CN115015612B - 双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器及工作方法 - Google Patents

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CN115015612B CN202210934937.0A CN202210934937A CN115015612B CN 115015612 B CN115015612 B CN 115015612B CN 202210934937 A CN202210934937 A CN 202210934937A CN 115015612 B CN115015612 B CN 115015612B
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Abstract

双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器及其工作方法，分别基于线偏振光测量原理和基于圆偏振光测量原理对电流进行检测，利用同一光源光路再通过不同的调制解调方法，从中解调出不同原理测量得到的被测电流，实现了双光路测量，增强了OCT的可靠性，两种测量原理互补显著提升OCT的抗干扰性和测量准确性，有效避免单一传感原理的OCT在测量时存在的测量准确度低的情况以及测量回路各组件无法共享的缺陷。全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则采集模块发出告警。实现双重化数据的纠错检错，精确测量被测电流。

Description

双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器及工作方法
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，更具体地，涉及双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器及工作方法。
背景技术
随着国家智能电网和特高压电网的发展，传统电磁式电流互感器逐渐暴露出严重影响电网可靠运行的缺陷，例如高电压等级时绝缘极为困难，更高电压等级时易磁饱和从而导致测量精度下降，等等。相比之下，基于光学传感技术的全光纤电流互感器（OpticCurrent Transformer，OCT）采用全光纤光路实现电流信号的闭环检测，具有动态范围大、测量频带宽、抗电磁干扰性能好、体积小、重量轻、便于与高压设备集成、可测直流信号等优点，是互感器技术发展的重要方向。近几年，随着常规直流输电工程及柔性直流输电工程的快速发展，OCT市场前景广阔。
自国外引进了采用正弦波远传调制的开环OCT，在国内多个重点工程项目中大批量使用。开环OCT采用就地调制方案，调制信号从控制室远传，一二次设备之间采用单模通讯光缆传输光信号，无需标定准确度。但是，在运行过程中，开环OCT逐渐暴露出准确度易受环境温度、外界振动和强电磁干扰影响等一系列问题，现有技术中可靠有效的解决办法就是优化同轴电缆两端接地方案，提高调制信号抗干扰能力，这导致了现场施工难度及成本的增加。
国内对OCT研究起步较晚，并且在早期的工程应用中暴露出许多问题，经不断改进革新及发展，国内OCT逐步形成以铌酸锂光波导高速调制器为基础的远端调制型OCT，远端调制型OCT包括：全光纤传感环、保偏光纤及采集模块，其中采集模块包括光器件和FPGA信号处理单元；一二次设备之间均采用保偏铠装光缆进行偏振光信号的传输。远端调制型OCT采用光纤回路进行传感，基于单一传感原理进行电流测量，由于光信号传输的独立性，测量回路上的传感光纤、光器件、FPGA信号处理单元等组件只能独立配置，无法共享；同时，为防止传感器故障、测量异常或测量不准确，工程上一般采用多冗余配置，即一个测点至少采用3套传感器，当有至少2套传感器都显示电路故障时，后台的保护系统才动作，这无疑增加了单台OCT的成本。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器及工作方法，解决基于单一传感原理的OCT的可靠性较差的问题。
本发明采用如下的技术方案。
本发明一方面提出了一种双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，全光纤直流电流互感器包括共享光源和测量模块；共享光源包括光源及耦合器，光源发出的光束经耦合器后进入测量模块。
测量模块包括：圆偏振光学测量单元，线偏振光学测量单元；耦合器发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元；其中，圆偏振光学测量单元用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率；线偏振光学测量单元用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率；
全光纤直流电流互感器还包括采集模块，采集模块用于采集圆偏振光学测量单元测量得到的第一光功率后，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流，采集模块还用于采集线偏振光学测量单元测量得到的第二光功率后，基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流；全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则采集模块发出告警。
圆偏振光学测量单元包括：第一起偏器，相位调制器，延时环，1/4波片，保圆光纤环，光纤反射镜，第一探测器；其中，第一起偏器，相位调制器，延时环，1/4波片，保圆光纤环，光纤反射镜和第一探测器之间均采用保偏光纤连接；
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第一起偏器后得到线偏振光；第一起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，使得线偏振光经过相位调制器以45°射入延时环后分别沿保偏光纤的X轴和Y轴以正交模式进行传输；沿X轴传输的线偏振光和沿Y轴传输的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光一起进入保圆光纤环中；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure 284301DEST_PATH_IMAGE001
，存在相位差
Figure 515562DEST_PATH_IMAGE002
的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以不同的速度通过保偏光纤传输至光纤反射镜处；
在光纤反射镜处发生反射使得左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光且右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过保偏光纤再次传输至保圆光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure 165986DEST_PATH_IMAGE003
后通过1/4波片变为两束线偏振光，两束线偏振光在第一起偏器处发生干涉后通过耦合器进入第一探测器中，由第一探测器采集发生干涉后的线偏振光的光功率，即第一光功率。
延时环由保偏光纤制成，保圆光纤环由保偏光纤制成。
线偏振光学测量单元包括：第二起偏器，保偏光纤环，检偏器，第二探测器；其中，第二起偏器，保偏光纤环，检偏器和第二探测器之间均采用保偏光纤连接；
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第二起偏器后得到线偏振光，线偏振光经过保偏光纤进入保偏光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保偏光纤环中使得线偏振光的偏振角发生旋转，旋转后的线偏振光经过保偏光纤依次进入检偏器和第二探测器，由第二探测器采集通过检偏器的线偏振光的光功率，即第二光功率。
采集模块包括：第一放大电路，第二放大电路，第一模数转换器，第二模数转换器，信号处理单元，数模转换器；
第一探测器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一模数转换器的输入端，第一模数转换器的输出端连接信号处理单元的第一输入端；第一探测器采集的第一光功率经过第一放大电路的滤波和放大后，由第一模数转换器转换为第一数字量，并输入至信号处理单元中；
第二探测器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二模数转换器的输入端，第二模数转换器的输出端连接信号处理单元的第二输入端；第二探测器采集的第二光功率经过第二放大电路的滤波和放大后，由第二模数转换器转换为第二数字量，并输入至信号处理单元中；
