CN111948445B - 功率测量电路、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率测量电路、方法及装置，该电路包括磁场传感单元，用于测试被测对象的磁场以输出第一电压信号；放大单元，连接磁场传感单元，用于放大第一电压信号，并输出第二电压信号；电场传感单元，连接放大单元，将放大单元输出的第二电压信号作为偏置电压，并用于测试被测对象产生的电场以输出第三电压信号；处理单元，用于对第三电压信号进行处理，获得被测对象的功率。本发明的功率测量电路和装置不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完被测对象的成功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。

Description

功率测量电路、方法及装置

技术领域

本发明涉及电能计量技术领域，特别是涉及一种功率测量电路、方法及装置。

背景技术

智能电网建设是未来国内外电力系统主要发展趋势，实现智能电网的全方位监测和分析是智能电网建设过程中的关键。其中，输电线路的功率是智能电网诸多监测对象之一，在电力系统中利用传统方法测量输电线路功率时需要利用电压互感器测量输电线路的电压或者利用电流互感器测量输电线路的电流，因此输电线路需要在建设阶段预先安装电流互感器或电压互感器，对于未预先安装电流互感器或电压互感器的输电线路，则需要在输电线路整体停电的状态下进行破线加装改造，从而导致加装改造不便以及成本较高等问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种功率测量电路、方法及装置，该功率测量电路和装置不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完成被测对象的功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。

为了实现上述目的，一方面本申请实施例提供了一种功率测量电路，包括：

磁场传感单元，用于测试被测对象的磁场以输出第一电压信号；

放大单元，连接磁场传感单元；放大单元用于放大第一电压信号，并输出第二电压信号；

电场传感单元，连接放大单元；电场传感单元将放大单元输出的第二电压信号作为偏置电压，并用于测试被测对象产生的电场以输出第三电压信号；

处理单元，连接电场传感单元，用于对第三电压信号进行处理，获得被测对象的功率。

在其中一个实施例中，磁场传感单元为TMR芯片或GMR芯片。

在其中一个实施例中，电场传感单元为MEMS电场敏感芯片。

在其中一个实施例中，处理单元包括模数转换器和微控制单元；模数转换器用于对第三电压信号进行模数转换并且输出功率数字信号；微控制单元用于对功率数字信号进行处理并且获得被测对象的功率。

在其中一个实施例中，微控制单元连接放大单元；微控制单元用于调整放大单元的放大倍数。

在其中一个实施例中，功率测量电路还包括显示单元；显示单元连接微控制单元并且用于显示所述被测对象的功率。

在其中一个实施例中，微控制单元还用于连接外部终端，并用于向所述外部终端传输通信信号；通信信号用于指示外部终端显示所述被测对象的功率。

在其中一个实施例中，通信信号为蓝牙通信信号。

在其中一个实施例中，功率测量电路还包括电源单元；电源单元连接磁场传感单元、放大单元以及处理单元；电源单元用于向磁场传感单元、放大单元以及处理单元供电。

在其中一个实施例中，本申请还提供一种功率测量方法，功率测量方法包括采用磁场传感单元，测试被测对象的磁场并输出第一电压信号；对第一电压信号进行放大，获得第二电压信号；将第二电压信号作为电场传感单元的偏置电压，通过电场传感单元测试被测对象的电场以输出第三电压信号；对第三电压信号进行处理，获得被测对象的功率。

另一方面，本申请实施例还提供了一种功率测量装置，功率测量装置包括上述功率测量电路。

上述的功率测量电路和装置，通过磁场传感单元测试被测对象的磁场，并输出第一电压信号；放大单元将第一电压信号放大为第二电压信号，并向与其连接的电场传感单元输出第二电压信号；其中，第二电压信号作为电场传感单元的偏置电压；电场传感单元测试被测对象产生的电场并输出第三电压信号，最后，处理单元将第三电压信号进行处理后最终获得被测对象的功率。基于此，上述的功率测量电路和装置不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完成被测对象的功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是一个实施例中功率测量电路第一示意性结构图；

