CN104133097B - 一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置，包括数字信号处理模块、切换控制模块、驱动电路模块、光源模块、光功率监测与输出模块、光电转换模块以及A/D转换模块；数字信号处理模块通过切换控制模块选通驱动电路模块，驱动电路模块驱动光源模块发出光信号，光信号通过所述光功率监测与输出模块为A、B、C相光纤电流互感器分别提供光功率，同时通过光电转换模块转换为电信号，电信号通过A/D转换模块转换为数字信号输入数字信号处理模块。本发明有效地解决了光源突然失效导致的互感器输出异常，避免了继电保护装置的误动，对于提高光纤电流互感器长期运行的可靠性和稳定性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤电流互感器，具体涉及一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置。
背景技术
电流互感器是电力系统最重要的一次设备之一，其测量准确度和可靠性与电力系统安全、可靠和经济运行密切相关。电流互感器的主要作用包括：将一次高压线路的大电流变换为低压标准电信号，为电能计量及继电保护装置提供电流信息；实现一次设备与二次设备之间的电气隔离，保证工作人员和二次设备的安全。目前，电力系统广泛应用的电流互感器是基于电磁感应原理的电磁式电流互感器，其结构与变压器类似，铁芯上绕有一次、二次绕组，一次绕组串联在电力线路中，二次绕组的外部回路连接二次设备，依靠绕组之间的电磁耦合将电流信号由一次侧传变到二次侧。它的主要优点是结构简单、运行稳定、有长期运行经验。但随着电力工业的发展，电力传输容量的不断增加，电网运行电压等级的不断提高，传统的电流互感器包露出一系列固有的缺陷：绝缘结构复杂、暂态响应能力差、容易引起铁磁谐振、体积庞大、输出信号易受电磁干扰、不能与数字化二次设备直接接口等缺点，难以满足电力系统数字化、网络化、智能化的发展需求。
基于法拉第(Faraday)效应的反射式数字闭环全光纤电流互感器充分利用了Faraday磁光效应的非互易性和外界干扰的互易性，通过检测传感光纤中两束旋向相反的正交圆偏振光之间的相位差来实现一次电流的测量。具有测量精度高、频响范围宽、动态范围大、绝缘性能好、无铁磁谐振、数字化输出、体积小、重量轻等优点，在智能变电站，交、直流输电等领域都有重要应用。
光源是光纤电流互感器的核心器件之一，其特性参数直接影响互感器的性能。光源的宽光谱有利于抑制背向瑞利散射、偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差；平均波长的高稳定性有利于减小互感器的变比误差；高输出功率可以提高互感器对小电流的测量准确度。然而，光源也是光纤电流互感器最薄弱的环节。在光纤电流互感器长期不间断运行的条件下，光源存在输出功率衰减问题，当光功率下降至某一阈值以下时，将产生较大的测量误差，严重影响互感器的测量准确度。因此，有必要对光纤电流互感器的光源进行冗余设计，并对其输出功率进行实时监测，在主用光源失效前及时进行自动切换，启动备用光源，实现光功率的无缝接续。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置，有效地解决了光源突然失效导致的互感器输出异常，避免了继电保护装置的误动，对于提高光纤电流互感器长期运行的可靠性和稳定性具有重要意义。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置，所述装置包括数字信号处理模块、切换控制模块、驱动电路模块、光源模块、光功率监测与输出模块、光电转换模块以及A/D转换模块；数字信号处理模块通过切换控制模块选通驱动电路模块，所述驱动电路模块驱动光源模块发出光信号，所述光信号通过所述光功率监测与输出模块为A、B、C相光纤电流互感器分别提供光功率，同时通过光电转换模块转换为电信号，所述电信号通过A/D转换模块转换为数字信号输入数字信号处理模块。
