光电隔离的高压电压测量装置及应用方法

技术领域

本发明涉及一种线缆电压测量领域。更具体地说，本发明涉及一种用在对直流高压叠加交流电压信号的电缆进行电压测量时，应用的光电隔离的高压电压测量装置及应用方法。

背景技术

海洋监测网用于收集复杂多变的海洋信息，通常情况下海洋监测网由若干水下观测节点、骨干节点、信息装置、水下海底光缆等组成。而每个水下观测节点有传感器、信息收集转发传输设备、监控设备等组成，这些设备在日常的运营过程中消耗大量电能，而远程供电系统就是通过水下海底光缆中的导体，经海水和海洋接地装置回流，向观测节点、骨干节点、接入节点和业务设备等提供电源，是海洋监测网的重要组成部分。

但是，在实际的应用中，远程供电系统由于外力破坏，水下海底光缆可能产生断路，为了寻找断点故障，常常通过岸基电源作为测量装置对断点进行检测，岸基电源在作业时通常采用在直流高压(幅度高达18kV，量程一般高10％，18kV(1+10％)约20kV)上叠加一个交流电源信号(10Hz～50Hz信号，幅度200V)内信号的方式，海平面接收，以通过这种方式找出水下海底光缆断点，对其进行维修；同时从安全角度考虑，在测量时需要电气上完全隔离，测量才能实现一定精度。

现有的高压测量，通常采用的是电磁式互感器，其只能对纯交流信号进行测量，但这种设置应用在高压交流上时(幅度高达20kV)，设备体积大，应用于通信领域时，通用性不强，而将互感器用于低压交流测量时，通过需要将磁芯穿过互感器来测量，其缺点在于不能直接对交、直流进行同时测量；而通信领域中，对于直流高压叠加交流电压信号的线缆，需要对交流的幅度、频率进行测量，以实现高精度的测量。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种光电隔离的高压电压测量装置，包括：

具有直流高压叠加交流电压信号的待测电缆；

与待测电缆连接的高压采样端；

通过光纤链路与高压采样端通信连接的低压测量端；

通过通信接口与低压测量端通信连接的上位机；

其中，所述高压采样端设置有与光纤链路连接，以将采样的高压电的模拟信号转换成对应数字信号的AD转换模块；

所述低压测量端上设置有与光纤链路连接的主控模块，且所述主控模块上设置有发光模块，所述发光模块通过相配合的导光柱与高压采样端的电源模块连接；

所述直流高压叠加交流电压信号为：高压直流幅度0kV～20kV，叠加交流电源频率10Hz～50Hz，幅度200V内。

优选的是，所述光纤链路被配置为包括设置在高压采样端、低压测量端上的光传输模块Ⅰ、光传输模块Ⅱ；

所述光传输模块Ⅰ、光传输模块Ⅱ通过相配合的光纤连通。

优选的是，所述高压采样端被配置为还包括：采样电路以及与其相配合的调理电路；

其中，所述采样电路被配置为采用电阻；

所述调理电路被配置为采用差分电压放大器；

所述电源模块被配置为包括：光伏元件，以及与其配合的DC/DC电路；

所述AD转换模块被配置为包括AD转换器以及与其相配合的FPGA；

主控电路被配置为采用CPU。

一种高压电压测量装置的应用方法，包括：

S1，低压测量端的主控模块通过发光模块产生相应的激光信号，通过导光柱传导高压采样端的电源模块，电源模块的光伏元件将光能转换成电能，通过DC/DC为高压采样端各部件提供工作电压；

