CN107328986B - 一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置及方法。装置中两路AD并行对探测器信号进行采样，采样数据经过解调模块同时独立解调，解调所得电流信号相加平均后，由DA转换电路施加至Y波导调制器实现闭环控制，同时解调获取电流信号分别进行输出，实现电力应用双重化配置需求；对两个AD在同一调制幅值内交替采样所得数据进行对比判断，给出AD故障告警信号；对两个AD采样数据同时独立进行信号解调得到的电流信号进行比较，给出解调模块故障告警信号。本发明不增加光路复杂程度的情况下，实现双重化配置输出及核心器件、调制解调模块故障告警功能，结构简单、成本低、智能化程度高。

Description

一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置及方法，属于电力设备领域。

背景技术

光纤电流互感器是电力系统关键设备，用于测量电流大小，为电能计量、测控保护提供测量信息，具有绝缘简单、体积小、安全可靠、数字化、智能化及计量、测量、保护一体化等优点，已经在智能化变电站中批量应用，代表互感器发展方向。光纤电流互感器基于磁光法拉第效应及安培环路定律，即偏振光在电流产生的磁场中发生偏转，即相位发生改变，偏转角与电流大小成正比。光纤电流互感器利用互易光路干涉原理，将电流引起的相位变化转化为光强度变化，光强信号经光电探测器转化为电信号后，再由AD采样，由解调模块对信号进行解调，解调后输出电流信号，同时产生偏置信号、反馈阶梯波，最后将偏置信号、阶梯波叠加后共同施加到Y波导器件上，完成数字闭环控制。

当前光纤电流互感器采用单AD采样、单解调方法，被测电流信号输出值都是由一个AD采样解调所得，在电力系统单套配置应用时，能够满足使用要求。但在新一代智能智能化变电站应用中，用户考虑变电站的可靠性，对部分电流继电保护配置进行冗余设计，并给出配置应用规范，要求继电保护用电流互感器双重化配置、双AD采样，同一测量点输出4路独立采样保护数据，也即同一电流保护测量点需要配置两套独立的电流互感器，每套互感器需要两路独立AD采样并解调独立输出保护数据，一旦一个AD发生故障，另一路AD还能正常采样，给出保护数据。

当前光纤电流互感器在应用时，为了满足配置要求，需要在同一测量点装配4套独立光纤电流互感器，给出4路独立保护数据，因此现有光纤电流互感器在进行双配置方案设计时所需成本较高、结构安装不便，不利于工程应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置及方法，在不增加光路复杂程度的情况下，实现双重化配置输出及核心器件、调制解调模块故障告警功能。

本发明的技术解决方案是：一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，该装置包括两个AD模块、数据处理模块、电流对比输出模块，其中：

两个AD模块，在采样时钟的控制下，对光纤电流互感器光电探测器输出电压信号独立进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据，并将其第一AD采样数据第二AD采样数据输出至数据处理模块；

数据处理模块，生成时钟信号发送至AD模块和DA转换模块；按照光路本征周期，分别对两个AD模块输出的第一AD采样数据和第二AD采样数据进行解调得到第一电流数据和第二电流数据，并将其输出至电流对比输出模块；根据第一AD采样数据和第二AD采样数据，对两个AD模块进行故障判断，并根据无故障电流数据产生阶梯波信号；按照光路本征周期生成偏置信号；将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，再通过DA转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器，实现闭环控制；

电流对比输出模块，将第一电流数据和第二电流数据输出；同时，分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据处理模块故障告警信号。

所述数据处理模块包括时序控制模块、AD数据对比模块、解调模块、偏置调制波生成模块、阶梯波生成模块、信号叠加模块、DA转换模块，其中：

时序控制模块，根据光路本征周期，产生两个AD模块和DA转换模块工作时钟，控制AD、DA器件工作运行时序；

AD数据对比模块，根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围之内时，认为该AD模块存在故障，否则，认为该AD模块正常，发出AD模块故障报警信号；

解调模块，对两路AD采样数据进行并行处理，独立解调得到第一电流数据和第二电流数据，当两个AD模块均无故障时，将第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据输出至阶梯波生成模块，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据输出至阶梯波生成模块；

