CN102928656B - 一种全光纤电流传感系统 - Google Patents

Abstract

一种全光纤电流传感系统，所述系统包括：发光装置、第一分束器、偏振器、Y型集成光学调制器、第二分束器、第一延迟线圈、第二延迟线圈、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一光纤敏感环、第二光纤敏感环、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器和双重化回路控制装置；发光装置依次连接第一分束器、偏振器、Y型集成光学调制器、第二分束器、第一延迟线圈、第二延迟线圈、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一光纤敏感环、第二光纤敏感环、第一反射镜、第二反射镜，在发光装置的另一端连接光电探测器和双重化回路控制装置。应用本发明实施例后，能够大大提高敏感光路的可靠性，并实现了智能电网的一次测量设备的智能和自愈，进一步保证电网的稳定运行。

Description

一种全光纤电流传感系统

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种全光纤电流传感系统。

背景技术

电流传感器/互感器(简称CT)是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，用来测量传输中的电流大小，并将测量到的电流大小发送至测量仪器和继电保护装置。其长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。

传统的电磁式互感器由于存在一些原理上不能克服的困难，如，铁磁谐振、磁饱和、频带有限、充油充气等，在高电压等级运行存在安全隐患。而基于法拉第效应的光学电流互感器可以克服以上问题。

参见附图1是现有光纤电流传感系统结构示意图，其中包括发光装置101、分束器102、偏振器103、相位调制器104、延迟线圈105、λ/4波片106、光纤敏感环107、反射镜108、光电探测器109和信号处理单元110。

发光装置101和光电探测器109的尾纤分别与分束器102的两根入纤熔接，分束器102的尾纤与偏振器103的入纤熔接，偏振器3的尾纤与相位调制器104的入纤45度熔接，相位调制器4的尾纤与延迟线圈105的一端连接，延迟线圈105的另一段与λ/4波片106连接，λ/4波片106另一端与光纤敏感环107熔接，光纤敏感环107的另一端连接反射镜108，光电探测器109的光强电压信号输出端与信号处理单元110连接，信号处理单元110输出方波和阶梯波的叠加信号给相位调制器4。

光纤电流传感系统对结合和/或输出信号进行闭环测试。相位调制器4中光的相位差满足SIN4VNI≈4VNI，且4VNI≤0.5°～1°，V表示维尔德常数；N为敏感线圈的匝数；I为穿过敏感线圈的被测电流。

由发光装置101发出的光经过分束器102后由偏振器103起偏形成线偏振光，线偏振光经45°偏转分解程X轴线偏振光和Y轴线偏振光后注入相位调制器，将相位调制器104后的X轴线偏振光和Y轴线偏振光以正交模式在延迟线圈105传输进入λ/4波片106，经λ/4波片106后X轴线偏振光和Y轴线偏振光分别转变为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光进入光纤敏感环107，在光纤敏感环107受法拉第磁光效应作用产生相位差△θ＝2VNI，经过反射镜108反射后右旋圆偏振光转变为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光转变为右旋圆偏振光，转变后的两束光经光纤敏感环107再次受法拉第磁光效应作用使两束光的相位差加倍△φ＝2△θ＝4VNI，转变后的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光再次经过λ/4波片106后，恢复为X轴线偏振光和Y轴线偏振光，在分束器102处发生干涉。最后，携带相位信息的光由分束器耦合进入光电探测器109。由光电探测器109可以通过测量干涉后的信号幅值间接测量出导线中的电流值，将光电探测器109输出的光强电信号输入到信号处理单元110，信号处理单元110由光强电信号输出叠加后方波信号与数字阶梯波高度信号至相位调制器104。相位调制器104对接收的电压信号进行调制以保持对电流引起的相位置零，进一步的保持了保证了光功率的恒定，以及光纤敏感环107始终工作在敏感度最高点。

上述敏感光路的寿命和可靠性要求是最高等级，若该系统中任一部件出现故障，则必然导致供电线路长时间停电，甚至可能会出现继电保护误动作，这对电网的运行是致命的。

发明内容

本发明实施例提出一种全光纤电流传感系统，能够大大提高敏感光路的可靠性，进一步保证电网的正常运行。

本发明实施例的技术方案如下：

一种全光纤电流传感系统，所述系统包括：发光装置、第一分束器、Y型集成光学调制器、第二分束器、第一延迟线圈、第二延迟线圈、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一光纤敏感环、第二光纤敏感环、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器和双重化回路控制装置；

