CN102914679B - 基于电光效应的无源光学电压互感器 - Google Patents
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Abstract
基于电光效应的无源光学电压互感器，包括光学电压传感头和电气单元，所述电气单元包括光学闭环反馈控制单元和信号处理单元，所述光学闭环反馈控制单元与所述光学电压传感头连接，所述光学电压传感头与所述信号处理单元连接。本发明SLD光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题；消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于光路系统的稳定可靠；消弱了1/4波片温度性能对系统的影响；提高了数据的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及基于电光效应的无源光学电压互感器。
背景技术
高压电力互感器是为电力系统提供用于计量、控制和继电保护的最基本的测量设备。随着电力系统电压等级地不断提高，传统的电磁感应式或电容分压式互感器因其传感机理的限制而表现出许多难以克服的局限性。光学电压互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电压测量的新型互感器。与传统互感器相比，光学电压互感器的高压信号通过光纤传输到二次设备，绝缘大大简化、带宽高，动态范围大、无磁饱和、轻便易于安装，因此，在电力系统中有着十分广阔的应用前景。
国际上，瑞士ABB、法国Alstom、加拿大Nxtphase公司等已有光学电压互感器产品面市，其工作原理均采用基于Pockels电光效应的纵向调制结构。1997年，ABB电力T&D公司报导了115kV～550kV组合式光学电压/电流互感器，测量精度达到IEC 0.2级。1997年，法国Alstom报道了123kV～765kV组合式光学电压/电流互感器，测量精度可达0.2％，已有多台产品在欧洲和北美挂网运行。2003年，加拿大Nxtphase报道了121kV～550kV的光学电压互感器，测量精度可达IEC 0.2级，IEEE 0.3级。
国内自1992年开始先后有清华大学、华中科技大学等高校及电子部26所、电力科学研究院、上海互感器厂等众多单位从事此方面的研究，目前已有多种光学电压互感器样机研制出来，但绝大数仅限于试验室阶段。
目前，现有的光学电压互感器多存在光源发光波长随温度变化及输出功率不稳定的情况；在粘接工艺上，多个分立光学元件在固化过程中都不可避免地会产生微外移，影响方位角的准确度；而且后续电子线路也会因温度变化造成的漂移直接给光路信号带来误差，降低了系统的稳定性；此外，就调制方式来说，与横向调制方式相比，纵向调制型光学电压互感器还存在高压下绝缘成本高、输出信号与电场不成比例，信号解调难度大等问题。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于电光效应的无源光学电压互感器，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象，消除了光纤振动等因素引起的光功率波动，提高了光路系统的稳定可靠和数据的准确性。
本发明采用的技术方案如下：基于电光效应的无源光学电压互感器，包括：光学电压传感头(1)和电气单元(16)；所述电气单元(16)包括光学闭环反馈控制单元(2)和信号处理单元(3)；所述光学闭环反馈控制单元(2)通过光纤与所述光学电压传感头(1)连接，所述光学电压传感头(1)通过光纤与所述信号处理单元(3)连接；光学闭环反馈控制单元(2)提供输出功率稳定的光源，该稳定的光源经过光纤传输至光学电压传感头(4)；信号处理单元(14)对光学电压传感头(4)探测输出的光信号进行处理，解调出被测电压。
所述光学电压传感头(1)包括第一光纤准直器(41)、起偏器(5)、1/4波片(6)、BGO晶体(7)、检偏器(8)、第二光纤准直器(42)和第三光纤准直器(43)；所述第一光纤准直器(41)连接到所述起偏器(5)的一端，所述起偏器(5)的另一端依次经过所述1/4波片(6)、所述BGO晶体(7)连接到所述检偏器(8)，经所述检偏器(8)后分为两路，一路由所述第二光纤准直器(42)通过光纤输出至信号处理单元(14)，另一路经所述第三光纤准直器(43)通过光纤输出至信号处理单元(14)。
