位侧电压进行分压处理并测量；所述调整电路将所述测量电路(1)分压后得到的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致；输出电路将调相后的电压测量值进行输出。本发明利用电容构建高电位电压测量回路，使得电压采样不受负载阻抗影响，容易实现测量电压信号的多路输出；且本发明中的电路结构简单，成本低、具有较高的电压测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及智能测量领域，具体涉及一种高电位电压测量装置及方法。
背景技术
在高电位电压测量方面，目前，具有通过电压互感器测量的传统接触式、电容分压式的电压测量技术等多种方法。但上述电压测量方案较适宜用于变电站内的电压测量，且由于传感设备成本较高，特别是当需要输出多组测量信号时，难以在半波长输电线路沿线进行大规模采购、分布式布置，不适宜采用上述传感装置研究半波长输电线路电压分布特性。而现有的方案存在负载效应及测量相移等问题导致测量不准确。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的当前的电压传感器，不能满足沿输电线路开展分布式电压测量需求的问题，本发明提供了一种高电位电压测量装置及方法。
本发明提供的技术方案是：
一种高电位电压测量装置，所述装置安装于被测输电线路高电位侧，包括：
串联的测量电路(1)、调整电路和输出电路；
所述测量电路(1)将所述高电位侧电压进行分压处理并测量；
所述调整电路将所述测量电路(1)分压后得到的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致；
输出电路将调相后的电压测量值进行输出。
优选的，所述测量电路(1)，包括：
分压模块和放大模块；
所述分压模块与所述待测系统的高电位侧连接，将所述待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
所述放大模块与所述分压模块进行连接，将分压后的高电位电压进行电压频率调整并进行测量，并传送至所述调整电路；
分压模块由电容、电阻和运算放大器组成。
优选的，所述分压模块，包括：
第一运算放大器(401)、第一电阻(501)、第二电阻(502)、第一电容(601)和第二电容(602)；
所述第一电阻(501)和第一电容(601)并联后得到第一并联电路，所述第二电阻(502)和第二电容(602)并联后得到第二并联电路；
所述第一运算放大器(401)的同相输入端通过所述第一并联电路接地；
所述第一运算放大器(401)的反相输入端与所述第二并联电路的一端连接到所述待测系统的高电位侧，所述第一运算放大器(401)的输出端与所述第二并联电路的另一端连接到所述放大模块。
优选的，所述放大模块，包括：
第二运算放大器(402)；
所述第二运算放大器(402)的反相输入端与输出端连接后接入调整电路；
所述第二运算放大器(402)的同相输入端与所述第一运算放大器(401)的输出端连接。
优选的，所述调整电路，包括：相位调整电路(2)；
所述相位调整电路(2)，包括：第三运算放大器(403)、第三电阻(503)、第四电阻(504)、第五电阻(505)、第六电阻(506)、第三电容(603)和第四电容(604)；
所述第四电阻(504)和第三电容(603)串接后与所述第五电阻(505)并接，得到第三并联电路；
所述第三运算放大器(403)的同相输入端通过所述第三并联电路接地；
所述第三运算放大器(403)的反相输入端和输出端之间串联有所述第六电阻(506)和第四电容(604)；所述第三运算放大器(403)的反相输入端还通过第三电阻(503)与所述测量电路(1)连接。
优选的，所述相位调整电路(2)通过下式进行相位补偿：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子。
优选的，所述输出电路包括：第四运算放大器(404)构成的第一输出电路；
所述第四运算放大器(404)的同相输入端与所述相位调整电路(2)的输出端连接；
所述第四运算放大器(404)的反相输入端与输出端连接。
优选的，所述测量电路(1)、调整电路和输出电路为多个；每个所述测量电路(1)、调整电路和输出电路串联后再并联接入待测系统的高电位侧，构成第二输出电路。
优选的，所述输出电路包括多个并联的第四运算放大器(404)构成的第三输出电路；
每个第四运算放大器(404)的反相输入端与输出端连接；
所有第四运算放大器(404)的同相输入端并联后，与所述调整电路(2)连接。
优选的，所述调整电路，还包括：数字式相位调整电路(7)；
所述数字式相位调整电路(7)，包括：模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；
所述模数转换器的输入端与所述测量电路(1)连接；
所述模数转换器的输出端通过所述数字信号处理器与所述数模转换器连接。
优选的，所述数字信号处理器通过下式进行相位补偿：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数。
优选的，所述输出电路，还包括：
多路模拟输出端和多路数字输出端；
所述多路模拟输出端与所述数模转换器连接；
所述多路数字输出端与所述数字信号处理器连接。
一种高电位电测测量方法，包括：
安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量；
调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出。
优选的，所述安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量，包括：
