CN114152795A - 调制解调全光纤电流互感器及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种调制解调全光纤电流互感器及方法。全光纤电流互感器包括宽带光源、耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延时光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器、ADC电路、信号处理单元和DAC电路。光纤偏振器，将光起偏为线偏振光；相位调制器的输入光纤与光纤起偏器呈45°夹角；λ/4波片使线偏振光变为圆偏振光，λ/4波片的快轴与延时光纤的快轴的快轴呈45°夹角；反射镜，使圆偏振光产生相位跃变；探测器，与耦合器光纤连接，将返回光转换为电信号；ADC电路，进行模数转换；信号处理单元，将接收的数字信号解调被测电流信息，根据解调被测电流信息计算相位调制器需要相位，输出方波调制信号；DAC电路，将数字信号进行数模转换，输入相位调制器。

Description

调制解调全光纤电流互感器及方法

技术领域

本申请涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种调制解调全光纤电流互感器及方法。

背景技术

在电力系统中，互感器是保护和测控的源头，它的安全可靠对电力系统的稳定运行意义重大。近年来，光纤电流互感器FOCT因其安全、无磁饱和、动态范围大等优点受到电力行业的广泛关注。尤其是FOCT系统中处于一次侧的传感环易于安装、方便维护。FOCT是由纯光纤组成，无任何电子元器件，所以抗老化能力强、且不受电磁干扰。

FOCT是基于法拉第磁光效应的偏振干涉仪。偏振光在光纤中传播时，受到闭合磁场的影响，它的偏振态将发生变化。从而通过测量偏振态的变化来测量被光纤包裹的一次导体中电流的大小。

FOCT主要由宽带光源、起偏器、相位调制器、延时光纤、传感环和光电探测器组成。其中调制解调算法是影响光纤电流互感器性能的重要因素。

目前光纤电流互感器所用调制解调算法主要采用两态方波调制、两态阶梯波调制、四态方波调制等算法，其中两态方波调制幅度为±π/2，调制周期为光纤电流互感器干涉光路本征渡越时间，调制交替重复进行。

但是常规解调方法无法适应大电流阶跃响应特性，尤其是柔性直流输电系统。当发生故障时，由于系统回路阻抗小，容易在短时间内产生较大的故障电流。

因此，基于对提高柔性直流输电系统的响应速度和对故障电流的抑制能力、提升电力系统的安全稳定性的需求，控制保护信号需要具有更快的采样速度和更宽的频带宽度，从而对柔性直流输电用直流电流互感器的暂态性能提出更高的要求。

阶跃响应特性是评价直流电流互感器暂态性能的重要技术指标之一。传统直流工程的阶跃响应特性的暂态性能和抗干扰能力较差。虽然传统方案中的闭环反馈默认被测电流足够小，满足sin(4VNI)近似条件，但是当短时电流波动较大时，这样的近似条件失效，导致电流解调异常。另外，由于宽带激光器存在衰耗和功率波动等问题，也会导致探测器接受的光功率异常，被误判为相位发生改变，进而导致解调电流值异常。针对传统光纤电流互感器的问题，行业内目前尚未提出有效的解决方案。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请提出一种调制解调全光纤电流互感器及方法，通过多个调制态的相互配合，实现纯光CT宽量程电流的快速跟踪测量，提升系统测量精度。

根据本申请的一方面，提出一种调制解调全光纤电流互感器，其特征在于，所述全光纤电流互感器包括宽带光源、光纤连接器、光纤起偏器、相位调制器、延时光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器、ADC电路、信号处理单元和DAC电路，其中：

