CN110988432A - 全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法。采用特定调制信号对全光纤电流互感器进行调制；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得待测电流；同时，对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行动态反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持在调制器标准半波电压附近。本发明不仅能够解调测量电流大小，还能对调制器半波电压进行实时跟踪，并通过反馈调节半波电压大小，减小调制信号波动带来的误差，提高测量准确性。

Description

全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法

技术领域

本发明属于电流传感技术领域，特别涉及了一种全光纤电流互感器的解调方法。

背景技术

长期以来，电磁式互感器一直扮演着电力系统运行监视的重要角色。变电站中测量监视和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。随着电网电压的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点，如电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在铁芯饱和、铁磁谐振过电压等。

随着变电站自动化技术的深入发展，出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型智能化一次设备。光学电流传感器是将光学技术和组件引入电流传感领域，利用光作为传感手段和信息载体的一种新型电流传感器。其优势主要表现在：信号在传输过程中受外界电磁干扰影响小，同时带宽广、容量大、传输距离受限少；传感器以光器件为元件具有绝缘性好、体积小、重量轻、安全性高的优点。因此光学电流传感器从问世开始就被业界给予极大的重视，成为了替代传统电磁式电流传感器的一个热门选择。

全光纤型电流传感器使用的光纤既是通信载体又作为传感器件，传感光纤绕制在被测导体周围，通电测量导线周围产生的磁场对光纤中信号光影响，达到测量电流的目的。全光纤型电流传感器方案具有装配简单、灵活性好、可以根据需求增减绕制的匝数等优点，同时随着光纤制作成本的大幅下降，制作成本日趋低廉，因此得到广泛的研究。但是，由于制作传感头部分光纤承受温度、振动、压力等外界影响，使其在温度、振动敏感性比光学玻璃型电流传感器要求更高，这也成为阻碍全光纤型电流传感器实用化的一大障碍。

全光纤型电流传感器目前主要有单光路电流互感器、双光路电流互感器、干涉光学电流互感器和反射式电流互感器。反射式电流互感器更具有抗干扰优势，更适合作为电流互感器现场使用。两束相干光束在传播过程中走过的管路完全一致，且在同一介质中传播，外接的干扰和元件制造偏差将会同时影响两束光，误差绝大分被抵消了；光行进的方向始终相同，不会引入相位差；光纤经反射镜反射，同样长度的传感光纤，光传输路程加倍，灵敏度提高。

全光纤电流互感器的解调算法很大程度上决定了设备测量的准确度。现阶段全光纤电流互感器的解调方案有开环解调和闭环解调两个方向。现有开环解调方案采用的大多是占空比1:1的方波调制信号，只能解调出调制相位、计算被测电流，无法对调制器的半波电压进行实时跟踪。调制器的标准半波电压与实际半波电压是有误差的，这导致解调得到的调制相移存在误差，测得的电流大小不准确，因此寻找能够实时跟踪调制器半波电压的开环解调算法，成为提高测量准确度的重要思路。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，采用特定调制信号对全光纤电流互感器进行调制；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得待测电流；同时，对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行动态反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持在调制器标准半波电压附近；

所述特定调制信号的周期为2T，在一个周期2T内，0～3T/8之间的幅值为5π/4、T/2～7T/8之间的幅值为-3π/4、T～11T/8之间的幅值为3π/4、3T/2～15T/8之间的幅值为-5π/4的，其余时间幅值为0，其中T为调制周期。

进一步地，探测器的输出信号的周期为2T，占空比为1:3，根据幅值将其波形在一个周期内分为U₁～U₈八段，各段的表达式如下：

上式中，P₀为输入全光纤电流互感器的光强，Φ_s为调制相位。

进一步地，每个调制周期T内对探测器的输出信号进行8N次均匀采样，将U₁～U₈八段中各段的采样值进行累加，得到八段的累加值：

上式中，U_1,3N、U_2,N、U_3,3N、U_4,N、U_5,3N、U_6,N、U_7,3N和U_8,N依次为U₁～U₈对应的累加值，U₁(n)～U₈(n)依次为U₁～U₈中第n个采样点的值，N为正整数。

