CN112816758A - 一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法，属于电力系统自动化技术领域。其中修正方法包括：运行前，实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。本发明在全光纤电流互感器测量电流前，通过将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程。若果半波电压偏差较大时，在测量前就完成半波电压的修正，提高电流的测量效率和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法，属于电力系统自动化技术领域。
背景技术
电流互感器是电力系统中最关键的输变电设备之一，它被广泛应用于继电保护、电流测量和电力系统分析之中。传统电磁感应式的电流互感器，随着电力系统的快速发展，不断暴露出了一系列缺点：绝缘性能差、电磁干扰抵抗力低、动态范围小、频带窄、不能测直流等，难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电网数字化等发展的需求。
因此迫切需要研制新的电气测量方法和设备。全光纤光学电流互感器就是其中优秀突出的新一代电子式互感器。全光纤电流互感器结合了光纤陀螺和法拉第磁光效应光学原理，是一种建立在偏振光干涉基础上的光学精密仪器，主要由SLD光源、相位控制器(即相位调制器)、光电探测器等光学元件组成，并采用光学测量原理传送数字信号，实现了电量信息传递的源头数字化。相较与传统电磁式电流互感器，全光纤电流互感器具有动态范围大、测量精度高、线性度好、无磁饱和、体积小、重量轻、一二次完全隔离、低压侧无开路危险等优点。
然而，全光纤电流互感器在经过长时间的使用后，其中相位调制器由于其内部光学器件性能的下降导致半波电压会有较大的偏移，最终导致全光纤电流互感器内部误差偏大，因此在使用时需要对半波电压值进行实时跟踪和动态调整。
现有技术中，名称为“光纤电流互感器关键状态在线检测技术研究”，作者为刘博阳，日期为2017年6月的专业硕士学位论文中，公开了在测量电流时，通过检测溢出后第一个周期与溢出前最后一个周期的光强差，利用比例积分算法对半波电压进行控制和跟踪。通过调整合适的积分时间和系数，实现跟踪，然而在半波电压偏差较大时，边测量电流边修正半波电压，不仅导致电流测量效率低，而且由于电流的影响导致半波电压修正的精度变低，最终导致电流的测量不准确。
发明内容
本申请的目的在于提供一种全光纤电流互感器的半波电压修正方法，用以解决现有方法在半波电压偏差较大时，边测量电流边修正半波电压准确度低、效率低的问题；同时还提供一种全光纤电流互感器，用以解决现有全光纤电流互感器在半波电压偏差较大时，边测量电流边修正半波电压准确度低、效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种全光纤电流互感器的半波电压修正方法，包括以下步骤：
运行前，对全光纤电流互感器进行初始化：
实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；所述额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
有益效果是：本发明在全光纤电流互感器测量电流前，进行初始化，通过将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程。若果半波电压偏差较大时，在测量前就完成半波电压的修正，提高电流的测量效率和准确性。
进一步的，为了保证修正半波电压的准确性，通过半波电压修正量对半波电压进行修正；其中，半波电压修正量至少包括两个梯度，每个梯度对应额外光强差的绝对值所处的范围；
当额外光强差＞0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐增加对应的半波电压修正量使得额外光强差为0；
当额外光强差＜0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐减少对应的半波电压修正量使得额外光强差为0。
进一步的，为了提高半波电压修正的准确性，额外光强差的绝对值的范围分为三个，第一范围的额外光强差的绝对值＞第二范围的额外光强差的绝对值＞第三范围的额外光强差的绝对值，第一范围对应的第一半波电压修正量＞第二范围对应的第二半波电压修正量＞第三范围对应的第三半波电压修正量。