所述宽带光源，输出光；

所述光纤连接器，与所述宽带光源光纤连接；

所述光纤偏振器，与所述光纤连接器光纤连接，将光起偏为线偏振光；

所述相位调制器，调制所述线偏振光的相位；

所述延时光纤，与所述相位调制器光纤连接；

所述λ/4波片，使所述线偏振光变为圆偏振光；

所述传感光纤，与所述λ/4波片光纤连接；

所述反射镜，与所述传感光纤连接，使所述圆偏振光产生相位跃变；

所述探测器，与所述光纤连接器连接，将返回光转换为电信号；

所述ADC电路，与所述探测器连接，进行模数转换；

所述信号处理单元，与所述ADC电路连接，将接收的数字信号解调被测电流信息，根据所述解调被测电流信息计算所述相位调制器需要的相位，输出方波调制信号；

所述DAC电路，与所述信号处理单元连接，将所述方波调制信号进行数模转换，输入所述相位调制器，使得在所述延时光纤中引入非互易的π/2相位偏置，在所述延时光纤中引入产生反馈补偿相移，实现闭环反馈。

根据一些实施例，在第一个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生-π/2相位偏置。

根据一些实施例，在第二个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生0相位偏置。

根据一些实施例，在第三个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生π/2相位偏置。

根据一些实施例，在第四个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生0相位偏置。

根据一些实施例，所述线偏振光经所述光纤起偏器与所述相位调制器的45°夹角后，分成两束偏振方向垂直的线偏光，沿所述延时光纤的快轴和慢轴振动。

根据一些实施例，所述λ/4波片的快轴与所述延时光纤的快轴呈45°夹角；

所述λ/4波片使沿其快慢轴传播的光相位偏差90°；

所述线偏光经所述λ/4波片后变为左旋圆偏光和右旋圆偏光。

根据本申请的另一方面，提出一种调制解调全光纤电流的方法，用于全光纤电流互感器，所述全光纤电流互感器包括宽带光源、耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延时光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器、ADC电路、信号处理单元和DAC电路，其特征在于，所述方法包括：

在第一个渡越时间，所述相位调制器产生-π/2相位偏置，所述探测器得到负半轴光强值；

在第二个渡越时间，所述相位调制器产生0相位偏置，所述探测器得到不调制光强值；

在第三个渡越时间，所述相位调制器产生+π/2相位偏置，所述探测器得到正半轴光强值；

在第四个渡越时间，所述相位调制器产生0相位偏置，所述探测器得到不调制光强值；

所述渡越时间为完成一次电流测量和闭环控制过程。

根据一些实施例，若电流变化缓慢，则根据下式获得原始光强值：

其中，V是菲尔德常数，N是传感环圈数，I是被测电流，P₁是所述第一个渡越时间内，得到的负半轴光强值；P₃是所述第三个渡越时间内，得到的正半轴光强值；P₀是所述原始光强值。

根据一些实施例，若电流变化陡峭，则根据下式获得所述原始光强值：

其中，P₂是第二个渡越时间内，得到不调制光强值。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，而不是对本申请的限制。

图1示出一示例性的闭环解调全光纤电流互感器的实施例；

图2示出一示例性实施例的渡越时间周期示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

下面描述本申请的装置实施例，其可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，可参照本申请方法实施例。

图1示出一示例性的闭环解调全光纤电流互感器的实施例。

如图1所示，闭环解调全光纤电流互感器包括：宽带光源1、耦合器2、光纤起偏器3、相位调制器4、延时光纤5、λ/4波片6、传感光纤7、反射镜8、探测器9、ADC电路10、信号处理单元11和DAC电路12。

根据一些实施例，宽带光源1，输出光；光纤连接器2，与宽带光源1光纤连接；光纤偏振器3，与光纤连接器2光纤连接，将光起偏为线偏振光；相位调制器4，调制线偏振光的相位；延时光纤5，与相位调制器4光纤连接；λ/4波片6，使线偏振光变为圆偏振光；传感光纤7，与λ/4波片6光纤连接；反射镜8，与传感光纤7光纤连接，使圆偏振光产生相位跃变。

