CN108445289B - 一种高压直流光学谐波测量装置 - Google Patents

Abstract

一种高压直流光学谐波测量装置，通过双光路光纤敏感环套设在直流载流导体上，双光路光纤敏感环两路谐波电流输出数据分别通过两根保偏光缆连接到第一光学组件和第二光学组件的输入端；第一光学组件的输出端与第一信号处理电路的输入端相连，所述第二光学组件的输出端与第二信号处理电路的输入端相连；第一信号处理电路、第二信号处理电路的输出端数据分别连接至合并单元的输入端；第一控制监测电路和第二控制监测电路还分别与第一信号处理电路、第二信号处理电路相连。本发明解决传统高次谐波采集的传变性差的瓶颈问题。满足低次谐波保护计量装置4kHz采样率需求和高次谐波保护、电能质量计量设备50kHz采样率需求。

Description

一种高压直流光学谐波测量装置

技术领域

本发明属于电气测量技术领域，涉及一种谐波测量装置，特别是一种用于高压直流输变电领域的光学双通道谐波电流测量装置。

背景技术

随着社会的发展进步，大量电力电子装置及非线性负载接入到电网系统，带来的电力谐波导致电能质量恶化，电力谐波对电网的安全稳定运行带来了严重影响。由于直流电网中包含大量的电力电子装置和非线性负载，这样会使大量谐波电流注入到电网中，使得电网电压发生畸变，这些设备就是电力系统的谐波源。直流电力系统中的谐波源主要有：各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器及节能和控制用的电力电子设备；严重的谐波电压和电流能导致继电保护和自动控制设备的误动。谐波信息的准确测量是谐波监测与治理的基础和前提，中国国家标准GB/T20840.8-2007互感器第8部分:电子式电流互感器中要求50次谐波的品质测量比差小于5％，角差小于5°，而传统电流互感器由于原理上的限制，技术上难以满足上述谐波测量要求。全光纤电流互感器是一种基于法拉第磁光效应的新型电子式电流互感器，具有绝缘结构简单、暂态特性好、频带宽等特点，已推广应用于我国新一代智能变电站的建设。由于磁光效应的传变带宽很高，通常认为光纤电流互感器具有优异的谐波测量性能。同时电网运行的过程中由于高次谐波电流的注入，很容易引起二次100Hz谐波保护动作，目前主流的谐波保护是以100HZ的谐波电流作为判据，通过滤波有效的滤掉了高次谐波电流，将谐波电流控制在50-120HZ的范围，能够有效的抑制高次谐波引起的谐波保护的误动作。而随着直流输电系统不断发展，高次谐波的数据挖掘工作不断加深，保护控制策略也在不断的完善，高次谐波新型保护实用化研制进程不断推进。目前高次谐波保护还在研制的摸索期，本发明的光学电流谐波测量装置完全可以为未来的新型谐波保护提供可靠的谐波数据，解决传统高次谐波采集的传变性差的瓶颈问题。而本发明的光学电流谐波测量装置完全可以为未来的新型谐波保护提供可靠的谐波数据，解决传统高次谐波采集的传变性差的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的，在于针对谐波治理、电能计量、保护、控制等多方面的需求，尤其是低次谐波保护装置、新型高次谐波装置以及电能质量计量设备的不同采样需求，设计一种满足低次谐波保护计量装置4kHz采样率需求和高次谐波保护、电能质量计量设备50kHz采样率需求的双通道谐波测量装置。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种高压直流光学谐波测量装置，包括双光路光纤敏感环、第一光学组件、第二光学组件、第一信号处理电路、第二信号处理电路、第一控制监测电路、第二控制监测电路、合并单元；其特征在于：

所述双光路光纤敏感环套设在直流载流导体上，双光路光纤敏感环两路谐波电流输出数据分别通过两根保偏光缆连接到第一光学组件和第二光学组件的输入端；

所述第一光学组件的输出端与第一信号处理电路的输入端相连，所述第二光学组件的输出端与第二信号处理电路的输入端相连；

第一信号处理电路、第二信号处理电路的输出端数据分别连接至合并单元的输入端；

第一控制监测电路和第二控制监测电路还分别与第一信号处理电路、第二信号处理电路相连。

所述第一光学组和第二光学组件结构一致，作为两套单独的光学组件分别连接第一信号处理电路和第二信号处理电路。

本发明进一步包括以下优选方案：

双光路光纤敏感环两路谐波电流输出分别为4kHz和50kHz不同的采样率谐波电流输出，即50kHz采样率谐波电流输出连接至第二信号处理电路，4kHz采样率谐波电流输出连接至第一信号处理电路。

