CN105629048A - 光学电流互感器的信号处理和监控装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电流测量技术领域，尤其涉及一种光学电流互感器的信号处理和监控装置及其方法，光学电流互感器包括受控发光源、输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器，高稳定可控电流源通过受控发光源输出高稳定的直流光强，经过光分光路后分成两束光，一束光经过传感磁光光路结构后到达后级光电探测器；另一束光进入到前级光电探测器；在传感磁光光路结构中的输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器处于非导磁材料的壳体内；前级光电探测器和后级光电探测器输出的电信号分别对应输入到OCT实时信号处理系统中的前级模数转换器和后级模数转换器，OCT实时信号处理系统按照一定规约输出到合并单元中。

Description

光学电流互感器的信号处理和监控装置及其方法

技术领域

本发明属于电流测量技术领域，尤其涉及一种光学电流互感器的信号处理和监控装置及其方法。

背景技术

电流互感器是电力系统计量和保护控制的重要设备，电磁式电流互感器经过长期发展，其测量稳态电流的精度可达万分之几，甚至更高；可是在短路故障情况下电磁式电流互感器出现严重的磁饱和现象，导致二次输出电流波形失真，不能描述短路电流的过渡过程，这是继电保护误动和拒动的主要原因之一。今后，电力系统的监视与控制将走向全时间过程，从局部走向全局。继电保护的误动和拒动会给电力系统带来灾难性的事故，因此，人们正在构建电力系统安全防御体系，传统的电磁式电流互感器不能反映电网动态过程，迫切需要新型的电流互感器，于是基于法拉第磁光效应的光学电流互感器(OCT,OpticalCurrentTransducer)受到重视，特别是块状光学电流互感器。2007年5月16日中国专利局公开了申请号为200510117694.8名称为“光学电流互感器及其测定电流的方法”的发明专利说明书。其技术方案是：传感头为直条状磁光材料，沿直线布置的输入光纤、输入自聚焦透镜、起偏器、光学传感头、检偏器、平行输出自聚焦透镜和光纤及垂直输出自聚焦透镜和光纤构成基本光路。被测电流通过环形导体，在其腔内建立平行磁场，在磁场内至少有一条基本光路，其传感头与磁力线平行。多个光路时各传感头等长且到环形导体轴线等距，每光路的输出光纤分别接低压侧的两个光电转换器，输出平行电压信号和垂直电压信号，从而算出被测电流。有多个光路时可以求平均值或进行温度修正从而提高精度。该发明传感头中的偏振光直通，克服“光绕电”式的光学电流互感器的光路缺陷，不会因反射面变性而失稳。该互感器能长期稳定运行且测量精度较高；但是该发明还有不足之处，表现在：基本光路还有垂直偏振光路，一旦垂直自聚焦透镜与主轴线稍有不垂直，或者垂直自聚焦透镜与平行自聚焦透镜在性能上发生差异，则输出结果的精度就会受到影响。基本光路在工艺和运行过程中容易受到环境污染和光电，也会影响到测量精度。

发明内容

为了消除由于垂直光路所引起的缺陷，进一步提高光学电流互感器的测量精度，本发明提出了一种光学电流互感器的信号处理和监控装置及其方法。

一种光学电流互感器的信号处理和监控装置，包括：依次相连的高稳定可控电流源、受控发光源、光分路器、传感磁光光路结构，所述传感磁光光路结构由依次相连的输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器组成，且均处于非导磁材料的壳体内；

光分路器将光分成两路：一路输入到前级光电探测器，另一路通过传感磁光光路结构输入到后级光电探测器；前级光电探测器和后级光电探测器分别通过前级模数转换器和后级模数转换器与突变电流检测单元相连，突变电流检测单元通过暂态电流信号处理单元和稳态电流信号处理单元与互感器输出信号综合单元相连，且突变电流检测单元直接与互感器输出信号综合单元相连；所述前级模数转换器、后级模数转换器、突变电流检测单元、暂态电流信号处理单元、稳态电流信号处理单元、互感器输出信号综合单元共同组成OCT实时信号处理单元；

前级模数转换器和后级模数转换器同时与OCT光强快速录波单元相连，OCT光强快速录波单元分别通过OCT时变参数辨识单元和OCT运行状态分析单元与稳态电流信号处理单元和互感器输出信号综合单元相连；所述OCT光强快速录波单元、OCT时变参数辨识单元、OCT运行状态分析单元共同组成OCT运行监控系统；

