CN111562422A - 无源电子式电流互感器 - Google Patents

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CN111562422A CN202010485405.4A CN202010485405A CN111562422A CN 111562422 A CN111562422 A CN 111562422A CN 202010485405 A CN202010485405 A CN 202010485405A CN 111562422 A CN111562422 A CN 111562422A
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周红斌
李乐义
赵昌平
万双民
卢晓强
曹建军
徐子林
钟波
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Tianshengqiao Hydropower Generation Co ltd
NR Engineering Co Ltd
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Tianshengqiao Hydropower Generation Co ltd
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Abstract

本发明涉及电力系统测量领域，具体涉及一种无源电子式电流互感器的设计。包括：光源闭环反馈控制回路、集成光学器件、光纤环、双闭环控制回路、温度补偿模块，所述光源闭环反馈控制回路输出光信号至集成光学元件，光信号经延迟线、1/4波片传至光纤环产生干涉，干涉信号返回至第二探测器，第二探测器与双闭环控制回路连接，将干涉信号经过双闭环控制回路反馈至集成光学器件，所述温度补偿模块与第二探测器连接。本发明具有绝缘结构简单可靠、体积小、重量轻、线性度好、抗干扰能力强的特点。

Description

无源电子式电流互感器
技术领域
本发明涉及电力系统测量技术领域，具体涉及一种无源电子式电流互感器。
背景技术
新一代智能变电站中，互感器是监测其运行状态的重要设备，变电站中测量、监控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。随着电压等级的提高，传统电磁式互感器越发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。由于电磁式电流互感器难以在大范围内保持一定的精度和线性度，使测量和保护至少需两组或两组以上独立的互感器。电磁式互感器的输出信号以模拟量的方式传送，不同的信号需不同信号电缆传送，使用电缆较多，远距离传送受到限制，且易受到电磁干扰。特别是，电流互感器的铁芯饱和现象，给继电保护正确识别故障带来许多困难。
因此，亟需一种新型互感器以很好满足新一代智能化变电站的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决传统电磁式电流互感器存在的问题，提供一种无源电子式电流互感器，以达到更高的安全性和可靠性，实现大动态范围准确测量。
本发明提供了一种无源电子式电流互感器，包括光源闭环反馈控制回路、集成光学器件、光纤环、双闭环控制回路和温度补偿模块；
所述双闭环控制回路包括：第二探测器、前放、A/D转换器、主解调器、副解调器、主积分器、副积分器、调制方波生成器、阶梯波生成器、主D/A转换器、副D/A转换器、运算放大器和DR转换器；所述第二探测器经前放与A/D转换器连接，A/D转换器分别与主解调器和副解调器连接，主解调器与主积分器连接，副解调器与副积分器连接，副积分器分别与副D/A转换器和DR转换器连接，主积分器与阶梯波生成器连接，所述调制方波生成器分别与主积分器和副积分器连接；
所述光源闭环反馈控制回路输出光信号至集成光学器件，光信号依次经延迟线、1/4波片传至光纤环产生干涉，干涉信号返回至第二探测器，第二探测器与双闭环控制回路连接，将干涉信号经过双闭环控制回路反馈至集成光学器件，所述温度补偿模块与第二探测器连接。
