CN106104282A - 一种基于参考能量的电气测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于参考能量的电气测量方法，包括以下步骤：从待测电路中采集一个第一参考信号，第一参考信号为电流信号或电压信号；将第一参考信号和一个第二参考信号相乘，获得参考功率，第二参考信号为电压信号或电流信号；将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能；根据参考电能判断电气状态。本申请从各时间段电气能量角度实现电气检测和故障诊断，特别是针对电气隐患的中早期预警分析，降低电气检测难度。

Description

一种基于参考能量的电气测量方法

本申请要求于2014年8月28日提交中国专利局、申请号为201410445704.X、发明名称为“一种基于能量的电气测量方法及装置”的中国专利申请以及于2014年8月28日提交中国专利局、申请号为201410445703.5、发明名称为“一种针对单独电压或电流的基于能量的电气测量方法及装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及电气测量技术领域，尤其涉及一种基于参考能量的电气测量方法。

背景技术

在当今许多电气检测工作过程中，一些重要电气故障参数比较难用现有仪器直接测量，有些电气参数在停电检修期与运行期的状态特征差别很大。绝大多数电气工作状况及故障状况可通过电流、电压等参数准确地描述反映，但电流、电压是时变性暂态参数。特别是非金属性绝缘故障的异常电流、电压随时间变化很大，绝大多数电气隐患早期阶段，暂态电气参数大部分时间内是正常的，异常事件的产生具有统计学意义：随着时间的推移，出现的频率越来越高、数值逐渐变大。

从50年代开始，根据我国电力设备预防性试验规程规定，对电力设备 进行定期停电试验、检修和维护，但定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些缺陷反映也不够灵敏；当前电力设备维修制度正向状态维修方向发展。一些新的电气在线故障监测技术在国内外获得广泛应用，其中包括变压器、线路、电动机、电容器等系列微机型综合测控保护(简称：微机综保)产品及技术发展的已经非常成熟，但目前缺乏隐患中早期在线监测装置和技术；故障录波技术，是目前采用较多的一种电气在线故障监测技术手段，它通过实时检测记录电流、电压等时变性暂态参数在故障期间实际采样点组成的波形图反映故障情况。但是故障录波需要存储大量的数据，如果50Hz工频电气信号的单周期(20毫秒)基波用12个16位字组成波形数据，一组长仅10分钟电流及电压的故障录波波形数据需要存储144万字节。另一方面，电气异常参数值一般远小于故障定值，在故障录波监测的范围之外，扩展到异常录波会造成更加海量的数据需要存储处理，这显然不是嵌入式微控制器***的优势所在。

针对单独的电压或电流信号的检测，除了故障录波技术，还有利用电压积分和电流积分的方法。例如：日本丰田自动车株式会社在中国申请的发明专利《能够检测驱动电路中流过电流的异常的电源装置》(专利号为：CN200510079921)，采用电流对时间的积分计算，通过该积分与阀值的比较，判断电流是否异常；日本古河电气工业株式会社的发明专利《蓄电设备的状态检测方法及其装置》(专利号：CN201080036072)，采用电压对时间的积分计算，使用该电压积分作为蓄电池的蓄电状态量。美国通用汽车环球科技运作有限责任公司的发明技术《过量电流检测控制方法》(专利号： CN201110311305)，也是采用电流对时间的积分值，判断是否超过阀值，启动相关控制行为。洛式线圈(也译为罗氏线圈)是近年出现的新技术产品，也采用微分积分计算。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本申请提出了一种基于参考能量的电气测量方法。

