CN112748387B - 基于光纤电流传感器的电流检测方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤电流传感器的电流检测方法、装置和系统。电流检测方法包括：获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值；根据所述光纤电流传感器的误差补偿关系，计算所述光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值；根据所述当前补偿相输出电流表征值，计算所述检测电流表征值对应的电流校正值。本发明光纤电流传感器的误差补偿关系，对光纤电流传感器的标定相对误差进行补偿计算，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值，最后通过该当前补偿相输出电流表征值计算输出检测电流表征值对应的电流校正值，提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度，提高了光纤电流传感器的测量范围。

Description

基于光纤电流传感器的电流检测方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及一种光纤电流检测方法，具体地说是一种基于光纤电流传感器的电流检测方法、装置和系统。

背景技术

电流传感器作为电力系统不可缺少的重要设备之一，保证了电力系统的可靠性和安全性。基于法拉第效应的光纤电流传感器(FOCS)具有固有的绝缘性、抗电磁干扰、重量轻等优点，是电力行业一项很有前途的技术。

现有的光纤电流传感器通过对一具体的小电流进行标定，可以高精度、高准确度地计算出电流检测值。但是，当被测电流较大时，电流检测的准确度和精度就会大大降低，无法满足实际需要。

因此，如何提高光纤电流传感器在大电流检测时检测结果的准确性，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于光纤电流传感器的电流检测方法、装置和系统，以解决现有的光纤电流传感器的在测量大电流时检测结果不准确的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤电流传感器的电流检测方法，包括以下步骤：

a、获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值；

b、根据光纤电流传感器的误差补偿关系，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值；

c、根据当前补偿相输出电流表征值，计算检测电流表征值对应的电流校正值。

进一步的，步骤b中的光纤电流传感器的误差补偿关系的确定方式为：先获取光纤电流传感器输出的若干历史检测电流表征值；再根据得到的若干历史检测电流表征值，计算历史相对误差集合；最后，根据得到的历史相对误差集合，利用拟合公式拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系；所述拟合公式为：

其中，A^P、B^P、C^P、A^V、B^V、C^V、A^I、B^I、C^I、

和

均为拟合参数。

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种；所述校正标定电流表征值包括校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

中的一种或多种。

上述的计算历史相对误差集合包括以下步骤：

b-1、计算若干历史检测电流表征值中任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，具体计算公式为：

所述任一历史检测电流表征值包括历史检测光强值P₁ ^h、历史检测电压值V₁ ^h、历史检测电流值

和历史检测法拉第相移值

中的一种或多种；所述任一历史检测电流表征对应的历史相对误差包括历史光强相对误差ε^P、历史电压相对误差ε^V、历史电流相对误差ε^I和历史法拉第相移相对误差

中的一种或多种。

b-2、根据任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，构建历史相对误差集合。

进一步的，步骤b中的光纤电流传感器的误差补偿关系的计算公式为：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移，δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量，δ为光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量，δ_I为光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量，T为光纤电流传感器中圆双折射延迟量，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤电流传感器的光纤环路的数量，I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值；

和

均为比例参数。

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种。

进一步的，步骤b中的当前补偿相输出电流表征值的计算公式为：

其中，α为光纤电流传感器的误差补偿关系，P₁为未校正输出光强值，V₁为未校正输出电压值，I₁为未校正输出电流值，

为未校正输出法拉第相移值。

所述当前补偿相输出电流表征值包括校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂或校正输出法拉第相移值

中的一种或多种。

进一步的，步骤c中的检测电流表征值对应的电流校正值I的计算公式为：

或

其中，K₁，K₂，K₃和K₄均为光纤电流传感器的标度因子。

一种基于光纤电流传感器的电流检测装置，包括：

第一获取模块，用于获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值；

第一计算模块，用于根据光纤电流传感器的误差补偿关系，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值；以及

第二计算模块，用于根据当前补偿相输出电流表征值，计算检测电流表征值对应的电流校正值。

所述第一计算模块的计算当前补偿相输出电流表征值的计算公式为：

其中，α为光纤电流传感器的误差补偿关系，P₁为未校正输出光强值，V₁为未校正输出电压值，I₁为未校正输出电流值，

为未校正输出法拉第相移值。

所述当前补偿相输出电流表征值包括校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂或校正输出法拉第相移值

