CN102445581A - 一种电容分压型自校准光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

一种电容分压型自校准光学电压互感器，涉及一种电容分压型自校准光学电压互感器，为了解决现有的电容分压型光学电压互感器存在受温度影响而产生的测量精度温度漂移的问题，以及抗干扰能力差的问题，它包括电容分压器、底座和光学电压传感器，电容分压器包括高压电容器、低压电容器、信号输出端子和接地端子，光学电压传感器包括光学电压传感单元，光学电压传感器还包括信号处理单元，信号处理单元包括光电转换模块、抗混叠滤波器、带通滤波器、放大器、A/D转换模块、DSP、D/A转换模块、放大模块、过压保护模块、LED光源、电源转换模块、合并单元和直流电源模块，还包括一个光电混合接件模块，本发明用于电力系统中的电压测量。

Description

一种电容分压型自校准光学电压互感器

技术领域

本发明涉及一种电容分压型自校准光学电压互感器。

背景技术

电压互感器是电力系统中进行电压测量的重要设备，其测量精度和运行的可靠性与电力系统的安全可靠和经济运行密切相关。光学电压互感器基于泡克尔斯电光效应，是最理想的电子式电压互感器，是电子式电压互感器的主要方向。

按传感结构的不同，光学电压互感器可以分为全电压性光学电压互感器、叠层介质分压型光学电压互感器、电容分压型光学电压互感器、分布式光学电压互感器，其中最具实用化前景的是电容分压型光学电压互感器。电容分压器和光学电压传感器是电容分压型光学电压互感器的核心部件，其基本原理是利用电容分压器的分压作用获取与待测电压成正比例的低电压，将该低电压传送给光学电压传感器，电压信号施加在电光晶体上构成横向电光调制或纵向电光调制，导致通过晶体的偏振光产生双折射，泡克尔斯效应引起双折射的两光束产生相位差，只要测出该相位差即可精确测出外加待测电压的大小。

电容分压型光学电压互感器具有无磁饱和、无频带测量限制、能准确反映包括非周期分量在内的全电压信息等优点，但是电容分压型光学电压互感器存在受温度影响而产生的测量精度温度漂移问题和抗干扰能力差问题，这些问题长期以来限制了电容分压型光学电压互感器的实用化。

发明内容

本发明是为了解决现有的电容分压型光学电压互感器存在受温度影响而产生的测量精度温度漂移的问题，以及抗干扰能力差的问题，提出的一种电容分压型自校准光学电压互感器。

本发明的一种电容分压型自校准光学电压互感器包括电容分压器、底座和光学电压传感器，电容分压器包括高压电容器、低压电容器、信号输出端子和接地端子，光学电压传感器包括光学电压传感单元，高压电容器的下端与低压电容器的上端串联耦合连接，电容分压器的信号输出端子的一端与光学电压传感单元的正极相连接，信号输出端子的另一端与低压电容器的上端相连接，低压电容器的下端与接地端子的一端相连接，光学电压传感器还包括信号处理单元，光学电压传感单元的负极与信号处理单元的正极相连接，信号处理单元的负极与电容分压器的接地端子的另一端相连接，

所述信号处理单元包括光电转换模块、抗混叠滤波器、带通滤波器、放大器、A/D转换模块、DSP、D/A转换模块、放大模块、过压保护模块、LED光源、电源转换模块、合并单元和直流电源模块，

光电转换模块的信号输入端与光学电压传感单元的信号输出端相连接，光电转换模块的信号输出端同时与抗混叠滤波器的信号输入端和带通滤波器的信号输入端相连接，带通滤波器的信号输出端与放大器的信号输入端相连接，放大器的信号输出端与A/D转换模块的第一信号输入端相连接，A/D转换模块的第二信号输入端与抗混叠滤波器的信号输出端相连接，A/D转换模块的信号输出端与DSP的信号输入端相连接，DSP的信号输出端与D/A转换模块的信号输入端相连接，D/A转换模块的信号输出端与放大模块的信号输入端相连接，放大模块的信号输出端与过压保护模块的信号输入端相连接，电源转换模块的第一输出端分别与LED光源、光电转换模块、放大器、DSP和A/D转换模块的电源端相连接，电源转换模块的第二输出端分别与D/A转换模块、放大模块、抗混叠滤波器和带通滤波器的电源端相连接，

光学电压传感器还包括一个光电混合接件，直流电源模块的输出端与光电混合接件模块的第一输入端相连接，光电混合接件模块的第一输出端与电源转换模块的输入端相连接，DSP的输出端与光电混合接件模块的第二输入端相连接，光电混合接件模块的第二输出端与合并单元的输入端相连接。

