CN214895491U - 一种适用于测量直流配电网直流电压的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于测量直流配电网直流电压的装置，属于传感器技术领域。本实用新型装置，包括：高压臂电阻，接入直流母线电压，将直流母线电压转换为微电压；低压臂电阻，接入微电压；微电压测量子装置，采集低压臂电阻两端的微电压，将所述微电压转化为微电流，收集微电流产生的磁场信号，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号，并对磁电阻信号进行补偿，将补偿后的磁电阻信号转化为微电压信号差分输出，测量微电压信号，根据微电压信号确定直流配电网直流电压。分压比确定直流配电网直流电压。本实用新型既弥补了基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足，又实现了隔离测量。

Description

一种适用于测量直流配电网直流电压的装置

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，并且更具体地，涉及一种适用于测量直流配电网直流电压的装置。

背景技术

近年来，随着经济发展和社会进步，电力负荷迅速增加，用电需求以及对电能质量的要求不断增加。交流配电网面临着分布式新能源接入、负荷多样化，以及网架结构庞杂、电能供应稳定性、高效性等方面的巨大挑战。在此背景下，直流配电网，一种通过高功率电力电子技术以直流形式将各种电源(包括交直流电源)、负荷以及储能设备联网运行的新型电力网络以其线路走廊窄、运行灵活度高、网络损耗小等优点得到行业内的高度关注。2013年至今，我国已陆续开展直流配电网典型项目与典型示范工程：如深圳宝龙工业城柔性直流配网示范工程(±10kV)、杭州江东新城柔性直流配电网工程(±10kV)和上虞交直流混合微网工程示范(560V)，直流配电网电压和电流的准确感知是维持直流配电网安全稳定运行的关键因素，但目前针对适用于直流配电网的电能计量方法及电能计量与检测器具尚未开展深入研究，计量直流配电网电能的重中之重便是精确测量直流母线的电压和电流。

针对电力系统中的直流电量，常用的电压传感器主要以电阻式或阻容式的直流分压器为主。近几十年，随着磁敏传感器的深入研究，霍尔传感器(Hall)、各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道磁电阻(TMR)技术渐渐成熟应用于电流测量中，而TMR元件凭借高灵敏度、广线性范围、低功耗、低温漂等优异特性，在电流测量领域脱颖而出。然而，为了适用于直流配电网的电压测量，传统基于分压原理的直流分压器在精度、稳定性等方面有所欠缺，性能优异的TMR元件尚未涉足电压测量领域。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种适用于测量直流配电网直流电压的装置，包括：

高压臂电阻，所述高压臂电阻连接待测直流配电网的直流母线，接入直流母线电压，将直流母线电压转换为微电压；

低压臂电阻，所述低压臂电阻与高压臂电阻串联，接入微电压；

微电压测量子装置，所述微电压测量子装置连接低压臂电阻的两端，采集低压臂电阻两端的微电压，将所述微电压转化为微电流，收集微电流产生的磁场信号，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号，并对磁电阻信号进行补偿，将补偿后的磁电阻信号转化为微电压信号差分输出，测量微电压信号，根据微电压信号确定直流配电网直流电压。

可选的，高压臂电阻包括若干个阻值相同且温度稳定性高的精确电阻，精确电阻串联组合，并设置有屏蔽装置。

可选的，低压臂电阻为温度稳定性高的精确电阻。

可选的，微电压测量子装置，包括：

限流电阻，接入低压臂电阻两端的微电压；

线圈，将所述微电压转化为微电流；

聚磁环，收集微电流产生的磁场信号；

TMR元件，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号；

温度补偿电路和偏置调零电路，对磁电阻信号进行补偿。

可选的，线圈缠绕在聚磁环上。

可选的，聚磁环的气隙开口处放置TMR元件。

可选的，温度补偿电路内置热敏电阻，所述热敏电阻随着温度的变化，改变TMR元件的供电电压，抵消温度变化对TMR元件输出的影响。

可选的，偏置调零电路用于抵消TMR元件的零点漂移。

可选的，根据微电压信号确定直流配电网直流电压，具体为：根据微电压信号确定高压臂电阻、低压臂电阻及微电压测量子装置间的分压比，根据分压比确定直流配电网直流电压。

本实用新型将传统低压臂电压直接测量转化为基于TMR元件的微电压测量，利用灵敏度高、线性范围广、温漂小的TMR元件可以实现精确测量的优势，既弥补了基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足，又实现了隔离测量。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构图；