阶梯波生成模块，根据解调模块输入的电流信号生成阶梯波信号；

偏置调制波生成模块，根据光路本征周期，生成偏置信号；

信号叠加模块，将偏置信号和阶梯波信号进行叠加得到反馈信号，输出至DA转换模块；

DA转换模块，将反馈信号进行DA转换，并施加于光纤电流互感器的Y波导调制器，形成闭环控制。

所述偏置信号为方波、四态波或者随机四态波。

所述偏置信号的偏置点取值范围为π/2～π3/4。

在光纤电流互感器同一个调制幅值内，所述两路AD模块间隔交替采样。

数据处理模块采用可编程逻辑器件实现。

本发明另一个技术解决方案是：一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警方法，该方法包括如下步骤：

(1)、采用两路独立的AD采样模块对光纤电流互感器光电探测器输出的信号进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据；

(2)、根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围内时，认为该AD模块存在故障，否则，认为该AD模块正常；当两个AD模块均无故障时，根据第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据产生阶梯波信号，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据产生阶梯波信号，否则，根据上一个光路本征周期的电流数据产生阶梯波信号。

(3)、按照光路本征周期生成偏置信号，进入步骤(4)；

(4)、将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，之后，通过DA转换模块转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器；

(5)、将第一电流数据和第二电流数据输出，同时，分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据解调模块故障告警信号。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明实现了单套电流互感器输出两路独立AD采样保护数据的功能，有效降低应用成本，简化应用、安装复杂程度；

(2)、本发明实现关键电子器件、核心解调模块的故障判断及告警功能，能够有效避免产品自身故障引起保护误操作；

(3)、本发明能够有效提高产品智能化程度，降低产品故障检测成本，简化线路运行巡检工作方式；

(4)、本发明结构简单、成本低、智能化程度高。

附图说明

图1为光纤电流互感器用双采样双解调故障告警方法原理图；

图2为本发明实施例双AD采样时序图；

图3为本发明实施例数据处理模块原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明涉及的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明涉及一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警方法及装置，所述光纤电流互感器包括光路及电路两部分，原理图如图1所示。

光路主要包括光源、耦合器A、耦合器B、光电探测器、Y波导调制器、延迟线圈、波片、敏感环和反射镜。

光路工作原理为：光源在驱动制冷电路作用下，发出的光经过耦合器A而进入集成光学器件，经Y波导集成光学器件对光进行相位调制后，输出两束线偏振光，其中一束光受到了相位调制，两束线偏振光经过经耦合器B后，分别沿保偏光纤快轴和慢轴进入延迟线，再经过λ/4波片转变为两束圆偏振光，其中一束左旋，另一束右旋，进入光纤环的敏感光纤传播，在Faraday磁光效应和被测电流共同作用下两束椭圆偏振光产生相位差

(其中N为圈数、V是石英维尔德常数、I为电流大小)。两束椭圆偏振光传播到反射镜被反射后再次进入敏感光纤，原左旋光变为右旋光，原右旋光变为左旋光，再次在Faraday磁光效应和被测电流共同作用下产生了相位差

此时总相位差变为

两束携带了电流信息的椭圆偏振光又一次经过λ/4波片转变为线偏振光，同时原来沿慢轴传播的线偏振光变为沿快轴传播，原来沿慢轴传播的线偏振光变为沿慢轴传播，最后回到Y波导集成光学器件发生干涉，干涉可将相位变换转化为光功率变化，干涉光再由耦合器A输出到达光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，信号经前置放大即可经电路进行信号采集、信号解调。

双采样双解调故障告警装置即为光纤电流互感器的电路部分，包括两个AD模块、数据处理模块、电流对比输出模块，其中：

两个AD模块，在采样时钟的控制下，对光纤电流互感器光电探测器输出电压信号独立进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据，并将其第一AD采样数据第二AD采样数据输出至数据处理模块；