在第一信号处理电路4kHz通道增加前置滤波环节，所述前置滤波环节为高频滤波电路。

所述的第一光学组件的包括光源、耦合器、起偏器、相位调制器、延迟环、探测器，光源发出的光经过耦合器，由起偏器起偏，变为线偏振光，起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°角熔接，相位调制器另一端与延迟环连接，延迟环与保偏光缆连接，探测器与耦合器连接，探测器采集光干涉强度信号并转换成电信号上传至光电信息接收模块。

所述第一信号处理电路3对通过第一光学组件所获得光电信息进行调制解调，通过监控关键电气指标，所述关键电气指标包括光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度，确定所述谐波测量装置运行状态；同时通过高频滤波电路得到4kHz采样率的低次谐波信号，然后传输至合并单元。

所述第二信号处理电路对通过第二光学组件所获得光电信息进行调制解调，输出所需的50kHz谐波量信息，同时利用高速ADC的采样，得到50kHz采样率的高次谐波信号，然后传送至合并单元。

所述第一信号处理电路和第二信号处理电路分别与第一状态监测电路和第二状态监测电路相连；

状态监测电路向对应的信号处理电路采集状态量信息，所述状态量信息包括光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度；然后根据状态量信息调节对应的信号处理电路的参数量，参数量包括：光源驱动电流、谐波电流的比例系数、半波电压、PID参量、采样频率。

本发明具有以下有益的技术效果：

1,本发明实现了双路不同采样频率的谐波测量通道，一路采样频率为50kHz，可应用于高次谐波保护和电能质量设备，另一路采样频率为4kHz，可应用于低次谐波保护和计量设备，适应不同接口。

2，本发明的4kHz采样通道，在合并处理电路前增加高频滤波电路，有效的滤除高次谐波的干扰，优化4kHz谐波数据，最大限度的满足低次谐波保护设备的数据要求。

3，本发明的50kHz高速采样通道，数据处理上采用低延时设计，采用高速ADC器件，采样速率可以达到100MHz，满足50kHz高速采样要求，从数据采集到数据发出延时＜90微秒。

4，软件上调制解调的设计，提高算法解调速度和反馈稳定性，提升检测精度和性能，实现高度动态实时反馈和多回路闭环控制。

5，本发明增加了温度测量模块，通过温度系数补偿精度，减小环境温度带来的谐波测量误差。

6，本发明采用ARM模块对系统进行状态量的监测和参数下发，硬件接口采用光串口，减小了电磁干扰的影响。

附图说明

图1为本发明高压直流光学谐波测量装置的结构示意图；

图2为本发明光学组件的结构示意图；

图3为本发明第一信号处理电路结构示意图；

图4为本发明第二信号处理电路的结构示意图；

图5为4kHz电流采样信号处理流程图；

图6为50kHz电流采样信号处理流程图

图7为本发明高压直流光学谐波测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如附图1所示为本发明高压直流光学谐波测量装置的结构示意图，本发明公开的一种高压直流光学谐波测量装置，包括双光路光纤敏感环8、第一光学组件1、第二光学组件2、第一信号处理电路3、第二信号处理电路4、第一控制监测电路45(附图1、3中的控制监测电路45)、第二控制监测电路65(附图1、4中的控制监测电路65)、合并单元5。