图2为本实用新型TMR元件测量磁场的电桥结构图；

图3为本实用新型主电路结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本实用新型提出了一种适用于测量直流配电网直流电压的装置，如图1所示，包括：

高压臂电阻，所述高压臂电阻连接待测直流配电网的直流母线，接入直流母线电压，将直流母线电压转换为微电压；

低压臂电阻，所述低压臂电阻与高压臂电阻串联，接入微电压；

微电压测量子装置，所述微电压测量子装置连接低压臂电阻的两端，采集低压臂电阻两端的微电压，将所述微电压转化为微电流，收集微电流产生的磁场信号，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号，并对磁电阻信号进行补偿，将补偿后的磁电阻信号转化为微电压信号差分输出，测量微电压信号，根据微电压信号确定直流配电网直流电压。

其中，高压臂电阻包括若干个阻值相同且温度稳定性高的精确电阻，精确电阻串联组合，并设置有屏蔽装置。

其中，低压臂电阻为温度稳定性高的精确电阻。

其中，微电压测量子装置，包括：

限流电阻，接入低压臂电阻两端的微电压；

线圈，将所述微电压转化为微电流；

聚磁环，收集微电流产生的磁场信号；

TMR元件，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号；

温度补偿电路和偏置调零电路，对磁电阻信号进行补偿。

其中，线圈缠绕在聚磁环上。

其中，聚磁环的气隙开口处放置TMR元件。

其中，温度补偿电路内置热敏电阻，所述热敏电阻随着温度的变化，改变TMR元件的供电电压，抵消温度变化对TMR元件输出的影响。

其中，偏置调零电路用于抵消TMR元件的零点漂移。

其中，根据微电压信号确定直流配电网直流电压，具体为：根据微电压信号确定高压臂电阻、低压臂电阻及微电压测量子装置间的分压比，根据分压比确定直流配电网直流电压。

下面结合实施例对本实用新型进行进一步的说明：

如图1所示，本实用新型装置包括：高压臂电阻(1)、低压臂电阻(2)和基于TMR原理的微电压测量子装置(3)；

基于TMR的微电压测量子装置包括：限流电阻、线圈、聚磁环、TMR芯片、差分放大电路和自补偿电路。

其中：高压臂电阻(1)承担大部分直流母线电压，在低压臂电阻(2)两端并联基于TMR原理的微电压测量装置(3)，利用基于TMR原理的微电压测量装置(3)输出电压和整个电路分压比确定待测点电压，完成直流母线电压测量。

高压臂电阻(1)实际可有若干个阻值相同、温度稳定性高的精确电阻r₁、r₂、…、r_n串联组合而成，串联电阻设置屏蔽措施，组合而成的高压臂电阻一端连接直流母线电压测量点，另外一端连接低压臂电阻(2)，高压臂电阻(1)承担大部分待测直流母线电压。

低压臂电阻(2)为温度稳定性高的精确电阻，基于TMR原理的微电压测量装置(3)并联在低压臂电阻(2)两端，测量其两端电压。

基于TMR原理的微电压测量子装置(3)主要包括：限流电阻、线圈、聚磁环、TMR芯片、差分放大电路和自补偿电路。

限流电阻在低压臂电阻(2)两端电压的作用下在线圈中产生电流，线圈缠绕在聚磁环上，聚磁环气隙开口出放置TMR芯片，TMR芯片接口电路设置温度补偿电路和偏置调零模块，温度补偿电路内含热敏电阻，随着温度的变化，改变TMR芯片的供电电压，用于抵消温度变化对芯片输出的影响；给差分电路设置一个直流偏置，用以抵消TMR芯片的零点漂移。TMR芯片经差分放大电路输出电压信号，完成直流配电网电压的测量。

