CN114236212A - 电压测量方法、电压测量电路及设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电压测量方法、电压测量电路及设备，通过第一耦合器件以及第二耦合器件，将待测导体电气耦合接入电压测量电路，通过可调参考信号源分别为电压测量电路提供电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号。最终，根据不同工作状态下的第一电流值、第二电流值以及第三电流值进行分析，得到待测导体的电压。上述方案，电压测量电路体积小，不存在电磁式电压互感器所暴露的缺陷，并且整个测量过程无需破坏待测导体的绝缘，电压测量电路的安装、使用及拆除无需停电操作。因此，可以以较低的人力成本布设大量的测量点，且不受线路绝缘影响测量过程，具有较强的测量可靠性。

Description

电压测量方法、电压测量电路及设备

技术领域

本申请涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种电压测量方法、电压测量电路及设备。

背景技术

电压测量在电力系统应用广泛，如继电保护、电能计量、智能设备的控制以及在线监测过电压等领域。电压测量的准确性、可靠性、便利性和快速性关乎电能计量、继电保护、电力系统监测诊断、电力系统故障分析等的可靠实施。目前，电力系统中使用最普遍的电压测量装置就是电磁式电压互感器。

然而，随着国家经济的快速发展和电力系统方面的科技进步，电力生产及容量传输都大幅提升，电网的运行电压等级也在逐步提高，使得电磁式电压互感器的缺陷渐渐的暴露出来。一方面，电磁式电压互感器存在体积笨重、价格昂贵、短路有爆炸危险、在使用时必须防止铁芯饱和、只能测量交流信号、频率低以及无法测量高频信号等缺点。

另一方面，需要采集电网某点电压数据时，大多采用停电施工，在线路上挂接电磁式电压互感器，获取所需的电压信息。电磁式电压互感器在安装的时候，要求将线路金属部分引出，再接入电磁式电压互感器进行电压测量。但在进行实际电压测量时，较多复杂的环境中经常会遇到无法剥离绝缘层，或是不便破坏绝缘的情况。因此，传统的电压测量方案的测量可靠性较差。

发明内容

基于此，有必要针对传统的电压测量方案测量可靠性差的问题，提供一种电压测量方法、电压测量电路及设备。

一种电压测量电路，包括：第一耦合器件；第二耦合器件，用于与第一耦合器件一起将待测导体耦合接入所述电压测量电路；可调参考信号源，连接所述第一耦合器件，用于分别向所述电压测量电路输出电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号，所述第一参考电压信号、所述第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同；分压器件，连接所述可调参考信号源；处理装置，连接所述分压器件和所述第二耦合器件，用于根据待测导体的电压单独存在时，流经所述电压测量电路的第一电流值，所述第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经所述电压测量电路的第二电流值，以及所述第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经所述电压测量电路的第三电流值，得到待测导体的电压。

在一个实施例中，所述分压器件为分压电容。

在一个实施例中，所述处理装置包括电流采集器和处理器，所述电流采集器连接所述分压器件和所述第二耦合器件，所述处理器连接所述电流采集器。

在一个实施例中，所述第一耦合器件和所述第二耦合器件均为金属板。

在一个实施例中，当所述电压测量电路用于测量相电压时，所述第一耦合器件贴附于待测相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于零线的外表面；当所述电压测量电路用于测量任意两相之间的线电压时，所述第一耦合器件贴附于第一相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于第二相线的外表面；当所述电压测量电路用于测量开关柜、配电房或变压器的带电导体的电压时，所述第一耦合器件贴附于带电导体的外表面，所述第二耦合器件接地。

一种基于上述电压测量电路的电压测量方法，包括：获取待测导体的电压单独作用于所述电压测量电路时，流经所述电压测量电路的第一电流值；当所述可调参考信号源输出第一参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于所述电压测量电路时，获取流经所述电压测量电路的第二电流值；当所述可调参考信号源输出第二参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于所述电压测量电路时，获取流经所述电压测量电路的第三电流值；所述第一参考电压信号、所述第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，所述第一参考电压信号和第二参考电压信号的电压幅值相同、相位相差180°；根据所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，得到待测导体的电压。

