CN108693396A - 一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置及方法，涉及电力系统计量领域。本发明是为了解决现有直流光学测量中存在信噪分离难度大且测量精度低的问题。本发明调制光源发出的光经过传感单元后，经过光电检测器将两路输出信号由光信号转化为电压信号，利用带通滤波器滤除低频噪声，再将两路信号分别经过移相器移相90度，作为后续互相关检测的输入，在Labview中将双光路法的两路信号及其移相后的信号分别进行两重自相关运算和两重互相关运算，并通过运算提取出两路信号的幅值，再进行双光路法的运算得到输出的偏转角大小进而反映出电流的大小，实现电流的测量。本发明适用于对高压直流输电线的电流进行测量。

Description

一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统计量与保护领域，尤其涉及多重相关检测技术以及光学直流测量 技术。

背景技术

近年来，高压直流输电技术飞速发展，而高压直流电流互感器是直流输电工程换流站 不可缺少的核心设备，用于直流控制系统，作用包括控制、保护和测量。直流光学电流互 感器是一种利用磁光材料的磁光效应的无源电流互感器，通过测量由被测电流引起的磁场 强度的线积分来间接测量电流。在光学各向同性的透明介质中，外加磁场H可以使介质中 沿磁场方向传播的线偏振光发生偏转，这种现象即为法拉第磁光效应，其偏转角度θ可以 表示为：

根据法拉第磁光效应，只要测出偏转角，就可以测出待测电流。由于偏转角不易被直 接测量，所以在OCT中常采用马吕斯定律将法拉第偏转角转换为更容易被测量的光强信息。根据马吕斯定律，一束自然光，经过起偏器后变为光强为J'₀的线偏振光，当这束光再经过与起偏器透振方向呈α角的检偏器后，出射光的光强为：

J₁＝J'₀cos²α

其中，J'₀为经起偏器后输出的线偏振光的光强；J₁为经检偏器输出的偏振光光强。

为了得到最大的输出光强以提高OCT的灵敏度，α一般取45°，所以当光源输出的自然光经过传感单元后输出的光强可以表示为：

其中，J_o为经检偏器后输出的偏振光光强；J_i为经起偏器的线偏振光光强；θ为线偏振光法拉第偏转角。

进一步地，磁光玻璃中的出射光进入光电检测器后，可以转换为可测的电压信号进行 后续处理。在光电检测器输出的电压为：

V₀＝U₀(1-2NVi)，

其中，V₀为J_o对应的电压信号；U₀为对应的电压信号，V是光学材料的费尔德常数，N是线偏振光绕待测电流i的环数。

经过上述推导可以看出，光强波动会对测量结果造成影响，使得测量结果精度低。

同时，直流光学电流互感器也存在一些问题。首先测量系统存在噪声，噪声的主要来 源是光电检测器产生的低频噪声以及散粒噪声、热噪声等各种白噪声。而当测量电流比较 小时，法拉第偏转角很小，光电检测器输出信号很小，导致输出信噪比很低，同时，待测信号为直流信号，而光电检测器产生的低频噪声频带在1kHz以下，导致信号与噪声的频带重叠，这样就很难将信号与噪声分离。

微弱信号检测技术是一种解决在噪声或干扰中检测有用微弱信号问题的技术。由于一 般的放大器在放大信号的同时也会放大无用的噪声，同时放大器本身也会引入噪声，所以 在提取幅值较小，信噪比较低的信号时不宜使用放大器进行信号处理。相关检测法是微弱 信号检测技术的一种，主要利用信号具有相关性而噪声具有随机性的特点对信号进行检测。 自相关和互相关函数如下：

其中，T是周期信号x(t)的周期；τ是延时。

数字式自相关检测和互相关检测可以通过累加平均的方法实现，先将待测信号取样， 进行模数转换，再进行如下运算：

其中，N为累加平均的次数；k为延时序号。

然而仅通过自相关或互相关运算进行信噪分离很难达到电流互感器要求的0.2S级的测 量精度。

发明内容

本发明是为了解决现有直流光学测量中存在信噪分离难度大且测量精度低的问题，现 提供一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置及方法。