本发明的一种电容分压型自校准光学电压互感器基于泡克尔斯电光效应，电容分压器的分压比稳定、抗干扰能力强、不受温度变化的影响、测量精度高，优点为：

1)、准确反映包括非周期分量在内的全电压信息，无频带测量限制；

2)、绝缘结构简单、无磁饱和及铁磁谐振问题、输出数字化：电容分压器的低压电容器输出电压仅为几百伏特，且电光晶体和光纤本身都是天然良好的绝缘材料，使得绝缘要求大大降低；被测电压信号由电容分压器从电网取出，无铁芯和电磁耦合，不存在磁饱和和铁磁谐振的问题；电光晶体取代非线性补偿电感及变压器电感而与低压电容器并联，使设备本身存在的铁磁谐振隐患得到消除；

3)、电容分压器分压比稳定：本发明通过采用所述结构巧妙的电容分压器，使得杂散电容对电容分压器分压比无影响或者影响极小，保证了电容分压器分压比的工作稳定性；

4)、解决了现有光学电压互感器普遍存在的测量精度温度漂移问题：本发明通过采用增加自校准功能模块，实现了光学电压传感器的自校准检测，解决了现有光学电压传感器测量精度温度稳定性差的问题；

5)、抗干扰能力强：本发明增加了一个屏蔽罩，将外电场的干扰作用降至最低。

6)、测量精度高：由于采用了新型叠压串并联结构的电容分压器和采用了带有自校准功能模块的光学电压传感器，将杂散电容、外界电磁干扰和温度变化带来的影响降到最低，极大地提高了光学电压互感器的测量精度；

7)、体积小，重量轻，成本低：通过对电容分压器本体结构的设计，实现了电容分压器的小型化和轻型化；通过采用自校准功能设计，降低了绝缘要求和成本，可以减少光学晶体的数量，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的信号处理单元的原理示意图；图3是本发明的电容分压器的等效原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种电容分压型自校准光学电压互感器，它包括电容分压器1、底座2和光学电压传感器3，电容分压器1包括高压电容器1-2、低压电容器1-3、信号输出端子1-4和接地端子1-5，光学电压传感器3包括光学电压传感单元3-1，高压电容器1-2的下端与低压电容器1-3的上端串联耦合连接，电容分压器1的信号输出端子1-4的一端与光学电压传感单元3-1的正极相连接，信号输出端子1-4的另一端与低压电容器1-3的上端相连接，低压电容器1-3的下端与接地端子1-5的一端相连接，光学电压传感器3还包括信号处理单元3-2，光学电压传感单元3-1的负极与信号处理单元3-2的正极相连接，信号处理单元3-2的负极与电容分压器1的接地端子1-5的另一端相连接，

所述信号处理单元3-2包括光电转换模块3-2-1、抗混叠滤波器3-2-2、带通滤波器3-2-3、放大器3-2-4、A/D转换模块3-2-5、DSP3-2-6、D/A转换模块3-2-7、放大模块3-2-8、过压保护模块3-2-9、LED光源3-2-10、电源转换模块3-2-11、合并单元4和直流电源模块6，

光电转换模块3-2-1的信号输入端与光学电压传感单元3-1的信号输出端相连接，光电转换模块3-2-1的信号输出端同时与抗混叠滤波器3-2-2的信号输入端和带通滤波器3-2-3的信号输入端相连接，带通滤波器3-2-3的信号输出端与放大器3-2-4的信号输入端相连接，放大器3-2-4的信号输出端与A/D转换模块3-2-5的第一信号输入端相连接，A/D转换模块3-2-5的第二信号输入端与抗混叠滤波器3-2-2的信号输出端相连接，A/D转换模块3-2-5的信号输出端与DSP3-2-6的信号输入端相连接，DSP3-2-6的信号输出端与D/A转换模块3-2-7的信号输入端相连接，D/A转换模块3-2-7的信号输出端与放大模块3-2-8的信号输入端相连接，放大模块3-2-8的信号输出端与过压保护模块3-2-9的信号输入端相连接，电源转换模块3-2-11的第一输出端分别与LED光源3-2-10、光电转换模块3-2-1、放大器3-2-4、DSP3-2-6和A/D转换模块3-2-5的电源端相连接，电源转换模块3-2-11的第二输出端分别与D/A转换模块3-2-7、放大模块3-2-8、抗混叠滤波器3-2-2和带通滤波器3-2-3的电源端相连接，

光学电压传感器3还包括一个光电混合接件3-3，直流电源模块6的输出端与光电混合接件模块3-3的第一输入端相连接，光电混合接件模块3-3的第一输出端与电源转换模块3-2-11的输入端相连接，DSP3-2-6的输出端与光电混合接件模块3-3的第二输入端相连接，光电混合接件模块3-3的第二输出端与合并单元4的输入端相连接。

