CN101620244A

CN101620244A - 干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路

Info

Publication number: CN101620244A
Application number: CN200810039830A
Authority: CN
Inventors: 康伟; 李佳程; 李荣翔; 刘会文; 张海燕; 陈殿印
Original assignee: Shanghai Xinyue Instrument Factory
Current assignee: Shanghai Xinyue Instrument Factory
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-06

Abstract

本发明公开了一种干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，包括电源电路、光源驱动电路，其还包括信号处理电路，针对环型光纤光学干涉式电流互感器和反射型干涉式电流互感器的基于FPGA的闭环检测电路。光纤电流互感器表头将电流强度转化为光相位偏移。闭环检测装置中前放单元接收光纤探测器输出的光强信号经A/D转换后输出给FPGA，FPGA对接收到的光强信号进行处理，解算出对应的相位信号，并经D/A产生相应的反馈控制信号，由运放放大后输出控制相位调制器；经内部运算出即时电流值，通过第二路D/A转换为模拟电压信号输出至合并单元。本发明具有测量频带宽，测量精度高，动态范围大等优点。适于输变电行业及测量大电流的场合。

Description

干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路

技术领域

本发明涉及到一种针对环型光纤光学干涉式电流互感器和反射型干涉式电流互感器的闭环检测电路。该检测电路采用闭环反馈控制原理，测量光纤电流互感器中光的相位变化，可以大幅度降低噪声干扰、减弱温度等环境条件变化的影响、提高测量精度，能够精确地测量出电流值。

背景技术

电流互感器(Current transducer)作为电力系统中的重要设备，在电能计量和继电保护的过程中起到了极其重要的作用。现在常见的传统式电流互感器是采用基于电磁感应原理的空心线圈结构，其工作原理本身导致在实际使用中存在一些难以解决的技术难题，如：高压超高压下绝缘性能难以保证；大电流下磁芯易饱和，并由此导致严重的测量误差；互感器在开路状态下输出端会产生极高的感应电压，危害设备和工作人员安全；体积、重量大等等。由于上述缺陷均为其工作原理所决定，在原有结构下很难加以克服。

为了解决上述问题，相关技术人员开始关注基于Faraday效应的光学电流互感器。自从1963年申请、1967年授权第一份采用Faraday磁光效应测量电流美国专利开始，直至1982年左右，世界范围内的相关技术人员相继开发出多种类型的光学电流传感器。这些早期的光学电流互感器多采用块状玻璃或环状玻璃作为磁场传感元件。由于该类产品传感头使用分立光学元件，传感光路部分较短，磁光灵敏度较小，所以不能随意调节。另外，传感光路加工工时多，费用高，相应的分立光学元件粘结破损事故率也高。

20世纪90年代中期，出现采用环型光纤光学干涉方法测量电流，通过特殊的光学结构，将导线中的电流强度转化为由于法拉第磁光效应导致的顺时针(cw)和逆时针(ccw)两束光波之间的相位移。它不但没有传统空心线圈式电流传感器的固有缺点，也解决了火石玻璃环构成的偏振仪式光学电流互感器的灵敏度不能调整、分立光学元件之间光学粘结胶的性能退化的缺陷，能做到在电站服役至少20年的寿命期间户外光路系统免维护。

同时反射型干涉式光纤电流互感器也引起了人们的极大关注。因为从理论上计算其磁光灵敏度比环形传感光纤结构大一倍，并且节省了一半信号传输光纤。这类装置几乎是得到一致认同。但在实践中，也存在一些严重的缺陷。主要是光纤端面反射膜的长期稳定性难以得到保证。长期在周围的某些不利的环境中(如高温、高湿环境)，反射膜性能退化导致反射率降低，致使输出信号强度降低。在超高压与特高压电站里，由于每年停电维修时间比较短，减少了维修机会，难以随时排除故障，所以这个问题尤其严重。

环型光纤光学干涉式电流互感器和反射型干涉式电流互感器检测电流输出的物理量是两束相干光(在环型光纤光学干涉式电流互感器中为顺时针光和逆时针光，反射型干涉式电流互感器中为入射光和反射光)之间的相位移。两束光的相位移是无法直接测量的，一般是通过干涉将相位移转化为干涉光强信号，就可以通过相应的光电传感器检测出来。

