CN103399193B - 基于可调光衰减器的母线电流检测方法及电流互感器设备 - Google Patents
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Abstract
一种基于可调光衰减器的母线电流检测方法及电流互感器设备。其方法为：分别由监测光源和传感光源产生监测光和传感光，所述传感光经过可调光衰减器后产生衰减后的光信号，与监测光分别经过光电转换后输入单片机中进行算法处理，产生二次电流信号。同时，利用一次电流传感器获取高压线上的母线电流信号，通过与可调光衰减器输入信号和输出信号的反馈电信号进行差分、滤波和放大后，产生新的驱动信号用于驱动可调光衰减器。设备包括监测光源、传感光源、可调光衰减器，两个波分复用器，两个光电接收机、一个单片机和一个光电反馈控制模块，其中光电反馈控制模块包括两个光电接收机、差分模块、滤波电路和放大电路。
Description
技术领域
本发明属于电力系统监测和保护领域。特别涉及一种电力系统中的基于可调光衰减器的母线电流检测方法及电流互感器设备。
背景技术
互感器是电力系统中的重要设备，其精度和可靠性与电力系统的安全性、可靠性和经济运行密切相关。传统互感器以电磁式互感器为主，随着科技不断地发展，电磁式互感器在运行中暴露出一系列严重错误，包括结构复杂，造价高，易饱和以及铁磁谐振测量不准确等。随着我国电网运行电压等级的提高，传统互感器绝缘结构的设计变的极其复杂，其成本、体积也随之急剧增加
经过几十年的发展，电子式互感器和光学电流互感器（OCT）逐渐取代电磁式互感器。它与传统互感器相比，具有以下优点：绝缘结构简单，体积小、重量轻；测量准确度高；不存在磁饱和与铁磁谐振问题，能在很大的电流与电压变化范围内以高速、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压；可以装入成套电装置中，适应未来集成化发展；适应了继电保护装置的发展。
目前，针对光学电流互感器而言，按是否需要一次电源，主流的OCT可分为纯光学型（无源）和混合型（有源）两大类。在20世纪60年代，人们就开始对纯光学电流互感器进行探索，利用法拉第原理测量电流和利用普克尔效应测量电压的方法是最直接的，装置也最简单、精度也相对较高，因此它的应用范围很广。但是由于存在很强的光波动性，纯光学电流互感器测量稳定性很差。
相对于这一点混合型光学电流互感器技术相对成熟，其检测精度和可靠性经受了实际工程的考验，具有广阔的应用前景。但是由于高压端需要“一次电源”供能，增加了系统的成本与复杂度。在众多一次电源方案中，激光光纤供能方案无疑是最佳选择。但是由于目前激光光纤供能技术被国际少数几家大公司（如JDSU）所垄断，其产品价格居高不下，增加了系统成本，制约了国内电力行业的发展。
因此，如何减少高压端的功耗，降低高压区设计的复杂度和成本，是混合型OCT技术发展的一个重要方向。燕山大学提出了新型的基于激光光纤供能的混合型OCT方案。一次端通过采用电流脉冲宽度调制以及脉冲宽度调制技术（PWM-PPM），显著降低了一次端的功耗。2005年，加拿大英属哥伦比亚大学和Nxtphase公司联合提出了一种基于LiNbO3晶体和Rogowski线圈的混合OCT方案，其一次端的功耗可降为零。但是受晶体非线性和无源积分电路的影响，其实际精度并不理想。
发明内容
本发明针对现有电子式互感器存在的功耗高、测量不稳定问题，提出了能够降低功耗、提高测量精度的一种基于可调光衰减器的母线电流检测方法及电流互感器设备。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种基于可调光衰减器的母线电流检测方法,分别由监测光源和传感光源产生监测光和传感光，所述传感光经过可调光衰减器后进行光电转换，同时，利用第一光纤耦合器和第二光纤耦合器分别采集可调光衰减器的输入光信号和输出光信号并对输入光信号和输出光信号进行光电转换，利用一次电流传感器获取高压线上的电流信号并产生一次电流传感信号，再对一次电流传感信号与经光电转换后的输入光信号、输出光信号进行差分运算，再通过比例、积分和微分电路进行调节，产生新的驱动信号并用于驱动可调光衰减器，可调光衰减器的输出光及监测光分别经过光电转换后输入至单片机，产生与高压线上的电流信号成正比的二次电流信号。
