CN114487557A - 非侵入式电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种非侵入式电压测量装置。所述装置包括：测距模块，用于获取装置的离地高度；电场信号采集模块，电场信号采集模块用于获取待测线路的电场信号；电场信号包括离地高度处的电场强度；信号处理模块，信号处理模块连接电场信号采集模块，用于处理电场信号得到待处理数字信号；数据处理模块，数据处理模块分别连接测距模块和信号处理模块，用于采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。本申请提出的非侵入式电压测量装置能够根据装置的离地高度以及离地高度处的电场强度实时获取待测线路的电压，提高非侵入式电压测量的准确性。

Description

非侵入式电压测量装置

技术领域

本申请涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种非侵入式电压测量装置。

背景技术

近年来，随着电力系统不断朝着智能化、信息化、自动化方向发展，对电力设备提出了更高的要求，传统电力设备亟待进一步改进与更新。监测是一种实现电网智能化的关键技术，电压互感器作为电压测量的关键电力设备，在电力系统状态评估、调度控制、继电保护、等各方面发挥着重要作用。传统的电压互感器以电磁式电压互感器为主，具有体积大，质量重，运行存在安全隐患等缺点。随着新型电力系统的建设，要求电压传感器由原来的电磁式电压互感器，转变为网络化，低功耗，数字化的非侵入式电压互感器。

当前，非侵入式电压传感器主要技术手段是通过测量导线的电场，在通过电场的信息进行反演计算被测电压的大小。电场传感芯片在固定位置以后，测量得到的电场信息取决于被测电压的电场分布。然而，电场的分布不仅仅和被测电压大小息息相关。同时，测量位置与大地之间的距离远近也有很大的影响。

然而，目前的非侵入式电压测量方法存在电压测量准确度低等问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高电压测量准确度的非侵入式电压测量装置。

本申请提供了一种非侵入式电压测量装置，所述装置包括：

测距模块，用于获取装置的离地高度；

电场信号采集模块，电场信号采集模块用于获取待测线路的电场信号；电场信号包括离地高度处的电场强度；

信号处理模块，信号处理模块连接电场信号采集模块，用于处理电场信号得到待处理数字信号；

数据处理模块，数据处理模块分别连接测距模块和信号处理模块，用于采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。

在其中一个实施例中，数据处理模块还用于采用预设模型处理离地高度，得到待测线路的电压在离地高度处产生电场的比例系数；以及处理比例系数和待处理数字信号，得到待测线路的电压。

在其中一个实施例中，比例系数为数据处理模块采用预设模型、基于待测线路参数处理离地高度得到；待测线路参数包括待测线路与装置之间的预设距离以及待测线路的半径。

在其中一个实施例中，数据处理模块采用如下预设模型处理离地高度，得到待测线路的电压在离地高度处产生电场的比例系数：

式中，m为比例系数，h ₁ 为离地高度与预设距离的和；h ₂ 为预设距离；R为待测线路的半径。

在其中一个实施例中，数据处理模块采用如下预设模型处理比例系数和待处理数字信号，得到待测线路的电压：

式中，U _s 为待测线路的电压；m为比例系数；E为待处理数字信号。

在其中一个实施例中，信号处理模块包括：

信号调理单元，信号调理单元连接电场信号采集模块，用于对电场信号滤波处理并转化为模拟信号；模拟信号为工频电场信号；

模数转化单元，模数转化单元分别连接信号调理单元和数据处理模块，用于将模拟信号转化为待处理数字信号并输出。

在其中一个实施例中，装置还包括：

通信模块，通信模块连接数据处理模块，数据处理模块通过通信模块接收待测线路参数，以及发送待测线路的电压。

在其中一个实施例中，通信模块包括内置天线。

在其中一个实施例中，电场信号采集模块包括电场测量探头。

在其中一个实施例中，测距模块为红外测距模块；红外测距模块包括红外测距探头。

上述非侵入式电压测量装置，通过测距模块获取装置的离地高度；电场信号采集模块获取待测线路的电场信号；电场信号包括离地高度处的电场强度；信号处理模块连接电场信号采集模块，处理电场信号得到待处理数字信号；数据处理模块分别连接测距模块和信号处理模块，采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。本申请提出的非侵入式电压测量装置能够根据装置的离地高度以及离地高度处的电场强度实时获取待测线路的电压，提高非侵入式电压测量的准确性。