发光装置的输出尾纤与第一分束器的输入端0°对轴连接，光电探测器的输入端与第一分束器的输出端连接；

第一分束器的输出端与Y型集成光学调制器的输入端0°对轴连接；

Y型集成光学调制器的一个输出端与第二分束器的输入端0°对轴连接以传输主路光信号，Y型集成光学调制器的另一个输出端与第二分束器的另一个输入端90°对轴连接以传输辅路光信号；

第二分束器的一个输出端与第一延迟线圈0°连接，第二分束器的另一个输出端与第二延迟线圈0°连接；

第一延迟线圈顺序连接第一λ/4波片、第一光纤敏感环和第一反射镜，第二延迟线圈顺序连接第二λ/4波片、第二光纤敏感环和第二反射镜；

光电探测器的输出端连接双重化回路控制装置的输入端；

双重化回路控制装置的输出端连接Y型集成光学调制器的输入端；

第一延迟线圈的长度是第二延迟线圈长度的2n倍，n>＝1；

双重化回路控制装置根据输入的电信号诊断主路正常，则利用所述电信号中的主路输入电信号向Y型集成光学调制器输入电信号；

双重化回路控制装置根据所述电信号诊断主路非正常辅路工作正常，则利用所述电信号中的辅路输入电信号向Y型集成光学调制器输入电信号。

所述双重化回路控制装置包括：A/D转换器、调制波生成器、第一相位解调模块、第二相位解调模块、选择器、D/A转换器和运算放大器；

光电探测器的输出端与A/D转换器的输入端连接；

A/D转换器的输出端分别连接第一相位解调模块和第二相位解调模块；

第一相位解调模块在调制波生成器输出调制信号的控制下向选择器输出主路电信号；

第二相位解调模块在调制波生成器输出调制信号的控制下向选择器输出辅路电信号；

选择器选择主路电信号或辅路电信号，并将选择的电信号发送至D/A转换器；

D/A转换器的输出端连接运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接Y型集成光学调制器的输入端。

所述第一相位解调模块包括：第一解调器、第一诊断器、第一积分器和第一阶梯波生成器和第一加法器；

第一解调器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，解调接收到的主路电信号，然后分别输入至第一积分器和第一诊断器；

第一积分器的输出端连接第一阶梯波生成器的输入端；

第一诊断器根据输入的信号判断主路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器；

第一阶梯波生成器的输出端连接第一加法器的输入端，第一加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器；

所述第二相位解调模块包括：第二解调器、第二诊断器、第二积分器和第二阶梯波生成器和第二加法器；

第二解调器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，解调接收到的辅路电信号，然后分别输入至第二积分器和第二诊断器；

第二积分器的输出端连接第二阶梯波生成器的输入端；

第二诊断器根据输入的信号判断辅路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器；

第二阶梯波生成器的输出端连接第二加法器的输入端，第二加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器。

所述发光装置包括：一个光源和Loyt消偏器；所述光源的输出端连接Loyt消偏器的输入端。

所述发光装置包括：第一光源、第二光源、第三分束器和Loyt消偏器；

第一光源与第二光源分别连接第三分束器的输入端；第三分束器的输出端连接Loyt消偏器的输入端。

所述系统进一步包括恒光模块，双重化回路控制装置的输出端连接恒光模块的输入端；恒光模块的输出端连接发光装置。

所述恒光模块包括：A/D转换器、解调序列生成器、解调器、预设寄存器、比较器、积分器和光源驱动器；

A/D转换器的输出端连接解调器的输入端；

在解调序列生成器输入的调制信号的控制下，解调器解调A/D转换器输入的信号；

比较器的输入端分别连接预设寄存器的输出端和解调器的输出端；

比较器的输出端连接积分器的输入端；

积分器的输出端连接光源驱动器的输入端。

第一延迟线圈和第二延迟线圈均是线性偏振保持光纤。

第一光纤敏感环和第二光纤敏感环均是低双折射光纤或旋转型保椭圆偏振光纤。

所述n＝1。

从上述技术方案中可以看出，全光纤电流传感系统包括：发光装置、第一分束器、偏振器、Y型集成光学调制器、第二分束器、第一延迟线圈、第二延迟线圈、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一光纤敏感环、第二光纤敏感环、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器和双重化回路控制装置。由于全光纤传感系统包括两个工作回路，由于延迟线圈的长度不同，则两个工作回路的本征频率不同，并不会相互干扰，可以独立工作。因此，当其中的一条工作回路出现故障，可以迅速启动另外一条工作回路。因此，大大提高了敏感光路的可靠性，保证了电网的正常运行。

