可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置

技术领域

本发明涉及谐波电压测量技术领域，特别涉及一种可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置。

背景技术

在全球能源危机和环境问题不断加剧的背景下，建立新型电力系统，分布式可再生能源的接入和电力电子装置的渗透率大幅度提高，由此带来一系列谐波问题。电网中谐波电压的存在可能会对电力系统造成巨大的伤害，谐波电压可能引起变压器过热、引起电力电子设备的开关故障、引发电力系统中的谐波谐振和新能源发电大量脱网等重大问题，从而给社会秩序和社会经济造成不可估量的损失。架空线作为电力系统的重要组成部分，对其进行准确的谐波电压测量是保证电力系统安全稳定运行的关键技术之一。准确的谐波电压测量是获取电网谐波参数的重要前提和保证，继而对电力系统中的谐波状态评估、确定电网谐波水平和谐波源位置具有重要意义。基于对电网谐波和电能质量的一系列评估，有利于对电网谐波的治理提出合理有效的方法。现有的传统的电磁式电压互感器和电容式电压互感器均由于其铁磁元件的非线性特性，难以准确测量高压系统的谐波电压。电能质量分析仪等测量仪器受限于耐压值，只能用于400 V以下电压的谐波测量。目前，高压架空线的谐波电压缺乏准确有效的测量方法。架空线谐波电压测量存在着架空线的对地电容参数难以准确校准、测量受临近相影响而导致独立测量某一相架空线的谐波电压存在困难、幅值小的谐波电压难以准确测量等问题。因此，寻找一种可以消除临近相影响、具有自校准功能、不受限于谐波电压大小、结构简单、尺寸小、成本低、可大规模部署的谐波电压测量方法在架空线的状态监测中有着广泛的应用前景。

发明内容

为实时精准测量高压架空线的谐波电压，本专利设计了可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置，此装置还具有相对于基波电压的谐波放大特性，可用于高压架空线，实现电力谐波检测，进一步应用于谐波污染源确定和谐波污染治理等领域。本发明中使用双测量圆管结构可有效消除临近相导线对测量的影响，所采用的外加高频电压源自校准技术可根据架空线对地的不同高度进行对地电容参数自校准。本装置可应用于多种电压测量场景和复杂的地形环境。在通信技术方面，本装置使用蓝牙技术进行无线通讯，可使用手机或电脑终端接收被测电压信号，蓝牙通信方便组网，有利于实现电网谐波电压测量的智能化和数字化。本装置结构简单小巧，易于在电网中实现分布式安装，圆管表面光滑无棱角，不易发生电场畸变。

本发明中的测量装置包括：高压架空线导体、测量金属内圆管、测量金属内圆管左端绝缘部分、测量金属内圆管右端绝缘部分、切片电极、绝缘缝隙、测量电阻、测量金属外圆管、测量金属外圆管左端绝缘部分、测量金属外圆管右端绝缘部分、高频电压源模块、供电电源模块、电压测量模块、无线发射模块、金属盒、上位机信号接收和处理模块。

所述高压架空线导体用于悬挂整套测量装置；所述测量金属内圆管为空心圆柱形结构，测量金属内圆管两端为敞开式，分别使用测量金属内圆管右端绝缘部分以及测量金属内圆管左端绝缘部分进行支撑；所述绝缘部分使用圆形环氧板材料，中间设置孔供架空线穿过；所述切片电极为在测量金属内圆管上切下的长方形金属切片，将金属切片电极切下后使用所述绝缘缝隙对切片周围进行填充；所述测量电阻连接于切片电极和测量金属内圆管之间，其阻值可以根据测量需要进行选择；所述测量金属外圆管为主体圆柱形的空心结构，从中间切开分为两半，便于套在测量金属内圆管外部，用于屏蔽临近相导线对测量的影响，它两端采用圆锥形结构设计，并在末尾使用所述测量金属外圆管左端绝缘部分和所述测量金属外圆管右端绝缘部分进行支撑，绝缘部分均环氧板材料；所述测量金属外圆管两端的绝缘部分也在中间设置孔供高压架空线导体穿过；所述高频电压源模块发出频率和幅值均可调的电压信号，用于校准架空线对地电容参数，其一端接于高压架空线导体，另一端接于测量金属内圆管上；所述测量电阻上的感应电压使用电压测量模块进行测量，所述电压测量模块两端分别接在测量电阻两侧，其作用是获得并将感应电压信号波形传送至无线发射模块；所述无线发射模块使用蓝牙技术将所测电压波形信号发射至上位机，由电脑通过串口软件进行接收；所述金属盒用于存放上述各个电路和电源模块，保证其安全稳定测量，金属盒为半圆柱形空心结构，放置在测量金属内圆管内部；所述供电电源模块使用12V、16 V以及5 V多个电源对电压测量模块、无线发射模块以及高频电压源模块进行供电。

