1.本发明涉及电压测量的技术领域，尤其涉及一种输电线电压传感测量方法。
背景技术：2.输电线电压测量在配网检测中中起着极为重要的作用，它为早期故障检测装置所必需的电压信息，一般采用传统的电磁式电压互感器，电磁式互感器包括原边绕组和副边绕组，其测量电压的过程包括：首先，将高压电线断电，然后，将电磁式互感器的原边绕组连接在高压电线上，最后，使高压电线通电，这样电磁式互感器的原边绕组出现电流，基于电磁感应原理，其副边绕组也产生电流，基于副边绕组的电流获取高压电线的电压信息
3.传统的电磁式电压互感器要求在高、低压端之间提供复杂昂贵的电气绝缘，由于电压互感器需要长时间在户外使用，遭受风吹日晒，高、低压端之间的电气绝缘容易遭受破坏，导致其绝缘效果变差，影响测量精度，造成测量结果不准确。
技术实现要素：4.因此，本发明解决的技术问题是：现有的电压互感器，高、低压端之间的电气绝缘容易遭受破坏，导致其绝缘效果变差，影响测量精度，造成测量结果不准确。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案一种输电线电压传感测量方法，包括：建立输电线电压传感测量模型；根据所述输电线电压传测量模型，计算分压电容c的电压与输电线电压的函数关系；通过检测模块对实际测量分压电容c的电压值进行测量，并将所述电压值输入管理台；所述管理台根据所述分压电容c的电压值与输电线的函数关系，计算获取输电线实际电压。
6.作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：将输电线和大地分别作为大电容的两个极板，将所述分压电容c置放置在所述大电容的两个极板之间，建立电压传感测量模型。
7.作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：基于所述电压传感测量模型，通过电压传感测量电路，对输电线的电压进行感应测量；所述电压传感测量电路包括分压电容c、第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2，所述分压电容c的上极板通过节点1 连接第一电容ch1，所述分压电容c的下极板通过节点2连接第二电容ch2，第一分布电容cg1一侧通过节点1连接分压电容c的上极板，第一分布电容 cg1另一侧连接第二电容ch2的下极板，第二分布电容cg2一侧通过节点2连接分压电容c。
8.作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：依据基尔霍夫定律，令δu＝u
1-u2，并计算分压电容c的电压与输电线电压的函数关系，也就是分压比，其计算表达式为：
[0009][0010][0011][0012]
其中，k表示分压比，δu表示分压电容c的电压，u表示输电线的电压。
[0013]
作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：由于第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2为分压电容c的上极板或下极板与输电线或大地的分布电容，一般数值很小(数量级为几个或几十pf)，而分压电容c可以人为选取，属于已知常量，一般数值很小(数量级达到μf级别)，简化后的分压电容c的电压与输电线电压的计算表达式为：
[0014][0015]
其中，k表示分压比，也就是分压电容c的电压与输电线电压之比，cm 表示第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的电压，c表示分压电容的电压值。
[0016]
作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：所述检测模块包括电压传感器、通讯单元和控制器，其具体检测分压电容c的电压值的步骤为：所述管理台预先计算分压比k的值；通讯单元与管理台建立双向远程无线连接；管理台发出第一信号，通讯单元接收所述第一信号，并将所述第一信号输入控制器；控制器接收所述第一信号后，对所述电压传感器发出测量指令；电压传感器接收测量指令，并测量分压电容c的电压值。
[0017]
作为本发明所述的输电线电压传感测量方法的一种优选方案，其中：所述管理台获取输电线的电压值的具体步骤为：所述管理台获取输电线的电压值的具体步骤为：电压传感器将所述分压电容c的电压值输入控制器，然后控制器将分压电容c的电压值输入通讯单元；通讯单元通过与管理台之间的双向远程无线连接，将所述分压电容c的电压值发送至控制台；所述管理台根据所述分压电容c的电压值与分压比k，计算获取输电线实际电压值。
[0018]