进一步地，根据下式求解调制相位Φ_s：

进一步地，调制器的工作半波电压与调制器保准半波电压存在偏差，导致探测器输出信号的第1、3、5、7段的实际幅值与理想情况下存在偏差，第1、3、5、7段的实际幅值如下：

上式中，ε为误差系数，V_π'＝(1+ε)V_π，V_π'和V_π分别为调制器的工作半波电压和标准半波电压；

令：

ΔU＝(U₁'+U₇')-(U₃'+U₅')＝2P₀cosΦ_ssin[(1+ε)π]sin[(1+ε)π/4])]

检测ΔU的大小，当检测到ΔU>0时，增加调制器的工作半波电压；当检测到ΔU<0时，减小调制器的工作半波电压；当检测到ΔU＝0时，保持调制器的工作半波电压不变。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明采用特定方波信号，不仅能够解调测量电流大小，还能对调制器半波电压进行实时跟踪，并通过反馈调节半波电压大小，减小调制信号波动带来的误差，提高测量准确性。

附图说明

图1是一种开环解调全光纤电流互感器结构示意图；

图中的标号说明：

1：光源；2：耦合器；3：起偏器；4：相位调制器；5：保偏光纤线圈；6：1/4波片；7：反射镜；8：传感光纤；9：探测器；10：A/D转换器；11：信号处理单元；12：被测电流信号；13：D/A转换器；14：方波信号S(t)；15：方波信号S(t+τ)；

图2为本发明中涉及到的信号波形图；其中，(a)为方波信号S(t)波形波形图；(b)为方波信号S(t+τ)波形波形图；(c)为调制信号波形图；(d)为探测器输出波形图；

图3为本发明全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，全光纤电流互感器包括光源1、耦合器2、起偏器3、相位调制器4、保偏光纤5、1/4波片6、反射镜7、传感光纤8和探测器9。全光纤电流互感器的开环解调装置包括A/D转换器10、信号处理单元11和D/A转换器13，图1中的12为信号处理单元输出的被测电流信号，14和15分别为用于叠加出特定调制信号的方波信号。

在全光纤电流互感器中，光源1发出的光经过耦合器2及起偏器3后，形成线偏振光，线偏振光以45°注入保偏光5后，分成两束正交的线偏光分别沿保偏光纤的快、慢轴传输。两束线偏光经过1/4波片6后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入围绕在被测电流周围的传感光纤8。传感光纤作为Faraday材料，缠绕在一次导体外感应被测电流产生的磁场。Faraday磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相位差。两束圆偏振光经反射镜7反射后，偏振模式互换，并再次穿过传感光纤8，使产生的非互易相移加倍。两束圆偏振光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光，并在起偏器3处发生干涉，最后经由耦合器2输出携带相位信息的光。携带相位信息的光进入探测器9和A/D转换器10，转换为电信号，然后送往信号处理单元11解调出被测电流信息。

(1)特定调制信号的输入

理想情况下，开环OCT探测器PD的输出信号为

上式中，P₀为输入光强，Ф_m为调制信，调制相位Ф_S＝4VMI，M为传感光纤匝数，V为传感光纤的费尔德(Verdet)常数，值为1.12×10^-6rad/A，I为被测电流。

如图2中的(a)和(b)所示，信号处理单元发出两束特殊的方波信号S(t)和S(t+τ)，两束方波信号周期均为2T，时间差τ＝T/2，S(t)周期内T/2～7T/8之间幅值为3π/4、3T/2～15T/8之间幅值为5π/4，其余时间幅值为0，S(t+τ)周期内T～11T/8之间幅值为3π/4、0～3T/4和15T/8～2T之间幅值为5π/4，其余时间幅值为0。两束方波信号混合后得到特定的调制信号Ф_m＝S(t+τ)-S(t)，其波形如图2中的(c)所示。调制信号的周期为2T、周期内0～3T/8之间幅值为5π/4、T/2～7T/8之间幅值为-3π/4、T～11T/8之间幅值为3π/4、3T/2～15T/8之间幅值为-5π/4，其余时间幅值为0。探测器输出的信号如图2中的(d)所示，输出信号周期为2T，占空比为1:3，根据幅值大小可将波形一周期内分为U₁～U₈八段，各段表达式分别为：

