CN103730884A - 一种光子差动保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子差动保护装置，其特征在于：它包括光源、光纤耦合器、多模光纤、设置在保护区间两端的第一和第二光学电流传感器、保偏光纤和电子处理单元；光源发出的光信号P₀通过多模光纤传输至光纤耦合器中被分成功率相等的两束光P_0a和P_0b，P_0a和P_0b通过多模光纤均传输至第一光学电流传感器；第一和第二光学电流传感器均对保护区间的电流进行检测，根据检测到的电流，第一光学电流传感器对P_0a和P_0b均进行第一次偏振和旋转后的第一和第二偏振光均传输至第二光学电流传感器中进行第二次旋转和检光，得到的第一和第二光信号P_ax和P_bx均传输至电子处理单元中进行处理，电子处理单元将处理结果与预设值进行比较，实现对保护区间故障的判定。本发明可以广泛应用于智能电网中。

Description

一种光子差动保护装置

技术领域

本发明涉及一种电力系统的继电保护装置，特别是关于一种光子差动保护装置。

背景技术

继电保护是电网安全防御体系的重要组成部分。具有自愈特征的智能电网要求保护装置能够可靠快速地切除故障，以确保电网安全运行，从而避免大停电事故的发生。可靠的保护必须基于准确的测量，然而由于存在电磁饱和、频带受限等原理性问题，采用常规电磁式互感器的保护装置许多性能难以进一步提升，保护装置的可靠性、速动性提升受到了阻碍。

当前，电力系统中的继电保护装置，都是将常规电磁式电流互感器检测到的电流信息以电信号的方式传递给继电保护装置，在继电保护装置中进行故障判据的运算和结果判定。以继电保护装置的低成本化、轻量化为目的，现有技术将依据具有差动运算功能的光电流传感器的继电保护装置取代依据绕组型电流变换器的继电保护装置。目前带有制动性能的该类型差动继电保护装置，即使在检出重叠有直流分量的故障电流的情况下，也能够实现基于内部故障发生时的检测，在发生外部故障时也不误判为内部故障，不使继电器引起误动作。但是，该差动继电保护装置的光加减运算是近似运算，得到的和电流与差电流信号中均包含电源频率两倍频分量的误差分量，而且在故障信号中有较大的非周期直流分量时差动运算结果会出现较大的误差，需要通过设置合理的动作比率调整值才能避免外部故障时的不必要动作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种真正无误差的实现差动保护的光子差动保护装置，该装置是利用光学元器件在光路层面直接进行法拉第旋光角的光子加减运算，真正实现差动保护的和电流与差电流的光子运算，能够克服现有技术中的误差分量，更有利于准确地实现差动保护的动作判据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光子差动保护装置，其特征在于：它包括光源、光纤耦合器、多模光纤、第一光学电流传感器、第二光学电流传感器、保偏光纤和电子处理单元；所述第一光学电流传感器与第二光学电流传感器分别设置在保护区间的两端；所述多模光纤包括第一至第五多模光纤；所述第一光学电流传感器包括第一多模光纤准直器、第二多模光纤准直器、第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器；所述第二光学电流传感器包括第三多模光纤准直器、第四多模光纤准直器、第三保偏光纤准直器和第四保偏光纤准直器；所述保偏光纤包括第一和第二保偏光纤；所述光源发出的光信号P₀通过所述第一多模光纤传输至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器将接收到的光信号P₀平均分成功率相等的两束光P_0a和P_0b，第一束光P_0a通过所述第二多模光纤传输至所述第一多模光纤准直器，第二束光P_0b通过所述第三多模光纤传输至所述第二多模光纤准直器；所述第一光学电流传感器对所述保护区间的电流进行检测，所述第一光学电流传感器根据检测到的电流对接收到的两束光P_0a和P_0b均进行第一次偏振和旋转，得到的第一次旋转后的第一偏振光依次通过所述第一保偏光纤准直器和第一保偏光纤传输至所述第三保偏光纤准直器，得到的第一次旋转后的第二偏振光依次通过所述第二保偏光纤准直器和第二保偏光纤传输至所述第四保偏光纤准直器；所述第二光学电流传感器对所述保护区间的电流进行检测，所述第二光学电流传感器根据检测到的电流对接收到的第一次旋转后的第一偏振光和第一次旋转后的第二偏振光均进行第二次旋转和检光，得到的第一光信号P_ax依次通过所述第三多模光纤准直器和第四多模光纤、得到的第二光信号P_bx依次通过所述第四多模光纤准直器和第五多模光纤均传输至所述电子处理单元中进行处理，所述电子处理单元将处理结果与预设值进行比较，实现对所述保护区间故障的判定。