本发明所述的一种电流互感器设备，包括：监测光源、传感光源、第一波分复用器、第一波分解复用器、可调光衰减器、第二波分复用器、第二波分解复用器、第三光电接收机、第四光电接收机、单片机及光电反馈控制模块，所述监测光源及传感光源分别与第一波分复用器的两输入端连接，第一波分复用器的输出端与第一波分解复用器的输入端连接，第一波分解复用器的一个输出端与第二波分复用器的一个输入端连接并用于传输监测光，第二波分复用器的输出端与第二波分解复用器的输入端连接，第二波分解复用器的一个输出端与第三光电接收机的输入端连接，第二波分解复用器的另一个输出端与第四光电接收机的输入端连接，第三光电接收机的输出端、第四光电接收机的输出端与单片机的两个输入端连接，第一波分解复用器的另一个输出端与可调光衰减器的输入端连接，可调光衰减器的输出端与第二波分复用器的另一个输入端连接，所述的光电反馈控制模块包括第一光电接收机、第二光电接收机、一次电流传感器、差分模块、滤波电路及放大电路，所述第一光电接收机的输入端作为光电反馈控制模块的第一输入端，第一光电接收机的输出端与差分模块的第一负相端连接，所述第二光电接收机的输入端作为光电反馈控制模块的第二输入端，第二光电接收机的输出端与差分模块的第二负相端连接，一次电流传感器用于获取一次电流传感信号，并与差分模块的正相端连接，差分模块的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与可调光衰减器的驱动端连接并用于驱动可调光衰减器，在第一波分解复用器的另一个输出端与可调光衰减器的输入端之间设有第一光纤耦合器，并用于将第一波分解复用器的输出光分成两束光，第一光纤耦合器的一个输出端与可调光衰减器的输入端连接，第一光纤耦合器的另一个输出端与光电反馈控制模块的第一输入端连接，在可调光衰减器的输出端与第二波分解复用器的另一个输入端之间设有第二光纤耦合器并用于将可调光衰减器的输出光分成两束光，第二光纤耦合器的一个输出端与第二波分复用器的另一个输入端连接，第二光纤耦合器的另一个输出端与光电反馈控制模块的第二输入端连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
该设备采用一款超低功耗快速可调光衰减器，可以有效降低高压一次端供电需求。利用光电反馈控制模块消除光衰减常数漂移，解决可调光衰减器的非线性问题。同时利用波分复用技术实现对光纤沿路损耗的实时监测，设计算法消除光纤沿路损耗的干扰，提高设备的精度和稳定性。
本发明采用可调光衰减器可以大幅降低高压端一次供电需要，解决高压端功耗大的问题。但是在实际应用中可调光衰减器的光衰减常数存在一定程度的漂移，导致可调光衰减器的光衰减倍数与驱动电压成非线性关系，造成系统的精度下降。为了解决光衰减常数的非线性问题，提高系统测量精度，我们采用光电反馈控制模块消除光衰减常数的漂移。利用第二光纤耦合器将可调光衰减器的输出端信号分出两束。其中10%的光衰减信号经过第二光电接收机转换为电信号，返回给差分模块的第二负相端，与一次电流传感器产生的一次电流传感信号做差，再通过比例、积分和微分电路进行控制调节，产生新的驱动电压输入到可调光衰减器的驱动端。这样的设计可以将光衰减常数的变化及时反馈给可调光衰减器的驱动端。当光衰减常数发生变化时，可以通过光电反馈控制模块动态地调节可调光衰减器的驱动信号，从而保证光衰减倍数与驱动信号成线性关系。此外，由于传感光源的不稳定性也会导致光衰减常数的变化，因此我们同样需要利用第一光纤耦合器将第一波分解复用器的输出光分成两束，10%的输出光信号经过第一光电接收机转换为电信号，再返回给差分模块的另一个负相端，与一次电流传感器产生的一次电流传感信号做差，再通过比例、积分和微分电路进行控制调节，产生新的驱动电压输入到可调光衰减器的驱动端。这样的设计可以消除传输光源的抖动带来的光衰减常数非线性变化。