所述数字信号处理模块为现场可编程门阵列、数字信号处理器、微控制器或单片机；
所述切换控制模块包括串行D/A转换器和多路模拟开关。
所述驱动电路模块包括第一驱动电路和第二驱动电路；所述第一驱动电路包括第一恒流驱动电路和第一温度控制电路，所述第二驱动电路包括第二恒流驱动电路和第二温度控制电路。
所述光源模块包括主用光源和备用光源；所述主用光源和备用光源均采用超辐射发光二极管或掺饵光纤光源。
所述光功率监测与输出模块包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，所述第一耦合器与第二耦合器并联后，与第三耦合器串联。
所述第一耦合器和第二耦合器均为1×2单模耦合器，两者的分束比均为99:1；第三耦合器为2×3单模耦合器，第一耦合器和第二耦合器的输出尾纤中的99％输出端分别与第三耦合器的输入尾纤熔接，1％输出端用于功率监测。
所述光电转换模块包括第一光电转换模块和第二光电转换模块；所述第一光电转换模块包括第一光电探测器和第一前置放大器，所述第二光电转换模块包括第二光电探测器和第二前置放大器；第一光电探测器和第二光电探测器均采用光电二极管或集成组件，所述集成组件包括电流-电压转换电路。
数字信号处理模块输出的数字信号通过串行D/A转换器转换为电压信号，所述电压信号通过第一恒流驱动电路产生驱动电流，驱动主用光源发出光信号；同时数字信号处理模块通过多路模拟开关选通第一温度控制电路产生温控电流，对主用光源进行温度控制；当主用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第一驱动电路产生的驱动电流，提高主用光源的输出功率。
当第一恒流驱动电路产生的驱动电流达到额定值的120％且主用光源的输出功率仍降至额定值的一半及以下时，进行主用光源和备用光源的切换。
数字信号处理模块输出的数字信号通过串行D/A转换器转换为电压信号，所述电压信号通过第二恒流驱动电路产生驱动电流，驱动备用光源发出光信号；同时数字信号处理模块通过多路模拟开关选通第二温度控制电路产生温控电流，对备用光源进行温度控制；当备用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第二驱动电路产生的驱动电流，提高备用光源的输出功率。
当备用光源的驱动电流达到额定值的120％且输出功率降至额定值的一半及以下时，给出报警信号，更换光纤电流互感器的光源模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.可有效解决光源输出功率衰减对光纤电流互感器的影响，避免继电保护装置的勿动，提高光纤电流互感器长期运行的可靠性；
2.采用数控恒流源的方式向光源施加驱动电流，调整的灵活性更强；
3.光源的温度控制采用线性温控方式，避免了PWM温控方式对光纤电流互感器造成的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例中光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置结构框图；
图2是本发明实施例中光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置原理结构图；
图3是本发明实施例中数字信号处理模块电路原理图；
图4是本发明实施例中A/D转换模块电路原理图；
图5是本发明实施例中串行D/A转换器电路原理图；
图6是本发明实施例中多路模拟开关电路原理图；
图7是本发明实施例中主用光源第一恒流驱动电路原理图；
图8是本发明实施例中备用光源第二恒流驱动电路原理图；
图9是本发明实施例中主用光源温度采样电路原理图；
图10是本发明实施例中主用光源第一温度控制电路原理图；
图11是本发明实施例中备用光源温度采样电路原理图；
图12是本发明实施例中备用光源第二温度控制电路原理图；
图13是本发明实施例中主用光源端口接线图；
图14是本发明实施例中备用光源端口接线图；