基于TMR测量微电压原理的测量直流配电网电压测量方法，有如下步骤：

步骤1：高压臂电阻(1)和低压臂电阻(2)串联接入被测直流母线，高压臂电阻(1)两端基本承担待测点的直流母线电压；

步骤2：经电阻分压，低压臂电阻(2)两端电压由基于TMR的微电压测量装置(3)测出；

步骤3：基于TMR的微电压测量装置(3)测量出低压臂电阻两端电压，由高压臂电阻(1)、低压臂电阻(2)和基于TMR的微电压测量装置(3)中的分压电阻确定整个测量装置的分压比，最终完成待测电压的测量。

工作原理分析如下：

如图2所示，TMR芯片是由四个灵敏度相同且电阻值相同的TMR元件组成的桥式结构，且同一半桥上的TMR灵敏度方向相反，TMR电阻的变化量与灵敏度方向上的磁场强度成正比，即：

ΔR＝kB

在无磁场时，TMR的电阻值为R，当TMR芯片处于磁场B中，左右半桥的输出为：

由此可得电桥输出：

其中，V_CC是TMR芯片的供电电压，S是TMR芯片的灵敏度。

其中，如图3所示，流经线圈的电流i，气隙中产生的磁场为：

将TMR芯片放置在聚磁环气隙开口处，其差分输出电压用于反应线圈中电流产生的磁场，进而测得线圈中的电流。低压臂电阻两端电压表示为：

其中，

所述高压臂电阻承担直流母线电压测量点至参考地点的大部分电压，承担小部分电压的低压臂电阻两端电压由基于TMR原理的微电压测量装置测出，基于TMR原理的微电压测量装置测得线圈中的电流，由欧姆定律确定低压臂电阻两端电压，最后根据整个测量装置的分压比，得到直流母线电压，完成直流母线电压的测量。

本实用新型将传统低压臂电压直接测量转化为基于TMR元件的微电压测量，利用灵敏度高、线性范围广、温漂小的TMR元件可以实现精确测量的优势，既弥补了基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足，又实现了隔离测量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种适用于测量直流配电网直流电压的装置，其特征在于， 所述装置包括：

高压臂电阻，所述高压臂电阻连接待测直流配电网的直流母线，接入直流母线电压，将直流母线电压转换为微电压；

低压臂电阻，所述低压臂电阻与高压臂电阻串联，接入微电压；

微电压测量子装置，所述微电压测量子装置连接低压臂电阻的两端，采集低压臂电阻两端的微电压，将所述微电压转化为微电流，收集微电流产生的磁场信号，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号，并对磁电阻信号进行补偿，将补偿后的磁电阻信号转化为微电压信号差分输出，测量微电压信号，根据微电压信号确定直流配电网直流电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述高压臂电阻包括若干个阻值相同且温度稳定性高的精确电阻，精确电阻串联组合，并设置有屏蔽装置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述低压臂电阻为温度稳定性高的精确电阻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述微电压测量子装置，包括：

限流电阻，接入低压臂电阻两端的微电压；

线圈，将所述微电压转化为微电流；

聚磁环，收集微电流产生的磁场信号；

TMR元件，将所述磁场信号的变换转为磁电阻信号；

温度补偿电路和偏置调零电路，对磁电阻信号进行补偿。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述线圈缠绕在聚磁环上。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述聚磁环的气隙开口处放置TMR元件。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述温度补偿电路内置热敏电阻，所述热敏电阻随着温度的变化，改变TMR元件的供电电压，抵消温度变化对TMR元件输出的影响。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述偏置调零电路用于抵消TMR元件的零点漂移。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述根据微电压信号确定直流配电网直流电压，具体为：根据微电压信号确定高压臂电阻、低压臂电阻及微电压测量子装置间的分压比，根据分压比确定直流配电网直流电压。

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