根据一些实施例，探测器9，与光纤连接器2光纤连接，将返回光转换为电信号；ADC电路10，与探测器9连接，进行模数转换；信号处理单元11，与ADC电路10连接，将接收的数字信号解调被测电流信息，根据解调被测电流信息计算相位调制器需要相位，输出方波调制信号；DAC电路12，与信号处理单元11连接，与相位调制器4连接，将数字信号进行数模转换，输入相位调制器4。

根据示例实施例，宽带光源1出射的光经耦合器2，输入光纤起偏器3，形成线偏振光，光纤起偏器3与相位调制器4的输入光纤呈45°角熔接，由于45°熔接，一束线偏光变成两束相互正交的线偏振光，分别沿延时光纤5的快轴和慢轴传输。经过延时光纤5的传输后，两束线偏振光到达传感部分，经λ/4波片6分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。两束圆偏振光进入传感光纤7。

根据示例实施例，传感光纤7围绕一次导体缠绕，当导体中有电流通过的时候会产生闭合的磁场。磁场方向与传感光纤平行。在磁场作用下，由于存在Faraday磁光效应，两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相位差。

根据示例实施例，两束圆偏振光到达传感光纤7末端反射镜8后，各自产生相位跃变。左右旋圆偏振光互换，并向回传输。当再次穿过传感光纤7，再次在Faraday磁光效应作用下，两束圆偏振光的相位差加倍。

根据示例实施例，两束圆偏振光经λ/4波片6变回两束线偏振光。两束线偏振光依次经延时光纤5、相位调制器4、光纤起偏器3，最终由探测器9将光信号转换为电信号。电信号经调理后，由ADC电路10进行模数转换后传输至信号处理单元11，信号处理单元11解调出电流值。并根据电流值大小计算反馈给相位调制器4的相位调制信号值，该相位调制信号值通过DAC电路12将数字量转换为模拟量加在相位调制器4上而产生。上述过程完成一次电流测量和闭环控制过程。

图2示出一示例性实施例的渡越时间周期示意图。

如图2所示，在第一个渡越时间内，即0-τ，相位调制器产生-π/2相位偏置，探测器得到负半轴光强值P₁，表示为：P₁＝P₀(1+cos(-π/2+4VNI))，V是菲尔德常数，N是传感环圈数，I是被测电流。第二个渡越时间，即τ-2τ，相位调制器产生0相位偏置，探测器得到不调制光强值P₂，表示为：P₂＝P₀(1+cos(4VNI))。第三个渡越时间内，即2τ-3τ，相位调制器产生+π/2相位偏置，探测器得到正半轴光强值P₃，表示为：P₃＝P₀(1+cos(+π/2+4VNI))。在最后一个渡越时间内，即3τ-4τ，相位调制器产生0相位偏置，探测器得到不调制光强值P₄，表示为：P₄＝P₀(1+cos(4VNI))。由P₁与P₂的表达式可知：

由此可以求出P₀，P₀为原始光强值。

根据一些实施例，渡越时间为完成一次电流测量和闭环控制过程。

电流变化缓慢的时候，例如，变化量为小于π/8时；经过闭环反馈控制，被测电流足够小，近似认为sin(φ)≈φ。所以对于第一、三渡越时间内得到的光强。可以近似认为：

P₁＝P₀(1+cos(-π/2+4VNI))＝P₀(1-sin(4VNI))、P₃＝P₀(1+cos(+π/2+4VNI))＝P₀(1+sin(4VNI))，可知：

电流变化较为陡峭的时候，例如，变化量为大于π/8时；虽然有闭环可以控制，但是被测电流不满足sin(φ)≈φ近似条件。如果用传统解调方法容易造成失真，甚至对相位造成误判。此时cos函数更容易满足近似条件。由P₂＝P₀(1+cos(4VNI))，可知：