图2是一个实施例中功率测量电路第二示意性结构图；

图3是一个实施例中功率测量电路第三示意性结构图；

图4是一个实施例中功率测量电路第四示意性结构图；

图5是一个实施例中功率测量电路第五示意性结构图；

图6是一个实施例中功率测量电路第六示意性结构图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在电力系统中，传统的输电线路功率计算的方法主要有三种：一种是根据测量得到的负载输入电流和电压直接计算被测输电线路的功率；一种是根据测量得到的负载输入电流和已知的负载阻抗直接计算被测输电线路的功率；还有一种是根据测量得到的负载输入电压流和已知的负载阻抗直接计算被测输电线路的功率。上述三种方法需要在测量输电线路功率前利用电压互感器或电路互感器分别测出输电线路的电压或电流，因此需要在输电线路中预先安装电压互感器或电流互感器。传统方法通过电压互感器测量出输电线路的电压或通过电流互感器测量出输电线路的电流后还需要通过人工或终端计算平台计算才能获得输电线路的功率，也就导致电路和装置整体操作复杂、体积较大等问题。对于未预先安装电流互感器或电压互感器的输电线路，则需要在输电线路整体停电的状态下进行破线加装改造，从而导致加装改造不便以及成本较高等问题。为此，本申请实施例提供了一种功率测量电路和装置，其不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完被测对象的成功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。本申请实施例不仅可以应用于电力系统中输电线路的功率测量，还可以应用于其他各种需要测量功率的场景。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种功率测量电路，该功率测量电路包括磁场传感单元110、放大单元120、电场传感单元130以及处理单元140。其中，磁场传感单元110用于测试被测对象的磁场以输出第一电压信号。放大单元120连接磁场传感单元110，用于放大第一电压信号并输出第二电压信号。电场传感单元130连接放大单元120，电场传感单元130将放大单元120输出的第二电压信号作为偏置电压，并用于测试被测对象产生的电场以输出第三电压信号。处理单元140连接电场传感单元130，用于对第三电压信号进行处理，并获得被测对象的功率。

磁场传感单元110是一种能够测试磁场并将测试结果转化为电压信号输出的电路单元或器件，且磁场传感单元110输出的电压信号与被测对象的磁场强度呈线性关系。在本实施例中，磁场传感单元110输出的第一电压信号与被测对象的磁场强度之间存在如下关系：

其中，u₁表示磁场传感单元输出的第一电压信号；V表示磁场传感单元的额定供电电压；I表示被测对象的电流；d₁表示磁场传感单元110与被测对象的距离；a表示磁场传感单元110的感应因数，即在单位供电电压下磁场传感单元110的输出电压与被测对象的实际磁场强度的比值；μ₀和π为常数。

磁场传感单元110可以是磁场传感器，也可以是由其他电学元件构成的电路单元，只要能实现上述功能即可。在一个实施例中，磁场传感器可以为TMR芯片，其具有电阻变化率大、温度稳定性高、灵敏度高、功耗低、线性度好以及不需要额外的聚磁环结构等诸多优点，因此TMR芯片可通过其自身磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应从而精确测量出被测对象的磁场大小。在一个实施例中，磁场传感器还可以为GMR芯片，其具有灵敏度高、体积小、功耗低等诸多优点，并且能够精确测量出被测对象的磁场大小。

放大单元120能够将磁场传感单元110输出的第一电压信号进行放大，并输出第二电压信号作为电场传感单元130的偏置电压。其中，第二电压信号与第一电压信号之间存在如下关系：

u₂＝bu₁

其中，u₂表示第二电压信号；u₁表示第一电压信号；b表示放大单元120的放大倍数。在一个实施例中，放大单元120可以是运算放大器，也可以是由电学元件构成的电路单元，只要能实现电压放大功能即可。