本申请提出的一种基于参考能量的电气测量方法，包括以下步骤：

从待测电路中采集一个第一参考信号，第一参考信号为电流信号或电压信号；

将第一参考信号和一个第二参考信号相乘，获得参考功率，第二参考信号为电压信号或电流信号；

将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能；

根据各时间段参考电能判断电气状态。

优选地，当电气状态异常时，对异常的判断包括以下步骤：

对异常所在时间段进行细化，分解为多个时间分段；

对每一个时间分段参考电能进行分析比较，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。

优选地，第二参考信号为预设常量。

优选地，第二参考信号为由外设的人工辅助模块产生的辅助信号。

一种基于参考能量的电气测量方法，包括以下步骤：

获得至少一个初始信号对，每一个初始信号对由一个从待测电路中采 集的第一参考信号和一个第二参考信号组成，第一参考信号为电流信号或电压信号，第二参考信号为电压信号或电流信号，且至少一个初始信号对中的第一参考信号和一个第二参考信号为具有相位关系的同源信号；

将每一个初始信号对中的第一参考信号和第二参考信号相乘，获得对应的参考功率；

将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能；

根据参考电能判断电气状态。

优选地，把初始信号对(特别是具有相位关系的信号对)连接到微控制器内嵌的电能计量模块或外部电能计量芯片，获得以参考电能为核心的包含各种有功参数和无功参数在内的高精度电气参数集合，根据电气参数集合多方位判断电气状态。

优选地，当电气状态异常时，对异常的判断包括以下步骤：

对异常所在时间段进行细化，分解为多个时间分段；

对每一个时间分段参考电能进行分析比较，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。

在本申请中，对电压和电流进行乘积及该乘积(功率)对时间的积分等数据采集计算处理，把易随时间消失的时变性暂态电压及电流等参数，转换为不随时间消逝而丢失的具有累积可量化特性的统计型参考电能参数，并针对初始信号对获得相关的大量可参考参数组成的高精度电气参数集合，其中以参考电能参数为核心。通过参考电能数值的相互比较(分析异常发展变化趋势)和自我比较(判断异常是否产生及异常严重程度)，结合电气监测对象的实际工作状况和环境因素，判断已经是否产生电气故障。 如果已经产生电气故障隐患，则进一步详细分析各不同时段内的故障隐患及变化趋势，根据不同时段的参考电能数值差异，判断并判断该隐患产生于不同时段使用的某些具体电气设备，还是产生于电气线路。

在本申请中，把单独的或成对的暂态电压、电流信号，造转生成参考功率，再将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得各时间段参考电能。电气能量是一种能够简单直接的定量衡量电气监测对象工作状况的重要电气参数，被无可争议地作为电量计费的核心依据，在电气检测技术领域，电气能量参数体现了包含异常隐患的电流、电压信号在各时间段的总量积累，在时间轴线上对电气隐患进行总量分析具有其它电气参数难以替代的优势。

与技术背景中所述美国通用汽车环球科技运作有限责任公司等申请的电流积分法、电压积分专利方法相比，本申请一方面把电流积分法和电压积分两个不同抽象方法统一成人们熟知的能量概念相关的参考能量方法，另一方面通过构造具有相位关系的电压电流信号对，结合高精度DSP电能计量模块、电能计量芯片等成熟现有技术，直接获得包含多个有功、无功参数组成的电气参数集合，实现多方位判断分析电气状态，特别是针对电气隐患的中早期预警分析，降低电气检测难度，获得了一种能够沿时间轴线进行总量统计、分段分析的高精度电气检测方法。

附图说明

图1为实施例1中基于参考能量的电气测量方法流程图；

图2为实施例3中基于参考能量的电气测量方法流程图。

具体实施方式

本申请中，同类信号指同属于电压信号或电流信号，如零序电流、剩余电流、相电流为同类信号，零序电压、相电压、人工辅助电压为同类信号；同源信号指从同一条母线输出的电流信号和电压信号，同源信号之间具有相位关系；参考能量指主要具有参考意义的一种能量，本文件既包括虚拟构造的电气能量，也包括具有实际电气意义的电气能量，统称为参考能量(本文指参考电气能量或简称参考电能)；参考功率指与参考能量相对应的功率。

