CN113687289B - 一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电压传感器校准技术领域，具体涉及一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法及系统。校准系统包括若干个分压电容、信号处理电路、微处理器；微型电压传感器模块的参数确定时，通过电容分压方式得到耦合输出电压，耦合输出电压只与微型电压传感器模块距离输电线高度和距离地面高度有关，微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数为，信号处理电路处理信号的函数关系为，微处理器处理信号处理电路的输出电压的函数关系，则微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系为：，基于函数关系，只要测得微型电压传感器模块距离输电线和地面的高度、，即可实现微型电压传感器的测量及自校准。本发明测量误差小，测量范围大。

Description

一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法及系统
技术领域
本发明属于电压传感器校准技术领域，具体涉及一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法及系统。
背景技术
电压传感器广泛应用于电力系统中输电、变电、配电等各个环节，为计量、测控和继电保护装置提供准确、可靠的信号。针对智能电网和数字电网的发展需求，目前应用的传统电压互感器因传感机理而呈现出自身不可克服的问题，例如，磁饱和、铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小，并且还存在体积大、功耗高、绝缘成本高、造价昂贵等局限，不利于在电网建设中大规模应用，难于适应电力物联网的广泛应用。因此，现阶段对于低功耗、微型化的非接触式电压传感器有着越来越迫切的需求。其次，当微型电压传感器广泛应用于电力系统时，针对不同的测量场景和测量环境，对微型电压传感器的校准也面临着重大挑战。然而目前还未有一种针对微型化的非接触式电压传感器的测量和校准方法。
因此，本发明针对电力物联网应用以及智能电网发展的实际需求，提出一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种非接触式电压传感器的测量及自校准方法及系统。本发明的具体技术方案如下：
一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，包括以下步骤：
S1：对微型电压传感器模块的耦合输出电压与微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度之间的关系进行建模，得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系，其中，该函数关系的可变参量为微型电压传感器模块与输电线和地面之间的距离；
S2：微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，即耦合输出电压，并通过信号处理电路得到相应的输出电压；其中，基于微型电压传感器模块的测量原理和信号处理电路的确定，从而可得到信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系；
S3：基于所述待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系和信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系，可得到信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系；
S4：采用微处理器对信号处理电路的输出电压进行处理得到微处理器输出电压，进而得到微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系，基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系，进而得到微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系；
S5：基于步骤S4得到的微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系，当微型电压传感器模块用于实际测量时，只需测得微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度即可实现微型电压传感器的测量及自校准。
优选地，所述步骤S1中微型电压传感器模块通过电容分压的方式得到耦合输出电压，其中，耦合输出电压形成相应的电场，微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，并通过信号处理电路得到相应的输出电压。
优选地，所述步骤S1中微型电压传感器模块的参数确定时，其通过电容分压方式得到的耦合输出电压只与其距离输电线高度h1和距离地面高度h2有关，进而得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系uo＝f1(h1,h2)·uin；其中，uin表示待测输电线电压，表示uo耦合输出电压，f1(h1,h2)表示微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数。
优选地，所述步骤S2中耦合输出电压通过信号处理电路得到相应的输出电压，信号处理电路的输出电压和耦合输出电压的函数关系信号处理电路的处理原理得到：uout＝f2·uo；其中，uout表示信号处理电路输出电压，f2表示信号处理电路处理信号的函数关系。
优选地，所述步骤S3中信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系具体为：uout＝f2·f1(h1,h2)·uin。
优选地，所述步骤S4中微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系为UO＝f3·uout，UO为微处理器输出电压，f3为微处理器处理信号处理电路的输出电压的函数关系；微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系为：UO＝f3·f2·f1(h1,h2)uin。
优选地，基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin，只要测得微型电压传感器模块距离输电线和地面的高度h1、h2，即可实现微型电压传感器的测量及自校准。
优选地，当微型电压传感器模块的测量场景和测量环境发生变化时，可通过调整和修正函数关系来实现微型电压传感器的测量及自校准。
