專利名稱：用于測量電壓的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種借助測量電路在電流分配網絡的位置上測量電壓的方法，該測量電路具有與電網的傳導電流的導線耦合的電壓傳送器和與該電壓傳送器連接的繼續處理裝置，在該測量電路的輸出端輸出電壓測量值作為輸出信號。本發明還涉及一種實施該方法的測量裝置。
背景技術：
在電流分配網絡中優選在6-20kV的電壓范圍內為保護和控制的目的而采用目前常用的展示與方向無關的過電流保護的設備。這對于其中預先給出電流方向的具有集中供能的電網來說是足夠的。但在分散供能時對于保護裝置的應答還要求除電流值外也采集電流的方向。這可以通過在電網中附加的電壓測量來確定。對此目前常用感應式變壓器作為電壓傳送器。這使得可以準確地測量電壓，但卻是非常大的成本因素，尤其是當事后將它們安裝到已有的電網中時。
在德國專利申請公開文本DE 23 25 449 A1中描述了為了在高壓開關設備中測量電壓而采用電容變壓器作為電壓傳送器，其由高壓電網的傳導電流的導線和嵌入在導線的支座絕緣子中的電極構成。但目前這樣的電容變壓器通常僅用于利用高壓耦合電容器的位移電流來確定在電流分配網絡的導線中是否存在特定最小大小的電壓，因為所獲得的測量結果部分不夠準確，因而其僅用于確定電壓的存在，而不用于確定電壓的準確大小。
發明內容
因此本發明要解決的技術問題是，提供一種上述類型的方法和裝置，利用它們可以獨立于電壓傳送器的類型進行準確的電壓測量。
本發明的方法的技術問題通過一種所述類型的方法解決，其中，為獲得正確的測量值通過具有與測量電路的傳輸函數相反的傳輸函數的均衡器來校正測量電路的輸出信號。由此，通過為獲得正確的測量值而利用具有與測量電路的傳輸函數相反的傳輸函數的均衡器來校正測量電路的輸出信號，可以比較簡單的方式獨立于電壓傳送器的類型進行足夠精確的電壓測量。
在按照本發明的方法中，作為測量電路的電壓傳送器優選采用電容器裝置。采用電容器裝置(即電容變壓器)作為電壓傳送器實際上可以使得電壓測量的成本較低。
與此相關地，被認為具有優勢的還有，采用由電網的傳導電流的導線和與其電氣絕緣的電極構成的耦合電容器作為電容器裝置。這樣的電容器裝置具有較簡單的結構；此外這類電容器裝置通常例如在配電間的高壓傳輸線中就已存在。
但具有優點的還可以是，采用在初級側與傳導電流的導線連接的感應式變壓器作為電壓傳送器。這尤其是因為這樣的感應式變壓器通常可以非常精確地測量電壓而被認為是具有優點的。但由于測量電路在采用感應式變壓器時也會具有使電壓測量值稍有失真的傳輸函數，采用按照本發明方法的借助均衡器的校正在此可以得到更加精確的電壓測量值。
但在此還被認為是具有優點的是，采用可通過開關可選擇地橋接的均衡器。以這種方式可以在采用感應式變壓器達到的電壓測量值的足夠精確性下輕易地將均衡器橋接；因此在這種情況下不對電壓測量值進行校正。
根據測量電路的輸出信號是模擬的還是數字的，可以采用具有與測量電路的傳輸函數相反的傳輸函數的模擬濾波器或數字濾波器作為均衡器。模擬濾波器合適地模擬具有PID特征的傳輸函數。
在采用數字濾波器時作為相反的傳輸函數提供了時間離散的傳輸函數。該傳輸函數可以公知的方式借助雙線性變換產生。
與此相關被認為具有優點的還有，對于數字濾波器時間離散的傳輸函數的系數是可變的。因此在這種情況下可使均衡器的傳輸函數與通過不同的電壓傳送器引起的測量電路的傳輸函數非常簡單地匹配。
本發明方法的另一種優選的擴展在于，采用在其輸入區中具有電隔離元件的繼續處理裝置。因此以這種方式可使繼續處理裝置和均衡器毫無問題地與高壓一側電隔離。
本發明的裝置的技術問題通過一種借助測量電路在電流分配網絡的位置上測量電壓的測量裝置來解決，該測量電路具有與電網的傳導電流的導線耦合的電壓傳送器和與該電壓傳送器連接的繼續處理裝置，在該測量電路的輸出端輸出電壓測量值作為輸出信號。按照本發明，為從該測量電路的輸出信號中獲得正確的測量值，在該測量電路的輸出端連接一個均衡器，其具有與測量電路的傳輸函數相反的傳輸函數。通過采用具有與測量電路的傳輸函數相反的傳輸函數的均衡器，使得在這樣的測量裝置中可用任何測量傳送器獲得精確的電壓測量值。
出于費用的原因，優選采用電容器裝置作為電壓傳送器。根據一優選實施方式，這樣的電容器裝置還可以是由電網的傳導電流的導線和與其電氣絕緣的電極構成的耦合電容器。這樣實現的電極優選是環形電極。
但還可以將在初級側與傳導電流的導線連接的感應式變壓器用作電壓傳送器。