同时采用波分复用技术（WDM）实现对光路沿线损耗的监测，在单片机中通过对与光功率成比例的电压信号进行模数转换和实时算法处理，补偿光纤微扰误差，提高系统的准确性。设计的算法如下：设监测光源的光功率为P1，传感光源的光功率为P2，可调光衰减器的光衰减常数为α。光路沿线损耗系数为α1，光功率与电压值比例常数为β则传感光的电信号V2=P2·α·α1·β，监测光的电信号V1=P1·α1·β，二者相除可消除沿线损耗α1干扰，公式为V2/V1=P2·α/P1。理想无干扰状态下的传感光的电信号为V3，其计算公式为V3=P2·α·β。可以通过已知的传感光的电信号V2、监测光的电信号V1、监测光源的光功率P1来推导出传输光的电信号V3=P1·V2·β/V1。这样的设计可以消除光纤沿线损耗α1的干扰，提高系统的准确性。
附图说明：
图1是本发明基于可调光衰减器的混合型光学电流互感器系统结构示意图；
图2是本发明光电反馈控制模块中差分模块结构示意图。
图3是本发明光电反馈控制模块中差分模块电路图。
具体实施方式
实施例1
参考图1，一种基于可调光衰减器的母线电流检测方法,分别由监测光源1和传感光源2产生监测光和传感光，所述传感光经过可调光衰减器6后进行光电转换，同时，利用第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器12分别采集可调光衰减器6的输入光信号和输出光信号并对输入光信号和输出光信号进行光电转换，利用一次电流传感器11获取高压线上的母线电流信号并产生一次电流传感信号，再对一次电流传感信号与经光电转换后的输入光信号、输出光信号进行差分运算，参考图2得到的差分信号再通过比例、积分和微分电路进行调节，产生新的驱动信号并用于驱动可调光衰减器6，可调光衰减器6的输出光及监测光分别经过光电转换后输入至单片机17，所述单片机17用于将模拟电信号转换为数字电信号并进行信号的算法处理，产生与高压线上的母线电流信号成正比的二次电流信号。
实施例2
参考图1，一种电流互感器设备，包括：监测光源1、传感光源2、第一波分复用器3、第一波分解复用器4、可调光衰减器6、第二波分复用器13、第二波分解复用器14、第三光电接收机15、第四光电接收机16、单片机17及光电反馈控制模块，所述监测光源1及传感光源2分别与第一波分复用器3的两输入端连接，第一波分复用器3的输出端与第一波分解复用器4的输入端连接，第一波分解复用器4的一个输出端与第二波分复用器13的一个输入端连接并用于传输监测光，第二波分复用器13的输出端与第二波分解复用器14的输入端连接，第二波分解复用器14的一个输出端与第三光电接收机15的输入端连接，第二波分解复用器14的另一个输出端与第四光电接收机16的输入端连接，第三光电接收机15的输出端、第四光电接收机16的输出端与单片机17的两个输入端连接，所述单片机17用于将模拟电信号转换为数字电信号并进行信号的算法处理，第一波分解复用器4的另一个输出端与可调光衰减器6的输入端连接，可调光衰减器6的输出端与第二波分复用器13的另一个输入端连接，所述的光电反馈控制模块包括第一光电接收机9、第二光电接收机10、一次电流传感器11、差分模块18、滤波电路8及放大电路7，所述第一光电接收机9的输入端作为光电反馈控制模块的第一输入端，第一光电接收机9的输出端与差分模块18的第一负相端连接，所述第二光电接收机10的输入端作