由于干涉式全光纤电流互感器在国内还处于早期研究研究阶段，国内只有少数高校、研究所有所涉及，其中大部分都处于起步阶段，所以相对应的检测电路也没有实质性的进展。现在所能查到的一套光纤电流互感器检测电路，其信号处理是采用FPGA处理器加DSP协处理器的方案，由于元器件的增加，势必要增加大量的焊点和连线，这就大大增加了电路的复杂性，必然会降低电路的可靠性；而且该检测电路的闭环控制单元是采用先分别生成两路模拟信号再加以合并的方式生成电压控制信号，这也增加了大量的外部器件，同时模拟信号处理时不可避免地会产生信号失真、变形，这将直接导致闭环控制精度下降，进而降低光纤电流互感器的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路。该闭环检测电路使光纤电流互感器始终工作在最灵敏点上，简化了电路的复杂程度，有效提高了可靠性；避免了模拟信号相加的环节，提高光纤电流互感器的灵敏度；并且提高了全测量范围输出的线性度，扩大了有效测量范围；抑制了温度变化对检测精度的影响，提高了光纤电流互感器的稳定性和实用性。

为解决上述技术问题，本发明的一种干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，包括电源电路、光源驱动电路，所述的光源驱动电路由恒流源、温控电路构成，其要点是还包括信号处理电路，信号处理电路与光电探测器和相位调制器相连接。

所述的信号处理电路包括前放单元、A/D转换单元、FPGA处理器、反馈控制单元、模拟输出单元，前放单元与光电探测器连接，前放单元的输出端与A/D转换单元的输入端连接，A/D转换单元的数据输出端口与FPGA处理器的相应I/O端口相连接；FPGA处理器的相应I/O端口分别与反馈控制单元以及模拟输出单元的数据端口连接；反馈控制单元的输出端与相位调制器的信号输入端连接，模拟输出单元的输出端与合并单元的输入端连接。

所述U1的FPGA处理器的时钟端与外部石英晶体振荡器相连接；U2的CCLK、DIN、INIT、DONE分别与FPGA处理器的对应端口连接；A/D时钟输出端、12位并行A/D数据输入端口、模拟输入溢出端分别与A/D转换单元的相应端口相连接，两路D/A时钟端和两路16路并行数据端口分别与反馈控制单元和模拟输出单元相连接。

所述的D/A转换器U5的时钟端和16位并行数据端与FPGA的相应端口相连接，D/A转换器U5的输出端1端与高速双运放U6以及电阻网络构成一级I-V转换电路和一级反向放大电路，两级电路串联，放大后的闭环反馈信号与相位调制器相连。

本发明的闭环检测电路，与现有技术相比，其有益效果是：省略了一片DSP、一组RAM、一组ROM和一组D/A转换器，大大简化了电路的复杂程度，减少了大量的焊点和连线，有效提高了可靠性；可以大幅度减小输出闭环控制电压信号的失真和变形，提高检测精度。提高光纤电流互感器的灵敏度；并且提高了全测量范围输出的线性度，扩大了有效测量范围；抑制了温度变化对检测精度的影响，提高了光纤电流互感器的稳定性和实用性。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路结构框图。

图2A是前放单元。

图2B是A/D转换单元原理图。

图2C是FPGA处理器芯片图。

图2D是反馈控制单元原理图。

图2E是模拟输出单元原理图。

图2F是恒流源原理图。

图2G是温控电路原理图。

图3是本发明FPGA内部电路示意图。

图4是本发明方波调制波形图。

图5是本发明反馈控制波形图。

具体实施方式

实施例

光纤干涉式电流互感器的的基本工作原理是光的Faraday效应。电流在导体周围产生磁场，通过特殊设计的光学结构，使传感光纤中行进的圆偏振光受电流磁场作用后，相位发生变化；而相位移的大小与导体中电流的大小成正比例。通过测量相干的两束光之间的相位移的大小，就能测量出导体中的电流值。

(一)干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路电气连接

参见图1所示，干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路电气连接如下：光源2的相应端口分别与恒流源51的输出端以及温控电路52的热敏电阻输入端、致冷控制器输出端连接；光电探测器1的输出端与前放单元61的信号输入端连接；前放单元61的输出端与A/D转换单元62的输入端连接，A/D转换单元62的数据输出端口与FPGA处理器63的相应I/O端口相连接；FPGA处理器63的相应I/O端口分别与反馈控制单元64以及模拟输出单元65的数据端口连接；反馈控制单元64的输出端与相位调制器3的信号输入端连接，模拟输出单元65的输出端与合并单元的输入端连接。