附图说明

图1为现有光纤电流传感系统结构示意图；

图2为全光纤电流传感系统的结构示意图；

图3为双重化回路控制装置214的结构示意图；

图4为第一相位解调模块结构示意图和第二相位解调模块结构示意图；

图5为发光装置第一结构示意图；

图6为发光装置第二结构示意图；

图7为恒光模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

在本发明实施例中，由于第一延迟线圈与第二延迟线圈的长度不同，则两个延迟线圈对应的两个工作回路的本征频率不同，则两个工作回路之间并不会产生干扰。当主路光路故障时，自动切换到另一个频率工作，从而启动辅路光路，保证系统工作的连续性，具有很好的智能化自愈能力。

参见附图2是全光纤电流传感系统的结构示意图，具体包括发光装置201、第一分束器202、Y型集成光学调制器203、第二分束器204、第一延迟线圈205、第二延迟线圈206、第一λ/4波片207、第二λ/4波片208、第一光纤敏感环209、第二光纤敏感环210、第一反射镜211、第二反射镜212、光电探测器213和双重化回路控制装置214。

发光装置201的输出尾纤与第一分束器202的输入端0°对轴连接，光电探测器213的输入端与第一分束器202的另一个输入端连接；第一分束器202的输出端与Y型集成光学调制器203的输入端0°对轴连接。

Y型集成光学调制器203的一个输出端与第二分束器204的输入端0°对轴连接以传输主路光信号，Y型集成光学调制器203的另一个输出端与第二分束器204的另一个输入端90°对轴连接以传输辅路光信号。在Y型集成光学调制器203中将从第一分束器202中输出的光分为两束输入至第二分束器204中。其中，两束光分别称为主路光信号和辅路光信号，主路光信号与辅路光信号是相同的。

从Y型集成光学调制器203开始，将光路分为两部分。主路光路为：第二分束器204、第一延迟线圈205、第一λ/4波片207、第一光纤敏感环209和第一反射镜211。辅路光路为：第二分束器204、第二延迟线圈206、第二λ/4波片208、第二光纤敏感环210和第二反射镜212。

第一延迟线圈和第二延迟线圈均是线性偏振保持光纤。或第一光纤敏感环和第二光纤敏感环均是低双折射光纤或旋转型保椭圆偏振光纤。

具体的光路连接：

第二分束器204的一个输出端与第一延迟圈0°连接用于传输主路光信号，第二分束器204的另一个输出端与第二延迟线圈0°连接，用于传输辅路光信号。第一延迟线圈205顺序连接第一λ/4波片207、第一光纤敏感环209和第一反射镜211，第二延迟线圈206顺序连接第二λ/4波片208、第二光纤敏感环210和第二反射镜212。

光电探测器213的输出端连接双重化回路控制装置214的输入端；双重化回路控制装置214的输出端连接Y型集成光学调制器203的输入端。

本发明技术方法特点在于有两条光路，主路光路与辅路光路。当主路光路出现故障，则可以自动切换到辅路光路，从而保证系统工作的连续性，具有较强的智能化自愈能力。

为了避免两条光路发生干扰，则需要主路光路与辅路光路的本征频率不同。根据光学干涉仪调制解调技术可知，如果一个光路本征频率是另一个光路干涉仪的2n倍，其中n>＝1。那么在相对应的调制解调检测装置中，两个解调信号将不会发生干扰，且能够分别准确获取两个解调信号。

在本发明中，考虑到光纤延迟线的成本，n＝1时即第一延迟线圈205的长度与第二延迟线圈206是2倍的关系，可以达到较好的技术效果。即第一延迟线圈的长度是第二延迟线圈长度的0.5倍；或第一延迟线圈的长度是第二延迟线圈长度的2倍。

双重化回路控制装置214根据光电探测器213输入的电信号诊断主路正常，则利用电信号中的主路输入电信号向Y型集成光学调制器203输入电信号；双重化回路控制装置214根据电信号诊断主路非正常辅路工作正常，则利用电信号中的辅路输入电信号向Y型集成光学调制器203输入电信号。

这样，根据主路是否正常来确定是否将主路输入电信号输入到Y型集成光学调制器203中。

下面结合附图3详细说明双重化回路控制装置的结构，双重化回路控制装置214包括：A/D转换器2141、调制波生成器2142、第一相位解调模块2143、第二相位解调模块2144、选择器2145、D/A转换器2146和运算放大器2147。

光电探测器213的输出端与A/D转换器2141的输入端连接。光电探测器213将接收到的光信号转换为电信号后输入至A/D转换器2141中。

A/D转换器2141的输出端分别连接第一相位解调模块2143和第二相位解调模块2144。第一相位解调模块2143在调制波生成器2142输出的调制信号的控制下向选择器2145输出主路电信号；第二相位解调模块2144在调制波生成器2142输出调制信号的控制下向选择器2145输出辅路电信号。

