CN108196107A - 一种分布式全光电压测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式全光电压测量系统及其测量方法，具有无源性，抗电磁干扰能力强、响应频带较宽、工频响应好的特点。所述系统包括宽带激光光源、光放大器、光环形器、传输光纤、电压传感器系统、分光器、择光系统、光电转换系统和末端信号显示处理系统，所述宽带激光光源输出一定波长范围内的激光，利用光放大器对光源功率进行放大，通过传输光纤将放大后的光信号送入传感系统各个传感器输入端，各个传感器返回光信号通过择光系统进行筛选，有电压变化的传感器返回光信号发生变化，并通过择光系统相应通道输出，光电探测器将输出光强信号转换为电压信号，通过末端信号显示处理系统，获得此路所测外加电压数值。

Description

一种分布式全光电压测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及电力检测技术领域，特别是一种分布式全光电压测量系统及其测量方法。

背景技术

电网电压实时测量对于系统保护、线路故障监测和测量具有重要的意义。目前，实现长距离输电线路的分布式过电压电压传感存在诸多难题，现有的电压传感装置大多需要在测量点处加装供电单元，在野外或恶劣环境下其工作可靠性无法得到保障；同时，单次电压数据采集量过大，利用无线传输的方式不仅成本高，且一旦信号缺失，数据传输无法完成。此外，由于传感器物理特性限制，即使采用现有的分复用技术仍需要使用多根光纤，多点电压分布式采集难以实现。因此，研究能够进行无源分布式电压测量的全光电压测量系统对电网的控制和运行尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于逆压电效应和C波段光纤光栅的分布式全光路电压测量系统及其测量方法，该系统具有无源性，抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量、工频响应好的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种分布式全光电压测量系统，包括宽带激光光源、光放大器、光环形器、传输光纤、电压传感系统、分光器、择光系统、光电转换系统和末端信号显示处理系统，所述宽带激光光源输出一定波长范围内的激光，通过光放大器对光源信号进行放大，通过传输光纤将光信号送入电压传感系统的输入端，电压传感系统输出多路光信号，所述的多路光信号通过光环行器依次进入分光器、择光系统和光电转换系统，通信光信号通道的分离、选择和光电转换，在末端信号处理系统中显示相应有变化传感器的回送光信号，并对有变化传感器的外加电压的位置和数值进行分析和计算。

进一步，所述电压传感系统包括多个串联连接的电压传感单元，所述电压传感单元包括传感器光栅和压电陶瓷，传感器光栅与相应压电陶瓷直接粘接。

进一步，所述传感器光栅为C波段反射型布拉格光栅；所述压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。

进一步，所述择光系统包括压电陶瓷和透射光栅或压电陶瓷和反射光栅；择光系统中的压电陶瓷尺寸与电压传感系统中的压电陶瓷相同，择光系统中透射光栅或反射光栅的中心波长与电压传感系统中的传感器光栅中心波长之差不大于择光系统或电压传感系统光栅中最大带宽的二分之一。

进一步，所述光电转换系统中的光电探测器将获得电压传感系统输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数，k是光经过传感器光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带激光光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应透射光栅的反射率。

进一步，所述末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

上式中，ΔU为待测电压，

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种分布式全光电压测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至光放大器的输入端；

2)经过放大后的光信号从光放大器输出，通过传输光纤和光环行器进入电压传感系统；

3)电压的作用间接使得光纤光栅中心波长发生变化，激光光束在电压传感系统中经过在不同中心波长的光栅中反射，输出光强信号通过传输光纤传送至分光器；

4)光强信号在分光器中进行分离，分别进入择光系统中的对应不同中心波长光路，择光系统每路输出信号单独进入每路对应的光电探测器；

5)光电转换系统中的光电探测器将光强信号转换为电压信号；

6)末端信号显示处理系统通过电压信号判断是否本路所对应传感器是否具有待测电压，若具有待测电压的施加，通过此电压信号计算待测电压强度。

进一步，所述步骤5)中，光电转换系统中的光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数，k是光经过传感器光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带激光光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应反射光栅的反射率或透射光栅的透射率。

进一步，所述步骤6)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

上式中，ΔU为待测电压，

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的基于逆压电效应和C波段光纤光栅的全光路分布式电压测量系统及其测量方法，具有无源性，抗电磁干扰能力强、响应频带较宽、工频响应好的特点，具有如下优点：

