电压测量方法、装置以及电压传感器与流程

1.本技术涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种电压测量方法、装置以及电压传感器和存储介质。


背景技术：

2.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，转变为智能化，网络化，低功耗，数字化的非侵入式电压互感器。
3.传统的电压测量方法存在着功耗较高的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种低功耗的电压测量方法、装置以及电压传感器和存储介质。
5.第一方面，本发明实施例提供一种电压测量方法，用于控制电压传感器对待测线路进行电压测量，所述电压传感器包括第一检测端、第二检测端、测量电容以及可控开关，所述第一检测端用于与所述待测线路耦合，所述第二检测端用于与零线耦合，所述测量电容和所述可控开关并联后串接在所述第一检测端和所述第二检测端之间，所述电压测量方法包括：控制所述可控开关导通，并获取第一电流的幅值；所述第一电流为所述可控开关导通时，所述第一检测端和所述第二检测端之间的电流；控制所述可控开关断开，并获取第二电流的幅值；所述第二电流为所述可控开关断开时，所述第一检测端和所述第二检测端之间的电流；根据所述第一电流的幅值、所述第二电流的幅值以及测量电容的容值得到所述待测线路的电压。
6.在其中一个实施例中，所述根据所述第一电流的幅值、所述第二电流的幅值以及测量电容的容值得到所述待测线路的电压的步骤包括：将所述第一电流的幅值、所述第二电流的幅值以及测量电容的容值输入电压计算模型，得到所述待测线路的电压，所述电压计算模型包括：，其中，us为所述待测线路的电压，i
s1
为所述第一电流的幅值，i
s2
为所述第二电流的幅值，c为所述测量电容的容值，f为所述待测线路中的电信号的频率。
7.在其中一个实施例中，所述电压计算模型的构建过程包括：建立所述第一电流的
幅值和所述等效耦合电容的容值与所述待测线路的电压之间的第一对应关系；所述等效耦合电容为所述第一检测端耦合待测线路形成的第一耦合电容、所述第二检测端耦合所述零线形成的第二耦合电容的所串联形成的等效电容；建立所述第二电流的幅值、所述等效耦合电容的容值和所述测量电容的容值与所述待测线路的电压之间的第二对应关系；对所述第一对应关系和所述第二对应关系进行消去运算，消去所述等效耦合电容的容值，以得到所述电压计算模型。
8.在其中一个实施例中，所述第一对应关系包括：，其中，us为所述待测线路的电压，i
s1
为所述第一电流的幅值，f为所述待测线路中的电信号的频率，c
eq
为所述等效耦合电容的容值。
9.在其中一个实施例中，所述第二对应关系包括：，其中，us为所述待测线路的电压，i
s2
为所述第二电流的幅值，f为所述待测线路中的电信号的频率，c为所述测量电容的容值，c
eq
为所述等效耦合电容的容值。
10.第二方面，本发明实施例提供一种电压传感器，包括：第一检测端，用于与待测线路耦合；第二检测端，用于与零线耦合；第一支路，连接在所述第一检测端、所述第二检测端之间，所述第一支路包括电流检测模块、可控开关以及测量电容，所述可控开关与所述测量电容并联，所述电流检测模块与所述可控开关、所述测量电容串联，所述电流检测模块用于检测所述第一支路的电流的幅值；控制模块，与所述可控开关、所述电流检测模块连接，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的电压测量方法的步骤。
11.在其中一个实施例中，所述第一检测端包括第一金属极板，所述第二检测端包括第二金属极板；所述第一金属极板第一端物理连接所述待测线路，以与所述待测线路耦合，所述第一金属极板的第二端通过所述第一支路连接所述第二金属极板的第一端；所述第二金属极板的第二端物理连接所述零线。
12.在其中一个实施例中，所述控制模块包括单片机。
13.第三方面，本发明实施例提供一种电压测量装置，用于控制电压传感器对待测线路进行电压测量，所述电压传感器包括第一检测端、第二检测端、测量电容以及可控开关，所述第一检测端用于与所述待测线路耦合，所述第二检测端用于与零线耦合，所述测量电容和所述可控开关并联后串接在所述第一检测端和所述第二检测端之间，所述电压测量装置包括：第一采集模块，用于控制所述可控开关导通，并获取第一电流的幅值；所述第一电流为所述可控开关导通时，所述第一检测端和所述第二检测端之间的电流；第二采集模块，用于控制所述可控开关断开，并获取第二电流的幅值；所述第二电流为所述可控开关断开时，所述第一检测端和所述第二检测端之间的电流；电压计算模块，用于根据所述第一电流
