CN104779580A - 一种光差动保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光差动保护装置，包括光信号产生单元、第一耦合器、第二耦合器、第一集成光学单元、第二集成光学单元、第一传感光纤、第二传感光纤、第一单模光纤、第一反射镜、第三传感光纤、第四传感光纤、第二单模光纤、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、调制解调模块和保护逻辑判断模块。本发明通过传感光纤将载流导体中电流转换为两束偏振光相位差信息，通过设置传感光纤位置、绕向、匝数，直接在光路层实现构成差动保护所需的动作电流和制动电流测量。利用传感光纤在光路层面实现构成差动保护所需的动作电流和制动电流光运算，同时通过选择不同特性的传感光纤和设置传感光纤匝数实现比率制动，有利于简化差动保护动作判据。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地，涉及一种光差动保护装置。
背景技术
目前，电力系统中的差动保护装置一般都是通过常规电磁式电流互感器采集电流信息，通过通信光纤传输保护区间两侧电流信息，继电保护装置获得保护区间两侧电流信息构成差动保护。但是常规电磁式电流互感器存在磁饱和、测量频带窄等问题，同时需要相应算法保证采样同步。现有技术依据具有差动运算功能的光学电流互感器构成光差动保护但需要解算出差动电流和制动电流，再通过设置合理动作比率构成保护判据。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无须采样同步，不用解算差动电流和制动电流的光差动保护装置；该光差动保护装置利用传感光纤在光路层面实现构成差动保护所需的动作电流和制动电流光运算，同时通过选择不同特性的传感光纤和设置传感光纤匝数实现比率制动，有利于简化差动保护动作判据。
本发明提供了一种光差动保护装置，包括光信号产生单元、第一耦合器、第二耦合器、第一集成光学单元、第二集成光学单元、第一传感光纤、第二传感光纤、第一单模光纤、第一反射镜、第三传感光纤、第四传感光纤、第二单模光纤、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、调制解调模块和保护逻辑判断模块；所述光信号产生单元的第一输出端与所述第一耦合器的第一端口A连接，所述光信号产生单元的第二输出端与所述第二耦合器的第一端口A连接；所述第一耦合器的第二端口B与第一集成光学单元的一端连接，第一耦合器的第三端口C与所述第一光电探测器的输入端连接；所述第二耦合器的第二端口B与所述第二集成光学单元的一端连接，所述第二耦合器的第三端口C与所述第二光电探测器的输入端连接；所述第一集成光学单元的另一端与所述第一传感光纤的一端连接；所述第一传感光纤的另一端与所述第一单模光纤的一端连接；所述第一单模光纤的另一端与所述第二传感光纤的一端连接；所述第二传感光纤的另一端与所述第一反射镜连接；所述第二集成光学单元的另一端与所述第三传感光纤的一端连接；所述第三传感光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端连接；所述第二单模光纤的另一端与所述第四传感光纤的一端连接；第四传感光纤的另一端与第二反射镜连接；第一光电探测器的输出端与所述调制解调模块的第一输入端连接；所述第二光电探测器的输出端与所述调制解调模块的第二输入端连接；所述调制解调模块的输出端与所述保护逻辑判断模块连接。
更进一步地，工作时，所述第一传感光纤、所述第二传感光纤分别以正绕向设置在待保护单元两侧，所述第三传感光纤以正绕向设置在与所述第一传感光纤相同位置，所述第四传感光纤以负绕向设置在与所述第二传感光纤相同位置；其中，由保护安装处指向待保护单元方向顺时针绕向为正、逆时针绕向为负。
更进一步地，所述第一传感光纤与所述第二传感光纤的匝数相等；所述第三传感光纤与所述第四传感光纤的匝数相等。
更进一步地，光差动保护比例制动系数K＝N1V1/N2V2，其中N1为所述第一传感光纤的匝数，N2为所述第三传感光纤的匝数，V1为所述第一传感光纤的Verdet常数，V2为所述第三传感光纤的Verdet常数，K的取值范围为0～1。
更进一步地，第一集成光学单元和第二集成光学单元结构相同，所述第一集成光学单元包括依次连接在所述第一耦合器的第二端口B与所述第一传感光纤的一端之间的起偏器、集成相位调节单元、延迟光纤和1/4波片。