由于這樣的感應式變壓器通常已能提供質量很好的電壓測量值，因此與此相關地還可以使均衡器通過開關可選擇地橋接。
但就是對于感應式變壓器通過按照本發明采用具有相反傳輸函數的均衡器也常常可以進一步提高電壓測量值的質量，因此就是在這種情況下使用因此而未橋接的均衡器也是值得的。
換言之，按照本發明的測量裝置具有例如用于可選地連接任意電壓傳送器的輸入端，例如與耦合電容器的電極連接，或與在初級側與傳導電流的導線連接的感應式變壓器的次極側連接。由此可以根據在電網的測量位置上是否已安裝了耦合電容器或感應式變壓器來將測量裝置與相應的電壓傳送器連接。因此在測量裝置中設置了用于接通或斷開反映反傳輸函數的均衡器的開關，以便在連接耦合電容器時接通該均衡器，而在連接變壓器時根據需要斷開均衡器。就是在感應式變壓器的情況下也可以保持接通均衡器，在此須相應地改變其反傳輸函數。這在均衡器為具有時間離散的傳輸函數的數字濾波器時尤其可以通過調節系數簡單地實現。
根據測量電路的輸出信號是模擬的還是數字的輸出信號，采用具有PID特征的模擬濾波器或數字濾波器。
本發明測量裝置的一種優選擴展是，繼續處理裝置在其輸入區中具有電隔離元件。以這種方式可以毫無問題地將測量裝置的高壓部分和低壓部分隔離。電隔離元件優選是感應式變流器。
按照本發明測量裝置的另一種優選擴展，電壓傳送器在輸出端與由高歐姆電阻和感應式變流器的初級繞組組成的串聯電路連接。通過高歐姆電阻將繼續處理裝置的輸入電壓轉換為相對低的電流，從而可以使感應式變流器比較小并由此可以較低的造價實現。
按照本發明測量裝置的另一優選擴展，變流器的次級繞組被加載了內阻為0歐姆的反向耦合的運算放大器。利用運算放大器還進行電流-電壓轉換，在此通過運算放大器的反向耦合來調節例如設置在反向耦合支路中的電阻上產生的電壓大小的范圍。
此外，作為按照本發明測量裝置的優選實施方式，在測量電路的輸出端具有模擬/數字轉換器，以產生測量裝置的數字輸出信號。
以下借助附圖所示實施例對本發明進行描述。圖中示出圖1示出用于電壓測量的測量裝置MV的電路圖，其具有用于校正電壓測量值的作為均衡器KG的數字濾波器。
具體實施例方式
電流分配網絡的電流導線1構成作為高壓耦合電容器2形式的電壓傳送器SG的電容變壓器的電極。耦合電容器2的另一個優選與電流導線1電隔離的電極環形地圍繞該電流導線1，并與測量裝置MV的繼續處理裝置WA的輸入端3連接。與之相似地，還可以采用其它形式的電容變壓器作為電壓傳送器SG。如圖所示，電容變壓器可以可選地是其低壓電容器在圖中用虛線表示的電容分壓器。但不一定必須實施為電容分壓器，而可以代之以用點劃線示出的在初級側與電流導線1連接的感應式變壓器4的次級繞組與繼續處理裝置WA的輸入端3的連接。如圖中用弧形括號所示出的，電壓傳送器SG和繼續處理裝置WA共同構成所謂的測量電路MS。
以下將注意這樣的情況，耦合電容器2作為電壓傳送器SG與繼續處理裝置WA的輸入端3連接。連接在輸入端3之后通常為高歐姆的前置電阻5(Rv)將在耦合電容器2的與電流導線1電隔離的電極上電容式抽取的電壓經電壓/電流轉換為位移電流。前置電阻5還與耦合電容器2的電容形成高通濾波器并因此而改善了測量裝置MV輸入端的EMV(電磁兼容性)特性。
初級側與前置電阻5連接的感應式變流器6形式的電隔離元件一方面用于分離電勢，另一方面用于相對于高壓導線降低耦合電容，并由此起到進一步屏蔽EMV的作用。因為由于前置電阻5的阻值大小而使位移電流較小，因而可以將感應式變流器6構造得較小。
在感應式變流器6的次級側連接有帶有反饋電阻8(Rm)的運算放大器7。運算放大器7以0歐姆的內阻用作感應式變流器6的有源負載。運算放大器7還同時進行電流/電壓轉換并將由感應式變流器6提供的電流轉換為電壓。運算放大器7輸出電壓與輸入電流的比值由反饋電阻8的值Rm確定。該值可以通過橋式電路或如圖所示的模擬開關進行轉換，以便能夠將依賴于耦合電容器2或變壓器3的對感應式變流器6的控制與連接在運算放大器7之后的模擬/數字轉換器9的測量范圍相匹配。模擬/數字轉換器9將其輸入電壓轉換為數字掃描值序列。
如果繼續處理裝置WA的輸入端3與感應式變壓器4連接，則由電壓傳送器SG(在此情況下為感應式變壓器4)和繼續處理裝置WA構成的測量電路MS的傳輸特性在相關的頻域(50至60Hz)內與頻率無關。
