CN104237687A - 有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电子式互感器的供能激光器在线寿命直接监测方法，包括如下步骤：(1)判断激光器工作状态；(2)获取激光器工作状态下的工作电流值；(3)异常点处理；(4)低通滤波处理；(5)建立关联模型；(6)评估激光器老化寿命。本发明通过实时采集获取被监测供能激光器所在的合并单元的供电电源的电流值，并结合合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间的关联模型，以实现对供能激光器正常老化寿命的直接在线监测，填补了电子式电流互感器正常老化寿命在线监测技术领域的空白，具有可靠性高，且对环境适用性强，便于移植的优点。

Description

有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法

技术领域

本发明属于智能电网设备在线状态监测领域，更具体地，涉及一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法。

背景技术

随着数字化变电站的发展，电子式互感器被越来越广泛地应用。依照国际电工委员会的标准，电子式互感器可以分为有源式和无源式两种。有源式是指传感头部分采用传统的传感原理，仅利用光纤传输数据的电子式互感器，由于光纤只能够传输数字信号，所以势必要设计相应的电子电路以满足高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换需求，因而也就带来了电路的供能问题，这是有源电子式互感器研究中的难点和关键技术。

对于上述的供能问题，在目前有源电子式互感器方案中应用最广的是采用由CT供能和激光器供能组成的复合供能技术，如图1所示，有源电子式互感器主要由传感元件1、取能元件2、高压侧电路4、供能电路5等组成。合并单元12用于接收有源电子式互感器的信号，并进行处理，发送给后续的测量装置10和继电保护装置11，其内部供能激光器作为互感器供能电源的一部分，可对互感器进行供能。有源电子式互感器有两个供能来源：CT供能电路5和光电池6。当一次母线3电流较大时，由取能元件2从母线3上取能，经过供能电路5整流、滤波、稳压等进行处理后，提供给高压侧电路4所必需的电源。当一次母线3电流较小时，采用激光供能方式，由大功率激光管8通过光纤7将光能传送至高压侧的光电池6，由光电池将光能量转换为电能量，再经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。这种方法既可以避免CT供能的死区问题，也可以降低大功率激光器工作的时间，延长其寿命。

在采用了激光供能的有源电子式互感器应用方案中，由于供能的重要性，对供能激光器状态性能的可靠监测就显得十分重要，尤其是对供能激光器寿命的监测。而对激光器寿命的监测，又分为故障寿命监测和老化寿命监测。

目前，对供能激光器故障寿命监测方面的研究较多，大都是将激光器实际情况下的工作状态与正常工作条件下的工作状态进行比较，以此判断供能激光器是否出现故障。而对供能激光器老化寿命监测方面的研究较少，尚缺乏对环境适用性强、可靠性高的监测方法，现有的技术方案不能直接对激光器老化寿命进行评估，而至多只是间接评估，寿命预测，从而对供能激光器的检修也只能采取故障检修或定期检修，这与用寿命直接评估技术实现状态检修相比，可靠性低，经济性差。因此迫切需要一种能够对激光器老化寿命进行直接监测的技术来实现更为可靠的激光器状态检修。

发明内容

为了克服现有技术对合并单元内部供能激光器的老化寿命不能进行在线直接监测的不足，本发明提供了一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法，该方法可直接在线监测激光器的正常老化寿命，实现了激光器的状态检修。

为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供了一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法，该方法包括如下步骤：

(1)判断供能激光器工作状态

实时采集得到合并单元供电电源的电流值I_i，判断供能激光器工作状态：若I_i-I_c≥I_阈值，则供能激光器开启；若I_i-I_c<I_阈值，则供能激光器关闭，此状态下利用实时采集的供电电源的电流值I_i循环更新I_c直至供能激光器开启，其中，I_c为供能激光器关闭时合并单元供电电源的电流值，I_i为包含n个合并单元供电电源电流值的数据列{I₁、I₂…I_n}，其中，i＝1,2，…n，i为采样点数；供能激光器状态切换引起的电流变化阈值I_阈值＝激光器功率/供电电源电压；

在供能激光器关闭时，用I_i更新合并单元其他电路部分的供电电源电流值I_c，可以克服由合并单元其他电路部分的器件老化导致的功率增大对激光器电路部分功率监测的影响。

