CN113608011A - 一种具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法，所述装置包括：直流电阻分压器包括：高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N‑1和低压臂电阻R_N；测量电路用于测量获取所述低压臂电阻R_N的电压值；微处理器包括：直流高电压值获取模块获得待测电压母线的直流高电压值；直流电能质量状态识别模块用于获取直流电能质量状态；自校准模块用于获取电能质量状态的分类；通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成直流高电压测量装置校准。本发明能够实现在多种电压状态下进行自校准要求，贴合工程实际。

Description

一种具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法

技术领域

本发明属于电气工程、仪器科学与技术领域，特别涉及一种具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法。

背景技术

直流高电压的测量方式主要分为三种：直接作用物理效应法、光学法和分压法。其中，分压法是利用直流电阻分压器和低压器件测量直流高电压，低压器件测量直流电阻分压器低压臂的电压后，根据分压器的分压比计算待测高电压的值。

分压法是目前应用最为广泛、技术最为成熟、成本相对较低的测量方案。由于直流电阻分压器的准确度可以做得很高，因此该方法可以实现很高的准确度高：目前100kV/10V电压比的不确定度可达1×10^-5，300kV/30V电压比的不确定度可达3×10^-5，此类装置500kV情况下准确度最高可达0.05％。但是，由于直流电阻分压器的高低压臂由电阻串联而成，电阻元器件的电压分散性和老化趋势不一致，在高压情况下的高压臂电晕放电、分压器绝缘泄漏，环境参数如温度、湿度和测量装置附近的物体等，都会导致直流电阻分压器的高压臂阻值变化，从而引起分压比变化导致测量误差，因此需要经常校准直流电阻分压器。因为分压器高压臂阻值变化受各种因素的交互影响，使得实际使用条件下直流电阻分压器的高压臂阻值变化相比测试状态下有所不同，而这种变化又是难以预估的，且对测量的准确性有较大影响。

为解决上述问题，申请号为201911235837.3的中国发明专利申请中提出了一种基于电阻分压分时采样自校准的宽量程直流电压测量装置，提供了一种适用于宽量程要求、具有直流电阻分压器高压臂电阻自校准功能的直流高电压测量方法；但是，由于直流网一方面受到并网点处交流侧传变而来的扰动，另一方面受到直流电网内部网络拓扑、控制策略以及源储荷特性造成的扰动，其电压数值较难维持稳定，常存在直流电压偏差、直流电压波动、直流电压纹波、直流电压暂降等现象，现实情况下较难满足自校准的要求，实际应用困难；其中，自校准的要求为3倍电子开关K切换与数据采集周期内的电压波动幅值小于被测电压值乘以准确度等级的1/5。

综上，亟需一种新的具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自校准功能的直流高电压测量装置及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供了一种适用于适合工程实际的、具有直流电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、稳定性好且可靠性高的基于直流电阻分压器分时采样的直流高电压测量装置，能够实现在多种电压状态下进行自校准要求，贴合工程实际。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，包括：

直流电阻分压器，包括：高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和低压臂电阻R_N；所述高压臂电阻R_H的一端用于与电压母线电连接，另一端与所述低压臂电阻R_N-1的一端电连接，低压臂电阻R_N-1的另一端与低压臂电阻R_N的一端相连接，低压臂电阻R_N的另一端用于接地；所述低压臂电阻R_N-1并联有电子开关K；

测量电路，用于测量获取所述低压臂电阻R_N的电压值；

微处理器，包括：直流高电压值获取模块、直流电能质量状态识别模块和自校准模块；

所述直流高电压值获取模块用于采用低压臂电阻R_N的电压值乘以直流电阻分压器分压比计算获得待测电压母线的直流高电压值；

所述直流电能质量状态识别模块用于获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态；

所述自校准模块用于获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准。

本发明装置的进一步改进在于，还包括：

保护电路，所述保护电路设置于所述直流电阻分压器和所述测量电路之间，用于隔离前后级电路。

本发明装置的进一步改进在于，还包括：

通讯电路，用于实现所述直流高电压测量装置与上位机或显示仪器的通讯，完成测量电压值的通讯传输。

本发明装置的进一步改进在于，所述高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和低压臂电阻R_N的阻值由待测电压母线的电压等级决定，串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