所述光学闭环反馈控制单元(2)包括SLD光源(9)、Lyot消偏器(10)、耦合器(11)、第一探测器(121)和驱动电路(13)；SLD光源(9)产生的光信号经Lyot消偏器(10)变成低偏振光，经过耦合器(11)输出通过光纤传输光源至光学电压传感头(7)；同时耦合器(11)的输出经过第一探测器(121)将光信号变成电信号后至驱动电路(13)，由驱动电路(13)判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，再反馈至SLD光源(9)，调节SLD光源(9)的不稳定性，使SLD光源(9)输出稳定的光功率，从而使由耦合器(11)输出至光学电压传感头(7)的光源输出功率稳定。
所述信号处理单元(3)包括第二探测器(122)、第三探测器(123)和信号解调电路(15)；第二探测器(122)、第三探测器(123)分别将光学电压传感头(1)出射的两路光信号转变为电信号传输给所述信号解调电路(15)，由信号解调电路(15)分别计算第二探测器(122)、第三探测器(123)两个探测通道的滑动平均值，计算交流比直流量，然后对两路探测信号进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，最后将所得至的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。
所述光学电压传感头(1)处于电力系统一次系统中，所述电气单元(16)处于电力系统二次系统中。
所述BGO晶体(7)位于电力系统一次系统中的电场地电极上，其与所述地电极的接触面镀有铬金膜。
所述起偏器(5)和所述1/4波片(6)采用一体化加工工艺制成。
本发明与现有技术相比的有益效果如下：
(1)本发明增加了光学闭环反馈控制单元，可以使SLD光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题，消除了光纤振动等因素引起的光功率波动，提高了光路系统的稳定可靠和数据的准确性。
(2)本发明在光学闭环反馈控制单元中增加了Lyot消偏器，消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于进一步提高光路系统的稳定可靠。
(3)本发明对信号处理单元中两个探测器输出的双光路信号中的交流量和直流量采用软件的方法来获取，简化了信号解调电路，减少了模拟电路受温度漂移和带宽限制的影响，提高了数据的准确性。
(4)本发明在BGO晶体与地电极的接触面镀铬金膜，可以确保BGO晶体与地电极的良好接触，以及BGO晶体上电场分布更加均匀。
(5)本发明中1/4波片与起偏器采用一体化加工工艺，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对系统的影响。
总之，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题；消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于光路系统的稳定可靠；消弱了1/4波片温度性能对系统的影响；提高了数据的准确性。
附图说明
图1所示的是本发明的结构原理图；
图2所示的是本发明中驱动电路工作流程图；
图3所示的本发明中信号解调电路工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中所述的无源光学电压互感器，利用Pockels效应(即“普克尔斯”效应)来准确测量电压或者电场。
如图1所示，本发明由光学电压传感头1和电气单元16组成，电气单元15由光学闭环反馈控制单元2和信号处理单元3组成，电气单元16与外部后端主控计算机或合并单元相连。
光学电压传感头1处于电力系统一次系统中，电力系统是指由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。由生产和分配电能的设备，如发电机、变压器和断路器等一次设备组成的系统为一次系统。由继电保护和安全自动装置，调度自动化和通信等辅助系统是二次系统。电气单元16位于电力系统二次系统中。