图15是本发明实施例中第一光电转换模块电路原理图；
图16是本发明实施例中第二光电转换模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和2，本发明提供一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置，所述装置包括数字信号处理模块、切换控制模块、驱动电路模块、光源模块、光功率监测与输出模块、光电转换模块以及A/D转换模块；数字信号处理模块通过切换控制模块选通驱动电路模块，所述驱动电路模块驱动光源模块发出光信号，所述光信号通过所述光功率监测与输出模块为A、B、C相光纤电流互感器分别提供光功率，同时通过光电转换模块转换为电信号，所述电信号通过A/D转换模块转换为数字信号输入数字信号处理模块。
所述数字信号处理模块为现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、微控制器(CPU)或单片机；
所述切换控制模块包括串行D/A转换器和多路模拟开关。
所述驱动电路模块包括第一驱动电路和第二驱动电路；所述第一驱动电路包括第一恒流驱动电路和第一温度控制电路，所述第二驱动电路包括第二恒流驱动电路和第二温度控制电路。
所述光源模块包括主用光源和备用光源；所述主用光源和备用光源均采用超辐射发光二极管(SLD)或掺饵光纤光源。
所述光功率监测与输出模块包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，所述第一耦合器与第二耦合器并联后，与第三耦合器串联。
所述第一耦合器和第二耦合器均为1×2单模耦合器，两者的分束比均为99:1；第三耦合器为2×3单模耦合器，第一耦合器和第二耦合器的输出尾纤中的99％输出端分别与第三耦合器的输入尾纤熔接，1％输出端用于功率监测。
所述光电转换模块包括第一光电转换模块和第二光电转换模块；所述第一光电转换模块包括第一光电探测器和第一前置放大器，所述第二光电转换模块包括第二光电探测器和第二前置放大器；第一光电探测器和第二光电探测器均采用光电二极管或集成组件，所述集成组件包括电流-电压转换电路。
数字信号处理模块输出的数字信号通过串行D/A转换器转换为电压信号，所述电压信号通过第一恒流驱动电路产生驱动电流，驱动主用光源发出光信号；同时数字信号处理模块通过多路模拟开关选通第一温度控制电路产生温控电流，对主用光源进行温度控制；当主用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第一驱动电路产生的驱动电流，提高主用光源的输出功率。
当第一恒流驱动电路产生的驱动电流达到额定值的120％且主用光源的输出功率仍降至额定值的一半及以下时，进行主用光源和备用光源的切换。具体切换过程包括以下步骤：
(1)向备用光源施加温控电流；
(2)向备用光源施加驱动电流，使其输出功率增大到额定值的一半；
(3)主用光源驱动电流调0；
(4)主用光源温控电流调0；
(5)增大备用光源的驱动电流，调整其功率至额定值。
当备用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第二驱动电路产生的驱动电流，提高备用光源的输出功率。
当备用光源的驱动电流达到额定值的120％且输出功率降至额定值的一半及以下时，给出报警信号，更换光纤电流互感器的光源模块。
如图3和4，数字信号处理模块选用Xilinx FPGA芯片XC2V250，A/D转换器选用LTC1283，采用FPGA Bank5的IO口对LTC1283进行控制。具体连接方法为：K4引脚连接LTC1283的片选引脚15，L4引脚连接至串行数据输出时钟引脚18，M4引脚连接至模数转换时钟引脚19，N4引脚连接至串行数据输入引脚17；LTC1283的电压参考由电压基准源MAX873提供，其输入引脚2接+5V电源并由电容C5解耦到地，输出引脚6接LTC1283的参考电压正输入引脚14，同时由电容C11解耦到地，参考电压负输入引脚接地；LTC1283采用双电源供电，引脚20、引脚12分别接+3.3V、-3.3V电源，并分别通过电容C13、C16以及电容C17、C20解耦到地；LTC1283的模拟输入通道0和1分别采集主用光源和备用光源的输出功率，通道3和4分别采集主用和备用光源管芯的温度。
