CN112666374A - 一种电压测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压测量系统，包括光源模块、电压互感器、光电转换模块及处理模块，其中，电压互感器由压电陶瓷和光栅构成。本申请中以光源模块发出的光作为载体传输信号，实现了电网中的光电隔离，提高了电压信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性。

Description

一种电压测量系统

技术领域

本发明涉及测量领域，特别是涉及一种电压测量系统。

背景技术

电网电压的实时测量对于电网的保护、线路故障监测和测量都具有重要的意义，现有技术中，通常使用由多个电阻构成的电压互感器对电网的高压电进行实时测量，但是使用电阻构成的电压互感器测量电网电压时，容易受到电磁干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种电压测量系统，实现了电网中的光电隔离，提高了电压信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电压测量系统，包括：

光源模块，用于输出第一光信号；

输入端与所述光源模块的输出端连接的电压互感器，用于基于所述第一光信号对待测电压进行测量，并输出携带所述待测电压的第二光信号；

输入端与所述电压互感器的输出端连接的光电转换模块，用于将所述第二光信号由光信号转换为电信号，得到携带所述待测电压的电信号；

输入端与所述光电转换模块的输出端连接的处理模块，用于基于携带所述待测电压的电信号得到所述待测电压的强度。

优选地，所述电压互感器包括依次连接的第一光环形器、第一光栅、第一压电陶瓷、第二光环形器、第二光栅及第二压电陶瓷，还包括分别设置于所述第二压电陶瓷的两端的输入电极及输出电极；所述第一光环形器的输入端作为所述电压互感器的输入端，所述第二光环形器的输出端作为所述电压互感器的输出端。

优选地，所述电极为银电极。

优选地，所述第一光栅及所述第二光栅为布拉格反射型光栅。

优选地，所述第i光栅与所述第i压电陶瓷之间直接粘接，i为1或2。

优选地，携带所述待测电压的第二光信号为：

其中，MPD(γ)为携带所述外加电压的信息的第二光信号，k为所述第一光信号传输过程中光强损失的比率，aa和bb分别为所述第一光信号的波长范围的下限和上限，γ为aa与bb之间的某一数值，S(γ_B)为所述光源模块的出射频谱，γ_B为第一光信号出射时的波长，F₁(γ)为所述第一光栅的反射率，F₂(γ)为所述第二光栅的反射率。

优选地，所述处理模块具体用于基于携带所述待测电压的电信号及第一关系式和第二关系式得到所述待测电压的强度；

其中，所述第一关系式为：

其中，MPD(γ)为携带所述待测电压的第二光信号，I_peak为所述光源模块的峰值功率，γ₀为所述第一光信号的中心波长，Δγ₀为所述第二光栅的半峰值全脉宽，R₀为所述第一光栅和所述第二光栅中的最大反射率；

所述第二关系式为：

其中，Δγ₁为所述第一光栅的半峰值全脉宽，Δγ₂为所述第二光栅的半峰值全脉宽，γ₁为所述第一光栅的中心波长，ΔU为所述待测电压。

优选地，还包括：

模数转换模块，用于将所述待测电压的强度由模拟量转换为数字量；

信号显示模块，用于将数字量的所述待测电压的强度显示出来。

优选地，还包括：

输入端与所述电压互感器连接，输出端与所述光电转换模块连接的滤波模块，用于对携带所述待测电压的电信号进行滤波处理。

本发明提供了一种电压测量系统，包括光源模块、电压互感器、光电转换模块及处理模块，其中，电压互感器由压电陶瓷和光栅构成。本申请中以光源模块发出的光作为载体传输信号，实现了电网中的光电隔离，提高了电压信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为本发明提供的一种电压测量系统的结构框图；

图2为本发明提供的一种电压互感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电压测量系统，实现了电网中的光电隔离，提高了电压信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种电压测量系统的结构框图，该系统包括：