1.具有不需要使用昂贵解调仪器(如光谱仪)等设备，响应频带远超出光谱仪等传统光栅解调设备可解调的范围，在50Hz-20kHz内均可进行有效的电压响应，且响应速度快的特点，适合用于工程电压测量。

2.采用光纤进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。传感器具有较强的抗电磁干扰能力，可适用于电磁环境较为复杂的场合。

3.本发明所采用的分布式全光结构对电压进行多点同时监测，且整个电压传感器系统不需要额外电源对其进行供电，利用光纤对电压传感器系统输入光信号并进一步利用光纤对电压传感器系统的输出信号进行传输，解决了电压传感器在野外工作的数据量大、不方便储存传输的问题，提高了电压传感器在线路上工作的可靠性和稳定性。

4.传感器的尺寸小，测量频段较宽，传输测量信号均通过光纤完成，可实现远距离无源测量。通过实验室对工频正弦波、三角波、方波的基本测试，可与分压器一同用于电网电压测试。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1示出了全光分布式电压测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本实施例的分布式电压测量系统，包括宽带激光光源1、光放大器2、光环形器3、传输光纤4、电压传感系统5、分光器6、择光系统7、光电转换系统8、末端信号显示处理系统9。除光电转换系统8与末端信号显示处理系统9之间为电缆连接，本分布式电压测量系统的1-8部分之间均用传输光纤4连接。所述宽带激光光源1输出一定波长范围内的激光，通过传输光纤4将光信号送入光放大器2，随即进入光环形器3，通过传输光纤4将光信号送入电压传感系统5，电压传感系统5中包含多个(在波长范围内的)不同中心波长的光栅-压电陶瓷电压传感单元，输入光强在外加电压作用下发生变化通过光环形器3输出，进入分光器6，通过传输光纤进入择光系统7，在择光系统7中对电压传感系统中每一路对应中心波长的光信号进行选择输出，进入光电转换系统8，通过光电转换，最终输出信号为电信号，在末端信号显示处理系统9中对此电信号进行显示和处理，获得所测外加电压数值和位置。

所述电压传感系统5包括沿光路依次设置的传感器光栅G01与压电陶瓷P01，传感器光栅G02与压电陶瓷P02，传感器光栅G03与压电陶瓷P03。图中电压传感系统5中给出三个传感单元以作示意，实际传感单元的个数由光放大器输出总功率与光波长范围的大小共同决定。所述传感器光栅均与相应压电陶瓷直接粘接，所述光环形器3的光输入端通过光纤与光放大器的输出端连接，所述光环形器3的光输出端与分光器6的光输入端连接。

宽带激光光源发出的光通过光放大器，由光纤传至光环行器3之后进入传感器光栅G01、G02、G03，传感器光栅分别反射对应于其中心波长的光，与传感器光栅G02相连接的压电陶瓷接受外加电压产生形变，进而引起传感器光栅G02发生形变并产生中心波长的变化，从而使得输出光强发生变化。电压传感系统5中的输出光信号通过光环行器3进入分光器6，其后，光进入择光系统，对相应中心波长的光信号进行选择输出，输出光强进入光电转换系统8，将其转化为能够用示波器直接观测的电压信号。

所述电压传感系统中，每个电压传感单元上的光栅为布拉格反射型光栅，不同组分的压电陶瓷具有不同的压电系数，选择适当压电系数的压电陶瓷可以保证传感器有较好的测量精度。

所述择光系统包括压电陶瓷和透射光栅或压电陶瓷和反射光栅(结合光环行器使用，原理相同)；择光系统中的压电陶瓷尺寸与电压传感系统中的压电陶瓷相同，择光系统中透射光栅或反射光栅的中心波长与电压传感系统中的传感器光栅中心波长之差不大于择光系统或传感系统光栅中最大带宽的二分之一。

所述压电陶瓷的两侧需镀有电极，本例中电极为银电极。

所述光电转换系统中的光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数(也是传感系统中所具有的传感器个数)，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应反射光栅的反射率(或透射光栅的透射率)。

其中，末端信号显示处理系统通过下式获得待测电压：

上式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。

本实施例还提供一种上述高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至光放大器的输入端；

2)经过放大后的光信号从光放大器输出，通过传输光纤和光环行器进入多电压传感器系统；

3)电压/电场的作用间接使得光纤光栅中心波长发生变化，激光光束在电压传感器系统中在不同中心波长的光栅中反射，输出光强信号通过传输光纤传送至分光器；

4)光强信号在分光器中进行分离，分别进入择光系统中对应不同中心波长的光路，择光系统每路输出信号单独进入每路对应的光电探测器；

5)所述光电转换系统中的光电探测器将光强信号转换为电压信号；

6)末端信号显示处理系统通过电压信号判断是否本路所对应传感器是否具有待测电压/电场，若具有待测电压/电场的施加，通过此电压信号计算待测电压强度。

所述步骤5)中，光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数(也是传感系统中所具有的传感器个数)，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应反射光栅的反射率(或透射光栅的透射率)。