互感器输出信号综合单元与合并单元相连。

所述高稳定可控电流源输出稳定的直流电流到受控发光源，受控发光源输出高稳定的直流光强，经过光分路器后根据分光比K_J分成两束光，一束光按照受控发光源输出光的光强的K_J倍，经过传感磁光光路结构后到达后级光电探测器；另一束光按照受控发光源输出光的光强的(1-K_J)倍，进入到前级光电探测器；比例系数K_J的范围为0.001-0.999。

所述OCT运行监控系统中的OCT光强快速录波单元在接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据后快速记录，然后将数据传递给OCT时变参数辨识单元和OCT运行状态分析单元；OCT时变参数辨识单元按照时变参数辨识算法计算出OCT的时变参数，然后将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的稳态电流信号处理单元；OCT运行状态分析单元按照运行状态分析算法计算出OCT运行状态参数，将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的互感器输出信号综合单元。

所述OCT实时信号处理系统中的突变电流检测单元接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据，同时将该数据传递给稳态电流信号处理单元和暂态电流信号处理单元，突变电流检测单元按照突变电流检测算法计算电流突变率，当电流突变率达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度T的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元中，互感器输出信号综合单元在接收到该信号后立即将所接收到的暂态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；

如果互感器输出信号综合单元没有收到突变电流检测单元所输出的具有固定时间宽度T的脉冲信号或者标志数据时，默认将所接收到的稳态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中，0<T<100毫秒；

当互感器输出信号综合单元接收到OCT运行状态分析单元输出的OCT运行状态参数后，立即将所接收到的OCT运行状态参数按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；

稳态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照稳态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元；暂态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照暂态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元。

所述OCT实时信号处理系统采用FPGA或DSP芯片作为主CPU，包括8MBSRAM、64MBFlash存储器、12位或16位ADC模数转换器芯片、USB2.0接口芯片、第一100M以太网接口芯片、第一4×4键盘和LCD显示器。

所述OCT运行监控系统采用嵌入式结构，包括主频为500MHz的32位ARM芯片、64MBSRAM、128MBFlash存储器、232或485串口、第二100M以太网芯片、时钟芯片DS12887、6×6键盘或第二4×4键盘和彩色液晶显示器；FPGA或DSP控制前级模数转换器和后级模数转换器对前级光电探测器和后级光电探测器输出的电压信号以每秒F_data的采样率进行模数转换，将前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据接收并存储到OCT实时信号处理系统上的8MBSRAM中，通过第一100M以太网接口芯片通过数据线将数据传递给OCT运行监控系统；OCT运行监控系统中的32位ARM芯片控制第二100M以太网接口芯片接收到数据后存储到OCT运行监控系统中的64MBSRAM中，光电输出数据采样率F_data的取值范围为1000-1000000。

一种光学电流互感器的信号处理和监控装置的信号处理和监控方法包括以下步骤：

步骤1：将传感磁光光路结构置于流过被测电流的通流导体旁边，传感磁光光路结构中的通光方向与通流导体中被测电流的流动方向相互垂直，传感磁光光路结构中磁光材料的中心线与通流导体截面的中心线之间距离小于磁光材料长度的一半，传感磁光光路结构与通流导体之间的间距小于10厘米；

步骤2：打开高稳定可控电流源，高稳定可控电流源输出的电流进入到受控发光源，受控发光源发出稳定的光强；

步骤3：打开OCT实时信号处理系统的电源，将光分光路的分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U的数值通过第一4×4键盘和LCD显示器输入到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器；

步骤4：打开OCT运行监控系统的电源，将光分光路的分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U、第一光强设定值J_set1、第二光强设定值J_set2的数值通过6×6键盘和彩色液晶显示器输入到OCT运行监控系统中的128MFlash存储器中；

步骤5：在通流导体施加100安培50hz的交流电流，监测合并单元的输出数据，通过调整分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U、第一光强设定值J_set1、第二光强设定值J_set2的数值，使得合并单元的输出数据与100安培50hz的交流电流相符；

步骤6：通流导体接入被测电流，合并单元的输出接口接到外部设备上。

所述突变电流检测单元基于存储在OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体检测算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

其中，K_J为分光比，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，F为三阶单位矩阵，X_K＝[X₁,X₂,X₃]'，X₁、X₂、X₃分别为第一、第二、第三状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，第一协方差Q和第二协方差R取值W范围为0-1之间；第一单位矩阵I_k是一个单位矩阵；Y为第一系统矩阵，P⁺为更新后协方差矩阵，K为第一卡尔曼比例矩阵，P^-为更新前协方差矩阵，t为时间量；