由于可以对变化速度快和慢的电流都可以实现正确解调。

本申请提出一种调制解调全光纤电流互感器及方法，用于多工作点，每个调制周期由-π/2、0和+π/2三个调制工作点组成，其中0工作点介于±π/2之间。±π/2调制负责将小电流的余弦响应变为正弦响应，以增加对小电流的探测灵敏度。由于大电流产生的相位差较大，所以在无调制状态下自身已处于较灵敏状态，保持其余弦响应特性。通过上述措施，解调系统对大小电流实现全覆盖高灵敏响应。进一步的通过上述处理，该系统解决了电流变化过快导致的响应非线性问题。除此之外，本申请通过多个工作点的调制态的相互配合，还解决光源功率波动的问题。

应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种调制解调全光纤电流互感器，其特征在于，所述全光纤电流互感器包括宽带光源、光纤连接器、光纤起偏器、相位调制器、延时光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器、ADC电路、信号处理单元和DAC电路，其中：

所述宽带光源，输出光；

所述光纤连接器，与所述宽带光源光纤连接；

所述光纤偏振器，与所述光纤连接器光纤连接，将光起偏为线偏振光；

所述相位调制器，调制所述线偏振光的相位；

所述延时光纤，与所述相位调制器光纤连接；

所述λ/4波片，使所述线偏振光变为圆偏振光；

所述传感光纤，与所述λ/4波片光纤连接；

所述反射镜，与所述传感光纤连接，使所述圆偏振光产生相位跃变；

所述探测器，与所述光纤连接器连接，将返回光转换为电信号；

所述ADC电路，与所述探测器连接，进行模数转换；

所述信号处理单元，与所述ADC电路连接，将接收的数字信号解调被测电流信息，根据所述解调被测电流信息计算所述相位调制器需要的相位，输出方波调制信号；

所述DAC电路，与所述信号处理单元连接，将所述方波调制信号进行数模转换，输入所述相位调制器，使得在所述延时光纤中引入非互易的π/2相位偏置，在所述延时光纤中引入产生反馈补偿相移，实现闭环反馈。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，在第一个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生-π/2相位偏置。

3.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，在第二个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生0相位偏置。

4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，在第三个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生π/2相位偏置。

5.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，在第四个渡越时间，所述信号处理单元输出第一方波信号使得所述相位调制器产生0相位偏置。

6.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，所述线偏振光经所述光纤起偏器与所述相位调制器的45°夹角后，分成两束偏振方向垂直的线偏光，沿所述延时光纤的快轴和慢轴振动。

7.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器，其特征在于，所述λ/4波片的快轴与所述延时光纤的快轴呈45°夹角；

所述λ/4波片使沿其快慢轴传播的光相位偏差90°；

所述线偏光经所述λ/4波片后变为左旋圆偏光和右旋圆偏光。

8.一种调制解调全光纤电流的方法，用于全光纤电流互感器，所述全光纤电流互感器包括宽带光源、耦合器、光纤起偏器、相位调制器、延时光纤、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器、ADC电路、信号处理单元和DAC电路，其特征在于，所述方法包括：

在第一个渡越时间，所述相位调制器产生-π/2相位偏置，所述探测器得到负半轴光强值；

在第二个渡越时间，所述相位调制器产生0相位偏置，所述探测器得到不调制光强值；

在第三个渡越时间，所述相位调制器产生+π/2相位偏置，所述探测器得到正半轴光强值；

在第四个渡越时间，所述相位调制器产生0相位偏置，所述探测器得到不调制光强值；

所述渡越时间为完成一次电流测量和闭环控制过程。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若电流变化缓慢，则根据下式获得原始光强值：

其中，V是菲尔德常数，N是传感环圈数，I是被测电流，P₁是所述第一个渡越时间内，得到的负半轴光强值；P₃是所述第三个渡越时间内，得到的正半轴光强值；P₀是所述原始光强值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，若电流变化陡峭，则根据下式获得所述原始光强值：

其中，P₂是第二个渡越时间内，得到不调制光强值。

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