选择器2145按照第一相位解调模块2143发送的第一判断信号，以及第二相位解调模块2144发送的第二判断信号选择主路电信号或辅路电信号。即当第一判断信号是正确，第二判断信号也是正确时，选择器2145选择主路电信号；当第一判断信号是正确，第二判断信号是错误时，选择器2145选择主路电信号；当第一判断信号是错误，第二判断信号是正确时，选择器2145选择辅路电信号；当第一判断信号是错误，第二判断信号是错误时，选择器2145输出故障告警信号。选择器2145将选择的电信号发送至D/A转换器2146。在两个控制回路切换的过程中，系统输出故障告警信号防止后端保护误动，直到另一个回路工作正常并稳定一段时间，比如1秒，输出的故障告警信号可以解除。

D/A转换器2146的输出端连接放大器2147的输入端；放大器2147的输出端连接Y型集成光学调制器203的输入端，实现相位闭环反馈。放大器2147的作用就是将D/A转换器输出的较小的电信号放大到可以驱动Y型集成光学调制器203，是线性传递过程。

参见附图4，上图是第一相位解调模块结构示意图，下图是第二相位解调模块结构示意图。

第一相位解调模块包括：第一解调器、第一诊断器、第一积分器和第一阶梯波生成器和第一加法器。

第一解调器在调制波生成器2142输出的调制信号的控制下，解调接收到的主路电信号，然后分别输入至第一积分器和第一诊断器；第一积分器的输出端连接第一阶梯波生成器的输入端；第一诊断器根据输入的信号判断主路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器2145。

诊断器通过以下方式判断电信号是否故障。电流信号的响应过程是，积分器输出信号的符号与解调器产生信号的符号是相反的。那么，当积分器信号与解调器信号的符号序列为(+，-)或者(-，+)时，该闭环回路工作正常，则判断电信号正常；若积分器信号与解调器信号的符号序列为(-，-)或者(+，+)时，该闭环回路工作异常，则判断电信号故障。

第一阶梯波生成器的输出端连接第一加法器的输入端，第一加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器2145。

第二相位解调模块包括：第二解调器、第二诊断器、第二积分器和第二阶梯波生成器和第二加法器。

第二解调器在调制波生成器2142输出的调制信号的控制下，解调接收到的辅路电信号，然后分别输入至第二积分器和第二诊断器。第二积分器的输出端连接第二阶梯波生成器的输入端；第二诊断器根据输入的信号判断辅路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器2145。

第二阶梯波生成器的输出端连接第二加法器的输入端，第二加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器2145。

发光装置201的具体结构参见附图5和附图6。在附图5中发光装置201包括：一个光源和Loyt消偏器；光源的输出端连接Loyt消偏器的输入端。

在附图6中，发光装置201包括：第一光源、第二光源、第三分束器和Loyt消偏器。第一光源与第二光源分别连接第三分束器的输入端；第三分束器的输出端连接Loyt消偏器的输入端。在发光装置201包括两个光源的情况下，大大保证了光源的稳定性。

为了实现全光纤电流传感系统长期的稳定性，系统进一步包括恒光模块215，双重化回路控制装置214的输出端连接恒光模块215的输入端；恒光模块215的输出端连接发光装置201。恒光模块215的主要作用是保证输出光功率的稳定性。

参见附图7是恒光模块215的结构示意图。

恒光模块215包括：A/D转换器2151、解调序列生成器2152、解调器2153、预设寄存器2154、比较器2155、积分器2156和光源驱动器2157。

A/D转换器2151的输出端连接解调器2153的输入端；在解调序列生成器2152输入的调制信号的控制下，解调器2153解调A/D转换器2151输入的信号，得到光功率信号值，其中解调序列的频率为f1，解调周期为4*f1，这样可以将相位解调的交流量滤除，精确得到光功率信号的直流分量。

比较器2155的输入端分别连接预设寄存器2154的输出端和解调器2153的输出端；比较器2155的输出端连接积分器2156的输入端；积分器2156的输出端连接光源驱动器2157的输入端。

直流分量进入比较器2155与预设寄存器2154的功率值相比较，得到的差值送入积分器2156完成累加，之后将累加结果送入光源驱动模块2157，这一过程不断迭代执行，可以实现光功率的恒定控制。光源驱动模块的输出可以控制一个光源，但优选地，同时控制两个光源，可以同时实现高可靠和高稳定的光功率输出。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光纤电流传感系统，其特征在于，所述系统包括：发光装置、第一分束器、Y型集成光学调制器、第二分束器、第一延迟线圈、第二延迟线圈、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一光纤敏感环、第二光纤敏感环、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器和双重化回路控制装置；