的幅值、所述第二电流的幅值以及测量电容的容值得到所述待测线路的电压。
14.第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的电流测试方法的步骤。
15.基于上述任一实施例，通过控制可控开关的导通和断开，使得电压传感器的第一检测端和第二检测端的回路不同，形成两种工况，基于这两种工况下的电流的幅值以及电压传感器中电容的容值即可得到待测线路的电压。由于进行电流采集、电压计算所需的功耗很低，电压传感器中也没有需要额外消耗功率的设备，本方法可实现电压的非侵入式低功耗测量，同时具备经济性、安全性，具有较大的实用意义。
附图说明
16.图1为一个实施例中电压测量方法的应用场景图；图2为一个实施例中电压测量方法的流程示意图；图3为一个实施例中构建电压计算模块的流程示意图；图4为一个实施例中可控开关导通时的等效电路图；图5为一个实施例中可控开关断开时的等效电路图；图6为一个实施例中电压传感器的结构示意图。
具体实施方式
17.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
18.上述背景技术中功耗较大的问题，经发明人研究发现，传统的电压传感器需要生成参考信号，来检测线路中的耦合电容的相关信息。而参考信号源运行时耗能较高，难以满足电压传感器的功耗要求。
19.为了解决上述问题，本发明实施例提供一种电压测量方法，用于控制电压传感器对待测线路进行电压测量。请参阅图1，电压传感器包括第一检测端11、第二检测端13、测量电容15以及可控开关17。第一检测端11用于与待测线路耦合，第二检测端13用于与零线耦合。测量电容15和可控开关17并联后串接在第一检测端11和第二检测端13之间。传统的电压传感器是侵入式测量，需要在待测线路上预留电压检测点或者需要将待测线路的绝缘层破坏才能检测到待测线路内部的导体的电压。而本实施例中的第一检测端11通过第一耦合电容与待测线路电气耦合，第二检测端13通过第二耦合电容与零线电气耦合，基于该电气耦合关系，待测线路的电压即可在不需要破坏待测线路的绝缘层的情况下作用在第一检测端11和第二检测端13之间形成的回路。请参阅图2，电压测量方法包括步骤s202至步骤s206。
20.s202，控制可控开关17导通，并获取第一电流的幅值。
21.第一电流为可控开关17导通时，第一检测端11和第二检测端13之间的电流。可控开关17导通时，测量电容15被可控开关17短路，第一检测端11和第二检测端13之间的回路存在的主要元件为第一耦合电容和第二耦合电容，此时第一电流的幅值与待测线路的电压、第一耦合电容的容值和第二耦合电容的容值有关。
22.s204，控制可控开关17断开，并获取第二电流的幅值。
23.第二电流为可控开关17断开时，第一检测端11和第二检测端13之间的电流。可控开关17导通时，测量电容15串入第一检测端11和第二检测端13之间的回路，第一检测端11和第二检测端13之间的回路存在的主要元件为第一耦合电容、第二耦合电容以及测量电容15，此时第二电流的幅值与待测线路的电压、第一耦合电容的容值、第二耦合电容的容值以及测量电容15的容值有关。另外，步骤s204与步骤s202执行的顺序本实施例中不做限定，可以先执行步骤s202，也可以先执行步骤s204。
24.s206，根据第一电流的幅值、第二电流的幅值以及测量电容15的容值得到待测线路的电压。
25.第一耦合电容的容值和第二耦合电容的容值分别与第一检测端11、第二检测端13的尺寸、形状、材料等有关，并且随着时间的退役，这两个容值也可能发生变化，测量这两个容值十分困难。但是在对第一电流和第二电流进行分析和建模时发现，这两个电流幅值都与第一耦合电容的容值、第二耦合电容的容值有关，可以将这一公共项消去，消去后得到的电压计算模型中仅存在第一电流的幅值、第二电流的幅值、测量电容15的容值以及待测线路的电压，而步骤s202与步骤s204中获取了第一电流的幅值、第二电流的幅值，而测量电容15的容值在设计电压传感器时可以预先测试，将这些已知量代入电压计算模型中即可得到待测线路的电压。
26.基于本实施例中的电压测量方法，通过控制可控开关17的导通和断开，使得电压传感器的第一检测端11和第二检测端13的回路不同，形成两种工况，基于这两种工况下的电流的幅值以及电压传感器中电容的容值即可得到待测线路的电压。由于进行电流采集、电压计算所需的功耗很低，电压传感器中也没有需要额外消耗功率的设备，本方法可实现电压的非侵入式低功耗测量，同时具备经济性、安全性，具有较大的实用意义。