附图说明

图1为一个实施例中非侵入式电压测量装置的结构框图；

图2为一个实施例中非侵入式电压测量装置的原理示意图；

图3为一个实施例中待测线路的电场原理图；

图4为另一个实施例中非侵入式电压测量装置的结构框图；

图5为又一个实施例中非侵入式电压测量装置的结构框图；

图6为一个实施例中非侵入式电压测量装置的结构图。

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。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向（譬如，旋转90度或其它取向），并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象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。

传统的反演算法通常通过现场校准，实验校准，仿真计算等方法，获得电压和安装位置电场之间的比例系数。考虑到仿真计算和实验室校准脱离实际工程环境，比例系数往往存在较大误差。现场校准操作上较为复杂，并且在外力作用下，比如线路震动，风吹，传感器可能会偏离一开始安装的位置，导致在新的位置下，比例系数发生变化，导致测量的抗干扰性差。因此，本申请提出一种能够实时计算出比例系数以提高电压测量准确性的非侵入式电压测量装置。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提出了一种非侵入式电压测量装置，装置包括：

测距模块110，用于获取装置的离地高度；

电场信号采集模块120，电场信号采集模块120用于获取待测线路的电场信号；电场信号包括离地高度处的电场强度；

信号处理模块130，信号处理模块130连接电场信号采集模块120，用于处理电场信号得到待处理数字信号；

数据处理模块140，数据处理模块140分别连接测距模块110和信号处理模块130，用于采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。

需要说明的是，非侵入式电压测量装置通过获取待测线路的电场信号，对电场信号进行反演计算待测线路的电压大小，利用电场信号反推电压的位置关系如图2所示。其中，带电导线（即待测线路）和大地之间的距离为h ₁ ，非侵入式电压测量装置和待测线路之间的距离为h ₂ ，非侵入式电压测量装置离地面高度为h ₃ （即离地高度）。一般而言，非侵入式电压测量装置和待测线路之间的距离h ₂ 受非侵入式电压测量装置的外形所制约，一般是一个固定的数值。而对于不同的电压等级，待测线路和大地之间的距离h ₁ 是变化的。因此，受到待测线路和大地之间的距离h ₁ 影响，非侵入式电压测量装置离地面高度h ₃ 也不是一个恒定的数值。

进一步的，根据推导非侵入式电压测量装置处电场强度和电压的关系，可知待测线路电压和非侵入式电压测量装置处的电场强度之间存在正比的关系，即待测线路电压等于非侵入式电压测量装置处的电场强度乘以相应的比例系数m。而比例系数m受到待测线路和大地之间的距离h ₁ （或非侵入式电压测量装置离地面高度h ₃ ）、以及非侵入式电压测量装置和待测线路之间的距离h ₂ 的影响。电力系统中，不同地区导线高度往往不一样，尽管可以在非侵入式电压测量装置的安装位置固定以后，再通过现场校准的方法获取非侵入式电压测量装置的比例系数，但是这种方法需要耗费大量人力。另一方面，若某段时间内，待测线路受到风的影响，有较大程度的摆动，也就是说待测线路和大地之间的距离h ₁ 发生了变化（同时非侵入式电压测量装置离地面高度h ₃ 也发生了相应的变化），即实际上比例系数m的值发生了变化，导致非侵入式电压测量装置测量得到的待测线路的电压不准确。