一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准系统，包括分压电容、信号处理电路、微处理器；所述分压电容包含若干个，若干个所述分压电容串联，串联的若干个分压电容的输入端与输电线路连接，串联的若干个分压电容的输出端接地；微型电压传感器模块的输入端与某个分压电容的输出端连接，微型电压传感器模块的输出端与信号处理电路的输入端连接；信号处理电路的输出端与微处理器的输入端连接。
本发明的有益效果为：本发明提供一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法及系统，利用建模和理论分析的方法确定传感器系统输出电压与待测输电线电压之间的函数关系，再通过确定微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度，来实现微型电压传感器的测量及自校准。另外，当微型电压传感器模块应用于不同测量场景和测量环境时，通过修正关系函数即可实现微型电压传感器的测量及自校准。本校准方法通过函数关系来进行自校准，简单便捷，测量误差小，测量范围大，局限性小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的原理示意图。
具体实施方式
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明实施例提出一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，该校准方法利用建模和理论分析的方法确定传感器系统输出电压与待测输电线电压之间的函数关系，再通过确定微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度，来实现微型电压传感器的测量及自校准。另外，当微型电压传感器模块应用于不同测量场景和测量环境时，通过修正关系函数即可实现微型电压传感器的测量及自校准。下面通过具体实施例进行。
如图1所示，一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，包括以下步骤：
S1：对微型电压传感器模块的耦合输出电压与微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度之间的关系进行建模，得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系，其中，该函数关系的可变参量为微型电压传感器模块与输电线和地面之间的距离。
微型电压传感器模块通过电容分压的方式得到耦合输出电压，其中，耦合输出电压形成相应的电场，微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，并通过信号处理电路得到相应的输出电压。
微型电压传感器模块的参数确定时，其通过电容分压方式得到的耦合输出电压只与其距离输电线高度h1和距离地面高度h2有关，可利用系统辨识或者理论分析等方法通过建模进而得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系uo＝f1(h1,h2)·uin；其中，uin表示待测输电线电压，表示uo耦合输出电压，f1(h1,h2)表示微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数。
S2：微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，即耦合输出电压，并通过信号处理电路得到相应的输出电压；其中，基于微型电压传感器模块的测量原理和信号处理电路的确定，从而可得到信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系。
耦合输出电压通过信号处理电路得到相应的输出电压，信号处理电路的输出电压和耦合输出电压的函数关系信号处理电路的处理原理得到：uout＝f2·uo；其中，uout表示信号处理电路输出电压，f2表示信号处理电路处理信号的函数关系。
S3：基于所述待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系和信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系，可得到信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系。信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系具体为：uout＝f2·f1(h1,h2)·uin。
S4：采用微处理器对信号处理电路的输出电压进行处理得到微处理器输出电压，进而得到微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系，基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系，进而得到微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系。微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系为UO＝f3·uout，UO为微处理器输出电压，f3为微处理器处理信号处理电路的输出电压的函数关系；微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系为：UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin。
S5：基于步骤S4得到的微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系，当微型电压传感器模块用于实际测量时，只需测得微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度即可实现微型电压传感器的测量及自校准。具体为：基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin，只要测得微型电压传感器模块距离输电线和地面的高度h1、h2，即可实现微型电压传感器的测量及自校准。当微型电压传感器模块的测量场景和测量环境发生变化时，可通过调整和修正函数关系来实现微型电压传感器的测量及自校准。
一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准系统，包括分压电容、信号处理电路、微处理器；所述分压电容包含若干个，若干个所述分压电容串联，串联的若干个分压电容的输入端与输电线路连接，串联的若干个分压电容的输出端接地；微型电压传感器模块的输入端与某个分压电容的输出端连接，微型电压传感器模块的输出端与信号处理电路的输入端连接；信号处理电路的输出端与微处理器的输入端连接。