本发明装置的进一步改进在于，所述电子开关K为固态继电器；

导通电阻R_on满足如下关系时，其对直流电阻分压器准确度等级α的影响忽略：

本发明装置的进一步改进在于，所述直流电能质量状态识别模块中，获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态的步骤具体包括：

获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化；

根据所述幅值变化基于粒子群参数优化的支持向量机多分类模型，采用粒子群优化算法对支持向量机模型中的核参数σ和惩罚因子C进行优化，实现对直流电能质量状态的分类识别，所述分类识别获得的类别包含：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压纹波状态和直流电压暂降状态5种电能质量状态。

本发明装置的进一步改进在于，

所述直流电压额定状态为电压母线实际电压与额定电压数值维持相同；

所述直流电压偏差状态为电压母线实际电压高于或者低于额定电压，电压偏差低于额定电压的10％；

所述直流电压波动状态为电压母线实际电压波动是一种无规律且不包含频率固定成分的电压连续变动，变化幅值低于额定电压的10％；

所述直流电压暂降状态为电压母线实际电压出现瞬时电压跌落或预设时间内出现电压预设幅度降低，降低量大于额定电压的10％；

所述直流电压纹波状态为电压母线实际电压是直流电中叠加了交流分量，将直流母线电压按工频以及工频的2、3、…、n倍分为1次、2次、…、n次纹波。

本发明装置的进一步改进在于，所述自校准模块中，获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态或直流电压偏差状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准的步骤具体包括：

当待测电压母线的电压处于额定电压的80％～120％范围内，且电压处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态下，

控制电子开关K通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准；

其中，处于直流电压额定状态和直流电压偏差状态时：

当电子开关K关断时，低压臂输出电压V_N表示为

直流高电压值V_H表示为

当电子开关K导通时，低压臂输出电压V_N'表示为

直流高电压值V_H表示为

联立直流高电压值计算方程，消去母线电压V_H计算得到R_H的校准值，表示为：

本发明装置的进一步改进在于，所述自校准模块中，获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准的步骤具体包括：

在直流电压纹波状态中采集获取预设数量的电压数据点，选中时间内纹波波峰、波谷或其余特征点出现的时间为t1、t2、t3，通过最小二乘算法拟合出各次纹波的幅值与相位；

基于各次纹波的幅值与相位预测出纹波波峰、波谷或其余特征点出现时间点t_n、t_n+1、t_n+2；

在t_n、t_n+1、t_n+2时刻进行电子开关K关断或者导通操作，确保电子开关K关断或者导通操作时，电压母线电压保持相同；

当电子开关K关断时，低压臂输出电压V_N表示为

直流高电压值V_H表示为

当电子开关K导通时，低压臂输出电压V_N'表示为

直流高电压值V_H表示为

联立直流高电压值计算方程，消去母线电压V_H计算得到R_H的校准值，表示为：

本发明的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置的操作方法，包括以下步骤：

所述高压臂电阻R_H用于与电压母线电连接的一端与待测电压母线相连接，所述低压臂电阻R_N用于接地的一端接地；

电子开关K处于关断状态；

测量电路测量获取所述低压臂电阻R_N的电压值；

直流高电压值获取模块采用低压臂电阻R_N的电压值乘以直流电阻分压器分压比计算获得待测电压母线的直流高电压值；直流电能质量状态识别模块获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态；自校准模块获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置，通过增加电能质量识别模块能够较大地增加了自校准方法的工程实用性，提供了一种适用于适合工程实际的、具有直流电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、稳定性好和可靠性高的直流高电压测量装置。