在一个实施例中，所述根据所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，得到待测导体的电压的步骤，包括：根据所述第一电流值、所述第二电流值、所述第三电流值、所述第一参考电压信号的电压幅值以及预设电压计算模型进行分析，得到待测导体的电压。

在一个实施例中，所述预设电压计算模型为：

其中，I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值，Ur为第一参考电压信号的电压幅值，Us为待测导体的电压。

在一个实施例中，所述第一参考电压信号和所述第二参考电压信号通过脉冲宽度调制移相的方式生成。

一种电压测量设备，包括屏蔽罩和上述的电压测量电路，所述可调参考信号源、所述分压器件和所述处理装置设置于所述屏蔽罩的内部，所述处理装置用于根据上述的电压测量方法进行待测导体的电压测量。

上述电压测量方法、电压测量电路及设备，通过第一耦合器件以及第二耦合器件，将待测导体电气耦合接入电压测量电路，通过可调参考信号源分别为电压测量电路提供电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号。最终，根据待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第一电流值、第一参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值以及第二参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值进行分析，得到待测导体的电压。上述方案，电压测量电路体积小，不存在电磁式电压互感器所暴露的缺陷，并且整个测量过程无需破坏待测导体的绝缘，电压测量电路的安装、使用及拆除无需停电操作。因此，可以以较低的人力成本布设大量的测量点，且不受线路绝缘影响测量过程，具有较强的测量可靠性。

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为一实施例中电压测量电路结构示意图；

图2为一实施例中电压测量电路等效结构示意图；

图3为一实施例中待测导体的电压单独作用时等效电路示意图；

图4为一实施例中第一参考电压信号作用时等效电路示意图；

图5为一实施例中第一参考电压信号作用时电压向量示意图；

图6为一实施例中第二参考电压信号作用时等效电路示意图；

图7为一实施例中第二参考电压信号作用时电压向量示意图；

图8为一实施例中电压测量电路电气耦合示意图；

图9为一实施例中合成电动势向量示意图；

图10为一实施例中电压测量方法流程示意图。

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较佳的实施例。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对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

请参阅图1，一种电压测量电路，包括：第一耦合器件10；第二耦合器件20，用于与第一耦合器件10一起将待测导体耦合接入电压测量电路；可调参考信号源30，连接第一耦合器件10，用于分别向电压测量电路输出电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号，第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同；分压器件40，连接可调参考信号源30；处理装置50，连接分压器件40和第二耦合器件20，用于根据待测导体的电压单独存在时，流经电压测量电路的第一电流值，第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经电压测量电路的第二电流值，以及第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经电压测量电路的第三电流值，得到待测导体的电压。

具体地，本实施例中所提供的电压测量电路，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体电气耦合接入，形成一个等效闭合回路。耦合接入指的是在接入待测导体的过程中，耦合器件与待测导体之间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)，并不需要将待测导体的外部绝缘层剥离，此时耦合器件通过寄生电容和待测导体形成电气耦合，待测导体与耦合器件之间将会形成耦合电容，从而实现一种非侵入式的电压测量方案。

可以理解，在实际测量过程中，第一耦合器件10与第二耦合器件20将待测导体耦合接入的方式并不是唯一的。在一个实施例中，可以是第一耦合器件10、第二耦合器件20均与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10与第二耦合器件20均未直接接触待测导体。在另一个实施例中，还可以是第一耦合器件10与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10未直接接触待测导体，而第二耦合器件20则连接至地线等。在实际测量过程中，应该结合所需要测量的电压类型进行不同的选择。