更进一步地，保护逻辑判断模块包括：动作量计算单元，其输入端与所述调制解调单元的第一输出端连接，用于根据所述调制解调单元输出的第一数字解调信号Sr获得动作量X＝|Sr|；制动量计算单元，其输入端与所述调制解调单元的第二输出端连接，用于根据所述调制解调单元输出的第二数字解调信号获得制动量Y＝|Sres|；以及判定单元，用于将动作量X与预设的动作量定值Z和制动量Y进行比较，当X>Z且X>Y时则判定为所述待保护单元内部故障；否则判定为所述待保护单元外部故障。
其中，所述动作量定值Z＝LIN，IN为流过待保护单元的额定电流幅值；L为比例系数，比例系数L取值范围为0.05～2。
本发明提供的光差动保护装置具有以下优点：(1)采用传感光纤Faraday磁光效应测量电流有效克服传统电磁式互感器磁饱和、频带窄的问题，提升对暂态电流响应能力；(2)采用传感光纤Faraday磁光效应可以通过设置传感光纤匝数灵活调整动作比率实现比例制动；(3)直接在光路层实现差动保护的动作量和制动量测量，无需被保护系统双端精确对时；(4)无需结算出差动电流和制动电流，直接利用调制解调模块输出数字解调信号进行保护逻辑判断，简化数字信号处理过程，提升差动保护动作速度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光差动保护装置的结构示意图；
图2是本发明中集成光学单元的结构示意图；
图3是本发明中保护逻辑判断模块的结构示意图；
图4是本发明的使用状态示意图；其中F1、F2、F3为不同故障点位置。
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。
本发明提供的光差动保护装置包括：光信号产生单元1、第一耦合器2a、第二耦合器2b、第一集成光学单元3a、第二集成光学单元3b、第一传感光纤4a、第二传感光纤4b、第一单模光纤5、第一反射镜6、第三传感光纤7a、第四传感光纤7b、第二单模光纤8、第二反射镜9、第一光电探测器11a、第二光电探测器11b、调制解调模块12和保护逻辑判断模块13；其中，光信号产生单元1的第一输出端与第一耦合器2a的第一端口A连接，光信号产生单元1的第二输出端与第二耦合器2b的第一端口A连接；第一耦合器2a的第二端口B与第一集成光学单元3a连接，第一耦合器2a的第三端口C与第一光电探测器11a输入端连接；第二耦合器2b的第二端口B与第二集成光学单元3b连接，第二耦合器2b的第三端口C与第二光电探测器11b输入端连接；第一集成光学单元3a另一端与第一传感光纤4a连接；第一传感光纤4a另一端与第一单模光纤5连接；第一单模光纤5另一端与第二传感光纤4b连接；第二传感光纤4b另一端与第一反射镜6连接；第二集成光学单元3b另一端与第三传感光纤7a连接；第三传感光纤7a另一端与第二单模光纤8连接；第二单模光纤8另一端与第四传感光纤7b连接；第四传感光纤7b另一端与第二反射镜9连接；第一光电探测器11a输出端与调制解调模块12第一输入端连接；第二光电探测器11b输出端与调制解调模块12第二输入端连接；调制解调模块12输出端与保护逻辑判断模块13连接。
规定由保护安装处指向待保护单元10方向顺时针绕向为正、逆时针绕向为负，第一传感光纤4a、第二传感光纤4b分别以正绕向设置在待保护单元10两侧，第三传感光纤7a以正绕向设置在与第一传感光纤4a相同位置，第四传感光纤7b以负绕向设置在与第二传感光纤4b相同位置。为保证第一传感光纤4a与第三传感光纤7a感应流入待保护单元10一侧的电流相同，要求第一传感光纤4a与第三传感光纤7a设置在相同位置；为保证第二传感光纤4b与第四传感光纤7b感应流入待保护单元10另一侧的电流相同，要求所述第二传感光纤4b与第四传感光纤7b设置在相同位置。通过传感光纤Faraday磁光效应测量电流有效克服传统电磁式互感器磁饱和、频带窄的问题，能够提升对暂态电流响应能力。
第一传感光纤4a、第二传感光纤4b匝数相等均为N1，第一传感光纤4a、第二传感光纤4b的Verdet常数均为V1；第三传感光纤7a、第四传感光纤7b匝数相等均为N2，第三传感光纤7a、第四传感光纤7b的Verdet常数均为V2。
由待保护单元10特性设置光差动保护比例制动系数为K，K＝N1V1/N2V2，K根据待保护单元10的特性确定，可在0～1之间选择。通过选择传感光纤匝数和Verdet常数可以灵活设置光差动保护比例制动系数。