本发明直流高电压测量装置中，在直流电阻分压器进行自校准之前加入了直流电能质量识别模块，待测电压经过测量后，微处理器可根据所采集的电压数据，对母线电能质量进行分类，包括直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压纹波状态和直流电压暂降状态等5种状态。微处理器判断后只有在直流电压额定状态、直流电压偏差状态和直流电压纹波状态3种状态下，可以进行自校准操作；因这三种状态下被测电压数值具有一定规律性，可以保证母线电压在开关断开与闭合时刻基本不发生变化，从而提高自校准方法的精度与装置测量精度。

本发明中，处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态时，开关关断与导通时，母线电压V_H维持不变，通过联立直流高电压值计算方程，消去母线电压V_H即计算得到R_H实际值(校准值)，通过校准高压臂电阻值即可实现对于直流电阻分压器分压比的校准，从而提高测量装置检测精度。

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是直流电阻分压器的示意图；其中，图1(a)为现有直流电阻分压器结构示意图，图1(b)为现有直流电阻分压器结构简化图，图1(c)为本发明实施例直流电阻分压器结构简化图；

图2是本发明实施例的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置的整体设计方案示意图；

图3是本发明实施例的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置的结构示意图；其中，图3(a)为外观示意图，图3(b)为内部结构示意图；

图4是SHV12-1A85-78L4K固态继电器原理示意图；

图5是本发明实施例中，电能质量状态示意图；其中，图5(a)为直流电压额定状态示意图，图5(b)为直流电压偏差状态示意图，图5(c)为直流电压波动状态示意图，图5(d)为直流电压暂降状态示意图，图5(e)为直流电压纹波状态示意图；

图6是本发明实施例中，粒子群优化算法流程示意图；

图7是本发明实施例中，自校准流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置，包括硬件部分与软件部分；其中，硬件部分包括直流电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采集电路和通讯电路，软件部分包括直流电能质量状态识别和自校准算法。

请参阅图1，本发明实施例所述直流电阻分压器主体部分为高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和精密电阻R_N三个电阻，电压母线通过分压器高压引线端与高压臂电阻R_H相连，低压臂精密电阻R_N-1一端与高压臂电阻R_H相连，另一端通过精密电阻R_N连接至分压器低压均压环处；低压精密电阻R_N-1两端并联有电子开关K，电子开关K由微处理控制通断以实现低压臂输出电压采样。

请参阅图2，本发明实施例所述的保护电路起到隔离前后级电路的作用，防止当发生意外时前端电压损坏后端电路板的器件，主要由隔离芯片、光电耦合器、TVS二极管和保险丝等组成，其中隔离芯片主要起到隔离前后级信号电路的作用，光电耦合器起到隔离主控芯片与电子开关的作用，TVS二极管与保险丝分别起到过压保护和过流保护的作用。

所述信号调理电路包括滤波电路和放大电路，滤波电路滤除信号中的高频噪声，放大电路将滤波后信号放大至与模数转换器范围相匹配的调理信号。

所述信号采集电路以模数转换器为主要部件，其对调理后信号进行采样，并传输至微处理器内进行运算，从而得到直流高电压V_H数值；

所述通讯电路实现直流高电压测量装置与上位机或显示仪器的通讯，完成测量电压值的通讯传输。

所述直流电能质量状态识别是基于支持向量机模型对待测直流电压进行状态分类，并作为后续自校准算法是否操作及操作策略的判断条件；所述自校准算法是被测电压经过电能质量状态识别，并被认定为某些特定状态后，允许进行自校准算法操作，即在微处理器的控制下进行电子开关K的断开与闭合，实现对于高压臂电阻R_H的校准，从而提高测量精度。

请参阅图3，本发明实施例中，所述硬件部分的直流电阻分压器由高压引线端、高压均压环、高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和电阻R_N、低压均压环、绝缘套筒、绝缘油和环氧树脂组成；直流电阻分压器的高压臂电阻R_H放置在绝缘油中，底部采用聚合有机硅材料进行密封，低压臂电阻R_N-1和R_N置于底座法兰件中，并采用环氧树脂进行灌封；高压臂电阻与低压臂电阻均被屏蔽装置包裹，该屏蔽装置上端为高压引线端，下端有接地引线柱，且高压接线端与高压均压环连接，接地引线端与低压均压环连接；分压器外观结构设计成圆柱形，分压器与底座之间采用铝合金法兰连接，法兰内部采用螺杆开孔的方式和绝缘油中的高压电阻相连。