本实施方式中，电容分压器1顶端的高压端子1-1与待测电压U₁相连接，通过电容分压器1的分压作用在低压电容器1-3上端获得一个与待测电压U₁成正比例的低压U₂，光学电压传感单元3-1的正极与电容分压器信号输出端子1-4连接获取调制电压U₂，光学电压传感单元3-1的负极与信号处理单元3-2的正极连接获取基准调制电压U_R，信号处理单元3-2的负极与电容分压器接地端子1-5连接。所述信号处理单元3-2的基准电压源输出电压信号U_R与待测电压源输出电压信号U₂的频率不同，电压信号U_R的频率大于电压信号U₂的频率。

本实施方式中，光学电压传感单元3-1同时将检测到的敏感电压信号U₂和U_R通过传输光纤传送至信号处理单元3-2的光电转换模块3-2-1，经过光电转换3-2-1的处理后的调制信号被分成两路，其中一路信号送至抗混叠滤波器3-2-2，另一路信号传送至带通滤波器3-2-3，经过抗混叠滤波器3-2-2和带通滤波器3-2-3处理后输出的两路信号包含的信息不同，抗混叠滤波器3-2-2输出光学电压传感单元3-1敏感的电压信号U₂和U_R，带通滤波器3-2-3输出光学电压传感单元3-1检测到的敏感的电压信号U_R，DSP3-2-6对接收到的两路信号进行比较和处理，得到光学电压传感器3的输出修正系数Δk，实现了对电压信号U₂的自校准检测。通过增加基准电压的设计，实现了光学电压互感器的自校准功能，解决了光学电压传感器测量精度的温度稳定性差的问题。

本实施方式中，自校准功能的实现方法为：由DSP3-2-6产生一个基准数字量电压信号，该电压信号经D/A转换模块3-2-7变为模拟电压信号，通过放大模块3-2-8和过压保护模块3-2-9后获得一个与环境因素无关的基准调制电压源，该基准电压源的有效值为U_R，频率为f_R(取800Hz)，DSP3-2-6记录并保存基准电压源的信息，DSP3-2-6记录的基准电压信号可表示为：

$u_R\left(n\right)=\sqrt{2}{U}_R\sin (2\mathrm{\π}\·f_R\·t_n+{\mathrm{\φ}}_R)$

其中：n表示数据样本的计数；t_n表示第n个数据的采样时间；φ_R表示基准调制电压U_R的初始相位。

LED光源3-2-10发出偏振光，光学电压传感单元3-1基于泡克尔斯电光效应原理同时检测敏感电压信号U₂和U_R，并将信号通过传输光纤传送至信号处理单元3-2，经过光电转换模块3-2-1的处理后调制信号被分为两路，其中一路信号传送至抗混叠滤波器3-2-2，另一路信号传送至带通滤波器3-2-3，带通滤波器3-2-3的输出信号可以表示为：

${u_R}^{\′}\left(n\right)=(1+\mathrm{\Δk})\sqrt{2}{U}_R\sin (2\mathrm{\π}\·f_R\·t_n+{\mathrm{\φ}}_R^{\′})$

式中：Δk表示环境温度等外界影响因素引起光学电压传感单元3-1输出系数的变化量，与敏感电压信号频率无关；

表示光学电压传感单元3-1敏感的电压信号U_R的初始相位。

抗混叠滤波器3-2-2的输出信号包含电压信号U₂和U_R，经DSP3-2-6数据处理后分离出待测电压信号可以表示为：

式中：f₂表示待测电压信号U₂的频率；

表示光学电压传感单元3-1敏感电压信号U₂的初始相位。

光学电压传感单元3-1检测的敏感电压信号U_R获得的电压信号的有效值U_R′采用离散傅立叶算法计算得到，计算中采取增加计算样本数和加窗处理来降低频率波动对有效值计算的影响，环境温度等外界影响因素引起光学电压传感单元3-1的输出系数变化量Δk可以通过下式计算得到：

$\mathrm{\Δk}=\frac{{U_R}^{\′}-U_R}{U_R}$

对光学电压传感单元3-1同时检测的敏感电压信号U₂得到的电压信号u₂′进行修正，可以得到不受坏境温度等外界因素影响的输出电压信号：

若待测电压输出电压信号U₂除包含基波频率外，还包含其它高次谐波频率，上述计算方法同样适用。经测试，本发明所提供的电容分压型自校准光学电压互感器在-40～60℃的温度范围内测量精度达到了IEC0.2级计量要求。

本实施方式中，直流电源6通过电源转换模块3-2-11转换后提供+5V和±15V两个电压等级直流电源输出，实现对信号处理单元3-2的各个有源元件提供直流工作电源。

具体实施方式二，结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述电容分压器1采用2N个相同的电容器元件构成，N为正整数，其中a个电容器元件采用叠压串联方式串联构成高压电容器1-2，b个电容器元件采用叠压并联方式并联构成低压电容器1-3，其中，a，b均为正整数，且a+b＝2N。