实施例1

本实施例1提供的基于参考能量的电气测量方法，包括以下步骤：

S11、从待测电路中采集一个第一参考信号。

在本实施例中，第一参考信号为剩余电流。

S12、将第一参考信号和一个第二参考信号相乘，获得参考功率。

第二参考信号一般为定值常量K，具体可取值单位电压1V或1A的10的N次方倍，N为整数，例如针对微弱的外部输入的单独第一参考信号时，一般可取N为1、2、3等正整数，实现放大作用。反之，N为-1、-2时，实现缩小作用。N＝0时，即是K取值单位电压1V或1A。在有些情况下，特别是针对电流类信号的测量计算时，K取值与电气监控对象内合适的电压值相关联，会有实际的电气物理意义，如市电网取K＝220V，动力电池可根据其电压标称值取K＝48V或24V等。

S13、将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能。

S14、根据各时间段参考电能分析判断电气状态。

其中，当电气状态异常时，对异常的判断包括以下步骤：对异常所在时间段进行细化，分解为多个时间分段；对每一个时间分段参考电能进行分析比较，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。

本实施例1中，参考电能为积分信号，积分信号是一个累加量，在产品用户程序的实际计算中，积分计算可通过微小时间单位的累加计算实现的。

在一个大的时间范围内，可以分成若干预设时间段，例如1年可以分成12个月，一个小时可以分成60个分钟段等，预设时间长度越小，越容易获得电气隐患的细微变化量。具体地，可通过对较长的时间段积分进行初步的隐患判断，然后对隐患所在的时间段进行细化，生成时间分段但又彼此连续的以月、日、小时甚至分钟等不同时间级别的参考电能的冻结数据；再通过以各时间段的参考电能的冻结数据，监测电气异常隐患的发生、隐患点位置辅助识别、隐患程度及隐患发展趋势分析，实现电气安全隐患监测预警。

以下结合一种具体的电气测量***对该基于参考能量的电气测量方法进行解释。

本实施例提出的一种电气测量***包括：信号采集模块、控制处理模块和输入模块，其中：

信号采集模块用于采集剩余电流作为第一参考信号；

控制处理模块与信号采集模块连接，其用于接受第一参考信号并将第一参考信号与预设的第二参考信号即定制常量K相乘获得参考功率，采用电压标准值的整数倍如100V或220V，在220V单相供电***尽量取 K＝220V。控制处理模块对参考功率进行积分运算，获得预设时间长度内产生的积分数值作为参考电能并进行存储冻结，然后根据各个时间段内的参考电能对电气状态进行判断；

输入模块与控制处理模块连接，其可用于输入操作指令，第二参考信号也可通过输入模块进行预设。

参考功率为电流信号与电压信号的乘积，本实施例中第一参考信号采用电流信号，第二参考信号采用电压信号；具体实施时，也可第一参考信号采用电压类信号，第二参考信号采用电流信号，例如，第一参考信号采用由待测电路采集的泄露电压，第二参考信号采用电流标准值的整数倍如1A。

本实施例涉及的参考电能，大多数情况下不是电气监测对象中实际存在的直接物理电气能量，而是虚拟而成的参考能量，但与电压积分或电流积分成线性比例关系。

在任意时间段内，外部输入的单独电压信号或电流信号数值的连续性大小强弱总量积累，决定着参考电能的数值。反之，任意时间段内，其参考电能的数值大小，也直接反映出外部输入的单独电压信号或电流在该时间段内总的程度变化(量变)和性质变化(质变)。

预设的第二参考信号K除为上述定制常量，本专利也包括K可为有规律的变量等其它能够实现相同效果的参量。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别在于，第二参考信号为由装置内部设置的人工辅助模块产生的辅助信号。

本实施例2提供的用于实施上述基于参考能量的电气测量方法的电气测量***包括：信号采集模块、控制处理模块、人工辅助模块和输入模块，其中：

信号采集模块用于采集车载动力电池的输出端电压作为第一参考信号，人工辅助模块用于产生一个辅助信号作为第二参考信号；

控制处理模块分别与信号采集模块和人工辅助模块连接，其接收第一参考信号和第二参考信号，并将第一参考信号和第二参考信号相乘获得参考功率。控制处理模块对参考功率进行积分运算，获得预设时间长度内产生的积分数值作为参考电能并进行存储，然后根据各个时间段内的参考电能对电气状态进行判断；