所述高压架空线导体、测量金属内圆管、切片电极和测量金属外圆管、测量金属盒均采用6061铝合金材料，导电性能好，重量轻，适合在架空线上悬挂测量；所述测量金属内圆管左端绝缘部分、测量金属内圆管右端绝缘部分、绝缘缝隙、测量金属外圆管左端绝缘部分、测量金属外圆管右端绝缘部分、绝缘缝隙均采用绝缘树脂材料，具有优良的绝缘性能和支撑性能。

所述上位机信号接收和处理模块包含USB转TTL模块和蓝牙接收端，二者组合后通过USB接口插入电脑端。在电脑端使用串口处理软件，将电压测量模块中单片机处理后的电压波形信号在电脑端进行接收。

信号接收完毕后，信号接收和处理模块将对所接收到的电压波形信号进行分析处理，具体包括：获取测量电阻两端的谐波电压信息后，通过编程对接收的信号进行快速傅里叶分解，获得感应电压中的基波分量、各次谐波分量和与外加高频电压源频率一致的谐波分量。根据等效电路图以及传递函数关系，使用与外加高频源频率一致的谐波分量计算出测量金属外圆管对地电容

可选地，在“使用与外加高频源频率一致的谐波分量计算出测量金属外圆管对地电容

自校准过程完成后，在等效电路中所有的参数均已知的前提下，根据等效电路即可获得该测量电路对不同频率电压的传递函数。在传递函数已知的情况下，利用对感应电压信号进行快速傅里叶分解后得到的感应电压中各次谐波分量

本发明所采用的测量装置可通过测量金属外圆管屏蔽外导线对测量结果的影响，提高校准和测量的可行性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置。使用外加电源法对架空线对地参数进行实时自校准；装置构成的等效电路具有相对于基波电压的谐波放大特性，有利于高次谐波电压的测量和外加电压源校准；使用双圆管的结构设计，测量金属外圆管可屏蔽外部导线对测量的影响；其次，测量金属外圆管面积较大导致对地电容大，有利于使用外加电源法进行自校准；所述各次谐波电压的测量中没有非线性因素的影响，所述高压架空线导体各次谐波电压的计算过程中的等效电路是线性的，因此提高了高压架空线导体各次谐波电压的测量准确度，蓝牙可实现远程监控高压架空线导体的各次谐波电压，有利于未来进行组网和提高电网数字化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例子式测量装置整体结构图；图2为本发明实施例等效电路模型原理图。

附图标记说明：1、高压架空线导体；2、测量金属内圆管；3、测量金属内圆管左端绝缘部分；4、测量金属内圆管右端绝缘部分；5、切片电极；6、绝缘缝隙；7、测量电阻；8、测量金属外圆管；9、测量金属外圆管左端绝缘部分；10、测量金属外圆管右端绝缘部分；11、高频电压源模块；12、供电电源模块；13、电压测量模块；14、无线发射模块；15、金属盒；16、上位机信号接收和处理模块；17、测量金属内圆管与切片电极之间的电容

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置，以实现准确测量高压架空线导体的谐波电压。

为实现上述目的，本发明提供了一种可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种可自校准和消除临近相影响的架空线谐波电压测量装置，包括：高压架空线导体1、测量金属内圆管2、测量金属内圆管左端绝缘部分3、测量金属内圆管右端绝缘部分4、切片电极5、绝缘缝隙6、测量电阻7、测量金属外圆管8、测量金属外圆管左端绝缘部分9、测量金属外圆管右端绝缘部分10、高频电压源模块11、供电电源模块12、电压测量模块13、无线发射模块14、金属盒15、上位机信号接收和处理模块16。