前放单元、A/D转换单元、FPGA处理器、反馈控制单元、模拟输出单元组成，前放单元接收由前述光纤电流互感器光路光电探测器输出的光强电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经A/D转换后输出给FPGA，FPGA对采集到的数据进行解调、数字滤波、积分转换，然后由FPGA解算出反馈控制量输出至反馈控制单元，并转化为电压信号反馈控制集成光学相位调制器，同时将测得电流值输出至模拟输出单元，将其转化为模拟电压信号输出；其光源驱动电路分为恒流源和温控电路，恒流源电路由运放和三极管构成一个电流源，可以产生稳定的光源驱动电流，温控电路通过光源内部安装的热敏电阻的阻值变化来获取光源内部准确温度，并通过积分电路和三极管产生相应的电流驱动光源内部的半导体致冷器，使光源管芯工作在恒定温度下，恒流源和温控电路两者共同工作确保光源输出中心波长不变，光功率稳定。

(二)闭环检测电路结构

参见图2A所示，前放单元61，各端子的连接方式如下：光电探测器1输出的光强电压信号端经电容隔直后与前放单元61的运算放大器(AD8009)U3的3端连接，运算放大器U3的6端与A/D转换单元62连接。

前放单元61包括隔直滤波、一级反向放大电路组成。光纤电流互感器的输出有效交流信号强度与其上百毫伏的直流电平的相比十分微弱，为了提高光纤电流传感器的灵敏度，本发明采用电容隔直的方法，使后级电路只放大有效交流信号。

A/D转换单元62

参见图2B所示，各端子的连接方式如下：A/D转换器(AD1672)U4的输入端与前放单元的输出连接。时钟输入端、模拟输入溢出端、12位并行数据输出端口分别与FPGA处理器63的相应IO端口相连接。

A/D转换单元62将前放单元61处理的模拟电压信号转化为数字量，并由12位并行数字端口输出至FPGA处理器。A/D转换单元62由A/D转换芯片AD1672及外围电路组成。

FPGA处理器63

参见图2C、图3、图4和图5所示，本电路采用闭环控制的方法检测干涉式光纤电流互感器的输出相位移，FPGA处理器63是本电路的核心器件，各端子的连接方式如下：FPGA处理器(XCS20TQ144)U1的时钟端与外部石英晶体振荡器相连接；EEPROM(AT17256PD8)U2的CCLK、DIN、INIT、DONE分别与FPGA处理器的对应端口连接；A/D时钟输出端、12位并行A/D数据输入端口、模拟输入溢出端分别与A/D转换单元62的相应端口相连接，两路D/A时钟端和两路16路并行数据端口分别与反馈控制单元64和模拟输出单元65相连接。

FPGA处理器63内部功能示意图如图3所示，它通过前放单元61和A/D转换单元62接收光电探测器的数字光强信号，解算出表征待测电流的相位移信号，并生成数字反馈控制信号，并通过反馈控制单元64转换为电压信号反馈控制相位调制器3，同时经过数字滤波、平滑，将检测到的数字电流输出至模拟输出单元65，转化为模拟电压信号输出。

本闭环检测电路的输出反馈调制波型由两部分组成。一部分是数字方波调制信号，使光纤电流互感器工作在灵敏度最高的状态，其周期为2τ(τ是指光在光纤电流传感器中运行全程所需的时间)，高度为±π/2，波型如图4所示，另一部分为数字闭环反馈控制阶梯波，其作用是产生一个反向相位移，与电流在光纤电流互感器上产生的相位移大小相等、方向相反，两者叠加使产生的总相位移为零，光纤电流互感器工作时只要检测相位移即可，这样可以消除光功率的波动对互感器的测量的影响，大大提高测量精度。数字闭环反馈控制阶梯波的阶梯宽度为τ，高度为FPGA前级解算滤波后输出的相位移，其波型如图5所示。数字方波调制信号和数字闭环反馈控制阶梯波在FPGA内部叠加，将混合数字信号输出至反馈控制单元，生成模拟电压信号反馈控制相位调制器，完成闭环控制回路。

反馈控制单元64

参见图2D所示，各端子的连接如下：D/A转换器(AD768)U5的时钟端和16位并行数据端与FPGA的相应端口相连接，D/A转换器U5的输出端1端与高速双运放U6以及电阻网络构成一级I-V转换电路和一级反向放大电路，两级电路串联，放大后的闭环反馈信号与相位调制器3相连。