具体的，采用测距模块110获取装置的离地高度，即非侵入式电压测量装置离地面高度h ₃ ，测距模块110并将离地高度输出给数据处理模块140；同时，电场信号采集模块120获取待测线路的电场信号，并将电场信号输出给信号处理模块130；电场信号为模拟信号，电场信号包括离地高度处的电场强度；信号处理模块130处理电场信号得到待处理数字信号，并将待处理数字信号输出给数据处理模块140；数据处理模块140采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。

上述非侵入式电压测量装置，通过测距模块获取装置的离地高度；电场信号采集模块获取待测线路的电场信号；电场信号包括离地高度处的电场强度；信号处理模块连接电场信号采集模块，处理电场信号得到待处理数字信号；数据处理模块分别连接测距模块和信号处理模块，采用预设模型处理离地高度和待处理数字信号，得到待测线路的电压。本申请提出的非侵入式电压测量装置能够根据装置的离地高度以及离地高度处的电场强度实时获取待测线路的电压，提高非侵入式电压测量的准确性。

在一些示例中，测距模块110获取的装置的离地高度包括电场信号采集模块120的离地高度。数据处理模块140采用预设模型，根据测距模块110获取的离地高度更新比例系数m，并根据更新后的比例系数m处理待处理数字信号，得到精确的待测线路的电压。

本申请实施例能够根据装置的离地高度以及离地高度处的电场强度实时获取待测线路的电压，无需人工干预即可提高非侵入式电压测量的准确性。同时本申请提出的非侵入式电压测量装置具有响应速率快、无磁饱和、体积小，结构简单，安装方便、制造成本较低等优点。

在其中一个实施例中，数据处理模块140还用于采用预设模型处理离地高度，得到待测线路的电压在离地高度处产生电场的比例系数；以及处理比例系数和待处理数字信号，得到待测线路的电压。

具体的，预设模型包括离地高度和待测线路的电压在离地高度处产生电场的比例系数的关系，通过测距模块110获取离地高度并输出给数据处理模块140，数据处理模块140采用预设模型处理离地高度可以更新比例系数m；数据处理模块140通过信号处理模块130获取待处理数字信号，待处理数字信号为电场信号采集模块120获取待测线路的电场信号经信号处理模块130处理得到，数据处理模块140能够采用预设模型处理更新后的比例系数m、以及接收到的与更新后的比例系数m相对应的待处理数字信号，得到精确的待测线路的电压。本申请实施例能够根据装置的离地高度实时计算出比例系数m，以提高非侵入式电压测量的准确性。

在其中一个实施例中，比例系数为数据处理模块140采用预设模型、基于待测线路参数处理离地高度得到；待测线路参数包括待测线路与装置之间的预设距离以及待测线路的半径。

具体的，待测线路与装置之间的预设距离，即为非侵入式电压测量装置和待测线路之间的距离h ₂ ，需要说明的是，非侵入式电压测量装置安装在待测线路上，而受制于非侵入式电压测量装置的外形，非侵入式电压测量装置实际获得的是离地高度h ₃ 处的电场强度，离地高度h ₃ 与预设距离h ₂ 的和为待测线路实际与大地之间的距离h ₁ 。数据处理模块140采用预设模型，基于待测线路与装置之间的预设距离h ₂ 处理非侵入式电压测量装置的离地高度h ₃ ，得到待测线路实际与大地之间的距离h ₁ ；进一步的，数据处理模块140采用预设模型根据待测线路实际与大地之间的距离h ₁ 、预设距离h ₂ 以及待测线路的半径，可以得到精确的比例系数m。在一些示例中，非侵入式电压测量装置可以采用卡扣的方式固定于待测线路的正下方。本申请实施例通过得到精确的比例系数m，可以真实、准确地反映待测线路的电压和在离地高度处产生电场之间的关系，以便于后续进一步得到精确的待测线路的电压。