分压模块将所述待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
放大模块将分压后的高电位电压进行电压频率调整，并进行测量。
优选的，所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出，包括：
相位调整电路(2)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路进行多路输出。
优选的，所述相位调整电路(2)通过下式进行相位调整：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子。
优选的，所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出，还包括：
数字式相位调整电路(7)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过多路模拟输出端和多路数字输出端进行多路输出。
优选的，所述数字式相位调整电路(7)通过下式进行相位调整：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的技术方案包括：所述装置安装于被测输电线路高电位侧，包括：串联的测量电路(1)、调整电路和输出电路；所述测量电路(1)将所述高电位侧电压进行分压处理并测量；所述调整电路将所述测量电路(1)分压后得到的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致；输出电路将调相后的电压测量值进行输出。本发明利用电容构建高电位电压测量回路，使得电压采样不受负载阻抗影响，容易实现测量电压信号输出；且本发明中的电路结构简单，成本低、具有较高的电压测量精度。
本发明提供的技术方案提供多路扩展输出，且多路扩展输出包括：多路模拟输出、多路数字输出满足多种方式的电压测量。
附图说明
图1为本发明的高电位电压测量装置电路原理图；
图2为本发明的高电位电压测量装置的第一扩展电路；
图3为本发明的高电位电压测量装置的第二扩展电路；
图4为本发明的基于数字式相位调整电路的装置电路图；
其中，1-测量电路，2-相位调整电路，3-输出电路，401-第一运算放大器，402-第二运算放大器，403-第三运算放大器，404-第四运算放大器，501-第一电阻，502-第二电阻，503-第三电阻，504-第四电阻，505-第五电阻，506-第六电阻，601-第一电容，602-第二电容，603-第三电容，604-第四电容，7-数字式相位调整电路。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提供了一种高电位电压测量电路。如图1所示，1为测量电路，实现高电压的测量，并调整测量电压输出比例。2为相位调整电路，将测量输出电压的相位调整与被测的系统电压一致。3为输出电路，用于输出电压测量值。
本方案中的装置安装于被测输电线路高电位侧，串联的测量电路1、调整电路和输出电路；所述测量电路1将所述高电位侧电压进行分压处理并测量；所述调整电路将所述测量电路1分压后得到的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致；输出电路将调相后的电压测量值进行输出。
测量电路1，包括：分压模块和放大模块；
所述分压模块与所述待测系统的高电位侧连接，将所述待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
所述放大模块与所述分压模块进行连接，将分压后的高电位电压进行电压频率调整并进行测量，并传送至所述调整电路；
分压模块由电容、电阻和运算放大器组成。
分压模块，包括：第一运算放大器401、第一电阻501、第二电阻502、第一电容601和第二电容602；所述第一运算放大器401的反相输入端与所述待测系统的高电位侧连接；所述第一电阻501和第一电容601并联后得到第一并联电路，所述第一并联电路一端接地，另一端与所述第一运算放大器401的同相输入端连接；所述第二电阻502和第二电容602并联后得到第二并联电路，所述第二并联电路一端与所述第一运算放大器401的反相输入端连接，另一端与所述第一运算放大器401的输出端连接；所述第一运算放大器的输出端与放大模块连接。
放大模块，包括：第二运算放大器402；所述第二运算放大器402的反相输入端与所述第二运算放大器402的输出端连接；所述第二运算放大器402的输出端还与调整电路连接。
调整电路，包括：相位调整电路2；
所述相位调整电路2，包括：第三运算放大器403、第三电阻503、第四电阻504、第五电阻505、第六电阻506、第三电容603和第四电容604；所述二运算放大器402的输出端通过第三电阻503与所述第三运算放大器403的反相输入端连接；所述第四电阻504和第三电容603串接后与所述第五电阻505并接，得到第三并联电路；所述第三并联电路的一端与所述第三运算放大器403的同相输入端连接，另一端接地；所述第六电阻506和第四电容604串接，得到串联电路，所述串联电路一端与第三运算放大器403的反相输入端连接，另一端与所述第三运算放大器403的输出端连接。
相位调整电路2通过下式进行相位补偿：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子。
所述输出电路包括：第四运算放大器404构成的第一输出电路；
所述第四运算放大器404的同相输入端与所述第三运算放大器403的输出端连接；
所述第四运算放大器404的反相输入端与输出端连接。
在此基础上，多个所述第一输出电路并接在所述第三运算放大器403的输出端上，构成第一扩展电路，如图2所示。