除包括所述第一和第二多模光纤准直器、所述第一和第二保偏光纤准直器之外，所述第一光学电流传感器还包括第一起偏器、第二起偏器和第一法拉第磁光元件；所述第一多模光纤准直器将接收到的第一束光P_0a传输至所述第一起偏器，在所述第一起偏器中转换成第一偏振光并传输至所述第一法拉第磁光元件；所述第一法拉第磁光元件感应所述保护区间一端侧流过的第一电流i₁，在所述第一法拉第磁光元件中第一偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转；经第一次旋转后的第一偏振光传输至所述第一保偏光纤准直器；所述第二多模光纤准直器将接收到的第二束光P_0b传输至所述第二起偏器，在所述第二起偏器中转换成第二偏振光并传输至所述第一法拉第磁光元件；所述第一法拉第磁光元件感应所述保护区间一端侧流过的第一电流i₁，在所述第一法拉第磁光元件中第二偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转；经第一次旋转后的第二偏振光传输至所述第二保偏光纤准直器。

除包括所述第三和第四多模光纤准直器、所述第三和第四保偏光纤准直器之外，所述第二光学电流传感器还包括第二法拉第磁光元件、第一检偏器、第二检偏器；所述第三保偏光纤准直器将接收到的第一次旋转后的第一偏振光传输至所述第二法拉第磁光元件；所述第二法拉第磁光元件感应所述保护区间另一端侧流过的第二电流i₂，在所述第二法拉第磁光元件中第一次旋转后的第一偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转；经第二次旋转后的第一偏振光通过所述第一检偏器进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第一光信号P_ax并传输至所述第三多模光纤准直器；所述第四保偏光纤准直器将接收到的第一次旋转后的第二偏振光传输至所述第二法拉第磁光元件；所述第二法拉第磁光元件感应所述保护区间另一端侧流过的第二电流i₂，在所述第二法拉第磁光元件中第一次旋转后的第二偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转；经第二次旋转后的第二偏振光通过所述第二检偏器进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第二光信号P_bx并传输至所述第四多模光纤准直器。

所述电子处理单元包括差电流运算部件、和电流运算部件、差电流检测部件、和电流检测部件、动作量运算部件、抑制量运算部件、动作比率运算部件以及判定部件；所述差电流运算部件对接收到的第一光信号P_ax进行差电流运算，运算得到的第一电流i₁和第二电流i₂的差电流输出信号S_ax传输至所述差电流检测部件中进行差电流检测，所述差电流检测部件将检测到的差电流传输至所述动作量运算部件和抑制量运算部件；所述和电流运算部件对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算，运算得到的第一电流i₁和第二电流i₂的和电流输出信号S_bx传输至所述和电流检测部件中进行和电流检测，所述和电流检测部件将检测到的和电流传输至所述抑制量运算部件；根据接收到的差电流，所述动作量运算部件将对差电流输出信号S_ax的动作量m进行计算的结果传输至所述动作比率运算部件和判定部件；所述抑制量运算部件根据接收到的差电流与和电流，对和电流输出信号S_bx的抑制量n进行计算，并将计算结果传输至所述动作比率运算部件；所述动作比率运算部件将根据接收到的动作量_m和抑制量_n对差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k进行计算的结果传输至所述判定部件；所述判定部件将接收到的动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，根据比较结果判定所述保护区间的故障，所述判定部件根据判定结果向出口跳闸回路发出执行信号。

所述差电流运算部件与和电流运算部件的结构相同，所述差电流运算部件包括光电转换器、高通滤波器、低通滤波器和除法器；所述光电转换器将接收到的第一光信号P_ax转换成电信号，并传输至所述高通滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的交流分量，所述低通滤波器对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的直流分量；第一光信号P_ax的交流分量和直流分量均传输至所述除法器，用第一光信号P_ax的交流分量除以第一光信号P_ax的直流分量，得到第一电流i₁与第二电流i₂的差电流输出信号S_ax为：