本发明的有益效果：本方法采用电容式传感进行输电线电压测量，避免使用传统电磁式电压互感器在高、低压端之间的电气绝缘遭受破坏，导致其绝缘效果变差，影响测量精度，造成测量结果不准确。本发明中外界环境因素如高度、空气、温度和湿度，也就是自然条件下的气候因素对分压比改变及其微小，可以忽略，从而保证本方法测量的输电线电压的精度，保证测量结构的准确性。
附图说明
[0019]
图1为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的基本流程示意图；
[0020]
图2为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的检测模块结构示意图；
[0021]
图3为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的电压传感检测电路图；
[0022]
图4为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的等值电容与高度关系图；
[0023]
图5为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的输电导线及其镜像图；
[0024]
图6为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的饱和湿空气与介电常数随温度变化率曲线图；
[0025]
图7为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的20℃下相对介电常数与相对湿度变化关系图；
[0026]
图8为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的电压测量实验装置图；
[0027]
图9为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的采样波形图；
[0028]
图10为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的稳定性测试结果图；
[0029]
图11为本发明一个实施例提供的一种输电线电压传感测量方法的不同高度采样波形图。
具体实施方式
[0030]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0031]
实施例1
[0032]
参照图1～7，为本发明的一个实施例，提供了一种输电线电压传感测量方法，包括：
[0033]
s1：建立输电线电压传感测量模型。
[0034]
将输电线和大地分别作为大电容的两个极板，将分压电容c置放置在大电容的两个极板之间，建立电压传感测量模型。输电线电压传感测量模型是将一个分压电容置于导线和大地之间，结合导线对极板的分布电容以及极板对地的分布电容实现对线路相电压的串联分压。当分压电容选定完毕，在安装条件符合要求的前提下分压电容上可以获得稳定的分压比，通过采集分压电容上电压即可推算出线路电压。
[0035]
s2：根据输电线电压传测量模型，计算分压电容c的电压与输电线电压的函数关系。
[0036]
基于电压传感测量模型，通过电压传感测量电路，对输电线的电压进行感应测量。
[0037]
电压传感测量电路包括分压电容c、第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1
和第二分布电容cg2，分压电容c的上极板通过节点1连接第一电容ch1，分压电容c的下极板通过节点2连接第二电容ch2，第一分布电容 cg1一侧通过节点1连接分压电容c的上极板，第一分布电容cg1另一侧连接第二电容ch2的下极板，第二分布电容cg2一侧通过节点2连接分压电容c。
[0038]
依据基尔霍夫定律，令δu＝u
1-u2，并计算分压比k，也就是分压电容c的电压与输电线电压的函数关系：
[0039][0040][0041][0042]
其中，δu表示分压电容c的电压，u表示输电线的电压，cm表示第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的电压，由于第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容 cg2为分压电容c的上极板或下极板与输电线或大地的分布电容，一般数值很小数量级为几个或几十pf，而分压电容c可以人为选取，属于已知常量，一般数值很小数量级达到μf级别)，简化后的计算表达式为：
[0043][0044]
也就是分压比k的变化程度决定了电压测量的准确性与稳定性，取决于 cm和c的变化情况。
[0045]