27.在其中一个实施例中，根据第一电流的幅值、第二电流的幅值以及测量电容15的容值得到待测线路的电压的步骤包括：将第一电流的幅值、第二电流的幅值以及测量电容15的容值输入电压计算模型，得到待测线路的电压，电压计算模型包括：，其中，us为待测线路的电压，i
s1
为第一电流的幅值，i
s2
为第二电流的幅值，c为测量电容15的容值，f为待测线路中的电信号的频率。待测线路中的电信号的频率为已知量，可以根据待测线路所处地区的电力系统规定得到，常见的待测线路中的电信号的频率为50hz。
28.在其中一个实施例中，请参阅图3，上述电压计算模型的构建过程包括s302至步骤s306。
29.s302，建立第一电流的幅值和等效耦合电容的容值与待测线路的电压之间的第一对应关系。
30.等效耦合电容为第一检测端11耦合待测线路形成的第一耦合电容、第二检测端13
耦合零线形成的第二耦合电容的所串联形成的等效电容对于可控开关17导通时，第一检测端11和第二检测端13之间的回路可等效为图4所示的电路。在有些实施例中，参考图4中的电路，根据基尔霍夫以及欧姆定律可以建立第一对应关系为：，其中，us为待测线路的电压，i
s1
为第一电流的幅值，f为待测线路中的电信号的频率，c
eq
为等效耦合电容的容值。等效耦合电容为第一耦合电容和第二耦合电容串联的等效，所以有。
31.s304，建立第二电流的幅值、等效耦合电容的容值和测量电容15的容值与待测线路的电压之间的第二对应关系。
32.对于可控开关17断开时，第一检测端11和第二检测端13之间的回路可等效为图5所示的电路。在有些实施例中，参考图5中的电路，根据基尔霍夫以及欧姆定律可以建立第二对应关系为，其中，us为待测线路的电压，i
s2
为第二电流的幅值，f为待测线路中的电信号的频率，c为测量电容15的容值，c
eq
为等效耦合电容的容值。
33.s306，对第一对应关系和第二对应关系进行消去运算，消去等效耦合电容的容值，以得到电压计算模型。
34.消去运算主要的思路为：对第一对应关系或第二对应关系进行变形，将等效耦合电容的容值单独放在等号的一边，并将变形后的对应关系代入另一个对应关系中，即可将等效耦合电容的容值这一公共项消去，从而得到电压计算模型中的表达式。
35.应该理解的是，虽然如上的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
36.请参阅图6，本发明实施例提供一种电压传感器。电压传感器包括第一检测端11、第二检测端13、测量电容15、可控开关17、电流检测模块19以及控制模块21。其中，第一支路包括电流检测模块19、可控开关17以及测量电容15。第一检测端11用于与待测线路耦合。第二检测端13用于与零线耦合。第一支路连接在第一检测端、第二检测端之间。可控开关17与测量电容15并联，电流检测模块19与可控开关17、测量电容15串联。电流检测模块19用于检
测第一支路的电流的幅值。虽然图6中是测量电容15并联所形成的支路连接第一检测端11，电流检测模块19连接第二检测端13，但这两个部分的连接顺序可以调换，本实施例中不做限定。控制模块21与可控开关17、电流检测模块19连接，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的电压测量方法的步骤。
37.基于本实施例中的电压传感器，通过控制可控开关17的导通和断开，使得电压传感器的第一检测端11和第二检测端13的回路不同，形成两种工况，基于这两种工况下的电流的幅值以及电压传感器中电容的容值即可得到待测线路的电压。由于进行电流采集、电压计算所需的功耗很低，电压传感器中也没有需要额外消耗功率的设备，本方法可实现电压的非侵入式低功耗测量，同时具备经济性、安全性，具有较大的实用意义。
38.在其中一个实施例中，第一检测端11包括第一金属极板，第二检测端13包括第二金属极板。第一金属极板第一端物理连接待测线路，以与待测线路耦合。具体而言，第一金属极板第一端可以紧贴待测线路的绝缘层，第一金属极板和待测线路之间就会形成第一耦合电容。第一金属极板的第二端通过第一支路连接第二金属极板的第一端。第二金属极板的第二端物理连接零线。第二金属极板第二端可以紧贴零线的绝缘层，第二金属极板和待测线路之间就会形成第二耦合电容。
