CN106324545A - 具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器 - Google Patents

Abstract

具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，属于电流互感器校正技术领域。本发明是为了解决现有光纤光栅电流互感器没有考虑超磁滞伸缩材料的磁滞特性而造成的电流互感器非线性问题，产生相位误差，从而造成其测量精度低的问题。它的电流传感单元将采集的电流信号转变成光信号，经过3dB耦合器将光信号传递到FBG解调单元解调后获得当前光信号，当前光信号再经光电放大器转换为待校正电流电信号并作为非线性校正单元的输入信号；非线性校正单元的NIOS II处理器采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值。本发明为一种具有非线性校正处理功能的电流互感器。

Description

具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器

技术领域

本发明涉及具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，属于电流互感器校正技术领域。

背景技术

随着智能电网的快速发展，电流互感器在电能计量和电网监测中起着越来越重要的作用。长期以来，高压电网的电流检测一直由电磁式电流互感器来完成，但传统的电磁式电流互感器在新一代智能化电网在线监测和故障诊断中暴露出了易磁饱和、易铁磁谐振、频带窄、有油易爆等局限性。光学电流互感器的出现解决了电磁兼容和电绝缘问题，然而基于法拉第效应的全光纤电流互感器容易受到线性双折射及周围环境温度的影响。近年来，基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)与超磁滞伸缩材料GMM的光学电流互感器成为科研人员的研究热点。

光纤光栅电流互感器的研究始于2005年，国内学者开展了直流磁场的光纤光栅电流互感器研究工作，利用光谱仪测得FBG在直流磁场作用下的中心波长变化。有关文献提出了将FBG-GMM传感器放置在硅钢片导磁回路里，应用宽带光源ASE的线性边带解调FBG，实现了工频电流的在线检测。国外研究人员研究了不同解调方法的光纤光栅电流互感器及电压互感器和温度与电流同时测量的光纤光栅电流互感器，综上所述，关于FBG-GMM体系的电流互感器的研究多集中通过改善FBG解调方法提高电流互感器特性对电流互感器测量精度的影响，上述研究均未考虑GMM材料的磁滞特性造成电流互感器幅度误差和相位误差问题，因此对GMM-FBG电流互感器进行磁滞特性补偿是有必要的。

发明内容

本发明目的是为了解决现有光纤光栅电流互感器没有考虑超磁滞伸缩材料的磁滞特性而造成的电流互感器非线性问题，产生相位误差，从而造成其测量精度低的问题，提供了一种具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器。

本发明所述具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，它包括电流传感单元、FBG解调单元、3dB耦合器和光电放大器，它还包括非线性校正单元和显示器，

电流传感单元将采集的电流信号转变成光信号，经过3dB耦合器将光信号传递到FBG解调单元解调后获得当前光信号，当前光信号再经光电放大器转换为待校正电流电信号，该待校正电流电信号作为非线性校正单元的输入信号；

非线性校正单元包括A/D转换器、FPGA芯片和D/A转换器；FPGA芯片包括FIR低通滤波模块、FIFO暂存模块和NIOS II处理器，

待校正电流电信号通过A/D转换器转换为待校正电流数字信号，待校正电流数字信号经FIR低通滤波模块滤除噪声干扰后，存储到FIFO暂存模块，NIOS II处理器的并行输入输出端用于读取FIFO暂存模块中存储的待校正电流数字信号，NIOS II处理器采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值，该待测电流信号校正值经D/A转换器转换获得待测电流信号模拟校正值，该待测电流信号模拟校正值通过显示器进行显示。

本发明的优点：本发明针对GMM材料的磁滞特性提出，采用参数可变曲线拟合法对数据进行校正处理，实现了对电流互感器输出信号的非线性校正，补偿了GMM材料的磁滞特性对电流互感器的影响，减小了电流互感器的幅度误差和相位误差，提高了电流互感器的测量精度。

附图说明

图1是本发明所述具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器的原理框图；

图2是电流传感单元的输入电流为150A时的相位误差图；图中实线为实际输入电流值，虚线为测量获得的待校正电流值；

图3是输入电流为150A时的传递函数图；

图4是输入电流为150A时的传递函数拟合效果图；图中P为测量值对应的传递函数曲线，Q为拟合获得的传递函数曲线；

图5是电流传感单元的输入电流为150A时的校正后相位误差图；图中实线为实际输入电流值，虚线为校正后的电流值；

图6是电流传感单元的输入电流为150A时的校正后传递函数图；

图7是通过显示器获得的没有进行相位校正的输入电流曲线a与解调输出曲线b的相位对比图；

图8是通过显示器获得的完成相位校正的输入电流曲线a与解调输出曲线b的相位对比图；通过图7可以看到a和b的相位误差较大，图8中的a和b相位误差减小；图7和图8中，输入电流信号为300A/格；解调输出信号为2V/格。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，它包括电流传感单元1、FBG解调单元2、3dB耦合器3和光电放大器6，其特征在于，它还包括非线性校正单元4和显示器5，

