CN104820123A - 一种光纤电流互感器复用调制解调单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤电流互感器复用调制解调单元及其实现方法，利用调制解调时分复用技术，对A、B、C三相光纤电流互感器的传感支路同时进行调制解调，同时获得三相母线电流值，处理成IEC61850-9-2或国网扩展版FT3等常用协议规定的格式输出。本发明公开了该装置的硬件组成及软件实现方法。本发明实现了三相光纤电流互感器采集信号的集中处理和标准化输出，方便工程现场的安装和调试；调制、解调等重要环节实现了复用，节省硬件成本的同时也保证了三相电流测量的一致性。

Description

一种光纤电流互感器复用调制解调单元

技术领域

本发明涉及光纤传感与光电技术领域，特别是涉及一种光纤电流互感器复用调制解调单元。

背景技术

近年，智能电网的建设正如火如荼的开展，用作电力线电流测量的电子式互感器是数字化变电站中重要的设备之一。根据高压测量是否需要供电，电子式互感器可分为有源电子式互感器和无源电子式互感器两大类。无源电子式互感器采用光学传感原理测量母线电流，具有抗电磁干扰性好、动态范围大、交直流均可测等有源电子式互感器无法比拟的优点，因此受到电力行业的广泛重视。

无源型光学电流互感器实现的技术方案主要有两种，一种是偏振检测方案，一种是Sagnac干涉型检测方案。相比其它方案，基于反射式Sagnac干涉型数字闭环检测方案的光学电流互感器，具有检测精度高、稳定性强等优点，是目前成功投入使用的无源电子式互感器产品中主流的实现方案。

无源型光学电流互感器总体上看由两部分组成，高压侧光学传感环、光纤绝缘子和低压侧调制解调单元，两部分间通过光纤传输信号。低压侧调制解调单元负责实现系统闭环检测环节，其元器件性能指标的差异或软件处理流程的差异直接关系到系统精度；实际工程中，若三相光纤电流互感器的传感支路单独处理，很难保证三相电流测量的一致性。另外，该装置包含了多个核心光学、电子器件，硬件成本较高，若对光纤传感支路单独处理，设备成本、现场安装与调试、电流数据汇总与标准化输出等都是难以处理的问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种光纤电流互感器复用调制解调单元，用以实现对三相光纤电流互感器传感支路同时进行处理。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光纤电流互感器复用调制解调单元，所述调制解调单元包括超辐射发光二极管SLED光源、3*3光纤耦合器、三个偏振器、三个相位调制器、三个光纤延迟环、光探测器及协同工作的调制解调电路，其中：

所述SLED光源输出的光经3*3光纤耦合器均分进入三个支路；所述每个支路均由一个偏振器、相位调制器、光纤延迟环以及光纤传感环组成；

每个支路的光经偏振器后变成两束相互正交的线偏振光；

相位调制器对两束线偏振光的相位差进行调制；

线偏振光经光纤延迟环后进入光纤传感环，由光纤传感环前端的四分之一波片或旋转光纤转换为左旋与右旋的椭圆偏振光，在母线电流磁场的作用下，两束椭圆偏振光产生相位差；

两束椭圆偏振光经过光纤传感环末端的金属反射膜反射，使得两束椭圆偏振光相位差加倍且光路互易；

两束椭圆偏振光按原路径返回，经光纤传感环前端的四分之一波片或旋转光纤后转换为线偏振光，经光纤延迟环、相位调制器后回至偏振器处发生干涉，干涉的光强信号经3*3光纤耦合器至光探测器；

光强信号被光探测器接收并转换为电信号；

解调处理电路对该电信号进行处理后进入FPGA，经解调算法推算出母线电流值；三相母线电流值按协议要求组包输出，供二次设备使用。

本发明的一个实施例中，所述解调处理电路包括解调处理电路、现场可编程门阵列FPGA模块以及调制控制电路，其中：

所述解调处理电路包括用于实现光电转换的光探测器、用于实现隔离偏置以及放大滤波的前置驱动，以及用于实现模数转换的A/D转换器，完成干涉光强信号的光电转换、隔离偏置、放大滤波和模数转换，将携带母线电流信息的光信号转换成FPGA可处理的电信号；

所述FPGA模块包括解调模块、反馈计算模块、组帧输出模块以及调制补偿模块，所述解调模块用于由干涉光强信号推算母线电流值；所述反馈计算模块用于推算加载到相位调制器上的反馈量；所述组帧模块用于将三相母线电流值，处理成IEC61850-9-2或国网扩展版FT3协议规定的报文格式；所述调制补偿模块用于根据复位状态推算、调整基准电压值；