当P⁺>I_SET1或K>I_SET2或X_K ⁺>I_SET3时，设置I_alarm＝1；否则I_alarm＝0；其中，I_alarm为电流告警值。

所述稳态电流信号处理单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

$I_A=\sqrt{{X_1}^2+{X_2}^2}$

I_U＝I_A·X₃·K_A

${\mathrm{Angle}}_A=arctg\left(\frac{X_2}{X_1}\right)$

I_out1＝I_U·sin(2π·50+Angle_A)

其中，K_J为分光比，Y为第一系统矩阵，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，X_K＝[X₁,X₂,X₃]'，X₁、X₂、X₃分别为第一、第二、第三状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，K为第一卡尔曼比例矩阵，K是在OCT运行监控系统中OCT时变参数辨识单元计算后通过100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器中，K_A是电流设定比例系数；I_A为第一电流幅值，I_U为第二电流幅值，Angle_A为电流相位角，I_out1为第一电流输出值；

所述暂态电流信号处理单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

I_out2＝K_U·Y

调节比例系数K_U的取值范围为1-10000之间；I_out2为第二电流输出值；

互感器输出信号综合单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

当I_alarm＝0时，I_out＝I_out1；否则I_out＝I_out2；

总电流输出值I_out按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中。

所述OCT光强快速录波单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

将通过第二100M以太网接口芯片接收到的后级模数转换器输出的数据J₁和前级模数转换器输出的数据J₀以循环存储的方式存储到64MSRAM中，存储数据的长度为60·F_data，

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

当P⁺>I_SET1或K>I_SET2或X_K ⁺>I_SET3时，将这个时刻前10·F_data的数据和后20·F_data的数据从64MSRAM中复制到128MFlash存储器中，在这段数据后加上当前的时间数据，时间数据包括年、月、日、时、分、秒，时间数据从时钟芯片DS12887中获取；K_J为分光比，Y为第一系统矩阵，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，第一协方差Q和第二协方差R取值W范围为0-1之间；P⁺为更新后协方差矩阵，K为第一卡尔曼比例矩阵，P^-为更新前协方差矩阵；F为三阶单位矩阵；

所述OCT时变参数辨识单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器(32)的一段程序运行，具体算法如下：

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

每次计算完成后都将K通过第二100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器中；

所述OCT运行状态分析单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

按照每秒F_optical的采样率记录后级模数转换器输出的数据J₁和前级模数转换器输出的数据J₀，并将数据存储于OCT运行监控系统中的128MFlash存储器中，F_optical为光学数据采样率，F_optical的取值范围为1-100；operation1为第一操作数，operation2为第二操作数，J_set1为第一光强设定值，J_set2为第二光强设定值；

当J₀<J_set1时，则operation1＝1，将operation1＝1通过第二100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的互感器输出信号综合单元，在彩色液晶显示器上显示提示信息，否则operation1＝0；

当且J₀≥J_set1时，则operation2＝1，将operation2＝1通过100M以太网接口芯片(29)传输到OCT实时信号处理系统(13)中的互感器输出信号综合单元(18)，在彩色液晶显示器(38)上显示提示信息，否则operation2＝0。

本发明的优点如下：

1、本发明设计了实时迭代最优估计算法对光学传感信息进行滤波和估计，极大地消除了被测电流中的噪声和光电探测器的噪声，提高了测量的准确度。

2、本发明的实时迭代最优估计算法在DSP或者FPGA为主CPU的OCT实时信号处理系统内完成，实时迭代最优估计算法中的计算参数在OCT运行监控系统中完成后传递给OCT实时信号处理系统，极大地提高了算法的运行速度，满足光学电流互感器的实时性要求。

3、本发明的实时迭代最优估计算法所选取的状态方程为线性方程，消除了计算过程中的发散性，有效地保证了光学电流互感器的信号处理的准确性和实时性。

4、本发明的OCT实时信号处理系统对光强信号中的被测电流信息和含有温度信息的基本光强信息进行了高精度的估计计算，稳态电流信号处理单元应用基本光强信息对被测电流信息进行修正，消除了温度对电流测量信息的影响，提高了在宽温度范围内的测量精度。