所述双光路光纤敏感环8套设在直流载流导体上，双光路光纤敏感环8两路谐波电流输出数据分别通过两根保偏光缆10连接到第一光学组件1和第二光学组件2的输入端；

所述第一光学组件1的输出端与第一信号处理电路3的输入端相连，所述第二光学组件2的输出端与第二信号处理电路4的输入端相连；

第一信号处理电路3、第二信号处理电路4的输出端数据分别连接至合并单元5的输入端；

控制监测电路45和控制监测电路65还分别与第一信号处理电路3、第二信号处理电路4相连；

所述第一光学组件1和第二光学组件2结构一致，作为两套单独的光学组件分别连接第一信号处理电路3和第二信号处理电路4。

图2为本发明第一、第二光学组件的结构示意图，在本发明中，第一光学组件1和第二光学组件2结构一致。现仅以第一光学组件1为例介绍光学组件内部的连接关系及其功能特征。

所述的第一光学组件1的包括光源11、耦合器12、起偏器13、相位调制器14、延迟环15、探测器16，光源11发出的光经过耦合器12，由起偏器13起偏，变为线偏振光，起偏器13的尾纤与相位调制器14的尾纤以45°角熔接，相位调制器14的另一端与延迟环15连接，延迟环15与保偏光缆10连接，探测器16与耦合器12连接。

线偏振光分别沿保偏光缆10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，进入双光路光纤敏感环8中传播；载流导线中传输的交变电流产生磁场，在双光路光纤敏感环8中产生Faraday磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化(θ＝2NVI，N为光纤圈数，V为光纤维尔德常数，I为导线中通过的电流)，并以不同的速度传输，在镜面处反射后，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)再次通过双光路光纤敏感环8，并经历Faraday效应使两束光产生的相位差加倍，实际产生的相位差为：θ＝4NVI这两束光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光。原来沿保偏光缆10的X轴传播的光变为沿保偏光纤Y轴传播，原来沿保偏光纤Y轴传播的光变为沿保偏光纤X轴传播。两束光在起偏器13处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器12进入探测器16。后续处理电路通过对探测器16得到的干涉信号，进行调制、解调处理得到谐波电流。

如图3所示为第一信号处理电路示意图，所述第一信号处理电路3对所获得光电信息进行调制解调，输出所需的谐波量信息，通过监控关键电气指标，所述关键电气指标包括光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度，确定所述谐波测量装置运行状态；同时通过高频滤波电路得到4kHz采样率的低次谐波信号，然后传输至合并单元5。

所述第一信号处理电路3包括光电信息接收模块30、滤波前置放大电路31、ADC转换电路32、FPGA处理模块33、DAC转换电路34、数据输出合并电路43；

所述的光电信息接收模块30将所获得的光电信息的电压量传递给所述的滤波前置放大电路31进行信号的滤波、放大，然后经过所述的ADC模块32进行模数转换，将模拟量信号转换成数字量信号，得到的数字量信号传递给FPGA处理单元33，进行信号调制、解调处理；

所述FPGA处理模块33将调制信号输出给DAC模块34，所述DAC模块34将调制电压的数字量转换成模拟量传递给第一光学组件1，进行相位调制器14的半波电压调制；所述FPGA处理模块33将解调好的信号经过高频滤波电路44输出给数据输出合并电路43，所述的数据输出合并电路43将信号合并输出给合并单元5。

在本申请实施例中，高频滤波电路44采用FIR滤波原理，基于FPGA逻辑电路采用分布式算法进行实时的低通数字滤波处理。

所述第一信号处理电路3还进一步包括测温电路36和电源模块42；所述的测温电路36负责外部环境温度的采集，并将采集到的温度信息转换成数字量传递给FPGA处理单元33；所述电源模块42为第一信号处理电路3提供所需电源。

图4为第二信号处理电路结构示意图，所述第二信号处理电路4对所获得光电信息进行调制解调，输出所需的50k谐波量信息，同时利用高速ADC的采样，得到50k采样率的高次谐波信号。

所述第二信号处理电路4包括光电信息接收模块50、滤波前置放大电路51、AD转换电路52、FPGA处理模块53、DA转换电路54、光源驱动模块61、数据输出合并电路63；

所述的光电信息接收模块50将所获得的光电信息的电压量传递给所述的滤波前置放大电路51进行信号的滤波、放大，然后经过所述的ADC模块52进行模数转换，将模拟量信号转换成数字量信号，得到的数字量信号传递给FPGA处理单元53，进行信号调制、解调处理；所述FPGA处理模块53将调制信号输出给DAC模块54，所述DAC模块54将调制电压的数字量转换成模拟量传递给第二光学组件2，进行相位调制器24的半波电压调制；所述FPGA处理模块53将解调好的信号输出给数据输出合并电路63，所述的数据输出合并电路63将信号合并输出给合并单元5。