一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，包括：光学测量单元和信号处理单 元，

光学测量单元包括：调制光源11、传感单元和两个光电检测器16，传感单元位于直流 输电线路产生的磁场中，

信号处理单元包括：滤波单元、移相单元、数据采集卡23和上位机24，

调制光源11输出的信号光入射至传感单元，传感单元输出的两路光分别入射至两个光 电检测器16，两个光电检测器16的电压信号输出端连接滤波单元的电压信号输入端，滤 波单元的滤噪信号输出端同时连接移相单元的滤噪信号输入端和数据采集卡23的滤噪信 号输入端，移相单元的移相信号输出端连接数据采集卡23的移相信号输入端，数据采集卡 23采集到的信号包括两路滤噪信号和两路移相信号，

上位机24内置有Labview分析模块，该Labview分析模块包括两路计算单元、差除和 运算单元和电流获得单元，一路滤噪信号和一路移相信号发送至一路计算单元，另一路滤 噪信号和另一路移相信号发送至另一路计算单元，计算单元包括两重相关运算单元和幅值 计算单元，

一重相关运算单元：对滤噪信号进行自相关运算，获得一重自相关结果R_xx1，对滤噪 信号和移相信号进行互相关运算，获得一重互相关结果R_xy1，

二重相关运算单元：对一重自相关结果R_xx1进行自相关运算，获得二重自相关结果R_xx2， 对一重自相关结果R_xx1和一重互相关结果R_xy1进行互相关运算，获得二重互相关结果R_xy2，

幅值计算单元：利用二重自相关结果R_xx2和二重互相关结果R_xy2计算幅值，

差除和运算单元：根据下式结合两路计算单元获得的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两路计算单元获得的幅值，

电流获得单元：根据偏转角获得待测直流电流。

一种基于多重相关检测技术的直流光学测量方法，该方法是基于光学测量单元和信号 处理单元实现的，光学测量单元包括调制光源11、起偏器12、TGG晶体13、分光片14、两个检偏器15和两个光电检测器16，信号处理单元包括两个带通滤波器21和两个90度 移相器22，TGG晶体13位于待测电流所产生的直流磁场中，

调制光源11输出的信号光入射至起偏器12，起偏器12输出的线偏振光入射至TGG晶体13，TGG晶体13输出的偏振光经分光片14分为两束相互垂直的光，两束光各自入射 至一个检偏器15中，

一个检偏器15的输出光入射至一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信号输 出端连接一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出端连接 一个90度移相器22的滤噪信号输入端，

另一个检偏器15的输出光入射至另一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信 号输出端连接另一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出 端连接另一个90度移相器22的滤噪信号输入端，

所述方法包括以下步骤：

分别采集两个带通滤波器21输出的滤噪信号和两个90度移相器22输出的移相信号，

将一个滤噪信号和一个移相信号作为一个计算组，分别计算两个计算组的幅值，

根据下式结合两个计算组的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两个计算组获得的幅值，

根据偏转角获得待测直流电流。

本发明采用光学电流测量装置实现电流的测量，采用基于Labview开发的图形界面实 现基于多重相关检测方法的信号处理，实现电流的实时测量并提高测量精度。本发明可以 有效地提高信噪比，解决信号与噪声频带重叠的问题，提高测量精度，本发明适用于对高 压直流输电线的正常运行电流及短路雷击等情况下的暂态电流进行测量。

附图说明

图1为光学测量单元和信号处理单元的结构框图；

图2为上位机中Labview分析模块的结构框图。

具体实施方式

当输电线路有电流流过时，会产生磁场，当调制线偏振光经过置于这个直流磁场中的 磁光玻璃时，便会产生相应的偏转角，这个偏转角也是一个高频信号。通过分光棱镜将光 路分为两路相互垂直的光，分别通过光电检测器将光信号转换为便于测量与处理的电压信 号，并通过带通滤波器进行滤波，滤除光电检测器产生的大部分噪声，在通过移相器将两 路信号进行移相，通过数据采集卡将信号与移相后的信号共四路信号采集到上位机的 Labview软件中，进行二重自相关运算以及二重互相关运算，得到两路信号的幅值，进一 步通过差除和运算得到偏转角的大小，即可得到待测直流的大小。具体操作为以下两个具 体实施方式：