进一步地，所述集成光学器件包括：第一保偏光纤耦合器、Y波导芯片和第二保偏光纤耦合器；所述第一保偏光纤耦合器与光源闭环反馈控制回路连接，光信号经第一保偏光纤耦合器传入Y波导芯片，在第二保偏光纤耦合器和Y波导芯片之间的一个臂上实现90°的对轴，Y波导芯片的两个臂的光波通过第二保偏光纤耦合器传入延迟线圈。
进一步地，所述集成光学器件采用Y波导反射式光路，选用模式匹配光纤作保偏光纤，光纤环采用HB spun光纤，以提高光纤的圆双折射，抑制线性双折射的增加。
进一步地，所述光纤环包括环形骨架，以及缠绕在环形骨架外的光纤，并在所述环形骨架的外围均匀涂抹有用于对光纤进行支撑的柔性材料，光纤能浸没在柔性材料中，且光纤不与环形骨架相贴合。
进一步地，所述光源闭环反馈控制回路包括SLD光源、Lyot消偏器、第一耦合器、第一探测器、处理电路和驱动电路，所述SLD光源发出光信号经Lyot消偏器传输至第一耦合器，第一耦合器输出光源的同时传输信号至第一探测器，经处理电路和驱动电路反馈至SLD光源，自动调节SLD光源的中心波长。
进一步地，所述温度补偿模块补偿过程为：通过测试不同温度下无源电子式电流互感器的比差或角差数据，解算出无源电子式电流互感器的温度系数，用最小二乘法将测试数据拟合成无源电子式电流互感器的温度模型，并将温度模型写入无源电子式电流互感器的电气单元软件中，以实现对无源电子式电流互感器的温度补偿。
本发明具有以下优点：
(1)本无源电子式电流互感器具有较高的测量范围和精度，通过引入双闭环控制回路彻底解决了传统电磁互感器存在的磁饱和问题；
(2)缠绕光纤的环形骨架外围均匀涂抹用于对光纤进行支撑的柔性材料，光纤能浸没在柔性材料中，且光纤不与环形骨架相贴合。采用此工艺使本无源电子式电流互感器能够不受到振动的影响，同时使温度特性有很大的改善；
(3)通过引入光源闭环反馈控制回路，自动调节SLD光源中心波长，抑制SLD光源中心波长的温度漂移，同时加入温度补偿模块，使无源电子式电流互感器的温度特性大幅提高。
附图说明
图1是本实施例中所述无源式电子电流互感器的原理框图；
图2是本实施例中所述集成光学器件的原理图；
图3是本实施例提供的对称“四态”方波调制原理图；
图4是本实施例提供的传感光纤柔性支撑缠绕技术示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中，一种无源电子式电流互感器，包括光源闭环反馈控制回路、集成光学器件、光纤环、双闭环控制回路和温度补偿模块。所述双闭环控制回路包括：第二探测器、前放、A/D转换器、主解调器、副解调器、主积分器、副积分器、调制方波生成器、阶梯波生成器、主D/A转换器、副D/A转换器、运算放大器和DR转换器；所述第二探测器经前放与A/D转换器连接，A/D转换器分别与主解调器和副解调器连接，主解调器与主积分器连接，副解调器与副积分器连接，副积分器分别与副D/A转换器和DR转换器连接，主积分器与阶梯波生成器连接，所述调制方波生成器分别与主积分器和副积分器连接。所述光源闭环反馈控制回路输出光信号至集成光学器件，光信号依次经延迟线、1/4波片传至光纤环产生干涉，干涉信号返回至第二探测器，第二探测器与双闭环控制回路连接，将干涉信号经过双闭环控制回路反馈至集成光学器件，所述温度补偿模块与第二探测器连接。
如图2所示，本实施例中，所述集成光学器件包括：第一保偏光纤耦合器、Y波导芯片和第二保偏光纤耦合器；所述第一保偏光纤耦合器与光源闭环反馈控制回路连接，光信号经第一保偏光纤耦合器传入Y波导芯片，在第二保偏光纤耦合器和Y波导芯片之间的一个臂上实现90°的对轴，Y波导芯片的两个臂的光波通过第二保偏光纤耦合器传入延迟线圈。
本实施例中，所述集成光学器件采用Y波导反射式光路，选用模式匹配光纤作保偏光纤，光纤环采用HB spun光纤，以提高光纤的圆双折射，抑制线性双折射的增加。
本实施例中，无源电子式电流互感器的工作过程具体如下：
基于光纤的磁光法拉第效应，即在光纤中传播的偏振光因磁场的作用会发生旋转。旋转角
Figure BDA0002518979400000031
与磁场强度H、磁场中的光纤环的长度L成正比：
Figure BDA0002518979400000032
式中，V为光纤材料的Verdet常数，N为传感光纤环的匝数。由于载流导体所产生的闭合磁场满足安培环路定律，即闭合磁场所包围的电流强度