电流传感单元1将采集的电流信号转变成光信号，经过3dB耦合器3将光信号传递到FBG解调单元2解调后获得当前光信号，当前光信号再经光电放大器6转换为待校正电流电信号，该待校正电流电信号作为非线性校正单元4的输入信号；

非线性校正单元4包括A/D转换器4-2、FPGA芯片4-3和D/A转换器4-1；FPGA芯片4-3包括FIR低通滤波模块4-31、FIFO暂存模块4-32和NIOS II处理器4-33，

待校正电流电信号通过A/D转换器4-2转换为待校正电流数字信号，待校正电流数字信号经FIR低通滤波模块4-31滤除噪声干扰后，存储到FIFO暂存模块4-32，NIOS II处理器4-33的并行输入输出端用于读取FIFO暂存模块4-32中存储的待校正电流数字信号，NIOSII处理器4-33采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值，该待测电流信号校正值经D/A转换器4-1转换获得待测电流信号模拟校正值，该待测电流信号模拟校正值通过显示器5进行显示。

NIOS II处理器4-33采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值的过程为：

采集二十组数据(x_i,y_i)，i＝1，2，3，……，20，x_i为电流传感单元1的输入电流数据组，y_i为FIFO暂存模块4-32存储的待校正电流数字信号组成的输出数据组，每一组数据(x_i,y_i)对应一条传递函数曲线；选择拟合阶次为三次，利用最小二乘曲线拟合法分别拟合出每条传递函数的上半部分表达式和下半部分表达式，传递函数表达式为：

x_i＝a_iQy_i ³+b_iQy_i ²+c_iQy_i+d_iQ，式中Q为T或B； (1)

根据传递函数表达式得到其上半部分拟合系数的集合为a_T(a_1T,a_2T,……a_20T)、b_T(b_1T,b_2T,……b_20T)、c_T(c_1T,c_2T,……c_20T)和d_T(d_1T,d_2T,……d_20T)，下半部分拟合系数的集合为a_B(a_1B,a_2B,……a_20B)、b_B(b_1B,b_2B,……b_20B)、c_B(c_1B,c_2B,……c_20B)和d_B(d_1B,d_2B,……d_20B)；式中下标T表示传递函数的上半部分表达式的参量，下标B表示传递函数的下半部分表达式的参量；

再计算获得与每一组数据(x_i,y_i)对应的FBG解调单元2的当前光纤光栅波长峰值λ_i的集合为(λ₁,λ₂,……λ₂₀)；

应用最小二乘曲线拟合法求解获得传递函数上半部分拟合系数与当前光纤光栅波长峰值λ_i的函数关系：

a_T＝a_aTλ_i ³+b_aTλ_i ²+c_aTλ_i+d_aT；

b_T＝a_bTλ_i ³+b_bTλ_i ²+c_bTλ_i+d_bT；

c_T＝a_cTλ_i ³+b_cTλ_i ²+c_cTλ_i+d_cT；

d_T＝a_dTλ_i ³+b_dTλ_i ²+c_dTλ_i+d_dT； (2)

式中a_aT、b_aT、c_aT和d_aT为a_T与峰值λ_i的拟合系数；a_bT、b_bT、c_bT和d_bT为b_T与峰值λ_i的拟合系数；a_cT、b_cT、c_cT和d_cT为c_T与峰值λ_i的拟合系数；a_dT、b_dT、c_dT和d_dT为d_T与峰值λ_i的拟合系数；

再获得传递函数下半部分拟合系数与当前光纤光栅波长峰值λ_i的函数关系：

a_B＝a_aBλ_i ³+b_aBλ_i ²+c_aBλ_i+d_aB；

b_B＝a_bBλ_i ³+b_bBλ_i ²+c_bBλ_i+d_bB；

c_B＝a_cBλ_i ³+b_cBλ_i ²+c_cBλ_i+d_cB；

d_B＝a_dBλ_i ³+b_dBλ_i ²+c_dBλ_i+d_dB； (3)