S_ax＝(P_ax的交流分量)/(P_ax的直流分量)＝α₀(i₁+i₂)，

差电流输出信号S_ax传输至所述差电流检测部件；所述和电流运算部件对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算后，第一电流i₁与第二电流i₂的和电流输出信号S_bx为：

S_bx＝(P_bx的交流分量)/(P_bx的直流分量)＝α₀(i₁-i₂)，

和电流输出信号S_bx传输至所述和电流检测部件；式中，α₀＝2V。

所述动作量运算部件计算得到的差电流输出信号S_ax的动作量m为：

m＝|i₁+i₂|＝|S_ax|/α₀，

式中，|i₁+i₂|表示差电流（i₁+i₂）的有效值；所述抑制量运算部件计算得到的和电流输出信号S_bx的抑制量n为：

n＝|i₁|+|i₂|＝(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)/(2α₀)，

式中，|i₁|和|i₂|分别表示第一电流i₁的有效值和第二电流i₂的有效值；所述动作比率运算部件计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k为：

k＝m/n＝（2·|S_ax|）/(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)。

在所述判定部件中，将动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，如果m＞k1且k＞k2，则判定故障为所述保护区间内部故障；否则，判定故障为所述保护区间外部故障。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于利用光纤耦合器将光源发出的光信号P₀平均分成功率相等的两束光P_0a和P_0b，两束光P_0a和P_0b分别通过第一光学电流传感器和第二光学电流传感器转换成第一光信号P_ax和第二光信号P_bx，第一光信号P_ax和第二光信号P_bx传输至电子处理单元中进行检测、运算和判定处理，在电子处理单元中计算得到动作量与第一光信号P_ax之间的关系以及动作比率与第一光信号P_ax和第二光信号P_bx之间的关系，从而根据动作量和动作比率分别与预设的动作量调整值和动作比率调整值的比较结果，判定保护区间的故障，因此本发明能够解决常规电磁式互感器存在磁饱和与频带受限等原理性问题，提高电网的暂态电流测量能力，充分发挥光学传感器暂态测量优势，准确快速切除故障，从而有效提高供电可靠性和供电质量。2、本发明由于第一和第二光学电流传感器均基于法拉第磁光效应，分别对保护区间两端侧流过的第一电流i₁和第二电流i₂进行检测；基于第一电流i₁和第二电流i₂，电子处理单元将动作量和动作比率与预设的动作量调整值和动作比率调整值进行比较；因此本发明能够真正无误差的实现差动保护的和电流与差电流光子运算，从而有利于准确地实现差动保护的动作判据。基于以上优点，本发明可以广泛应用于智能电网中。

附图说明

图1是本发明的光子差动保护装置的结构示意图；

图2是本发明中电子处理单元的结构示意图；

图3是本发明的使用状态示意图；其中，f1、f2和f3为保护区间的三个故障位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明的光子差动保护装置包括光源1、光纤耦合器2、多模光纤3、第一光学电流传感器4、第二光学电流传感器5、保偏光纤6和电子处理单元7，第一光学电流传感器4与第二光学电流传感器5分别设置在保护区间8的两端。其中，多模光纤3包括第一多模光纤3a、第二多模光纤3b、第三多模光纤3c、第四多模光纤3d和第五多模光纤3e。第一光学电流传感器4包括第一多模光纤准直器9a、第二多模光纤准直器9b、第一保偏光纤准直器11a和第二保偏光纤准直器11b。第二光学电流传感器5包括第三多模光纤准直器9c、第四多模光纤准直器9d、第三保偏光纤准直器11c和第四保偏光纤准直器11d。保偏光纤6包括第一保偏光纤6a和第二保偏光纤6b。

