CN107192869B - 一种具有抗振功能的光学电流互感器及采用该电流互感器实现的抗振动干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有抗振功能的光学电流互感器及采用该电流互感器实现的抗振动干扰的方法，属于电力系统电流测量领域。解决了现有光学电流互感器由于外界振动干扰，影响其输出结果的准确性的问题。本发明光学电流互感器包括一次处理部分、传输光纤部分和二次处理部分；一次处理部分和二次处理部分之间通过传输光纤部分进行双向模拟光信息交换，一次处理部分用于感应电流信号，并将感应的电流信号加载在二次处理部分生成的载波光上，二次处理部分对加载感应的电流的载波光进行抗振处理，从而获得处理后的电流信息。本发明主要应用在振动干扰强度大的电力系统电流测量领域。
Description
技术领域
本发明属于电力系统电流测量领域，具体涉及一种减小光学电流互感器振动干扰影响的方法。
背景技术
光学电流互感器具有许多传统电磁式电流互感器所无法比拟的优点：绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小重量轻、易与数字设备接口等，特别适用于高电压大电流的测量，在电力系统中具有广阔的应用前景。电力系统要求设备具备高可靠性和准确性，这要求光学电流互感器的所有组成部分：光学电流传感单元、传输光纤链路以及二次光电控制和信号处理单元均提出了严格的设计要求。二次光电控制和信号处理单元可以位于控制室内，而光学电流传感单元和传输光纤链路一般控制室外，长期暴露于各种环境之下，比如振动干扰和温度变化等。
光学电流互感器对机械振动的敏感性是阻碍其在电力系统中推广应用最困难的障碍之一。外部机械振动是引起光学电流互感器光信号传输中光强度变化的主要因素。机械振动引起磁光玻璃元件出现线性双折射，一般会导致激化状态的变化，使得激化状态从线性变为椭圆状态，从而导致输出光强度出现不需要的调制。另外，机械振动也会引起光学电流传感单元的光学元件内部出现微小位移，引起光纤链路链接部分发生微小位移，这些因素都会导致光学电流传感器输出光强度发生变化。以往的研究主要集中在光学电流传感单元机械结构的优化、传输光纤的减震布置等方面，但是效果都不是很理想。因此，亟需提供一种光学电流互感器自身具备抗干扰的性能。
发明内容
本发明是为了解决现有光学电流互感器由于外界振动干扰，影响其输出结果的准确性的问题，本发明提供了一种具有抗振功能的光学电流互感器及采用该电流互感器实现的抗振动干扰的方法。
一种具有抗振功能的光学电流互感器，它包括一次处理部分、传输光纤部分和二次处理部分；
一次处理部分和二次处理部分之间通过传输光纤部分进行双向模拟光信息交换，
一次处理部分用于感应电流信号，并将感应的电流信号加载在二次处理部分生成的载波光上，二次处理部分对加载感应的电流的载波光进行抗振处理，从而获得处理后的电流信息。
所述一次处理部分包括导体和磁光玻璃型电流传感器；
二次处理部分包括光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第一除法器、第二除法器、第三除法器、减法器和加法器；
磁光玻璃型电流传感器，用于采集导体的电流信息，
光源发出的光经第一耦合器分束成功率相等的两束光，
其中，第一耦合器输出的一束光作为载波光依次经过第二耦合器、传输光纤部分和磁光玻璃型电流传感器后，加载磁光玻璃型电流传感器采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分和第三耦合器后，送入第二光电探测器进行光电探测，第二光电探测器输出的电信号E2同时输入到第二低通滤波器和第四低通滤波器中，
第二低通滤波器输出的电信号E2A发送至第二除法器被除数输入端，第四低通滤波器输出的电信号E20发送至第二除法器除数输入端，第二除法器对接收的两个电信号E20和E2A进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N，并将所述正向传输光路的电流测量结果E2N同时发送至减法器和加法器；
其中，第一耦合器输出的另一束光作为载波光依次经过第二耦合器、传输光纤部分和磁光玻璃型电流传感器后，加载磁光玻璃型电流传感器采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分和第二耦合器后，送入第一光电探测器进行光电探测，第一光电探测器输出的电信号E1同时输入第一低通滤波器和第三低通滤波器中，
第一低通滤波器输出的电信号E1A发送至第一除法器被除数输入端，第三低通滤波器输出的电信号E10发送至第一除法器除数输入端，第一除法器对接收的两个电信号E10和E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，并将所述反向传输光路的电流测量结果E1N同时发送至减法器和加法器；
减法器输出的数据信号发送至第三除法器被除数输入端，加法器输出的数据信号发送至第三除法器除数输入端，第三除法器输出的电信号为无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息。
所述的第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为3dB光纤耦合器。
传输光纤部分采用多模光纤实现。
所述磁光玻璃型电流传感器包括第一准直器、第一偏振分光棱镜、磁光玻璃元件、第二偏振分光棱镜和第二准直器；
在第一耦合器输出的一束光的传播方向上，依次设有第一准直器、第一偏振分光棱镜、磁光玻璃元件、第二偏振分光棱镜和第二准直器。