光源模块1，用于输出第一光信号；

输入端与光源模块1的输出端连接的电压互感器2，用于基于第一光信号对待测电压进行测量，并输出携带待测电压的第二光信号；

输入端与电压互感器2的输出端连接的光电转换模块3，用于将第二光信号由光信号转换为电信号，得到携带待测电压的电信号；

输入端与光电转换模块3的输出端连接的处理模块4，用于基于携带待测电压的电信号得到待测电压的强度。

电网电压的实时测量对于系统保护、线路检测故障及测量具有重要的意义，电网中常用的电压互感器2由电阻构成，对于电网中的高电压的测量通常需要使用几顿重的电阻构成的电压互感器2，从而造成电压互感器2的体积和重量较大。此外，使用电阻构成的电压互感器2测量电网电压时，容易产生电磁干扰，一旦发生故障，有爆炸的危险，对电网的安全性造成威胁。

为解决上述技术问题，本申请的设计思路为提供一种电压测量电路，使用光为传输信号的载体，由于光纤的绝缘性较好，从而可以避免产生电磁干扰。

基于此，本申请中的电压测量系统包括光源模块1、电压互感器2、光电转换模块3及处理模块4。具体地，光电转换模块3输出第一光信号，此第一光信号即为电压测量系统中传输信号的载体；电网中的待测电压输入至电压传感器，电压传感器基于第一光信号及待测电压输出第二光信号，其中，第二光信号为携带待测电压的光信号；然后光电转换模块3将第二光信号由光信号转换为电信号，处理模块4针对电信号进行计算出待测电压的强度。

需要说明的是，本申请中的光源模块1可以但不限于为宽带激光光源，输出的第一光信号为一定波长范围内的激光，通过传输光纤将第一光信号输入至电压互感器2中，具有不需要使用昂贵的解调仪器(如光谱仪)等仪器，且响应频带远超出光谱仪等可调解的范围，在50Hz-20kHz内均可以进行有效的电压响应，且响应速度快，适用于工程测量。由于本申请中利用光信号对待测电压进行测量，因此，本申请中的电压互感器2使用包括压电陶瓷及光栅，压电陶瓷在待测电压的作用下产生形变进而使光栅发生形变，从而光栅输出的第以光信号的中心波长发生变化，从使输出光强发生变化，生成第二光信号。

综上，本申请中以光源模块1发出的光作为载体传输信号，实现了电网中的光电隔离，提高了电压信号传输过程中的抗电磁干扰的能力，提高了电网的建设性。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，电压互感器2包括依次连接的第一光环形器、第一光栅、第二光环形器、第二光栅及分别与第一光栅及第二光栅连接的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，还包括分别设置于第二压电陶瓷的两端的输入电极及输出电极；第一光环形器的输入端作为电压互感器2的输入端，第二光环形器的输出端作为电压互感器2的输出端。

具体地，本实施例旨在提供一种电压互感器2的具体结构，请参照图2，图2为本发明提供的一种电压互感器的结构示意图，电压互感器2包括沿光路依次设置的依次设置的第一光环形器01、第一光栅GA、第一压电陶瓷PA、第二光环形器02、第二光栅GA及第二压电陶瓷PA，具体地，光源模块1的输出端将第一光信号传输至第一光环形器01的输入端，之后传输至第一光栅GA，第一光栅GA将第一光信号反射至第一光环形器01的输出端并进入至第二光环形器02，其后，第一光信号进入到第二光栅GB，与第二光栅GB连接的第二压电陶瓷PB在待测电压的作用下发生形变(待测电压通过输入电极及输出电压作用于第二压电陶瓷PB上)，从而引起第二光栅GB发生形变并使第一光信号的中心波长发生变化，从而使得输出光强发生变化，得到携带待测电压的第二光信号，第二光栅GB将第二光信号反射至第二光环形器02的输出端，并通过输出端传输至光电转换模块3。

此外，本实施例可以选用压电陶瓷系数较大的压电陶瓷与光栅共同使用，从而获得较高灵敏度的电压互感器2。本申请中的单个压电陶瓷的外径、内径及厚度的尺寸可以但不限于为20mm、15mm及10mm，本申请在此不做特别的限定。