Figure BDA0002518979400000033
因此：
Figure BDA0002518979400000041
对应的传感光纤环的Jones矩阵也就可以表示成：
Figure BDA0002518979400000042
保偏光纤的Jones矩阵为：
Figure BDA0002518979400000043
式中，l为保偏光纤的长度，Δn为光纤的折射率差，j为虚数单位，k为整数。
正向传播时，1/4波片的Jones矩阵为：
Figure BDA0002518979400000044
反向传播时，1/4波片的Jones矩阵为：
Figure BDA0002518979400000045
设初始光矢量为:
Figure BDA0002518979400000046
则经过0°臂重新回到第二保偏光纤耦合器前的光波
Figure BDA0002518979400000047
为：
Figure BDA0002518979400000048
解得：
Figure BDA0002518979400000049
同理，经过90°臂重新回到第二保偏光纤耦合器前的光波
Figure BDA00025189794000000410
为：
Figure BDA00025189794000000411
最终的干涉信号表示为：
Figure BDA00025189794000000412
解调上式中的相位信号便可获得电流强度，其中I0为与光强、光电转换效率、损耗等相关的常量。
本实施例中，采用闭环的解调方案，在整个测量范围的线性度达到较好的效果，原理框图如图1所示。利用高速的AD转换器将调制器输出的干涉光强的模拟信号变为数字信号分别进入主解调器、副解调器，解调后的信号进入主积分器、副积分器，完成数字采样、解调、数字积分等控制算法。调制方波生成器产生±π/2的方波，即引入一个±π/2的相位偏置，促使互感器工作在余弦响应曲线的拐点处，获得最大的灵敏度，即传递函数变为
Figure BDA0002518979400000051
其中，Pin为一常量，与具体的光路有关，
Figure BDA0002518979400000052
是经过光纤环引起的相移。
主积分器的输出信号通过阶梯波生成器形成阶梯波，即将干涉光强的数字信号作为控制信号去控制阶梯波生成器，改变阶梯波的阶梯高度，阶梯波生成器产生的阶梯波与调制方波生成器生成的调制方波相加后，利用主DA转换器将合成的数字信号转换为模拟信号，经运放施加到集成光学器件中的Y波导芯片，形成第一闭环，实现相位置零。副积分器输出信号经DR转换器和运放形成第二闭环，实现调制波复位。从而将第二探测器输出的开环余弦曲线转变为线性响应，使本无源电子式电流互感器的测量范围和精度均大幅提高，彻底解决了传统电磁互感器存在的磁饱和问题。
如图3所示，考虑到互感器长期稳定性受光学器件长期缓慢漂移的影响，本实施例中，采用对称“四态”方波调制，通过对4个对称工作点的解调得到调制效率的变化量，再通过控制主D/A转换器和副D/A转换器的工作点实现对调制效率的自动跟踪与反馈校正，大幅度提高了系统长期稳定性。
如图1所示，考虑到光源中心波长受温度的影响，本实施例中，采用光源闭环反馈控制回路，抑制SLD光源中心波长的温度漂移。所述光源闭环反馈控制回路包括SLD光源、Lyot消偏器、第一耦合器、第一探测器、处理电路和驱动电路，所述SLD光源发出光信号经Lyot消偏器传输至第一耦合器，第一耦合器输出光源的同时传输信号至第一探测器，经处理电路和驱动电路反馈至SLD光源，自动调节SLD光源的中心波长。SLD光源发出的光信号经Lyot消偏器变为非偏振光，经第一耦合器输出至Y波导光路，第一探测器与第一耦合器相连，收集输出的光信号中心波长数据，并通过处理电路和驱动电路形成反馈信号，控制SLD光源温度自动调节光源的中心波长。
本实施例中，加入了温度补偿模块，即通过测试不同温度下无源电子式电流互感器的比差或角差数据，解算出无源电子式电流互感器的温度系数，用最小二乘法将测试数据拟合成无源电子式电流互感器的温度模型，并将温度模型写入无源电子式电流互感器的电气单元软件中，以实现对无源电子式电流互感器的温度补偿。具体原理如下：
无源电子式电流互感器的输出I(T,i)可表示为：