如图1所示，本发明中的光学电压传感头1是基于Pockels电光效应的横向调制结构，包括第一光纤准直器41、起偏器5、1/4波片6、BGO晶体7、检偏器8、第二光纤准直器42和第三光纤准直器43，第一光纤准直器41连接到起偏器5的一端，起偏器5的另一端依次经过1/4波片6、BGO晶体7连接到检偏器8，经检偏器8后分为两路，一路由第二光纤准直器42输出，另一路经第三光纤准直器43输出。1/4波片6与起偏器5采用一体化加工工艺，能够极大地减小1/4波片的厚度，从而消弱1/4波片温度性能对系统的影响。
光学电压传感头1的工作原理：从光学闭环反馈控制单元2来的入射光通过第一光纤171，经起偏器5后变成线偏振光，再经1/4波片6产生两正交的线偏振光，由于BGO晶体7中Pockels效应的作用，两束线偏振光经BGO晶体7传输后，产生一个与外加电场相关的相位差，利用检偏器8使两束线偏振光产生干涉，将相位检测变成光强检测，最后将BGO晶体7的两路出射光通过检偏器8由相位变化转化成光强度变化，分别经第二光纤准直器42、第三光纤准直器43通过第二光纤172、第三光纤173输出至信号处理单元3，此时可以利用Pockels电光效应检测所加一次系统中电场的大小。
本发明中的BGO晶体7位于电力系统一次系统中电场地电极上，其与所述地电极的接触面镀有铬金膜，可以确保BGO晶体与地电极的良好接触，以及BGO晶体上电场分布更加均匀。
起偏器5和所述1/4波片6采用一体化加工工艺制成，极大地减小了1/4波片的厚度，从而消弱了1/4波片温度性能对系统的影响。
本发明所谓的BGO，是指锗酸铋Bi4Ge3O12；SLD是指超辐射发光二极管，即Super Luminescent Diode。
如图1所示，光学闭环反馈控制单元2使光源的中心波长稳定，经过第一光纤171输出至光学电压传感头1；信号处理单元3对光学电压传感头1输出的光信号进行处理，解调出被测电压。本发明在电气单元16中增加了光学闭环反馈控制单元2，可以使SLD光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题。
如图1所示，光学闭环反馈控制单元2包括SLD光源9、Lyot消偏器10、耦合器11、第一探测器121、驱动电路13，SLD光源9、Lyot消偏器10、耦合器11、第一探测器121和驱动电路13首位依次连接绕成一环，耦合器11连接到第一光纤准直器41。SLD光源9产生的光经Lyot消偏器10变成低偏振光，经过耦合器11由第一光纤171传输至光学电压传感头1；同时耦合器11的输出经过第一探测器121将光信号变成电信号后至驱动电路13，由驱动电路13判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，反馈至SLD光源9，使SLD光源9输出稳定的光功率，从而使由耦合器11输出至光学电压传感头1的光源输出功率稳定。本发明在光学闭环反馈控制单元2中增加了Lyot消偏器，消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于光路系统的稳定可靠。
如图2所示，驱动电路13的工作流程：驱动电路通电后，SLD光源9发光，随环境温度变化及发光引起SLD光源9管芯温度升高，SLD光源9光功率的不稳定，引起中心波长的不稳定，最终影响光学电压互感器的测量精度，通过第一探测器121测量光功率是否满足要求，如不满足要求，则可以通过调节驱动电流来调节SLD光源9光功率到规定的范围内，从而提高光功率和中心波长的稳定可靠性。
如图1所示，信号处理单元3包括第二探测器122、第三探测器123和信号解调电路15，第二光纤准直器42经第二探测器122连接到信号解调电路15，第三光纤准直器43经第三探测器123连接到信号解调电路15。第二探测器122、第三探测器123分别将光学电压传感头1的出射的两路光信号转变为电信号并汇总后传输给所述信号解调电路13，由信号解调电路13分别计算两个探测通道的滑动平均值，交流比直流量，进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，所得至的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。本实施例中对信号处理单元13中两个探测器输出的双光路信号中的交流量和直流量采用软件的方法来获取，能够简化信号解调电路，减少模拟电路受温度漂移和带宽限制的影响，提高了数据的准确性。