数据处理模块，生成时钟信号发送至AD模块和DA转换模块；按照光路本征周期，分别对两个AD模块输出的第一AD采样数据和第二AD采样数据进行解调得到第一电流数据和第二电流数据，并将其输出至电流对比输出模块；根据第一AD采样数据和第二AD采样数据，对两个AD模块进行故障判断，并根据无故障电流数据产生阶梯波信号；按照光路本征周期生成偏置信号；将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，再通过DA转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器，实现闭环控制；

电流对比输出模块，将第一电流数据和第二电流数据输出；两路数据均采自同一光电探测器，在AD数据对比模块对两路AD判断无故障的情况下，两路解调电流数据应相差不大，解调电流相差不应超过设定阈值，因此，该模块分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据处理模块故障告警信号，防止装置关键器件损坏造成电流数据异常，引起保护误操作，如果数据正常，则按照用户指定的通信协议发送两路电流数据，最终实现双重化配置要求。该模块优先采用单片机器件实现。所述第二阈值小于第一电流数据或者第二电流数据的1％。

数据处理模块是电路核心部分，通过时序控制AD采样、DA偏置，进行数据判断，给出告警信息；进行并行数据解调，控制偏置波形施加、阶梯波反馈闭环控制，实现双采样、双输出、故障告警等功能，满足电力工程应用双重化配置要求。

数据处理模块采用可编程逻辑器件及数据处理算法实现，原理机构如图3所示，数据解调模块包括时序控制模块、AD数据对比模块、解调模块、偏置调制波生成模块、阶梯波生成模块、信号叠加模块、DA转换模块，其中：

时序控制模块，根据光路本征周期，产生两个AD模块和DA转换模块工作时钟，控制AD、DA器件工作运行时序，确保在DA施加偏置信号后，在同一调制幅值内实现两路AD对光电探测器信号进行交替采样，保证两路采样值同步。双AD采样、DA偏置调制时序如图2所示，在DA施加偏置波形后，在同一调制幅值内，AD1、AD2并行采集光电探测器电信号，为避免两个AD采样相互影响，AD1、AD2采样脉冲交叉间隔进行，既避免采样影响，又能保证同一调制复制内采样数据大小足够接近。

AD数据对比模块，根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围之内时，认为该AD模块存在故障，否则，认为该AD模块正常，发出AD模块故障报警信号；所述第一阈值主要考察同一调制幅值内采样差别，由于采样为同一探测器信号，采样时钟间隔交替进行，采样数据足够接近，两个AD芯片差异较小，采样接近，因此，一般情况下，第一阈值设定为20LSB。所述预设的合理范围主要时考察AD工作中，正常采样与故障采样的差别，合理范围取正常采样经验值，是AD正常工作运行时采样均值，不同产品应用阈值不同。

解调模块，对两路AD采样数据进行并行处理，独立解调得到第一电流数据和第二电流数据，当两个AD模块均无故障时，将第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据输出至阶梯波生成模块，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据输出至阶梯波生成模块；

阶梯波生成模块，根据解调模块输入的电流信号生成阶梯波信号；

偏置调制波生成模块，根据光路本征周期，生成偏置信号；所述偏置信号为方波、四态波或者随机四态波，其偏置点取值范围为π/2～π3/4，选择合适的偏置点有利于提高测试线性度及灵敏度。

信号叠加模块，将偏置信号和阶梯波信号进行叠加得到反馈信号，输出至DA转换模块；

DA转换模块，将反馈信号进行DA转换，并施加于光纤电流互感器的Y波导调制器，形成闭环控制。

一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警方法，其特征在于：

(1)、采用两路独立的AD采样模块对光纤电流互感器光电探测器输出的信号进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据；

(2)、根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围内时，认为该AD模块存在故障，否则，认为该AD模块正常；当两个AD模块均无故障时，根据第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据产生阶梯波信号，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据产生阶梯波信号，否则，根据上一个光路本征周期的电流数据产生阶梯波信号。

(3)、按照光路本征周期生成偏置信号，进入步骤(4)；

(4)、将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，之后，通过DA转换模块转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器；

(5)、将第一电流数据和第二电流数据输出，同时，分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据解调模块故障告警信号。