第一集成光学单元3a与第二集成光学单元3b结构相同。如图2所示，为第一集成光学单元3a的原理框图，包括起偏器3a1、集成相位调节单元3a2、延迟光纤3a3、1/4波片3a4。第一耦合器2a的第二端口B与起偏器3a1连接；起偏器3a1另一端与集成相位调节单元3a2连接；集成相位调节单元3a2的另一端与延迟光纤3a3连接；延迟光纤3a3的另一端与1/4波片3a4连接；1/4波片3a4的另一端与第一传感光纤4a连接。第一耦合器2a的第二端口B输入的光信号通过起偏器3a1成为两束正交线偏振光；两束正交线偏振光经过集成相位调节单元3a2相位调节后分别沿延迟光纤3a3的快轴和慢轴传输；经过1/4波片3a4成为初始相位一致的左旋和右旋圆偏振光进入第一传感光纤4a。经过第一反射镜6反射两束圆偏振光经过第二传感光纤4b、第二单模光纤8、第一传感光纤4a；通过第一1/4波片3a4恢复成为两束正交线偏振光；分别沿第一延迟光纤3a3的快轴和慢轴传输至相位调制单元3a2再次进行相位调制后在所述第一起偏器3a1处发生干涉后经第一耦合器2a进入第一光电探测器11a。
光信号产生单元1发出功率相同的两束光Pom和Pon，第一束光Pom传输至第一耦合器2a，通过第一集成光学单元3a变成初始相位一致的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时进入第一传感光纤4a；由于第一传感光纤4a内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第一传感光纤4a中会以不同速度传输从而产生相位差，两束圆偏振光通过第一单模光纤5传输至第二传感光纤4b；由于第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在所述第二传感光纤4b中会以不同速度传输从而再次产生相位差，第二传感光纤4b尾部装设所述第一反射镜6，两束圆偏振光经所述第一反射镜6反射后偏振模式互换(即左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光)再次穿过第二传感光纤4b，经过第一单模光纤5传输至第一传感光纤4a，再次穿过第一传感光纤4a，因而由第一传感光纤4a、第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；两束圆偏振光再次通过所述第一集成光学单元3a发生干涉后，经第一耦合器2a进入第一光电探测器11a；调制解调模块12根据光强变化解调出两束光相位差信息传输至保护逻辑判断模块13。
第二束光Pon传输至第二耦合器2b，通过第二集成光学单元3b变成初始相位一致的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时进入第三传感光纤7a；由于第三传感光纤7a内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第三传感光纤7a中会以不同速度传输从而产生相位差，两束圆偏振光通过第二单模光纤8传输至第四传感光纤7b；由于第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第四传感光纤7b中会以不同速度传输从而再次产生相位差，第四传感光纤7b尾部装设所述第二反射镜9，两束圆偏振光经第二反射镜9反射后偏振模式互换(即左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光)再次穿过第四传感光纤7b，经过第二单模光纤8传输至第三传感光纤7a，再次穿过第三传感光纤7a；因而由第三传感光纤7a、第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；两束圆偏振光再次通过所述第二集成光学单元3b发生干涉后，经第二耦合器2b进入第二光电探测器11b；调制解调模块12根据光强变化解调出两束光相位差信息传输至保护逻辑判断模块13。
保护逻辑判断模块13将解调后的数字信号与预设值进行比较，实现对待保护单元10内部和外部故障的判断。
第一传感光纤4a感应流入待保护单元10一侧的第一电流i1，在第一传感光纤4a中两束圆偏振光产生与第一电流i1大小成比例的第一次相位差；产生第一次相位差的两束圆偏振光经第一单模光纤5传输至第二传感光纤4b；第二传感光纤4b感应流入待保护单元10另一侧的第二电流i2，在第二传感光纤4b中第一次产生相位差的两束圆偏振光产生与第二电流i2大小成比例的第二次相位差；经过第一反射镜6反射后两束圆偏振光偏振模式互换再次穿过第二传感光纤4b、第一传感光纤4a，因而由所述第一传感光纤4a、第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；由于第一传感光纤4a、第二传感光纤4b分别以正绕向设置在待保护单元10两侧，故两束线偏振光在第一集成光学单元3a处发生干涉后经第一耦合器2a到达第一光电探测器11a时，两束线偏振光相位差与电流i1、i2关系为：式中：V1为第一传感光纤4a、第二传感光纤4b的Verdet常数；N1为所述第一传感光纤4a、第二传感光纤4b匝数。