5、本发明中的OCT运行监控系统对OCT的运行状况进行监控和判断，当OCT运行状况发生变化时及时通过合并单元通知外部设备，同时在彩色液晶显示器上显示提示信息，提醒运行人员。

6、本发明中的OCT运行监控系统对OCT的光强信息进行长期记录和存储，对故障下的光强信息进行高速和高采样率的记录，基于这些信息运行人员和科研人员才能够利用对光学电流互感器运行性能进行全方位分析。

7、本发明中的OCT运行监控系统是具有操作系统的嵌入式系统，操作系统为WinCE或uC/OS或Android或Linux，提高了运行人员和科研人员对OCT运行监控系统操作的方便性。

8、本发明中的OCT运行监控系统和OCT实时信号处理系统不仅能应用于光学电流互感器，也可以应用于光学电压互感器，还可以应用于其他传感系统和信号处理系统，应用非常广泛。

附图说明

图1是光学电流互感器的实时信号处理和运行监控装置示意图；

图2是OCT实时信号处理系统中数据采集的电路原理图；

图3是OCT实时信号处理系统的电路原理图

图4是OCT运行监控系统的电路原理图；

图5是OCT实时信号处理系统与OCT运行监控系统之间数据传输的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明提供了一种全新的光学电流互感器的高速信号处理方法，可以实现极大地消除光学电流互感器的噪声，提高测量的准确度；同时分析和计算出光学电流互感器的运行状态，记录光学电流互感器的运行状态数据、稳态测量数据和故障电流测量数据，通过数据接口将记录数据传输和显示。

本发明的技术方案是：光学电流互感器的主要部件包括受控发光源、输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器，高稳定可控电流源输出稳定的直流电流到受控发光源，受控发光源输出高稳定的直流光强，经过光分光路后根据比例系数K_J分成两束光，一束光按照受控发光源输出光的光强的K_J倍，经过传感磁光光路结构后到达后级光电探测器；另一束光按照受控发光源输出光的光强的(1-K_J)倍，进入到前级光电探测器；比例系数K_J的范围为0.001-0.999；在传感磁光光路结构中的输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器处于非导磁材料的壳体内；前级光电探测器和后级光电探测器输出的电信号分别对应输入到OCT实时信号处理系统中的前级模数转换器和后级模数转换器，OCT实时信号处理系统按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中。

图1是光学电流互感器的实时信号处理和运行监控装置示意图。OCT运行监控系统中的OCT光强快速录波单元在接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据后快速记录，然后将数据传递给OCT时变参数辨识单元和OCT运行状态分析单元；OCT时变参数辨识单元按照时变参数辨识算法计算出OCT的时变参数，然后将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的稳态电流信号处理单元；OCT运行状态分析单元按照运行状态分析算法计算出OCT运行状态参数，将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的互感器输出信号综合单元。OCT实时信号处理系统中的突变电流检测单元接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据，同时将该数据传递给稳态电流信号处理单元和暂态电流信号处理单元，突变电流检测单元按照突变电流检测算法计算电流突变率，当电流突变率达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度T的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元中，互感器输出信号综合单元在接收到该信号后立即将所接收到的暂态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；如果互感器输出信号综合单元没有收到突变电流检测单元所输出的具有固定时间宽度T(0<T<100毫秒)的脉冲信号或者标志数据时，默认将所接收到的稳态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；当互感器输出信号综合单元接收到OCT运行状态分析单元输出的OCT运行状态参数后，立即将所接收到的OCT运行状态参数按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；稳态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照稳态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元；暂态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照暂态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元。

图2是OCT实时信号处理系统中数据采集的电路原理图。前级光探测器和后级光探测器的输出接到电路中的IN1和IN2端点上，IN1和IN2信号经过1K电阻分别进入到两个相同的仪表运算放大器AD620的管脚3上，这两个仪表运算放大器AD620的管脚2上连接有1K电阻，这两个仪表运算放大器AD620的管脚4和7分别连接到-12V和+12V上，这两个仪表运算放大器AD620的管脚1和8之间串联有100欧姆的电阻，这两个仪表运算放大器AD620的输出端分别接到模拟数字转换器AD7265的VA1和VA2上，模拟数字转换器AD7265的DoutA、DoutB、SCLK和CS管脚分别对应地与驱动器SN74LVC4245的A1、A2、A3、A4管脚相连，模拟数字转换器AD7265的A0、A1、A2和RANGE管脚分别对应地与驱动器SN74LVC4245的A5、A6、A7、A8管脚相连，驱动器SN74LVC4245的B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8管脚分别对应地与FPGA芯片EP3C120F780的RUP4、RDN4、IO/T12n、IO/T14n、IO/T17n、IO/T18n、IO/T19n和IO/T15p管脚相连。