可调参考信号源30即为频率可调的电压信号源，根据待测导体的电压频率不同，可调参考信号源30能够通过调节输出与待测导体的电压频率一致的参考信号，进而在参考信号的作用下实现电压测量操作。当待测导体通过第一耦合器件10和第二耦合器件20接入时，可结合参阅图2所示等效电路，第一耦合器件10与待测导体之间形成第一耦合电容C1，而第二耦合器件20与零线(或其它相线等)形成第二耦合电容C2。此时形成的等效闭合回路中，同时存在待测导体以及可调参考信号源30提供电压激励。

为了实现待测导体的电压测量，首先在仅有待测导体的电压作用于电压测量电路提供电压激励时，获取该测量电路的第一电流值，等效电路图请结合参阅图3，此时可将可调参考信号源30进行短路等处理，以使得整个电压测量电路仅有可调参考信号源30提供电压激励。之后可调参考信号源30分别输出第一参考电压信号和第二参考电压信号，具体可结合参阅图4，当可调参考信号源30输出第一参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第一参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差θ，具体可结合参阅图5，在向量图上，第一参考电压信号Ur和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转，角频率ωs的表达式为：ω_s＝2πf_s，其中fs为待测导体的电压频率。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第一参考电压信号下的参考电动势。

请结合参阅图6，当可调参考信号源30输出第二参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第二参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差180°-θ，具体可结合参阅图7，在向量图上，第二参考电压信号

和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第二参考电压信号下的参考电动势。

在第一参考电压信号和第二参考电压信号下，分别获取得到第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第二电流值，以及第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第三电流值。最终处理装置50结合第一电流值、第二电流值以及第三电流值进行分析，即可得到最终待测导体的电压。

可以理解，分压器件40的具体类型并不是唯一的，例如，在一个较为详细的实施例中，分压器件40为分压电容。本实施例的方案，为了与耦合器件和待测导体之间的耦合电容相匹配，对应的分压器件40也采用分压电容。在一个实施例中，分压电容远大于耦合器件与待测导体之间所形成的耦合电容，一般为纳法(nf)级别。可以理解，在其它实施例中，还可以是其它具有分压特性的器件或装置作为分压器件40，只要能够实现分压功能均可，例如采用电感或者电阻分压等。

进一步地，在一个实施例中，处理装置50包括电流采集器和处理器，电流采集器连接分压器件40和第二耦合器件20，处理器连接电流采集器。

具体地，由于在进行非接触式电压测量时，主要依据电压测量电路在信号源作用下的电流值进行分析，故为了便于得到各个状态下的电流值，本实施例的方案，将处理装置50分为电流采集器以及处理器两部分，其中电流采集器用于采集不同状态下流经电压测量电路的电流值，并发送至处理器进行分析处理，最终得到待测导体的电压。应当指出的是，电流采集器的具体类型并不是唯一的，只要是具备电流采集功能的器件均可，例如，在一个实施例中，电流采集器为电流传感器。

在一个实施例中，第一耦合器件10和第二耦合器件20均为金属板。

具体地，为了保证耦合器件与待测导体之间能够形成耦合电容，本实施例第一耦合器件10与第二耦合器件20均采用金属板的形式实现，在实际测量过程中，只需要通过夹钳等方式，将第一耦合器件10以及第二耦合器件20固定贴附于待测导体，即可实现电气耦合。

本申请所提供的电压测量电路，不仅可实现输电线的电压测量，还可以实现开关柜、配电房、变压器等内部的带电导体测量，根据测量对象的不同，第一耦合器件10以及第二耦合器件20的耦合方式也会有所区别。在一个实施例中，当电压测量电路用于测量相电压时，第一耦合器件10贴附于待测相线的外表面，第二耦合器件20贴附于零线的外表面；当电压测量电路用于测量任意两相之间的线电压时，第一耦合器件10贴附于第一相线的外表面，第二耦合器件20贴附于第二相线的外表面；当电压测量电路用于测量开关柜、配电房或变压器的带电导体的电压时，第一耦合器件10贴附于带电导体的外表面，第二耦合器件20接地。