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于 多重相关检测技术的直流光学测量装置，包括：光学测量单元和信号处理单元，光学测量 单元包括：调制光源11、起偏器12、TGG晶体13、分光片14、两路检偏器15和两个光 电检测器16，TGG晶体13位于待测电流所产生的直流磁场中，信号处理单元包括：两个 带通滤波器21、两个90度移相器22、数据采集卡23和上位机24。

调制光源11输出的信号光入射至起偏器12，调制光源11使得输出信号由直流迁移至 高频带，实现信号与低频噪声的频带分离。

起偏器12输出的线偏振光入射至TGG晶体13，线偏振光经过置于磁场中的磁光晶体 后发生偏转产生旋转角。本实施方式采用具有高费尔德常数的TGG晶体，以提高输出信号 的幅值，进而提高信噪比。

本实施方式中，为了消除光强波动对测量结果造成的影响，采用双光路法对线偏振光 进行检测，即：TGG晶体13输出的偏振光经分光片14分为两束相互垂直的光，两束光各自入射至一个检偏器15中，两只检偏器15分别与入射起偏器12呈±45°角，得到两路光 的输出光强分别为：

其中，J_i为入射线偏振光光强，为线偏振光法拉第偏转角。

将两路光强代入下式：

其中u_o为输出电压信号。

通过上式能够看出，双光路法可消除光强波动的影响，提高测量精度。

一个检偏器15的输出光入射至一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信号输 出端连接一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出端连接 一个90度移相器22的滤噪信号输入端和数据采集卡23的一个滤噪信号输入端，该90度移相器22的移相信号输出端连接数据采集卡23的一个移相信号输入端，

另一个检偏器15的输出光入射至另一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信 号输出端连接另一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出 端连接另一个90度移相器22的滤噪信号输入端和数据采集卡23的另一个滤噪信号输入端，该90度移相器22的移相信号输出端连接数据采集卡23的另一个移相信号输入端，即：数据采集卡23采集到的信号包括两路滤噪信号和两路移相信号。

带通滤波器21用于滤除输出信号产生的低频噪声以及部分白噪声，90度移相器22将 信号移相90度，作为互相关检测的另一路输入信号。数据采集卡23采用ADLINK公司的USB-2405数据采集卡，将两路滤噪信号以及移相90度后的信号采集至上位机中的Labview(基于图形化编辑语言G编写程序的一种程序开发环境)程序中进行信号处理。

Labview分析模块包括两路计算单元、差除和运算单元和电流获得单元，一路滤噪信 号和一路移相信号发送至一路计算单元，另一路滤噪信号和另一路移相信号发送至另一路 计算单元，计算单元包括两重相关运算单元和幅值计算单元，

一重相关运算单元：对滤噪信号x(t)＝Asin(ωt)+n(t)进行自相关运算，获得一重自相 关结果对滤噪信号和移相信号y(t)＝Acos(ωt)+n′(t)进行互相关运算， 获得一重互相关结果

二重相关运算单元：对一重自相关结果R_xx1进行自相关运算，获得二重自相关结果对一重自相关结果R_xx1和一重互相关结果R_xy1进行互相关运算，获得二重互相关结果ω信号角频率，τ为相关运算延时。

幅值计算单元：利用二重自相关结果R_xx2和二重互相关结果R_xy2计算幅值其中A为A₁或A₂，

差除和运算单元：根据下式结合两路计算单元获得的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两路计算单元获得的幅值，

电流获得单元：根据偏转角获得电流值。

上述利用自相关运算法实现信噪分离的原理如下：

设滤噪信号为x(t)＝s(t)+n(t)，其中s(t)为待测信号，n(t)为噪声，

对x(t)做自相关运算，可以得到：

R_x(τ)＝E[x(t)x(t-τ)]＝R_s(τ)+R_n(τ)+R_sn(τ)+R_ns(τ)

其中，R_x(τ)为一重自相关运算函数、x(t-τ)为x(t)延时后的信号、R_s(τ)为待测信号的自相关函数、R_n(τ)为噪声的自相关函数、R_sn(τ)和R_ns(τ)为待测信号和噪声的互相 关函数。

