CN102768303B - 一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，全光纤型电流互感器包括：光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器；数字信号处理器输出数字量控制D/A转换器产生高低幅度的方波对直波导调制器进行相位调制，并控制施加到直波导调制器上的累加步进电压V_i，数字信号处理器计算相邻两个干涉光强差值绝对值△P，并对△P进行极小值判断，当△P趋近于零时，V_i对应的电压等于补偿系统初始相位差所需的调制电压。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，可以得到系统的初始相位差。本发明不需改变全光纤型电流互感器的光路和结构，测量精度高。

Description

一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法

技术领域

本发明涉及一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法。 

背景技术

全光纤型电流互感器是电力系统中最重要的高压设备之一。随着电力系统电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器在绝缘、带宽、动态范围、输出接口、安全性、重量、体积等方面暴露出了固有的缺点，而基于法拉第(Faraday)效应的全光纤型电流互感器在这些方面却有着突出的优势，是高电压大电流测量中最有前景的方案。 

全光纤型电流互感器的工作原理是利用法拉第效应(外加磁场使得两束圆偏振光在传播一段距离后会产生一定的相位差，可通过测量该相位差来获得磁场及产生磁场的电流信息)进行电流检测。 

理论上，如果光路是理想的互易光路，系统中将不存在初始相位差，即无电流输入时，前半周期调制和后半周期调制所产生的干涉光强应相等。而实际上由于光源的偏振态变化、光纤内的微小结构缺陷、1/4波片的缺陷等原因，系统中不可避免的存在初始相位差。当系统中存在初始相位差时，会导致即使无电流输入，全光纤型电流互感器的输出值也不为零，即产生零点漂移；且这一相位差在系统运行时，会受温度、振动等外界因素的影响而发生变化，影响到全光纤电流互感器的信噪比、线性系数等性能因素，从而降低全光纤型电流互感器的精度性能。为了及早发现全光纤型电流互感器的制备工艺中可能存在的缺陷，提高全光纤型电流互感器的精度性能，须采取一定的方法对系统初始相位差进行测量，且这种测量方法须在不改动全光纤型电流互感器的光路及硬件结构的前提下实现，否则测量完毕后恢复光路及硬件结构的操作又会引入新的初始相位差。 

发明内容

本发明的目的是提出一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，采用幅度可变方波调制，在不改变全光纤型电流互感器结构的条件下对其初始相位差进行检测。 

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是： 

一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，测量方法包括以下步骤：

(1)数字信号处理器输出数字量D_H0、D_L0，控制D/A转换器产生频率为本征频率F的两倍、低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波，其中D_H0对应方波的高电平，D_L0对应方波的低电平； 

(2)低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波对直波导调制器进行相位调制，累加步进电压V_i初始值为0；

(3)由数字信号处理器输出形如D_H＝D_H0+(2N-1)×D_i(N＝1，2，3，4…)和D_L＝D_L0+2N×D_i(N＝1，2，3，4…)的数字量，控制D/A转换器产生频率为2F的方波，且其高电平为V_H＝V_H0+(2N-1)×V_i(N＝1，2，3，4…)，低电平为V_L＝V_L0+2N×V_i(N＝1，2，3，4…)，N的变化频率为2F；

(4)数字信号处理器控制累加步进电压V_i以固定频率f、步进电压V_N累加，即V_i(n+1)＝V_i(n)+V_N；

(5)光探测器将干涉后的光强信号P_L和P_H转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上P_L和V_L，P_H和V_H分别对应；

(6)数字信号处理器计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号P_L和P_H的差值，记为ΔP；

(7)每当V_i增加V_N时，重复上述步骤(3)～(6)，设重复次数为i，得到第i次步进时P_L和P_H的差值ΔP_i，数字信号处理器对ΔP_i值进行极小值判断，当ΔP_i趋近于零时，此时V_i对应的电压即为补偿初始相位差所需的调制电压；

(8)通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用此时调制电压V_i所对应的数字量作为归一化的初始相位差。

在上述方案中，所述全光纤型电流互感器包括：光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器，其中，光源和耦合器的端口A相连，光探测器和耦合器的端口B相连，耦合器的端口C依次和直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜相连，光探测器将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器、数字信号处理器、D/A转换器后进入直波导调制器调制。 

在上述方案中，所述本征频率F可通过公式 计算得到，其中，C为真空中的光速，n为全光纤型电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。 

在上述方案中，所述低电平V_L0和高电平V_H0的值由直波导调制器的特性确定，其范围满足1V≤V_H0≤2V，-2V≤V_L0≤-1V，且在系统中产生±π/2的相位差。 

在上述方案中，所述固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50≤f≤2F，所述步进电压V_N的绝对值选取范围满足0.5mV≤|V_N|≤20mV。 