反馈控制单元64由一片16位D/A转换器AD768和一片高速双运放AD828组成。它将FPGA处理器63生成的数字闭环控制信号经D/A转换成模拟信号，再经由双运放AD828放大后输出反馈控制相位调制器。

模拟输出单元65

参见图2E所示，各端子的连接方式如下：D/A转换器U7(AD768)的时钟端和16位并行数据端与FPGA处理器63的相应端口相连接，D/A转换器U7的输出端1端与运放U8(AD797)以及电阻网络构成一级I-V转换电路，运放U8的输出端6端与运放U9(AD797)以及电阻网络构成一级可调节放大倍数的反向放大电路，两级电路串联，可以将测得的数字电流信号转化为标定的模拟电压信号输出至合并单元。

模拟输出单元65由一片16位D/A转换器AD768和两片单运放AD797组成。FPGA处理器63解算出的导体电流数字量，通过D/A转换为模拟信号，再经由两级单运放AD797放大后转化为模拟电压量输出。

恒流源51

参见图2F所示，各端子的连接方式如下：电阻网络分压输出与运放U10连接，经反向放大后，由U10(OP179)的1脚输出，驱动PNP三极管Q3，由三极管Q3放大后由2脚输出电流驱动光源2。

恒流源51由一片单运放加一片PNP三极管组成，可以产生低噪声的直流电输出给光源2，保证光源2发出的光强稳定，从而减小噪声，提高光纤电流互感器的测量精度。

温控电路52

参见图2G所示，温控电路由一片双运放U11(OP279)放加两片复合三极管TIP122、TIP127组成，可以通过敏感光源内部热敏电阻阻值变化来生成相应大小的电流，驱动光源内部集成的半导体致冷器，从而将光源的管芯温度稳定在25℃附近，使输出光的中心波长和光功率保持稳定。

各端子的连接如下：光源的热敏电阻接入电阻网络，输出分别接双运放U11的5、6脚，再由R11和C2组成差分放大电路，由U11的7脚输出，再由后级阻容网络组成反馈控制回路，由U11的1脚输出，驱动两个复合三极管，输出温控电流至光源内的半导体致冷器。

本发明采用单FPGA处理器完成所有运算，大大简化了电路，提高了可靠性，同时采用全数字闭环控制，避免了模拟信号相加带来的变形和失真，有效地提高了环型光纤光学干涉式电流互感器和反射型干涉式电流互感器的检测精度，在全温度范围内(-40℃～55℃)保证电流互感器在大测量范围内(0～40000A)保持良好的灵敏度和线性度，是现有传统互感器理想的替代产品。

Claims

1.一种干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，包括电源电路(4)、光源驱动电路(5)，所述的光源驱动电路(5)由恒流源(51)、温控电路(52)形成，其特征在于还包括信号处理电路(6)，信号处理电路(6)与光电探测器(1)和相位调制器(3)相连接。

2.根椐权利1要求所述的干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，其特征在于信号处理电路(6)包括前放单元(61)、A/D转换单元(62)、FPGA处理器(63)、反馈控制单元(64)、模拟输出单元(65)，前放单元(61)与光电探测器(1)连接，前放单元61的输出端与A/D转换单元62的输入端连接，A/D转换单元62的数据输出端口与FPGA处理器63的相应I/O端口相连接；FPGA处理器63的相应I/O端口分别与反馈控制单元64以及模拟输出单元65的数据端口连接；反馈控制单元64的输出端与相位调制器3的信号输入端连接，模拟输出单元65的输出端与合并单元的输入端连接。

3.根椐权利2要求所述的干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，其特征在于U1的FPGA处理器63的时钟端与外部石英晶体振荡器相连接；U2的CCLK、DIN、INIT、DONE分别与FPGA处理器的对应端口连接；A/D时钟输出端、12位并行A/D数据输入端口、模拟输入溢出端分别与A/D转换单元62的相应端口相连接，两路D/A时钟端和两路16路并行数据端口分别与反馈控制单元64和模拟输出单元65相连接。

4.根椐权利3要求所述的干涉式全光纤电流互感器闭环检测电路，其特征在于D/A转换器U5的时钟端和16位并行数据端与FPGA的相应端口相连接，D/A转换器U5的输出端1端与高速双运放U6以及电阻网络构成一级I-V转换电路和一级反向放大电路，两级电路串联，放大后的闭环反馈信号与相位调制器3相连。