第三传感光纤7a感应流入待保护单元10一侧的第一电流i1，在第三传感光纤7a中两束圆偏振光产生与第一电流i1大小成比例的第一次相位差；产生第一次相位差的两束圆偏振光经所述第二单模光纤8传输至第四传感光纤7b；第四传感光纤7b感应流入待保护单元10另一侧流过的第二电流i2，在所述第四传感光纤7b中第一次产生相位差的两束圆偏振光产生与第二电流i2大小成比例的第二次相位差；经过所述第二反射镜9反射后两束圆偏振光偏振模式互换再次穿过第四传感光纤7b、第三传感光纤7a，因而由第三传感光纤7a、第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；由于所述第三传感光纤7a以正绕向设置在与所述第一传感光纤4a相同位置，所述第四传感光纤7b以负绕向设置在与所述第二传感光纤4b相同位置，故两束线偏振光在所述第二集成光学单元3b处发生干涉后经过所述第二耦合器2b到达所述第二光电探测器11b时，两束线偏振光相位差与电流i1、i2关系为：式中：V2为第三传感光纤7a、第四传感光纤7b的Verdet常数；N2为所述第三传感光纤7a、第四传感光纤7b匝数。直接在光路层实现差动保护的动作电流和制动电流测量，无需被保护系统双端精确对时。
调制解调模块12包括第一前置运算放大器、第二前置运算放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、数字信号处理单元、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第一后置运算放大器、第二后置运算放大器；所述第一光电探测器11a输出端与所述第一前置运算放大器连接，所述第一前置运算放大器输出连接第一A/D转换器，所述第一A/D转换器输出连接所述数字处理单元，所述数字处理单元输出连接所述第一D/A转换器，所述第一D/A转换器通过所述第一后置运算放大器连接所述第一集成光学单元，完成对进入所述第一集成光学单元两束线偏振光相位调制；所述第二光电探测器11b输出端与所述第二前置运算放大器连接，所述第二前置运算放大器输出连接所述第二A/D转换器，所述第二A/D转换器输出连接所述数字处理单元，所述数字处理单元输出连接所述第二D/A转换器，所述第二D/A转换器通过所述第二后置运算放大器连接所述第二集成相位调制单元，完成进入所述第二集成相位调制单元两束线偏振光相位调制。
相位调制解调模块12通过方波调制，调制方波由数字信号处理单元产生，作用于第一集成光学单元3a使得两束线偏振光分别产生相位偏置，由于第一光电探测器11a输出是淹没于强噪声中的弱信号，利用信号和噪声不相关采用相关解调技术提取信号，并对方波调制信号进行正、负半周相减，得到第一数字解调信号为：Sr＝0.5P0sin[4N1V1(i1+i2)]；
相位调制解调模块12通过方波调制，调制方波由数字信号处理单元产生，作用于第二集成光学单元3b使得两束线偏振光分别产生相位偏置，由于第二光电探测器11b输出是淹没于强噪声中的弱信号，利用信号和噪声不相关采用相关解调技术提取信号，并对方波调制信号进行正、负半周相减，得到第二数字解调信号为：Sres＝0.5P0sin[4N2V2(i1-i2)]；
作用于第一集成光学单元3a、第二集成光学单元3b的调制方波相同，相关解调过程相同。
调制解调模块12输出第一数字解调信号Sr、第二数字解调信号Sres至所述保护逻辑判断模块13。保护逻辑判断模块13包括动作量计算单元13a、制动量计算单元13b、以及判定单元13c。
动作量计算单元13a获得所述第一数字解调信号计算得到的动作量X为：X＝|Sr|；所述制动量计算单元13b获得所述第二数字解调信号计算得到的制动量Y为：Y＝|Sres|。
判定单元13c将动作量X与预设的动作量定值Z以及动作量X与制动量Y进行比较，如果X>Z且X>Y则判定故障为所述待保护单元10内部故障；否则判定故障为所述待保护单元10外部故障。预设动作量定值Z＝LIN，IN为流过待保护单元的额定电流幅值；L为比例系数，比例系数L取值范围为0.05～2。
无需结算出差动电流和制动电流，直接利用调制解调模块输出数字解调信号进行保护逻辑判断，简化数字信号处理过程，提升差动保护动作速度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)采用传感光纤Faraday磁光效应测量电流有效克服传统电磁式互感器磁饱和、频带窄的问题，提升对暂态电流响应能力；(2)采用传感光纤Faraday磁光效应可以通过设置传感光纤匝数灵活调整动作比率实现比例制动；(3)直接在光路层实现差动保护的动作量和制动量测量，无需被保护系统双端精确对时；(4)无需结算出差动电流和制动电流，直接利用调制解调模块输出数字解调信号进行保护逻辑判断，简化数字信号处理过程，提升差动保护动作速度。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的光差动保护装置，现在结合附图4及具体实例详述如下：