中的一种或多种。

所述第二计算模块的计算检测电流表征值对应的电流校正值I的计算公式为：

或

其中，K₁，K₂，K₃和K₄均为光纤电流传感器的标度因子。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第二获取模块，用于在获取光纤电流传感器输出的若干历史检测电流表征值；

第三计算模块，用于根据若干历史检测电流表征值，计算历史相对误差集合；以及

拟合模块，用于根据历史相对误差集合，利用拟合公式拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系；所述拟合公式为：

其中，α^P为光强误差补偿关系，α^V为电压误差补偿关系，α^I为电流误差补偿关系，

为法拉第相移误差补偿关系；P_d为校正标定光强值，V_d为校正标定电压值，I_d为校正标定电流值，

为校正标定法拉第相移值；A^P、B^P、C^P、A^V、B^V、C^V、A^I、B^I、C^I、

和

均为拟合参数。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第四计算模块，用于计算所述若干历史检测电流表征值中任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差；以及

构建模块，用于根据所述任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，构建历史相对误差集合。

第四计算模块的任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差的计算公式为：

其中，所述任一历史检测电流表征包括历史检测光强值P₁ ^h、历史检测电压值V₁ ^h、历史检测电流值

和历史检测法拉第相移值

中的一种或多种；所述任一历史检测电流表征对应的历史相对误差包括历史光强相对误差ε^P、历史电压相对误差ε^V、历史电流相对误差ε^I和历史法拉第相移相对误差

中的一种或多种。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第五计算模块，用于在第一获取模块工作之前，计算光纤电流传感器的误差补偿关系；第五计算模块的计算光纤电流传感器的误差补偿关系的计算公式为：

其中，α^P为光强误差补偿关系，α^V为电压误差补偿关系，α^I为电流误差补偿关系，

为法拉第相移误差补偿关系；F为光纤电流传感器的当前法拉第相移，δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量，δ为光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量，δ_I为光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量，T为光纤电流传感器中圆双折射延迟量，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤电流传感器的光纤环路的数量，I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值。

一种数字补偿设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；以及

处理器，用于执行存储器中存储的计算机程序，以实现前述的电流检测方法中的操作步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行如前所述的电流检测方法中的操作步骤。

一种基于所述电流检测装置中的光纤电流传感器的电流检测系统，包括光纤电流传感器和前述的数字补偿设备；所述光纤电流传感器的检测电流表征值输出端连接到所述数字补偿设备的输入端。

本发明光纤电流传感器的误差补偿关系，对光纤电流传感器的标定相对误差进行补偿计算，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值，最后通过该当前补偿相输出电流表征值计算输出检测电流表征值对应的电流校正值，提高了光纤电流传感器在检测被测电流时的检测精度和准确度，从而提高了光纤电流传感器的测量范围。

附图说明

图1是本发明基于光纤电流传感器的电流检测方法的流程图。

图2是保圆光纤在不同的电流条件下的线性双折射随半径的变化曲线图。

图3是标定相对误差七次测量平均值随电流强度的变化曲线图。

图4是由四分之一波片的相位延迟角和绕导体保圆光纤电流引起的线性双折射随光电流传感器的非线性误差随电流强度的变化曲线图。

图5是当前补偿相输出电流表征值随电流强度的变化曲线。

图6是经数字补偿前后七次测量的标定相对误差和校正相对误差的曲线示意图。

图7是本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置的系统框图。

图8是本发明电流检测系统的系统框图。

图9是光纤电流传感器的连接结构示意图。

具体实施方式

实施例1：基于光纤电流传感器的电流检测方法。

光纤电流传感器在出厂之前需要进行标定，以保证其测试精度和准确度。光纤电流传感器的标定一般选择一个标定电流，通过软、硬件调试，使该光纤电流传感器在被测电流不大于量程上限的情况下输出的检测电流表征值拥有一致的标定相对误差，其计算公式为：