所述调制控制电路包括D/A转换模块和调理电路，所述D/A转换模块用于对FPGA模块输出的数字调制信号进行数模转换；所述调理电路用于对所述数模转换模块输出的模拟调制信号进行放大、滤波处理，加载到相位调制器上，对FPGA调制补偿模块输出的值进行数模转换、滤波处理后得到基准电压。。

本发明的一个实施例中，所述解调处理电路采用高速AD，保证在一个渡越时间τ内能采集120个以上的有效数据，保证三路同时解调的精度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用调制解调时分复用技术，对A、B、C三相光纤电流互感器的传感支路同时进行调制解调，获得三相母线电流值，实现了三相光纤电流互感器采集信号的集中处理和标准化输出；能够取得数据一致性好、节约硬件成本、现场安装调试方便的有益效果。

附图说明

图1为本发明一种光纤电流互感器复用调制解调单元的组成框图；

图2为本发明具体实施提供的数字闭环控制回路电路功能示意图；

图3为本发明具体实施提供的信号调制解调控制算法实现原理示意图。

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。

本发明公开了一种光纤电流互感器复用调制解调单元，利用调制解调时分复用技术，对A、B、C三相光纤电流互感器的传感支路同时进行调制解调，同时获得三相母线电流值，处理成IEC61850-9-2或国网扩展版FT3等常用协议规定的格式输出。

如图1所示，为本发明一种光纤电流互感器复用调制解调单元的组成框图。

所述调制解调单元包括超辐射发光二极管(Superluminescent LightEmitting Diodes，SLED)光源、3*3光纤耦合器、三个偏振器、三个相位调制器、三个光纤延迟环、光探测器及协同工作的调制解调电路等，可同时对三相光纤电流互感器传感支路同时进行处理。

所述SLED光源输出的光经3*3光纤耦合器均分进入三个支路。所述每个支路均由一个偏振器、相位调制器、光纤延迟环以及光纤传感环组成。每个支路的光经偏振器后变成两束相互正交的线偏振光，相位调制器对两束线偏振光的相位差进行调制。线偏振光经光纤延迟环后进入光纤传感环，由光纤传感环前端的四分之一波片或一段特殊的旋转光纤转换为左旋与右旋的椭圆偏振光，在母线电流磁场的作用下，两束椭圆偏振光产生相位差。两束椭圆偏振光经过光纤传感环末端的金属反射膜反射，使得两束椭圆偏振光相位差加倍且光路互易。两束椭圆偏振光按原路径返回，经光纤传感环前端的四分之一波片或一段特殊的旋转光纤后转换为线偏振光，经光纤延迟环、相位调制器后回至偏振器处发生干涉，干涉的光强信号经3*3光纤耦合器至光探测器。干涉的光强信号大小与两束光的相位差有关，故能间接反映母线电流大小。光强信号被光探测器接收并转换为电信号。解调处理电路对该电信号进行处理后进入FPGA，经解调算法可推算出母线电流值；三相母线电流值按协议要求组包输出，供二次设备使用。与此同时，FPGA中的反馈计算模块根据电信号推算出反馈量并经调制控制电路输送至相位调制器引入负反馈，从而构成数字闭环。

本发明所述调制解调单元组装后是1U全宽结构，总体上看包括电源、主控板、光路盒三部分，光学器件及光纤全部安装、固定在光路盒中。

如图2所示，为本发明调制解调模块功能示意图。本发明所述调制解调模块主要由解调处理电路、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)模块及其外围电路、调制控制电路来实现，其中数字闭环解调的控制过程主要在FPGA芯片中进行，主要的功能由软件代码实现。所述解调处理电路包括用于实现光电转换的光探测器、用于实现隔离偏置以及放大滤波的前置驱动，以及用于实现模数转换的A/D转换器，主要完成干涉光强信号的光电转换、隔离偏置、放大滤波和模数转换，将携带母线电流信息的光信号转换成FPGA可处理的有效的电信号；所述FPGA模块包括解调模块、反馈计算模块、组帧输出模块以及调制补偿模块，所述解调模块用于由干涉光强信号推算母线电流值；所述反馈计算模块用于推算加载到相位调制器上的反馈量；所述组帧模块用于将三相母线电流值，处理成IEC61850-9-2或国网扩展版FT3等常用协议规定的报文格式；所述调制补偿模块用于根据复位状态推算、调整基准电压值。

通过算法一方面计算实时电流并组协议包输出，一方面计算反馈量，实时调整数字闭环的基准电压和补偿值。调制控制电路包括D/A转换模块和调理电路；所述D/A转换模块用于对FPGA模块输出的数字调制信号进行数模转换；所述调理电路用于对所述数模转换模块输出的模拟调制信号进行放大、滤波处理，加载到相位调制器上；对FPGA调制补偿模块输出的值进行数模转换、滤波处理后得到基准电压。解调处理电路采用高速AD，保证在一个渡越时间τ内能采集120个以上的有效数据，保证三路同时解调的精度。