如附图3、5所示，多路D/A转换器选用AD5317，采用FPGA Bank5的IO口对AD5317进行控制。具体连接方法为：L5引脚连接AD5317的帧同步引脚15，K6引脚连接时钟引脚14，L6引脚连接串行数据输入引脚13，M6引脚连接转换启动引脚2，低功耗模式引脚10接+5V高电平，菊花链模式使能引脚9与地引脚12短接后接地，电源引脚3接+5V电源并通过电容C8、C12解耦到地；串行DA的参考2.5V电压由MAX873产生，其输入引脚2接+5V电源并由电容C1解耦到地，输出引脚6接AD5317的参考电压输入引脚7、8，同时由电容C19解耦到地；AD5317的输出引脚4、5分别作为主用光源、备用光源恒流驱动电路的输入。
如附图2、6所示，多路模拟开关选用ADG211A，采用FPGA Bank5的IO口对ADG211A进行控制。管脚具体连接方法为：N6、M7引脚连接模拟开关的控制引脚9、16。主用光源A的温度控制信号由引脚11输入，引脚10输出；备用光源B的温控信号由14引脚输入，15引脚输出；ADG211A采用双电源供电，电源引脚13、4分别接+5V、-5V电源，并分别通过电容C36、C37和C28、C30解耦到地，逻辑电源管脚12接+5V电源。
如附图7、13所示，由运算放大器AD8066和N-MOSFET管IRF540组成的电压-电流变换电路(即第一恒流驱动电路)为主用光源提供驱动电流，AD5317引脚4输出的模拟电压作为控制信号。具体连接方法为：AD5317的引脚4经电阻R1和电容C10组成的低通滤波器后进入AD8066的引脚3，其输出引脚1经电阻R7、电容C18反馈至输入引脚2，同时通过电阻R8、电阻R9、电容C21以及取样电阻R16为IRF540的栅极、源级之间提供驱动电压，取样电阻R16上的电压经AD8066构成的电压跟随器反馈至引脚2。AD8066采用单电源供电，引脚8接+5V电源，引脚4接地，二者之间通过电容C2、C9解耦。IRF540的漏极接主用光源A的引脚5，引脚4接+5V电源，实现主用光源的恒流驱动。
如附图8、14所示，运算放大器AD8066和N-MOSFET管IRF540组成的电压-电流变换电路(即第二恒流驱动电路)为备用光源提供驱动电流，AD5317引脚5输出的模拟电压作为控制信号。具体连接方法为：AD5317的引脚5经电阻R17和电容C29组成的低通滤波器后进入AD8066的引脚3，其输出引脚1经电阻R19、电容C31反馈至输入引脚2，同时通过电阻R24、电阻R27、电容C38以及取样电阻R30为IRF540的栅极、源级之间提供驱动电压，取样电阻R30上的电压经AD8066构成的电压跟随器反馈至引脚2。AD8066采用单电源供电，引脚8接+5V电源，引脚4接地，二者之间通过电容C26、C27解耦。IRF540的漏极接备用光源B的引脚5，引脚4接+5V电源，实现备用光源的恒流驱动。
如附图9、13所示，主用光源管芯的温度主要利用光源内置的热敏电阻来测量，通过桥式电路和仪用差分放大器AD623变为电压信号。具体连接方法为：电压基准MAX873的引脚2接+5V电源，并通过电容C24解耦到地，引脚6的输出通过电容C33解耦到地，为桥式电路提供工作电压。电阻R25与主用光源A的引脚2连接，光源的引脚3接地，此时电阻R25和主用光源内置热敏电阻构成桥式电路的两臂；电阻R20和R21串联于MAX873的引脚6和地之间，构成桥式电路的另外两臂。桥式电路的两个输出端连接AD623的差分输入引脚2和引脚3，电容C34和电阻R28并联后接于引脚1和引脚8之间，共模电压输入引脚5接地。AD623采用双电源供电，电源引脚7、引脚4分别接+5V、-5V电源，并通过电容C39、C40以及电容C43、C44解耦到地，引脚6的输出作为主用光源的温度控制信号，同时接LTC1283的引脚3。