此外，多条串联的测量电路1、调整电路和第一输出电路，并接在所述测量电路1上，构成第二扩展电路，如图3所示。
调整电路，还包括：数字式相位调整电路7，如图4所示。
所述数字式相位调整电路7，包括：模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；所述模数转换器的输入端与所述第二运算放大器402连接；所述模数转换器的输出端通过所述数字信号处理器与所述数模转换器连接。
数字信号处理器通过下式进行相位补偿：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数。
输出电路，还包括：多路模拟输出端和多路数字输出端；
所述多路模拟输出端与所述数模转换器连接；
所述多路数字输出端与所述数字信号处理器连接。
实施例2：
本实施例中提供了高电位电压测量电路中的相位调整电路中补偿电路的设计方法如下：
期望的输出特性：
其中，Ce为空间电容，Cs为分压电容，Vout(s)输出信号，Vin(s)为输入信号。
测量电路1的传递函数：
其中，V1(s)为运放隔离前输入电压信号，R为运放阻值，V2(s)为运放隔离后输入电压信号，RCe第二时间常数。
相位调整电路2的相位补偿：
相位调整电路还可以改为数字式补偿，实现多路模拟、数字输出。
数字相位补偿，需要考虑A/D，采样保持环节,D/A环节带来的影响。
数字补偿电路的设计如下：
其中，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数，RCs为时间常数，VAD+ZOH+DA(s)为数字补偿电路相位补偿常数。
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数。
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，Ts为s计算常数。
采用双线性变换法离散，通过拉普拉斯变换转换到z域：
其中，V2(z)为z域的第一相位补偿传递函数，z为z域常数。
本发明提供的技术方案中，测量电路1位于高电位测，通过线路对地的空间电容Ce和分压电容Cs，电阻R进行分压，测得分压后的电压V1；
V1通过运放隔离后进入相位调整电路2，通过RC网络对V1相位进行补偿；最终得到与待测电压相位一致的分压信号Vout；最后将测量电压信号扩展至多路输出。
在数字式补偿相位的高电位电压测量电路中，测量电路1位于高电位测，通过线路对地的空间电容Ce和分压电容Cs，电阻R进行分压，测得分压后的电压V1；
V1通过运放隔离后进入数字式相位补偿电路，其中数字式相位补偿电路由A/D，数字信号处理器，D/A组成，通过数字信号处理器进行数字信号补偿；
最终通过D/A输出得到与待测电压相位一致的多路分压信号Vout，或者直接输出多路数字信号。
实施例3：
本实施例提供了一种高电位电压测量方法，包括：
安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量；
调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出。
所述安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量，包括：
分压模块将所述待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
放大模块将分压后的高电位电压进行电压频率调整，并进行测量。
所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出，包括：
相位调整电路(2)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路进行多路输出。
所述相位调整电路(2)通过下式进行相位调整：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子。
所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过输出电路输出，还包括：
数字式相位调整电路(7)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相值一致，并通过多路模拟输出端和多路数字输出端进行多路输出。
所述数字式相位调整电路(7)通过下式进行相位调整：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数。
显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (12)
1.一种高电位电压测量装置，其特征在于，所述装置安装于被测输电线路高电位侧，包括：
串联的测量电路(1)、调整电路和输出电路；
所述测量电路(1)将所述高电位侧电压进行分压处理并测量；
所述调整电路将所述测量电路(1)分压后得到的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致；
输出电路将调相后的电压测量值进行输出；
所述调整电路，包括：相位调整电路(2)；
所述相位调整电路(2)，包括：第三运算放大器(403)、第三电阻(503)、第四电阻(504)、第五电阻(505)、第六电阻(506)、第三电容(603)和第四电容(604)；
所述第四电阻(504)和第三电容(603)串接后与所述第五电阻(505)并接，得到第三并联电路；
所述第三运算放大器(403)的同相输入端通过所述第三并联电路接地；
所述第三运算放大器(403)的反相输入端和输出端之间串联有所述第六电阻(506)和第四电容(604)；所述第三运算放大器(403)的反相输入端还通过第三电阻(503)与所述测量电路(1)连接；