采用所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：第一光电探测器对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为 E1；其中，
第二光电探测器对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为E2；其中，
L(t)表示由振动引起的光强变化，表示磁光玻璃型电流传感器的Faraday磁光效应引起的线性偏振光的Faraday旋转角，n1(t)和n2(t)分别为反向传输光路和正向传输光路输出的高频噪声，t表示时间；
步骤二：第一除法器对第一低通滤波器输出的电信号E10和第三低通滤波器输出的电信号E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，
第二除法器对第二低通滤波器输出的电信号E2A和第四低通滤波器输出的电信号E20进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N；
其中，
I1表示第二耦合器输出光信号的光强，I2表示第三耦合器输出光信号的光强，R1表示第一光电探测器的响应率，R2表示第二光电探测器的响应率，A1表示反向传输光路输出的电子放大倍数，A2表示正向传输光路输出的电子放大倍数，L01表示正向传输光路的静态损耗，L02表示反向传输光路的静态损耗。
步骤三：第三除法器对减法器输出的数据信号和加法器输出的数据进行处理，从而获得无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息Sx，
本发明带来的有益效果是，本发明主要利用Faraday磁光效应的非互易特性和振动干扰信号的共模特性，通过光学电流传感单元的双向光传输和简单的二次信号处理方法去有效地消除或减弱振动干扰对输出结果的影响，使得输出结果的准确率提高了20％以上。
Faraday磁光玻璃材料除了自身的双折射外，在遭受到较大的振动时，伴随而来的机械应力容易引起明显的双折射现象，这使得通过传感元件的光的偏振态发生改变。但是这种偏振态的变化与光的传播方向是不相关的，因此可以通过双向传输的补偿方法加以处理。而且由于系统的对称性，同时在两个通道中的共模变化将被补偿。
附图说明
图1为本发明所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器的原理示意图；
图2为磁光玻璃型电流传感器1-2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器，它包括一次处理部分1、传输光纤部分2和二次处理部分3；
一次处理部分1和二次处理部分3之间通过传输光纤部分2进行双向模拟光信息交换，
一次处理部分1用于感应电流信号，并将感应的电流信号加载在二次处理部分3生成的载波光上，二次处理部分3对加载感应的电流的载波光进行抗振处理，从而获得处理后的电流信息。
本实施方式中，本发明通过传输光纤部分2的双向光传输和简单的二次信号处理方法去有效地消除或减弱振动干扰对输出结果的影响，从而提高光学电流互感器输出结果的准确性。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器的区别在于，所述一次处理部分1包括导体1-1和磁光玻璃型电流传感器1-2；
二次处理部分3包括光源3-1、第一耦合器3-2-1、第二耦合器3-2-2、第三耦合器3-2-3、第一光电探测器3-3-1、第二光电探测器3-3-2、第一低通滤波器3-4-1、第二低通滤波器3-4-2、第三低通滤波器3-4-3、第四低通滤波器3-4-4、第一除法器3-6-1、第二除法器3-6-2、第三除法器3-6-3、减法器3-7和加法器3-8；
磁光玻璃型电流传感器1-2，用于采集导体1-1的电流信息，
光源3-1发出的光经第一耦合器3-2-1分束成功率相等的两束光，
其中，第一耦合器3-2-1输出的一束光作为载波光依次经过第二耦合器3-2-2、传输光纤部分2和磁光玻璃型电流传感器1-2后，加载磁光玻璃型电流传感器1-2采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分2和第三耦合器3-2-3后，送入第二光电探测器3-3-2进行光电探测，第二光电探测器3-3-2输出的电信号E2同时输入到第二低通滤波器3-4-2和第四低通滤波器3-4-4中，
第二低通滤波器3-4-2输出的电信号E2A发送至第二除法器3-6-2被除数输入端，第四低通滤波器3-4-4输出的电信号E20发送至第二除法器3-6-2除数输入端，第二除法器 3-6-2对接收的两个电信号E20和E2A进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N，并将所述正向传输光路的电流测量结果E2N同时发送至减法器3-7和加法器3-8；
其中，第一耦合器3-2-1输出的另一束光作为载波光依次经过第二耦合器3-2-2、传输光纤部分2和磁光玻璃型电流传感器1-2后，加载磁光玻璃型电流传感器1-2采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分2和第二耦合器3-2-2后，送入第一光电探测器3-3-1进行光电探测，第一光电探测器3-3-1输出的电信号E1同时输入第一低通滤波器3-4-1和第三低通滤波器3-4-3中，