式中a_aB、b_aB、c_aB和d_aB为a_B与峰值λ_i的拟合系数；a_bB、b_bB、c_bB和d_bB为b_B与峰值λ_i的拟合系数；a_cB、b_cB、c_cB和d_cB为c_B与峰值λ_i的拟合系数；a_dB、b_dB、c_dB和d_dB为d_B与峰值λ_i的拟合系数；

然后再应用最小二乘曲线拟合法，根据获得的a_T、b_T、c_T、d_T、a_B、b_B、c_B和d_B，及采集获得的待校正电流数字信号y_i，采用下述公式(4)获得待测电流信号校正值x_i′：

x_i′＝a_Ty_i ³+b_Ty_i ²+c_Ty_i+d_T，dy/dt≥0，

x_i′＝a_By_i ³+b_By_i ²+c_By_i+d_B，dy/dt<0； (4)

将待测电流信号校正值x_i′与电流传感单元1的相应输入电流x_i做传递函数曲线，获得与待校正电流数字信号对应的传递函数图，由此实现对待校正电流数字信号y_i相位误差的校正；针对任意待校正电流数字信号y，再通过传递函数图获得相应的待测电流信号校正值。

本实施方式中，电流传感单元1包括导磁回路、GMM-FBG传感探头、调压器；FBG解调单元2包括可调谐DFB激光器，即分布式反馈激光器、温控电路及激光器驱动电路、光电探测器等，解调系统实现FBG解调及温度补偿功能。

FBG-GMM传感探头是通过环氧树脂将FBG均匀的粘贴在GMM材料上做成的，利用FBG对应变敏感和GMM材料对磁场敏感来实现电流传感。导磁回路由多层铁氧体片叠加而成，其目的是为了减少涡流损耗。被测工频交流信号经过变压器变压后通过绕组W1加载到磁路中，偏置磁场由加载到绕组W2上的直流稳压源提供，偏置磁场的作用是使GMM材料工作在单极性状态，防止产生倍频现象。DFB激光器在温控电路和驱动电路的作用下发出窄带激光，窄带激光经3dB耦合器入射到FBG上，被FBG反射回来的光信号经3dB耦合器送到光电放大器，光电放大器将光信号转换成电信号，经A/D数据采集和FPGA片上系统进行非线性数据处理，最后将校正后的数据进行显示，完成电流互感器的实时非线性校正。

光纤光栅电流互感器由磁路传感系统和光电检测系统两部分组成。电流互感器磁路系统由铁氧体材料搭建而成，铁氧体的相对磁导率约为2000，GMM选用相对磁导率为5～8的铽镝铁Terfenol-D，被测电流产生的交变磁场被铁氧体约束并引导进入GMM-FBG。运用ANSYS软件进行磁场仿真分析，铁氧体能够约束磁力线的40％通过GMM棒，相比螺线管结构和赫姆霍兹线圈结构，能够更加有效的引导磁力线进入GMM棒。光电放大器6的输出信号由直流分量和交流分量叠加而成，直流分量的大小决定于激光器入射到光栅边带的位置，用以确定正交工作点，交流分量即为解调的被测电流信号。

非线性校正系统主要以FPGA为核心处理单元，并通过FPGA控制A/D和D/A转换芯片。利用A/D数据采集模块采集光电放大器的输出信号，将采集到的数据送入FIR低通滤波模块中，滤除噪声干扰。由于数据采集与数据处理不同步，故将滤波后的数据暂存到FIFO模块中，再通过FPGA内部嵌入的NIOS II处理器的并行输入输出端读取FIFO中的数据，最后利用NIOS II中的参数可变曲线拟合的数学模型对数据进行非线性校正处理，将处理后的数据送入D/A转换器中，通过显示器件显示出来。

由于电流互感器的传递函数为多值函数，因此在数据校正的过程中把电流互感器的传递函数分为上下两个部分进行求取。传递函数上部分对应的是信号的递增区间，下部分对应的也是信号的递增区间，但凹凸特性不一致，则校正数学模型可以根据公式(4)确定是上半部分曲线还是下半部分曲线。

当已知电流互感器输出电流对应的FBG的峰值λ，就可以根据公式(2)，(3)得到传递函数的上半部分和下半部分的传递函数系数，再由公式(4)进而求得任意一组数据的传递函数。当获取电流互感器的输出数据y时，根据获得的传递函数求取对应的输入电流x，实现相位误差的校正。最后建立电流互感器的非线性校正数学模型，并将模型移植到FPGA内部实现对数据的实时校正处理。