在本发明实施例中，待保护单元10为输电线路，第一耦合器采用第一光纤耦合器，第二耦合器采用第二光纤耦合器。光差动保护装置包括光信号产生单元1、第一光纤耦合器2a、第二光纤耦合器2b、第一集成光学单元3a、第二集成光学单元3b、第一传感光纤4a、第二传感光纤4b、第一单模光纤5、第一反射镜6、第三传感光纤7a、第四传感光纤7b、第二单模光纤8、第二反射镜9、第一光电探测器11a、第二光电探测器11b、调制解调模块12和保护逻辑判断模块13；其中光信号产生单元1的第一输出端与第一光纤耦合器2a的第一端口A连接，光信号产生单元1的第二输出端与第二光纤耦合器2b的第一端口A连接；第一光纤耦合器2a的第二端口B与第一集成光学单元3a连接，第一光纤耦合器2a的第三端口C与第一光电探测器11a输入端连接；第二光纤耦合器2b的第二端口B与第二集成光学单元3b连接，第二光纤耦合器2b的第三端口C与第二光电探测器11b输入端连接；第一集成光学单元3a另一端与第一传感光纤4a连接；第一传感光纤4a另一端与第一单模光纤5连接；第一单模光纤5另一端与第二传感光纤4b连接；第二传感光纤4b另一端与第一反射镜6连接；第二集成光学单元3b另一端与第三传感光纤7a连接；第三传感光纤7a另一端与第二单模光纤8连接；第二单模光纤8另一端与第四传感光纤7b连接；第四传感光纤7b另一端与第二反射镜9连接；第一光电探测器11a输出端与调制解调模块12第一输入端连接；第二光电探测器11b输出端与调制解调模块12第二输入端连接；调制解调模块12输出端与保护逻辑判断模块13连接。
在本发明实施例中，规定由母线指向输电线路方向顺时针绕向为正、逆时针绕向为负，所述第一传感光纤4a、第二传感光纤4b分别以正绕向设置在输电线路两侧，所述第三传感光纤7a以正绕向设置在与所述第一传感光纤4a相同位置，所述第四传感光纤7b以负绕向设置在与所述第二传感光纤4b相同位置。为保证所述第一传感光纤4a与第三传感光纤7a感应流入输电线路10一侧的电流相同，要求所述第一传感光纤4a与第三传感光纤7a设置在相同位置；为保证所述第二传感光纤4b与第四传感光纤7b感应流入输电线路10另一侧的电流相同，要求所述第二传感光纤4b与第四传感光纤7b设置在相同位置。通过传感光纤Faraday磁光效应测量电流有效克服传统电磁式互感器磁饱和、频带窄的问题，能够提升对暂态电流响应能力。
所述第一传感光纤4a、第二传感光纤4b匝数相等均为N1，所述第一传感光纤4a、第二传感光纤4b的Verdet常数均为V1；所述第三传感光纤7a、第四传感光纤7b匝数相等均为N2，所述第三传感光纤7a、第四传感光纤7b的Verdet常数均为V2。
在本发明实施例中，由输电线路10设置光差动保护比例制动系数为K，令N1V1/N2V2＝K，K根据输电线路10的电压等级确定，可在0～1之间选择。通过选择传感光纤匝数和Verdet常数可以灵活设置光差动保护比例制动系数。
在本发明实施例中，所述第一集成光学单元3a与第二集成光学单元3b结构相同。如图2所示，为所述第一集成光学单元3a的原理框图，包括起偏器3a1、集成相位调节单元3a2、延迟光纤3a3、1/4波片3a4。第一光纤耦合器2a的第二端口B与起偏器3a1连接；起偏器3a1另一端与集成相位调节单元3a2连接；集成相位调节单元3a2的另一端与延迟光纤3a3连接；延迟光纤3a3的另一端与1/4波片3a4连接；1/4波片3a4的另一端与第一传感光纤4a连接。第一光纤耦合器2a的综合端输入的光信号通过起偏器3a1成为两束正交线偏振光；两束正交线偏振光经过集成相位调节单元3a2相位调节后分别沿延迟光纤3a3的快轴和慢轴传输；经过1/4波片3a4成为初始相位一致的左旋和右旋圆偏振光进入第一传感光纤4a。经过第一反射镜6反射两束圆偏振光经过第二传感光纤4b、第二单模光纤8、第一传感光纤4a；通过第一1/4波片3a4恢复成为两束正交线偏振光；分别沿第一延迟光纤3a3的快轴和慢轴传输至相位调制单元3a2再次进行相位调制后在所述第一起偏器3a1处发生干涉后经第一光纤耦合器2a进入第一光电探测器11a。