本发明实施例中，所述硬件部分的直流电阻分压器中高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和精密电阻R_N的阻值由待测电压等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

本发明实施例中，所述硬件部分中保护电路、信号调理电路、信号采集电路和通讯电路集成在PCB电路板上，通过引线与分压器内电阻保持电气连接；PCB电路板固定在分压器底座中；电子开关置于直流电阻分压器底部，与低压臂电阻R_N-1并联，并引线至PCB电路板上进行控制，或者直接集成于PCB电路板上，并引线至低压臂电阻R_N-1两端；所述保护电路末端为快速响应的电压跟随器，进行前后级电路的隔离。

本发明实施例中，所述硬件部分中电子开关K耐电压在200V以上、漏电流小或者不存在漏电流、响应速度快，选择为固态继电器；导通电阻R_on满足如下关系时，其对直流电阻分压器准确度等级α的影响忽略：

本发明实施例中，所述软件部分中直流电能质量状态识别是基于粒子群参数优化的支持向量机多分类模型，采用粒子群优化算法对支持向量机模型中的核参数σ和惩罚因子C进行优化，提高支持向量机SVM的泛化能力，以实现对直流电能质量状态的分类识别，其中类别包含：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压纹波状态和直流电压暂降状态5种直流电能质量状态。所述的5种直流电能质量状态分类定义如下：

直流电压额定状态，实际电压与额定电压数值基本维持相同，且保持稳定；

直流电压偏差状态，实际电压高于或者低于额定电压，电压偏差小于额定电压的10％；

直流电压波动状态，实际电压波动是一种无规律且不包含频率固定成分的快速电压连续变动，变化幅值不超过额定电压的10％；

直流电压暂降状态，实际电压出现瞬时电压跌落，或短时间内出现电压大幅度降低，要求降低量需超过额定电压的10％；

直流电压纹波状态，实际电压是直流电中叠加了交流分量，通常将直流母线电压按工频以及工频的2、3、…、n倍分为1次、2次、…、n次纹波。

本发明实施例中，所述软件部分中自校准算法要求，当被测电压处于额定电压附近，即处于额定电压80％～120％的范围内，且经过直流电能质量状态识别后，被测电压处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态和直流电压纹波状态三种状态中某一状态下，即可进行自校准操作，从而得到高压臂电阻校准值R_H和直流高电压测量值V_H，具体方法如下：

当被测电压处于直流电压额定状态下时，母线电压数值基本维持不变且数值等于额定电压；当电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

其中V_H表示直流高电压值，进一步可得

当电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

进一步可得

由式(3)和式(5)得出

当被测电压处于直流电压偏差状态时，此状态下即被测电压数值与额定电压数值出现偏差，即此时被测数值在额定电压的90％～110％范围内，同时偏差值基本维持稳定，因此自校准流程与额定电压状态下相同。

当电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

当电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

由式(8)和式(9)得出

当被测电压处于直流电压纹波状态时，被测电压数值以预定规律出现波动，由于电子开关工作、ADC采样、信号处理过程需要耗费时间，自校准操作难以实现；设在直流电压纹波状态中，经过程序采集后获取足量电压数据点，某段时间内纹波波峰出现的时间为t1、t2、t3，通过最小二乘算法拟合出各次纹波的幅值与相位，在此基础上预测出纹波波峰出现时间点t_n、t_n+1、t_n+2，微处理器在对应时刻进行电子开关断开或者闭合操作，确保电子开关在断开及闭合操作时，母线电压基本保持相同；