如图3所示，信号解调电路15的工作流程：信号解调电路上电后产生下降沿脉冲，采集第二探测器122和第三探测器123输出的两路信号(包括直流量和交流量)，进行AD转换后求平均值保存到缓存，对其中的直流量，分别计算两个通道的整周波数据滑动平均值(即对探测的信号取整数个周波)，再将两个通道测量的直流量保存到缓冲，然后计算第二探测器122通道和第二探测器123探测的两个通道的交流比直流量(将第二探测器122和第三探测器123输出的两路信号分别减去直流量即为交流量，然后进行交流量比直流量计算)，进行加权平均计算，使得两路幅值达到平衡，最后将所得电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。本发明对信号处理单元中两个探测器输出的双光路信号中的交流量和直流量采用软件的方法来获取，简化了信号解调电路，减少了模拟电路受温度漂移和带宽限制的影响，提高了数据的准确性。
总之，本发明SLD光源输出功率更稳定，有效地控制了SLD光源中心波长的漂移现象、预防因SLD光源老化导致输出功率下降的问题；消除了光路偏振态受温度、光纤振动等因素引起的光功率波动，有利于光路系统的稳定可靠；消弱了1/4波片温度性能对系统的影响；提高了数据的准确性。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于电光效应的无源光学电压互感器，其特征在于包括：光学电压传感头（1）和电气单元（16）；所述电气单元（16）包括光学闭环反馈控制单元（2）和信号处理单元（3）；所述光学闭环反馈控制单元（2）通过光纤与所述光学电压传感头（1）连接，所述光学电压传感头（1）通过光纤与所述信号处理单元（3）连接；光学闭环反馈控制单元（2）提供输出功率稳定的光源，该稳定光源经过光纤传输至光学电压传感头（4）；信号处理单元（14）对光学电压传感头（4）探测输出的光信号进行处理，解调出被测电压;
所述光学闭环反馈控制单元（2）包括SLD光源（9）、Lyot消偏器（10）、耦合器（11）、第一探测器（121）和驱动电路（13）；SLD光源（9）产生的光信号经Lyot消偏器（10）变成低偏振光，经过耦合器（11）输出通过光纤传输光源至光学电压传感头（7）；同时耦合器（11）的输出经过第一探测器（121）将光信号变成电信号后至驱动电路（13），由驱动电路（13）判断是否满足输出光功率的要求，计算并调整驱动电路参数，再反馈至SLD光源（9），使SLD光源（9）输出稳定的光功率;
所述信号处理单元（3）包括第二探测器（122）、第三探测器（123）和信号解调电路（15）；第二探测器（122）、第三探测器（123）分别将光学电压传感头（1）出射的两路光信号转变为电信号传输给所述信号解调电路（15），由信号解调电路（15）分别计算第二探测器（122）、第三探测器（123）两个探测通道的滑动平均值，再计算交流比直流量，然后对两路探测信号进行加权平均计算，使得两路电压幅值达到平衡，最后将所得到的电压值依据通信协议进行组帧后通过串口发送。
2.根据权利要求1所述的基于电光效应的无源光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（1）包括第一光纤准直器（41）、起偏器（5）、1/4波片（6）、BGO晶体（7）、检偏器（8）、第二光纤准直器（42）和第三光纤准直器（43）；所述第一光纤准直器（41）连接到所述起偏器（5）的一端，所述起偏器（5）的另一端依次经过所述1/4波片（6）、所述BGO晶体（7）连接到所述检偏器（8），经所述检偏器（8）后分为两路，一路由所述第二光纤准直器（42）通过光纤输出至信号处理单元（14），另一路经所述第三光纤准直器（43）通过光纤输出至信号处理单元（14）。
3.根据权利要求1所述的无源光学电压互感器，其特征在于：所述光学电压传感头（1）处于电力系统一次系统中，所述电气单元（16）处于电力系统二次系统中。
4.根据权利要求1所述的基于电光效应的无源光学电压互感器，其特征在于：所述BGO晶体（7）位于电力系统一次系统中电场地电极上，其与所述地电极的接触面镀有铬金膜。
5.根据权利要求1所述的无源光学电压互感器，其特征在于：所述起偏器（5）和所述1/4波片（6）采用一体化加工工艺制成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |