CN103926457B - 一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法，该方法在光纤电流互感器信号处理过程中加入附加闭环调制子系统，来产生一个数字补偿信号的控制增益，抑制由于数字‑模拟信号转换器、运算放大器等电子器件的温漂及老化、集成相位调制器半波电压的变化等因素而导致的相位调制通道的增益发生随机变化，提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性，提高反馈相位的精度，进而提高互感器的稳定性。本发明从光纤电流互感器信号处理流程入手，从控制参数稳定性的角度，优化信号处理方式，抑制相位漂移，提高闭环反馈调制相位的精度。
Description
技术领域
本发明属于电力互感器测量技术领域，涉及的是一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法。
背景技术
光纤电流互感器是建立在Farady磁光效应基础上的光学干涉仪，即在闭合光路中从同一光源发出的光波，经过偏振特性处理，形成左右圆偏振特性的两束偏振光，沿相同的方向传播，并汇合至同一探测点而产生干涉；若闭合光路受电流磁场的影响，则左右圆偏振特性的两束偏振光波产生光程差，该光程差对应的Farady相位差与载体电流量成正比。
参见图1，光纤电流互感器的信号处理系统通过对光波相位差进行信号检测处理，得到载体电流量。在信号检测处理方面，光纤电流互感器通过数字闭环反馈系统实时测量光波非互易相位差引起的光波强度变化，获取与非互易相位差成比例关系的被测电流信息。光纤电流互感器克服了电磁式电流互感器所存在的磁滞饱和、波形畸变等弱点，满足现代电力系统对电流测量值可靠性的需求。
目前，光纤电流互感器信号处理方式采用的闭环反馈方式，其信号检测及处理过程描述如下：光源发出的光经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光；线偏振光被转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤；在传感光纤中由于传输电流产生磁场Farady效应，两束圆偏振光以不同的速度传输；经由传感光纤再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在偏振器处发生干涉，干涉光波经过耦合器进入PIN光电检测器。PIN探测器检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理系统，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使相位调制器在光纤环中施加非互易的反馈补偿相移，该反馈相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反，使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，信号处理系统通过获取该补偿相移的大小，经过比例因子转换得出光纤电流互感器的电流量值信息。
然而，在目前的光纤电流互感器的信号处理系统中，由于D/A转换器、运算放大器等电子器件的温漂及老化、相位调制器半波电压的波动变化等因素导致相位调制通道的增益发生变化，闭环反馈系数发生漂移，出现控制相位误差，进而影响闭环复位精度，直接影响到光纤电流互感器的测量精度、重复性、可靠性等性能。
发明内容
本发明是克服光纤电流互感器现有的控制参数稳定性技术难题，结合光纤电流互感器闭环信号处理技术，而提供一种光纤电流互感器闭环反馈系数稳定方法，该方法可以抑制闭环反馈系数的漂移误差，可以降低对信号处理系统对电子元器件性能的要求。
本发明的技术方案是：
一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法包括以下步骤：
1）将光纤电流互感器的信号处理单元中的光电探测器的数字电压信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；该反馈系数信号处理单元其处理过程是由时序控制部分、数据处理部分、反馈修正部分组成。
2）将光纤电流互感器信号处理单元中的时序控制信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；
3）反馈系数信号处理单元选取光纤电流互感器信号处理单元中的2π相位时序控制信号；
4）反馈系数信号处理单元以2π相位时序控制信号为基准，选取信号处理单元中2π相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号；
5）在反馈系数信号处理单元，对上述步骤（4）中2π相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号值进行对比，产生电压数字量差值；
6）在反馈系数信号处理单元，以上述步骤（5）中的电压数字量差值为误差量，所述反馈系数信号处理单元将误差量传输给光纤电流互感器的信号处理单元，信号处理单元通过相位调制器来修正光纤电流互感器信号处理单元中的反馈回路增益，实现反馈相位精确控制。
本发明的技术效果是：
在现有的光纤电流互感器信号处理过程中，从闭环控制原理出发，构建了反馈控制信号处理系统，整个系统涉及到光电信号处理等方面的子系统，在实际应用中，受温度、器件老化等因素的影响，闭环反馈的系数会发生变化，直接影响到互感器的线性度、可靠性、稳定性；本发明从提高光纤电流互感器反馈系数稳定性的方法入手，通过在光纤电流互感器信号处理过程中引入附加控制单元，优化信号处理方式，控制反馈系数的稳定性，抑制相位漂移，提高闭环反馈调制相位的精度。
附图说明
图1为现有光纤电流互感器结构框图；
图2为本发明一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的系统结构图；
图3为本发明一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
由图1可以看出，光纤电流互感器数字闭环系统主要由光源、耦合器、偏振器、相位调制器、波片、光电探测器、光纤环和信号处理单元组成。
光源发出的光经过耦合器、偏振器、波片后形成为两种圆偏振态的光波，进入光学感应环，这两种圆偏振态的光波在光纤环中传播，感应电力线的电流运动，在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理系统，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使相位调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移，该反馈相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反，使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，信号处理系统通过获取该补偿相移的大小，经过比例因子转换得出电力线的电流信息。
由图2可看出，本发明方法在信号处理单元增加了反馈系数信号处理单元，该反馈系数信号处理单元其处理过程是由时序控制部分、数据处理部分、反馈修正部分连接组成；通过时序控制信号、数字电压信号的综合应用，生成反馈修正信号，来调整相位反馈通道的增益，从而产生准确的控制相位。
本发明的基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法，包括以下步骤：
1）将光纤电流互感器信号处理单元中的光电探测器的数字电压信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；
2）将光纤电流互感器信号处理单元中的时序控制信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；
3）在反馈系数信号处理单元，选取光纤电流互感器信号处理单元中的2π相位时序控制信号；
4）在反馈系数信号处理单元，以2π相位时序控制信号为基准，选取信号处理单元中2π相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号；
5）在反馈系数信号处理单元，对上述步骤（4）中2π相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号值进行对比，产生电压数字量差值；
6）在反馈系数信号处理单元，以上述步骤（5）中的电压数字量差值为误差量，来修正光纤电流互感器信号处理单元中的反馈回路增益，实现反馈相位精确控制。
本发明的原理是：
光纤电流互感器的基本原理就是建立在磁光Farady效应基础上，电流磁场导致光纤中的两束光波产生光程差，进而得出与之相应的磁光Farady相位ΦS：
ΦS=(4NV)×Iout （1）
其中，ΦS为电流磁场引起的Farady效应相位差，N为光纤匝数，V为维尔德系数，Iout为电力线电流量，光纤匝数N、维尔德系数等参数均为定值，因此，电流互感器的输出相移ΦS与输入电流量Iout成正比；光纤电流互感器就是利用磁光Farady效应，通过对光纤环中光束进行相位解调，进而敏感相位的变化来感知外部载体的电流信息。
目前，国内外在光纤电流互感器信号处理方面，均采用数字闭环信号处理技术。数字闭环光纤电流互感器是通过在光纤环中加入非互易的补偿相移，来抵消由光纤环转动产生的磁光Farady相移，该补偿相移与磁光Farady相移大小相等，方向相反，使光纤电流互感器始终工作在相位零点附近，通过获取该补偿相移的大小来得出光纤电流互感器的转速信号。
光纤电流互感器的数字闭环信号处理系统主要由光源、耦合器、集成光学调制芯片（IOC）、波片、光电探测器、光纤环和反射镜组成。光源发出的光经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光；线偏振光以45°角注入保偏光纤，被平均注入保偏光纤的X轴和Y轴传输；当这两束正交模式的光经过λ/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤；在传感光纤中由于传输电流产生磁场Farady效应（法拉第效应，又叫法拉第旋转，是一种磁光效应），两束圆偏振光以不同的速度传输；由传感光纤端面的镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次穿过传导光纤，并再次和电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍；包含Farady相位差的两束光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并在偏振器处发生干涉，干涉光波经过耦合器进入光电探测器，即PIN（Personal IdentificationNumber）探测器。
PIN探测器检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理单元，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使相位调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移，该反馈相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反，使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，光纤电流互感器的信号处理单元通过获取该补偿相移的大小，经过比例因子转换得出电力线的电流信息。
PIN探测器所检测的光波干涉信号I为：
I=I0[1+cos(ΦS+Φf+ΦJ)] （2）
经过光电转换，输出的电压信号为V=KI0[1+cos(ΦS+Φf+ΦJ)]，其中，I0为干涉光波振幅，K为光电转换系数，ΦS为电流信号产生非互易相移，ΦS=(4NV)Iout，Iout为被测电流，Φf为方波产生偏置非互易相移，用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向，ΦJ为阶梯波产生非互易相移，N为光纤匝数，V为维尔德系数。
方波信号在正负半周产生相移为±π/2的偏置相位，阶梯波增量用于补偿外部磁光Farady相移，方波和阶梯波调制信号都加入相位调制器之后，在电流互感器中产生的非互易相移为ΔΦ=ΦS+Φf+ΦJ，在方波的正半周，Φf=π/2，干涉仪的输出信号V1为：
V1=K I0[1-sin(ΦS+ΦJ)] （3）
在方波的负半周，Φf=-π/2，干涉仪的输出信号V2为：
V2=KI0[1+sin(ΦS+ΦJ)] （4）
将方波正半周信号（3）和负半周信号（4）相减可得：
ΔV=-2KI0sin(ΦS+ΦJ) （5）
通过闭环反馈使ΦS=-ΦJ保证ΔV=0，而当ΔV≠0时，便用ΔV作为控制量去控制闭环反馈阶梯波发生器，改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量，该电压增量与光波相移ΦJ成正比关系，通过闭环反馈控制始终使ΦS+ΦJ=0，在数字闭环达到平衡时，阶梯波的阶梯高度增量同所测量的电流成正比，阶梯波高度增量就对应光纤电流互感器输出的电流信号。理想情况下，通过闭环反馈控制，光电探测器PIN检测到的干涉信号为零电平。
在本发明中，在信号处理单元增加了反馈系数信号处理单元，通过比较阶梯波复位前后2π相位和零相位时刻探测器信号的采样值，可以得到复位误差信号，来判断控制相位的电压是否发生漂移；对误差信号积分，该积分信号输出来调整相位反馈通道的增益，从而产生准确的控制相位。
在现有的光纤电流互感器信号处理过程中，从闭环控制原理出发，构建了反馈控制信号处理系统，整个系统涉及到光电信号处理等方面的子系统，在实际应用中，受温度、器件老化等因素的影响，闭环反馈的系数会发生变化，直接影响到互感器的线性度、可靠性、稳定性；本发明从提高光纤电流互感器反馈系数稳定性的方法入手，通过在光纤电流互感器信号处理过程中引入附加控制单元，优化信号处理方式，控制反馈系数的稳定性，抑制相位漂移，提高闭环反馈调制相位的精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法，其特征在于，其方法为：在光纤电流互感器的FPGA/DSP信号处理单元上连接一反馈系数信号处理单元，该反馈系数信号处理单元通过比较阶梯波复位前后2π相位和零相位时刻PIN探测器信号的采样值，得到复位误差信号，来判断控制相位的电压是否发生漂移；对复位误差信号积分，该积分信号输出来调整相位反馈通道的增益，从而产生准确的控制相位；
所述PIN探测器所检测的光波干涉信号为：
I＝I 0[1+cos(ΦS+Φf+ΦJ)] (2)
经过光电转换，输出的电压信号为V＝K I 0[1+cos(ΦS+Φf+ΦJ)]，
其中，K为光电转换系数，ΦS为电流信号产生非互易相移，
ΦS＝(4Nv)I out，I out为被测电流，Φf为方波产生偏置非互易相移，用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向，ΦJ为阶梯波产生非互易相移，N为光纤匝数，v为维尔德系数，I 0为干涉光波振幅。
2.根据权利要求1所述的提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法，其特征在于，其方法具体步骤包括如下：