其中，ε₀为标定相对误差，φ′_f为所述光纤电流传感器输出的当前法拉第相移角，K为所述光纤电流传感器的标度因子。

为了解决大电流下光纤电流传感器的相对误差出现非线性变化对测量精度和准确度的影响，如图1所示，本发明基于光纤电流传感器的电流检测方法包括以下步骤：

步骤11，获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值。

该检测电流表征值可以是由光纤电流传感器直接输出的电流安培数值，也可以是表征电流大小的数字电压值，还可以是表征电流大小的检测光的光强数据。光纤电流传感器一般由光源、相位调制器、光电探测器和相关电子器件作为其解调单元，由四分之一波片、围绕导体的保圆光纤和光学反射器作为其传感单元，并使用保偏光纤来连接解调单元和传感单元。其中，保偏光纤的慢轴与四分之一波片的光轴成固定角度，通常为45°。

步骤12，根据光纤电流传感器的误差补偿关系，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值。

本实施例认为标定好的光纤电流传感器的相对误差即便在其标定电流表征值附近也不是一致，其真实相对误差应当与被测电流对应的检测电流表征值呈一种函数关系。

步骤13，根据当前补偿相输出电流表征值，计算检测电流表征值对应的电流校正值。

本实施例利用当前补偿相输出电流表征值，代替光纤电流传感器的标定相对误差来计算被测电流的检测值，提高了光纤电流传感器在大电流下的测试精度和准确度。该电流校正值就是经过校正的更接近被测电流真实值的检测电流表征值。

步骤12中的光纤电流传感器的误差补偿关系确定方式是：先获取光纤电流传感器输出的若干历史检测电流表征值；再根据得到的若干历史检测电流表征值，计算历史相对误差集合；最后，根据得到的历史相对误差集合，利用拟合公式拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系。

其中，历史检测电流表征值可以是由光纤电流传感器直接输出的电流安培数值，也可以是表征电流大小的数字电压值，还可以是表征电流大小的检测光的光强数据。

而计算历史相对误差集合，则包括以下步骤：

步骤1、计算若干历史检测电流表征值中任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，具体计算公式为：

其中，任一历史检测电流表征包括历史检测光强值P₁ ^h、历史检测电压值V₁ ^h、历史检测电流值

和历史检测法拉第相移值

中的一种或多种；任一历史检测电流表征对应的历史相对误差包括历史光强相对误差ε^P、历史电压相对误差ε^V、历史电流相对误差ε^I和历史法拉第相移相对误差

中的一种或多种；校正标定电流表征值包括校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

中的一种或多种。

步骤2、根据任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，构建历史相对误差集合。

而拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系的拟合公式是：

其中，光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种；校正标定电流表征值包括校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

中的一种或多种；A^P、B^P、C^P、A^V、B^V、C^V、A^I、B^I、C^I、

和

均为拟合参数。

本发明通过深入验证分析，获得了误差补偿关系α的拟合公式，以准确拟合出相应的拟合参数，从而准确获知具体的光纤电流传感器的误差补偿关系α。

步骤12中的当前补偿相输出电流表征值不单单可以通过传感器检测获得，还可以利用下列计算公式计算出来：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移；δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量；δ为所述光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量；δ_I为所述光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量；T为所述光纤电流传感器中圆双折射延迟量；

和

均为法拉第相移比例系数。

步骤12中的当前补偿相输出电流表征值的计算公式为：

其中，α为光纤电流传感器的误差补偿关系；所述当前补偿相输出电流表征值包括校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂或校正输出法拉第相移值

中的一种或多种；P₁为未校正输出光强值、V₁为未校正输出电压值、I₁为未校正输出电流值和

为未校正输出法拉第相移值。

步骤13中的检测电流表征值对应的电流校正值I的计算公式为：

或

其中，K₁，K₂，K₃和K₄均为光纤电流传感器的标度因子。

本发明提出了一种利用二次函数关系作为高电流测量的误差补偿关系来提高光纤电流传感器测量精度的数字补偿方法。本实施例中的光纤电流传感器的误差补偿关系α计算方法非常简单，计算出的当前补偿相输出电流表征值非常接近光纤双折射对光纤电流传感器的标定相对误差的影响，使最终的电流校正值能够更加接近与被测电流的真实值。