输入模块与控制处理模块连接并可用于输入操作指令。

本实施例2中的控制处理模块可采用电能计量芯片实现。

参考功率为电流信号与电压信号的乘积，本实施例2中第一参考信号采用电流信号，第二参考信号采用电压信号；具体实施时，也可第一参考信号采用电压信号，第二参考信号采用电流信号，例如，第一参考信号采用由待测电路采集的剩余电压，第二参考信号采用电流标准值的整数倍如1A。

本实施例2中的电气测量***还包括显示模块和通讯模块，其中，控制处理模块可通过各个时间段的参考电能数值的分析比较，结合电气监测对象(动力电池)的实际工作状况和环境因素，判断已经是否产生电池故障隐患，例如停车状态下，产生较大负方向变化(电压下降方向)的参考电能，则电池的电压存在明显漏电或电池性能下降。根据不同具体时段的 参考电能数值差异，进一步详细分析各不同时段内的隐患程度及其变化趋势，然后通过显示模块和通讯模块对外输出检测结果，并记录存储相关事件数据，同时根据电气隐患严重程度及时预警报警或启动保护动作，防范电气故障恶化发展。

本实施例2提供的电气测量***特别适用于电气隐患中早期监测，由于电气隐患中早期产生的异常现象比较微弱，但高精度采集处理产生的参考能量具有“积少成多”特点，可通不同时间段内的参考电能累积量的差异识别判断。

实施例3

本实施例3重点针对：三相供电***的“零序电压×零序电流”，单相供电***的：“剩余电流×相电压”。

本实施例3提供的基于参考能量的电气测量方法，包括以下步骤：

S31、获得不少于一个初始信号对，每一个初始信号对由一个从待测电路中采集的第一参考信号和一个第二参考信号组成，第一参考信号为电流信号如零序电流、剩余电流、相电流等，第二参考信号为电压信号如零序电压、相电压等，且至少一个初始信号对中的第一参考信号和一个第二参考信号为同源信号(本实施例3中为零序电流和零序电压)。

S32、本实施例3中结合现有电能计量芯片技术，将各信号对分别连接到控制处理模块包含的电能计量芯片子模块(包括独立的电能计量芯片和微控制器内嵌的电能计量模块)对应输入管脚，通过电能计量芯片子模块将每一个初始信号对中的第一参考信号和第二参考信号相乘，获得对应的参考功率；

S33、利用电能计量芯片技术，将参考功率进行时间积分，获得预设时间长度内的参考电能；

S34、控制处理模块根据参考电能判断电气状态；

其中，当电气状态异常时，对异常所在时间段的参考电能进行细化，分解为多个时间分段；对每一个时间分段参考电能进行分析比较并存储，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。

该基于参考能量的电气测量方法中，由于至少一个参考功率为由同一条母线输出的同源信号相乘获得，同源信号之间存在相位角，故而可获得多种有功电气参数和无功电气参数，形成丰富的电气参数集合，以便对电气状态进行多方位判断。

本实施例3提出的一种用于实施该基于参考能量的电气测量方法的电气测量***包括：第一信号采集模块、第二信号采集模块、控制处理模块、输入模块、显示模块和通讯模块，控制处理模块分别与第一信号采集模块、第二信号采集模块、输入模块、显示模块和通讯模块连接，其中：

第一信号采集模块用于采集电流信号如零序电流、剩余电流、相电流、等作为第一参考信号；第二信号采集模块由于采集电压信号如零序电压、相电压等作为第二参考信号；

控制处理模块从第一信号采集模块和第二信号采集模块分别获得不少于一个第一参考信号和不少于一个第二参考信号，并对第一参考信号和第二参考信号进行配对相乘获得参考功率，如“零序电流×零序电压”、“剩余电流×相电压”、“相电流×相电压”等。控制处理模块对每一个参考功率进行积分，获得多个参考电能。