如附图10、13所示，由运算放大器AD8066和对管TIP120、TIP125构成电压-电流变换电路(即第一温度控制电路)驱动主用光源内置的热电制冷器对主用光源管芯的温度进行控制。具体接线方法为：模拟开关ADG2112A的引脚10经电阻R31后接AD8066的引脚3，其输出引脚1通过电容C51反馈至输入引脚2，同时通过电阻R32接地；ADG2112A的引脚10、AD8066的输出引脚1分别通过电阻R35、R37接AD8066的输入引脚6，输入引脚5接地，输出引脚7通过电阻R41驱动标号为V5、V6的三极管TIP120和TIP125的基极，它们的发射极均接地，集电极分别通过电阻R43、R44接+5V电源和-5V电源；三极管V4的集电极通过电阻R47驱动三极管V11的基极，三极管V6的集电极通过电阻R48驱动三极管V9的基极，三极管V11、V9的集电极发射极分别接+5V电源和-5V电源，它们的集电极短接在一起，通过电阻R39反馈至AD8066的输入引脚6，同时通过电阻R51接主用光源的引脚1，并将备用光源的引脚2接地，实现备用光源内部制冷器的驱动。
如附图11、14所示，备用光源管芯的温度主要利用光源内置的热敏电阻来测量，通过桥式电路和仪用差分放大器AD623变为电压信号。具体连接方法为：电压基准MAX873的引脚2接+5V电源，并通过电容C25解耦到地，引脚6的输出通过电容C32解耦到地，为桥式电路提供工作电压。电阻R26与备用光源B的引脚2连接，光源的引脚3接地，此时电阻R26和备用光源内置热敏电阻构成桥式电路的两臂；电阻R22和R23串联于MAX873的引脚6和地之间，构成桥式电路的另外两臂。桥式电路的两个输出端连接AD623的差分输入引脚2和引脚3，电容C35和电阻R29并联后接于引脚1和引脚8之间，共模电压输入引脚5接地。AD623采用双电源供电，电源引脚7、引脚4分别接+5V、-5V电源，并通过电容C41、C42以及电容C45、C46解耦到地，引脚6的输出作为备用光源的温度控制信号，同时接LTC1283的引脚4。
如附图12、14所示，由运算放大器AD8066和对管TIP120、TIP125构成电压-电流变换电路(即第二温度控制电路)驱动主用光源内置的热电制冷器对备用光源管芯的温度进行控制。具体接线方法为：模拟开关ADG2112A的引脚15经电阻R33后接AD8066的引脚3，其输出引脚1通过电容C52反馈至输入引脚2，同时通过电阻R34接地；ADG2112A的引脚15、AD8066的输出引脚1分别通过电阻R36、R38接AD8066的输入引脚6，输入引脚5接地，输出引脚7通过电阻R42驱动标号为V7、V8的三极管TIP120和TIP125的基极，它们的发射极均接地，集电极分别通过电阻R45、R46接+5V电源和-5V电源；三极管V7的集电极通过电阻R49驱动三极管V12的基极，三极管V8的集电极通过电阻R50驱动三极管V10的基极，三极管V12、V10的集电极发射极分别接+5V电源和-5V电源，它们的集电极短接在一起，通过电阻R40反馈至AD8066的输入引脚6，同时通过电阻R52接备用光源的引脚1，并将备用光源的引脚2接地，实现备用光源内部制冷器的驱动。
如附图15所示，通过光电二极管PDS143(即第一光电探测器)和运算放大器AD8066(即第一前置放大器)构成的电流-电压转换电路(第一光电转换模块)实现主用光源输出功率的监测。具体接线方法为：PDS143工作在反向偏置状态，引脚1接+5V电源，引脚3接地，引脚2接AD8066的输入引脚2，其输出引脚1通过电阻R5、电容C14反馈至输入引脚2，输入引脚3通过电阻R2接地；AD8066的输出引脚1经电阻R11接输入引脚6，输入引脚5通过电阻R10接地，输出引脚7通过电阻R14、电容C22反馈至输入引脚6，同时接多路串行A/D转换器LTC1283的引脚1；AD8066采用双电源供电，其电源引脚8和引脚4分别接+5V和-5V电源，并分别通过电容C3、C6解耦至地。
