CN106597347A - 一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断方法，包括：利用光纤电流互感器的耦合器的端口处的第二光电探测器对光纤电流互感器中的超辐射发光二级管SLD光源的输出光功率进行监测，并将输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块；电流监测模块对驱动电流进行监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块；温度监测模块通过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块；光源状态控制与自诊断模块将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网用的光纤电流互感器工作状态在线监测与自诊断技术领域，并且更具体地，涉及一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断方法及系统。
背景技术
光纤电流互感器在变电站现场运行过程中会受到各种因素的影响，例如外在的因素，包括：环境温度、振动、冲击和电磁干扰等；内在的因素包括：光电子器件性能老化、光路损耗增加等，这些因素将引起光纤电流互感器内部工作状态量发生变化，从而降低了产品的准确性和可靠性。
目前光纤电流互感器使用的光源为超辐射发光二级管(简称SLD光源)，其输出光功率的变化和光谱的中心波长的变化将引起互感器的精度变差，轻则引起误差超差，严重时将导致互感器输出无波形或输出异常，从而引发相关保护设备闭锁，影响到整个变电站的运行。SLD光源作为光纤电流互感器的核心光学元器件，其内部发光芯片在长期运行过程中会发生老化，发光效率降低。因此需要对SLD光源进行状态监测，并诊断光源工作是否正常。
现有的光纤电流互感器在线监测方法大多是通过监测光电探测器上接收的总光功率实现对整个光路的损耗的监测，其中包含了其他光学器件和光路熔接点的损耗，无法直接监测光源的输出光功率，更无法实现光源工作状态的自诊断。而对于光源光谱中心波长的监测，目前只能在实验室使用光谱仪进行测试，无法做到产品现场运行过程中的在线监测。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断方法，所述方法包括：
利用光纤电流互感器的耦合器的端口处的第二光电探测器对光纤电流互感器中的超辐射发光二级管SLD光源的输出光功率进行监测，并将所述输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块；
电流监测模块将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块；
温度监测模块通过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块；以及
光源状态控制与自诊断模块将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息。
优选地，其中所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。
优选地，其中所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源输出的驱动电流进行调节。
优选地，其中通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。
优选地，其中所述光源状态控制与自诊断模块根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息，所述电流驱动源和温控驱动源根据反馈信息调节驱动电流和芯片工作温度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断系统，所述系统包括：光纤电流互感器、第二光电探测器、光源状态控制与自诊断模块、电流监测模块和温度监测模块，
第二光电探测器，分别与光纤电流互感器的耦合器和光源状态控制与自诊断模块相连接，用于对光纤电流互感器中的SLD光源的光功率进行监测，并将所述输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块；
光源状态控制与自诊断模块，分别与电流驱动源的输入端、电流监测模块的输出端、温度监测模块的输出端和温控驱动源的输入端相连接，将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断；
电流监测模块，与所述SLD光源相连接，用于对驱动电流进行监测，其中将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块；
温度监测模块，过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块。
优选地，其中所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。
优选地，其中所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源输出的驱动电流进行调节。
优选地，其中通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。
优选地，其中所述光源状态控制与自诊断模块还用于：
根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息。
优选地，其中所述系统还包括：
电流驱动源，与电流监测模块的输入端相连接，根据反馈控制信息调节驱动电流，当所述SLD光源的输出光功率小于正常工作的光功率时，电流驱动源调高驱动电流；当驱动电流大于所述SLD光源正常工作的驱动电流一定阈值时，给出告警信息；以及
温控驱动源，与温度监测模块的输入端相连接，根据反馈控制信息调节所述SLD光源芯片的工作温度，当芯片工作温度高于预设的工作温度时，温控驱动源输出正向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行制冷；当低于预设的工作温度时，温控驱动源输出反向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行加热，从而稳定芯片的工作温度。
本发明的有益效果在于：
1.通过在线监测SLD光源的输出光功率、驱动电流大小和芯片工作温度实现对光源的光功率和光谱中心波长变化的监测。
2.通过对SLD光源的工作状态的在线监测和自诊断，提高了光源工作的稳定性，并在光源出现性能劣化的初期提前预警，及时检修处理，可提高设备检修与维护的便利性，同时，减少了设备运行到极限时的报错，降低设备停运率，提高了设备的可靠性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的光纤电流互感器的工作原理图；
图2为根据本发明实施方式的在线监测与自诊断方法200的流程图；
图3为根据本发明实施方式的光纤电流互感器光源状态在线监测与自诊断原理图；以及