所述相位调整电路(2)通过下式进行相位补偿：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子；
所述调整电路，还包括：数字式相位调整电路(7)；
所述数字式相位调整电路(7)，包括：模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；
所述模数转换器的输入端与所述测量电路(1)连接；
所述模数转换器的输出端通过所述数字信号处理器与所述数模转换器连接；
所述数字信号处理器通过下式进行相位补偿：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数，Ts为s的计算常数。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量电路(1)，包括：
分压模块和放大模块；
所述分压模块与待测系统的高电位侧连接，将所述待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
所述放大模块与所述分压模块进行连接，将分压后的高电位电压进行电压频率调整并进行测量，并传送至所述调整电路；
分压模块包含电容、电阻和运算放大器。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分压模块，包括：
第一运算放大器(401)、第一电阻(501)、第二电阻(502)、第一电容(601)和第二电容(602)；
所述第一电阻(501)和第一电容(601)并联后得到第一并联电路，所述第二电阻(502)和第二电容(602)并联后得到第二并联电路；
所述第一运算放大器(401)的同相输入端通过所述第一并联电路接地；
所述第一运算放大器(401)的反相输入端与所述第二并联电路的一端连接到所述待测系统的高电位侧，所述第一运算放大器(401)的输出端与所述第二并联电路的另一端连接到所述放大模块。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述放大模块，包括：
第二运算放大器(402)；
所述第二运算放大器(402)的反相输入端与输出端连接后接入调整电路；
所述第二运算放大器(402)的同相输入端与所述第一运算放大器(401)的输出端连接。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括：第四运算放大器(404)构成的第一输出电路；
所述第四运算放大器(404)的同相输入端与所述相位调整电路(2)的输出端连接；
所述第四运算放大器(404)的反相输入端与输出端连接。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量电路(1)、调整电路和输出电路为多个；每个所述测量电路(1)、调整电路和输出电路串联后再并联接入待测系统的高电位侧，构成第二输出电路。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括多个并联的第四运算放大器(404)构成的第三输出电路；
每个第四运算放大器(404)的反相输入端与输出端连接；
所有第四运算放大器(404)的同相输入端并联后，与所述相位调整电路(2)连接。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路，还包括：
多路模拟输出端和多路数字输出端；
所述多路模拟输出端与所述数模转换器连接；
所述多路数字输出端与所述数字信号处理器连接。
9.一种高电位电测测量方法，用于如权利要求1-8任一项所述的一种高电位电测测量装置，其特征在于，包括：
安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量；
调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致，并通过输出电路输出；
所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致，并通过输出电路输出，包括：
相位调整电路(2)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致，并通过输出电路进行多路输出；
所述相位调整电路(2)通过下式进行相位调整：
其中，V2(s)为第一相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述安装在被测输电线路高电位侧的测量电路(1)获取输电线路的高电位电压，进行分压处理并测量，包括：
分压模块将待测系统的高电位电压按比例进行分压处理；
放大模块将分压后的高电位电压进行电压频率调整，并进行测量。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调整电路将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致，并通过输出电路输出，还包括：
数字式相位调整电路(7)将分压处理后的电压测量值的相位调整为与所述高电位侧的相位一致，并通过多路模拟输出端和多路数字输出端进行多路输出。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述数字式相位调整电路(7)通过下式进行相位调整：
其中，V2'(s)为第二相位补偿传递函数，RCs为时间常数，s为拉普拉斯算子，为采样保持环节传递函数，Ts为s的计算常数。
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