(2)信号离散化采样

对探测器输出信号进行离散化采样处理，每个调制周期T内对输出信号进行8N次均匀采样。PD输出信号的周期为2T，根据幅值可以分成U₁～U₈八段，将各段的采样值进行累加，得到：

其中，U₁(n)～U₈(n)依次为U₁～U₈中第n个采样点的值，N为正整数。

(3)解调得到调制相位Ф_S

根据获得的不同时间段采样值累加的结果，进行解调运算，获取携带电流大小信息的调制相位Ф_S。解调算法如下：

由(1)式+(3)式－(5)式－(7)式，得

由(1)式－3×(2)式+(3)式－3×(4)式+(5)式－3×(6)式+(7)式－3×(8)式，得

由(9)式/(10)式，得：

(4)跟踪调制器半波电压

调制器标准半波电压V_π与调制器工作半波电压V_π'的关系为：

V_π'＝(1+ε)V_π

上式中，ε为误差系数。

半波电压的偏差造成探测器输出信号在2T的周期中，1、3、5、7段的幅值与理想情况下有偏差，实际幅值为：

那么：

ΔU＝(U₁'+U₇')-(U₃'+U₅')＝2P₀cosΦ_ssin[(1+ε)π]sin[(1+ε)π/4])]

当ΔU>0时，-1<ε<0，此时V_π'<V_π；当ΔU<0时，0<ε<1，此时V_π'>V_π；当ΔU＝0时，ε＝0，此时V_π'＝V_π。

根据此特性对调制器半波电压进行实时跟踪，并进行动态反馈调节：根据采样值检测ΔU的大小，当检测到ΔU>0时，增加调制器工作半波电压V_π'＝V_π'+ΔV；当检测到ΔU<0时，减小调制器工作半波电压V_π'＝V_π'-ΔV；当检测到ΔU＝0时，保持调制器工作电压V_π'不变。ΔV可以根据装置具体情况调整大小，ΔV越小，调整的准确度越高。动态的反馈调节可以保证调制器工作半波电压V_π'始终保持在调制器标准工作半波电压V_π附近。

上述全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法的流程如图3所示。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，其特征在于：采用特定调制信号对全光纤电流互感器进行调制；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得待测电流；同时，对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行动态反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持在调制器标准半波电压附近；

所述特定调制信号的周期为2T，在一个周期2T内，0～3T/8之间的幅值为5π/4、T/2～7T/8之间的幅值为-3π/4、T～11T/8之间的幅值为3π/4、3T/2～15T/8之间的幅值为-5π/4的，其余时间幅值为0，其中T为调制周期。

2.根据权利要求1所述全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，其特征在于：探测器的输出信号的周期为2T，占空比为1:3，根据幅值将其波形在一个周期内分为U₁～U₈八段，各段的表达式如下：

上式中，P₀为输入全光纤电流互感器的光强，Φ_s为调制相位。

3.根据权利要求1所述全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，其特征在于：每个调制周期T内对探测器的输出信号进行8N次均匀采样，将U₁～U₈八段中各段的采样值进行累加，得到八段的累加值：

上式中，U_1,3N、U_2,N、U_3,3N、U_4,N、U_5,3N、U_6,N、U_7,3N和U_8,N依次为U₁～U₈对应的累加值，U₁(n)～U₈(n)依次为U₁～U₈中第n个采样点的值，N为正整数。

4.根据权利要求3所述全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，其特征在于：根据下式求解调制相位Φ_s：

5.根据权利要求2所述全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法，其特征在于：调制器的工作半波电压与调制器保准半波电压存在偏差，导致探测器输出信号的第1、3、5、7段的实际幅值与理想情况下存在偏差，第1、3、5、7段的实际幅值如下：

上式中，ε为误差系数，V_π'＝(1+ε)V_π，V_π'和V_π分别为调制器的工作半波电压和标准半波电压；

令：

ΔU＝(U₁'+U₇')-(U₃'+U₅')＝2P₀cosΦ_ssin[(1+ε)π]sin[(1+ε)π/4])]

检测ΔU的大小，当检测到ΔU>0时，增加调制器的工作半波电压；当检测到ΔU<0时，减小调制器的工作半波电压；当检测到ΔU＝0时，保持调制器的工作半波电压不变。

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