S2，低压测量端基于被测交流电源频率，对采样频率、采样周期进行设定；

S3，高压采集端将采集的高压电压信号转换成光信号后传输给低压测量端；

S4，低压测量端在完成采样后，通过主控电路对采集的光信号进行计算，求出高压直流幅度Uz、交流幅度Uj、交流频率。

优选的是，在S2中，所述采样频率为500Hz，采样周期为2ms，对于频率为10Hz～50Hz的交流信号，其最大周期需要100ms，，连续采用50个数据。

优选的是，在S3中，在高压电压信号转换成光信号后之前，需要对采样电阻采集的电信号通过差分电压放大器进行滤波、冷端补偿。

优选的是，在S4中，所述高压直流幅度Uz的计算方法为：

S41，对于不同的交流频率，周期内具有对应的多个电压值，记为Vn，n＝1、2、3……50，在Vn中找出Umax和Umin；

S42，基于以下公式求得直流参考电压Uck：

Uck＝(Umax+Umin)/2；

S43，通过Vn与Uck的差值，找以“正变负”或“负变正”的3个“过零点”，统计相邻过零点之间的电压值个数，如果个数相等，则将第1个“过零点”和第3个“过零点”的电压数值做算术平均得到直流幅度Uz。

优选的是，在S4中，所述交流幅度Uj、交流频率的计算方法为：

S43，第1“过零点”到第3“过零点”之间的时间间隔就是交流信号周期，交流频率为交流信号周期的倒数；

S43，在第1“过零点”到第3“过零点”之间的电压值数据中找出Vmax和Vmin；

交流幅度Uj基于以下公式获得：

交流幅度：Uj＝(Vmax-Vmin)/2。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过高压采样端进行直流/交流叠加的高压信号采样，通过光纤链路既传递至低压测量端进行处理，实现信号电隔离问题，进一步低压测量端的发光信号通过导光柱输送至高压采样端，电源模块感光产生电力供高压采样端的各部件使用，实现电源的电隔离，保证装置的安全性。

其二，本发明装置具有抗干扰能力强、输动态范围大、响应速度快、体积小、重量轻等特点，适用于需要高电压隔离的中低速、高精度的检测和控制场合。

其三，本发明的应用方法，通过低压测量端的信息处理，能计算得到高压直流幅度Uz、交流幅度Uj、交流频率，完成对交流叠加的高压信号测量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明光电隔离的高压电压测量装置的组成框图；

图2为本发明交流叠加高压信号的电源电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明针对于现在岸基高压电源发出信号，需要准确测量才能控制的问题，提供了一种光电隔离的高压电压测量装置，该装置是岸基电源的重要组成部分，主要解决对于高电压附加相对低交流信号进行同时测量的问题，减少互相干扰，而且不额外增加器件。

图1示出了根据本发明的一种光电隔离的高压电压测量装置的实现形式，其中包括：

具有直流高压叠加交流电压信号的待测电缆；

与待测电缆连接的高压采样端1；

通过光纤链路2与高压采样端通信连接的低压测量端3；

通过通信接口4与低压测量端通信连接的上位机5；

其中，所述高压采样端设置有与光纤链路连接，以将采样的高压电的模拟信号转换成对应数字信号的AD转换模块6；

所述低压测量端上设置有与光纤链路连接的主控模块7，且所述主控模块上设置有发光模块8，所述发光模块通过相配合的导光柱9与高压采样端的电源模块10连接；

光纤链路被配置为包括设置在高压采样端、低压测量端上的光传输模块Ⅰ11、光传输模块Ⅱ12

所述光传输模块Ⅰ、光传输模块Ⅱ通过相配合的光纤13连通。

所述高压采样端被配置为还包括：采样电路14以及与其相配合的调理电路15；

本方案中，采样电路采用高精度高压电阻组成，电阻取样的温度效应、传感灵敏度、线性度等特性均十分优良；

调理电路由仪表放大器及其外围组成，将被检测信号放大至合适的范围。仪表放大器是专门设计而成的高精密差分电压放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移等特点。完成信号滤波作用、冷端补偿作用；

AD转换模块由AD转换器、FPGA和及其外围电路组成，AD器件具有良好的精度、线性度和温度特性。AD的输入信号范围为-5V～5V，FPGA完成采样、数字化、传输的逻辑控制；

光纤链路，由光传输模块、光纤组成，光纤是极好的绝缘体，所以在光纤链路的发送和接收端没有直接的电联系。实现信号电隔离，光传输模块的任务是将FPGA发来信息，“电-光”转换后经光纤发送至低压测量端。把低压测量端发来信号经“光-电”转换后发给FPGA；