(2)获取供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi

依据I_LDi＝I_i-I_c得到供能激光器工作状态下激光器驱动电源的供电电流值I_LDi，即合并单元供电电源电流中对应的供应供能激光器驱动电源部分的电流值；

(3)异常点处理

对经步骤(2)得到的供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi作异点处理，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的有效数据列{I_LD1'、I_LD2'…I_LDn'}；

通过对上述预处理后的电信号数据进行异常点处理，剔除其中的无效工作电流数据值，排除由于受外界环境及电流偶发的异常波动对测量结果造成的干扰，减小粗大误差。

(4)低通滤波处理

采用低通滤波器对所述有效数据列做滤波处理，滤除其中的高频噪声，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的平滑数据列{I_LD1″、I_LD2″…I_LDn″}；

由于激光器的寿命周期较长，而采样率较高，故有效的数据波形应是个缓变波形，其频谱的主要成分为低频分量。故设计IIR数字低通滤波器，滤除高频噪声。

(5)建立关联模型

根据供能激光器驱动电源供电电流的的上升比例为依据关联模型β_n＝α_n，得到供能激光器工作电流的上升比例β_n；

在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立上述的关联模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对激光器工作电流的间接测量，从而对激光器的寿命进行监测。

(6)判断激光器是否处于老化寿命状态

对上述步骤得到的激光器工作电流的上升比例β_n进行逻辑判断：若β_n大于25％，则表示供能激光器的正常工作寿命结束，执行报警操作，否则，表示供能激光器的正常工作寿命未结束。

作为进一步优选地，若供能激光器仍处于正常工作寿命状态，用实时采集的m个新的合并单元电源电流I_i，加入原合并单元电流值数据列，同时去除原合并单元电流值数据列的前m个数据，组成新的合并单元供电电源电流数据列{I_(m+1)、I_(m+2)、…I_(n+m)}，重复步骤(1)－(5)直至检测到激光器处于老化寿命状态。

作为进一步优选地，所述异点处理基于53H算法实现。

作为进一步优选地，所述低通滤波器为IIR数字低通滤波器。

总体而言，本发明在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立关联模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对供能激光器工作电流的间接测量，从而判断供能激光器的运行状态，进而实现对供能激光器正常老化寿命的直接在线监测，填补了电子式电流互感器正常老化寿命直接在线监测的空白，具有可靠性高，环境适用性强，且便于移植的优点。

附图说明

图1是有源电子式互感器复合供能原理图；

图2是供能激光器输出光功率与其驱动电流的关系，其中，曲线a是激光器正常情况下的P-I曲线，曲线b是激光器老化情况下的P-I曲线；

图3是供能激光器驱动电源原理示意图；

图4是本发明的有源电子式互感器的供能激光器老化寿命监测系统示意图；

图5是有源电子式互感器的供能激光器老化寿命监测方法流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-传感元件，2-取能元件，3-高压母线，4-高压侧电路，5-供能电路，6-光电池，7-光纤，8-大功率激光器，9-低压侧电路，10-测量装置，11-继电保护装置，12-合并单元，13-DC-DC电源，14-激光器驱动电源(恒流源)，15-激光二极管，16-直流电源，17-电流传感器，18-电压传感器，19-单片机系统，20-通信总线，21-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实现寿命直接评估的原理是：激光器的工作电流与其输出的光功率之间存在正相关关系。如图2所示，其中曲线1是供能激光器正常情况下的P-I曲线，曲线2是供能激光器老化情况下的P-I曲线。两者之间存在区别是因为，随着供能激光器的使用，由于光化学反应导致谐振腔面劣化等因素，会使得供能激光器的光发射功率降低，阈值电流增加，效率下降。故在恒光功率模式输出的情况下，随着供能激光器的使用，激光器的工作电流会慢慢增大，而当电流过大时，会对供能激光器造成永久性的损坏。故在恒光功率输出的情况下，通过在线监测供能激光器的工作电流实现直接在线监测激光器的寿命。

通常，在工程上，并不容易直接获取激光器的工作电流。若激光器生产产家在激光器工作回路串接有电流传感器，则可根据此传感器的数据进行上述分析。若激光器生产产家在激光器内部未内嵌电流传感器，则可采用机理分析法在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立上述的关联模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对激光器工作电流的间接测量，从而对激光器的寿命进行监测。