由于同源信号存在相位角，控制处理模块可根据第一参考信号、第二参考信号，将电流电压进行乘积，并对时间进行积分计算，获得参考电能，并获得以参考电能参数为核心的系列可参考电气参数以生成电气参数集合。电气参数集合中的系列参数精度高、数量丰富，包括各种正反向有功无功参考电能、功率、功率方向等电气能量参数，及反映实时状态的基波及各种谐波电压、电流等电气参数。其中的电气能量参数可以具有或者不具有实际物理电气意义，但可以直观反映出电气监测对象的工作状况及隐患程度(量变)、隐患性质变化(量变到质变)及其变化趋势，可作为对电气监测对象工作状况检测、隐患诊断及其变化趋势分析预警的核心依据。

然后控制处理模块通过显示模块和通讯模块对外输出检测结果，并记录存储相关事件数据，同时根据电气隐患严重程度及时预警报警或启动保护动作，防范电气隐患恶化发展。输入模块可用于输入操作指令，输入模块具体可采用按键模块或触摸屏。

本申请采用以参考电能参数为核心的系列可参考电气参数，针对不同的具体的电气检测技术要求，可设计各种具体实现形式。

本实施例3中配对的“零序电压×零序电流”乘积组合信号对，结合电能计量芯片，把易随时间消失的时变性暂态零序电压及零序电流等参数，转换产生出零序参考电能冻结数据，并获得与零序相关的正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能、有功功率及其方向、无功功率及其方向、电压、电流、相角、频率，及细化的参考基波有功电能、基波有功功率、谐波有功电能、谐波有功功率、谐波无功电能、谐波无功功率、基波电压、谐波电压、基波电流、谐波电流、基波功率因数、谐波 功率因数等大量高精度电气参数。根据实际具体技术需求，从中选择合适的部分参数，再通过控制处理模块计算，获得绝缘阻抗、容抗、介质损耗角等合适的二次加工参数，两部分不同来源参数数据共同组成系列可参考电气参数集合，其中以参考电能参数为核心。

本实施例3中，配对的“剩余电流×相电压”乘积组合，通过电能计量芯片的分析处理，得到以参考电能参数为核心的系列可参考电气参数集合。对于单相供电***，对分析电气绝缘隐患及电气火灾隐患状况非常重要，通过其中的有功电能Ep、有功功率P、剩余电流Is和相电压U等，获得该线路绝缘阻抗Rj。

Rj＝U×U/P   (U是单相供电***的相电压)

在本实施例3中，针对“剩余电流×相电压”乘积组合产生的剩余电流参考有功电能，基本上属于通过对地阻抗的泄露电能，用C语言定义一个描述全天总时段及各子时段的参考有功电能结构体变量Day_Ep，其中本申请的权利要求保护范围并不局限于这些具体数字：

正常工作期间，对电气监测对象每小时记录存储一组可参考电能参数中的参考有功电能Ep，分别记录每天各小时段产生的剩余电流阻性成分相关有功电能Day_Ep.hour[n](其中0＝<n＝<23)和每天测试的总泄露有功电 能Day_Ep.total，每天记录存储并显示。如果某天的该有功电能Day_Ep.total数值比其它天产生的有功电能Day_Ep.total数值明显增大，进一步比较各小时段有功电能Day_Ep.hour[n]，判断是否因阴雨等环境因素影响导致。

如果判断已经产生了电气绝缘隐患，则进一步详细诊断处理，启用更细分的如以分钟为最小时间单位的有功电能结构体变量成员：Day_Ep.minute[i](其中0＝<i<60)，详细分析电气监测对象的隐患程度及隐患变化趋势，并根据不同时段的有功电能数值差异，辅助管理人员准确判断该隐患产生于不同时段工作使用的某些具体电气设备，还是产生于始终工作的电气线路，防范电气故障隐患恶化发展。