当电子开关K关断时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N表示为

当电子开关K导通时，由电阻分压原理，低压臂输出电压V_N'表示为

由式(3)和式(5)得出

为进一步增加直流电压纹波状态下自校准操作的可实施性，在纹波周期内也可在波谷或其余特征点进行自校准操作的实施。

本发明实施例中，在直流电阻分压器进行自校准之前加入了直流电能质量识别模块，待测电压经过测量后，微处理器可根据所采集的电压数据，对母线电能质量进行分类，包括直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压纹波状态和直流电压暂降状态等5种状态。微处理器判断后只有在直流电压额定状态、直流电压偏差状态和直流电压纹波状态3种状态下，可以进行自校准操作。因这三种状态下被测电压数值具有一定规律性，可以保证母线电压在开关断开与闭合时刻基本不发生变化，从而提高自校准方法的精度与装置测量精度。本发明所述的一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置，通过增加电能质量识别模块能够较大地增加了自校准方法的工程实用性，提供了一种适用于适合工程实际的、具有直流电阻分压器高压臂电阻自校准功能的、稳定性好和可靠性高的直流高电压测量装置。

本发明提供的一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置的操作方法，通过直流电阻分压器分压比和采集到的直流电阻分压器低压臂电压值来计算待测直流高电压值。直流电阻分压器低压臂的电压信号经过保护电路到信号调理电路，信号调理电路滤除信号中的高频杂波并进行放大处理，信号采集电路采样调理后的信号，微处理器根据分压比计算得到直流高电压值，并实时监测和记录电压值。由于电阻元器件的电压分散性和老化趋势不一致，在高压情况下的高压臂电晕放电、温湿度变化、电磁辐射等，都会引起直流电阻分压器的电阻阻值变化，尤其是高压臂电阻。当经过直流电能质量识别后，在特定电能质量状态下，进行分压器自校准工作，微处理器输出指令控制电子开关K的通断，实现对直流电阻分压器高压臂电阻R_H的阻值校正，从而实现输出稳定、准确和可靠的直流高电压测量。

将直流电阻分压器(如图1(a)和(b)所示)的低压臂电阻分为两个串联的精密电阻R_N-1和R_N，与高压臂R_H直接相连的精密电阻R_N-1上并联电子开关K(如图1(c)所示)，通过电子开关K的关断和导通实现该电阻的接入和短路。电阻R_H、R_N-1和R_N的阻值由待测电压等级决定，保证串联电路的电流为百微安级，输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级确定，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。电子开关K需要耐电压200V以上、漏电流小或不存在漏电流、响应速度快，导通电阻要小或不存在，考虑到场效应管的泄露电流的影响，最好可选择继电器或其他起到开关作用的器件。

本发明基于直流电阻分压器分时采样的多档直流高电压测量装置的整体设计方案如图2所示，该装置包括：直流电阻分压器、保护电路、信号调理电路、信号采集电路、通讯电路。测量装置采用一体化设计，测量装置整体结构如图3所示，保护电路、信号调理电路、信号采集电路、通讯电路均集成在PCB电路板上，电路板固定在直流电阻分压器的底座中，电子开关可以选择集成在PCB电路板上，或直接与电阻并联固定于低压均压环上，此处选择并联固定在低压均压环上。直流电阻分压器由高压引线端、高压均压环、高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和R_N、低压均压环、绝缘壁、绝缘油、环氧树脂等组成：高压臂电阻放置在绝缘油中，一端接高压引线端，一端通过螺杆打孔的方式串接低压臂电阻；低压臂电阻固定在低压均压环内部，其中固态继电器与电阻R_N-1并联，引出接线至PCB电路板后通过环氧树脂进行密封，环氧树脂具有优良的导热系数，能够进一步减弱环境温度对于低压臂电阻造成的影响。

保护电路主要有两个功能：一是，隔离直流电阻分压器与后端信号调理电路、信号采样电路等；二是，隔离微处理器与电子开关，并实现微处理器输出的控制信号和电子开关之间的电平转换，达到控制电子开关的目的，可采用常见保护电路设计模式，防止过电压和过电流损坏后级电路。信号调理电路将经过保护电路后信号中的高频杂波滤除后，进入电压跟随器实现前后及电路的阻抗匹配，再经过放大电路进行信号的放大，实现与模数转换芯片量程匹配。