参数可变曲线拟合方法实验：

光纤光栅电流互感器的输入电流小于80A时，GMM材料的磁滞特性不明显，此时无需对电流互感器测试结果进行相位校正。随着被测电流的增大，相位误差明显增加，因此对大电流测试系统，建立非线性校正模型是解决FBG-GMM电流互感器相位误差的关键。

当被测电流为150A时，相位误差如图2所示，对应的传递函数曲线如图3所示，从图3可以看出输入与输出呈非线性关系。利用参数可变曲线拟合算法，对曲线的上下部分分别拟合，拟合效果图如图4所示，可以看出通过该算法拟合的传递函数曲线Q与实际传递函数曲线P基本吻合。校正后的测量电流与实际电流如图5所示，实线为被测电流，虚线为校正后电流互感器输出电流，从图5中可以看出校正后的输出电流与输入电流相位误差明显减小。校正后电流互感器的传递函数曲线如图6所示，从图6与图3对比可以看出，校正后的电流互感器线性度较好。此校正方法减小了相位误差。由图5和图2对比可知，经过校正模型后的电流互感器相位误差明显减小。对于电流互感器的任意输出，经过移植了此算法的FPGA处理，可以大大减小电流互感器的相位误差。具体校正过程：首先以150A的电流为例，根据获得的被测输出数据y_i及此时对应的λ_i，然后根据公式(2)和(3)计算出相应的系数，再根据公式(4)分别计算出上半部分及下半部分对应的x_i′，x_i′即为校正后的数据，校正后的电流与实际电流如图4所示，从图4中可以看出校正后的输出电流与输入电流相位误差明显减小。将校正电流x_i′与此时实际输入的电流数据x_i做传递函数曲线，即得到如图5所示的传递函数图。从图5与图2对比可以看出，校正后的电流互感器线性度较好。

当输入电流为150A时，如图7所示，1通道是输入电流信号，2通道是测量信号，从图中可以看出电流互感器的输入电流与测量电流有一定的相位误差，经计算相位误差为3.6°。将光电放大的输出信号经过非线性校正系统处理系统，示波器探头的位置不变，将示波器探头接到FPGA处理单元的输出端，如图8所示，输入a与输出b相位差明显减小，经计算相位误差减小到45′。

下面以求取传递函数的上半部分曲线的参数a_T为例进行说明，参数a_iT与λ_i的数值表如表1所示：

表1

用表格中的数据拟合出a_iT与λ_i的函数关系；

同理可以求出其他参数b_T，c_T，d_T，a_B，b_B，c_B，d_B，进而获得传递函数上半部分曲线和下半部分曲线。则校正数学模型可以根据公式(4)确定是上半部分曲线还是下半部分曲线。从公式(2)、(3)可以看出，已知电流互感器输出电流y和对应的FBG的峰峰值λ，就可以得到传递函数的上半部分和下半部分的传递函数系数，再由公式(4)进而求得任意一组数据的传递函数。当获取电流互感器的输出数据y时，根据获得的传递函数求取对应的输入电流x，实现相位误差的校正。

Claims (2)

1.一种具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，它包括电流传感单元(1)、FBG解调单元(2)、3dB耦合器(3)和光电放大器(6)，其特征在于，它还包括非线性校正单元(4)和显示器(5)，

电流传感单元(1)将采集的电流信号转变成光信号，经过3dB耦合器(3)将光信号传递到FBG解调单元(2)解调后获得当前光信号，当前光信号再经光电放大器(6)转换为待校正电流电信号，该待校正电流电信号作为非线性校正单元(4)的输入信号；

非线性校正单元(4)包括A/D转换器(4-2)、FPGA芯片(4-3)和D/A转换器(4-1)；FPGA芯片(4-3)包括FIR低通滤波模块(4-31)、FIFO暂存模块(4-32)和NIOS II处理器(4-33)，

待校正电流电信号通过A/D转换器(4-2)转换为待校正电流数字信号，待校正电流数字信号经FIR低通滤波模块(4-31)滤除噪声干扰后，存储到FIFO暂存模块(4-32)，NIOS II处理器(4-33)的并行输入输出端用于读取FIFO暂存模块(4-32)中存储的待校正电流数字信号，NIOS II处理器(4-33)采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值，该待测电流信号校正值经D/A转换器(4-1)转换获得待测电流信号模拟校正值，该待测电流信号模拟校正值通过显示器(5)进行显示。