图4为根据本发明实施方式的在线监测与自诊断系统400的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的光纤电流互感器的工作原理图。如图1所示，光纤电流互感器包括：光电探测器、SLD光源、耦合器、起偏器、相位调制器和传感环。超辐射发光二极管光源，即SLD光源发出的光经过耦合器后，由起偏器起偏为线偏振光。起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，线偏振光以45°注入保偏光纤，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过λ/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤圈中传播。载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的产生相位差，经过反射镜端面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)再次通过传感光纤圈，并经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光返回，并在起偏器处发生干涉。最后，携带由法拉第效应产生的非互易相位差信息的光通过耦合器返回光电探测器转化为电信息。根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信息可计算出待测电流值。
图2为根据本发明实施方式的在线监测与自诊断方法200的流程图。如图2所示，所述在线监测与自诊断方法200从步骤201处开始，为了实现SLD光源的状态在线监测和自诊断，在步骤201利用光纤电流互感器的耦合器的端口处的第二光电探测器对光纤电流互感器中的超辐射发光二级管SLD光源的输出光功率进行监测，并将所述输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块。优选地，其中所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源输出的驱动电流进行调节。优选地，其中所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。由于耦合器的各端口输出分光比是固定不变的，通常选用分光比为1:1的耦合器，因此第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的发射光路的1/2，从而实现SLD光源输出光功率的精确监测。
优选地，在步骤202电流检测模块将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块。优选地，其中通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。SLD光源正常工作时，驱动电流的大小是稳定的，波动范围小于1mA，因此可通过监测驱动电流源输出的电流判断其工作状态。通常采用的方法是使用取样电阻将驱动电流转化为电压值进行监测。
优选地，在步骤203温度监测模块通过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块。SLD光源的光谱中心波长与光源芯片的工作温度有直接关系，由于在实际工程中使用的SLD光源都自带制冷片，可通过控制温控驱动源提供的制冷(热)电流实现温度控制。SLD光源正常工作时，其工作温度是稳定的，波动范围小于0.5℃，因此可通过监测光源芯片的工作温度判断其工作状态。通常光源芯片表面贴有热敏电阻，可通过精密的电桥电路测量得到热敏电阻的阻值，从而实现光源温度的监控。
优选地，在步骤204光源状态控制与自诊断模块将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息，所述自诊断信息包括：工作正常信息、检修告警信息和维修告警信息。以光源驱动电流值为例，当正常工作时，其驱动电流值低于检修告警值，表示互感器光源处于正常工作状态；如当监测驱动电流值大于检修告警值，但未达到维修告警信息，则对后续的合并单元和保护测控装置输出给出预警信息，表示互感器需要进行检修，可在下次定期检修时处理或通知设备生产商处理，但目前可继续运行；当监测驱动电流值达到维修告警值时，则发出告警信息，表示设备已达到工作极限状态，需立即进行处理，设备需停运。优选地，其中所述光源状态控制与自诊断模块还用于：根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息，所述电流驱动源和温控驱动源根据反馈信息调节驱动电流和芯片工作温度。当所述SLD光源的输出光功率小于正常工作的光功率时，电流驱动源调高驱动电流；当驱动电流大于所述SLD光源正常工作的驱动电流一定阈值时，给出告警信息；当芯片工作温度高于预设的工作温度时，温控驱动源输出正向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行制冷；当低于预设的工作温度时，温控驱动源输出反向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行加热，从而稳定芯片的工作温度。光源状态控制与自诊断模块根据光源光功率信息和芯片工作温度信息，对光源驱动电流和光源温控驱动源发出反馈控制信息，保证其能够在正常工作范围之内。例如，SLD光源正常工作时输出功率为1mW，当第二光电探测器监测得到光源输出功率低于0.3mW时，需要适当调高驱动电流源的驱动电流，保证足够的光功率；例如，SLD光源正常工作的驱动电流为100mI，极限驱动电流为140mI，当驱动电流超过正常工作的驱动电流30mI，即驱动电流为130mI时，则给出告警信息表示设备需要维修了。
图3为根据本发明实施方式的光纤电流互感器光源状态在线监测与自诊断原理图。如图3所示，在光纤电流互感器的耦合器的端口处增加一个第二光电探测器，并使用所述第二光电探测器对光纤电流互感器中的超辐射发光二级管SLD光源的输出光功率进行监测；电流检测模块将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测；温度监测模块通过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测；然后利用光源状态控制与自诊断模块根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息，所述电流驱动源和温控驱动源根据反馈信息调节驱动电流和芯片工作温度，当所述SLD光源的输出光功率小于正常工作的光功率时，电流驱动源调高驱动电流；当驱动电流大于所述SLD光源正常工作的驱动电流一定阈值时，给出告警信息；当芯片工作温度高于预设的工作温度时，温控驱动源输出正向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行制冷；当低于预设的工作温度时，温控驱动源输出反向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行加热，从而稳定芯片的工作温度。当监测到输出光功率、芯片工作温度和驱动电流的数据后，光源状态控制与自诊断模块将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息，所述自诊断信息包括：工作正常信息、检修告警信息和维修告警信息；最后光源状态控制与自诊断模块将自诊断信息发送至合并单元和保护测控装置。