当输电线电压传感测量装置于线路上部署完毕后，其分压电容c的上极板和下极板相对架空线路的位置固定，第一分布电容cg1和第二分布电容cg2的大小不再变化，然而不同安装地点的输电线路其具体对地高度因杆塔、横担不同而产生变化，第一分布电容cg1和第二分布电容cg2的电容值会发生变化，定义a为第一分布电容cg1和第二分布电容cg2的电容值变化前和变化后的比值；
[0046][0047][0048]
其中，cg1表示第一分布电容cg1变化前的电容值，cg1'表示第一分布电容cg1变化后的电容值，cg2表示第二分布电容cg2变化前的电容值，cg2'表示第二分布电容cg2变化后的电容值。
[0049]
整体分压比k前后变化的比值，其计算表达式为：
[0050][0051]
其中，k表示整体分压比k变化前的值，k'表示整体分压比k变化后的值。
[0052]
考虑电容相对大小情况，分压电容c离导线较近、离地面较远，第一分布电容cg1和第二分布电容cg2的电容值比第一电容ch1和第二电容ch2的的电容值小1到2个数量级，因此整体分压比k前后变化的比值，简化后计算表达式为：
[0053][0054]
使得分压比尽可能不变，只需α≈1，即cg1、cg2保持不变。
[0055]
请参照图5，由于分压电容距离线路较近，因此极板对地分布电容大小可认为等于三相输电线路对地电容。三相架空输电线路对地电容可以通过镜像导体法计算得到，如图5中a’b’c’为abc三相线路的镜像导体，其计算方法是通过叠加原理计算出每相导线电位，再根据计算公式求出电容大小，其计算表达式为：
[0056][0057][0058]
请参照图5，导线半径1cm，相间距离50cm时其等值电容和线路高度的变化关系如图5。可以得出输电线等值电容随高度的关系是：输电线等值电容随高度的增加而不断减小，20米以后趋于稳定。
[0059]
以高度20米电容值为基准，电容变化率为0.5％时高度为1.7米；电容变化率为0.1％时高度为4米。一般10kv配网线路高度为12～15米，可以认为此时等值电容以趋于稳定，高度变化不影响分压比k，也就是高度变化不会影响本方法测量的精度。
[0060]
在室外雷电雨雪等恶劣天气将直接影响传感器的测量，具体影响主要作用于引起空气的相对介电常数的改变，进而影响各电容，也就是分压电容c、第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2的电容值，由平行板电容器电容计算公式：
[0061][0062]
当输电线电压传感测量装置安装完毕后，可以看做第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的极板面积和极板间距是个不变的常量，而第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的电容值与其间填充介质的相对介电常数成正比。
[0063]
由于第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2 四个电容的之间由空气填充，气候因此引起介质相对介电常数变化，此时第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的电容值将同步发生变化。
[0064]
将相对介电常数变化的因数定义为则c
′
＝βc，带入平行板电容器电容计算公式，其函数表达式为：
[0065][0066]
计算分压比k的变化倍数和空气相对介电常数的变化倍数关系，其计算表达式为：
[0067][0068]
由于分压电容c在实际使用中为焊接在电路板上的贴片电容，因此空气相对介电常数改变对其电容值没有影响，也不会影响分压比k，也就是空气变化不会影响本方法测量的精度。
[0069]
根据分析，气候因素对相对介电常数的影响还体现在温度与湿度上，空气相对介电常数和温度湿度的关系，其计算表达式为：
[0070][0071]
其中，t为温度，ρ
ω
为绝对湿度，p
t
为大气压，a、b和c为常数，其值在0-24ghz之间，其具体范围为：
[0072][0073]
请参照图6，由于绝对湿度等于饱和湿度和相对湿度乘积、饱和湿度取值和温度、气压有关，温度升高饱和湿空气的湿度值也上升。作其中介电常数变化率具体计算时以0℃取值为基准。
[0074]
请参照图7，当温度变化时，从0℃变化至100℃时，饱和湿空气相对湿度为100％相对介电常数值从1.0006变化至1.0025，最大变化率为0.2％，在误差允许范围内可以认为气温变化没有影响。气温变化不会影响分压比k，也就是气温变化不会影响本方法测量的精度。
[0075]