进一步的，为了提高出射光光强值计算的准确性，通过平均值滤波法计算出射光的光强值。
进一步的，为了保证全光纤电流互感器工作的可靠性，若修正后的半波电压超出半波电压的设定阈值，则进行报警。
另外，本发明还提出一种全光纤电流互感器，包括光源、光纤传感环、相位调制器、光电探测器，还包括控制器，控制器包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：
运行前，对全光纤电流互感器进行初始化：
实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；所述额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
有益效果：本发明在全光纤电流互感器测量电流前，进行初始化，通过将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程。若果半波电压偏差较大时，在测量前就完成半波电压的修正，提高电流的测量效率和准确性。
进一步的，为了保证修正半波电压的准确性，通过半波电压修正量对半波电压进行修正；其中，半波电压修正量至少包括两个梯度，每个梯度对应额外光强差的绝对值所处的范围；
当额外光强差＞0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐增加对应的半波电压修正量使得额外光强差为0；
当额外光强差＜0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐减少对应的半波电压修正量使得额外光强差为0。
进一步的，为了提高半波电压修正的准确性，额外光强差的绝对值的范围分为三个，第一范围的额外光强差的绝对值＞第二范围的额外光强差的绝对值＞第三范围的额外光强差的绝对值，第一范围对应的第一半波电压修正量＞第二范围对应的第二半波电压修正量＞第三范围对应的第三半波电压修正量。
进一步的，为了提高出射光光强值计算的准确性，所述控制器为FPGA，通过平均值滤波法计算出射光的光强值。
进一步的，为了保证全光纤电流互感器工作的可靠性，还包括报警模块，报警模块连接控制器，若修正后的半波电压超出半波电压的设定阈值，则进行报警。
附图说明
图1是本发明全光纤电流互感器的结构示意图；
图2是本发明跟踪采集模块的工作原理图；
图3是本发明修正反馈模块工作原理图；
图4是本发明全光纤电流互感器的半波电压修正方法的流程图。
具体实施方式
全光纤电流互感器实施例：
本实施例提出的全光纤电流互感器包括光源、光纤传感环(简称传感环)、相位调制器、光电探测器，控制器。控制器包括存储器和处理器，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现全光纤电流互感器的半波电压修正方法。
全光纤电流互感器是利用法拉第磁光效应原理和干涉测量原理闭环控制内部光信号，并从中解调出隐含的电流信息。全光纤电流互感器具体的结构如图1所示，包括电子回路、光学回路以及传感环；光学回路中包括SDL光源、相位调制器以及光纤探测器；电子回路中包括控制器，为了更加准确的实现修正方法，控制器包括跟踪采集模块和修正反馈模块，以及相对应的ADC(模拟量转数字量)和DAC(数字量转模拟量)。
光学回路中，光源发射的光经过传感环后，经过相位调制器进入光电探测器，相位调制器用于调节输入电流引起的法拉第磁光效应偏振光的相位差，而半波电压值为相位调制器调节相位差的对应参数，其准确度成为影响电流互感器标度因数的关键因素。关于光学回路的具体工作过程为现有技术，本发明不做过多的介绍。
跟踪采集模块的工作过程如图2所示，从光电探测器获取出射光，并计算出射光的光强值，同时向相位调制器施加的初始半波电压，初始半波电压为相位调制器出厂标定的半波电压(半波电压即为相差信息对应π时的电压输入值)，修正后继续向相位调制器施加修正后的半波电压。
修正反馈模块的工作过程如图3所示，接收到跟踪采集模块所计算出的出射光的光强值后，定时(可按4个渡跃周期)叠加2π调制信号，当半波电压出现误差(相位调制器本身的实际半波电压与所施加的半波电压不相同)的条件下，相位调制器积分至2π溢出时会产生一个额外光强差，而这个光强差即为半波电压的修正量，采用2π溢出确认逻辑进行半波电压的修正，进而得到修正后的半波电压值。
具体的，全光纤电流互感器的半波电压修正方法，包括以下步骤：