第一低通滤波器3-4-1输出的电信号E1A发送至第一除法器3-6-1被除数输入端，第三低通滤波器3-4-3输出的电信号E10发送至第一除法器3-6-1除数输入端，第一除法器3-6-1对接收的两个电信号E10和E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，并将所述反向传输光路的电流测量结果E1N同时发送至减法器3-7和加法器3-8；
减法器3-7输出的数据信号发送至第三除法器3-6-3被除数输入端，加法器3-8输出的数据信号发送至第三除法器3-6-3除数输入端，第三除法器3-6-3输出的电信号为无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息。
本实施方式，第一低通滤波器3-4-1和第二低通滤波器3-4-2的作用是滤除输出信号中的高频噪声，根据应用要求，其截至频率一般设置值不小于1KHz；而第三低通滤波器3-4-3和第四低通滤波器3-4-4的作用是提取输出信号中的直流部分，其截至频率一般设置值不大于0.5Hz。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器的区别在于，所述的第一耦合器3-2-1、第二耦合器3-2-2和第三耦合器3-2-3均为3dB光纤耦合器。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器的区别在于，传输光纤部分2采用多模光纤实现。
具体实施方式五：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二述的一种具有抗振功能的光学电流互感器的区别在于，所述磁光玻璃型电流传感器1-2包括第一准直器1-2-1、第一偏振分光棱镜1-2-2、磁光玻璃元件1-2-3、第二偏振分光棱镜1-2-4 和第二准直器1-2-5；
在第一耦合器3-2-1输出的一束光的传播方向上，依次设有第一准直器1-2-1、第一偏振分光棱镜1-2-2、磁光玻璃元件1-2-3、第二偏振分光棱镜1-2-4和第二准直器1-2-5。
具体实施方式六：采用具体实施方式二所述的一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：第一光电探测器3-3-1对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为E1；其中，
第二光电探测器3-3-2对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为 E2；其中，
L(t)表示由振动引起的光强变化，表示磁光玻璃型电流传感器的Faraday磁光效应引起的线性偏振光的Faraday旋转角，n1(t)和n2(t)分别为反向传输光路和正向传输光路输出的高频噪声，t表示时间，E10为第一光电探测器3-3-1输出电信号的直流部分,E20为第二光电探测器3-3-2输出电信号的直流部分；
步骤二：第一除法器3-6-1对第一低通滤波器3-4-1输出的电信号E10和第三低通滤波器3-4-3输出的电信号E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，
第二除法器3-6-2对第二低通滤波器3-4-2输出的电信号E2A和第四低通滤波器 3-4-4输出的电信号E20进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N；
步骤三：第三除法器3-6-3对减法器3-7输出的数据信号和加法器3-8输出的数据进行处理，从而获得无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息Sx，
具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的采用一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法的区别在于，
I1表示第二耦合器3-2-2输出光信号的光强，I2表示第三耦合器3-2-3输出光信号的光强，R1表示第一光电探测器3-3-1的响应率，R2表示第二光电探测器3-3-2的响应率，A1表示反向传输光路输出的电子放大倍数，A2表示正向传输光路输出的电子放大倍数，L01表示正向传输光路的静态损耗，L02表示反向传输光路的静态损耗。
Claims (4)
1.采用一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，所述一种具有抗振功能的光学电流互感器包括一次处理部分(1)、传输光纤部分(2)和二次处理部分(3)；
一次处理部分(1)和二次处理部分(3)之间通过传输光纤部分(2)进行双向模拟光信息交换，
一次处理部分(1)用于感应电流信号，并将感应的电流信号加载在二次处理部分(3)生成的载波光上，二次处理部分(3)对加载感应的电流的载波光进行抗振处理，从而获得处理后的电流信息；
所述一次处理部分(1)包括导体(1-1)和磁光玻璃型电流传感器(1-2)；
二次处理部分(3)包括光源(3-1)、第一耦合器(3-2-1)、第二耦合器(3-2-2)、第三耦合器(3-2-3)、第一光电探测器(3-3-1)、第二光电探测器(3-3-2)、第一低通滤波器(3-4-1)、第二低通滤波器(3-4-2)、第三低通滤波器(3-4-3)、第四低通滤波器(3-4-4)、第一除法器(3-6-1)、第二除法器(3-6-2)、第三除法器(3-6-3)、减法器(3-7)和加法器(3-8)；