信号采集电路以高速ADC芯片为主体，分辨率不得低于12位；微处理器接收到采集单元采样得电压数据，再乘以分压器的分压比系数，即得到该采样时刻被测电压数值。电能质量识别模块能够记录一段时间内电压数值，并利用粒子群算法优化后的支持向量机模型对电压进行分类，实现当前时刻所处电能质量状态进行识别分类。当被测电压处于直流电压额定状态、直流电压偏置状态、直流电压纹波状态下时，分别选择不同的校准策略，实现直流电阻分压器的高压臂电阻校正。因此微处理器须具有一定的处理和响应速度，满足测量装置响应时间要求且与信号采集元件速度匹配；微处理器可以是单片机、DSP、FPGA、嵌入式***或者普通工控机等。

本发明实施例结合图2的测量装置的整体设计方案和图3的测量装置整体结构图简要说明实施过程。

假设被测直流电压的范围为0～20kV，为保证直流电阻分压器的电流在百微安级，选择高压臂电阻R_H的阻值为200MΩ，低压臂精密电阻R_N-1的阻值为2MΩ，电阻R_N的阻值为60kΩ，直流电阻分压器准确度等级要求为0.1级，要求的测量装置测量准确度等级为0.2级。于是在满量程情况下，低压臂电阻R_N的电压值约为6V。

考虑到MOSFET管存在泄露电流，会对测量结果产生影响，电子开关选择固态继电器，可参考型号为SHV12-1A85-78L4K，其原理图如图4所示。可通过引脚2和引脚3之间的联通，实现对于引脚1和引脚4之间的开关的控制。继电器在导通时引脚1和引脚4电阻为0.15Ω，断开时电阻理论上无穷大，可耐受至少1kV电压，开关闭合时间为1.1ms，开关释放时间为0.1ms。

选择FPGA作为微处理器，可选择型号为EP4CE22E22C8N，FPGA的GPIO输出的控制信号通过光电耦合器及电平转换后控制固态继电器；TVS二极管和隔离运算放大器进行过电压保护，保险丝进行过电流保护。

本发明实施例中，保护电路输出的信号首先通过二阶滤波电路滤除高频杂波，此处滤波电路可选择为由运算放大器组成的4元件SK型低通滤波电路或者MFB型低通滤波器。滤波后电压信号通过跟随器完成前后级隔离，因此处输出电压大约在6V可与常见模数转换芯片输入范围实现匹配，故放大电路放大倍数可设置为1，理论上为增大测量装置的测量精度，可进行放大处理，但此实施例中没有进行此操作。

本发明实例所述的5种电能质量状态示意图如图5所示，图5(a)为直流电压额定状态、(b)为直流电压偏差状态、(c)为直流电压波动状态、(d)为直流电压暂降状态、(e)为直流电压纹波状态。其中各个状态的定义如下：直流电压额定状态，实际电压与额定电压数值基本维持相同，且保持稳定；直流电压偏差状态，实际电压高于或者低于额定电压，一般电压偏差小于额定电压的10％；直流电压波动状态，实际电压波动是一种无规律且不包含频率固定成分的快速电压连续变动，变化幅值通常不超过额定电压的10％；直流电压暂降状态，实际电压出现瞬时电压跌落，或短时间内出现电压大幅度降低，一般要求降低量需超过额定电压的10％；直流电压纹波状态，实际电压是直流电中叠加了交流分量，通常将直流母线电压按工频以及工频的2、3、…、n倍分为1次、2次、…、n次纹波。

直流电流质量状态识别是基于粒子群参数优化的支持向量机多分类模型，支持向量机是常见且具有良好工业应用性的非线性分类方法。采用粒子群优化算法对支持向量机的核参数σ和惩罚因子C进行优化，用以提高SVM(支持向量机)的泛化能力，从而实现对直流电能质量状态的分类识别，粒子群算法的流程图如图6所示。