與此相對的是，在與耦合電容器2連接時，給出測量電路MS直至模擬/數字轉換器9的傳輸函數如下UAUPrim=jωCD·Rm1+jωCD·Rv]]>其中，UA表示運算放大器7輸出端的電壓，UPrim為電流導線1的電壓，而CD為耦合電容器2的電容。如果借助該傳輸函數得到的值UA沒有變化，則所獲得的電壓測量值完全不適用于精確的電壓測量。因此整個測量裝置MV(由電壓傳送器SG、繼續處理裝置WA和均衡器KG構成)的傳輸函數必須通過后接的均衡器KG借助與測量電路MS的傳輸函數相反的傳輸函數來校正。用于校正的均衡器KG的反傳輸函數應用下式表示Gkorr=1+jωCD·Rv1+jωTK]]>整個測量裝置MV的結果傳輸函數又表現為高通，但具有新的角頻率1/(2*π*TK)。這樣選擇時間常數TK，使得角頻率處于要采集的電壓測量參數的頻率范圍之下，從而使整個測量裝置MV的傳輸函數在該頻率范圍內線性變化。尤其具有優點的是，選擇TK等于所采用的用于采集電流信號的變流器的時間常數，該電流信號與電壓信號同時測量。
如圖所示，當采用數字濾波器10來校正測量電路MS的傳輸函數時，先將被校正傳輸函數Gkorr變換為時間離散的傳輸函數G(z-1)。這借助于下面的雙線性變換實現e-jωTl=2TA·z+1z-1]]>該公式的右側是函數e-jωl在第一項后就被消除的級數展開。
由此得到G(z-1)=a1z-1+a01+b1z-1]]>其中，z-1表示掃描值延遲了一個掃描間隔；a0、a1、b1是時間離散的傳輸函數的系數。該時間離散的傳輸函數G(z-1)通過圖中所示的數字濾波器10實現。數字濾波器10在頻率0時還具有最終放大，從而使裝置的數值穩定性就是在模擬/數字轉換器9偏移的情況下也能得到保證。
開關11用于直接或通過數字濾波器10來連接模擬/數字轉換器9的輸出端和測量裝置MV的測量值輸出端。當感應式變壓器4作為電壓傳送器SG連接在繼續處理裝置WA的輸入端3時，可以選擇直接連接；而當耦合電容器2作為電壓傳送器SG連接在輸入端3時，可以選擇通過數字濾波器10連接。但也可以取消開關11，從而在兩種情況下都引入數字濾波器10，因為即便是在使用感應式變壓器4的情況下通過平移整個測量裝置MV的傳輸函數的角頻率也能達到改善電壓測量值質量的效果。但對于連接感應式變壓器4和連接耦合電容器2要將數字濾波器10的系數分別不同地設置。
相應地，還可以實現具有模擬電壓信號的測量裝置，在這種情況下用濾波器來替代數字濾波器，并取消A-D-轉換器。
權利要求
1.一種借助測量電路(MS)在電流分配網絡的位置上測量電壓的方法，該測量電路(MS)具有與電網的傳導電流的導線(1)耦合的電壓傳送器(SG)和與該電壓傳送器(SG)連接的繼續處理裝置(WA)，在該測量電路(MS)的輸出端輸出電壓測量值作為輸出信號，其中，為獲得正確的測量值通過具有與該測量電路(MS)的傳輸函數相反的傳輸函數的均衡器(KG)來校正測量電路(MS)的輸出信號，以及其中，作為均衡器(KG)采用電濾波器，該電濾波器的傳輸函數為了與測量電路(MS)的各傳輸函數相匹配而可調。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，作為所述測量電路(MS)的電壓傳送器(SG)采用電容器裝置。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，作為所述電容器裝置采用由電網的傳導電流的導線(1)和與其電氣絕緣的電極構成的耦合電容器(2)。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，作為所述電壓傳送器(SG)采用在初級側與傳導電流的導線(1)連接的感應式變壓器(4)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，采用通過開關(11)可選擇地橋接的均衡器(KG)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，在所述測量電路(MS)的模擬輸出信號下通過具有PID特征的模擬濾波器來作為均衡器(KG)進行校正。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，在所述測量電路(MS)的數字輸出信號下通過數字濾波器(10)來作為均衡器(KG)進行校正。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，采用通過時間離散的傳輸函數表示反傳輸函數的數字濾波器(10)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，采用所述時間離散的傳輸函數的系數可改變的數字濾波器(10)。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，采用在輸入區中具有電隔離元件的繼續處理裝置(WA)。