而标度因子K₁，K₂，K₃或K₄的具体计算公式为：

其中，P_f(I_c)为所述光纤电流传感器在标定电流值I_c时输出的检测光强值，V_f(I_c)为所述光纤电流传感器在标定电流值I_c时输出的检测电压值，I_f(I_c)为所述光纤电流传感器在标定电流值I_c时输出的检测电流值，

为所述光纤电流传感器在标定电流值I_c时输出的法拉第相移角。

未校正输出光强值P₁、未校正输出电压值V₁、未校正输出电流值I₁和未校正输出法拉第相移值

均是由光纤电流传感器中传感元件输出的和检测电流相关的传感信号。

出厂时经相应的标定流程，分别以标定光强值P_c、标定电压值V_c、标定电流值I_c和标定法拉第相移值

作为光纤电流传感器的被测光强、被测电压、被测电流和被测法拉第相移值，对其进行标定，使光纤电流传感器最终输出的未校正输出光强值P₁、未校正输出电压值V₁、未校正输出电流值I₁和未校正输出法拉第相移值

均在允许的误差范围内。

校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

是本实施例中为了扩展光纤电流传感器的测量上限，在标定光强值P_c、标定电压值V_c、标定电流值I_c和标定法拉第相移值

之上，重新选择的相关标定值。原本经出厂校正的光纤传感器在以校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

作为被测量值时，其输出检测结果会与真实值存在较大的相对误差，而本实施例希望经过上述校正方案，使最终输出的校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂和校正输出法拉第相移值

与被测量值之间的相对误差恢复到允许范围内，从而实现扩大光纤电流传感器的测量范围的技术效果。

当然本发明还可以使用其他拟合函数来表征光纤双折射对光纤电流传感器的标定相对误差的影响。

本发明还可以通过计算的方式来获得光纤电流传感器的误差补偿关系α，考虑到电流、双折射以及四分之一波片对法拉第相移的影响，能够较准确地计算出当前补偿相输出电流表征值。

计算光纤电流传感器的误差补偿关系α的计算公式是：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移，δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量，δ为光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量，δ_I为光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量，T为光纤电流传感器中圆双折射延迟量，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤电流传感器的光纤环路的数量，I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值；所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种。

I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值，本发明最终获得的检测电流表征值对应的电流校正值越接近该理论精准电流值，则本发明的检测精度就越高。

δ_r存在两个特殊的取值点，分别为90°和10°。

由于传感光纤的两端直接与四分之一波片相连，依据级联定理，可以合理地认为波片的有效延迟可以级联到光纤的线性双折射，从而导致光纤电流传感器的相对误差。对于低双折射光纤或双折射可以忽略的光纤，波片的级联定理很容易证明。然而，在保圆光纤制作过程中引入了大量的圆形双折射来抑制固有的线性双折射对光学电流传感器相对误差的影响。但引入的圆双折射不能用来抑制保偏光纤制作的四分之一波片的延迟器的线性双折射，因此为了提高大电流下的检测精度，还必须考虑四分之一波片的相位延迟角和线性双折射的影响。

为此，本发明利用偏振测量系统，研究了保圆光纤的线性双折射对被测电流的依赖关系，进而发现了环绕导体的光纤的线性双折射与导体中电流之间的关系。而这种与电流有关的线性双折射以前没有报道过。通过分析表明，这种双折射的依赖对于相对误差存在一定的影响，用于光纤电流传感器的保圆光纤的线性双折射对电流也有一个依赖关系，这与相对误差的变化吻合，可以用来解释大电流测量相对误差变大，因此本发明提出了一个数字补偿的方法，以提高光纤电流传感器的测量精度。

当导体携带电流时，代表保圆光纤双折射的矩阵可以分解为残余线性双折射矩阵M_RL和本征圆双折射矩阵M_RC，以及代表电流引起的线性双折射的矩阵M_RI(包括相位差δ_I)。