在上述方案中，所述D/A转换器输入的数字量D与输出的电压信号V满足一一对应的线性关系。 

在上述方案中，所述数字信号处理器采用FPGA。 

在上述方案中，所述光探测器通过示波器观测干涉后的光强信号P_L和P_H。 

在上述方案中，进入所述光探测器的光强信号P_H、P_L满足干涉光强表达式： 

本发明的工作原理是：通过数字信号处理器输出数字量D_H、D_L，控制D/A转换器产生高低幅度与调制电压V_i表达式有关的方波对直波导调制器进行相位调制，光探测器将干涉光强信号转换为模拟电信号，A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再由数字信号处理器计算相邻两个干涉光强差值绝对值ΔP，并对所述差值绝对值ΔP进行极小值判断，当差值绝对值ΔP趋近于零时，则有此时V_i对应的电压等于补偿初始相位差所需的调制电压。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，可以得到该系统的初始相位差；利用数字量D_H、D_L与调制电压之间的线性关系，可以得到该初始相位差所对应的数字量。

本发明的有益效果在于： 

(1)直波导调制器的电压信号是由数字信号处理器输出数字量驱动D/A转换器取得，测试时的步长V_N可以设得足够小(使用14位D/A转换器时，可达0.5mV)，因此初始相位差测量精度高；

(2)方波幅度的步进变化，ΔP的测量和极小值比较都由数字信号处理器自动完成，测量速度快；

(3)本发明不增加新的硬件，测量时不需要改变全光纤型电流互感器的光路和结构，直接利用系统中已有的数字信号处理器，D/A转换器、光探测器、A/D转换器完成测量，因此测量结果能准确反应待测系统的初始相位差。

附图说明

图1是本发明全光纤型电流互感器的结构示意图。 

图2是本发明全光纤型电流互感器存在初始相位差时光探测器输出的波形图。 

图3是图2中V_H和V_L对应得到P_H和P_L的差值ΔP的示意图。 

图4是本发明全光纤型电流互感器的初始相位差被补偿后ΔP趋近于零的示意图。 

图中，1.光源，2.耦合器，3.直波导调制器，4.1/4波片，5.传感光纤环，6.反射镜，7.光探测器，8.数字信号处理器，9.A/D转换器，10.D/A转换器。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明： 

参照图1所示，本发明所述的一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，基于全光纤型电流互感器测量，全光纤型电流互感器包括：光源1、耦合器2、直波导调制器3、1/4波片4、传感光纤环5、反射镜6和光探测器7、数字信号处理器8、A/D转换器9和D/A转换器10，其中，光源1和耦合器2的端口A相连，光探测器7和耦合器2的端口B相连，耦合器2的端口C依次和直波导调制器3、1/4波片4、传感光纤环5、反射镜6相连，光探测器7将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器9、数字信号处理器8、D/A转换器10后进入直波导调制器3调制，测量方法包括以下步骤：(1)数字信号处理器8(以FPGA为例)输出数字量D_H0、D_L0，控制D/A转换器10产生频率为本征频率F的两倍、低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波，其中D_H0对应方波的高电平，D_L0对应方波的低电平，所述本征频率F可通过公式 计算得到，其中，C为真空中的光速，n为全光纤型电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。对于一段400m长的光纤，通过计算可以知道本征频率为250KHz，D/A转换器产生的方波频率为500KHz。对于一个确定的D/A转换器，其输入的数字量D与输出的电平V满足一一对应的线性关系，例如对于一个数字精度为十四位，满幅输出幅度为±5V的D/A转换器，数字量D与电平V满足关系式： 

(2)低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波对直波导调制器3进行相位调制，累加步进电压V_i初始值为0，低电平V_L0和高电平V_H0的值由直波导调制器3的特性确定，其范围满足1V≤V_H0≤2V，-2V≤V_L0≤-1V，且在系统中产生±π/2的相位差；

(3)由数字信号处理器8(以FPGA为例)输出形如D_H＝D_H0+(2N-1)×D_i(N＝1，2，3，4…)和D_L＝D_L0+2N×D_i(N＝1，2，3，4…)的数字量，控制D/A转换器10产生频率为2F的方波，且其高电平为V_H＝V_H0+(2N-1)×V_i(N＝1，2，3，4…)，低电平为V_L＝V_L0+2N×V_i(N＝1，2，3，4…)，N的变化频率为2F；

(4)数字信号处理器8(以FPGA为例)控制累加步进电压V_i以固定频率f、步进电压V_N累加，即V_i(n+1)＝V_i(n)+V_N；固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50≤f≤2F，V_N的绝对值选取范围满足0.5mV≤|V_N|≤20mV；

(5)参照图2所示，光探测器7将干涉后的光强信号P_L和P_H转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上P_L和V_L，P_H和V_H分别对应； 

(6)数字信号处理器8(以FPGA为例)计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号P_L和P_H的差值，记为ΔP，一般情况下ΔP不为零，参考图3所示，用示波器观测光探测器7的输出信号时可看到明显幅度差异；

(7)每当V_i增加V_N时，重复上述步骤(3)～(6)，设重复次数为i，得到第i次步进时P_L和P_H的差值ΔP_i，数字信号处理器8(以FPGA为例)对ΔP_i值进行极小值判断，当ΔP_i趋近于零时，参考图4所示，此时V_i对应的电压即为补偿系统初始相位差所需的调制电压；

(8)通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用此时调制电压V_i所对应的数字量作为归一化的初始相位差。