图3是OCT实时信号处理系统的电路原理图。4×4键盘共计16个按键K11～K14、K21～K24、K31～K34、K41～K44的一端连接在一起，与GND端相连；16个按键的另一端分别与16个4.3K的电阻对应相连后，分别与FPGA芯片EP3C120F780的16个管脚对应相连，这16个管脚分别为IOB1_13、IOB1_14、IOB1_15、IOB1_16、IOB1_17、IOB1_18、IOB1_19、IOB1_20、IOB1_21、IOB1_22、IOB1_25、IOB1_26、IOB1_27、IOB1_28、IOB1_29和IOB1_30。液晶显示器LCD_1的数据接口中的DB0～DB7分别与FPGA芯片EP3C120F780的8个管脚对应相连，这8个管脚分别为IOB1_31、IOB1_32、IOB1_33、IOB1_34、IOB1_35、IOB1_36、IOB1_37、IOB1_38和IOB1_39。液晶显示器LCD_1的数据接口中的CS1、CS2、RS、R/W和/RESET分别与FPGA芯片EP3C120F780的5个管脚对应相连，这5个管脚分别为IOB1_40、IOB1_41、IOB1_42、IOB1_43、IOB1_44。USB驱动器PDIUSB12_1的数据总线的8个管脚DA0～DA7分别与FPGA芯片EP3C120F780的8个管脚对应相连，这8个管脚分别为IOB1_1、IOB1_2、IOB1_3、IOB1_4、IOB1_5、IOB1_6、IOB1_7、IOB1_8。USB驱动器PDIUSB12_1的控制总线的4个管脚A0、CS、INT、SUSP分别与FPGA芯片EP3C120F780的4个管脚对应相连，这4个管脚分别为IOB1_9、IOB1_10、IOB1_11、IOB1_12。USB驱动器PDIUSB12_1的数据传输接口的3个管脚ET0、D-、D+分别与USB接口USB_Port_1的管脚VBUS、D-、D+对应相连。

图4是OCT运行监控系统的电路原理图。4×4键盘共计16个按键K51～K54、K61～K64、K71～K74、K81～K84的一端连接在一起，与GND端相连；16个按键的另一端分别与16个4.3K的电阻对应相连后，分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的16个IO管脚对应相连，这16个管脚分别为GPIO58、GPIO59、GPIO60、GPIO61、GPIO62、GPIO63、GPIO64、GPIO65、GPIO66、GPIO67、GPIO68、GPIO69、GPIO70、GPIO71、GPIO72和GPIO73。液晶显示器LCD_2的数据接口中的DB0～DB7分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的8个数据总线管脚对应相连，这8个数据总线管脚分别为Data0、Data1、Data2、Data3、Data4、Data5、Data6和Data7。液晶显示器LCD_2的数据接口中的CS1、CS2、RS、R/W和/RESET分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的5个管脚对应相连，这5个管脚分别为GPIO7、GPIO6、GPIO5、GPIO4和GPIO3。USB驱动器PDIUSB12_2的数据总线的8个管脚DA0～DA7分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的8个数据总线管脚对应相连，USB驱动器PDIUSB12_2的控制总线的4个管脚A0、CS、INT、SUSP分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的4个管脚对应相连，这4个管脚分别为A0、GPIO30、GPIO29和GPIO28。USB驱动器PDIUSB12_2的数据传输接口的3个管脚ET0、D-、D+分别与USB接口USB_Port_2的管脚VBUS、D-、D+对应相连。

