CN103869134A - 一种电流互感器及基于神经网络的母线电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流互感器和基于神经网络的母线电流检测方法。电流互感器包括入射光路、传感光路和反射光路。该电流互感器使用超低功耗的快速可调谐光衰器。具有低功耗、高稳定性和绝缘性好的功效。基于神经网络的母线电流检测方法包括利用光纤光栅、边缘滤波器和光纤抖动消除处理得到电流互感器所处环境的温度；利用光纤抖动消除处理得到电流互感器的输出信号；利用已知母线电流、电流互感器温度和电流互感器输出对电流互感器进行神经网络训练，得到母线电流检测方法，该方法测量精度高，温漂低。

Description

一种电流互感器及基于神经网络的母线电流检测方法

技术领域

本发明属于电力系统监测和保护领域，涉及一种超低功耗的电流互感器及基于神经网络的高精度、低温漂母线电流检测方法。

背景技术

在电力生产、传输和电力设备的运行中，需要对电流和电压进行测量，获取电流和电压信息的传感器设备是互感器，它将高电压侧的大电流或高电压转换为低压侧的小电流或低电压。准确、可靠、高性能的互感器是保证电网安全、可靠、高效运行的重要保证之一。

传统互感器以电磁式互感器为主，但是长期运行中暴露出其所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带范围窄、易燃、易爆等缺点。同时，随着电网的运行电压等级越来越高，传统互感器的绝缘设计将变得非常复杂，体积、重量以及造价也急剧增加。

近几十年来，电子式电流互感器（ECT）和光学电流互感器（OCT）逐步兴起，逐渐取代了传统的电磁式互感器。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器和光学电流互感器（OCT）具有以下优点：优良的绝缘性能、体积小、造价低；不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题；低压侧无开路高压危险；频率响应范围宽；没有因充油而产生的易燃、易爆等危险；电磁兼容性好、保密性强；适应了电力计量与保护数字化、智能化发展的潮流。

目前，光学电流互感器按是否需要一次电源，分为纯光学型（无源）和混合型（有源）两大类。人们利用泡克尔效应（PockelsEffect）和法拉第效应（FaradyEffect）研制出了一系列的纯光学电流、电压互感器，方法直接，装置简单，精度高，但是其缺点在于：对振动、温度、安装应光波动性等敏感，测量稳定性较差。

针对这些问题，混合型光学电流互感器应运而生，它的测量精度和可靠性经受了实际工程的考验，技术成熟，应用前景广阔。但是由于在高压端需要供能，增加了系统的成本和复杂性。激光光纤供能方案的发展使得高压供能得以实现，但是此项技术被少数国际公司垄断，价格居高不下，制约了国内电力行业的发展。

因此，降低高压端的功耗成为混合型光学电流互感器的一个发展方向。2001年，华中科技大学提出了通过利用Rogowski线圈、积分器以及压频转换器的OCT方案，使用的是传统的CT供能方案，但是由于压频转换器的功耗较大，OCT整体功耗降低不明显。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、无源积分器和Rogowski线圈的混合OCT方案，其一次端的功耗为零。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

技术问题：本发明提供一种超低功耗的电流互感器，同时还提供一种高精度、低温漂的基于神经网络的母线电流检测方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的电流互感器，包括入射光路、与入射光路连接的传感光路和反射光路。入射光路包括宽带光源和光环形器，光环形器的输入端与宽带光源的输出端连接，光环形器同时是反射光路的组成部件。

传感光路包括第一光纤耦合器、与第一光纤耦合器的一个输出端连接的光纤光栅、与第一光纤耦合器另一个输出端连接的快速可调谐光衰减模块、与快速可调谐光衰减模块的输出端连接的第二光电接收机，第一光纤耦合器的输入端与光环形器的输入/输出端连接，第一光纤耦合器和光纤光栅同时是反射光路的组成部件。

反射光路包括沿反射光传输方向依次连接的光纤光栅、第一光纤耦合器、光环形器、第二光纤耦合器，以及与第二光纤耦合器一个输出端连接的第三光电接收机、与第二光纤耦合器另一个输出端连接的边缘滤波器、与边缘滤波器的输出端连接的第一光电接收机；第二光纤耦合器的输入端与光环形器的输出端连接。光环形器的输入端、输入/输出端、输出端沿光路循环的环形传输方向依次设置。

本发明电流互感器的一种优选方案中，快速可调谐光衰减模块包括沿控制信号传输方向依次连接的一次电流传感器、工作点设置模块和快速可调谐光衰减器，快速可调谐光衰减器的光输入端即为快速可调谐光衰减模块的输入端，快速可调谐光衰减器的光输出端即为快速可调谐光衰减模块的输出端。

本发明的利用上述电流互感器的基于神经网络的母线电流检测方法，包括以下步骤：

1）利用宽带光源产生宽带光，宽带光经过光环形器后由第一光纤传输至第一光纤耦合器后分为两路，一路宽带光经过快速可调谐光衰减模块调制后，经第二光纤传输至第二光电接收机进行光电转换，对转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第二光纤抖动带来的干扰。

2）第一光纤耦合器输出的另一路宽带光传输至光纤光栅，经光纤光栅反射后，产生的反射光依次经第二光纤耦合器、第一光纤、光环形器后传输至第二光纤耦合器，第二光纤耦合器将接收到的反射光分为两路，一路传输至第三光电接收机进行光电转换，另一路传输至边缘滤波器进行滤波后，再传输至第一光电接收机进行光电转换。

3）根据第一光电接收机和第三光电接收机转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第一光纤抖动和宽带光源抖动的干扰，然后根据抖动消除处理后的电信号计算光纤光栅所处环境的温度。

4）根据步骤1）中得到的第二光电接收机进行抖动消除处理后的电信号、步骤3）中得到的光纤光栅所处环境的温度，以及快速可调谐光衰减模块接收的电流信号，利用神经网络算法进行母线电流检测。

有益效果：与现有设备、检测方法相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明中的电流互感器为混合型电流互感器，耗能器件仅为超低功耗快速可调谐光衰减器和超低功耗运算放大器，可以有效降低高压一次端供电需求。同时，本发明中的电流互感器使用的光路、电路结构简单，大大提高了电流互感器的可靠性。

（2）本发明中的母线电流检测方法基于神经网络。快速可调谐光衰减器本身具有非线性特性，其输出光功率与一次电流成非线性关系。同时，快速可调谐光衰减器的衰减常数会随着温度变化发生漂移。非线性和衰减常数的漂移都会对检测精度带来影响。本发明中的母线电流检测方法利用光纤光栅和边缘滤波器测量高压端温度，利用已知一次电流信号、温度和电流互感器输出对电流互感器进行神经网络训练，从而保证未知一次电流信号输入时，电流互感器的输出消除了非线性和温漂带了的误差。对光纤光栅反射光的光功率监测，降低第一光纤抖动带来的误差，提高测温精度。对快速可调谐光衰减器输出光信号转换为的电信号，进行交直流分离相除的方法，降低第二光纤抖动带来的误差，提高检测精度。

附图说明

图1是本发明电流互感器的结构示意图。

图2是本发明中工作点设置模块的电路图。

图中有：宽带光源1、光环形器2、边缘滤波器3、第一光电接收机4、第一光纤耦合器5、光纤光栅6、快速可调谐光衰减器7、第二光电接收机8、工作点设置模块9、一次电流传感器10、第二光纤耦合器11、第三光电接收机12。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的电流互感器，包括入射光路、与入射光路连接的传感光路和反射光路。入射光路包括宽带光源1和光环形器2，光环形器2的输入端与宽带光源1的输出端连接，光环形器2同时是反射光路的组成部件。

传感光路包括第一光纤耦合器5、与第一光纤耦合器5的一个输出端连接的光纤光栅6、与第一光纤耦合器5另一个输出端连接的快速可调谐光衰减模块、与快速可调谐光衰减模块的输出端连接的第二光电接收机8，第一光纤耦合器5的输入端与光环形器2的输入/输出端连接，第一光纤耦合器5和光纤光栅6同时是反射光路的组成部件。

反射光路包括沿反射光传输方向依次连接的光纤光栅6、第一光纤耦合器5、光环形器2、第二光纤耦合器11，以及与第二光纤耦合器11一个输出端连接的第三光电接收机12、与第二光纤耦合器11另一个输出端连接的边缘滤波器3、与边缘滤波器3的输出端连接的第一光电接收机4；第二光纤耦合器11的输入端与光环形器2的输出端连接。

光环形器2的输入端、输入/输出端、输出端沿光路循环的环形传输方向依次设置，其中光路循环的环形传输方向是从环形器的任意一个端口输入的光会从沿着光路循环的环形传输方向的下一个端口输出，以此类推。该方向可以是顺时针，也可以是逆时针。宽带光源1发出的入射光由光环行器2的输入端输入，由光环行器2的输入/输出口输出；光纤光栅6发出的反射光经过第一光纤耦合器5由光环行器2的输入/输出口输入，由光环行器2的输出口输出。

在上述电流互感器中，快速可调谐光衰减模块包括沿控制信号传输方向依次连接的一次电流传感器10、工作点设置模块9和快速可调谐光衰减器7，快速可调谐光衰减器7的光输入端即为快速可调谐光衰减模块的输入端，快速可调谐光衰减器7的光输出端即为快速可调谐光衰减模块的输出端。由于快速可调谐光衰减器7的驱动电压信号必须是正电压，因此快速可调谐光衰减模块的作用是将待测信号转换为适用于快速可调谐光衰减器7的驱动信号，即保证驱动信号是正信号，同时，快速可调谐光衰减器7的光衰减率在此驱动点具有较好的线性度。

参考图2，工作点设置模块具体操作如下：工作点设置模块由第一运算放大器A1，第一电阻R1，第二电阻R2组成。第一电阻R1的一端作为工作点设置模块的输入端，第一运算放大器A1的输出端作为工作点设置模块的输出端。第一电阻R1的另一端与第一运算放大器A1负相输入端和第二电阻R2一端连接，第二电阻R2的另一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第一运算放大器A1的正相端与基准电压的输出端连接。在工作点设置模块中，采用第一运算放大器A1构成反向放大电路，将一次电流传感信号反向放大并加入直流偏置，得到驱动信号驱动快速可调谐光衰减器。

本发明的利用上述电流互感器的基于神经网络的母线电流检测方法，包括以下过程：

1）利用宽带光源1产生宽带光，宽带光经过光环形器2后由第一光纤传输至第一光纤耦合器5后分为两路，一路宽带光经过快速可调谐光衰减模块调制后，经第二光纤传输至第二光电接收机8进行光电转换，对转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第二光纤抖动带来的干扰。

2）第一光纤耦合器5输出的另一路宽带光传输至光纤光栅6，经光纤光栅6反射后，产生的反射光依次经第二光纤耦合器5、第一光纤、光环形器2后传输至第二光纤耦合器11，第二光纤耦合器11将接收到的反射光分为两路，一路传输至第三光电接收机12进行光电转换，另一路传输至边缘滤波器3进行滤波后，再传输至第一光电接收机4进行光电转换。

3）根据第一光电接收机4和第三光电接收机12转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第一光纤抖动和宽带光源抖动的干扰，然后根据抖动消除处理后的电信号计算光纤光栅6所处环境的温度。

4）根据步骤1）中得到的第二光电接收机8进行抖动消除处理后的电信号、步骤3）中得到的光纤光栅6所处环境的温度，以及快速可调谐光衰减模块接收的电流信号，利用神经网络算法进行母线电流检测。

