CN105785110A - 一种用于光学电流互感器的信号处理装置 - Google Patents

一种用于光学电流互感器的信号处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光学电流互感器的信号处理装置，包括高稳定可控电流源、受控发光源、光分路器、传感磁光光路结构、第一光电探测器、第二光电探测器、自适应信号处理系统、外部输出系统。设置自适应信号处理系统，对输入的信号进行Kalman自适应滤波、小波实时分析、数字滤波算法等自适应运算处理后，可以得到与温度漂移无关的高精度的电流稳态和暂态测量值，受到环境温度等的影响小，稳定性高，对光学传感信息进行滤波，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，为继电保护提供高保真的测量数据，继电保护的动作可靠性好；设置外部输出系统，可以满足模拟量输出和数字量输出两种输出方式，抗干扰性能强。

Description

一种用于光学电流互感器的信号处理装置
技术领域：
本发明属于电流测量技术领域，具体是涉及一种用于光学电流互感器的信号处理装置。
背景技术：
电流互感器时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，这时继电器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受到重视。
基于法拉第磁光效应的光学电流互感器具有很多优点：具有与电流大小和波形无关的线性化动态响应能力；传感头由绝缘材料制成，绝缘性能天然优良。但是现有的基于法拉第磁光效应的光学电流互感器也存在着如下缺点：一个是测量精度受到环境温度的影响，另一个是长期运行稳定性问题，光学电流互感器及其信号处理装置不能为继电保护提供高保真的测量数据，继电保护的动作可靠性差。
发明内容：
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中光学电流互感器及其信号处理装置测量精度受到环境温度的影响，稳定性不高，不能为继电保护提供高保真的测量数据，继电保护的动作可靠性差，从而提出一种用于光学电流互感器的信号处理装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于光学电流互感器的信号处理装置，包括：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、第一光电探测器、第二光电探测器、自适应信号处理系统、外部输出系统。
所述高稳定可控电流源、所述受控发光源、所述光分路器依次连接。
所述光分路器第一路与第一光电探测器连接，所述光分路器第二路通过所述传感磁光光路结构与第二光电探测器连接。
所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述自适应信号处理系统连接。
所述自适应信号处理系统包括与第一模数转换器、第二模数转换器、稳态电流参考单元、小波分析器、Kalman自适应滤波器、横向滤波器组，所述第一模数转换器的输入端与所述第一光电探测器连接，所述第二模数转换器的输入端与所述第二光电探测器连接，所述稳态电流参考单元的输入端与所述第一模数转换器的输出端连接，所述小波分析器的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述横向滤波器组的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述Kalman自适应滤波器的输入端与所述小波分析器的输出端连接，所述稳态电流参考单元的输出端与所述横向滤波器组的输出端经过比较器后与所述Kalman自适应滤波器的输入端连接，所述Kalman自适应滤波器的输出端与所述横向滤波器组连接。
所述外部输出系统与所述自适应信号处理系统连接。
作为上述技术方案的优选，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。
作为上述技术方案的优选，所述输入准直器、所述起偏器、所述磁光材料、所述检偏器、所述平行输出准直器设置于非导磁材料的壳体内。
作为上述技术方案的优选，所述外部输出系统包括数模转换输出端口，所述数模转换输出端口通过隔离放大器与外部模拟设备连接。
作为上述技术方案的优选，所述外部输出系统包括以太网输出端口，所述以太网输出端口通过光电隔离器与合并器连接，所述合并器与外部数字设备连接。
本发明的有益效果在于：其通过设置自适应信号处理系统，对输入的信号分别进行Kalman自适应滤波、小波实时分析、数字滤波算法等自适应运算处理后，可以得到与温度漂移无关的高精度的电流稳态和暂态测量值，受到环境温度等的影响较小，稳定性高，对光学传感信息进行滤波，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，能够为继电保护提供高保真的测量数据，继电保护的动作可靠性好；其通过设置外部输出系统，可以满足模拟量输出和数字量输出两种输出方式，抗干扰性能强，稳定性好。
附图说明：
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明一个实施例的用于光学电流互感器的信号处理装置结构示意图；
图2为本发明一个实施例的自适应信号处理系统结构示意图；
图3为本发明一个实施例的传感磁光光路结构示意图。
具体实施方式：
如图1所示，本发明的用于光学电流互感器的信号处理装置，包括：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、第一光电探测器、第二光电探测器、自适应信号处理系统、外部输出系统。
所述高稳定可控电流源、所述受控发光源、所述光分路器依次连接。
所述光分路器第一路与第一光电探测器连接，所述光分路器第二路通过所述传感磁光光路结构与第二光电探测器连接。如图3所示，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。所述输入准直器、所述起偏器、所述磁光材料、所述检偏器、所述平行输出准直器设置于非导磁材料的壳体内。