如附图16所示，通过光电二极管PDS143(第二光电探测器)和运算放大器AD8066(第二前置放大器)构成的电流-电压转换电路(第二光电转换模块)实现主用光源输出功率的监测。具体接线方法为：PDS143工作在反向偏置状态，引脚1接+5V电源，引脚3接地，引脚2接AD8066的输入引脚2，其输出引脚1通过电阻R6、电容C15反馈至输入引脚2，输入引脚3通过电阻R3接地；AD8066的输出引脚1经电阻R13接输入引脚6，输入引脚5通过电阻R12接地，输出引脚7通过电阻R15、电容C23反馈至输入引脚6，同时接多路串行A/D转换器LTC1283的引脚2；AD8066采用双电源供电，其电源引脚8和引脚4分别接+5V和-5V电源，并分别通过电容C4、C7解耦至地。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种光纤电流互感器双光源冗余配置及自动切换装置，其特征在于：所述装置包括数字信号处理模块、切换控制模块、驱动电路模块、光源模块、光功率监测与输出模块、光电转换模块以及A/D转换模块；数字信号处理模块通过切换控制模块选通驱动电路模块，所述驱动电路模块驱动光源模块发出光信号，所述光信号通过所述光功率监测与输出模块为A、B、C相光纤电流互感器分别提供光功率，同时经过所述光功率监测与输出模块的光信号通过光电转换模块转换为电信号，所述电信号通过A/D转换模块转换为数字信号输入数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块为现场可编程门阵列、数字信号处理器、微控制器或单片机；
所述切换控制模块包括串行D/A转换器和多路模拟开关；
所述驱动电路模块包括第一驱动电路和第二驱动电路；所述第一驱动电路包括第一恒流驱动电路和第一温度控制电路，所述第二驱动电路包括第二恒流驱动电路和第二温度控制电路；
所述光源模块包括主用光源和备用光源；所述主用光源和备用光源均采用超辐射发光二极管或掺饵光纤光源；
所述光功率监测与输出模块包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，所述第一耦合器与第二耦合器并联后，与第三耦合器串联；
所述第一耦合器和第二耦合器均为1×2单模耦合器，两者的分束比均为99:1；第三耦合器为2×3单模耦合器，第一耦合器和第二耦合器的输出尾纤中的99％输出端分别与第三耦合器的输入尾纤熔接，1％输出端用于功率监测；
所述光电转换模块包括第一光电转换模块和第二光电转换模块；所述第一光电转换模块包括第一光电探测器和第一前置放大器，所述第二光电转换模块包括第二光电探测器和第二前置放大器；第一光电探测器和第二光电探测器均采用光电二极管或集成组件，所述集成组件包括电流-电压转换电路；
数字信号处理模块输出的数字信号通过串行D/A转换器转换为电压信号，所述电压信号通过第一恒流驱动电路产生驱动电流，驱动主用光源发出光信号；同时数字信号处理模块通过多路模拟开关选通第一温度控制电路产生温控电流，对主用光源进行温度控制；当主用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第一驱动电路产生的驱动电流，提高主用光源的输出功率；
当第一恒流驱动电路产生的驱动电流达到额定值的120％且主用光源的输出功率仍降至额定值的一半及以下时，进行主用光源和备用光源的切换；
数字信号处理模块输出的数字信号通过串行D/A转换器转换为电压信号，所述电压信号通过第二恒流驱动电路产生驱动电流，驱动备用光源发出光信号；同时数字信号处理模块通过多路模拟开关选通第二温度控制电路产生温控电流，对备用光源进行温度控制；当备用光源的输出功率下降至额定值的一半及以下时，由数字信号处理模块通过串行D/A转换器，增大第二驱动电路产生的驱动电流，提高备用光源的输出功率；
当备用光源的驱动电流达到额定值的120％且输出功率降至额定值的一半及以下时，给出报警信号，更换光纤电流互感器的光源模块。
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