电场传感单元130是一种能够测试电场并将测试结果转化为电压信号输出的电路单元或器件，且电场传感单元130输出的电压信号与被测对象的电场强度呈线性关系。电场传感单元130将放大单元120输出的第二电压信号作为偏置电压，并用于测试被测对象产生的电场和向处理单元140输出第三电压信号。在本实施例中，电场传感单元130输出的第三电压信号与被测对象的电场强度之间存在如下关系：

其中，u₃表示第三电压信号；u₂表示第二电压信号；c表示电场传感单元130的感应因数，即在单位供电电压下电场传感单元130的输出电压与被测对象的实际电场强度的比值；U表示被测对象的电压；d₂表示电场传感单元130与被测对象的距离。

经过上述公式的推理和变形可以得知第三电压信号也可以表示为：

其中，I表示为被测对象的电流；U表示被测对象的电压；

且为常数；k值可以通过功率测量电路预先校准的方式获得。因此，电场传感单元130输出的第三电压信号中包含了被测对象的电压和被测对象的电流的乘积即被测对象的功率。在其中一个实施例中，本申请还提供一种用于对功率测量电路中参数k进行校准方法；下面，将对本申请实施例提供的功率测量电路中参数k的校准方法所涉及到的实施环境进行简要说明。具体的，该实施环境可以包括磁场传感单元110、放大单元120以及电场传感单元130。其中，磁场传感单元110用于测试被测对象的磁场以输出第一电压信号；放大单元120连接磁场传感单元110，用于放大第一电压信号，并输出第二电压信号；电场传感单元130连接所述放大单元120，将放大单元120输出的第二电压信号作为偏置电压，并用于测试被测对象产生的电场以输出第三电压信号。

本实施例提供的功率测量电路中参数k的校准方法包括：将多个已知功率不同的被测对象置于实施环境中，对多个被测对象分别施加不同功率范围内的已知功率，获得电场传感单元130输出相对应的多个第三电压信号，从而获得多组测试数据，每组测试数据包括被测对象的功率及对应的第三电压信号。然后将多组测试数据进行分段处理；而后，利用分段处理后的测试数据进行曲线拟合，获得第三电压信号与被测对象功率的特性曲线；再利用插值法对特性曲线的离散点进行补充计算，即可完成参数k的校准。

电场传感单元130可以是电场传感器，也可以是由其他电学元件构成的电路单元，只要能实现上述功能即可。在一个实施例中，电场传感器可以为MEMS电场敏感芯片，其具有体积小、空间分辨率高、功耗低、无电机磨损部件、稳定性好、可靠性高以及可同时测量静电场和交变电场等诸多优点，因此MEMS电场敏感芯片可用于单点电场探测或区域多点无线组网电场探测。

处理单元140能够对电场传感单元130输出的第三电压信号进行处理，并获得被测对象的功率。由于第三电压信号中已经包含了功率信息，因此处理单元140将对第三电压信号中已经包含的功率信息以及通过预先校准方式获取的k值进行处理即可获得被测对象电压和被测对象电流的乘积即被测对象的功率。

基于此，本实施例中涉及的功率测量电路可匹配多种被测对象，适用于不同被测对象的功率测量，适配性高。同时，在磁场传感单元110、放大单元120、电场传感单元130与处理单元140相互配合即可实现不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完被测对象的成功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。此外，本实施例中涉及的功率测量电路不需要人工再次计算或终端计算平台计算，使得功率测量操作更为简单。

在一个实施例中，如图2所示，处理单元140包括模数转换器141和微控制单元142。其中，模数转换器141连接于电场传感单元130，用于将第三电压信号进行模数转换，并向微控制单元142输出功率数字信号。微控制单元142连接模数转换器141，用于将功率数字信号进行处理，并获得所述被测对象的功率数值；其中，模数转换器141可以将第三电压信号转换为功率数字信号。由于功率数字信号中不仅包含被测对象的电压和被测对象的电流乘积，还包含有常数k值；常数k值可以通过对功率测量电路才采取预先校准的方式进行确定；因此，微控制单元142对功率数字信号中包含的常数k值进行去除处理，并获得仅含有被测对象的电压和被测对象的电流乘积的数字信号即被测对象功率。基于此，功率测量电路仅需对被测对象进行一次采集测量即可获得被测对象功率数值，减小了功率测量电路的操作复杂度，降低了功率测量成本。