具体地，当电压测量电路用于测量任一相线的相电压时，考虑到零线的电位通常为0，因此，从电路的角度出发，当第一耦合器件10以及第二耦合器件20分别接入时，可结合参阅图8，可调参考信号源30、分压器件40和处理装置40设置于屏蔽罩60的内部，可直接将第一耦合器件10贴附于待测相线的外表面，第二耦合器件20贴附于零线的外表面。而当需要进行线电压的测量时，则需要同时将第一耦合器件10以及第二耦合器件20贴附于两相线的外表面，才能测量得到这两相线之间的线电压。至于开关柜、配电房或变压器的带电导体的电压测量时，则只需要将第一耦合器件10与相应带电导体耦合，第二耦合器件20接地，使得电压测量电路通过大地形成闭合回路即可。

应当指出的是，处理装置50在根据第一电流值、第二电流值以及第三电流值，得到待测导体的电压时，具体包括：根据第一电流值、第二电流值、第三电流值、第一参考电压信号的电压幅值以及预设电压计算模型进行分析，得到待测导体的电压。预设电压计算模型表征各个电流值与待测导体的电压的对应关系。第一参考电压信号与第二参考电压信号电压幅值相同、电压频率相同，两者仅是相位相差180°，故第一参考电压信号的电压幅值也可以理解为第二参考电压信号的电压幅值。在进行电压测量时，电压测量电路只需检测得到第一电流值、第二电流值以及第三电流值，将第一电流值、第二电流值以及第三电流值代入预设电压计算模型，结合实时当前测量状态下第一参考电压信号的电压幅值进行计算，即可直接得到待测导体的电压。

在一个实施例中，电压计算模型为：

其中，I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值，Ur为第一参考电压信号的电压幅值，Us为待测导体的电压。

具体地，待测导体的电压和第一参考电压信号、第二参考电压信号的向量图如图9所示，其中，Us为待测导体的电压，Ur为第一参考电压信号，-Ur为第二参考电压信号，U₁为第一参考电压信号与待测导体的电压同时作用时的合成电动势，U₂为第二参考电压信号与待测导体的电压同时作用时的合成电动势。根据余弦定理，可以推导出合成电动势U₁、U₂，被测导体的电压Us和第一、第二参考电压信号之间的三角函数关系：

U₁ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU^r cos(180-θ)

U₂ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU^r cos(θ)

U₁ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

U₂ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

以待测导体为相线进行解释说明，假设第一耦合器件10与相线之间的第一耦合电容C1的等效阻抗为Z₁，第二耦合器件20与零线之间第二耦合电容C2的等效阻抗为Z₂，分压器件40的等效阻抗为Z₃，在三种情况下检测得到的电流可表示为：

其中，U₃为待测导体的电压单独存在时，电压测量电路的合成电动势，该值与Us相等。I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值。为了便于理解，另电压测量电路的阻抗和为K，也即K＝Z₁+Z₂+Z₃，将其代入上述电流表达式，即可得到：

U₁＝KI₂

U₂＝KI₃

U₃＝KI₁

结合上述三角函数关系式，可得到：

(KI₂)²＝U_s ²+U_r ²+2U_sU_r cos(θ)

(KI₃)²＝U_s ²+U_r ²+2U_sU_r cos(θ)

KI₁＝U_s(也即Us与U₃相等)

对上式进行进一步分析，相加可得到：

(KI₂)2+(KI₃)²＝2U_s ²+2U_r ²

进一步分析得到：

K²(I₂ ²+I₃ ²)＝2U_s ²+2U_r ².