磁光玻璃型电流传感器(1-2)，用于采集导体(1-1)的电流信息，
光源(3-1)发出的光经第一耦合器(3-2-1)分束成功率相等的两束光，
其中，第一耦合器(3-2-1)输出的一束光作为载波光依次经过第二耦合器(3-2-2)、传输光纤部分(2)和磁光玻璃型电流传感器(1-2)后，加载磁光玻璃型电流传感器(1-2)采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分(2)和第三耦合器(3-2-3)后，送入第二光电探测器(3-3-2)进行光电探测，第二光电探测器(3-3-2)输出的电信号E2同时输入到第二低通滤波器(3-4-2)和第四低通滤波器(3-4-4)中，
第二低通滤波器(3-4-2)输出的电信号E2A发送至第二除法器(3-6-2)被除数输入端，第四低通滤波器(3-4-4)输出的电信号E20发送至第二除法器(3-6-2)除数输入端，第二除法器(3-6-2)对接收的两个电信号E20和E2A进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N，并将所述正向传输光路的电流测量结果E2N同时发送至减法器(3-7)和加法器(3-8)；
其中，第一耦合器(3-2-1)输出的另一束光作为载波光依次经过第二耦合器(3-2-2)、传输光纤部分(2)和磁光玻璃型电流传感器(1-2)后，加载磁光玻璃型电流传感器(1-2)采集的电流信息，且加载有电流信息的载波光依次经过传输光纤部分(2)和第二耦合器(3-2-2)后，送入第一光电探测器(3-3-1)进行光电探测，第一光电探测器(3-3-1)输出的电信号E1同时输入第一低通滤波器(3-4-1)和第三低通滤波器(3-4-3)中，
第一低通滤波器(3-4-1)输出的电信号E1A发送至第一除法器(3-6-1)被除数输入端，第三低通滤波器(3-4-3)输出的电信号E10发送至第一除法器(3-6-1)除数输入端，第一除法器(3-6-1)对接收的两个电信号E10和E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，并将所述反向传输光路的电流测量结果E1N同时发送至减法器(3-7)和加法器(3-8)；
减法器(3-7)输出的数据信号发送至第三除法器(3-6-3)被除数输入端，加法器(3-8)输出的数据信号发送至第三除法器(3-6-3)除数输入端，第三除法器(3-6-3)输出的电信号为无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息；
其特征在于，
第三低通滤波器3-4-3和第四低通滤波器3-4-4的作用是提取输出信号中的直流部分；
抗振动干扰的方法包括如下步骤：
步骤一：第一光电探测器(3-3-1)对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为E1；其中，
第二光电探测器(3-3-2)对加载有电流信息的载波光进行光电探测，输出的电信号为E2；其中，
L(t)表示由振动引起的光强变化，表示磁光玻璃型电流传感器的Faraday磁光效应引起的线性偏振光的Faraday旋转角，n1(t)和n2(t)分别为反向传输光路和正向传输光路输出的高频噪声，t表示时间；
步骤二：第一除法器(3-6-1)对第一低通滤波器(3-4-1)输出的电信号E10和第三低通滤波器(3-4-3)输出的电信号E1A进行处理，获得反向传输光路的电流测量结果E1N，
第二除法器(3-6-2)对第二低通滤波器(3-4-2)输出的电信号E2A和第四低通滤波器(3-4-4)输出的电信号E20进行处理，获得正向传输光路的电流测量结果E2N；
步骤三：第三除法器(3-6-3)对减法器(3-7)输出的数据信号和加法器(3-8)输出的数据进行处理，从而获得无光源波动干扰和无振动干扰的电流信息Sx，
其中，
I1表示第二耦合器(3-2-2)输出光信号的光强，I2表示第三耦合器(3-2-3)输出光信号的光强，R1表示第一光电探测器(3-3-1)的响应率，R2表示第二光电探测器(3-3-2)的响应率，A1表示反向传输光路输出的电子放大倍数，A2表示正向传输光路输出的电子放大倍数，L01表示正向传输光路的静态损耗，L02表示反向传输光路的静态损耗。
2.根据权利要求1所述的采用一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，其特征在于，所述的第一耦合器(3-2-1)、第二耦合器(3-2-2)和第三耦合器(3-2-3)均为3dB光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的采用一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，其特征在于，传输光纤部分(2)采用多模光纤实现。
4.根据权利要求1所述的采用一种具有抗振功能的光学电流互感器实现的抗振动干扰的方法，其特征在于，所述磁光玻璃型电流传感器(1-2)包括第一准直器(1-2-1)、第一偏振分光棱镜(1-2-2)、磁光玻璃元件(1-2-3)、第二偏振分光棱镜(1-2-4)和第二准直器(1-2-5)；
在第一耦合器(3-2-1)输出的一束光的传播方向上，依次设有第一准直器(1-2-1)、第一偏振分光棱镜(1-2-2)、磁光玻璃元件(1-2-3)、第二偏振分光棱镜(1-2-4)和第二准直器(1-2-5)。
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