为光电反馈控制模块的第二输入端，第二光电接收机10的输出端与差分模块18的第二负相端连接，一次电流传感器11用于获取一次电流传感信号，并与差分模块18的正相端连接，差分模块18的输出端与滤波电路8的输入端连接，滤波电路8的输出端与放大电路7的输入端连接，放大电路7的输出端与可调光衰减器6的驱动端连接并用于驱动可调光衰减器6，在第一波分解复用器4的另一个输出端与可调光衰减器6的输入端之间设有第一光纤耦合器5，并用于将第一波分解复用器4的输出光分成两束光，第一光纤耦合器5的一个输出端与可调光衰减器6的输入端连接，第一光纤耦合器5的另一个输出端与光电反馈控制模块的第一输入端连接，在可调光衰减器6的输出端与第二波分解复用器13的另一个输入端之间设有第二光纤耦合器12并用于将可调光衰减器6的输出光分成两束光，第二光纤耦合器12的一个输出端与第二波分复用器13的另一个输入端连接，第二光纤耦合器12的另一个输出端与光电反馈控制模块的第二输入端连接。
参照图3，通过光电接收机9产生的信号为第一电信号，通过光电接收机10产生的信号为第二电信号。差分模块由除法器、差分放大电路、积分电路和微分电路四部分组成。差分放大电路由第一运算放大器A1，第二运算放大器A2，第三运算放大器A3，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7组成。第一运算放大器A1正相输入端作为差分放大电路的第一输入端，第二运算放大器A2的正相输入端作为差分放大电路的第二输入端。第三运算放大器A3的输出端作为差分放大电路的输出端。第一运算放大器A1负相输入端与第一电阻R1一端和第三电阻R3一端连接，第二运算放大器A2负相输入端与第一电阻R1另一端和第三电阻R2一端连接，第三电阻R3另一端与第一运算放大器A1输出端连接，第二电阻R2另一端与第二运算放大器A2输出端连接，第一运算放大器A1输出端与第五电阻R5一端连接，第二运算放大器A2输出端与第四电阻R4一端连接，第三运算放大器A3的正相输入端与第四电阻R4另一端和第六电阻R6一端连接，第三运算放大器A3的负相输入端与第五电阻R5另一端和第七电阻R7一端连接，第三运算放大器A3输出端与第七电阻R7另一端连接，第六电阻R6另一端接地，积分电路由第八电阻R8，第一电容C1和第四运算放大器A4组成，第八电阻R8的一端作为积分电路输入端，第四运算放大器A4输出端作为积分电路输出端，第四运算放大器A4正相输入端接地，第四运算放大器A4负相输入端与第八电阻R8的另一端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端与第四运算放大器A4输出端连接，微分电路由第二电容C2，第九电阻R9和组成，第二电容C2一端作为微分电路输入端，第五运算放大器A5输出端作为微分电路输出端，第五运算放大器A5正相输入端接地，第五运算放大器A5负相输入端与第二电容C2另一端和第九电阻R9一端连接，第五运算放大器A5输出端与第九电阻R9另一端连接，第一电信号与除法器的第一输入端连接，第二电信号与除法器的第二输入端连接，除法器的输出端与差分放大电路第一输入端连接，一次电流传感信号与差分放大电路第二输入端连接，差分放大电路输出端与积分电路输入端连接，积分电路输出端与微分电路输入端连接，微分电路输出端与驱动信号连接。在差分模块中，首先通过一个除法器将第一电信号和第二电信号相除。采用第一运算放大器A1，第二运算放大器A2，第三运算放大器A3构成差分放大电路，将一次电流传感信号与除法信号进行做差和比例放大。采用第四运算放大器A4、第八电阻R8和第一电容C1构成积分电路，对差分放大电路输出信号进行积分运算。最后采用第五运算放大器A5、第九电阻R9和第二电容C2构成微分电路，对积分电路输出信号进行微分运算得到驱动信号。