运行前(这里指已经开始测量电流前)，对全光纤电流互感器进行初始化，跟踪采集模块实时获取出射光，计算出射光的光强值；
修正反馈模块的2π溢出确认逻辑为：将2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值作差，得到2π溢出时产生的额外光强差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
本实施例中，通过半波电压修正量对半波电压进行修正，半波电压修正量至少包括两个梯度，每个梯度对应额外光强差的绝对值所处的范围；
当额外光强差＞0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐增加对应的半波电压修正量使得额外光强差为0；
当额外光强差＜0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐减少对应的半波电压修正量使得额外光强差为0。
作为其他实施方式，也可以将额外光强差为零作为目标，通过比例积分算法对半波电压进行修正。
本实施例中，为了更加准确的修正半波电压，额外光强差的绝对值的范围分为三个，第一范围的额外光强差的绝对值＞第二范围的额外光强差的绝对值＞第三范围的额外光强差的绝对值，第一范围对应的第一半波电压修正量＞第二范围对应的第二半波电压修正量＞第三范围对应的第三半波电压修正量。
具体为，如图4所示，由于光电探测器将光信号转换为电信号(模拟信号)，并通过ADC将模拟信号转化为数字信号，每个光强都对应一个数字信号，因此第一范围的额外光强差的绝对值对应的数字信号为1000以上，第二范围的额外光强差的绝对值对应的数字信号为500-1000，第三范围的额外光强差的绝对值对应的数字信号为0-500，同理，第一范围对应第一半波电压修正量为100，第二范围对应第二半波电压修正量为5，第三范围对应第三半波电压修正量为1。
修正过程为：额外光强差的数字信号用光强数字量ΔV表示，
当ΔV≥1000时，半波电压每次逐渐增加100；ΔV≤-1000时，半波电压每次逐渐减小100，此过程为快调过程；
当1000＞ΔV≥500时，半波电压每次逐渐增加5；-1000＜ΔV≤-500时，半波电压每次逐渐减小5，此过程为慢调过程；
当500＞ΔV＞0时，半波电压每次逐渐增加1；-500＜ΔV＜0时，半波电压每次逐渐减小1，此过程为细调过程；
直至下一次2π溢出时ΔV＝0后停止修正，这里的ΔV＝0并不是绝对的等于0，只要ΔV≈0即可。
上述每个具体判断范围以及对应的修正量可根据实际情况灵活调整，并不局限于上述的数值。
初始化完成后，开始正式运行测量电流，运行时的初始半波电压为初始化完成时修正后的半波电压值，在测量电流时，相位调制器的半波电压会受到温度等周围环境的影响，出现波动，使得电流互感器的测量值不准，因此，在测量电流的过程中，还需实时对半波电压进行跟踪和修正，具体的修正方法可以使用上述初始化过程中的方法，当然此时已经将半波电压修正至合适的范围，跟踪得到的额外光强差的数字信号不会出现大于1000，甚至大于500的情况。作为其他实施方式，在电流的测量过程中，半波电压的修正方法也可以使用比例积分法。
本实施例中，为了更加快速的计算出出射光的光强值，控制器中的跟踪采集模块具体为FPGA，通过平均值滤波法计算出射光的光强值。FPGA芯片实现整个闭环控制逻辑，属于硬件控制的范畴。FPGA有别于CPU处理芯片，没有外围RAM、FLASH，抗干扰能力强；另外，FPGA处理数据实时性强，可并行处理多路数据，控制精度高，能达到纳秒级，可与百兆以上采样率的ADC芯片通信。FPGA芯片的特点完全可以满足实时跟踪和控制半波电压的要求。当然作为其他实施方式，也可以为其他处理芯片，只要可以实现相应的功能即可。
FPGA在高速时钟激励下实时读取ADC芯片转换得到的光信号值(采样频率不低于100MHz)，并存入RAM缓冲区，以渡跃时间为计算周期，从RAM缓冲区中获取两个待计算队列，一个对应梳状波的高台阶，一个对应梳状波的低台阶，采用中位值平均滤波法滤除光强信号中的光噪声，分别去除两个队列中最大值和最小值，剩余数据做平均算法求得各台阶的光强值，将高低台阶的光强值作差，根据高低台阶差值换算出对应的出射光的光强值。同时FPGA根据修正量的大小，阶梯分配每个调制周期的调制电压值，直至下一次2π溢出时的额外光强差值接近于0。