由于噪声具有随机性，故当噪声进行自相关运算后，得到的结果R_n(τ)近似为0，由于 噪声与周期信号不具有相关性，故R_sn(τ)＝R_ns(τ)＝0。而周期信号具有相关性，进行相关运 算后结果R_s(τ)不是0，这样就可以实现从噪声中提取出有用信号。以s(t)是正弦信号为例， 其进行自相关运算后的结果为：

同理，假设两路信号分别为掺杂噪声的正弦和余弦信号时，利用互相关法提取信号的 原理如下：

x(t)＝A sin(ωt+θ)+n₁(t)

y(t)＝B cos(ωt+θ)+n₂(t)

互相关后结果为：

具体实施方式二：本实施方式所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量方法， 该方法是基于光学测量单元和信号处理单元实现的，光学测量单元包括调制光源11、起偏 器12、TGG晶体13、分光片14、两个检偏器15和两个光电检测器16，信号处理单元包括两个带通滤波器21和两个90度移相器22，TGG晶体13位于待测电流所产生的直流磁 场中，

调制光源11输出的信号光入射至起偏器12，起偏器12输出的线偏振光入射至TGG晶体13，TGG晶体13输出的偏振光经分光片14分为两束相互垂直的光，两束光各自入射 至一个检偏器15中，

一个检偏器15的输出光入射至一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信号输 出端连接一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出端连接 一个90度移相器22的滤噪信号输入端，

另一个检偏器15的输出光入射至另一个光电检测器16中，该光电检测器16的电压信 号输出端连接另一个带通滤波器21的电压信号输入端，该带通滤波器21的滤噪信号输出 端连接另一个90度移相器22的滤噪信号输入端，

所述方法包括以下步骤：

分别采集两个带通滤波器21输出的滤噪信号和两个90度移相器22输出的移相信号，

将一个滤噪信号和一个移相信号作为一个计算组，分别计算两个计算组的幅值，

根据下式结合两个计算组的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两个计算组获得的幅值，

根据偏转角获得电流值。

所述计算组计算幅值的方法为：

对滤噪信号进行自相关运算，获得一重自相关结果R_xx1，

对滤噪信号和移相信号进行互相关运算，获得一重互相关结果R_xy1，

对一重自相关结果R_xx1进行自相关运算，获得二重自相关结果R_xx2，

对一重自相关结果R_xx1和一重互相关结果R_xy1进行互相关运算，获得二重互相关结果 R_xy2，

利用二重自相关结果R_xx2和二重互相关结果R_xy2计算幅值。

Claims (10)

1.一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，包括：光学测量单元和信号处理单元，

光学测量单元包括：调制光源(11)、传感单元和两个光电检测器(16)，传感单元位于直流输电线路产生的磁场中，

信号处理单元包括：滤波单元、移相单元、数据采集卡(23)和上位机(24)，

调制光源(11)输出的信号光入射至传感单元，传感单元输出的两路光分别入射至两个光电检测器(16)，两个光电检测器(16)的电压信号输出端连接滤波单元的电压信号输入端，滤波单元的滤噪信号输出端同时连接移相单元的滤噪信号输入端和数据采集卡(23)的滤噪信号输入端，移相单元的移相信号输出端连接数据采集卡(23)的移相信号输入端，数据采集卡(23)采集到的信号包括两路滤噪信号和两路移相信号，

上位机(24)内置有Labview分析模块，该Labview分析模块包括两路计算单元、差除和运算单元和电流获得单元，一路滤噪信号和一路移相信号发送至一路计算单元，另一路滤噪信号和另一路移相信号发送至另一路计算单元，计算单元包括两重相关运算单元和幅值计算单元，

一重相关运算单元：对滤噪信号进行自相关运算，获得一重自相关结果R_xx1，对滤噪信号和移相信号进行互相关运算，获得一重互相关结果R_xy1，

二重相关运算单元：对一重自相关结果R_xx1进行自相关运算，获得二重自相关结果R_xx2，对一重自相关结果R_xx1和一重互相关结果R_xy1进行互相关运算，获得二重互相关结果R_xy2，

幅值计算单元：利用二重自相关结果R_xx2和二重互相关结果R_xy2计算幅值，

差除和运算单元：根据下式结合两路计算单元获得的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两路计算单元获得的幅值，

电流获得单元：根据偏转角获得待测直流电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，调制光源(11)为发光二极管，所述发光二极管由交流电流驱动。