所述步骤6)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

上式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽(FWHM)；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。

通过任意函数发生器和高压放大器加载电压测试，本发明的系统和方法，实际测量和拟合结果，工频下的测试结果线性拟合度达0.99，输出电压信号正弦波与输入信号正弦波在50Hz-20kHz均有较好的相符度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种分布式全光电压测量系统，其特征在于：包括宽带激光光源、光放大器、光环形器、传输光纤、电压传感系统、分光器、择光系统、光电转换系统和末端信号显示处理系统，所述宽带激光光源输出一定波长范围内的激光，通过光放大器对光源信号进行放大，通过传输光纤将光信号送入电压传感系统的输入端，电压传感系统输出多路光信号，所述的多路光信号通过光环行器依次进入分光器、择光系统和光电转换系统，通信光信号通道的分离、选择和光电转换，在末端信号处理系统中显示相应有变化传感器的回送光信号，并对有变化传感器的外加电压的位置和数值进行分析和计算。

2.如权利要求1所述的分布式全光电压测量系统，其特征在于：所述电压传感系统包括多个串联连接的电压传感单元，所述电压传感单元包括传感器光栅和压电陶瓷，传感器光栅与相应压电陶瓷直接粘接。

3.如权利要求2所述的分布式全光电压测量系统，其特征在于：所述传感器光栅为C波段反射型布拉格光栅；所述压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。

4.如权利要求2所述的分布式全光电压测量系统，其特征在于：所述择光系统包括压电陶瓷和透射光栅或压电陶瓷和反射光栅；择光系统中的压电陶瓷尺寸与电压传感系统中的压电陶瓷相同，择光系统中透射光栅或反射光栅的中心波长与电压传感系统中的传感器光栅中心波长之差不大于择光系统或电压传感系统光栅中最大带宽的二分之一。

5.如权利要求4所述的分布式全光电压测量系统，其特征在于：所述光电转换系统中的光电探测器将获得电压传感系统输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数，k是光经过传感器光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带激光光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应反射光栅的反射率或透射光栅的透射率。

6.如权利要求5所述的分布式全光电压测量系统，其特征在于：所述末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

上式中，ΔU为待测电压，

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。

7.一种分布式全光电压测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至光放大器的输入端；

2)经过放大后的光信号从光放大器输出，通过传输光纤和光环行器进入电压传感系统；

3)电压的作用间接使得光纤光栅中心波长发生变化，激光光束在电压传感系统中经过在不同中心波长的光栅中反射，输出光强信号通过传输光纤传送至分光器；

4)光强信号在分光器中进行分离，分别进入择光系统中的对应不同中心波长光路，择光系统每路输出信号单独进入每路对应的光电探测器；

5)光电转换系统中的光电探测器将光强信号转换为电压信号；

6)末端信号显示处理系统通过电压信号判断是否本路所对应传感器是否具有待测电压，若具有待测电压的施加，通过此电压信号计算待测电压强度。

8.如权利要求7所述的分布式全光电压测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤5)中，光电转换系统中的光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，A是光放大器的放大倍数，X是分光系统中所具有的分离出的光路数，k是光经过传感器光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λ_B)为宽带激光光源的出射频谱，F₁(λ)为传感器光栅的反射率，F₂(λ)为择光系统中对应反射光栅的反射率或透射光栅的透射率。

9.如权利要求8所述的分布式全光电压测量系统的测量方法，其特征在于：所述步骤6)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

上式中，ΔU为待测电压，

M_PD(λ)代表择光系统中，光电探测器所获得的光强强度；

I_peak代表光源峰值功率；

λ_B代表传感光纤光栅的中心波长；

λ₀代表光源输出中心波长；

R₀代表光纤光栅最大反射率；

λ₁代表参考光纤光栅中心波长；

Δλ₀代表光源输出谱的半峰值全脉宽；

Δλ₁代表参考光纤光栅的半峰值全脉宽；

Δλ₂代表传感光纤光栅的半峰值全脉宽；

λ为积分变量，代表波长，在波长从aa到bb的范围内对光谱信号进行积分，获得光谱能量值。