本发明提供的非接触式微型电压传感器的测量及自校准系统，微型电压传感器模块的参数确定时，通过电容分压方式得到耦合输出电压，耦合输出电压只与微型电压传感器模块距离输电线高度h1和距离地面高度h2有关，微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数为f1(h1,h2)，信号处理电路处理信号的函数关系为f2，微处理器处理信号处理电路的输出电压的函数关系f3，则微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系为：UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin，基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin，只要测得微型电压传感器模块距离输电线和地面的高度h1、h2，即可实现微型电压传感器的测量及自校准。当微型电压传感器模块的测量场景和测量环境发生变化时，可通过调整和修正函数关系来实现微型电压传感器的测量及自校准。如此采用非接触的方式对微型电压传感器进行测量及自校准，简单便捷，测量误差小，测量范围大，局限性小。
本实施例提供的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，通过确定微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系来实现微型电压传感器的测量及自校准，简单便捷，测量误差小，测量范围大，局限性小。本发明有利于微型电压传感器在电力物联网以及智能电网中的广泛应用，为传感器的测量及自校准方法提供建议和思路。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对微型电压传感器模块的耦合输出电压与微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度之间的关系进行建模，得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系，其中，该函数关系的可变参量为微型电压传感器模块分别与输电线和地面之间的高度；
S2：微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，即耦合输出电压，并通过信号处理电路得到相应的输出电压；其中，基于微型电压传感器模块的测量原理和确定的信号处理电路，从而得到信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系；
S3：基于所述待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系以及信号处理电路输出电压和耦合输出电压的函数关系，得到信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系；
S4：采用微处理器对信号处理电路的输出电压进行处理得到微处理器输出电压，进而得到微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系，基于信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系，进而得到微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系；
S5：基于步骤S4得到的微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系，当微型电压传感器模块用于实际测量时，只需测得微型电压传感器模块距离地面和输电线的高度即可实现微型电压传感器的测量及自校准。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：所述步骤S1中微型电压传感器模块通过电容分压的方式得到耦合输出电压，其中，待测输电线电压形成相应的电场，微型电压传感器模块依据不同的测量原理输出对应的电信号，并通过信号处理电路得到相应的输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：所述步骤S1中微型电压传感器模块的参数确定时，微型电压传感器模块通过电容分压方式得到的耦合输出电压只与微型电压传感器模块距离输电线的高度h1和距离地面的高度h2有关，进而得到待测输电线电压和耦合输出电压之间的函数关系uo＝f1(h1,h2)·uin；其中，uin表示待测输电线电压，uo表示耦合输出电压，f1(h1,h2)表示微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数。
4.根据权利要求3所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：所述步骤S2中耦合输出电压通过信号处理电路得到相应的输出电压，信号处理电路的输出电压和耦合输出电压的函数关系基于信号处理电路的处理原理得到：uout＝f2·uo；其中，uout表示信号处理电路输出电压，f2表示信号处理电路处理信号的函数关系。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：所述步骤S3中信号处理电路输出电压和待测输电线电压之间的函数关系具体为：uout＝f2·f1(h1,h2)·uin。
6.根据权利要求5所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：所述步骤S4中微处理器输出电压与信号处理电路的输出电压的关系为UO＝f3·uout，UO为微处理器输出电压，f3为微处理器处理信号处理电路的输出电压的函数关系；微处理器输出电压与待测输电线电压之间的函数关系为：UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin。
7.根据权利要求6所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：基于微处理器输出电压和待测输电线电压之间的函数关系UO＝f3·f2·f1(h1,h2)·uin，只要测得微型电压传感器模块距离输电线和地面的高度h1、h2，即可实现微型电压传感器的测量及自校准。
8.根据权利要求3所述的一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准方法，其特征在于：当微型电压传感器模块的测量场景和测量环境发生变化时，通过调整和修正微型电压传感器模块所处位置的分压耦合关系函数f1(h1,h2)来实现微型电压传感器的测量及自校准。
9.一种非接触式微型电压传感器的测量及自校准系统，其特征在于：采用权利要求1-8任一所述的方法来进行非接触式微型电压传感器的测量及自校准，包括分压电容、信号处理电路、微处理器；所述分压电容数量为若干个，若干个所述分压电容串联，串联的若干个分压电容的输入端与输电线连接，串联的若干个分压电容的输出端接地；微型电压传感器模块的输入端与某个分压电容的输出端连接，微型电压传感器模块的输出端与信号处理电路的输入端连接；信号处理电路的输出端与微处理器的输入端连接。
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