3.根据权利要求1所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，传感单元包括：起偏器(12)、TGG晶体(13)、分光片(14)和两路检偏器(15)，TGG晶体(13)位于待测电流所产生的直流磁场中，

调制光源(11)输出的信号光入射至起偏器(12)，起偏器(12)输出的线偏振光入射至TGG晶体(13)，TGG晶体(13)输出的偏振光经分光片(14)分为两束相互垂直的光，两束光各自入射至一路检偏器(15)中，两路检偏器(15)输出的两路光即为传感单元输出的两路光。

4.根据权利要求1所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，滤波单元包括两个带通滤波器(21)，移相单元包括两个90度移相器(22)，

传感单元输出的两路光分别入射至两个带通滤波器(21)，

一个带通滤波器(21)的滤噪信号输出端同时连接一个90度移相器(22)的滤噪信号输入端和数据采集卡(23)的一个滤噪信号输入端，一个90度移相器(22)的移相信号输出端连接数据采集卡(23)的一个移相信号输入端，

另一个带通滤波器(21)的滤噪信号输出端同时连接另一个90度移相器(22)的滤噪信号输入端和数据采集卡(23)的另一个滤噪信号输入端，另一个90度移相器(22)的移相信号输出端连接数据采集卡(23)的另一个移相信号输入端。

5.根据权利要求1所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，数据采集卡(23)的型号为USB-2405。

6.根据权利要求1所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，根据下式获得一重自相关结果R_xx1：

根据下式获得二重自相关结果R_xx2：

上述ω信号角频率，τ为相关运算延时，A为计算单元获得的幅值，A为A₁或A₂。

7.根据权利要求6所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，根据下式获得一重互相关结果R_xy1：

根据下式获得二重互相关结果R_xy2：

上述ω为信号角频率，τ为相关运算延时，A为计算单元获得的幅值。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量装置，其特征在于，幅值计算单元中，根据下式获得幅值A：

9.一种基于多重相关检测技术的直流光学测量方法，其特征在于，该方法是基于光学测量单元和信号处理单元实现的，光学测量单元包括调制光源(11)、起偏器(12)、TGG晶体(13)、分光片(14)、两个检偏器(15)和两个光电检测器(16)，信号处理单元包括两个带通滤波器(21)和两个90度移相器(22)，TGG晶体(13)位于待测电流所产生的直流磁场中，

调制光源(11)输出的信号光入射至起偏器(12)，起偏器(12)输出的线偏振光入射至TGG晶体(13)，TGG晶体(13)输出的偏振光经分光片(14)分为两束相互垂直的光，两束光各自入射至一个检偏器(15)中，

一个检偏器(15)的输出光入射至一个光电检测器(16)中，该光电检测器(16)的电压信号输出端连接一个带通滤波器(21)的电压信号输入端，该带通滤波器(21)的滤噪信号输出端连接一个90度移相器(22)的滤噪信号输入端，

另一个检偏器(15)的输出光入射至另一个光电检测器(16)中，该光电检测器(16)的电压信号输出端连接另一个带通滤波器(21)的电压信号输入端，该带通滤波器(21)的滤噪信号输出端连接另一个90度移相器(22)的滤噪信号输入端，

所述方法包括以下步骤：

分别采集两个带通滤波器(21)输出的滤噪信号和两个90度移相器(22)输出的移相信号，

将一个滤噪信号和一个移相信号作为一个计算组，分别计算两个计算组的幅值，

根据下式结合两个计算组的幅值获得偏转角θ，

其中，A₁和A₂分别为两个计算组获得的幅值，

根据偏转角获得待测直流电流。

10.根据权利要求9所述的一种基于多重相关检测技术的直流光学测量方法，其特征在于，计算组计算幅值的方法为：

对滤噪信号进行自相关运算，获得一重自相关结果R_xx1，

对滤噪信号和移相信号进行互相关运算，获得一重互相关结果R_xy1，

对一重自相关结果R_xx1进行自相关运算，获得二重自相关结果R_xx2，

对一重自相关结果R_xx1和一重互相关结果R_xy1进行互相关运算，获得二重互相关结果R_xy2，

利用二重自相关结果R_xx2和二重互相关结果R_xy2计算幅值。