建立关联模型的依据：如图3所示为供能激光器驱动电路原理示意图。由于激光二极管15的正向导通电压很稳定，故当供能激光器的工作电流增大x％时，激光器的电功率也会增大x％。由于变电站220V供电电压和激光器负载比较稳定，故有DC-DC电源13与激光器驱动电源(恒流源)14工作性能稳定，其功率转换效率不变，则供能激光器的电功率增大x％时，合并单元供电电源提供给供能激光器电路部分的功率也会增大x％，由于站内220V直流电压比较稳定，则供能激光器驱动电源的供电电流，即合并单元供电电源电流中对应的供应供能激光器驱动电源部分的电流会增大x％。这样便可实现通过直接测量合并单元供电电源电流来间接测量合并单元内部供能激光器的工作电流。

寿命评判标准：标准《Optics and optical instrumments—Lasers andlaser-related equipment—Lifetime of lasers》(ISO 17526-2003)以激光器的工作电流作为寿命评判标准，其表达式为：

$I\left({{\mathrm{\&tau;}}^{\mathrm{APC}}}_{\mathrm{EOL},\mathrm{\&alpha;}}\right)=I_0+\frac{100\%-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&alpha;}}[I_0-I_{\mathrm{th},0}]$

式中，τ^APC _EOL为激光器恒光功率输出(APC)时的寿命(end of life)；I(τ^APC _EOL,α)即为对应的工作电流；I₀为供能激光器恒功率输出时工作电流的初始值；I_th,0为激光器阈值电流的初始值；α为常数，对于大功率半导体激光器，一般取α为80％。

因大功率半导体激光器的I_th,0一般为100mA左右，而工作电流I₀为2A左右，便可知I(τ^APC _EOL,α)≈125％I₀。故可把激光器在正常条件下的工作寿命定义为激光器恒光功率输出时，其工作电流升高25％时对应的时间。

如图5所示，一种有源电子式互感器的功能激光器在线寿命直接监测方法，该方法包括如下步骤：

(1)判断供能激光器工作状态

实时采集得到合并单元供电电源的电流值I_i，判断供能激光器工作状态：若I_i-I_c≥I_阈值，则供能激光器开启；若I_i-I_c<I_阈值，则供能激光器关闭，此状态下利用实时采集的供电电源的电流值I_i循环更新I_c直至供能激光器开启，其中，I_c为供能激光器关闭时合并单元供电电源的电流值，I_i为包含n个合并单元供电电源电流值的数据列{I₁、I₂…I_n}，其中，i＝1,2，…n，i为采样点数；供能激光器状态切换引起的电流变化阈值I_阈值＝激光器功率/供电电源电压；

在供能激光器关闭时，用I_i更新合并单元其他电路部分的供电电源电流值I_c，可以克服由合并单元其他电路部分的器件老化导致的功率增大对激光器电路部分功率监测的影响。

(2)获取供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi

依据I_LDi＝I_i-I_c得到供能激光器工作状态下激光器驱动电源的供电电流值I_LDi，即合并单元供电电源电流中对应的供应供能激光器驱动电源部分的电流值；

(3)异常点处理

对经步骤(2)得到的供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi作异点处理，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的有效数据列{I_LD1'、I_LD2'…I_LDn'}；

本实施例中可采用53H算法进行异点处理，具体步骤如下：

(3.1)首先构造计算数据序列：取x_i＝I_LDi(i＝1，2，…，N+1)；

(3.2)构造一个新序列{x'_i}：取{x_i}中前5个数x₁、x₂…x₅，按大小重新排列为x₍₁₎≤_x(2)≤x₍₃₎≤x₍₄₎≤x₍₅₎，取中位数x₍₃₎，记作x'₃，然后舍去x₁加入x₆，取x₂、x₃、x₄、x₅、x₆的中位数x'₄，依此类推得到N-3个中位数，最后组成相邻5个原始数据的中位数序列{x'_i}(i＝3，4，…，N-1)；