最终，结合KI₁＝U_s，可得到

也即只需要得到Ur、I₁、I₂以及I₃的值，即可计算得到待测导体的电压Us。

上述电压测量电路，通过第一耦合器件10以及第二耦合器件20，将待测导体电气耦合接入电压测量电路，通过可调参考信号源30分别为电压测量电路提供电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号。最终，根据待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第一电流值、第一参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值以及第二参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值进行分析，得到待测导体的电压。上述方案，电压测量电路体积小，不存在电磁式电压互感器所暴露的缺陷，并且整个测量过程无需破坏待测导体的绝缘，电压测量电路的安装、使用及拆除无需停电操作。因此，可以以较低的人力成本布设大量的测量点，且不受线路绝缘影响测量过程，具有较强的测量可靠性。

请参阅图10，一种基于上述电压测量电路的电压测量方法，包括步骤S100、步骤S200、步骤S300和步骤S400。

步骤S100，获取待测导体的电压单独作用于电压测量电路时，流经电压测量电路的第一电流值；步骤S200，当可调参考信号源输出第一参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于电压测量电路时，获取流经电压测量电路的第二电流值；步骤S300，当可调参考信号源输出第二参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于电压测量电路时，获取流经电压测量电路的第三电流值；步骤S400，根据第一电流值、第二电流值和第三电流值，得到待测导体的电压。

具体地，电压测量电路的结构如上述各个实施例以及附图所示，第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，第一参考电压信号和第二参考电压信号的电压幅值相同、相位相差180°。本实施例中所提供的电压测量电路，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体电气耦合接入，形成一个等效闭合回路。耦合接入指的是在接入待测导体的过程中，耦合器件与待测导体之间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)，并不需要将待测导体的外部绝缘层剥离，此时耦合器件通过寄生电容和待测导体形成电气耦合，待测导体与耦合器件之间将会形成耦合电容，从而实现一种非侵入式的电压测量方案。

可以理解，在实际测量过程中，第一耦合器件10与第二耦合器件20将待测导体耦合接入的方式并不是唯一的。在一个实施例中，可以是第一耦合器件10、第二耦合器件20均与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10与第二耦合器件20均未直接接触待测导体。在另一个实施例中，还可以是第一耦合器件10与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10未直接接触待测导体，而第二耦合器件20则连接至地线等。在实际测量过程中，应该结合所需要测量的电压类型进行不同的选择。

可调参考信号源30即为频率可调的电压信号源，根据待测导体的电压频率不同，可调参考信号源30能够通过调节输出与待测导体的电压频率一致的参考信号，进而在参考信号的作用下实现电压测量操作。当待测导体通过第一耦合器件10和第二耦合器件20接入时，可结合参阅图2所示等效电路，第一耦合器件10待测导体之间形成第一耦合电容C1，而第二耦合器件20与零线(或其它相线等)形成第二耦合电容C2。此时形成的等效闭合回路中，同时存在待测导体以及可调参考信号源30提供电压。

为了实现待测导体的电压测量，首先在仅有待测导体的电压作用于电压测量电路提供电压激励时，获取该测量电路的第一电流值，等效电路图请结合参阅图3，此时可将可调参考信号源30进行短路等处理，以使得整个电压测量电路仅有可调参考信号源30提供电压激励。之后可调参考信号源30分别输出第一参考电压信号和第二参考电压信号，具体可结合参阅图4，当可调参考信号源30输出第一参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第一参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差θ，具体可结合参阅图5，在向量图上，第一参考电压信号Ur和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转，角频率ωs的表达式为：ω_s＝2πf_s，其中fs为待测导体的电压频率。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第一参考电压信号下的参考电动势。

请结合参阅图6，当可调参考信号源30输出第二参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第二参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差180°-θ，具体可结合参阅图7，在向量图上，第二参考电压信号

和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第二参考电压信号下的参考电动势。

在第一参考电压信号和第二参考电压信号下，分别获取得到第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第二电流值，以及第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第三电流值。最终处理装置50结合第一电流值、第二电流值以及第三电流值进行分析，即可得到最终待测导体的电压。