所述第二信号处理电路4还包括测温电路56和电源模块62，所述的测温电路56负责外部环境温度的采集，并将采集到的温度信息转换成数字量传递给FPGA处理单元53进行信号的相关处理。所述电源模块62为第二信号处理电路4提供所需电源。

参照附图3、4，所述第一控制监测电路45和第二控制监测电路65控制信号说明：

状态监测电路向对应的信号处理电路采集状态量信息，所述状态量信息包括：光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度；然后根据状态量信息调节对应的信号处理电路的参数量，参数量包括：光源驱动电流、谐波电流的比例系数、半波电压、PID参量、采样频率。

其中，以第一控制监测电路45为例，包括状态监测模块40、ADC电路38、光源驱动模块41、DAC电路39和ARM模块37，状态监测模块40经过ADC电路38连接至ARM模块37，光源驱动模块41经DAC电路39连接至ARM模块37，ARM模块37连接至第一信号处理电路。

本发明的接口方案，采集器插件接口有两个，一个是用于数据发送的数据发出端口，另一个是用于程序和参数下载的调试端口。两个端口硬件上均采用ST光口设计，每个端口包含一个发送和一个接收口。其中4kHz插件的数据发出端口的速率为5Mbit/s，50kHz插件的数据发出端口速率为20Mbit/s，调试端口的下载速率均为100Mbit/s。电源插件采用220V交直流输入的开关电源供电。

附图7为本发明高压直流光学谐波测量装置示意图，采集装置的主控模块接口有数据输出接口、调试接口和与传感环连接的光纤出纤口，其中a、b为一对4kHz数据输出端口，c、d为4kHz采样处理模块的调试接口。e、f为一对50kHz数据输出端口，g、h为50kHz采样处理模块的调试接口。以上接口均采用光纤接口设计，电源插件采用220kV交直流输入设计。其中i、j为光学组件的出纤口。

如图5、6分别为4kHz和50kHz电流采样信号处理流程图：

4kHz电流采样信号处理流程图说明：光源发出一束宽谱光，经光路偏振滤波得到两束正交的偏振光，两束偏振光在相位调制器内进行相位调制处理，通过控制调制电压对两束偏振光进行相位校正。经过相位调制器的两束偏振光，经过电流磁场，相位会发生变化，变化值与电流大小成正比，返回的两束偏振光在起偏器处干涉，这样携带电流信息的干涉信号，经过光电转换形成电压信号，该电压信号与光的偏振角度成正比。将得到的光强电压信号，进行滤波放大处理，得到电压模拟量信号，将电压模拟量信号经过4kHz采样率的A/D电路转换成4kHz的数字量信号。数字量信号与4kHz参考信号做相关运算，实现解调，滤波，得到解调信号。解调后的数字信号作为数字控制器的输入信号，进行PID调节，同时根据输入的数字信号调制数字方波幅值。解调处理增加闭环反馈环节：利用外部数字斜波调制信号与调制方波在加法器中累加，形成数字阶梯波，并进行D/A转换形成模拟信号，模拟信号经过驱动电路处理，形成模拟阶梯波调制信号。调制电压进行叠加，动态调节相位调制器的电压进而校正偏振光的相位差，实现闭环调制。4kHz的解调数字量经过高频滤波电路滤波处理，乘以系数得到4kHz的电流采样谐波信号，并输出给合并单元。

50kHz电流采样信号处理流程图说明：光源发出一束宽谱光，经光路偏振滤波得到两束正交的偏振光，两束偏振光在相位调制器内进行相位调制处理，通过控制调制电压对两束偏振光进行相位校正。经过相位调制器的两束偏振光，经过电流磁场，相位会发生变化，变化值与电流大小成正比，返回的两束偏振光在起偏器处干涉，这样携带电流信息的干涉信号，经过光电转换形成电压信号，该电压信号与光的偏振角度成正比。将得到的光强电压信号，进行滤波放大处理，得到电压模拟量信号，将电压模拟量信号经过50kHz采样率的A/D电路转换成50kHz的数字量信号。数字量信号与50kHz参考信号做相关运算，实现解调，滤波，得到解调信号。解调后的数字信号作为数字控制器的输入信号，进行PID调节，同时根据输入的数字信号调制数字方波幅值。解调处理增加闭环反馈环节：利用外部数字斜波调制信号与调制方波在加法器中累加，形成数字阶梯波，并进行D/A转换形成模拟信号，模拟信号经过驱动电路处理，形成模拟阶梯波调制信号。调制电压进行叠加，动态调节相位调制器的电压进而校正偏振光的相位差，实现闭环调制。50kHz的解调数字量经过滤波处理，乘以系数得到50kHz的电流采样谐波信号，并输出给合并单元。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压直流光学谐波测量装置，包括双光路光纤敏感环、第一光学组件、第二光学组件、第一信号处理电路、第二信号处理电路、第一控制监测电路、第二控制监测电路、合并单元；其特征在于：