1)将光纤电流互感器FPGA/DSP信号处理单元中的PIN探测器的数字电压信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；
2)将光纤电流互感器FPGA/DSP信号处理单元中的时序控制信号引出，引出信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连；
3)反馈系数信号处理单元选取光纤电流互感器的FPGA/DSP信号处理单元中的2π相位时序控制信号；
4)反馈系数信号处理单元以2π相位时序控制信号为基准，选取光纤电流互感器的FPGA/DSP信号处理单元中2π相位及相邻的零相位的PIN探测器的数字电压信号；
5)反馈系数信号处理单元对上述步骤4)中2π相位及相邻的零相位的PIN探测器的数字电压信号值进行对比，产生复位误差信号；
6)反馈系数信号处理单元以上述步骤5)中的电压数字量差值为误差量，来修正光纤电流互感器FPGA/DSP信号处理单元中的相位反馈通道增益，实现反馈相位精确控制。
3.根据权利要求2所述的一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法，其特征在于，所述PIN探测器检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理单元，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使电光相位调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移，该反馈补偿相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反，使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，光纤电流互感器的FPGA/DSP信号处理单元通过获取该反馈补偿相移的大小，经过比例因子转换得出电力线的电流信息。
4.根据权利要求2所述的一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法，其特征在于，所述步骤5)中，方波信号在正负半周产生相移为±π/2的偏置相位，阶梯波增量用于补偿外部磁光Farady相移，方波和阶梯波调制信号都加入光纤电流互感器的电光相位调制器之后，在电流互感器中产生的非互易相移为
ΔΦ＝ΦS+Φf+ΦJ，在方波的正半周，Φf＝π/2，干涉仪的输出信号V 1为：
V 1＝KI 0[1-sin(ΦS+ΦJ)] (3)
在方波的负半周，Φf＝-π/2，干涉仪的输出信号V 2为：
V 2＝KI 0[1+sin(ΦS+ΦJ)] (4)
将方波正半周信号(3)和负半周信号(4)相减可得复位误差信号：
ΔV＝-2KI 0sin(ΦS+ΦJ) (5)
通过闭环反馈使ΦS＝-ΦJ保证ΔV＝0，而当ΔV≠0时，便用ΔV作为控制量去控制闭环反馈阶梯波发生器，改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量，该电压增量与阶梯波产生非互易相移ΦJ成正比关系，通过闭环反馈控制始终使ΦS+ΦJ＝0，在数字闭环达到平衡时，阶梯波的阶梯高度增量同所测量的电流成正比，阶梯波高度增量就对应光纤电流互感器输出的电流信号。
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| EP0826971A2 (en) * | 1996-08-30 | 1998-03-04 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Optical current transformer |
| CN1687795A (zh) * | 2005-06-13 | 2005-10-26 | 北京航空航天大学 | 光纤电流互感器及其互感器的闭环检测装置 |
| CN101521104A (zh) * | 2008-11-19 | 2009-09-02 | 南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司 | 一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器 |
| CN102628884A (zh) * | 2012-03-29 | 2012-08-08 | 扬州永阳光电科贸有限公司 | 闭环光纤电流互感器 |
| CN103257266A (zh) * | 2013-04-21 | 2013-08-21 | 国家电网公司 | 一种便携式全绝缘光纤电流检测仪 |
-
2014
- 2014-04-25 CN CN201410169188.2A patent/CN103926457B/zh active Active
Patent Citations (5)
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