进一步地，在一个实施例中，步骤S400包括：根据第一电流值、第二电流值、第三电流值、第一参考电压信号的电压幅值以及预设电压计算模型进行分析，得到待测导体的电压。

具体地，设电压计算模型表征各个电流值与待测导体的电压的对应关系。第一参考电压信号与第二参考电压信号电压幅值相同、电压频率相同，两者仅是相位相差180°，故第一参考电压信号的电压幅值也可以理解为第二参考电压信号的电压幅值。在进行电压测量时，电压测量电路只需检测得到第一电流值、第二电流值以及第三电流值，将第一电流值、第二电流值以及第三电流值代入预设电压计算模型，结合实时当前测量状态下第一参考电压信号的电压幅值进行计算，即可直接得到待测导体的电压。

在一个实施例中，预设电压计算模型为：

其中，I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值，Ur为第一参考电压信号的电压幅值，Us为待测导体的电压。

具体地，待测导体的电压和第一参考电压信号、第二参考电压信号的向量图如图9所示，其中，Us为待测导体的电压，Ur为第一参考电压信号，-Ur为第二参考电压信号，U₁为第一参考电压信号与待测导体的电压同时作用时的合成电动势，U₂为第二参考电压信号与待测导体的电压同时作用时的合成电动势。根据余弦定理，可以推导出合成电动势U₁、U₂，被测导体的电压Us和第一、第二参考电压信号之间的三角函数关系：

U₁ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sUcos(180-θ)

U₂ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

U₁ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

U₂ ²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

以待测导体为相线进行解释说明，假设第一耦合器件10与相线之间的第一耦合电容C1的等效阻抗为Z₁，第二耦合器件20与零线之间第二耦合电容C2的等效阻抗为Z₂，分压器件40的等效阻抗为Z₃，在三种情况下检测得到的电流可表示为：

其中，U₃为待测导体的电压单独存在时，电压测量电路的合成电动势，该值与Us相等。I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值。为了便于理解，另电压测量电路的阻抗和为K，也即K＝Z₁+Z₂+Z₃，将其代入上述电流表达式，即可得到：

U₂＝KI₂

U₂＝KI₃

U₃＝KI₁

结合上述三角函数关系式，可得到：

(KI₂)²＝U_s ²+U_r ²-2U_sU_r cos(θ)

(KI₃)²＝U_s ²+U_r ²+2U_sU^r cos(θ)

KI₁＝U_s(也即Us与U₃相等)

对上式进行进一步分析，相加可得到：

(KI₂)²+(KI₃)²＝2U_s ²+2U_r ²

进一步分析得到：

K²(I₂ ²+I₃ ²)＝2U_s ²+2U_r ²

最终，结合KI₁＝U_s，可得到

也即只需要得到Ur、I₁、I₂以及I₃的值，即可计算得到待测导体的电压Us。

在一个实施例中，第一参考电压信号和第二参考电压信号通过脉冲宽度调制移相的方式生成。

具体地，第一参考电压信号和第二参考电压信号的生成方式并不是唯一的，在一个实施例中，可以是通过同一信号源生成，在实际生成过程中，只需要对生成的参考电压信号进行移相等处理，即可得到与之幅值相等、相位相差180°的另一参考电压信号。在其它实施例中，还可以是采用两个信号源实现，也即其中一个信号源用来生成第一参考电压信号，而另一个信号源则用来生成第二参考电压信号，在电压测量电路运行过程中，只需要进行两个信号源接入电路的选通控制即可。在其它实施例中，还可以一个信号源生成第一参考电压信号，维持第一参考电压信号不变，将第一参考电压信号连接到一个反相输出的芯片，比如LM358芯片，即可得到一个幅值相同，相位差180度的第二参考电压信号。