光源1发出的光信号P₀通过第一多模光纤3a传输至光纤耦合器2，光纤耦合器2将接收到的光信号P₀平均分成功率相等的两束光P_0a和P_0b，第一束光P_0a通过第二多模光纤3b传输至第一多模光纤准直器9a，第二束光P_0b通过第三多模光纤3c传输至第二多模光纤准直器9b；第一光学电流传感器4对保护区间8的电流进行检测，第一光学电流传感器4根据检测到的电流对接收到的两束光P_0a和P_0b均进行第一次偏振和旋转，得到第一次旋转后的第一偏振光和第二偏振光；第一次旋转后的第一偏振光依次通过第一保偏光纤准直器11a和第一保偏光纤6a传输至第二光学电流传感器5的第三保偏光纤准直器11c，第一次旋转后的第二偏振光依次通过第二保偏光纤准直器11b和第二保偏光纤6b传输至第二光学电流传感器5的第四保偏光纤准直器11d；第二光学电流传感器5对保护区间8的电流进行检测，第二光学电流传感器5根据检测到的电流对接收到的第一次旋转后的第一偏振光和第一次旋转后的第二偏振光均进行第二次旋转和检光，得到第一光信号P_ax和第二光信号P_bx；第一光信号P_ax依次通过第三多模光纤准直器9c和第四多模光纤3d、第二光信号P_bx依次通过第四多模光纤准直器9d和第五多模光纤3e均传输至电子处理单元7中，电子处理单元7对接收到的第一光信号P_ax和第二光信号P_bx进行处理，并将处理结果与电子处理单元7中的预设值进行比较，实现对保护区间8故障的判定。

上述实施例中，除包括第一多模光纤准直器9a、第二多模光纤准直器9b、第一保偏光纤准直器11a和第二保偏光纤准直器11b之外，第一光学电流传感器4还包括第一起偏器10a、第二起偏器10b和第一法拉第磁光元件12a。

第一多模光纤准直器9a将接收到的第一束光P_0a传输至第一起偏器10a，在第一起偏器10a中转换成第一偏振光并传输至第一法拉第磁光元件12a；基于法拉第磁光效应，第一法拉第磁光元件12a感应保护区间8一端侧流过的第一电流i₁，在第一法拉第磁光元件12a中第一偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转，旋转角度为θ₁。经第一法拉第磁光元件12a第一次旋转后的第一偏振光传输至第一保偏光纤准直器11a。

第二多模光纤准直器9b将接收到的第二束光P_0b传输至第二起偏器10b，在第二起偏器10b中转换成第二偏振光并传输至第一法拉第磁光元件12a；基于法拉第磁光效应，第一法拉第磁光元件12a感应保护区间8一端侧流过的第一电流i₁，在第一法拉第磁光元件12a中第二偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转，旋转角度为θ₁。经第一法拉第磁光元件12a第一次旋转后的第二偏振光传输至第二保偏光纤准直器11b。

上述实施例中，设定第一电流i₁从保护区间8的内侧流向其外侧的方向为正。设定第一束光P_0a和第二束光P_0b在第一光学电流传感器4内的传播方向均与第一电流i₁产生的磁场方向一致。

第一电流i₁与第一偏振光的偏振面第一次旋转的旋转角θ₁的关系为：

θ₁＝V·K·i₁              （1）

式（1）中，V为第一法拉第磁光元件12a材料的菲尔德常数；K为第一法拉第磁光元件12a的磁场积分与第一电流i₁的倍数关系，当第一光学电流传感器4的结构确定时，K为一常数，当第一法拉第磁光元件12a围绕第一电流i₁一整圈时，K＝1，则式（1）转化为：

θ₁＝V·i₁                （2）

上述实施例中，除包括第三多模光纤准直器9c、第四多模光纤准直器9d、第三保偏光纤准直器11c和第四保偏光纤准直器11d之外，第二光学电流传感器5还包括第二法拉第磁光元件12b、第一检偏器13a、第二检偏器13b。

第三保偏光纤准直器11c将接收到的第一次旋转后的第一偏振光传输至第二法拉第磁光元件12b；基于法拉第磁光效应，第二法拉第磁光元件12b感应保护区间8另一端侧流过的第二电流i₂，在第二法拉第磁光元件12b中第一次旋转后的第一偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转，旋转角度为θ₂。经两次旋转后的第一偏振光的偏振面的旋转角度为（θ₁+θ₂），经第二法拉第磁光元件12b第二次旋转后的第一偏振光通过第一检偏器13a进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第一光信号P_ax并传输至第三多模光纤准直器9c。