发光装置的输出尾纤与第一分束器的输入端0°对轴连接，光电探测器的输入端与第一分束器的输出端连接；

第一分束器的输出端与Y型集成光学调制器的输入端0°对轴连接；

Y型集成光学调制器的一个输出端与第二分束器的输入端0°对轴连接以传输主路光信号，Y型集成光学调制器的另一个输出端与第二分束器的另一个输入端90°对轴连接以传输辅路光信号；

第二分束器的一个输出端与第一延迟线圈0°连接，第二分束器的另一个输出端与第二延迟线圈0°连接；

第一延迟线圈顺序连接第一λ/4波片、第一光纤敏感环和第一反射镜，第二延迟线圈顺序连接第二λ/4波片、第二光纤敏感环和第二反射镜；

光电探测器的输出端连接双重化回路控制装置的输入端；

双重化回路控制装置的输出端连接Y型集成光学调制器的输入端；

第一延迟线圈的长度是第二延迟线圈长度的2n倍，n>＝1；

双重化回路控制装置根据输入的电信号诊断主路正常，则利用所述电信号中的主路输入电信号向Y型集成光学调制器输入电信号；

双重化回路控制装置根据所述电信号诊断主路非正常辅路工作正常，则利用所述电信号中的辅路输入电信号向Y型集成光学调制器输入电信号。

2.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述双重化回路控制装置包括：A/D转换器、调制波生成器、第一相位解调模块、第二相位解调模块、选择器、D/A转换器和运算放大器；

光电探测器的输出端与A/D转换器的输入端连接；

A/D转换器的输出端分别连接第一相位解调模块和第二相位解调模块；

第一相位解调模块在调制波生成器输出调制信号的控制下向选择器输出主路电信号；

第二相位解调模块在调制波生成器输出调制信号的控制下向选择器输出辅路电信号；

选择器选择主路电信号或辅路电信号，并将选择的电信号发送至D/A转换器；

D/A转换器的输出端连接运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接Y型集成光学调制器的输入端。

3.根据权利要求2所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述第一相位解调模块包括：第一解调器、第一诊断器、第一积分器和第一阶梯波生成器和第一加法器；

第一解调器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，解调接收到的主路电信号，然后分别输入至第一积分器和第一诊断器；

第一积分器的输出端连接第一阶梯波生成器的输入端；

第一诊断器根据输入的信号判断主路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器；

第一阶梯波生成器的输出端连接第一加法器的输入端，第一加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器；

所述第二相位解调模块包括：第二解调器、第二诊断器、第二积分器和第二阶梯波生成器和第二加法器；

第二解调器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，解调接收到的辅路电信号，然后分别输入至第二积分器和第二诊断器；

第二积分器的输出端连接第二阶梯波生成器的输入端；

第二诊断器根据输入的信号判断辅路电信号是否故障，并将判断结果输入选择器；

第二阶梯波生成器的输出端连接第二加法器的输入端，第二加法器在调制波生成器输出的调制信号的控制下，进行加法操作，然后输出混合调制信号至选择器。

4.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述发光装置包括：一个光源和Loyt消偏器；所述光源的输出端连接Loyt消偏器的输入端。

5.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述发光装置包括：第一光源、第二光源、第三分束器和Loyt消偏器；

第一光源与第二光源分别连接第三分束器的输入端；第三分束器的输出端连接Loyt消偏器的输入端。

6.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述系统进一步包括恒光模块，双重化回路控制装置的输出端连接恒光模块的输入端；恒光模块的输出端连接发光装置。

7.根据权利要求6所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述恒光模块包括：A/D转换器、解调序列生成器、解调器、预设寄存器、比较器、积分器和光源驱动器；

A/D转换器的输出端连接解调器的输入端；

在解调序列生成器输入的调制信号的控制下，解调器解调A/D转换器输入的信号；

比较器的输入端分别连接预设寄存器的输出端和解调器的输出端；

比较器的输出端连接积分器的输入端；

积分器的输出端连接光源驱动器的输入端。

8.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，第一延迟线圈和第二延迟线圈均是线性偏振保持光纤。

9.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，第一光纤敏感环和第二光纤敏感环均是低双折射光纤或旋转型保椭圆偏振光纤。

10.根据权利要求1所述全光纤电流传感系统，其特征在于，所述n＝1。