所述双光路光纤敏感环套设在直流载流导体上，双光路光纤敏感环两路谐波电流输出数据分别通过两根保偏光缆连接到第一光学组件和第二光学组件的输入端；

所述第一光学组件的输出端与第一信号处理电路的输入端相连，所述第二光学组件的输出端与第二信号处理电路的输入端相连；

第一信号处理电路、第二信号处理电路的输出端数据分别连接至合并单元的输入端；

第一控制监测电路与第一信号处理电路相连，第二控制监测电路与第二信号处理电路相连；

所述第一光学组件 和第二光学组件结构一致，作为两套单独的光学组件分别连接第一信号处理电路和第二信号处理电路；

双光路光纤敏感环两路谐波电流输出分别为4kHz和50kHz不同的采样率谐波电流输出，即50kHz采样率谐波电流输出连接至第二信号处理电路，4kHz采样率谐波电流输出连接至第一信号处理电路；

所述的第一光学组件包括光源、耦合器、起偏器、相位调制器、延迟环、探测器，光源发出的光经过耦合器，由起偏器起偏，变为线偏振光，起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45º角熔接，相位调制器的另一端与延迟环连接，延迟环与保偏光缆连接，探测器与耦合器连接，探测器采集光干涉强度信号并转换成电信号上传至光电信息接收模块；

线偏振光分别沿保偏光缆的 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，进入双光路光纤敏感环中传播；载流导线中传输的交变电流产生磁场，在双光路光纤敏感环中产生 Faraday 磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在镜面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次通过双光路光纤敏感环，并经历Faraday 效应使两束光产生的相位差加倍，两束光在起偏器处发生干涉，携带相位信息的光由耦合器进入探测器；

所述第一信号处理电路对通过第一光学组件所获得光电信息进行调制解调，并利用外部数字斜波调制信号与调制方波在加法器中累加，形成数字阶梯波，并进行D/A转换形成模拟阶梯波调制信号，动态调节相位调制器的电压进而校正偏振光的相位差，实现闭环调制。

2.根据权利要求1所述的高压直流光学谐波测量装置，其特征在于：

在第一信号处理电路4kHz通道增加前置滤波环节，所述前置滤波环节为高频滤波电路。

3.根据权利要求1或2所述的高压直流光学谐波测量装置，其特征在于：

所述第一信号处理电路对通过第一光学组件所获得光电信息进行调制解调，通过监控关键电气指标，所述关键电气指标包括光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度，确定所述谐波测量装置运行状态；同时通过高频滤波电路得到4kHz采样率的低次谐波信号，然后传输至合并单元。

4.根据权利要求3所述的高压直流光学谐波测量装置，其特征在于：

所述第二信号处理电路对通过第二光学组件所获得光电信息进行调制解调，输出所需的50kHz谐波量信息，同时利用高速ADC的采样，得到50kHz采样率的高次谐波信号，然后传送至合并单元。

5.根据权利要求4所述的高压直流光学谐波测量装置，其特征在于：

所述第一信号处理电路和第二信号处理电路分别与第一控制监测电路和第二控制监测电路相连；

第一控制监测电路和第二控制监测电路从对应相连的第一信号处理电路和第二信号处理电路采集状态量信息，所述状态量信息包括光源驱动电流、光源SLD温度、光源SLD温控电流、调制器半波电压、探测器光功率、外部环境温度；然后根据状态量信息向对应的信号处理电路输出调节参数量，调节参数量包括：光源驱动电流、谐波电流的比例系数、半波电压、PID参量、采样频率。

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