在装置设计的流程中可以通过合理的选择测量装置的电阻、电容、芯片等元器件以及合理的电路设计及电路板布局，以实现最小化测量装置的整体误差。

当直流电压测量装置对电压进行持续测量一段时间后，高压臂电阻阻值可能在各种因素的作用下发生变化，即需要进行自校准操作时，操作流程图如图7。被测电压经过电能质量识别模块进行识别后，得到此刻电能质量状态。若电能质量状态是纹波状态，即可通过最小二乘算法拟合出各级纹波的幅值与相位，预测出稳态波峰出现的时间点，FPGA即在相应时刻控制固态继电器进行断开与闭合操作，从而实现低压臂电阻R_N-1的接入与断开，并依据所采集电压数值进行高压臂电阻自校准；若电能质量状态是额定状态或偏差状态，此时被测电压稳定，FPGA可直接操作固态继电器，实现自校准；若电能质量是暂降或波动状态，即可放弃自校准操作，等待下次电能质量识别。

本发明提供了一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置：直流电阻分压器的内部电阻简化为三个电阻，一个高压臂电阻，两个低压臂电阻，其中高压臂电阻置于绝缘壁内的绝缘油中，其一端连接分压器高压引线端，另一端通过螺杆开孔连接至分压器底部。两个低压臂电阻，串联固定于分压器底部，一端连接高压臂电阻，另一端通过低压均压环连接至地。电子开关与低压臂电阻中靠近高压臂电阻的一个并联，并与两个低压臂电阻通过环氧树脂进行密封，对应的电气连接线通过开孔引到底部固定的PCB电路板上。电路板上含有保护电路、信号调理电路、信号采集电路、通讯电路等，实现对于信号的相应处理。当分压器高压臂电阻需要阻值校准时，被测电压通过电能质量识别模块进行模式识别，只有当状态处于额定、纹波或偏差中某一状态下，可通过FPGA控制继电器实现自校准操作的进行，从而保证对直流高电压的长期稳定测量，减小外界环境因素干扰等对测量结果的影响。

本发明采用电能质量状态识别、最小二乘算法预测的方法，可以实现对于高等级电压长时间稳定且准确的测量，并且结合当下直流电网的特性，能够在多个电能质量状态下进行自校准操作，能够有效降低因分压器高压臂电阻变化导致测量准确度降低的影响。

本发明提出一种在多电能质量状态下可自校准的直流高电压测量装置：装置硬件分为直流电阻分压器和低压测量电路；前者内部电阻结构简化为三个串联电阻，一电子开关与位于中间位置电阻形成并联关系，低压测量电路实现对于信号的相应滤波、放大、采集、运算与传输等处理。装置软件分为直流电能质量状态识别和自校准算法，分别用于直流母线电压状态判断和自校准操作执行。其中，当分压器长时间运行导致高压臂电阻变化需要阻值校准时，微处理器对母线电压进行模式识别，当电能质量状态处于额定、纹波或偏差中某一状态下，可通过FPGA控制电子开关实现自校准操作的进行，从而保证自校准精度及对直流高电压的长期稳定测量，减小电压波动等因素对测量结果的影响。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，包括：

直流电阻分压器，包括：高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和低压臂电阻R_N；所述高压臂电阻R_H的一端用于与电压母线电连接，另一端与所述低压臂电阻R_N-1的一端电连接，低压臂电阻R_N-1的另一端与低压臂电阻R_N的一端相连接，低压臂电阻R_N的另一端用于接地；所述低压臂电阻R_N-1并联有电子开关K；

测量电路，用于测量获取所述低压臂电阻R_N的电压值；

微处理器，包括：直流高电压值获取模块、直流电能质量状态识别模块和自校准模块；

所述直流高电压值获取模块用于采用低压臂电阻R_N的电压值乘以直流电阻分压器分压比计算获得待测电压母线的直流高电压值；

所述直流电能质量状态识别模块用于获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态；

所述自校准模块用于获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准。

2.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，还包括：

保护电路，所述保护电路设置于所述直流电阻分压器和所述测量电路之间，用于隔离前后级电路。

3.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，还包括：

通讯电路，用于实现所述直流高电压测量装置与上位机或显示仪器的通讯，完成测量电压值的通讯传输。

4.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，所述高压臂电阻R_H、低压臂电阻R_N-1和低压臂电阻R_N的阻值由待测电压母线的电压等级决定，串联电路的电流为百微安级，低压臂的输出电压范围为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级决定，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