实施例4

本实施例4与实施例3的区别在于，本实施例4提供的用于实施上述基于参考能量的电气测量方法的电气测量***还包括一个人工辅助模块，其与控制处理模块相连。从电学角度，电流信号经过取样电阻也转换成电压信号，所以与电能计量芯片和ADC模数转换芯片等模拟输入管脚实际采集的都是电压信号，所以人工辅助模块提供的辅助信号实际是电压信号，可利用包括分压电路、稳压输出芯片等方式实现。

本实施例4中，人工辅助模块提供的辅助信号，与外部采集的电流类信号或电压类信号均能配对组合。实际上是一个独立的通过对电流统计进行监测分析的工具。通过与人工辅助信号配对的乘积组合产生的众多电气参数中，一般无相位关系，因相位的失配，其有功、无功等参数变得无实际意义，但功率和电能是有着重要参考意义的虚拟参考功率和参考电能。

实施例3和实施例4通过设计一套把时变性暂态电压、电流参数，转 换为以在时间轴线总量累积的电气能量参数为核心的系列可参考电气参数集合，多方位对电气监测对象的工作及异常状态进行实时监测及诊断分析的技术方法。从电气能量角度实现电气检测和异常诊断，特别是针对电气隐患的中早期监测预警分析。电气隐患早期产生的异常现象比较微弱，可以通过高精度采集技术，分时段积分统计累积成总量参数，再运用相互比较和自我比较手段进行分析判断；而电气隐患中后期，多种监测模式及不同时间段细分方法相结合，增加使用趋势分析等手段进行诊断分析，能更清楚地反映隐患原因、隐患恶化程度及其发展趋势。

参考功率为电流信号与电压信号的乘积，以上两个实施例中第一参考信号采用电流信号，第二参考信号采用电压信号；具体实施时，也可第一参考信号采用电压信号，第二参考信号采用电流信号。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其申请构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种基于参考能量的电气测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

   从待测电路中采集一个第一参考信号，第一参考信号为电流信号或电压信号；

   将第一参考信号和一个第二参考信号相乘，获得参考功率，第二参考信号为电压信号或电流信号；

   将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能；

   根据各时间段参考电能判断电气状态。
2. 如权利要求1所述的基于能量的电气测量方法，其特征在于，当电气状态异常时，对异常的判断包括以下步骤：

   对异常所在时间段进行细化，分解为多个时间分段；

   对每一个时间分段参考电能进行分析比较，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。
3. 如权利要求1所述的基于参考能量的电气测量方法，其特征在于，第二参考信号为预设常量。
4. 如权利要求1所述的基于参考能量的电气测量方法，其特征在于，第二参考信号为由内设的人工辅助模块产生的辅助信号。
5. 一种基于参考能量的电气测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

   获得至少一个初始信号对，每一个初始信号对由一个从待测电路中采集的第一参考信号和一个第二参考信号组成，第一参考信号为电流信号或电压信号，第二参考信号为电压信号或电流信号，且至少一个初始信号对 中的第一参考信号和一个第二参考信号为具有相位关系的同源信号；

   将每一个初始信号对中的第一参考信号和第二参考信号相乘，获得对应的参考功率；

   将预设时间长度内的参考功率进行时间积分，获得参考电能；

   根据参考电能判断电气状态。
6. 如权利要求5所述的基于参考能量的电气测量方法，其特征在于，把初始信号对连接到微控制器内嵌的电能计量模块或外部电能计量芯片，获得以参考电能为核心的高精度电气参数集合，根据电气参数集合多方位判断电气状态。
7. 如权利要求5所述的基于能量的电气测量方法，其特征在于，当电气状态异常时，对异常的判断包括以下步骤：

   对异常所在时间段进行细化，分解为多个时间分段；

   对每一个时间分段参考电能进行分析比较，判断异常所在时间段，以及在各时间段间的发展变化。