电源模块由光伏元件、DC/DC及其外围电路组成，把导光柱发送的光转换成电源，供高压侧使用，同时高压侧电路采用低功耗设计，其功率小，已经能满足，实现电源隔离，满足装置安全性要求；

低压测量端部分由主控模块、光传输模块、显示、电源、显示、以太网接口等组成。光传输模块把高压侧的信号完成“光-电”转换后发给主控，CPU采用GD32系列，运行信息分析处理程序，完成判决处理、通信控制等，发到“显示模块”实时LCD显示高压侧参数(如直流幅度、交流幅度、交流频率等)，需要时通过以太网接口上报信息给上位机，或者通过以太网接口接收上级指令。发光模块可以是激光器，将发射的激光并入导光柱，为高压侧提供能源。

一种高压电压测量装置的应用方法，包括：

S1，低压测量端的发光模块激光二极管产生的激光信号，激光具有能量密度高优点，发光模块的激光二极管具有体积小、重量轻、寿命长和效率高的特点，激光二极管发射的激光并通过光学系统传输出去，通过导光柱传导至高压采样端的电源模块，电源模块的光伏元件将光能转换成电能，通过DC/DC为高压采样端各功能电路提供工作电压；

S2，低压测量端基于被测交流电源频率，对采样频率、采样周期进行设定；

S3，高压采集端将采集的高压电压信号转换成光信号后传输给低压测量端；

S4，低压测量端在完成采样后，通过主控电路对采集的光信号进行计算，求出高压直流幅度Uz、交流幅度Uj、交流频率。

具体来说，本发明的高压直流幅度0kV～20kV，叠加交流电源频率10Hz～50Hz，幅度200V内，其电压波形示意图见图2。交流电源频率10Hz～50Hz，按采样定理要求，选择采样频率500Hz。即采样周期2ms。被测交流信号频率(10Hz～50Hz)，最大周期100ms，需连续50个数据才能准确频率和幅度。在高压侧已经完成数字化处理。低压测量端完成分析处理程序，完成判决校准处理等。

a)、求出高压直流幅度Uz

当交流频率10Hz，其周期100ms，采样周期2ms，需要50个电压值，记为V1、V2、…V50，当交流频率50Hz，多个周期，见图2所示，直流参考电压Uck，在电压值V1、V2、…V50中找到Umax和Umin。

Umax＝max(V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V7，…V50)；

Umin＝min(V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V7，…V50)；

Uck＝(Umax+Umin)/2；

分别求出V1-Uck，V2-Uck，...V50-Uck之差，找出“正变负”或“负变正”的3个“过零点”，分别计算第1个“过零点”和第2个“过零点”的之间电压数值个数，第2个“过零点”和第3个“过零点”的电压数值个数，如果二者相等，满足正弦信号“过零点”上下对称性，此时求出第1个“过零点”和第3个“过零点”的电压数值算术平均值，即直流幅度Uz。

b)、求出交流幅度Uj和频率

利用在a)中找出的“正变负”或“负变正”的3个“过零点”，第1“过零点时间到第3“过零点”之间间隔就是交流信号周期。其倒数即为交流频率。

利用在a)中找出的“正变负”或“负变正”的3个“过零点”，第1“过零点时间到第3“过零点”之间电压值数据，找出Vmax和Vmin。

交流幅度：Uj＝(Vmax-Vmin)/2。

由于高压电源现场使用中，电压和频率实时变化中，上述随时过程在实时计算。

c)、电压值校整补偿

采样选用的是高精度高压电阻变比(2000:1)，存在高电压效应，会产生误差，影响测量结果，采取预先测试取样电阻“电压-阻值”的曲线，绘制电压补偿曲线，对前面测量结果进行补偿和校准，保证装置测量准确度。

测量结果输出到LCD显示模块，实时刷新显示数据，并主控模块实时记录电压和频率动态情况。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。