在一个实施例中，如图3所示，微控制单元142还连接放大单元120，用于调整放大单元120的放大倍数。

其中，当功率测量电路测量不同的被测对象，随着功率测量电路测量对象的变化，被测对象的磁场和磁场传感单元110输出的第一电压信号也将发生变化；若第一电压信号发生变化，而放大单元120的放大倍数不及时发生改变，将出现放大单元120提供给电场传感单元130的偏置电压过大或太小的现象，从而导致电场传感单元130无法正常工作，使得微控制单元142输出的被测对象功率值出现误差。因此，本实施例利用微控制单元142通过向放大单元120发出控制信号，并控制放大单元120完成放大倍数的调整，以满足在功率测量电路测量不同的被测对象时放大单元120输出的第二电压信号能够符合电场传感单元130偏置电压的范围要求。基于此，本实施例中微控制单元142可以及时控制放大单元120的放大倍数，避免了功率测量电路中微控制单元142输出的被测对象功率值出现误差，并且使功率测量电路适用于多种被测对象的功率测量，扩大了功率测量电路测量对象范围，提高了功率测量电路的适配性。

在一个实施例中，如图4所示，微控制单元142还用于连接外部终端，并用于向外部终端传输通信信号，通信信号用于指示外部终端显示被测对象的功率。

其中，微控制单元142与外部终端之间的连接方式可以分为有线连接和无线连接两种；若微控制单元142采用有线连接的方式与外部终端连接，用于实现被测对象的功率显示，则微控制单元142使用的通信信号可以但不限于是电信号，微控制单元142使用的传输接口可以为微控制单元142自带的I/O接口或USB接口等。若微控制单元142采用无线连接的方式与外部终端连接，用于实现被测对象的功率显示；则微控制单元142使用的通信信号可以但不限于是蓝牙信号，微控制单元142使用的传输装置可以为微控制单元142自带的蓝牙装置。外部终端可以但不限用于显示被测对象的功率数值；外部终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机和平板电脑等。基于此，外部终端使功率测量电路中微控制单元140输出的功率数字信号能够实现实时监测，提高了功率测量电路的便利性。

在一个实施例中，如图5所示，显示单元150连接功率测量电路中的微控制单元142，通过实时接收微控制单元142传输的被测对象功率，以实现对被测对象功率进行显示。其中，微控制单元142不仅可以向显示单元150传输被测对象功率，还可以传输控制信号用于控制显示单元150。因此，显示单元150可以但不限于是数码管、LED显示屏。基于此，显示单元150使得功率测量电路中微控制单元140输出的功率数字信号能够直观显示，提高了功率测量电路的便利性。

在一个实施例中，如图6所示，一种功率测量电路还包括电源单元160，电源单元160分别与磁场传感单元110、放大单元120以及处理单元140相连接；电源单元160用于向磁场传感单元110、放大单元120以及处理单元140供电。基于此，功率测量电路无需另外加装电源装置，使功率测量电路的整体体积小、操作更简易、成本更低廉。

在其中一个实施例中，本申请还提供一种功率测量方法，该功率测量方法包括采用磁场传感单元110，测试被测对象的磁场并输出第一电压信号；对第一电压信号进行放大，获得第二电压信号；将第二电压信号作为电场传感单元130的偏置电压，通过电场传感单元130测试被测对象的电场以输出第三电压信号；对第三电压信号进行处理，获得被测对象的功率。基于此，本实施例中涉及的功率测量方法可匹配多种被测对象，适用于不同被测对象的功率测量，适配性高。同时，利用本实施例涉及的功率测量方法即可实现不需要对被测对象进行停电处理，也不需要对被测对象进行加装改造，即可完被测对象的成功率测量，因此提高了功率测量的便利性，同时降低了测试成本。此外，本实施例中涉及的功率测量方法仅需要对被测对象进行一次采样测量即可输出被测对象的功率，并且不需要人工再次计算或终端计算平台计算，使得功率测量操作更为简单。