图5是OCT实时信号处理系统与OCT运行监控系统之间数据传输的电路原理图。嵌入式CPU芯片PXA270C520的数据总线的16个管脚分别与网络接口芯片DM9000_1的数据总线的16个管脚对应相连，嵌入式CPU芯片PXA270C520的数据总线的16个管脚分别为Data0、Data1、Data2、Data3、Data4、Data5、Data6、Data7、Data8、Data9、Data10、Data11、Data12、Data13、Data14和Data15，网络接口芯片DM9000_1的数据总线的16个管脚分别为SD0、SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8、SD9、SD10、SD11、SD12、SD13、SD14和SD15；网络接口芯片DM9000_1的控制总线中的6个管脚分别与嵌入式CPU芯片PXA270C520的IO接口的5个管脚和地址总线中的1个管脚对应相连，网络接口芯片DM9000_1的控制总线中的6个管脚分别为PWRST、INT、IOR、IOW、CS和CMD，嵌入式CPU芯片PXA270C520的IO接口的5个管脚分别为GPIO101、GPIO100、GPIO99、GPIO98和GPIO97，嵌入式CPU芯片PXA270C520的地址总线的1个管脚为A0。网络接口芯片DM9000_1的网络接口的4个管脚分别与网络端口芯片PH163539_1中的4个接口管脚对应相连，网络接口芯片DM9000_1的网络接口的4个管脚分别为LANTX-、LANTX+、LANRX-和LANRX-，网络端口芯片PH163539_1中的4个接口管脚分别为TD+/RD+、TD-/RD-、RD+/TD+和RD-/TD-。网络接口芯片DM9000_2的数据总线的16个管脚分别与FPGA芯片EP3C120F780的IO接口的16个管脚对应相连，网络接口芯片DM9000_1的数据总线的16个管脚分别为SD0、SD1、SD2、SD3、SD4、SD5、SD6、SD7、SD8、SD9、SD10、SD11、SD12、SD13、SD14和SD15，FPGA芯片EP3C120F780的IO接口的16个管脚分别为IOB1_50、IOB1_51、IOB1_52、IOB1_53、IOB1_54、IOB1_55、IOB1_56、IOB1_57、IOB1_58、IOB1_59、IOB1_60、IOB1_61、IOB1_62、IOB1_63、IOB1_64和IOB1_65；网络接口芯片DM9000_2的控制总线中的6个管脚分别与FPGA芯片EP3C120F780的IO接口的6个管脚对应相连，网络接口芯片DM9000_2的控制总线中的6个管脚分别为PWRST、INT、IOR、IOW、CS和CMD，FPGA芯片EP3C120F780的IO接口的6个管脚分别为IOB1_71、IOB1_70、IOB1_69、IOB1_68、IOB1_67和IOB1_66。网络接口芯片DM9000_2的网络接口的4个管脚分别与网络端口芯片PH163539_2中的4个接口管脚对应相连，网络接口芯片DM9000_2的网络接口的4个管脚分别为LANTX-、LANTX+、LANRX-和LANRX-，网络端口芯片PH163539_2中的4个接口管脚分别为TD+/RD+、TD-/RD-、RD+/TD+和RD-/TD-。网络端口芯片PH163539_1中的4个网络管脚TX+/RX+、TX-/RX-、RX+/TX+、RX-/TX-分别与网络端口芯片PH163539_2中的4个网络管脚TX+/RX+、TX-/RX-、RX+/TX+、RX-/TX-对应相连。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学电流互感器的信号处理和监控装置，其特征在于，包括：依次相连的高稳定可控电流源、受控发光源、光分路器、传感磁光光路结构，所述传感磁光光路结构由依次相连的输入准直器、起偏器、磁光材料、检偏器和平行输出准直器组成，且均处于非导磁材料的壳体内；

光分路器将光分成两路：一路输入到前级光电探测器，另一路通过传感磁光光路结构输入到后级光电探测器；前级光电探测器和后级光电探测器分别通过前级模数转换器和后级模数转换器与突变电流检测单元相连，突变电流检测单元通过暂态电流信号处理单元和稳态电流信号处理单元与互感器输出信号综合单元相连，且突变电流检测单元直接与互感器输出信号综合单元相连；所述前级模数转换器、后级模数转换器、突变电流检测单元、暂态电流信号处理单元、稳态电流信号处理单元、互感器输出信号综合单元共同组成OCT实时信号处理单元；

前级模数转换器和后级模数转换器同时与OCT光强快速录波单元相连，OCT光强快速录波单元分别通过OCT时变参数辨识单元和OCT运行状态分析单元与稳态电流信号处理单元和互感器输出信号综合单元相连；所述OCT光强快速录波单元、OCT时变参数辨识单元、OCT运行状态分析单元共同组成OCT运行监控系统；