在其中一个实施例中，数据处理模块140采用如下预设模型处理离地高度，得到待测线路的电压在离地高度处产生电场的比例系数：

式中，m为比例系数，h ₁ 为离地高度与预设距离的和；h ₂ 为预设距离；R为待测线路的半径。

具体的，推导非侵入式电压测量装置获得的电场强度和待测线路的电压之间的关系，如图3所示，待测线路的半径为R，对于电场信号采集模块120，在较长的输电走廊中，待测线路可以看作无限长直导线，单位长度的带电量为λ，那么基于高斯定理（高斯定律指出：在静电场中，穿过任一封闭曲面的电场强度通量只与封闭曲面内的电荷的代数和有关，且等于封闭曲面的电荷的代数和除以真空中的电容率），可以得到距离待测线路中心r处的电场强度为：

其中，ε是空气的介电常数。

以大地作为零势能面，从大地积分到距离导线中心r处的电势可以表达为：

化简得到距离待测线路中心r处的电势为：

假设待测线路的电压为U _s ，当r=R时，有下式：

单位长度的带电量λ为：

参考如图2所示非侵入式电压测量装置的设置，电场信号采集模块120布置在待测线路下方h ₂处，测量得到的电场强度E(h ₂)大小为：

所以，布置在待测线路下方h ₂处的非侵入式电压测量装置得到的电场强度E(h ₂)与待测线路的电压U _s 之间的关系可以表达为：

可见待测线路的电压U _s 和非侵入式电压测量装置得到的电场强度E(h ₂)之间存在正比的关系，比例系数m可以表达为：

在一些示例中，在非侵入式电压测量装置未安装到现场前，可以在出厂前通过实验室仿真模拟或者是实验，计算得到比例系数m。

在其中一个实施例中，数据处理模块140采用如下预设模型处理比例系数和待处理数字信号，得到待测线路的电压：

式中，U _s 为待测线路的电压；m为比例系数；E为待处理数字信号。

具体的，如上述推导非侵入式电压测量装置获得的电场强度和待测线路的电压之间的关系的过程所述，此处不再赘述。E为待处理数字信号，即上述非侵入式电压测量装置得到的电场强度E(h ₂)。

在其中一个实施例中，如图4所示，信号处理模块130包括：

信号调理单元132，信号调理单元132连接电场信号采集模块120，用于对电场信号滤波处理并转化为模拟信号；模拟信号为工频电场信号；

模数转化单元134，模数转化单元134分别连接信号调理单元132和数据处理模块140，用于将模拟信号转化为待处理数字信号并输出。

具体的，信号调理单元132将电场信号采集模块120采集的电场信号进行滤波处理，即滤除工频信号以外的各类噪声，得到工频模拟信号；模数转化单元134将信号调理单元132输出的工频模拟信号转化为待处理数字信号，输出给数据处理模块140。

在一些示例中，红外测距模块110还可以通过模数转化单元134连接数据处理模块140，模数转化单元134将红外测距模块110获取的装置的离地高度转换为相应的数字信号输出给数据处理模块140。

在其中一个实施例中，如图5所示，装置还包括：

通信模块510，通信模块510连接数据处理模块140，数据处理模块140通过通信模块510接收待测线路参数，以及发送待测线路的电压。

具体的，通信模块510可以接收待测线路参数并传输至数据处理模块140，以更新预设模型；通信模块510还可以将数据处理模块140得到的待测线路的电压向外界发送。

在一些示例中，通信模块510还可以分别连接测距模块110和电场信号采集模块120，用于在接收到电压测量指令的情况下，指示测距模块110获取离地高度、以及指示电场信号采集模块120获取电场信号。

在其中一个实施例中，通信模块510包括内置天线。

具体的，内置天线可以接收待测线路参数并传输至数据处理模块140，以更新预设模型；内置天线还可以将数据处理模块140得到的待测线路的电压向外界发送。在其中一个实施例中，电场信号采集模块120包括电场测量探头。