所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述自适应信号处理系统连接。
如图2所示，所述自适应信号处理系统包括与第一模数转换器、第二模数转换器、稳态电流参考单元、小波分析器、Kalman自适应滤波器、横向滤波器组，所述第一模数转换器的输入端与所述第一光电探测器连接，所述第二模数转换器的输入端与所述第二光电探测器连接，所述稳态电流参考单元的输入端与所述第一模数转换器的输出端连接，所述小波分析器的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述横向滤波器组的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述Kalman自适应滤波器的输入端与所述小波分析器的输出端连接，所述稳态电流参考单元的输出端与所述横向滤波器组的输出端经过比较器后与所述Kalman自适应滤波器的输入端连接，所述Kalman自适应滤波器的输出端与所述横向滤波器组连接。
鉴于光学电流互感器自适应过程的实时性和准确性要求，将具有递推特性的Kalman滤波引入到自适应滤波中，同时，为了消除由于计算机存在舍入误差而导致的算法发散现象，引入矩阵理论得到了一种具有时变噪声统计的Kalman自适应算法，该滤波算法具有递推形式，非常适合计算机系统进行计算处理，在计算过程中并不需要知道全部过去的值；既适用于平稳过程，也适用于非平稳过程，Kalman自适应滤波方程组如下：
A(n)＝ST(n-1)U(n)
B(n)＝(UT(n)S(n-1)ST(n-1)U(n)+TM(n))-1
S(n)＝S(n-1)-r(n)G(n)AT(n)
r ( n ) = 1 1 + B ( n ) T M ( n )
G(n)＝B(n)S(n-1)A(n)
Wk(n+1)＝Wk(n)+G(n)·e(n)
Y(n)＝UT(n)*Wk(n)
e(n)＝d(n)-Y(n)-r(n)
r(n)＝(1-cn)r(n-1)+cn[Y(n)-UT(n)W(n)]
TM(n)＝(1-cn)R(n-1)+cn[e2(n)-UT(n)S(n)ST(n)U(n)]
其中，G(n)是Kalman比例向量，TM(n)是测量噪声的协方差，r(n)是测量噪声的均值，d(n)是期望信号，U(n)是采样输入向量，通过自适应滤波实时得到自适应校正系数阵W(n)，并通过最后一个公式，最终得到Kalman自适应滤波的输出Y(n)。
所述外部输出系统与所述自适应信号处理系统连接。所述外部输出系统包括数模转换输出端口，所述数模转换输出端口通过隔离放大器与外部模拟设备连接。所述外部输出系统包括以太网输出端口，所述以太网输出端口通过光电隔离器与合并器连接，所述合并器与外部数字设备连接。
本实施例所述的用于光学电流互感器的信号处理装置，包括：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、第一光电探测器、第二光电探测器、自适应信号处理系统、外部输出系统。其通过设置自适应信号处理系统，对输入的信号分别进行Kalman自适应滤波、小波实时分析、数字滤波算法等自适应运算处理后，可以得到与温度漂移无关的高精度的电流稳态和暂态测量值，受到环境温度等的影响较小，稳定性高，对光学传感信息进行滤波，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，能够为继电保护提供高保真的测量数据，继电保护的动作可靠性好。其通过设置外部输出系统，可以满足模拟量输出和数字量输出两种输出方式，抗干扰性能强，稳定性好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种用于光学电流互感器的信号处理装置，其特征在于，包括：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、第一光电探测器、第二光电探测器、自适应信号处理系统、外部输出系统；
所述高稳定可控电流源、所述受控发光源、所述光分路器依次连接；
所述光分路器第一路与第一光电探测器连接，所述光分路器第二路通过所述传感磁光光路结构与第二光电探测器连接；
所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的输出端分别与所述自适应信号处理系统连接；
所述自适应信号处理系统包括与第一模数转换器、第二模数转换器、稳态电流参考单元、小波分析器、Kalman自适应滤波器、横向滤波器组，所述第一模数转换器的输入端与所述第一光电探测器连接，所述第二模数转换器的输入端与所述第二光电探测器连接，所述稳态电流参考单元的输入端与所述第一模数转换器的输出端连接，所述小波分析器的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述横向滤波器组的输入端与所述第二模数转换器的输出端连接，所述Kalman自适应滤波器的输入端与所述小波分析器的输出端连接，所述稳态电流参考单元的输出端与所述横向滤波器组的输出端经过比较器后与所述Kalman自适应滤波器的输入端连接，所述Kalman自适应滤波器的输出端与所述横向滤波器组连接；
所述外部输出系统与所述自适应信号处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的用于光学电流互感器的信号处理装置，其特征在于：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。
3.根据权利要求2所述的用于光学电流互感器的信号处理装置，其特征在于：所述输入准直器、所述起偏器、所述磁光材料、所述检偏器、所述平行输出准直器设置于非导磁材料的壳体内。
4.根据权利要求1所述的用于光学电流互感器的信号处理装置，其特征在于：所述外部输出系统包括数模转换输出端口，所述数模转换输出端口通过隔离放大器与外部模拟设备连接。
5.根据权利要求1所述的用于光学电流互感器的信号处理装置，其特征在于：所述外部输出系统包括以太网输出端口，所述以太网输出端口通过光电隔离器与合并器连接，所述合并器与外部数字设备连接。
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