5.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，所述电子开关K为固态继电器；

导通电阻R_on满足如下关系时，其对直流电阻分压器准确度等级α的影响忽略：

6.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，所述直流电能质量状态识别模块中，获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态具体步骤包括：

获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化；

根据所述幅值变化基于粒子群参数优化的支持向量机多分类模型，采用粒子群优化算法对支持向量机模型中的核参数σ和惩罚因子C进行优化，实现对直流电能质量状态的分类识别，所述分类识别获得的类别包含：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压纹波状态和直流电压暂降状态5种电能质量状态。

7.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，

所述直流电压额定状态为电压母线实际电压与额定电压数值维持相同；

所述直流电压偏差状态为电压母线实际电压高于或者低于额定电压，电压偏差低于额定电压的10％；

所述直流电压波动状态为电压母线实际电压波动是一种无规律且不包含频率固定成分的电压连续变动，变化幅值低于额定电压的10％；

所述直流电压暂降状态为电压母线实际电压出现瞬时电压跌落或预设时间内出现电压预设幅度降低，降低量大于额定电压的10％；

所述直流电压纹波状态为电压母线实际电压是直流电中叠加了交流分量，将直流母线电压按工频以及工频的2、3、…、n倍分为1次、2次、…、n次纹波。

8.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，所述自校准模块中，获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态或直流电压偏差状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准的步骤具体包括：

当待测电压母线的电压处于额定电压的80％～120％范围内，且电压处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态下，

控制电子开关K通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准；

其中，处于直流电压额定状态和直流电压偏差状态时：

当电子开关K关断时，低压臂输出电压V_N表示为

直流高电压值V_H表示为

当电子开关K导通时，低压臂输出电压V_N'表示为

直流高电压值V_H表示为

联立直流高电压值计算方程，消去母线电压V_H计算得到R_H的校准值，表示为：

9.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的直流高电压测量装置，其特征在于，所述自校准模块中，获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准的步骤具体包括：

在直流电压纹波状态中采集获取预设数量的电压数据点，选中时间内纹波波峰、波谷或其余特征点出现的时间为t1、t2、t3，通过最小二乘算法拟合出各次纹波的幅值与相位；

基于各次纹波的幅值与相位预测出纹波波峰、波谷或其余特征点出现时间点t_n、t_n+1、t_n+2；

在t_n、t_n+1、t_n+2时刻进行电子开关K关断或者导通操作，确保电子开关K关断或者导通操作时，电压母线电压保持相同；

当电子开关K关断时，低压臂输出电压V_N表示为

直流高电压值V_H表示为

当电子开关K导通时，低压臂输出电压V_N'表示为

直流高电压值V_H表示为

联立直流高电压值计算方程，消去母线电压V_H计算得到R_H的校准值，表示为：

10.一种权利要求1所述的具有自校准功能的直流高电压测量装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述高压臂电阻R_H用于与电压母线电连接的一端与待测电压母线相连接，所述低压臂电阻R_N用于接地的一端接地；

电子开关K处于关断状态；

测量电路测量获取所述低压臂电阻R_N的电压值；

直流高电压值获取模块采用低压臂电阻R_N的电压值乘以直流电阻分压器分压比计算获得待测电压母线的直流高电压值；直流电能质量状态识别模块获取预设时间段内的待测电压母线的直流高电压值的幅值变化，基于所述幅值变化将待测直流高电压现阶段所处的电能质量状态分为5类，分别为：直流电压额定状态、直流电压偏差状态、直流电压波动状态、直流电压暂降状态和直流电压纹波状态；自校准模块获取电能质量状态的分类；当电能质量状态为处于直流电压额定状态、直流电压偏差状态或直流电压纹波状态时，通过控制所述电子开关K的通、断，计算获得高压臂电阻R_H的校准值，通过所述校准值对直流电阻分压器分压比进行校准，完成所述直流高电压测量装置校准。

Images