本实施例中，为了保证全光纤电流互感器工作的可靠性，还包括报警模块，报警模块连接控制器，若修正后的半波电压超出半波电压的设定阈值(该设定阈值为相位调制器出厂时厂家设定的门槛限值)，则进行报警，提示当前全光纤电流互感器不可用或者异常。当然如果半波电压超出设定阈值时可以通过其他数据显示出来，那么也可以不进行报警。
全光纤电流互感器的半波电压修正方法实施例：
本实施例提出的全光纤电流互感器的半波电压修正方法，包括以下步骤：
运行前，对全光纤电流互感器进行初始化：
实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；所述额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
全光纤电流互感器的半波电压修正方法的具体实施过程在上述全光纤电流互感器实施例中已经介绍，这里不做赘述。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种全光纤电流互感器的半波电压修正方法，其特征在于，包括以下步骤，
运行前，对全光纤电流互感器进行初始化：
实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；所述额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器的半波电压修正方法，其特征在于，通过半波电压修正量对半波电压进行修正；其中，半波电压修正量至少包括两个梯度，每个梯度对应额外光强差的绝对值所处的范围；
当额外光强差＞0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐增加对应的半波电压修正量使得额外光强差为0；
当额外光强差＜0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐减少对应的半波电压修正量使得额外光强差为0。
3.根据权利要求2所述的全光纤电流互感器的半波电压修正方法，其特征在于，额外光强差的绝对值的范围分为三个，第一范围的额外光强差的绝对值＞第二范围的额外光强差的绝对值＞第三范围的额外光强差的绝对值，第一范围对应的第一半波电压修正量＞第二范围对应的第二半波电压修正量＞第三范围对应的第三半波电压修正量。
4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器的半波电压修正方法，其特征在于，通过平均值滤波法计算出射光的光强值。
5.根据权利要求1或2或3所述的全光纤电流互感器的半波电压修正方法，其特征在于，若修正后的半波电压超出半波电压的设定阈值，则进行报警。
6.一种全光纤电流互感器，包括光源、光纤传感环、相位调制器、光电探测器，其特征在于，还包括控制器，控制器包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：
运行前，对全光纤电流互感器进行初始化：
实时获取出射光，计算出射光的光强值，以及额外光强差；所述额外光强差为：2π溢出后的第一个渡跃周期的光强值与2π溢出前最后一个渡跃周期的光强值之差；
将额外光强差为零作为目标，对半波电压进行修正，完成初始化过程，得到修正后的半波电压值，将修正后的半波电压值作为运行时的初始半波电压进行电流的测量。
7.根据权利要求6所述的全光纤电流互感器，其特征在于，通过半波电压修正量对半波电压进行修正；其中，半波电压修正量至少包括两个梯度，每个梯度对应额外光强差的绝对值所处的范围；
当额外光强差＞0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐增加对应的半波电压修正量使得额外光强差为0；
当额外光强差＜0时，根据额外光强差的绝对值所处的范围，通过每次逐渐减少对应的半波电压修正量使得额外光强差为0。
8.根据权利要求7所述的全光纤电流互感器，其特征在于，额外光强差的绝对值的范围分为三个，第一范围的额外光强差的绝对值＞第二范围的额外光强差的绝对值＞第三范围的额外光强差的绝对值，第一范围对应的第一半波电压修正量＞第二范围对应的第二半波电压修正量＞第三范围对应的第三半波电压修正量。
9.根据权利要求6所述的全光纤电流互感器，其特征在于，所述控制器为FPGA，通过平均值滤波法计算出射光的光强值。
10.根据权利要求6或7或8所述的全光纤电流互感器，其特征在于，还包括报警模块，报警模块连接控制器，若修正后的半波电压超出半波电压的设定阈值，则进行报警。
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