(3.3)用类似的方法从序列{x'i}构成相邻三个数据的中位数序列{x″_i}(i＝4，5，…，N-2)；

(3.4)最后构成序列{x″'_i}：x″'_i＝(x″_i-1/4)+(x″_i/2)+(x″_i+1/4)，(i＝5，6，…，N-3)；

(3.5)设定适当的数值k,若|x_i-x″'_i|＞k，则应剔除x_i,用x″'_i代替，即取x_i＝x″'_i。

(3.6)输出结果数据：令I_LDi'＝x_i(i＝1，2，…，N+1)；

53H算法的关键在于设定合适的k值,若k值取得恰当，算法不会改变序列的特性，出于算法稳定性方面的考虑，在一定范围内选取k值时，平滑的效果不应有太大波动。故可通过采集原始数据，选用不同的k值进行53H算法处理，如以0.01为步长，在[0,1]区间取k值，比较所得的新序列与原序列的均值变化率与方差变化率，由此选择误差最小的k值。

通过对上述预处理后的电信号数据进行异常点处理，排除由于受外界环境及一些不确定因素等的影响，在所得数据中存在的大量无效数据，减小粗大误差。

(4)低通滤波处理

采用低通滤波器对所述有效数据列做滤波处理，滤除其中的高频噪声，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的平滑数据列{I_LD1″、I_LD2″…I_LDn″}；

由于激光器的寿命周期较长，而采样率较高，故有效的数据波形应是个缓变波形，其频谱的主要成分为低频分量。故设计IIR数字低通滤波器，滤除高频噪声。

本实施例中，实现低通滤波的具体步骤如下：

(4.1)将数字滤波器的频率指标{Ω_k}转换为模拟滤波器的频率指标{ω_k}。

(4.2)设计通带截频{ω_p}、通带衰减A_p、阻带截频{ω_s}、阻带衰减A_s的模拟滤波器H(s)。

(4.3)利用双线性变换将模拟滤波器传递函数H(s)转换为数字滤波器传递函数H(z)。

$H\left(z\right)=H\left(s\right){|}_{\text{s=}\frac{21-z-1}{T1+z-1}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j{z}^{-j}}{1+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{z}^{-i}},$

a_i,b_i表示传递函数系数，

(4.4)利用所设计的数字低通滤波器进行数字滤波，即对采样序列{I_LD1'、I_LD2'…I_LDn'}，进行下式计算：

a₁×I_LDn″＝b₁×I_LDn'+b₂×I_LD(n-1)'+…+b_1+nb×I_LD(n-nb)'-a₂×I_LD(n-1)″-…-a_1+na×I_LD(n-na)″

(5)建立关联模型

根据供能激光器驱动电源供电电流的的上升比例为依据关联模型β_n＝α_n，得到供能激光器工作电流的上升比例β_n；

在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立上述的关联模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对激光器工作电流的间接测量，从而对激光器的寿命进行监测。

(6)判断激光器是否处于老化寿命状态

对上述步骤得到的激光器工作电流的上升比例β_n进行逻辑判断：若β_n大于25％，则表示供能激光器的正常工作寿命结束，执行报警操作，否则，表示供能激光器的正常工作寿命未结束。

作为进一步优选地，若供能激光器仍处于正常工作寿命状态，用实时采集的m个新的合并单元电源电流I_i，加入原合并单元电流值数据列，同时去除原合并单元电流值数据列的前m个数据，组成新的合并单元供电电源电流数据列{I_(m+1)、I_(m+2)、…I_(n+m)}，重复步骤(1)－(5)直至检测到激光器处于老化寿命状态。

如图4所示，一种用于实现有源电子式互感器的供能激光器在线寿命直接监测系统，该系统包括：直流电源16，用于给合并单元12供电；电流传感器17，安装于直流电源给合并单元12供电的进线处，以采集合并单元12供电电流信号；电压传感器18，与合并单元12并联连接，用于采集合并单元12供电电压信号；单片机系统19，其信号接口与电流传感器和电压传感器连接，用于接收电压、电流模拟信号，并将其转换为数字信号，通过通信总线20发送给计算机21；计算机21，其连接单片机系统19与合并单元12，接收合并单元供电电压、电流信号数据及母线上的电流信号数据，为监测程序进行寿命监测提供相关数据。供能激光器作为合并单元12的一部分，其工作电源由合并单元12的直流电源16提供。