具体的，电场测量探头可以获取待测线路的电场信号；电场信号包括电场测量探头处的电场强度。

在其中一个实施例中，测距模块110为红外测距模块110；红外测距模块110包括红外测距探头。

具体的，红外测距探头可以获取装置的离地高度；装置的离地高度可以包括红外测距探头的离地高度；在一些示例中，由于红外测距探头与电场测量探头水平设置，装置的离地高度可以包括电场测量探头的离地高度。

在一些示例中，如图6所示，通过以转动轴连接的卡扣可以将非侵入式电压测量装置安装在待测线路（带电导线）上，由于非侵入式电压测量装置外壳是预制好的，所以待测线路与装置之间的预设距离h ₂是固定的。红外测距探头可以获取非侵入式电压测量装置的离地高度h ₃的精确数据，以得到待测线路实际与大地之间的距离h ₁：

通过将电场测量探头和红外测距探头组合在一起（例如，水平组合设置），形成复合测量单元，既可以测量红外测距探头所在的高度数据，又可以精确地获取电场测量探头所在高度的电场强度。非侵入式电压测量装置可以采用如下方式自校准，得到待测线路电压：红外测距探头精确地获取非侵入式电压测量装置的离地高度h ₃；电场测量探头获得空间的电场信息并输出模拟信号；

信号调理单元132处理电场测量探头输出的待测线路的电场信号，滤除掉除工频信号外的各类噪声后，将工频模拟信号输送到模数转化单元134；模数转化单元134将工频模拟信号转化为电信号，即待处理数字信号E；数据处理模块140接收待处理数字信号E，结合精确的离地信息，根据下式获得比例系数m：

数据处理模块140根据比例系数m得到待测线路的电压U _s 的大小，表达式为：

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申请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本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，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非侵入式电压测量装置，其特征在于，所述装置包括：

测距模块，用于获取所述装置的离地高度；

电场信号采集模块，所述电场信号采集模块用于获取待测线路的电场信号；所述电场信号包括所述离地高度处的电场强度；

信号处理模块，所述信号处理模块连接所述电场信号采集模块，用于处理所述电场信号得到待处理数字信号；

数据处理模块，所述数据处理模块分别连接所述测距模块和所述信号处理模块，用于采用预设模型处理所述离地高度和所述待处理数字信号，得到所述待测线路的电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块还用于采用预设模型处理所述离地高度，得到所述待测线路的电压在所述离地高度处产生电场的比例系数；以及处理所述比例系数和所述待处理数字信号，得到所述待测线路的电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述比例系数为所述数据处理模块采用预设模型、基于待测线路参数处理所述离地高度得到；所述待测线路参数包括所述待测线路与所述装置之间的预设距离以及所述待测线路的半径。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块采用如下预设模型处理所述离地高度，得到所述待测线路的电压在所述离地高度处产生电场的比例系数：

式中，m为所述比例系数，h ₁ 为所述离地高度与所述预设距离的和；h ₂ 为所述预设距离；R为所述待测线路的半径。

5.根据权利要求2至4任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块采用如下预设模型处理所述比例系数和所述待处理数字信号，得到所述待测线路的电压：

式中，U _s 为所述待测线路的电压；m为所述比例系数；E为所述待处理数字信号。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：

信号调理单元，所述信号调理单元连接所述电场信号采集模块，用于对所述电场信号滤波处理并转化为模拟信号；所述模拟信号为工频电场信号；

模数转化单元，所述模数转化单元分别连接所述信号调理单元和所述数据处理模块，用于将所述模拟信号转化为待处理数字信号并输出。

7.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

通信模块，所述通信模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块通过所述通信模块接收所述待测线路参数，以及发送所述待测线路的电压。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通信模块包括内置天线。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电场信号采集模块包括电场测量探头。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测距模块为红外测距模块；所述红外测距模块包括红外测距探头。

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