在本发明实施例中，光信号产生单元1发出功率相同的两束光Pom和Pon，第一束光Pom传输至第一光纤耦合器2a，通过所述第一集成光学单元3a变成初始相位一致的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时进入第一传感光纤4a；由于第一传感光纤4a内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第一传感光纤4a中会以不同速度传输从而产生相位差，两束圆偏振光通过第一单模光纤5传输至所述第二传感光纤4b；由于第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在所述第二传感光纤4b中会以不同速度传输从而再次产生相位差，第二传感光纤4b尾部装设第一反射镜6，两束圆偏振光经第一反射镜6反射后偏振模式互换(即左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光)再次穿过第二传感光纤4b，经过第一单模光纤5传输至第一传感光纤4a，再次穿过第一传感光纤4a，因而由第一传感光纤4a、第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；两束圆偏振光再次通过第一集成光学单元3a发生干涉后，经第一光纤耦合器2a进入第一光电探测器11a；调制解调模块12根据光强变化解调出两束光相位差信息传输至保护逻辑判断模块13。
第二束光Pon传输至所述第二光纤耦合器2b，通过所述第二集成光学单元3b变成初始相位一致的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时进入所述第三传感光纤7a；由于第三传感光纤7a内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第三传感光纤7a中会以不同速度传输从而产生相位差，两束圆偏振光通过第二单模光纤8传输至第四传感光纤7b；由于第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应，两束圆偏振光在第四传感光纤7b中会以不同速度传输从而再次产生相位差，第四传感光纤7b尾部装设第二反射镜9，两束圆偏振光经所述第二反射镜9反射后偏振模式互换(即左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光)再次穿过所述第四传感光纤7b，经过第二单模光纤8传输至第三传感光纤7a，再次穿过第三传感光纤7a；因而由第三传感光纤7a、第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；两束圆偏振光再次通过第二集成光学单元3b发生干涉后，经第二光纤耦合器2b进入第二光电探测器11b；调制解调模块12根据光强变化解调出两束光相位差信息传输至保护逻辑判断模块13。
在本发明实施例中，规定第一电流i1流入输电线路10为i1的正方向，第二电流i2流入输电线路10为i2的正方向。
在本发明实施例中，第一传感光纤4a感应流入所述输电线路10一侧的第一电流i1，在第一传感光纤4a中两束圆偏振光产生与第一电流i1大小成比例的第一次相位差；产生第一次相位差的两束圆偏振光经所述第一单模光纤5传输至第二传感光纤4b；第二传感光纤4b感应流入输电线路10另一侧的第二电流i2，在第二传感光纤4b中第一次产生相位差的两束圆偏振光产生与第二电流i2大小成比例的第二次相位差；经过第一反射镜6反射后两束圆偏振光偏振模式互换再次穿过第二传感光纤4b、第一传感光纤4a，因而由第一传感光纤4a、第二传感光纤4b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；由于第一传感光纤4a、第二传感光纤4b分别以正绕向设置在输电线路10两侧，故两束线偏振光在所述第一集成光学单元3a处发生干涉后经第一光纤耦合器2a到达第一光电探测器11a时，两束线偏振光相位差与电流i1、i2关系为：式中：V1为第一传感光纤4a、第二传感光纤4b的Verdet常数；N1为第一传感光纤4a、第二传感光纤4b匝数。
在本发明实施例中，第三传感光纤7a感应流入输电线路10一侧的第一电流i1，在第三传感光纤7a中两束圆偏振光产生与第一电流i1大小成比例的第一次相位差；产生第一次相位差的两束圆偏振光经第二单模光纤8传输至第四传感光纤7b；第四传感光纤7b感应流入输电线路10另一侧流过的第二电流i2，在第四传感光纤7b中第一次产生相位差的两束圆偏振光产生与第二电流i2大小成比例的第二次相位差；经过第二反射镜9反射后两束圆偏振光偏振模式互换再次穿过第四传感光纤7b、第三传感光纤7a，因而由第三传感光纤7a、第四传感光纤7b内部载流导体电流磁场效应引起的两束圆偏振光相位差加倍；由于第三传感光纤7a以正绕向设置在与第一传感光纤4a相同位置，第四传感光纤7b以负绕向设置在与第二传感光纤4b相同位置，故两束线偏振光在所述第二集成光学单元3b处发生干涉后经过所述第二光纤耦合器2b到达所述第二光电探测器11b时，两束线偏振光相位差与电流i1、i2关系为：式中：V2为第三传感光纤7a、第四传感光纤7b的Verdet常数；N2为第三传感光纤7a、第四传感光纤7b匝数。直接在光路层实现差动保护的动作电流和制动电流测量，无需在输电线路双端设置采样对时装置。