可见，本实施例提供的电压互感器2可以实现对待测电压进行测量的功能，且本申请中的电压互感器2的结构较小，也即电压互感器2的尺寸和重量相对于电阻构成的电压互感器2而言，尺寸和重量均较小，且不容易受到外界的电磁干扰，优化了电压互感器2的结构，且此电压互感器2对被测环境的影响较小。

作为一种优选的实施例，输入电极及输出电极均为银电极。

本实施例中的输入电极及输出电压可以但不限于为银电极，其中，银可以实现导电的功能，且银的导电性较高。

当然，本申请中的输入电极和输出电极的材料不限于银电极，也可以为其它具有导电功能的材料，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，第一光栅及第二光栅为布拉格反射型光栅。

本实施例中，电压互感器2中的第一光栅GA及第二光栅GB可以但不限于为布拉格反射型光栅，具体地，布拉格反射型光栅可以根据第二压电陶瓷PB的形变使自身发生形变并使光对应的中心波长发生变化，并将中心波长发生变化的光信号传输至后端的光电转换模块3及处理模块4，以使其根据发生变化的中心波长计算出待测电压的强度。

当然，本申请中的第一光栅和第二光栅的类型不限于上述举例，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，第i光栅与第i压电陶瓷之间直接粘接，i为1或2。

具体地，本申请中的第二光栅GB是在第二压电陶瓷PB产生形变时自身也产生形变，本实施例中，将第一光栅GA与第一压电陶瓷PA直接粘接，将第二光栅GB及第二压电陶瓷PB直接粘接，从而在第二压电陶瓷PB在待测电压的作用下发生形变时，第二光栅GB能够准确的根据第二压电陶瓷PB形变产生形变并使对应的光信号的中心波长发生变化。可见，将第i光栅与第i压电陶瓷之间直接粘接，第i光栅可以准确地根据第i压电陶瓷的形变使对应的光信号的中心波长发生变化，提高了测量的准确性。

当然，本申请中第i光栅与第i压电陶瓷之间的连接方式不限于上述举例，也可以为其他的连接方式，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，携带待测电压的第二光信号为：

其中，MPD(γ)为携带外加电压的信息的第二光信号，k为第一光信号传输过程中光强损失的比率，aa和bb分别为第一光信号的波长范围的下限和上限，γ为aa与bb之间的某一数值，S(γ_B)为光源模块1的出射频谱，γ_B为第一光信号出射时的波长，F₁(γ)为第一光栅的反射率，F₂(γ)为第二光栅的反射率。

本实施例旨在提供一种计算第二光信号的具体实现方式，具体地，本申请根据第一光信号的波长、第一光信号在传输过程中光强的损失的比率、第一光信号的波长范围及波长及第一光栅和第二光栅的反射率计算出第二光信号的输出光强，便于后续基于第二光信号的输出光强对待测电压进行计算。

当然，本申请中计算第二光信号的方式不限于上述举例，也可以为其他的可以计算第二光信号的强度的方式，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，处理模块4具体用于基于携带待测电压的电信号及第一关系式和第二关系式得到待测电压的强度；

其中，第一关系式为：

其中，MPD(γ)为携带待测电压的第二光信号，I_peak为光源模块1的峰值功率，γ₀为第一光信号的中心波长，Δγ₀为第二光栅的半峰值全脉宽，R₀为第一光栅和第二光栅中的最大反射率；

第二关系式为：

其中，Δγ₁为第一光栅的半峰值全脉宽，Δγ₂为第二光栅的半峰值全脉宽，γ₁为第一光栅的中心波长，ΔU为待测电压。

本实施例旨在提供一种处理模块4计算待测电压的强度的具体方式，具体地，先通过第一关系式计算出第二光信号的强度，然后使用第二关系式计算出待测电压的强度，通过本实施例中的第一关系式和第二关系式可以计算出待测电压，且计算方式简单易于实现。

当然，本申请中计算待测电压强度的方式不限于上述举例，还可以为其他的能够计算待测电压的强度的方式，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