39.在其中一个实施例中，可控开关17可以为三极管、mos管、可控硅、电磁继电器等。
40.在其中一个实施例中，电流检测模块19既可以是采样电阻，也可以通过运放的电流-电压转化等方法测量电流。
41.在其中一个实施例中，控制模块21包括单片机。
42.基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的电压测量方法的电压测量装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个电压测量装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于电压测量方法的限定，在此不再赘述。
43.本发明实施例提供一种电压测量装置，用于控制电压传感器对待测线路进行电压测量。请参阅图1，电压传感器包括第一检测端11、第二检测端13、测量电容15以及可控开关17，第一检测端11用于与待测线路耦合，第二检测端13用于与零线耦合，测量电容15和可控开关17并联后串接在第一检测端11和第二检测端13之间，电压测量装置包括第一采集模块、第二采集模块以及电压计算模块。第一采集模块用于控制可控开关17导通，并获取第一电流的幅值。第一电流为可控开关17导通时，第一检测端11和第二检测端13之间的电流。第二采集模块用于控制可控开关17断开，并获取第二电流的幅值。第二电流为可控开关17断开时，第一检测端11和第二检测端13之间的电流。电压计算模块用于根据第一电流的幅值、第二电流的幅值以及测量电容15的容值得到待测线路的电压。
44.基于本实施例中的电压测量装置，通过控制可控开关17的导通和断开，使得电压传感器的第一检测端11和第二检测端13的回路不同，形成两种工况，基于这两种工况下的电流的幅值以及电压传感器中电容的容值即可得到待测线路的电压。由于进行电流采集、电压计算所需的功耗很低，电压传感器中也没有需要额外消耗功率的设备，本方法可实现电压的非侵入式低功耗测量，同时具备经济性、安全性，具有较大的实用意义。
45.在其中一个实施例中，电压测量装置还包括模型构建模块。模型构建模块包括第一对应关系建立单元、第二对应关系建立单元以及消去运算单元。第一对应关系建立单元
用于建立第一电流的幅值和等效耦合电容的容值与待测线路的电压之间的第一对应关系。第二对应关系建立单元用于建立第二电流的幅值、等效耦合电容的容值和测量电容15的容值与待测线路的电压之间的第二对应关系。消去单元用于对第一对应关系和第二对应关系进行消去运算，消去等效耦合电容的容值，以得到电压计算模型。
46.上述电压测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
47.本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的电压测量方法的步骤。
48.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（read-only memory，rom）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（reram）、磁变存储器（magnetoresistive random access memory，mram）、铁电存储器（ferroelectric random access memory，fram）、相变存储器（phase change memory，pcm）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（random access memory，ram）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（static random access memory，sram）或动态随机存取存储器（dynamic random access memory，dram）等。本技术所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本技术所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
49.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。
50.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。