在本发明实施例中，调制解调模块12包括第一前置运算放大器、第二前置运算放大器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、数字信号处理单元、第一D/A转换器、第二D/A转换器、第一后置运算放大器、第二后置运算放大器；所述第一光电探测器11a输出端与第一前置运算放大器连接，第一前置运算放大器输出连接第一A/D转换器，第一A/D转换器输出连接数字处理单元，数字处理单元输出连接第一D/A转换器，第一D/A转换器通过第一后置运算放大器连接第一集成光学单元，完成对进入第一集成光学单元两束线偏振光相位调制；第二光电探测器11b输出端与第二前置运算放大器连接，第二前置运算放大器输出连接第二A/D转换器，第二A/D转换器输出连接数字处理单元，数字处理单元输出连接第二D/A转换器，第二D/A转换器通过第二后置运算放大器连接第二集成相位调制单元，完成进入第二集成相位调制单元两束线偏振光相位调制。
在本发明实施例中，相位调制解调模块12通过方波调制，调制方波由数字信号处理单元产生，作用于第一集成光学单元3a使得两束线偏振光分别产生相位偏置，则第一光电探测器11a输出为：
由于第一光电探测器11a输出S1+和S1-是淹没于强噪声中的弱信号，利用信号和噪声不相关采用相关解调技术提取信号，并对方波调制信号进行正、负半周相减，得到第一数字解调信号为：
在本发明实施例中，相位调制解调模块12通过方波调制，调制方波由数字信号处理单元产生，作用于所述第二集成光学单元3b使得两束线偏振光产生相位偏置，则所述第二光电探测器11b输出为：
由于所述第二光电探测器11b输出S2+和S2-是淹没于强噪声中的弱信号，利用信号和噪声不相关采用相关解调技术提取信号，并对方波调制信号进行正、负半周相减，得到第二数字解调信号为：
在本发明实施例中，调制解调模块12输出数字解调信号至所述保护逻辑判断模块13，如图3所示，保护逻辑判断模块13包括动作量计算单元13a、制动量计算单元13b以及判定单元13c。动作量计算单元13a对接收到第一数字解调信号Sr进行计算，并将计算得到的动作量X传输至判定单元13c；制动量计算单元13b对接收到第二数字解调信号Sres进行计算，并将计算得到的制动量Y传输至判定单元13c。判定单元13c将动作量X与预设的动作量定值Z以及动作量X与制动量Y进行比较，根据比较结果判定输电线路10内部是否发生故障，判定单元13c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。预设动作量定值Z＝LIN，IN为流过输电线路的额定电流幅值；L为比例系数，比例系数L取值范围为0.05～2。
在本发明实施例中，动作量计算单元13a计算得到的动作量X为：
X＝|Sr|＝|0.5P0sin[4N1V1(i1+i2)]|(9)。
在本发明实施例中，制动量计算单元13b计算得到的制动量Y为：
Y＝|Sres|＝|0.5P0sin[4N2V2(i1-i2)]|(10)。
在本发明实施例中，如果X>Z且X>Y则判定故障为所述输电线路10内部故障；否则判定故障为输电线路10外部故障。无需解算出差动电流和制动电流，直接利用调制解调模块输出数字解调信号进行保护逻辑判断，简化数字信号处理过程，提升差动保护动作速度。
实施例1：如图3所示，对于输电线路10而言，故障位置F1和F2是等同的均为外部故障，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)(11)
将式(11)代入式(5)中，第一数字解调信号Sr为：Sr＝0；将第一数字解调信号Sr代入式(9)，计算得到动作量X＝0。
由于动作量X不满足：X>Z且X>Y，因此判定F1处故障为外部故障。
实施例2：如图3所示，当F3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)(12)
将式(12)代入式(5)中，第一数字解调信号Sr为：Sr＝0.5P0sin[4N1V1(i1+i2)]；将(12)代入式(8)中，第二数字解调信号Sres为：Sres＝0。