第四保偏光纤准直器11d将接收到的第一次旋转后的第二偏振光传输至第二法拉第磁光元件12b；基于法拉第磁光效应，第二法拉第磁光元件12b感应保护区间8另一端侧流过的第二电流i₂，在第二法拉第磁光元件12b中第一次旋转后的第二偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转，旋转角度为θ₂。经两次旋转后的第二偏振光的偏振面的旋转角度为（θ₁-θ₂），经第二法拉第磁光元件12b第二次旋转后的第二偏振光通过第二检偏器13b进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第二光信号P_bx并传输至第四多模光纤准直器9d。

上述实施例中，设定第二电流i₂从保护区间8的内侧流向其外侧的方向为正。设定第一束光P_0a在第二光学电流传感器5内的传播方向与第二电流i₂产生的磁场方向一致，设定第二束光P_0b在第二光学电流传感器5内的传播方向与第二电流i₂产生的磁场方向相反。

第二法拉第磁光元件12b的材料和结构与第一法拉第磁光元件12a的材料和结构完全相同。当第二法拉第磁光元件12b围绕第二电流i₂一整圈时,第二电流i₂与第一偏振光的偏振面第二次旋转的旋转角θ₂的关系为：

θ₂＝V·i₂                   （3）

上述实施例中，第一光信号P_ax与第一电流i₁和第二电流i₂的关系式为：

$P_{\mathrm{ax}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+\sin 2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)]---\left(4\right)$

由于

sin2(θ₁+θ₂)≈2(θ₁+θ₂)           （5）

因此，式（4）转化为：

$P_{\mathrm{ax}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)]---\left(6\right)$

将式（2）和式（3）均代入式（6）中，得到

$P_{\mathrm{ax}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+2V\·(i_1+i_2)]---\left(7\right)$

第二光信号P_bx与第一电流i₁和第二电流i₂的关系式为：

$P_{\mathrm{bx}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+\sin 2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)]---\left(8\right)$

由于

sin2(θ₁-θ₂)≈2(θ₁-θ₂)            （9）

因此，式（8）转化为：

$P_{\mathrm{bx}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)]---\left(10\right)$

将式（2）和式（3）均代入式（6）中，得到

$P_{\mathrm{bx}}=\frac{1}{4}{P}_0[1+2V\·(i_1-i_2)]---\left(11\right)$

上述实施例中，如图2所示，电子处理单元7包括差电流运算部件14a、和电流运算部件14b、差电流检测部件15a、和电流检测部件15b、动作量运算部件16、抑制量运算部件17、动作比率运算部件18以及判定部件19。差电流运算部件14a对接收到的第一光信号P_ax进行差电流运算，得到第一电流i₁和第二电流i₂的差电流输出信号S_ax并传输至差电流检测部件15a。差电流检测部件15a对差电流输出信号S_ax中的差电流进行检测，并将检测到的差电流传输至动作量运算部件16和抑制量运算部件17。和电流运算部件14b对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算，得到第一电流i₁和第二电流i₂的和电流输出信号S_bx并传输至和电流检测部件15b。和电流检测部件15b对和电流输出信号S_bx中的和电流进行检测，并将检测到的和电流传输至抑制量运算部件17。根据接收到的差电流，动作量运算部件16对差电流输出信号S_ax的动作量m进行计算，并将计算得到的动作量m传输至动作比率运算部件18和判定部件19；根据接收到的差电流与和电流，抑制量运算部件17对和电流输出信号S_bx的抑制量n进行计算，并将计算得到的抑制量n传输至动作比率运算部件18。根据接收到的动作量m和抑制量n，动作比率运算部件18对差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k进行计算，并将计算得到的动作比率k传输至判定部件19。在判定部件19中，根据电网系统的结构和运行方式，预设动作量调整值k1和动作比率调整值k2；判定部件19将接收到的动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，根据比较结果判定保护区间8的故障，判定部件19进一步根据判定结果向出口跳闸回路（图中未示出）发出执行信号。