虽然介电常数随温度εr与相对湿度成线性变化关系，然而当相对湿度从0％增大至100％时，εr仅仅升高0.0001，升高幅度约为0.01％，因此湿度变化影响可以忽略。也就是湿度变化不会影响分压比k，也就是湿度变化不会影响本方法测量的精度。
[0076]
根据以上分析，本方法采用电容式传感进行输电线电压测量，避免使用传统电磁式电压互感器在高、低压端之间的电气绝缘遭受破坏，导致其绝缘效果变差，影响测量精度，造成测量结果不准确。本方法中外界环境因素如高度、空气、温度和湿度，也就是自然条件下的气候因素对本方法的分压比改变及其微小，可以忽略，从而保证本方法测量的输电线电压的精度。
[0077]
s3：通过检测模块100对实际测量分压电容c的电压值进行测量，并将电压值输入
管理台。
[0078]
检测模块100包括电压传感器101、通讯单元102和控制器103，其具体检测分压电容c的电压值的步骤为：
[0079]
管理台预先计算分压比k的值；
[0080]
通讯单元102与管理台建立双向远程无线连接；
[0081]
管理台发出第一信号，通讯单元102接收第一信号，并将第一信号输入控制器103；
[0082]
控制器103接收第一信号后，对电压传感器101发出测量指令；
[0083]
电压传感器101接收测量指令，并测量分压电容c的电压值。
[0084]
控制器103可以采用型号为msp430f5438a的微处理器，可以在输电网中不同区段的输电线中设置多组电压传感测量电路和检测模块100，采用本方法分别对各段输电线测量其电压，并且将测量结果输送至管理台，不仅能保证其测量精度，获取输电线电压更加方便。
[0085]
s4：管理台并根据分压电容c的电压与输电线的函数关系，计算获取输电线实际电压。
[0086]
管理台获取输电线的电压值的具体步骤为：
[0087]
电压传感器101将分压电容c的电压值输入控制器103，然后控制器103 将分压电容c的电压值输入通讯单元102；
[0088]
通讯单元102通过与管理台之间的双向远程无线连接，将分压电容c的电压值发送至控制台；
[0089]
管理台根据分压电容c的电压值与分压比k，计算获取输电线实际电压值。
[0090]
管理台能够通过远程控制的方法，对输电网中的某段输电线的电压值，进行电压传感测量，而且本方法中外界环境因素如高度、空气、温度和湿度，也就是自然条件下的气候因素对本方法的分压比改变及其微小，可以忽略，从而保证本方法测量的输电线电压的精度。
[0091]
实施例2
[0092]
参照图8～11，为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种输电线电压传感测量方法的实验验证，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0093]
请参照图8，为了探究高度、气候因素对电压传感器测量的影响，验证理论分析结果，采用高压发生器模拟架空线路搭建实验环境。
[0094]
其中导线由两根绝缘支架支撑和高压发生器连接，平行于地面布置。高压发生器产生工频正弦电压，有效值为10kv，并与导线连接导线表面电位。每次采样十个周波，采样率为1khz。
[0095]
请参照图9，传感器工作的稳定性是保证测量准确性的前提。为测量电压传感器工作的稳定性，召唤频率为每6分钟一组，从14时开始至15:36分共14 组。
[0096]
由图9可知采样波形图的波形为正弦，传感器能很好的恢复电压波形。对于回传的14组数据计算其有效值，如图10。
[0097]
14组数据的最大偏移误差计算为：
[0098][0099]
请参照图11，根据以上分析，电压传感器能很好的采集电压波形，并有良好的测量稳定性。
[0100]
为了验证高度分析结果，探究高度变化对测量的影响，高压发生器产生 10kv电压，不断改变对地高度h，观察波形并计算采集数据有效值。中为导线对地不同高度时的采集电压波形，数据如下：
[0101]
表1：高度测试结果表。
[0102]
传感器对地高度/m有效值/v0.60.730730.90.577631.20.521951.50.4523620.438443.50.4369650.43558
[0103]
由表1数据分析可知，当导线高度离地面距离不断升高时，分压电容电压的有效值随对地高度的增大而减小；当高度大于2m后，电压有效值变化率即可忽略不计。一般10kv城区配网线路高度在10米以上，因此因安装的线路不同而产生的的高度变化没有影响。
[0104]
为验证湿度变化对传感器测量的影响情况，装置周围喷施水雾，以此模拟湿度变化，并将喷水测试数据与干燥测试数据下作对比，结果如下表：
[0105]
表2：湿度测试结果表。
[0106][0107][0108]
所得结果计算有效值最大偏移误差为：