将第一数字解调信号Sr代入式(9)得到的动作量X为：X＝|0.5P0sin[4N1V1(i1+i2)]|；将第二数字解调信号Sres代入式(10)得到的制动量Y为：Y＝0。
由于动作量X和制动量Y满足：X>Z且X>Y，因此判定F3处故障为输电线路10内部故障。
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 (7)
1.一种光差动保护装置，其特征在于，包括光信号产生单元(1)、第一耦合器(2a)、第二耦合器(2b)、第一集成光学单元(3a)、第二集成光学单元(3b)、第一传感光纤(4a)、第二传感光纤(4b)、第一单模光纤(5)、第一反射镜(6)、第三传感光纤(7a)、第四传感光纤(7b)、第二单模光纤(8)、第二反射镜(9)、第一光电探测器(11a)、第二光电探测器(11b)、调制解调模块(12)和保护逻辑判断模块(13)；
所述光信号产生单元(1)的第一输出端与所述第一耦合器(2a)的第一端口A连接，所述光信号产生单元(1)的第二输出端与所述第二耦合器(2b)的第一端口A连接；
所述第一耦合器(2a)的第二端口B与第一集成光学单元(3a)的一端连接，第一耦合器(2a)的第三端口C与所述第一光电探测器(11a)的输入端连接；
所述第二耦合器(2b)的第二端口B与所述第二集成光学单元(3b)的一端连接，所述第二耦合器(2b)的第三端口C与所述第二光电探测器(11b)的输入端连接；
所述第一集成光学单元(3a)的另一端与所述第一传感光纤(4a)的一端连接；所述第一传感光纤(4a)的另一端与所述第一单模光纤(5)的一端连接；所述第一单模光纤(5)的另一端与所述第二传感光纤(4b)的一端连接；所述第二传感光纤(4b)的另一端与所述第一反射镜(6)连接；
所述第二集成光学单元(3b)的另一端与所述第三传感光纤(7a)的一端连接；所述第三传感光纤(7a)的另一端与所述第二单模光纤(8)的一端连接；所述第二单模光纤(8)的另一端与所述第四传感光纤(7b)的一端连接；所述第四传感光纤(7b)的另一端与所述第二反射镜(9)连接；
所述第一光电探测器(11a)的输出端与所述调制解调模块(12)的第一输入端连接；所述第二光电探测器(11b)的输出端与所述调制解调模块(12)的第二输入端连接；所述调制解调模块(12)的输出端与所述保护逻辑判断模块(13)连接。
2.如权利要求1所述的差动保护装置，其特征在于，工作时，所述第一传感光纤(4a)、所述第二传感光纤(4b)分别以正绕向设置在待保护单元(10)两侧，所述第三传感光纤(7a)以正绕向设置在与所述第一传感光纤(4a)相同位置，所述第四传感光纤(7b)以负绕向设置在与所述第二传感光纤(4b)相同位置；
其中，由保护安装处指向待保护单元(10)方向顺时针绕向为正、逆时针绕向为负。
3.如权利要求1或2所述的差动保护装置，其特征在于，所述第一传感光纤(4a)与所述第二传感光纤(4b)的匝数相等；所述第三传感光纤(7a)与所述第四传感光纤(7b)的匝数相等。
4.如权利要求1-3任一项所述的差动保护装置，其特征在于，光差动保护比例制动系数K＝N1V1/N2V2，其中N1为所述第一传感光纤(4a)的匝数，N2为所述第三传感光纤(7a)的匝数，V1为所述第一传感光纤(4a)的Verdet常数，V2为所述第三传感光纤(7a)的Verdet常数，K的取值范围为0～1。
5.如权利要求1-4任一项所述的差动保护装置，其特征在于，所述第一集成光学单元(3a)和第二集成光学单元(3b)结构相同，所述第一集成光学单元(3a)包括依次连接在所述第一耦合器(2a)的第二端口B与所述第一传感光纤(4a)的一端之间的起偏器(3a1)、集成相位调节单元(3a2)、延迟光纤(3a3)和1/4波片(3a4)。
6.如权利要求1-5任一项所述的差动保护装置，其特征在于，所述保护逻辑判断模块(13)包括：
动作量计算单元(13a)，其输入端与所述调制解调单元(12)的第一输出端连接，用于根据所述调制解调单元(12)输出的第一数字解调信号Sr获得动作量X＝|Sr|；
制动量计算单元(13b)，其输入端与所述调制解调单元(12)的第二输出端连接，用于根据所述调制解调单元(12)输出的第二数字解调信号获得制动量Y＝|Sres|；以及
判定单元(13c)，用于将动作量X与预设的动作量定值Z和制动量Y进行比较，当X>Z且X>Y时则判定为所述待保护单元内部故障；否则判定为所述待保护单元外部故障。
7.如权利要求6任一项所述的差动保护装置，其特征在于，所述动作量定值Z＝LIN，IN为流过待保护单元的额定电流幅值；L为比例系数，比例系数L取值范围为0.05～2。
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