上述实施例中，差电流运算部件14a与和电流运算部件14b的结构相同，仅以差电流运算部件14a为例进行说明。差电流运算部件14a包括光电转换器20、高通滤波器21、低通滤波器22和除法器23。光电转换器20将接收到的第一光信号P_ax转换成电信号，并传输至高通滤波器21和低通滤波器22。高通滤波器21对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的交流分量，低通滤波器22对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的直流分量。第一光信号P_ax的交流分量和直流分量均传输至除法器23，用第一光信号P_ax的交流分量除以第一光信号P_ax的直流分量，得到第一电流i₁与第二电流i₂的差电流输出信号S_ax为：

S_ax＝(P_ax的交流分量)/(P_ax的直流分量)   （12）

差电流输出信号S_ax传输至差电流检测部件15a。

将式（7）和式（11）代入式（12）中，得到

S_ax＝α₀(i₁+i₂)                     （13）

同理，和电流运算部件14b对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算后，第一电流i₁与第二电流i₂的和电流输出信号S_bx为：

S_bx＝(P_bx的交流分量)/(P_bx的直流分量)   （14）

和电流输出信号S_bx传输至和电流检测部件15b。

将式（7）和式（11）代入式（13）中，得到

S_bx＝α₀(i₁-i₂)                     （15）

式（13）和式（15）中，α₀＝2V。

上述实施例中，根据式（13），动作量运算部件16计算得到的差电流输出信号S_ax的动作量_m为：

m＝|i₁+i₂|＝|S_ax|/α₀                 （16）

式（16）中，|i₁+i₂|表示差电流（i₁+i₂）的有效值。

根据式（13）和式（15），抑制量运算部件17计算得到的和电流输出信号S_bx的抑制量_n为：

n＝|i₁|+|i₂|＝(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)/(2α₀) （17）

式（17）中，|i₁|和|i₂|分别表示第一电流i₁的有效值和第二电流i₂的有效值。

上述实施例中，根据式（16）和式（17），动作比率运算部件18计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k为：

k＝m/n＝（2·|S_ax|）/(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)  （18）

上述实施例中，在判定部件19中，将动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，如果m＞k1且k＞k2，则判定故障为保护区间8内部故障；否则，判定故障为保护区间8外部故障。

实施例1：如图3所示，相对于保护区间8而言，故障位置f1和f3是等同的，因此仅以f1处发生故障为例进行说明。当f1处发生故障时，第一电流i₁和第二电流i₂满足关系式：

i₁(t)＝-i₂(t)                        （19）

将式（19）代入式（13）中，计算得到差电流输出信号S_ax为：S_ax＝0；将式（19）代入式（15）中，计算得到和电流输出信号S_bx为：S_bx＝2·α₀·i₁(t)。

将计算得到的差电流输出信号S_ax代入式（16）中，计算得到动作量m为：m＝0；将计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx均代入式（18）中，计算得到动作比率k＝0。

由于动作量m和动作比率k不满足：m＞k1且k＞k2，因此判定f1处的故障为外部故障。

实施例2：如图3所示，当本发明的差动保护装置的两侧均配置电源且在f2处发生故障时，第一电流i₁和第二电流i₂满足关系式

i₁(t)＝i₂(t)                         （20）

将式（20）代入式（13）中，计算得到差电流输出信号S_ax为：S_ax＝2·α₀·i₁(t)；将式（19）代入式（15）中，计算得到和电流输出信号S_bx为：S_bx＝0。

将计算得到的差电流输出信号S_ax代入式（16）中，计算得到动作量m为：m＝2·|i₁(t)|；将计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx均代入式（18）中，计算得到动作比率k＝1。

由于动作量m和动作比率k满足：m＞k1且k＞k2，因此判定f2处的故障为内部故障。

实施例3：如图3所示，当本发明的差动保护装置的单侧配置电源（即在近f1处配置电源或在近f3处配置电源）且在f2处发生故障时，相对于保护区间8而言，故障位置f1和f3是等同的，因此仅以在近f1处配置电源且f2处发生故障时为例进行说明。

由于在近f1处配置电源，因此第二电流i₂(t)＝0，将第二电流i₂(t)分别代入式（13）和式（15）中，计算得到差电流输出信号S_ax为：S_ax＝α₀·i₁(t)，和电流输出信号S_bx为：S_bx＝α₀·i₁(t)。