本实施方式中，电容分压器的等效原理图如图3所示，高压电容器1-2的电容量为C₁，低压电容器1-3的电容量为C₂，电容分压器1的分压比为：

本实施方式中，电容分压器1采用特殊的上下节耦合电容对称封装结构，上节耦合电容封装N个电容器元件，下节耦合电容封装N个电容器元件，采用这种结构设计的电容分压器1，将温度和外干扰对电容分压器产生的影响可以降至最低，提高了电容分压器1的温度稳定性和抗干扰能力。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所述光学电压传感器3还包括屏蔽罩3-4，屏蔽罩3-4罩在光学电压传感单元3-1和信号处理单元3-2的外面。

本实施方式中，屏蔽罩3-4可以实现对外界电磁干扰的屏蔽，提高本发明的电容分压型自校准光学电压互感器的抗干扰能力。

Claims (3)

1.一种电容分压型自校准光学电压互感器，它包括电容分压器(1)、底座(2)和光学电压传感器(3)，电容分压器(1)包括高压电容器(1-2)、低压电容器(1-3)、信号输出端子(1-4)和接地端子(1-5)，光学电压传感器(3)包括光学电压传感单元(3-1)，高压电容器(1-2)的下端与低压电容器(1-3)的上端串联耦合连接，电容分压器(1)的信号输出端子(1-4)的一端与光学电压传感单元(3-1)的正极相连接，信号输出端子(1-4)的另一端与低压电容器(1-3)的上端相连接，低压电容器(1-3)的下端与接地端子(1-5)的一端相连接，其特征在于：光学电压传感器(3)还包括信号处理单元(3-2)，光学电压传感单元(3-1)的负极与信号处理单元(3-2)的正极相连接，信号处理单元(3-2)的负极与电容分压器(1)的接地端子(1-5)的另一端相连接，

所述信号处理单元(3-2)包括光电转换模块(3-2-1)、抗混叠滤波器(3-2-2)、带通滤波器(3-2-3)、放大器(3-2-4)、A/D转换模块(3-2-5)、DSP(3-2-6)、D/A转换模块(3-2-7)、放大模块(3-2-8)、过压保护模块(3-2-9)、LED光源(3-2-10)、电源转换模块(3-2-11)、合并单元(4)和直流电源模块(6)，

光电转换模块(3-2-1)的信号输入端与光学电压传感单元(3-1)的信号输出端相连接，光电转换模块(3-2-1)的信号输出端同时与抗混叠滤波器(3-2-2)的信号输入端和带通滤波器(3-2-3)的信号输入端相连接，带通滤波器(3-2-3)的信号输出端与放大器(3-2-4)的信号输入端相连接，放大器(3-2-4)的信号输出端与A/D转换模块(3-2-5)的第一信号输入端相连接，A/D转换模块(3-2-5)的第二信号输入端与抗混叠滤波器(3-2-2)的信号输出端相连接，A/D转换模块(3-2-5)的信号输出端与DSP(3-2-6)的信号输入端相连接，DSP(3-2-6)的信号输出端与D/A转换模块(3-2-7)的信号输入端相连接，D/A转换模块(3-2-7)的信号输出端与放大模块(3-2-8)的信号输入端相连接，放大模块(3-2-8)的信号输出端与过压保护模块(3-2-9)的信号输入端相连接，电源转换模块(3-2-11)的第一输出端分别与LED光源(3-2-10)、光电转换模块(3-2-1)、放大器(3-2-4)、DSP(3-2-6)和A/D转换模块(3-2-5)的电源端相连接，电源转换模块(3-2-11)的第二输出端分别与D/A转换模块(3-2-7)、放大模块(3-2-8)、抗混叠滤波器(3-2-2)和带通滤波器(3-2-3)的电源端相连接，

光学电压传感器(3)还包括一个光电混合接件模块(3-3)，直流电源模块(6)的输出端与光电混合接件模块(3-3)的第一输入端相连接，光电混合接件模块(3-3)的第一输出端与电源转换模块(3-2-11)的输入端相连接，DSP(3-2-6)的输出端与光电混合接件模块(3-3)的第二输入端相连接，光电混合接件模块(3-3)的第二输出端与合并单元(4)的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电容分压型自校准光学电压互感器，其特征在于：所述电容分压器(1)采用2N个相同的电容器元件构成，N为正整数，其中a个电容器元件采用叠压串联方式串联构成高压电容器(1-2)，b个电容器元件采用叠压并联方式并联构成低压电容器(1-3)，其中，a，b均为正整数，且a+b＝2N。

3.根据权利要求1所述的一种电容分压型自校准光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感器(3)还包括屏蔽罩(3-4)，屏蔽罩(3-4)罩在光学电压传感单元(3-1)和信号处理单元(3-2)的外面。

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