因此，矩阵M_R1可以表示为：M_R1＝M_RCM_RLM_RK；其中，矩阵M_R1表示测量光经过一个延迟器传输穆勒矩阵。由M_R1的矩阵元素可以得到δ_I。

这里使用δ表示有电流时光纤绕导体的总线性延迟，其表达式为：δ＝δ₀+δ_I。由下述公式可以看出，利用微分法提高测量精度是有益的，具体公式为：

由此可见，线性双折射是影响传感器测量的主要因素之一。利用偏振测量系统可以准确地测量保圆光纤的双折射特性(图2)。电流引起的线性双折射与有效电流值成正比，与光纤绕组半径成反比。本发明提供了标定相对误差七次测量平均值随电流强度的变化曲线(图3)。

常规的光纤电流传感器一般由光源、相位调制器、光电探测器和相关电子器件作为其解调单元，由四分之一波片、围绕导体的保圆光纤和光学反射器作为其传感单元，并使用保偏光纤来连接解调单元和传感单元。其中，保偏光纤的慢轴与四分之一波片的光轴成固定角度，通常为45°。它是一个互反装置，通过干涉两个正交偏振光波以相反的顺序通过光学电路来提取法拉第效应引起的相移。由法拉第效应引起的两波的非互易相移是两光波的两倍。φ_F＝4NVI。其中，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤环路的数量，I为电流。

利用微分琼斯矩阵法分析了在光纤介质中光波偏振态的演化过程。光纤电流传感器的传感线圈可以看作是一种椭圆双折射传输介质，它是由固有的线性双折射、电流诱导的保圆光纤绕导体的线性双折射和法拉第效应诱导的圆形双折射组成。实际上电流引起的双折射的琼斯矩阵是对角的矩阵，具体表达式为：

其中，R是线圈的半径。很容易看出该矩阵是酉矩阵。

与本征线性双折射对应的琼斯矩阵是三个矩阵的乘积：坐标系向局部双折射轴的旋转、线性延迟和反向旋转，具体的表达式为：

可以看出，上述的三个子矩阵都是酉矩阵。由于任意两个酉正矩阵的乘积仍然是酉正矩阵，对于线圈的一个环路，总琼斯矩阵可以表示为：

四分之一波片的琼斯矩阵表示如下:

描述光总传播路径的复合琼斯矩阵总结为：

E_iut＝J_pJ_45°J_PMoutJ_45°J_λ/4J_FoutJ_coilJ_mirrorJ_coilJ_intJ_λ/4J_45°J_PMinJ_45°J_pE_in

其中，J_P为偏振片的琼斯矩阵，J_45°为45°拼接的琼斯矩阵，J_PMin和J_PMout分别为光波前后通过时相位调制器的琼斯矩阵，J_Fin和J_Fout分别为光波向前和向后通过时保圆光纤的琼斯矩阵，J_mirror是反射镜的琼斯矩阵。

输出强度为：P_out＝<E_out·E_out>。

进行琼斯矩阵分析后，所需的总相移零(有效的非互易的相移,添加到系统等于相位差引入的法拉第效应)，第一个谐波分量闭环信号处理方法是下面的参数内在线性双折射,导体周围保圆光纤的线性双折射,圆双折射,法拉第旋转角。法拉第效应引入的相位差可以表示为：

其中，F代表法拉第相移，δ、δ_I、δ_r分别代表光纤本征线双折射延迟量，电流引入的线双折射延迟量，四分之一波片相位延迟偏移量，T为圆双折射延迟量。

根据上述公式，可以获得对光纤电流传感器的准确性的影响。从图4可以发现，光纤电流传感器的非线性误差是共四分之一波片的相位延迟角和电流引起的线性双折射光纤同作用的结果。但在大电流测量中，石英波片对光纤电流传感器精度的影响要小于纺丝光纤绕导体的线性双折射。因此，有理由相信，在大电流测量中，光纤绕导体的线性双折射是造成非线性误差的主要原因。