在上述母线电流检测方法中，第二光纤抖动消除处理过程为：利用第二光电接收机8将光信号转换为电信号，得到的电信号经过直流、交流分离，得到直流分量和交流分量，将交流分量除以直流分量就可以消除第二光纤抖动带来的干扰。算法过程如下：设连接在快速可调谐光衰减器7和第二光电接收机8之间的第二光纤沿线损耗常数为α₁，快速可调谐光衰减器7输出光功率为P₁，其中恒定光功率为P₂，叠加在恒定光功率上的功率为P₃，所以P₁＝P₂+P₃。光功率与电压值比例常数为β，则第二光电接收机8转换的电信号V₁＝P₁·α₁·β＝P₂·α₁·β+P₃·α₁·β，经过交流、直流分离之后的直流信号V₂＝P₂·α₁·β，交流信号V₃＝P₃·α₁·β，V₂除以V₃即可消除第二光纤沿线损耗α₁带来的影响，公式为V₂/V₃＝P₂·α₁·β/(P₃·α₁·β)＝P₂/P₃。由于P₂是恒定的，所以可由P₃＝P₃·V₃/V₂得到消除第二光纤沿线损耗后的信号。抖动消除处理方法不限于此方法。

在上述母线电流检测方法中，第一光纤抖动消除处理过程为：经过光纤光栅6反射的光分别经过第一光纤耦合器5、光环形器2、第二光纤耦合器11后被分为两路，一路光传输至第三光电接收机12进行光电转换，另一路光传输至边缘滤波器3进行滤波，经过滤波后的光传输至第一光电接收机4进行光电转换，第一光电接收机4转换得到的电信号除以第三光电接收机12，可以消除第一光纤抖动带来的干扰。算法过程如下：设连接在光环行器2和第一光纤耦合器5之间的第一光纤沿线损耗常数为α₂，光纤光栅6反射光功率为P₄，光功率与电压值比例常数为β，边缘滤波器滤波系数为γ，第二光纤耦合器11输出光的q%传输至边缘滤波器3，p%的光传输至第三光电接收机12。则第一光电接收机4转换的电信号V₅＝q%·α₂·γ·β，第三光电接收机12转换的电信号V₄＝p%·α₂·β，两者相除得到V₅/V₄＝q%·γ·α₂·β/(p%·α₂·β)＝q·γ/p，即V₅＝V₄·q·γ/p，即可消除第一光纤沿线损耗带来的误差。抖动消除处理方法不限于此方法。

在上述母线电流检测方法中，温度计算处理过程为：由宽带光源1输出的宽带光分别经过光环行器2、第一光纤和第一光纤耦合器5后被分为两路，一路光传输至光纤光栅6，利用光纤光栅6的反射谱随温度变化的关系，将宽带光转变为窄带反射光，窄带反射光分别经过第一光纤耦合器5、第一光纤、光环行器2和第二光纤耦合器后被分为两路，一路光传输至边缘滤波器3，利用边缘滤波器对不同波长的光具有不同衰减的特性，将波长信息转换为光强度信息，通过第一接收机4输出的电信号得到光纤光栅6处的温度值。

在上述母线电流检测方法中，神经网络算法过程为：采用两层BP网络，隐含层1层节点数设定为40，隐含层2层节点数为20，第一层BP网络传递函数是tansig，第二层BP网络传递函数是purelin。前向反馈训练函数选择trainlm，采用LM算法。最大训练次数1000，最小均方误差1e-8，最小梯度1e-20，训练显示间隔200。不同温度下电流互感器的输入信号作为学习样本，电流互感器的输出信号按照此样本进行BP神经网络学习，对输入信号和输出信号的误差进行修正。完成了学习之后，电流互感器接收未知信号和温度信息，会进行神经网络矫正，得到修正了温漂和非线性的输出信号。神经网络算法不限于此方法。

本发明的电流互感器设备，由宽带光源1产生入射光，入射光经过光环行器2后产生传感光，穿感光传输至第一光纤耦合器5后分为两路，一路传感光经过快速可调谐光衰减器7调制后传输至第二接收机8进行光电转换，快速可调谐光衰减器7的驱动信号由工作点设置模块9产生；另一路传感光传输至光纤光栅6产生反射光，反射光经过第一光纤耦合器5传输至光环行器2，再经过第二光纤耦合器11后分为两路，一路反射光传输至第三光电接收机进行光电转换，另一路反射光经过边缘滤波器3传输至第一光电接收机4进行光电转换。