本方案需要用到监测光源1（1310nm）,传感光源2（1550nm），第一波分复用器3和第二波分复用器13，第一波分解复用器4和第二波分解复用器14，可调光衰减器6，第一光电接收机9、第二光电接收机10、第三光电接收机15、第四光电接收机16。10:90第一光纤耦合器5,10:90第二光纤耦合器12。一次电流传感器11，滤波电路8，放大电路7，单片机17，差分模块18。另外还有光纤a，b，c，d，e，f，g。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释。
参考图1，监测光源1（1310nm）和传感光源2（1550nm）经过波分复用器3耦合进同一条光纤中进行传输，经过一段传输距离后再用波分解复用器4将两束波长不同的光分解出来。监测光源2的光直接输入到波分复用器13，而传感光源1的光经过第一光纤耦合器5一分为二。90%的光输送给可调光衰减器6并作为可调光衰减器6的输入光,10%的光输送到光电接收机9中转换为电信号，此信号传输到差分模块18一个负相端，与一次电流传感器11获取的一次电流传感信号做差，得到的差分信号经由滤波电路8和放大电路7产生可调节的驱动信号，输入到可调光衰减器6的驱动端。这样可以消除由于传感光源2的不稳定性所带来的光衰减常数漂移。另外利用第二光纤耦合器12将可调光衰减器6输出的衰减光信号分为两束，90%的输出的衰减光信号输送到第二波分复用器13另一个输入端，与监测光源1的光信号再重新耦合进同一条光纤。10%的输出的衰减光信号输送到第二光电接收机10转换为电信号，此信号传输到差分模块18另一个负相端，与一次电流传感器11获取的一次电流传感信号做差，得到的差分信号经过滤波电路8和放大电路7产生可调节的驱动信号，输入到可调光衰减器6的驱动端。当可调光衰减器6的光衰减常数发生非线性变化时，可以通过此结构将变化的光衰减常数反馈给可调光衰减器6的驱动端，通过逐步控制可调光衰减器6的驱动电压使系统恢复线性平衡状态，消除光衰减常数的非线性变化。针对光路a，b，f，g的光路损耗，主要采用波分复用技术来消除光路沿线损耗的干扰。具体做法如下：第二波分复用器13将监测光源1的输出光信号与传感光源2的衰减光信号耦合进同一条光纤，经过一段距离的传输，利用第二波分解复用器14将光信号再分解成监测光源1的输出光信号与可调光衰减器6输出的衰减光信号。其中监测光源1的输出光信号通过第三光电接收机15转换为监测的电信号V1，传感光源2的衰减光信号通过第四光电接收机16转换为传感的电信号V2。监测的电信号V1和传感的电信号V2同时输送到单片机17中进行模数转换和数字信号算法处理，用来消除沿线损耗常数α1的干扰。设计的算法如下：设监测光源1的光功率为P1，传感光源2的光功率为P2，可调光衰减器6的光衰减率为α，光路沿线损耗系数为α1，光功率与电压值比例常数为β，则监测的电信号V1=P1·α1·β，传感的电信号V2=P2·α1·α·β，二者相除即可消除沿线损耗α1干扰，公式为V2/V1=P2·α/P1。理想无干扰状态下的传感的电信号V3，其计算公式为V3=P2·α·β。可以通过已知的V1、V2、P1和β来推导与母线电流信号成比例的理想无干扰状态下的传感的电信号V3，V3=P1·V2·β/V1。
参考图2,光电反馈控制模块中差分模块18具体操作如下：第一光电接收机9的输出端与差分模块18的负相端连接，第二光电接收机10的输出端与差分模块18的另一个负相端连接。利用除法器19将第一光电接收机9产生的电信号和第二光电接收机10产生的电信号相除，得到的信号再通过差分电路20与一次电流传感器11产生的一次电流传感信号做差，得到的差分信号再经由比例放大电路21、积分电路22、微分电路23产生驱动信号。驱动信号经过滤波电路8和放大电路7的调理后产生可以输入到可调光衰减器6的驱动端的驱动信号，动态调节快速可调光衰减器6的驱动电压，消除可调光衰减器6的光衰减常数变化。