如图3所示，为本发明信号调制解调控制算法实现原理示意图。以光路的渡越时间的两倍2τ作为调制解调周期，为实现对三个传感支路的闭环调制解调，采用时分复用的调制解调方法，把整个解调周期2τ分成时间均等的六个部分，1/6时间段与4/6时间段区域信号用来调制解调传感支路一，2/6时间段与5/6时间段区域信号用来调制解调传感支路二，3/6时间段与6/6时间段区域信号用来调制解调传感支路三。即每周期划分六个采样区间：0-τ/3,τ/3-2τ/3,2τ/3-τ,τ-4τ/3,4τ/3-5τ/3，5τ/3-2τ，调制器1的驱动信号强度的偏置调制部分分别为0，0，0，0，调制器2的驱动信号强度分别为0，0，0，0，调制器3的驱动信号强度分别为0，0，0，0，经过闭环调制后，获得周期为2τ的待解调信号。

三传感支路在一个周期内依次被调制解调，同一周期的三相电流解调值在同一报文输出。对每一个传感支路，具有一个信号解调模块、调制波产生/输出模块、调制增益自动补偿模块。每个采样区间内至少采集30个数据点，一个解调周期内两采样区间的数据相减后累加，即测量电流值，经后续定标、组包，输出符合IEC61850-9-2和国网扩展FT3协议的标准报文。累加计算的结果还可计算出当前时刻的反馈量及数字闭环基准电压的偏差，实时调整加载到相位调制器上的信号。

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 (3)

1.一种光纤电流互感器复用调制解调单元，其特征在于，所述调制解调单元包括超辐射发光二极管SLED光源、3*3光纤耦合器、三个偏振器、三个相位调制器、三个光纤延迟环、光探测器及协同工作的调制解调电路，其中：

所述SLED光源输出的光经3*3光纤耦合器均分进入三个支路；所述每个支路均由一个偏振器、相位调制器、光纤延迟环以及光纤传感环组成；

每个支路的光经偏振器后变成两束相互正交的线偏振光；

相位调制器对两束线偏振光的相位差进行调制；

线偏振光经光纤延迟环后进入光纤传感环，由光纤传感环前端的四分之一波片或旋转光纤转换为左旋与右旋的椭圆偏振光，在母线电流磁场的作用下，两束椭圆偏振光产生相位差；

两束椭圆偏振光经过光纤传感环末端的金属反射膜反射，使得两束椭圆偏振光相位差加倍且光路互易；

两束椭圆偏振光按原路径返回，经光纤传感环前端的四分之一波片或旋转光纤后转换为线偏振光，经光纤延迟环、相位调制器后回至偏振器处发生干涉，干涉的光强信号经3*3光纤耦合器至光探测器；

光强信号被光探测器接收并转换为电信号；

解调处理电路对该电信号进行处理后进入FPGA，经解调算法推算出母线电流值；三相母线电流值按协议要求组包输出，供二次设备使用。

2.如权利要求1所述的调制解调单元，其特征在于，所述解调处理电路包括解调处理电路、现场可编程门阵列FPGA模块以及调制控制电路，其中：

所述解调处理电路包括用于实现光电转换的光探测器、用于实现隔离偏置以及放大滤波的前置驱动，以及用于实现模数转换的A/D转换器，完 成干涉光强信号的光电转换、隔离偏置、放大滤波和模数转换，将携带母线电流信息的光信号转换成FPGA可处理的电信号；

所述FPGA模块包括解调模块、反馈计算模块、组帧输出模块以及调制补偿模块，所述解调模块用于由干涉光强信号推算母线电流值；所述反馈计算模块用于推算加载到相位调制器上的反馈量；所述组帧模块用于将三相母线电流值，处理成IEC61850-9-2或国网扩展版FT3协议规定的报文格式；所述调制补偿模块用于根据复位状态推算、调整基准电压值；

所述调制控制电路包括D/A转换模块和调理电路，所述D/A转换模块用于对FPGA模块输出的数字调制信号进行数模转换；所述调理电路用于对所述数模转换模块输出的模拟调制信号进行放大、滤波处理，加载到相位调制器上，对FPGA调制补偿模块输出的值进行数模转换、滤波处理后得到基准电压。

3.如权利要求1或2所述的调制解调单，其特征在于，所述解调处理电路采用高速AD，保证在一个渡越时间τ内能采集120个以上的有效数据，从而保证三路同时解调的精度。