典型的全光纤型电流互感器的结构如图1所示，通过数字信号处理器8输出数字量D_H、D_L，控制D/A转换器10产生高低幅度与累加步进电压V_i表达式有关的方波对直波导调制器3进行相位调制，光探测器7将干涉光强信号转换为模拟电信号，A/D转换器9将模拟电信号转换为数字电信号，再由数字信号处理器8通过数字电信号计算相邻两个干涉光强差值绝对值ΔP，并对所述差值绝对值ΔP进行极小值判断，当差值绝对值ΔP趋近于零时，则有此时系统初始相位差被V_i对应的电压补偿为零。利用相位差与调制电压之间的线性对应关系，通过V_H和V_L可以得到该系统的初始相位差。 

采用上述步骤进行了多组实验，记录数据如下表所示： 

上述实验过程选用了两套不同的光路，序号①、②、③的数据对应光路I，从实验结果输出的初始相位差可以判断，光路I的初始相位差是一个正值；序号④、⑤、⑥的数据对应光路II，光路II的初始相位差是一个负值。

本发明采用幅度可变方波调制测量全光纤型电流互感器的初始相位差的原理如下：进入光探测器7的光强信号P_H、P_L满足干涉光强表达式： 

从而得到P_H与P_L相等，如图3所示，ΔP趋近于零。这一特定V_i值对应的电压即为补偿被测全光纤型电流互感器初始相位差所需的调制电压，从而得到全光纤型电流互感器的初始相位差的精确测量值。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：测量方法包括以下步骤：

（1）数字信号处理器输出数字量D_H0、D_L0，控制D/A转换器产生频率为本征频率F的两倍、低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波，其中D_H0对应方波的高电平，D_L0对应方波的低电平；

（2）低电平为V_L0、高电平为V_H0的对称方波对直波导调制器进行相位调制，累加步进电压V_i初始值为0；

（3）由数字信号处理器输出形如D_H= D_H0+(2N-1)×D_i（N=1,2,3,4…）和D_L= D_L0+2N×D_i（N=1,2,3,4…）的数字量，控制D/A转换器产生频率为2F的方波，且其高电平为V_H= V_H0+(2N-1)×V_i（N=1,2,3,4…），低电平为V_L= V_L0+2N×V_i（N=1,2,3,4…），其中D_i与V_i对应，D_i为累加步进数字量，N的变化频率为2F；

（4）数字信号处理器控制累加步进电压V_i以固定频率f、步进电压V_N累加，即V_i(n+1)=V_i(n)+V_N；

（5）光探测器将干涉后的光强信号P_L和P_H转换为模拟电压信号，进入A/D转换器得到数字量信号，在时间上P_L和V_L，P_H和V_H分别对应，进入所述光探测器的光强信号P_H、P_L满足干涉光强表达式：

P_H= K _p (1+sin(φ _f+ φ _m+ φ _ini ))，P_L= K _p (1-sin(φ _f+ φ _m+ φ _ini ))

其中，K _p是与光路损耗、光源光功率有关的定常的比例系数；φ _f 与待测电流成正比关系；φ _m 是对直波导调制器施加电压后获得的附加相位差；φ _ini 是电流互感器的初始相位差；

（6）数字信号处理器计算上述数字量信号的差值，从而推算得到光强信号P_L和P_H的差值，记为△P；

（7）每当V_i增加V_N时，重复上述步骤（3）~（6），设重复次数为i，得到第i次步进时P_L和P_H的差值△P_i，数字信号处理器对△P_i值进行极小值判断，当△P_i趋近于零时，此时V_i对应的电压即为补偿系统初始相位差所需的调制电压；

（8）通过调制电压与相位差之间的线性对应关系得到系统的初始相位差，或直接使用此时调制电压V_i所对应的数字量D_i作为归一化的初始相位差。

2.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述全光纤型电流互感器包括：光源、耦合器、直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜和光探测器、数字信号处理器、A/D转换器和D/A转换器，其中，光源和耦合器的端口A相连，光探测器和耦合器的端口B相连，耦合器的端口C依次和直波导调制器、1/4波片、传感光纤环、反射镜相连，光探测器将接收到的干涉光强信号转换为模拟电压信号，并依次接入A/D转换器、数字信号处理器、D/A转换器后进入直波导调制器调制。

3.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述本征频率F可通过公式F=C/(2nL)计算得到，其中，C为真空中的光速，n为全光纤型电流互感器中光纤折射率，L为全光纤型电流互感器光路总长度。

4.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述低电平V_L0和高电平V_H0的值由直波导调制器的特性确定，其范围满足1V≤V_H0≤2V，-2V≤V_L0≤-1V，且在系统中产生±π/2的相位差。

5.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述固定频率f与本征频率F的关系应满足F/50≤f≤2F，所述步进电压V_N的绝对值选取范围满足0.5mV≤|V_N|≤20mV。

6.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述D/A转换器输入的数字量D与输出的电压信号V满足一一对应的线性关系。

7.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述数字信号处理器采用FPGA。

8.如权利要求1所述的全光纤型电流互感器的初始相位差的测量方法，其特征在于：所述光探测器通过示波器观测干涉后的光强信号P_L和P_H。