将计算得到的差电流输出信号S_ax代入式（16）中，计算得到动作量m为：m=|i₁(t)|；将计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx均代入式（18）中，计算得到动作比率k＝1。

由于动作量m和动作比率k满足：m＞k1且k＞k2，因此判定f2处的故障为内部故障。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种光子差动保护装置，其特征在于：它包括光源、光纤耦合器、多模光纤、第一光学电流传感器、第二光学电流传感器、保偏光纤和电子处理单元；所述第一光学电流传感器与第二光学电流传感器分别设置在保护区间的两端；所述多模光纤包括第一至第五多模光纤；所述第一光学电流传感器包括第一多模光纤准直器、第二多模光纤准直器、第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器；所述第二光学电流传感器包括第三多模光纤准直器、第四多模光纤准直器、第三保偏光纤准直器和第四保偏光纤准直器；所述保偏光纤包括第一和第二保偏光纤；

所述光源发出的光信号P₀通过所述第一多模光纤传输至所述光纤耦合器，所述光纤耦合器将接收到的光信号P₀平均分成功率相等的两束光P_0a和P_0b，第一束光P_0a通过所述第二多模光纤传输至所述第一多模光纤准直器，第二束光P_0b通过所述第三多模光纤传输至所述第二多模光纤准直器；所述第一光学电流传感器对所述保护区间的电流进行检测，所述第一光学电流传感器根据检测到的电流对接收到的两束光P_0a和P_0b均进行第一次偏振和旋转，得到的第一次旋转后的第一偏振光依次通过所述第一保偏光纤准直器和第一保偏光纤传输至所述第三保偏光纤准直器，得到的第一次旋转后的第二偏振光依次通过所述第二保偏光纤准直器和第二保偏光纤传输至所述第四保偏光纤准直器；所述第二光学电流传感器对所述保护区间的电流进行检测，所述第二光学电流传感器根据检测到的电流对接收到的第一次旋转后的第一偏振光和第一次旋转后的第二偏振光均进行第二次旋转和检光，得到的第一光信号P_ax依次通过所述第三多模光纤准直器和第四多模光纤、得到的第二光信号P_bx依次通过所述第四多模光纤准直器和第五多模光纤均传输至所述电子处理单元中进行处理，所述电子处理单元将处理结果与预设值进行比较，实现对所述保护区间故障的判定。

2.如权利要求1所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：除包括所述第一和第二多模光纤准直器、所述第一和第二保偏光纤准直器之外，所述第一光学电流传感器还包括第一起偏器、第二起偏器和第一法拉第磁光元件；

所述第一多模光纤准直器将接收到的第一束光P_0a传输至所述第一起偏器，在所述第一起偏器中转换成第一偏振光并传输至所述第一法拉第磁光元件；所述第一法拉第磁光元件感应所述保护区间一端侧流过的第一电流i₁，在所述第一法拉第磁光元件中第一偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转；经第一次旋转后的第一偏振光传输至所述第一保偏光纤准直器；

所述第二多模光纤准直器将接收到的第二束光P_0b传输至所述第二起偏器，在所述第二起偏器中转换成第二偏振光并传输至所述第一法拉第磁光元件；所述第一法拉第磁光元件感应所述保护区间一端侧流过的第一电流i₁，在所述第一法拉第磁光元件中第二偏振光的偏振面产生与第一电流i₁大小成比例的第一次旋转；经第一次旋转后的第二偏振光传输至所述第二保偏光纤准直器。

3.如权利要求1或2所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：除包括所述第三和第四多模光纤准直器、所述第三和第四保偏光纤准直器之外，所述第二光学电流传感器还包括第二法拉第磁光元件、第一检偏器、第二检偏器；

所述第三保偏光纤准直器将接收到的第一次旋转后的第一偏振光传输至所述第二法拉第磁光元件；所述第二法拉第磁光元件感应所述保护区间另一端侧流过的第二电流i₂，在所述第二法拉第磁光元件中第一次旋转后的第一偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转；经第二次旋转后的第一偏振光通过所述第一检偏器进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第一光信号P_ax并传输至所述第三多模光纤准直器；

