CN106940394B - 一种实现光学电流互感器高速测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现光学电流互感器高速测量的方法：通过调制器对光纤中的光信号实施高频调制，调制频率为光学电流互感器本征频率的奇数倍，且该倍数≥3。通过奇次倍频调制的方式，可在不改变光路总长度的前提下，实现对光CT最高采样率的提升，减小互感器数据延时，从而满足光学电流互感器高速测量的需求。

Description

一种实现光学电流互感器高速测量的方法

技术领域

本发明公开了一种实现光学电流互感器高速测量的方法，涉及光学电流互感器技术领域。

背景技术

电流互感器是监测电力系统运行状态的重要设备，变电站中测量、监控和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流信息。传统的电流互感器为电磁式互感器，电磁式互感器由于体积笨重、绝缘结构复杂、易磁饱和、易铁磁谐振、动态测量范围小、响应频带窄等原因越来越不能满足电力系统自动化、数字化网等发展的需要。而光学电流互感器(可简称为光CT)具有绝缘结构简单、体积小、重量轻、线性度好，不存在磁饱和与铁磁谐振问题等优点，可以取代传统的电磁式互感器，有广阔的应用前景。

光CT采用全光纤结构，基于Faraday磁光效应原理实现光信号对电流的感应；系统采用反射式Sagnac干涉结构，将被测电流量转化为同源的两束偏振光的相位差，通过检测该相位差实现对电流的测量。因Sagnac干涉输出的结果是余弦函数，有零相位差附近响应灵敏度低，测量范围有限，干涉结果不能反映输入电流的方向性等缺陷。为了解决余弦敏感性和方向性的问题，在光路中增加调制器，对光信号实施方波或正弦波调制，在光纤线圈中引入非互易的90°相位偏置通过检测调制后的反馈相移，获得电流输出，通过光信号调制可有效提高光CT的灵敏度。

因光CT为反射式Sagnac结构，在光纤线圈尾端设置了一个反射镜，光信号从光源发出后，途经调制器传输至光纤线圈尾端，经反射镜反射后沿原光路返回，并再次途经调制器，因此会先后受到两次调制，且两次调制间的时间间隔(即光路中的总传输时长)为τ，为使两次调制的效果叠加而不是抵消或产生其他不规则效果，系统的调制频率不能随机设定。若调制器的调制频率为f＝1/2τ，则光纤中传输的任一束光信号在先后两次经过调制器时，其时间差均为半个调制频率，可以确保两次的调制效果叠加。这个频率被称为光CT的本征频率。目前已有的光CT中，施加的调制信号频率均为本征频率。

目前已有的光CT输出数据的理论最高采样率是由其调制频率即本征频率决定的，该本征频率与光CT的光路总长度(默认为调制器至光纤线圈尾端反射镜的光路总长度，调制器至光源的光路长度可忽略)直接相关。目前主流光CT中，在调制器后的光路总长度一般大于150米，则对应的本征频率最高为300kHz左右，则此时理论上光CT的最高采样率为300k左右。而产品实际设计中，为确保光CT的采样精度或防止数据误传，光CT输出数据的实际采样率一般会比本征频率低数倍甚至数十倍；同时光路总长度一般由变电站等应用现场的条件确定，并不能随意减短，某些工程中光路总长度可能需扩展至数百或上千米，因此光CT输出数据的调制频率及采样率是受限的，且会造成光CT数据延时的增大。

常规的应用场景中对光CT的采样率要求一般为4kHz或10kHz，CT数据延时要求小于数百us，目前已有的光CT完全可以满足。但是某些特殊的应用场景，需要实现高速测量，对光CT输出数据的采样率提出了更高的要求，如柔直输电系统中，要求光CT采样率为50k或100k；行波测距系统中，可能要求光CT采样率达到1M或2M；同时，光CT的延时也可能需要减小到数十甚至数us内。目前的光CT设计方案因调制频率的瓶颈，难以满足高速测量的需求。

基于以上分析，本发明致力于研究一种提高光CT调制频率，满足光CT高速测量需求的方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于通过对光信号进行高频调制的方式，实现对光学电流互感器最高采样率的提升和延时时间的减小，提供一种在不改变光路长度的前提下，提高光CT调制频率，解决光CT采样率和数据延时瓶颈，满足光CT高速测量需求的方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