参考上述内容可以得到保圆光纤的线性双折射随电流的变化曲线(图5)。延迟器和线性双折射对光纤电流传感器相对误差影响的仿真结果与测量结果基本一致。

由于光纤线双折射对导体周围电流的依赖关系是造成光纤电流传感器的相对误差的主要因素。因此，本发明提出了一种利用光纤电流传感器的理论相对误差或实测相对误差作为高电流测量的校正系数来提高光纤电流传感器测量精度的数字补偿方法，从图6的当前补偿相输出电流表征值随电流强度的变化曲线表明，对于大于20KA的电流，利用光纤电流传感器的理论相对误差作为校正系数，可以将光纤电流传感器的测量精度控制在0.2‰以内。本实施例中的补偿系数α计算方法非常简单，计算出的当前补偿相输出电流表征值非常接近光纤双折射对光纤电流传感器的标定相对误差的影响，使最终的电流校正值能够更加接近与被测电流的真实值。

由于传感光纤的线性双折射的影响，光在沿光纤传输时偏振状态会发生变化，因此光纤电流传感器的实时误差也会在一定范围内上下波动。本实施例在20天内的不同时间对光纤电流传感器进行了7次重复测量。重复测量误差棒形图对今后应用数字补偿有一定的帮助。

由图6可见，通过调整补偿前后测量精度的不同尺度区间，可以直观地反映偏振状态的波动。补偿前光纤电流传感器的测量精度已超过2‰，同时补偿后仍然可以控制在0.2‰。

实施例2：基于光纤电流传感器的电流检测装置。

如图7所示，本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置包括：

第一获取模块81，用于获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值；

第一计算模块82，用于根据所述光纤电流传感器的误差补偿关系，计算所述光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值；

第二计算模块83，用于根据所述当前补偿相输出电流表征值，计算所述检测电流表征值对应的电流校正值。

第一计算模块的计算当前补偿相输出电流表征值的计算公式为：

其中，α为光纤电流传感器的误差补偿关系，P₁为未校正输出光强值，V₁为未校正输出电压值，I₁为未校正输出电流值，

为未校正输出法拉第相移值。

所述当前补偿相输出电流表征值包括校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂或校正输出法拉第相移值

中的一种或多种。

第二计算模块的计算检测电流表征值对应的电流校正值I的计算公式为：

或

其中，K₁，K₂，K₃和K₄均为光纤电流传感器的标度因子。

在第一计算模块中还包括有预计算模块，用于计算当前补偿相输出电流表征值，具体的计算公式为：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移；δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量；δ为所述光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量；δ_I为所述光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量；T为所述光纤电流传感器中圆双折射延迟量；

和

均为法拉第相移比例系数。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第二获取模块，用于在获取光纤电流传感器输出的若干历史检测电流表征值；

第三计算模块，用于根据若干历史检测电流表征值，计算历史相对误差集合；以及

拟合模块，用于根据历史相对误差集合，利用拟合公式拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系；所述拟合公式为：

其中，A^P、B^P、C^P、A^V、B^V、C^V、A^I、B^I、C^I、

和

均为拟合参数。

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种；所述校正标定电流表征值包括校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

中的一种或多种。

第三计算模块的计算历史相对误差集合包括以下步骤：

b-1、计算若干历史检测电流表征值中任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，具体计算公式为：

其中，所述任一历史检测电流表征值包括历史检测光强值P₁ ^h、历史检测电压值V₁ ^h、历史检测电流值

和历史检测法拉第相移值

中的一种或多种；所述任一历史检测电流表征对应的历史相对误差包括历史光强相对误差ε^P、历史电压相对误差ε^V、历史电流相对误差ε^I和历史法拉第相移相对误差

中的一种或多种；

b-2、根据任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，构建历史相对误差集合。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第四计算模块，用于计算所述若干历史检测电流表征值中任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差；以及