高压架空线导体1用于悬挂整套测量装置；测量金属内圆管2为空心圆柱形结构，两端均为敞开式，分别使用测量金属内圆管左端绝缘部分3以及测量金属内圆管右端绝缘部分4进行支撑；测量金属内圆管左端绝缘部分3以及测量金属内圆管右端绝缘部分4使用圆形环氧板材料，中间设置孔供高压架空线导体1穿过；切片电极5为在测量金属内圆管2上切下的长方形金属切片，将金属切片电极切下后使用绝缘缝隙6对切片周围进行填充；测量电阻7连接于切片电极5和测量金属内圆管2之间，其阻值可以根据测量需要进行选择；测量金属外圆管8为主体圆柱形的空心结构，从中间切开分为两半，便于套于测量金属内圆管2的外部，用于屏蔽临近相导线对测量的影响，它两端采用圆锥形结构，并在末尾使用测量金属外圆管左端绝缘部分9和测量金属外圆管右端绝缘部分10进行支撑，测量金属外圆管左端绝缘部分9和测量金属外圆管右端绝缘部分10均为环氧板，在中间设置孔供高压架空线导体1穿过。

高频电压源模块11发出频率和幅值均可调的电压信号，用于校准测量金属外圆管8的对地电容参数，其一端接于高压架空线导体1，另一端接于测量金属内圆管2上；测量电阻7上的感应电压使用电压测量模块13进行测量，电压测量模块13两端分别接在测量电阻7两侧，其作用是获得并将感应电压信号波形传送至无线发射模块14；无线发射模块14使用蓝牙技术将所测电压波形信号发射至上位机，由电脑通过串口软件进行接收；金属盒15用于存放上述高频电压源模块11、供电电源模块12、电压测量模块13、无线发射模块14，保证其安全稳定测量，金属盒15为半圆柱形空心结构，放置在测量金属内圆管2内部；供电电源模块12使用12 V、16 V以及5 V多个电源对电压测量模块13、无线发射模块14以及高频电压源模块11进行供电。

本发明提出的内外双层管加内部电路的设计能更加准确便捷且相对安全的对架空线谐波电压进行测量，测量金属内圆管2、切片电极5和测量金属外圆管8、测量金属盒15均采用6061铝合金材料，导电性能好，重量轻，适合在架空线上悬挂测量；测量金属内圆管左端绝缘部分3、测量金属内圆管右端绝缘部分4、测量金属外圆管左端绝缘部分9、测量金属外圆管右端绝缘部分10、绝缘缝隙6采用绝缘树脂材料，具有优良的绝缘性能和支撑性能。

上位机信号接收和处理模块16包含USB转TTL模块和蓝牙接收端，二者组合后通过USB接口插入电脑端。在电脑端使用串口处理软件，将电压测量模块中单片机处理后的电压波形信号在电脑端进行接收。接收后的电压波形信号将通过傅里叶分解获得测量电阻上的各次谐波电压。获取测量电阻7两端的谐波电压信息后，将通过等效电路计算出高压架空线导体1上实际的各次谐波电压。通过上述技术方案，可以实现高压架空线上电压测量信号的无线传输，蓝牙传输速率快，具有良好的抗干扰能力，便于组网，适应现代电力系统数字化和智能化的需求。

信号接收完毕后，信号接收和处理模块将对所接收到的电压波形信号进行分析处理，具体包括：通过编程对接收的信号进行快速傅里叶分解，获得感应电压中的基波分量、各次谐波分量和与外加高频电压源频率一致的谐波分量。根据等效电路图以及传递函数关系，使用与外加高频源频率一致的谐波分量计算出测量金属外圆管8对地电容

可选地，在“使用与外加高频源频率一致的谐波分量计算出测量金属外圆管8对地电容

自校准过程完成后，等效电路中所有的参数均已知，根据等效电路即可获得该测量电路对不同频率电压的传递函数。在传递函数已知的情况下，利用对感应电压信号进行快速傅里叶分解后得到的感应电压中各次谐波分量

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。