所述第四保偏光纤准直器将接收到的第一次旋转后的第二偏振光传输至所述第二法拉第磁光元件；所述第二法拉第磁光元件感应所述保护区间另一端侧流过的第二电流i₂，在所述第二法拉第磁光元件中第一次旋转后的第二偏振光的偏振面产生与第二电流i₂大小成比例的第二次旋转；经第二次旋转后的第二偏振光通过所述第二检偏器进行检光，得到感应第一电流i₁和第二电流i₂后的第二光信号P_bx并传输至所述第四多模光纤准直器。

4.如权利要求1或2所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：所述电子处理单元包括差电流运算部件、和电流运算部件、差电流检测部件、和电流检测部件、动作量运算部件、抑制量运算部件、动作比率运算部件以及判定部件；

所述差电流运算部件对接收到的第一光信号P_ax进行差电流运算，运算得到的第一电流i₁和第二电流i₂的差电流输出信号S_ax传输至所述差电流检测部件中进行差电流检测，所述差电流检测部件将检测到的差电流传输至所述动作量运算部件和抑制量运算部件；所述和电流运算部件对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算，运算得到的第一电流i₁和第二电流i₂的和电流输出信号S_bx传输至所述和电流检测部件中进行和电流检测，所述和电流检测部件将检测到的和电流传输至所述抑制量运算部件；根据接收到的差电流，所述动作量运算部件将对差电流输出信号S_ax的动作量m进行计算的结果传输至所述动作比率运算部件和判定部件；所述抑制量运算部件根据接收到的差电流与和电流，对和电流输出信号S_bx的抑制量n进行计算，并将计算结果传输至所述动作比率运算部件；所述动作比率运算部件将根据接收到的动作量_m和抑制量_n对差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k进行计算的结果传输至所述判定部件；所述判定部件将接收到的动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，根据比较结果判定所述保护区间的故障，所述判定部件根据判定结果向出口跳闸回路发出执行信号。

5.如权利要求4所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：所述差电流运算部件与和电流运算部件的结构相同，所述差电流运算部件包括光电转换器、高通滤波器、低通滤波器和除法器；

所述光电转换器将接收到的第一光信号P_ax转换成电信号，并传输至所述高通滤波器和低通滤波器，所述高通滤波器对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的交流分量，所述低通滤波器对接收到的电信号进行滤波处理后得到第一光信号P_ax的直流分量；第一光信号P_ax的交流分量和直流分量均传输至所述除法器，用第一光信号P_ax的交流分量除以第一光信号P_ax的直流分量，得到第一电流i₁与第二电流i₂的差电流输出信号S_ax为：

S_ax＝(P_ax的交流分量)/(P_ax的直流分量)＝α₀(i₁+i₂)，

差电流输出信号S_ax传输至所述差电流检测部件；

所述和电流运算部件对接收到的第二光信号P_bx进行和电流运算后，第一电流i₁与第二电流i₂的和电流输出信号S_bx为：

S_bx＝(P_bx的交流分量)/(P_bx的直流分量)＝α₀(i₁-i₂)，

和电流输出信号S_bx传输至所述和电流检测部件；式中，α₀＝2V。

6.如权利要求4所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：所述动作量运算部件计算得到的差电流输出信号S_ax的动作量m为：

m＝|i₁+i₂|＝|S_ax|/α₀，

式中，|i₁+i₂|表示差电流（i₁+i₂）的有效值；

所述抑制量运算部件计算得到的和电流输出信号S_bx的抑制量n为：

n＝|i₁|+|i₂|＝(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)/(2α₀)，

式中，|i₁|和|i₂|分别表示第一电流i₁的有效值和第二电流i₂的有效值；

所述动作比率运算部件计算得到的差电流输出信号S_ax与和电流输出信号S_bx的动作比率k为：

k＝m/n＝（2·|S_ax|）/(|S_ax+S_bx|+|S_ax-S_bx|)。

7.如权利要求5或6所述的一种光子差动保护装置，其特征在于：在所述判定部件中，将动作量m和动作比率k分别与预设的动作量调整值k1和动作比率调整值k2进行比较，如果m＞k1且k＞k2，则判定故障为所述保护区间内部故障；否则，判定故障为所述保护区间外部故障。

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