模数转换模块，用于将待测电压的强度由模拟量转换为数字量；

信号显示模块，用于将数字量的待测电压的强度显示出来。

考虑到处理模块4计算出来的待测电压可能为模拟量，此外，为了方便用户了解待测电压的强度，本申请还设置了模数转换模块及信号显示模块，首先模数转换模块先将处理模块4计算出的待测电压的强度有模拟量转换为数字量，然后将数字量的待测电压在信号显示模块上显示出来，这里的信号显示模块可以为示波器，当然，也可以为其它的信号显示模块，只要是能满足显示数字量的待测电压的强度的信号显示模块即可。

作为一种优选的实施例，还包括：

输入端与电压互感器2连接，输出端与光电转换模块3连接的滤波模块，用于对携带待测电压的电信号进行滤波处理。

考虑到电网输出的信号中可能会存在高频或者高压信号，若直接将待测电压的电信号传输至光电转换模块3，则可能会由于杂波的影响使后端对待测电压的测量及计算不准确。为解决上述技术问题，本申请在电压互感器2和滤波模块之间还设置了滤波模块，用于滤除传输过程中的高频信号，进而保证对待测电压测量的准确性，进一步保障了电网的安全运行。

本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。

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，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电压测量系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于输出第一光信号；

输入端与所述光源模块的输出端连接的电压互感器，用于基于所述第一光信号对待测电压进行测量，并输出携带所述待测电压的第二光信号；

输入端与所述电压互感器的输出端连接的光电转换模块，用于将所述第二光信号由光信号转换为电信号，得到携带所述待测电压的电信号；

输入端与所述光电转换模块的输出端连接的处理模块，用于基于携带所述待测电压的电信号得到所述待测电压的强度。

2.如权利要求1所述的电压测量系统，其特征在于，所述电压互感器包括依次连接的第一光环形器、第一光栅、第一压电陶瓷、第二光环形器、第二光栅及第二压电陶瓷，还包括分别设置于所述第二压电陶瓷的两端的输入电极及输出电极；所述第一光环形器的输入端作为所述电压互感器的输入端，所述第二光环形器的输出端作为所述电压互感器的输出端。

3.如权利要求2所述的电压测量系统，其特征在于，所述电极为银电极。

4.如权利要求2所述的电压测量系统，其特征在于，所述第一光栅及所述第二光栅为布拉格反射型光栅。

5.如权利要求2所述的电压测量系统，其特征在于，所述第i光栅与所述第i压电陶瓷之间直接粘接，i为1或2。

6.如权利要求2所述的电压测量系统，其特征在于，携带所述待测电压的第二光信号为：

其中，MPD(γ)为携带所述外加电压的信息的第二光信号，k为所述第一光信号传输过程中光强损失的比率，aa和bb分别为所述第一光信号的波长范围的下限和上限，γ为aa与bb之间的某一数值，S(γ_B)为所述光源模块的出射频谱，γ_B为第一光信号出射时的波长，F₁(γ)为所述第一光栅的反射率，F₂(γ)为所述第二光栅的反射率。

7.如权利要求2所述的电压测量系统，其特征在于，所述处理模块具体用于基于携带所述待测电压的电信号及第一关系式和第二关系式得到所述待测电压的强度；

其中，所述第一关系式为：

其中，MPD(γ)为携带所述待测电压的第二光信号，I_peak为所述光源模块的峰值功率，γ₀为所述第一光信号的中心波长，Δγ₀为所述第二光栅的半峰值全脉宽，R₀为所述第一光栅和所述第二光栅中的最大反射率；

所述第二关系式为：

其中，Δγ₁为所述第一光栅的半峰值全脉宽，Δγ₂为所述第二光栅的半峰值全脉宽，γ₁为所述第一光栅的中心波长，ΔU为所述待测电压。

8.如权利要求1-7任一项所述的电压测量系统，其特征在于，还包括：

模数转换模块，用于将所述待测电压的强度由模拟量转换为数字量；

信号显示模块，用于将数字量的所述待测电压的强度显示出来。

9.如权利要求1-7任一项所述的电压测量系统，其特征在于，还包括：

输入端与所述电压互感器连接，输出端与所述光电转换模块连接的滤波模块，用于对携带所述待测电压的电信号进行滤波处理。

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