11.一種借助測量電路(MS)在電流分配網絡的位置上測量電壓的測量裝置(MV)，該測量電路(MS)具有與電網的傳導電流的導線(1)耦合的電壓傳送器(SG)和與該電壓傳送器(SG)連接的繼續處理裝置(WA)，在該測量電路(MS)的輸出端輸出電壓測量值作為輸出信號，其中，為從該測量電路(MS)的輸出信號中獲得正確的測量值在該測量電路(MS)的輸出端連接一個作為均衡器(KG)的電濾波器，該電濾波器具有與測量電路(MS)的傳輸函數相反的傳輸函數，以及其中，該均衡器(KG)的傳輸函數為了與測量電路(MS)的各傳輸函數相匹配而可調。
12.根據權利要求11所述的測量裝置(MV)，其特征在于，作為所述電壓傳送器(SG)采用電容器裝置。
13.根據權利要求12所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述電容器裝置是由電網的傳導電流的導線(1)和與其電氣絕緣的電極構成的耦合電容器(2)。
14.根據權利要求13所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述耦合電容器(2)的電極是包圍所述傳導電流的導線(1)的環形電極。
15.根據權利要求11所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述電壓傳送器(SG)是在初級側與傳導電流的導線(1)連接的感應式變壓器(4)。
16.根據權利要求15所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述均衡器(KG)通過開關(11)可選擇地橋接。
17.根據權利要求11至16中任一項所述的測量裝置(MV)，其特征在于，在所述測量電路(MS)的模擬輸出信號下所述均衡器(KG)是具有PID特征的模擬濾波器。
18.根據權利要求11至16中任一項所述的測量裝置(MV)，其特征在于，在所述測量電路(MS)的數字輸出信號下所述均衡器(KG)是數字濾波器(10)。
19.根據權利要求18所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述數字濾波器(10)的傳輸函數通過時間離散的傳輸函數表示。
20.根據權利要求19所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述數字濾波器(10)具有系數可變的時間離散的傳輸函數。
21.根據權利要求11至20中任一項所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述繼續處理裝置(WA)在其輸入區中具有電隔離元件。
22.根據權利要求21所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述電隔離元件是感應式變流器(6)。
23.根據權利要求22所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述電壓傳送器(SG)在輸出端與由高歐姆電阻(5)和所述感應式變流器(6)的初級繞組組成的串聯電路連接。
24.根據權利要求22或23所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述變流器(6)的次級繞組被加載了內阻為0歐姆的反向耦合的運算放大器(7)。
25.根據權利要求11至16和18至24中任一項所述的測量裝置(MV)，其特征在于，所述測量電路(MS)在輸出端具有模擬/數字轉換器(9)。
全文摘要
本發明涉及一種借助測量電路(MS)在電流分配網絡的位置上測量電壓的方法，該測量電路(MS)具有與電網的導線(1)耦合的電壓傳送器(SG)和與該電壓傳送器(SG)連接的繼續處理裝置(WA)，在該測量電路的輸出端輸出電壓測量值作為輸出信號。為了利用這樣的方法獨立于所選擇的電壓傳送器(SG)的類型得到精確的電壓測量值，本發明建議為獲得正確的測量值通過具有與測量電路(MS)的傳輸函數相反的傳輸函數的均衡器(KG)來校正測量電路(MS)的輸出信號。本發明還涉及一種實施該方法的測量裝置(MV)。
文檔編號G01R19/25GK1860372SQ200480028005
公開日2006年11月8日 申請日期2004年9月16日 優先權日2003年9月26日
發明者安德烈亞斯·朱里希 申請人:西門子公司