Claims (2)
1.一种基于可调光衰减器的母线电流检测方法,其特征在于，分别由监测光源(1)和传感光源(2)产生监测光和传感光，所述传感光经过可调光衰减器(6)，同时，利用第一光纤耦合器(5)采集可调光衰减器(6)的输入光信号，第二光纤耦合器(12)采集可调光衰减器(6)的输出光信号，并由第一光电接收机(9)对输入光信号进行光电转换，由第二光电接收机(10)对输出光信号进行光电转换，利用一次电流传感器(11)获取高压线上的母线电流信号并产生一次电流传感信号，再对一次电流传感信号与经光电转换后的输入光信号、输出光信号进行差分运算，再通过比例、积分和微分电路进行调节，产生新的驱动信号并用于驱动可调光衰减器(6)，可调光衰减器(6)的输出光及监测光分别经过光电转换后输入至单片机(17)，所述单片机(17)用于将模拟电信号转换为数字电信号并进行信号的算法处理，产生与高压线上的母线电流信号成正比的二次电流信号。
2.一种用于实现权利要求1所述基于可调光衰减器的母线电流检测方法的电流互感器设备，其特征在于，包括：监测光源(1)、传感光源(2)、第一波分复用器(3)、第一波分解复用器(4)、可调光衰减器(6)、第二波分复用器(13)、第二波分解复用器(14)、第三光电接收机(15)、第四光电接收机(16)、单片机(17)及光电反馈控制模块，所述监测光源(1)及传感光源(2)分别与第一波分复用器(3)的两输入端连接，第一波分复用器(3)的输出端与第一波分解复用器(4)的输入端连接，第一波分解复用器(4)的一个输出端与第二波分复用器(13)的一个输入端连接并用于传输监测光，第二波分复用器(13)的输出端与第二波分解复用器(14)的输入端连接，第二波分解复用器(14)的一个输出端与第三光电接收机(15)的输入端连接，第二波分解复用器(14)的另一个输出端与第四光电接收机(16)的输入端连接，第三光电接收机(15)的输出端、第四光电接收机(16)的输出端与单片机(17)的两个输入端连接，所述单片机(17)用于将模拟电信号转换为数字电信号并进行信号的算法处理，第一波分解复用器(4)的另一个输出端与可调光衰减器(6)的输入端连接，可调光衰减器(6)的输出端与第二波分复用器(13)的另一个输入端连接，所述的光电反馈控制模块包括第一光电接收机(9)、第二光电接收机(10)、一次电流传感器(11)、差分模块(18)、滤波电路(8)及放大电路(7)，所述第一光电接收机(9)的输入端作为光电反馈控制模块的第一输入端，第一光电接收机(9)的输出端与差分模块(18)的第一负相端连接，所述第二光电接收机(10)的输入端作为光电反馈控制模块的第二输入端，第二光电接收机(10)的输出端与差分模块(18)的第二负相端连接，一次电流传感器(11)用于获取一次电流传感信号，并与差分模块(18)的正相端连接，差分模块(18)的输出端与滤波电路(8)的输入端连接，滤波电路(8)的输出端与放大电路(7)的输入端连接，放大电路(7)的输出端与可调光衰减器(6)的驱动端连接并用于驱动可调光衰减器(6)，在第一波分解复用器(4)的另一个输出端与可调光衰减器(6)的输入端之间设有第一光纤耦合器(5)，并用于将第一波分解复用器(4)的输出光分成两束光，第一光纤耦合器(5)的一个输出端与可调光衰减器(6)的输入端连接，第一光纤耦合器(5)的另一个输出端与光电反馈控制模块的第一输入端连接，在可调光衰减器(6)的输出端与第二波分解复用器(13)的另一个输入端之间设有第二光纤耦合器(12)并用于将可调光衰减器(6)的输出光分成两束光，第二光纤耦合器(12)的一个输出端与第二波分复用器(13)的另一个输入端连接，第二光纤耦合器(12)的另一个输出端与光电反馈控制模块的第二输入端连接。
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