构建模块，用于根据所述任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差，构建历史相对误差集合。

第四计算模块的任一历史检测电流表征值对应的历史相对误差的计算公式为：

所述任一历史检测电流表征包括历史检测光强值P₁ ^h、历史检测电压值V₁ ^h、历史检测电流值

和历史检测法拉第相移值

中的一种或多种。所述任一历史检测电流表征对应的历史相对误差包括历史光强相对误差ε^P、历史电压相对误差ε^V、历史电流相对误差ε^I和历史法拉第相移相对误差

中的一种或多种。

本发明基于光纤电流传感器的电流检测装置还包括：

第五计算模块，用于在第一获取模块工作之前，计算光纤电流传感器的误差补偿关系；第五计算模块的计算光纤电流传感器的误差补偿关系的计算公式为：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移，δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量，δ为光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量，δ_I为光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量，T为光纤电流传感器中圆双折射延迟量，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤电流传感器的光纤环路的数量，I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值；

和

均为比例参数。

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种。

实施例3：数字补偿设备。

本发明数字补偿设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；以及

处理器，用于执行存储器中存储的计算机程序，以实现实施例1所述的电流检测方法中的操作步骤。

实施例4：计算机可读存储介质。

本发明计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行实施例1所述的电流检测方法中的操作步骤。

实施例5：基于光纤电流传感器的电流检测系统。

如图8所示，本发明基于光纤电流传感器的电流检测系统包括光纤电流传感器91和实施例3所述的数字补偿设备92。光纤电流传感器91的检测电流表征值输出端连接到数字补偿设备92的输入端。

如图9所示，光纤电流传感器由光源、相位调制器、光电探测器和相关电子器件作为解调单元，由四分之一波片、围绕导体的保圆光纤和光学反射器作为传感单元，使用保偏光纤来连接解调单元和传感单元。保偏光纤的慢轴与四分之一波片的光轴成45°。

本发明可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件、完全软件或结合软、硬件的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合；可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (4)

1.一种基于光纤电流传感器的电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、获取光纤电流传感器输出的检测电流表征值；

b、根据光纤电流传感器的误差补偿关系，计算光纤电流传感器的当前补偿相输出电流表征值；

c、根据当前补偿相输出电流表征值，计算检测电流表征值对应的电流校正值；

步骤b中的光纤电流传感器的误差补偿关系的确定方式为：先获取光纤电流传感器输出的若干历史检测电流表征值；再根据得到的若干历史检测电流表征值，计算历史相对误差集合；最后，根据得到的历史相对误差集合，利用拟合公式拟合出光纤电流传感器的误差补偿关系；所述拟合公式为：

其中，A^P、B^P、C^P、A^V、B^V、C^V、A^I、B^I、C^I、

和

均为拟合参数；

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种；所述校正标定电流表征值包括校正标定光强值P_d、校正标定电压值V_d、校正标定电流值I_d和校正标定法拉第相移值

中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的电流检测方法，其特征在于，步骤b中的光纤电流传感器的误差补偿关系的计算公式为：

其中，F为光纤电流传感器的当前法拉第相移，δ_r为光纤电流传感器中四分之一波片相位延迟偏移量，δ为光纤电流传感器中光纤本征线双折射延迟量，δ_I为光纤电流传感器中电流引入的先双折射延迟量，T为光纤电流传感器中圆双折射延迟量，V为熔融石英光纤的Verdet常数，N为光纤电流传感器的光纤环路的数量，I₀为光纤电流传感器的理论精准电流值；

所述光纤电流传感器的误差补偿关系α包括光强误差补偿关系α^P、电压误差补偿关系α^V、电流误差补偿关系α^I和法拉第相移误差补偿关系

中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的电流检测方法，其特征在于，步骤b中的当前补偿相输出电流表征值的计算公式为：

其中，α为光纤电流传感器的误差补偿关系，P₁为未校正输出光强值，V₁为未校正输出电压值，I₁为未校正输出电流值，

为未校正输出法拉第相移值；

所述当前补偿相输出电流表征值包括校正输出光强值P₂、校正输出电压值V₂、校正输出电流值I₂或校正输出法拉第相移值

中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的电流检测方法，其特征在于，步骤c中的检测电流表征值对应的电流校正值I的计算公式为：

或

其中，K₁，K₂，K₃和K₄均为光纤电流传感器的标度因子。

Images