互感器输出信号综合单元与合并单元相连。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述高稳定可控电流源输出稳定的直流电流到受控发光源，受控发光源输出高稳定的直流光强，经过光分路器后根据分光比K_J分成两束光，一束光按照受控发光源输出光的光强的K_J倍，经过传感磁光光路结构后到达后级光电探测器；另一束光按照受控发光源输出光的光强的(1-K_J)倍，进入到前级光电探测器；比例系数K_J的范围为0.001-0.999。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述OCT运行监控系统中的OCT光强快速录波单元在接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据后快速记录，然后将数据传递给OCT时变参数辨识单元和OCT运行状态分析单元；OCT时变参数辨识单元按照时变参数辨识算法计算出OCT的时变参数，然后将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的稳态电流信号处理单元；OCT运行状态分析单元按照运行状态分析算法计算出OCT运行状态参数，将该参数通过快速通信通道传递给OCT实时信号处理系统中的互感器输出信号综合单元。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述OCT实时信号处理系统中的突变电流检测单元接收前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据，同时将该数据传递给稳态电流信号处理单元和暂态电流信号处理单元，突变电流检测单元按照突变电流检测算法计算电流突变率，当电流突变率达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度T的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元中，互感器输出信号综合单元在接收到该信号后立即将所接收到的暂态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；

如果互感器输出信号综合单元没有收到突变电流检测单元所输出的具有固定时间宽度T的脉冲信号或者标志数据时，默认将所接收到的稳态电流信号处理单元输出的数据按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中，0<T<100毫秒；

当互感器输出信号综合单元接收到OCT运行状态分析单元输出的OCT运行状态参数后，立即将所接收到的OCT运行状态参数按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中；

稳态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照稳态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元；暂态电流信号处理单元在接收到突变电流检测单元输出的数据后按照暂态电流信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述OCT实时信号处理系统采用FPGA或DSP芯片作为主CPU，包括8MBSRAM、64MBFlash存储器、12位或16位ADC模数转换器芯片、USB2.0接口芯片、第一100M以太网接口芯片、第一4×4键盘和LCD显示器。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述OCT运行监控系统采用嵌入式结构，包括主频为500MHz的32位ARM芯片、64MBSRAM、128MBFlash存储器、232或485串口、第二100M以太网芯片、时钟芯片DS12887、6×6键盘或第二4×4键盘和彩色液晶显示器；FPGA或DSP控制前级模数转换器和后级模数转换器对前级光电探测器和后级光电探测器输出的电压信号以每秒F_data的采样率进行模数转换，将前级模数转换器和后级模数转换器输出的数据接收并存储到OCT实时信号处理系统上的8MBSRAM中，通过第一100M以太网接口芯片通过数据线将数据传递给OCT运行监控系统；OCT运行监控系统中的32位ARM芯片控制第二100M以太网接口芯片接收到数据后存储到OCT运行监控系统中的64MBSRAM中，光电输出数据采样率F_data的取值范围为1000-1000000。

7.一种根据权利要求1所述光学电流互感器的信号处理和监控装置的信号处理和监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将传感磁光光路结构置于流过被测电流的通流导体旁边，传感磁光光路结构中的通光方向与通流导体中被测电流的流动方向相互垂直，传感磁光光路结构中磁光材料的中心线与通流导体截面的中心线之间距离小于磁光材料长度的一半，传感磁光光路结构与通流导体之间的间距小于10厘米；

步骤2：打开高稳定可控电流源，高稳定可控电流源输出的电流进入到受控发光源，受控发光源发出稳定的光强；

步骤3：打开OCT实时信号处理系统的电源，将光分光路的分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U的数值通过第一4×4键盘和LCD显示器输入到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器；

步骤4：打开OCT运行监控系统的电源，将光分光路的分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U、第一光强设定值J_set1、第二光强设定值J_set2的数值通过6×6键盘和彩色液晶显示器输入到OCT运行监控系统中的128MFlash存储器中；

步骤5：在通流导体施加100安培50hz的交流电流，监测合并单元的输出数据，通过调整分光比K_J、第一电流设定值I_SET1、第二电流设定值I_SET2、第三电流设定值I_SET3、第一协方差Q、第二协方差R、电流设定比例系数K_A、调节比例系数K_U、第一光强设定值J_set1、第二光强设定值J_set2的数值，使得合并单元的输出数据与100安培50hz的交流电流相符；

步骤6：通流导体接入被测电流，合并单元的输出接口接到外部设备上。

8.根据权利要求1所述装置或权利要求7所述方法，其特征在于，所述突变电流检测单元基于存储在OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体检测算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