I(T,i)＝K(T)f(i)
式中，T为环境温度，i为一次电流值，K(T)为温度系数，可表示为：
Figure BDA0002518979400000061
式中，ε(T)为无源电子式电流互感器不同温度下比差测试结果。
通过测试不同温度下无源电子式电流互感器的比差数据，便可解算出该无源电子式电流互感器的温度系数，从而建立该无源电子式电流互感器的温度模型，然后通过软件的方法，实现对无源电子式电流互感器的温度补偿。同理，该方法也适用于角差数据的温度补偿。温度建模试验过程中，每10分钟记录一次互感器的准确度和温度数据，试验完成后，用最小二乘法将测试数据拟合成无源电子式电流互感器的温度模型。并将温度模型写入无源电子式电流互感器的电气单元软件中，能够实现对无源电子式电流互感器的温度补偿。
本实施例中，设计了传感光纤柔性支撑缠绕技术，如图4所示。所述光纤环包括环形骨架，以及缠绕在环形骨架1外的光纤3，并在所述环形骨架1的外围均匀涂抹有用于对光纤3进行支撑的柔性材料2，光纤3能浸没在柔性材料中，且光纤3不与环形骨架1相贴合。在缠绕骨架的外围均匀涂抹一层柔性材料对光纤进行支撑，此柔性支撑材料为凝胶或其他低弹态材料，传感光纤相当于浸没在柔性材料中，并不与缠绕骨架紧密结合。采用此工艺的电子式电流互感器可以基本不受到振动的影响，同时温度特性有很大的改善。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无源电子式电流互感器，其特征在于，包括光源闭环反馈控制回路、集成光学器件、光纤环、双闭环控制回路和温度补偿模块；
所述双闭环控制回路包括：第二探测器、前放、A/D转换器、主解调器、副解调器、主积分器、副积分器、调制方波生成器、阶梯波生成器、主D/A转换器、副D/A转换器、运算放大器和DR转换器；所述第二探测器经前放与A/D转换器连接，A/D转换器分别与主解调器和副解调器连接，主解调器与主积分器连接，副解调器与副积分器连接，副积分器分别与副D/A转换器和DR转换器连接，主积分器与阶梯波生成器连接，所述调制方波生成器分别与主积分器和副积分器连接；
所述光源闭环反馈控制回路输出光信号至集成光学器件，光信号依次经延迟线、1/4波片传至光纤环产生干涉，干涉信号返回至第二探测器，第二探测器与双闭环控制回路连接，将干涉信号经过双闭环控制回路反馈至集成光学器件，所述温度补偿模块与第二探测器连接。
2.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于，所述集成光学器件包括：第一保偏光纤耦合器、Y波导芯片和第二保偏光纤耦合器；所述第一保偏光纤耦合器与光源闭环反馈控制回路连接，光信号经第一保偏光纤耦合器传入Y波导芯片，在第二保偏光纤耦合器和Y波导芯片之间的一个臂上实现90º的对轴，Y波导芯片的两个臂的光波通过第二保偏光纤耦合器传入延迟线圈。
3.根据权利要求1或2所述的无源电子式电流互感器，其特征在于，所述集成光学器件采用Y波导反射式光路，选用模式匹配光纤作保偏光纤，光纤环采用HB spun光纤。
4.根据权利要求3所述的无源电子式电流互感器，其特征在于，所述光纤环包括环形骨架，以及缠绕在环形骨架外的光纤，并在所述环形骨架的外围均匀涂抹有用于对光纤进行支撑的柔性材料，光纤能浸没在柔性材料中，且光纤不与环形骨架相贴合。
5.根据权利要求1或2或4所述的无源电子式电流互感器，其特征在于，所述光源闭环反馈控制回路包括SLD光源、Lyot消偏器、第一耦合器、第一探测器、处理电路和驱动电路，所述SLD光源发出光信号经Lyot消偏器传输至第一耦合器，第一耦合器输出光源的同时传输信号至第一探测器，经处理电路和驱动电路反馈至SLD光源，自动调节SLD光源的中心波长。
6.根据权利要求5所述的无源电子式电流互感器，其特征在于，所述温度补偿模块补偿过程为：通过测试不同温度下无源电子式电流互感器的比差或角差数据，解算出无源电子式电流互感器的温度系数，用最小二乘法将测试数据拟合成无源电子式电流互感器的温度模型，并将温度模型写入无源电子式电流互感器的电气单元软件中，以实现对无源电子式电流互感器的温度补偿。
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