通过调制器对光纤中的光信号实施高频调制，调制频率为光学电流互感器本征频率的奇数倍，且该倍数≥3，该倍数可根据工程需求进行灵活设置。通过奇次倍频调制的方法，可提高光CT系统的采样率，减小光CT数据延时，从而满足光CT高速测量的需求。

所述光CT主要包括光源、耦合器、调制器、光纤延时线、传输光纤、传感光纤环、光探测器、调制解调电路等元件，为全光纤结构，它基于Faraday磁光效应原理实现光信号对电流的感应；系统采用反射式Sagnac干涉结构。光CT的光路总长度为光纤延时线、传输光纤、传感光纤环的长度之和，如式(1)所示。

L＝L_d+L_t+L_f (1)

式(1)中L为总长度，L_d为光纤延时线的长度，L_t为传输光纤的长度，L_f为传感光纤环的光纤长度。光信号传输路径为从调制器发送至传感光纤环，并经光纤环尾端的反射镜反射，经原光路返回到调制器，因此光信号在光路中的传输时间τ如式(2)所示。

τ＝2n*L/c (2)

式(2)中τ为光信号的传输时间，n为传输路径上光纤的折射率，c为真空中的光速。

光CT系统的本征频率如式(3)所示。

f＝1/2τ (3)

目前已有的光CT中，光路长度一般大于150米，即光CT最大的本征频率小于300kHz，因调制频率等于本征频率，因此相应的调制频率也小于300kHz，且若处于光CT光路长度不可变的情况下，调制频率无法再进行改变。

理论上每个调制周期最多可以输出一个采样值，即产品最高采样率为300kHz。但产品实际设计时，出于精度或数据防误考虑，一般会将数个甚至数十个调制周期的采样值进行平均后进行输出。因此，光CT的最高采样率一般会远小于300kHz，且数据延时大于100us以上，无法满足高速测量的需求。

本发明提出了对光信号施加光CT本征频率的奇次倍频调制的方法，在调制器上施加的调制信号频率为光CT本征频率的奇数倍，且该倍数≥3，如3倍、5倍、7倍等，在该调制频率下，t时刻的光信号第二次经过调制器时，调制波形会与之前t-τ时刻的调制波形叠加，与本征频率调制的效果相似，同样可以放大调制效果，提高系统灵敏度。而调制频率提升，光CT采样率也相应得到提高，光CT的数据延时也会减小，当调制频率及采样率足够高时，就可满足高速测量的需求。

本发明提出的通过奇次倍频调制实现光CT高速测量的方法，可根据光CT采样率的需求，灵活设置系统调制频率与本征频率的倍数。在光CT的光路长度不变的前提下，可根据采样率的需求，灵活的将调制频率设定为本征频率或本征频率的3倍、5倍、7倍等奇次倍，更好的满足不同高速测量工程的需求，同时便于光CT硬件系统的标准化。尤其是对于改造工程，一旦工程需求发生改变，可不改动光CT的任何硬件设备，只修改奇次倍频的倍数即可满足，大大减少工作量，降低工作难度。

附图说明

图1是本发明所述通过本征频率的奇次倍频调制实现光CT高速测量的方法的原理图；

图2为本发明所述光CT的系统结构：

图中：1.光源，2.耦合器，3.起偏器，4.调制器，5.光纤延迟线，6.传输光纤，7.λ/4波片，8.光纤线圈，9.反射镜，10.光探测器，11.调制解调电路，12.一次导体；

图3为本征频率下进行方波调制时波形。

图4为本征频率下进行方波调制时波形。

图5为本征频率下进行方波调制时，两个时刻的调制信号叠加后波形，即波形。

图6为本征频率下进行方波调制时光探测器上的输出波形。

图7为三倍频下进行方波调制时ψ(t)波形。

图8为三倍频下进行方波调制时ψ(t-τ)波形。

图9为三倍频下进行方波调制时，两个时刻的调制信号叠加后波形，即ψ(t)-ψ(t-τ)波形。

图10为三倍频下进行方波调制时光探测器上的输出波形。

图11为两倍频下进行方波调制时ψ(t)波形。

图12为两倍频下进行方波调制时ψ(t-τ)波形。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明所述方法的原理图如图1所示：光CT利用光纤的Farady磁光效应感应一次电流：偏振光在传感光纤中传输时，若受到磁场影响，则偏振光的相位角会产生与磁场强度成正比例的偏移，并通过λ/4波片7等器件，转化为两束偏振光间的位相差。