[0109][0110]
由于电压源有1％的偏差，因此可以得出结论，在误差允许范围内，湿度变化对测量没有影响。
[0111]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种输电线电压传感测量方法，其特征在于，包括：建立输电线电压传感测量模型；根据所述输电线电压传测量模型，计算分压电容c的电压与输电线电压的函数关系；通过检测模块(100)对实际测量分压电容c的电压值进行测量，并将所述电压值输入管理台；所述管理台根据所述分压电容c的电压值与输电线的函数关系，计算获取输电线实际电压。2.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：将输电线和大地分别作为大电容的两个极板，将所述分压电容c置放置在所述大电容的两个极板之间，建立电压传感测量模型。3.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：基于所述电压传感测量模型，通过电压传感测量电路，对输电线的电压进行感应测量；所述电压传感测量电路包括分压电容c、第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2，所述分压电容c的上极板通过节点1连接第一电容ch1，所述分压电容c的下极板通过节点2连接第二电容ch2，第一分布电容cg1一侧通过节点1连接分压电容c的上极板，第一分布电容cg1另一侧连接第二电容ch2的下极板，第二分布电容cg2一侧通过节点2连接分压电容c。4.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：依据基尔霍夫定律，令δu＝u
1-u2，并计算分压电容c的电压与输电线电压的函数关系，也就是分压比，其计算表达式为：式为：式为：其中，k表示分压比，δu表示分压电容c的电压，u表示输电线的电压。5.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：由于第一电容ch1、第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2为分压电容c的上极板或下极板与输电线或大地的分布电容，一般数值很小(数量级为几个或几十pf)，而分压电容c可以人为选取，属于已知常量，一般数值很小(数量级达到μf级别)，简化后的分压电容c的电压与输电线电压的计算表达式为：其中，k表示分压比，也就是分压电容c的电压与输电线电压之比，cm表示第一电容ch1、
第二电容ch2、第一分布电容cg1和第二分布电容cg2四个电容的电压，c表示分压电容的电压值。6.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：所述检测模块(100)包括电压传感器(101)、通讯单元(102)和控制器(103)，其具体检测分压电容c的电压值的步骤为：所述管理台预先计算分压比k的值；通讯单元(102)与管理台建立双向远程无线连接；管理台发出第一信号，通讯单元(102)接收所述第一信号，并将所述第一信号输入控制器(103)；控制器(103)接收所述第一信号后，对所述电压传感器(101)发出测量指令；电压传感器(101)接收测量指令，并测量分压电容c的电压值。7.如权利要求1所述的输电线电压传感测量方法，其特征在于：所述管理台获取输电线的电压值的具体步骤为：电压传感器(101)将所述分压电容c的电压值输入控制器(103)，然后控制器(103)将分压电容c的电压值输入通讯单元(102)；通讯单元(102)通过与管理台之间的双向远程无线连接，将所述分压电容c的电压值发送至控制台；所述管理台根据所述分压电容c的电压值与分压比k，计算获取输电线实际电压值。
技术总结本发明公开了一种输电线电压传感测量方法，包括，建立输电线电压传感测量模型；根据所述输电线电压传测量模型，计算分压电容C的电压与输电线电压的函数关系；通过检测模块对实际测量分压电容C的电压值进行测量，并将所述电压值输入管理台；所述管理台根据所述分压电容C的电压值与输电线的函数关系，计算获取输电线实际电压。本发明中外界环境因素如高度、空气、温度和湿度，也就是自然条件下的气候因素对分压比改变及其微小，可以忽略，从而保证本方法测量的输电线电压的精度，保证测量结构的准确性。的准确性。的准确性。
技术研发人员：王正浩 陈昊蓝 刘亚东 严英杰 王蒙蒙 潘昱辰 羅棟煌 靳冰莹 斯丹婷 梁继中 高昂 赵秋实 庞义奇 李昕翰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.05.31
技术公布日：2022/11/1