本发明的母线电流检测方法，根据第三光电接收机12和第一光电接收机4输出的电信号得到消除了第一光纤抖动干扰后的光纤光栅6处的温度；根据第二光电接收机8输出的电信号得到消除了第二光纤抖动干扰后的电流互感器输出信号；根据已知电流互感器的输入信号、电流互感器的输出信号和光纤光栅6处的温度对电流互感器进行神经网络训练；训练完成后，向电流互感器输入电流信号和温度信号，即可得到修正了温漂和非线性的电流互感器输出信号。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (3)

1.一种电流互感器，其特征在于，该电流互感器包括入射光路、与所述入射光路连接的传感光路和反射光路；

所述入射光路包括宽带光源（1）和光环形器（2），所述光环形器（2）的输入端与宽带光源（1）的输出端连接，所述光环形器（2）同时是反射光路的组成部件； 

所述传感光路包括第一光纤耦合器（5）、与所述第一光纤耦合器（5）的一个输出端连接的光纤光栅（6）、与第一光纤耦合器（5）另一个输出端连接的快速可调谐光衰减模块、与所述快速可调谐光衰减模块的输出端连接的第二光电接收机（8），所述第一光纤耦合器（5）的输入端与光环形器（2）的输入/输出端连接，第一光纤耦合器（5）和光纤光栅（6）同时是反射光路的组成部件；

所述反射光路包括沿反射光传输方向依次连接的光纤光栅（6）、第一光纤耦合器（5）、光环形器（2）、第二光纤耦合器（11），以及与所述第二光纤耦合器（11）一个输出端连接的第三光电接收机（12）、与第二光纤耦合器（11）另一个输出端连接的边缘滤波器（3）、与所述边缘滤波器（3）的输出端连接的第一光电接收机（4）；所述第二光纤耦合器（11）的输入端与光环形器（2）的输出端连接；

所述光环形器（2）的输入端、输入/ 输出端、输出端沿光路循环的环形传输方向依次设置。

2.根据权利要求1所述的一种电流互感器，其特征在于，所述快速可调谐光衰减模块包括沿控制信号传输方向依次连接的一次电流传感器（10）、工作点设置模块（9）和快速可调谐光衰减器（7），所述快速可调谐光衰减器（7）的光输入端即为快速可调谐光衰减模块的输入端，快速可调谐光衰减器（7）的光输出端即为快速可调谐光衰减模块的输出端。

3.一种利用权利要求1所述电流互感器的基于神经网络的母线电流检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）利用宽带光源（1）产生宽带光，所述宽带光经过光环形器（2）后由第一光纤传输至第一光纤耦合器（5）后分为两路，一路宽带光经过快速可调谐光衰减模块调制后，经第二光纤传输至第二光电接收机（8）进行光电转换，对转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第二光纤抖动带来的干扰；

2）第一光纤耦合器（5）输出的另一路宽带光传输至光纤光栅（6），经光纤光栅（6）反射后，产生的反射光依次经第二光纤耦合器（5）、第一光纤、光环形器（2）后传输至第二光纤耦合器（11），第二光纤耦合器（11）将接收到的反射光分为两路，一路传输至第三光电接收机（12）进行光电转换，另一路传输至边缘滤波器（3）进行滤波后，再传输至第一光电接收机（4）进行光电转换；

3）根据第一光电接收机（4）和第三光电接收机（12）转换得到的电信号进行抖动消除，从而降低第一光纤抖动和宽带光源抖动的干扰，然后根据抖动消除处理后的电信号计算光纤光栅（6）所处环境的温度；

4）根据所述步骤1）中得到的第二光电接收机（8）进行抖动消除处理后的电信号、所述步骤3）中得到的光纤光栅（6）所处环境的温度，以及快速可调谐光衰减模块接收的电流信号，利用神经网络算法进行母线电流检测。

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