本系统的传感单元是指电压传感器18、电流传感器17。它们的选取要考虑量程及精度两方面的要求。故必须先结合合并单元12及激光器的功率进行计算，以选择合适的量程及精度，确保能进行有效地测量。例如选择变电站内220V直流供电，则电压测量范围可选为0～250V。根据《国家电网公司物资采购标准》上的说明，合并单元正常工作时，其功率消耗应不大于30W，而激光器的功率一般为10W，则设合并单元除激光器的其他部分功率为20W。取合并单元功率为20～30W(取20W时激光器关闭，取30W时激光器打开工作)，电压220V，计算得电流测量范围为91～136mA,切换激光器引起的电流变化值为45mA。

由于激光二极管正向导通压降很稳定，故当供能激光器的工作电流增大25％时，激光器的电功率也会增大25％。假设DC-DC电源13与激光器驱动电源(恒流源)14工作稳定，其功率转换效率不变，则激光器的电功率增大25％时，合并单元供电电源提供给激光器电路部分的功率也会增大25％，由于站内220V直流电压比较稳定，则对应合并单元供电电源电流会增大25％，即为11.25mA。故可选择LV 25-P型电压传感器，测量准确度为1.5％，CT 0.1-P型电流传感器，测量准确度为1％，即能准确测量1.36mA的电流。

微处理器是单片机系统19的控制核心，可选用具有标准通信接口及自带高精度A/D模块的微处理器，例如TI公司的MSP430系列微处理器，为了保证电流测量的精度，可选用带16位A/D转换器的微处理器。

通信总线20用于单片机系统和监控室内的计算机的数据通信，根据需要可以选择RS232或者RS485等，其中RS485通信距离可达1000米，且采用差分传输方式，具有较强的抗干扰能力。

计算机21提供监测软件运行的硬件平台，运行于计算机上的监测软件用于处理接收到的测量数据，可以使用Labview开发。

最后，在实际应用中，利用变电站内稳定的直流电源16给合并单元12供电，分别用电流传感器17和电压传感器18采集供电电流、电压信号，发送至单片机系统19，进行A/D转换，再将数据用通信总线20发送至计算机21，进行数据处理、分析，以实现对激光器的寿命监测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)判断供能激光器工作状态

实时采集得到合并单元供电电源的电流值I_i，判断供能激光器工作状态：若I_i-I_c≥I_阈值，则供能激光器开启；若I_i-I_c<I_阈值，则供能激光器关闭，此状态下利用实时采集的供电电源的电流值I_i循环更新I_c直至供能激光器开启，其中，I_c为供能激光器关闭时合并单元供电电源的电流值，I_i为包含n个合并单元供电电源电流值的数据列{I₁、I₂…I_n}，其中，i＝1,2，…n，i为采样点数；供能激光器状态切换引起的电流变化阈值I_阈值＝激光器功率/供电电源电压；

(2)获取供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi

依据I_LDi＝I_i-I_c得到供能激光器工作状态下激光器驱动电源的供电电流值I_LDi；

(3)异常点处理

对经步骤(2)得到的供能激光器驱动电源的供电电流值I_LDi作异点处理，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的有效数据列{I_LD1'、I_LD2'…I_LDn'}；

(4)低通滤波处理

采用低通滤波器对所述有效数据列做滤波处理，滤除其中的高频噪声，得到供能激光器驱动电源的供电电流值的平滑数据列{I_LD1″、I_LD2″…I_LDn″}；

(5)建立关系模型

根据供能激光器驱动电源供电电流的上升比例建立关联模型β_n＝α_n，得到供能激光器工作电流的上升比例β_n；

(6)判断供能激光器是否处于老化寿命状态

对上述步骤得到的供能激光器工作电流的上升比例β_n进行逻辑判断：若β_n大于25％，则表示供能激光器的正常工作寿命结束，执行报警操作，否则，表示供能激光器的正常工作寿命未结束。

2.如权利要求1所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，若供能激光器仍处于正常工作寿命状态，用实时采集得到的m个新的合并单元电源电流值I_i，加入原合并单元电流值数据列，同时去除原合并单元电流值数据列的前m个数据，组成新的合并单元电流值数据列{I_(m+1)、I_(m+2)、…I_(n+m)}，重复步骤(1)-(5)直至检测到激光器处于老化寿命状态。

3.如权利要求1所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，所述异点处理基于53H算法实现。

4.如权利要求1或2所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，所述低通滤波器为IIR数字低通滤波器。