上述电压测量方法，通过第一耦合器件10以及第二耦合器件20，将待测导体电气耦合接入电压测量电路，通过可调参考信号源30分别为电压测量电路提供电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号。最终，根据待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第一电流值、第一参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值以及第二参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值进行分析，得到待测导体的电压。上述方案，电压测量电路体积小，不存在电磁式电压互感器所暴露的缺陷，并且整个测量过程无需破坏待测导体的绝缘，电压测量电路的安装、使用及拆除无需停电操作。因此，可以以较低的人力成本布设大量的测量点，且不受线路绝缘影响测量过程，具有较强的测量可靠性。

请结合参阅图8，一种电压测量设备，包括屏蔽罩60和上述的电压测量电路，可调参考信号源、分压器件和处理装置(图未示)设置于屏蔽罩60的内部，处理装置50用于根据上述的电压测量方法进行待测导体的电压测量。

具体地，电压测量电路的结构如上述各个实施例以及附图所示，采用第一耦合器件10和第二耦合器件20将待测导体电气耦合接入，形成一个等效闭合回路。耦合接入指的是在接入待测导体的过程中，耦合器件与待测导体之间仅是贴附设置(中间仍存在绝缘层)，并不需要将待测导体的外部绝缘层剥离，此时耦合器件通过寄生电容和待测导体形成电气耦合，待测导体与耦合器件之间将会形成耦合电容，从而实现一种非侵入式的电压测量方案。

可以理解，在实际测量过程中，第一耦合器件10与第二耦合器件20将待测导体耦合接入的方式并不是唯一的。在一个实施例中，可以是第一耦合器件10、第二耦合器件20均与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10与第二耦合器件20均未直接接触待测导体。在另一个实施例中，还可以是第一耦合器件10与待测导体之间电气耦合，第一耦合器件10未直接接触待测导体，而第二耦合器件20则连接至地线等。在实际测量过程中，应该结合所需要测量的电压类型进行不同的选择。

可调参考信号源30即为频率可调的电压信号源，根据待测导体的电压频率不同，可调参考信号源30能够通过调节输出与待测导体的电压频率一致的参考信号，进而在参考信号的作用下实现电压测量操作。当待测导体通过第一耦合器件10和第二耦合器件20接入时，可结合参阅图2所示等效电路，第一耦合器件10待测导体之间形成第一耦合电容C1，而第二耦合器件20与零线(或其它相线等)形成第二耦合电容C2。此时形成的等效闭合回路中，同时存在待测导体以及可调参考信号源30提供电压。

为了实现待测导体的电压测量，首先在仅有待测导体的电压作用于电压测量电路提供电压激励时，获取该测量电路的第一电流值，等效电路图请结合参阅图3，此时可将可调参考信号源30进行短路等处理，以使得整个电压测量电路仅有可调参考信号源30提供电压激励。之后可调参考信号源30分别输出第一参考电压信号和第二参考电压信号，具体可结合参阅图4，当可调参考信号源30输出第一参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第一参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差θ，具体可结合参阅图5，在向量图上，第一参考电压信号Ur和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转，角频率ωs的表达式为：ω_s＝2πf_s，其中fs为待测导体的电压频率。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第一参考电压信号下的参考电动势。

请结合参阅图6，当可调参考信号源30输出第二参考电压信号时，相当于两个信号源串联，第二参考电压信号与待测导体的电压共同为电压测量电路提供电压激励。在任意时刻，待测导体的电压与第一参考电压信号之间的相位差均为相位差180°-θ，具体可结合参阅图7，在向量图上，第二参考电压信号

和待测导体的电压待测导体的电压以相同的角频率ωs一起旋转。由于第一参考电压信号、第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，此时可将电压测量电路的合成电动势描述为：

其中，

表示合成电动势，

表示待测导体的电动势，

表示第二参考电压信号下的参考电动势。

在第一参考电压信号和第二参考电压信号下，分别获取得到第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第二电流值，以及第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时流经电压测量电路的第三电流值。最终处理装置50结合第一电流值、第二电流值以及第三电流值进行分析，即可得到最终待测导体的电压。