2.根据权利要求1所述的具有非线性校正处理功能的光纤光栅电流互感器，其特征在于，NIOS II处理器(4-33)采用参数可变曲线拟合的数学模型对读取的待校正电流数字信号进行非线性校正处理，获得待测电流信号校正值的过程为：

采集二十组数据(x_i,y_i)，i＝1，2，3，……，20，x_i为电流传感单元(1)的输入电流数据组，y_i为FIFO暂存模块(4-32)存储的待校正电流数字信号组成的输出数据组，每一组数据(x_i,y_i)对应一条传递函数曲线；选择拟合阶次为三次，利用最小二乘曲线拟合法分别拟合出每条传递函数的上半部分表达式和下半部分表达式，传递函数表达式为：

x_i＝a_iQy_i ³+b_iQy_i ²+c_iQy_i+d_iQ，式中Q为T或B； (1)

根据传递函数表达式得到其上半部分拟合系数的集合为a_T(a_1T,a_2T,……a_20T)、b_T(b_1T,b_2T,……b_20T)、c_T(c_1T,c_2T,……c_20T)和d_T(d_1T,d_2T,……d_20T)，下半部分拟合系数的集合为a_B(a_1B,a_2B,……a_20B)、b_B(b_1B,b_2B,……b_20B)、c_B(c_1B,c_2B,……c_20B)和d_B(d_1B,d_2B,……d_20B)；式中下标T表示传递函数的上半部分表达式的参量，下标B表示传递函数的下半部分表达式的参量；

再计算获得与每一组数据(x_i,y_i)对应的FBG解调单元(2)的当前光纤光栅波长峰值λ_i的集合为(λ₁,λ₂,……λ₂₀)；

应用最小二乘曲线拟合法求解获得传递函数上半部分拟合系数与当前光纤光栅波长峰值λ_i的函数关系：

a_T＝a_aTλ_i ³+b_aTλ_i ²+c_aTλ_i+d_aT；

b_T＝a_bTλ_i ³+b_bTλ_i ²+c_bTλ_i+d_bT；

c_T＝a_cTλ_i ³+b_cTλ_i ²+c_cTλ_i+d_cT；

d_T＝a_dTλ_i ³+b_dTλ_i ²+c_dTλ_i+d_dT； (2)

式中a_aT、b_aT、c_aT和d_aT为a_T与峰值λ_i的拟合系数；a_bT、b_bT、c_bT和d_bT为b_T与峰值λ_i的拟合系数；a_cT、b_cT、c_cT和d_cT为c_T与峰值λ_i的拟合系数；a_dT、b_dT、c_dT和d_dT为d_T与峰值λ_i的拟合系数；

再获得传递函数下半部分拟合系数与当前光纤光栅波长峰值λ_i的函数关系：

a_B＝a_aBλ_i ³+b_aBλ_i ²+c_aBλ_i+d_aB；

b_B＝a_bBλ_i ³+b_bBλ_i ²+c_bBλ_i+d_bB；

c_B＝a_cBλ_i ³+b_cBλ_i ²+c_cBλ_i+d_cB；

d_B＝a_dBλ_i ³+b_dBλ_i ²+c_dBλ_i+d_dB； (3)

式中a_aB、b_aB、c_aB和d_aB为a_B与峰值λ_i的拟合系数；a_bB、b_bB、c_bB和d_bB为b_B与峰值λ_i的拟合系数；a_cB、b_cB、c_cB和d_cB为c_B与峰值λ_i的拟合系数；a_dB、b_dB、c_dB和d_dB为d_B与峰值λ_i的拟合系数；

然后再应用最小二乘曲线拟合法，根据获得的a_T、b_T、c_T、d_T、a_B、b_B、c_B和d_B，及采集获得的待校正电流数字信号y_i，采用下述公式(4)获得待测电流信号校正值x_i′：

x_i′＝a_Ty_i ³+b_Ty_i ²+c_Ty_i+d_T，dy/dt≥0，

x_i′＝a_By_i ³+b_By_i ²+c_By_i+d_B，dy/dt<0； (4)

将待测电流信号校正值x_i′与电流传感单元(1)的相应输入电流x_i做传递函数曲线，获得与待校正电流数字信号对应的传递函数图，由此实现对待校正电流数字信号y_i相位误差的校正；针对任意待校正电流数字信号y，再通过传递函数图获得相应的待测电流信号校正值。