在一个实施例中，本申请还提供一种功率测量装置，包括上述功率测量电路，功率测量电路的具体结构已在前文做详细描述，故不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种功率测量电路，其特征在于，包括：

磁场传感单元，用于测试被测对象的磁场以输出第一电压信号；

放大单元，连接所述磁场传感单元，用于放大所述第一电压信号，并输出第二电压信号；

电场传感单元，连接所述放大单元，将所述放大单元输出的所述第二电压信号作为偏置电压，并用于测试所述被测对象产生的电场以输出第三电压信号；

处理单元，连接所述电场传感单元，用于对所述第三电压信号进行处理，获得所述被测对象的功率

；

其中，所述第三电压信号为根据所述被测对象的电场强度和如下表达式确定的：

其中，u ₃ 表示所述第三电压信号；u ₂ 表示所述第二电压信号，与I呈关联关系；c表示所述电场传感单元的感应因数，即在单位供电电压下所述电场传感单元的输出电压与所述被测对象的实际电场强度的比值；U表示所述被测对象的电压；d ₂ 表示所述电场传感单元与所述被测对象的距离，k为所述第三电压信号与所述被测对象的功率的特性关系的描述参数，且所述k通过所述功率测量电路预先校准的方式获得，I表示所述被测对象的电流。

2.根据权利要求1所述的功率测量电路，其特征在于，所述磁场传感单元为TMR芯片或GMR芯片。

3.根据权利要求1或2所述的功率测量电路，其特征在于，所述电场传感单元为MEMS电场敏感芯片。

4.根据权利要求1所述的功率测量电路，其特征在于，所述处理单元包括：

模数转换器，用于对所述第三电压信号进行模数转换，输出功率数字信号；

微控制单元，用于对所述功率数字信号进行处理，获得所述被测对象的功率。

5.根据权利要求4所述的功率测量电路，其特征在于，所述微控制单元连接所述放大单元，用于调整所述放大单元的放大倍数。

6.根据权利要求4所述的功率测量电路，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元连接所述微控制单元，用于显示所述被测对象的功率。

7.根据权利要求4至6之一 所述的功率测量电路，其特征在于，所述微控制单元还用于连接外部终端，并用于向所述外部终端传输通信信号，所述通信信号用于指示所述外部终端显示所述被测对象的功率。

8.根据权利要求7所述的功率测量电路，其特征在于，所述通信信号为蓝牙通信信号。

9.根据权利要求1所述的功率测量电路，其特征在于，包括电源单元；所述电源单元连接所述磁场传感单元、所述放大单元以及所述处理单元；所述电源单元用于向所述磁场传感单元、所述放大单元以及所述处理单元供电。

10.一种功率测量方法，其特征在于，包括：

采用磁场传感单元，测试被测对象的磁场并输出第一电压信号；

对所述第一电压信号进行放大，获得第二电压信号；

将第二电压信号作为电场传感单元的偏置电压，通过所述电场传感单元测试所述被测对象的电场以输出第三电压信号；

对所述第三电压信号进行处理，获得所述被测对象的功率

；

其中，所述第三电压信号为根据所述被测对象的电场强度和如下表达式确定的：

其中，u ₃ 表示所述第三电压信号；u ₂ 表示所述第二电压信号，与I呈关联关系；c表示所述电场传感单元的感应因数，即在单位供电电压下所述电场传感单元的输出电压与所述被测对象的实际电场强度的比值；U表示所述被测对象的电压；d ₂ 表示所述电场传感单元与所述被测对象的距离，k为所述第三电压信号与所述被测对象的功率的特性关系的描述参数，且所述k通过所述功率测量电路预先校准的方式获得，I表示所述被测对象的电流。

11.一种功率测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的功率测量电路。

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