其中，K_J为分光比，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，F为三阶单位矩阵，X_K＝[X₁,X₂,X₃]'，X₁、X₂、X₃分别为第一、第二、第三状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，第一协方差Q和第二协方差R取值W范围为0-1之间；第一单位矩阵I_k是一个单位矩阵；Y为第一系统矩阵，P⁺为更新后协方差矩阵，K为第一卡尔曼比例矩阵，P^-为更新前协方差矩阵，t为时间量；

当P⁺>I_SET1或K>I_SET2或X_K ⁺>I_SET3时，设置I_alarm＝1；否则I_alarm＝0；其中，I_alarm为电流告警值。

9.根据权利要求1所述装置或权利要求7所述方法，其特征在于，所述稳态电流信号处理单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

$I_A=\sqrt{{X_1}^2+{X_2}^2}$

I_U＝I_A·X₃·K_A

${\mathrm{Angle}}_A=arctg\left(\frac{X_2}{X_1}\right)$

I_out1＝I_U·sin(2π·50+Angle_A)

其中，K_J为分光比，Y为第一系统矩阵，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，X_K＝[X₁,X₂,X₃]'，X₁、X₂、X₃分别为第一、第二、第三状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，K为第一卡尔曼比例矩阵，K是在OCT运行监控系统中OCT时变参数辨识单元计算后通过100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器中，K_A是电流设定比例系数；I_A为第一电流幅值，I_U为第二电流幅值，Angle_A为电流相位角，I_out1为第一电流输出值；

所述暂态电流信号处理单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

Y＝J₁-K_J·J₀

I_out2＝K_U·Y

调节比例系数K_U的取值范围为1-10000之间；I_out2为第二电流输出值；

互感器输出信号综合单元是基于存储于OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

当I_alarm＝0时，I_out＝I_out1；否则I_out＝I_out2；

总电流输出值I_out按照IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到合并单元中。

10.根据权利要求1所述装置或权利要求7所述方法，其特征在于，所述OCT光强快速录波单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

将通过第二100M以太网接口芯片接收到的后级模数转换器输出的数据J₁和前级模数转换器输出的数据J₀以循环存储的方式存储到64MSRAM中，存储数据的长度为60·F_data，

Y＝J₁-K_J·J₀

$X_K^{+}=(I_k-K\&CenterDot;H)\&CenterDot;{X_K}^{-}+K\&CenterDot;Y$

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

当P⁺>I_SET1或K>I_SET2或X_K ⁺>I_SET3时，将这个时刻前10·F_data的数据和后20·F_data的数据从64MSRAM中复制到128MFlash存储器中，在这段数据后加上当前的时间数据，时间数据包括年、月、日、时、分、秒，时间数据从时钟芯片DS12887中获取；K_J为分光比，Y为第一系统矩阵，J₁为后级模数转换器输出的数据，J₀为前级模数转换器输出的数据，X_K ⁺每次循环计算之后的状态量，X_K ^-为每次循环计算之前的状态量，H为状态转移矩阵，H＝[sin(100πt)cos(100πt)1]，第一协方差Q和第二协方差R取值W范围为0-1之间；P⁺为更新后协方差矩阵，K为第一卡尔曼比例矩阵，P^-为更新前协方差矩阵；F为三阶单位矩阵；

所述OCT时变参数辨识单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器(32)的一段程序运行，具体算法如下：

K＝P^-·H^T·(H·P^-·H^T+R)^-1

P^-＝F·P⁺·F^T+Q

P⁺＝(I-K·H)·P^-

每次计算完成后都将K通过第二100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的64MBFlash存储器中；

所述OCT运行状态分析单元是基于存储在OCT运行监控系统中的128MFlash存储器的一段程序运行，具体算法如下：

按照每秒F_optical的采样率记录后级模数转换器输出的数据J₁和前级模数转换器输出的数据J₀，并将数据存储于OCT运行监控系统中的128MFlash存储器中，F_optical为光学数据采样率，F_optical的取值范围为1-100；operation1为第一操作数，operation2为第二操作数，J_set1为第一光强设定值，J_set2为第二光强设定值；

当J₀<J_set1时，则operation1＝1，将operation1＝1通过第二100M以太网接口芯片传输到OCT实时信号处理系统中的互感器输出信号综合单元，在彩色液晶显示器上显示提示信息，否则operation1＝0；

当且J₀≥J_set1时，则operation2＝1，将operation2＝1通过100M以太网接口芯片(29)传输到OCT实时信号处理系统(13)中的互感器输出信号综合单元(18)，在彩色液晶显示器(38)上显示提示信息，否则operation2＝0。