图4为根据本发明实施方式的在线监测与自诊断系统400的结构示意图。如图4所示，所述在线监测与自诊断系统400包括：光纤电流互感器401、第二光电探测器402、光源状态控制与自诊断模块403、合并单元及保护测控装置404、电流驱动源405、温控驱动源406、电流监测模块407和温度监测模块408。优选地，第二光电探测器402分别与光纤电流互感器401的耦合器和光源状态控制与自诊断模块403相连接，用于对光纤电流互感器401中的SLD光源的光功率进行监测。优选地，其中所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。
优选地，光源状态控制与自诊断模块403分别与电流驱动源405的输入端、电流监测模块407的输出端、温度监测模块408的输出端、温控驱动源406的输入端和合并单元及保护测控装置404相连接，用于所述SLD光源的工作状态进行监测根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源405和温控驱动源406发出反馈控制信息；将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息，所述自诊断信息包括：工作正常信息、检修告警信息和维修告警信息；光源状态控制与自诊断模块403将自诊断信息发送至合并单元和保护测控装置404。
优选地，电流驱动源405与电流监测模块407的输入端相连接，用于调节驱动电流，当所述SLD光源的输出光功率小于正常工作的光功率时，电流驱动源405调高驱动电流；当所述SLD光源的输出光功率大于正常工作的光功率一定阈值时，电流驱动源405调低驱动电流。优选地，其中所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源405输出的驱动电流进行调节。
优选地，电流监测模块407与所述SLD光源相连接，用于对驱动电流进行监测，其中将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测。优选地，其中通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。
优选地，温控驱动源406与温度监测模块408的输入端相连接，用于调节所述SLD光源芯片的工作温度，当芯片工作温度高于预设的工作温度时，温控驱动源输出正向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行制冷；当低于预设的工作温度时，温控驱动源输出反向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行加热，从而稳定芯片的工作温度。
优选地，温度监测模块408过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测。
优选地，合并单元及保护测控装置404用于接收自诊断信息。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (11)
1.一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断方法，其特征在于，所述方法包括：
利用光纤电流互感器的耦合器的端口处的第二光电探测器对光纤电流互感器中的超辐射发光二级管SLD光源的输出光功率进行监测，并将所述输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块；
电流监测模块将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块；
温度监测模块通过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块；以及
光源状态控制与自诊断模块将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息，所述自诊断信息包括：工作正常信息、检修告警信息和维修告警信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源输出的驱动电流进行调节。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源状态控制与自诊断模块根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息，所述电流驱动源和温控驱动源根据反馈信息调节驱动电流和芯片工作温度。
6.一种光纤电流互感器的状态在线监测与自诊断系统，其特征在于，所述系统包括：光纤电流互感器、第二光电探测器、光源状态控制与自诊断模块、电流监测模块和温度监测模块，
第二光电探测器，分别与光纤电流互感器的耦合器和光源状态控制与自诊断模块相连接，用于对光纤电流互感器中的SLD光源的光功率进行监测，并将所述输出光功率发送到光源状态控制与自诊断模块；
光源状态控制与自诊断模块，分别与电流驱动源的输入端、电流监测模块的输出端、温度监测模块的输出端和温控驱动源的输入端相连接，将所述SLD光源的输出光功率、芯片工作温度和驱动电流分别与数据库中的相应常态工作值进行对比，通过对比的结果对所述SLD光源的工作状态进行自诊断，并获取自诊断信息，所述自诊断信息包括：工作正常信息、检修告警信息和维修告警信息；
电流监测模块，与所述SLD光源相连接，用于对驱动电流进行监测，其中将驱动电流转化为驱动电压，以基于对驱动电压的监测来实现对驱动电流的监测，并将所述驱动电流发送到光源状态控制与自诊断模块；
温度监测模块，过测量热敏电阻的阻值对所述SLD光源的芯片工作温度进行监测，并将所述芯片工作温度发动到光源状态控制与自诊断模块。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二光电探测器接收的光功率为SLD光源的输出光功率的1/2。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述SLD光源的输出光功率通过调整电流驱动源输出的驱动电流进行调节。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过使用取样电阻将驱动电流转化为驱动电压。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光源状态控制与自诊断模块还用于：
根据所述SLD光源的输出光功率和芯片工作温度，分别向电流驱动源和温控驱动源发出反馈控制信息。
11.根据权利要求6或10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
电流驱动源，与电流监测模块的输入端相连接，根据反馈控制信息调节驱动电流，当所述SLD光源的输出光功率小于正常工作的光功率时，电流驱动源调高驱动电流；当驱动电流大于所述SLD光源正常工作的驱动电流一定阈值时，给出告警信息；以及
温控驱动源，与温度监测模块的输入端相连接，根据反馈控制信息调节所述SLD光源芯片的工作温度，当芯片工作温度高于预设的工作温度时，温控驱动源输出正向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行制冷；当低于预设的工作温度时，温控驱动源输出反向电流控制SLD光源的半导体制冷片进行加热，从而稳定芯片的工作温度。
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