上述电压测量设备，通过第一耦合器件10以及第二耦合器件20，将待测导体电气耦合接入电压测量电路，通过可调参考信号源30分别为电压测量电路提供电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号。最终，根据待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第一电流值、第一参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值以及第二参考电压信号与待测导体的电压作用下流经电压测量电路的第二电流值进行分析，得到待测导体的电压。上述方案，电压测量电路体积小，不存在电磁式电压互感器所暴露的缺陷，并且整个测量过程无需破坏待测导体的绝缘，电压测量电路的安装、使用及拆除无需停电操作。因此，可以以较低的人力成本布设大量的测量点，且不受线路绝缘影响测量过程，具有较强的测量可靠性。

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

Claims (10)

1.一种电压测量电路，其特征在于，包括：

第一耦合器件；

第二耦合器件，用于与第一耦合器件一起将待测导体耦合接入所述电压测量电路；

可调参考信号源，连接所述第一耦合器件，用于分别向所述电压测量电路输出电压幅值相同、相位相差180度的第一参考电压信号和第二参考电压信号，所述第一参考电压信号、所述第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同；

分压器件，连接所述可调参考信号源；

处理装置，连接所述分压器件和所述第二耦合器件，用于根据待测导体的电压单独存在时，流经所述电压测量电路的第一电流值，所述第一参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经所述电压测量电路的第二电流值，以及所述第二参考电压信号和待测导体的电压同时存在时，流经所述电压测量电路的第三电流值，得到待测导体的电压。

2.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述分压器件为分压电容。

3.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述处理装置包括电流采集器和处理器，所述电流采集器连接所述分压器件和所述第二耦合器件，所述处理器连接所述电流采集器。

4.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述第一耦合器件和所述第二耦合器件均为金属板。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的电压测量电路，其特征在于，当所述电压测量电路用于测量相电压时，所述第一耦合器件贴附于待测相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于零线的外表面；当所述电压测量电路用于测量任意两相之间的线电压时，所述第一耦合器件贴附于第一相线的外表面，所述第二耦合器件贴附于第二相线的外表面；当所述电压测量电路用于测量开关柜、配电房或变压器的带电导体的电压时，所述第一耦合器件贴附于带电导体的外表面，所述第二耦合器件接地。

6.一种基于权利要求1-5任意一项电压测量电路的电压测量方法，其特征在于，包括：

获取待测导体的电压单独作用于所述电压测量电路时，流经所述电压测量电路的第一电流值；

当所述可调参考信号源输出第一参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于所述电压测量电路时，获取流经所述电压测量电路的第二电流值；

当所述可调参考信号源输出第二参考电压信号，与待测导体的电压同时作用于所述电压测量电路时，获取流经所述电压测量电路的第三电流值；所述第一参考电压信号、所述第二参考电压信号和待测导体的电压频率相同，所述第一参考电压信号和第二参考电压信号的电压幅值相同、相位相差180°；

根据所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，得到待测导体的电压。

7.根据权利要求6所述的电压测量方法，其特征在于，所述根据所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，得到待测导体的电压的步骤，包括：

根据所述第一电流值、所述第二电流值、所述第三电流值、所述第一参考电压信号的电压幅值以及预设电压计算模型进行分析，得到待测导体的电压。

8.根据权利要求7所述的电压测量方法，其特征在于，所述预设电压计算模型为：

其中，I₁为第一电流值，I₂为第二电流值，I₃为第三电流值，Ur为第一参考电压信号的电压幅值，Us为待测导体的电压。

9.根据权利要求6所述的电压测量方法，其特征在于，所述第一参考电压信号和所述第二参考电压信号通过脉冲宽度调制移相的方式生成。

10.一种电压测量设备，其特征在于，包括屏蔽罩和权利要求1-5任意一项所述的电压测量电路，所述可调参考信号源、所述分压器件和所述处理装置设置于所述屏蔽罩的内部，所述处理装置用于根据权利要求6-9任意一项所述的电压测量方法进行待测导体的电压测量。

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