所述光CT如图2所示，主要包括光源1、相位调制器4、光纤延时线5、传输光纤6、光纤线圈8、反射镜9、光探测器10、调制解调电路11等元件，调制器后的光路全部由光纤构成，系统采用反射式Sagnac干涉结构。

对于光CT系统，设加在相位调制器4上的调制信号为一次电流引入的位相差为Φs，τ为光在光路中传播所需时间，即光信号的传输时延，则系统输出为：

一般情况下，相位调制器调制信号为方波。设调制方波频率等于光CT的本征频率，即f＝1/(2τ)。

同一束光信号先后经过调制器后，相位调制器对其施加的调制信号分别为和如图3和图4。

因光CT的系统特性，光信号中两个调制信号叠加效果为可描述为如图5。则在光探测器上的输出信号为图6，通过对该光信号的解调运算可计算出一次电流引入的相位差Φs，并进而推算出一次电流值。

为了提高光CT采样率并减小数据延时，本发明提出了奇次倍频的调制方案，即在调制器上施加的调制信号的频率等于本征频率的奇次倍数，且该倍数≥3，从而有效地提高了光CT系统采样率，减小了光CT数据延时。

设调制频率为本征频率的三倍频，即f＝3/(2τ)，则相位调制器的调制信号ψ(t)为方波且τ/3为调制方波的半个周期。

OCT系统输出：

I＝0.5I₀(1+cos(Φs+ψ(t)-ψ(t-τ))) (5)

相位调制器的调制信号ψ(t)和ψ(t-τ)，如图7和图8。

两个调制信号叠加ψ(t)-ψ(t-τ)，如图9，与图5波形类似，只是频率升高了3倍。

光探测器上输出信号如图10，可以高效地实现解调并运算出一次电流值。同理，当调制频率等于本征频率的5倍或7倍等奇次倍时，光CT系统同样可以实现高效调制解调。

若调制频率为本征频率的偶数倍时，ψ(t)和ψ(t-τ)时刻的调制波形如图11和图12所示。两个调制信号叠加后ψ(t)-ψ(t-τ)＝0，即调制效果互相抵消。因此调制频率为本征频率的偶数倍时，无法实现有效地调制解调；同理，调制频率不为本征频率的整数倍时，ψ(t)-ψ(t-τ)为不规则波形，很难有效解调。

假设光CT系统的光路总长度为180米，则本征频率调制时，其调制频率为280kHZ，经解调及数据处理后数据延时超过100us；三倍频时，调制频率可提高到840kHz，数据延时可小于50us；五倍频时，调制频率为1400kHz，数据延时可小于15us。因此通过奇次倍频调制，可在不改变光CT光路长度的前提下，灵活设置系统调制频率，提高光CT最高采样率，较小光CT数据延时，满足不同应用场景的高速采样要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种实现光学电流互感器高速测量的方法，其特征在于：采用调制器对光纤中的光信号实施高频调制，通过高频调制提高光学电流互感器的采样率，所述高频调制的调制频率设置为光学电流互感器本征频率的奇数倍，该奇数倍≥3；

所述方法中，利用光纤的Farady磁光效应感应一次电流；

当偏振光在传感光纤中传输时，受到磁场影响，偏振光的相位角会产生与磁场强度成正比例的偏移，转化为两束偏振光间的位相差；

在设置为光学电流互感器本征频率的奇数倍的调制频率下，t时刻的光信号第二次经过调制器时，调制波形与之前t-τ时刻的调制波形叠加，放大调制效果，提高系统灵敏度，其中，τ为光信号的传输时间。

2.如权利要求1所述的一种实现光学电流互感器高速测量的方法，其特征在于：所述方法中，光学电流互感器采用反射式Sagnac干涉结构。