综上所述，本发明装置及方法能够实现对同一电流互感器光路进行双采样双解调、闭环调制及AD采样故障告警、数据处理模块故障告警等功能。本发明的方案具备结构简单、成本低、智能化程度高的优点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，其特征在于：包括两个AD模块、数据处理模块、电流对比输出模块，其中：

两个AD模块，在采样时钟的控制下，对光纤电流互感器光电探测器输出电压信号独立进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据，并将其第一AD采样数据第二AD采样数据输出至数据处理模块；

数据处理模块，生成时钟信号发送至AD模块和DA转换模块；按照光路本征周期，分别对两个AD模块输出的第一AD采样数据和第二AD采样数据进行解调得到第一电流数据和第二电流数据，并将其输出至电流对比输出模块；根据第一AD采样数据和第二AD采样数据，对两个AD模块进行故障判断，并根据无故障电流数据产生阶梯波信号；按照光路本征周期生成偏置信号；将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，再通过DA转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器，实现闭环控制；

电流对比输出模块，将第一电流数据和第二电流数据输出；同时，分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据处理模块故障告警信号；

所述数据处理模块包括时序控制模块、AD数据对比模块、解调模块、偏置调制波生成模块、阶梯波生成模块、信号叠加模块、DA转换模块，其中：

时序控制模块，根据光路本征周期，产生两个AD模块和DA转换模块工作时钟，控制AD、DA器件工作运行时序；

AD数据对比模块，根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围之内时，认为该AD模块正常，否则，认为该AD模块存在故障，发出AD模块故障报警信号；

解调模块，对两路AD采样数据进行并行处理，独立解调得到第一电流数据和第二电流数据，当两个AD模块均无故障时，将第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据输出至阶梯波生成模块，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据输出至阶梯波生成模块；

阶梯波生成模块，根据解调模块输入的电流信号生成阶梯波信号；

偏置调制波生成模块，根据光路本征周期，生成偏置信号；

信号叠加模块，将偏置信号和阶梯波信号进行叠加得到反馈信号，输出至DA转换模块；

DA转换模块，将反馈信号进行DA转换，并施加于光纤电流互感器的Y波导调制器，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，其特征在于：所述偏置信号为方波、四态波或者随机四态波。

3.根据权利要求1所述光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，其特征在于：所述偏置信号的偏置点取值范围为π/2～π3/4。

4.根据权利要求1所述光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，其特征在于：在光纤电流互感器同一个调制幅值内，所述两个AD模块间隔交替采样。

5.根据权利要求1所述光纤电流互感器用双采样双解调故障告警装置，其特征在于：数据处理模块采用可编程逻辑器件实现。

6.一种光纤电流互感器用双采样双解调故障告警方法，采用权利要求1～权利要求5任一项所述的装置实现，其特征在于包括如下步骤：

(1)、采用两路独立的AD模块对光纤电流互感器光电探测器输出的信号进行采样，得到第一AD采样数据和第二AD采样数据；

(2)、根据第一AD采样数据和第二AD采样数据对两个AD模块进行故障判断，当同一个调制幅值内的第一AD采样数据和第二AD采样数据累加平均值之差超过预设的第一阈值时，认为其中一个AD模块存在故障，否则，认为两个AD模块均无故障；当同一个AD模块在同一调制幅值内得到的采样数据累加平均值在预设的合理范围内时，认为该AD模块正常，否则，认为该AD模块存在故障；当两个AD模块均无故障时，根据第一电流数据和第二电流数据相加平均得到的电流数据产生阶梯波信号，当一路AD模块出现故障时，根据正常的AD模块输出的电流数据产生阶梯波信号，否则，根据上一个光路本征周期的电流数据产生阶梯波信号；

(3)、按照光路本征周期生成偏置信号，进入步骤(4)；

(4)、将阶梯波信号和偏置信号进行叠加，之后，通过DA转换模块转换成模拟信号，反馈至光纤电流互感器的Y波导调制器；

(5)、将第一电流数据和第二电流数据输出，同时，分别将第一电流数据和第二电流数据进行比对，当第一电流数据和第二电流数据之差超过预设的第二阈值时，输出数据解调模块故障告警信号。

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