信号处理单元，对第一数字量进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制计算得到第一测量电流，基于偏转角测量算法利用第二数字量计算得到第二测量电流，使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；信号处理单元输出第一测量电流作为全光纤直流电流互感器的测量值。
信号处理单元使用第二测量电流对第一测量电流进行校验，当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，信号处理单元发出告警，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护。
相位调制器采用LiNbO3电光相位调制器；
第一测量电流叠加方波信号后经数模转换器输入相位调制器中，由相位调制器对沿X轴和Y轴往返传输的两束相互正交的线偏振光引入调制相位，使得两束线偏振光往返传输后的相位差在+π/2与-π/2之间周期变化；
同时，第一测量电流叠加阶梯波后经数模转换器输入相位调制器中，由相位调制器输出与两束线偏振光往返传输后的相位差大小相等、方向相反的补偿相移。
耦合器通过保偏光纤分别与圆偏振光学测量单元、线偏振光学测量单元连接。
信号处理单元采用FPGA。
本发明另一方面还提出了一种双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，利用双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器而实现。
工作方法包括：
步骤1，光源发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元；
步骤2，载流导体中传输的电流在圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元中产生相同的磁场，利用圆偏振光学测量单元用于测量所述磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率，利用线偏振光学测量单元测量所述磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率；
步骤3，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流；基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流；
步骤4，全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则发出告警。
优选地，步骤3中对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流包括：
步骤3.1.1，利用相位调制器对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制，得到圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率与在－π/2工作点的第一光功率之间的差值
Figure 824501DEST_PATH_IMAGE004
满足如下关系式：
Figure 193165DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure 962538DEST_PATH_IMAGE006
为圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率，
Figure 733048DEST_PATH_IMAGE007
为圆偏振光学测量单元在－π/2工作点的第一光功率，
Figure 60999DEST_PATH_IMAGE008
为光路总损耗，
Figure 651380DEST_PATH_IMAGE009
为光源输出光功率，
Figure 490023DEST_PATH_IMAGE010
为基于法拉第磁光效应产生的相位差，
Figure 583881DEST_PATH_IMAGE011
为与相位差
Figure 115357DEST_PATH_IMAGE012
大小相等、方向相反的补偿相移，即满足
Figure 927455DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤3.1.2，通过差值
Figure 304210DEST_PATH_IMAGE014
求得补偿相移
Figure 282268DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤3.1.3，以如下关系式计算得到第一测量电流
Figure 453486DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 18460DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 933326DEST_PATH_IMAGE018
为光纤维尔德常数，
Figure 267355DEST_PATH_IMAGE019
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
优选地，步骤3中基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流包括：
步骤3.2.1，线偏振光学测量单元得到的第二光功率
Figure 875054DEST_PATH_IMAGE020
满足如下关系式：
Figure 160280DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 878837DEST_PATH_IMAGE022
为光源输出光功率，
Figure 67373DEST_PATH_IMAGE023
为偏转角；
步骤3.2.2，通过第二光功率
Figure 845973DEST_PATH_IMAGE024
求得偏转角
Figure 385539DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤3.2.3，以如下关系式计算得到第二测量电流
Figure 907787DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure 216409DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 165910DEST_PATH_IMAGE028
为光纤维尔德常数，
Figure 425728DEST_PATH_IMAGE029
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
优选地，步骤4中，使用第二测量电流按照如下关系式对第一测量电流进行校验：
Figure 751667DEST_PATH_IMAGE030
式中，
Figure 914795DEST_PATH_IMAGE031
为校验比值，
Figure 35198DEST_PATH_IMAGE032
为第一测量电流，
Figure 283777DEST_PATH_IMAGE033
为第二测量电流；
当校验比值
Figure 147827DEST_PATH_IMAGE034
超过设定值之后，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护；其中，设定值不大于0.1。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的OCT包括两个测量单元，分别基于线偏振光测量原理和基于圆偏振光测量原理对电流进行检测，实现了双光路测量，增强了OCT的可靠性，两种测量原理能够进行互补使得OCT的抗干扰性和测量准确性均得到了显著提升，有效避免单一传感原理的OCT在测量时存在的测量准确度低的情况以及测量回路各组件无法共享的缺陷。
而且，本发明提出的OCT是基于双重感应的线偏振光电流测量与圆偏振光的测量方法及光束的相关性构成的光学电流互感器，利用同一光源光路，再通过不同的调制解调方法，从中解调出不同原理测量得到的被测电流，实现双重化数据的纠错检错，精确测量被测电流，进一步提高了光学互感器测量的可靠性。
本发明提出的OCT将两种测量原理的测量单元集成在一台OCT中，并且两个测量单元共用一个光源，保证了测量光信号光波长、光谱宽度、光功率的一致性。信号处理单元对两个测量单元返回的电流采样值进行比对互校验，实现双重数据的冗余，提升数据检测的准确性。
附图说明
图1是本发明的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的原理图；
图1中的附图标记说明如下：
1-共享光源；2-圆偏振光学测量单元；3-线偏振光学测量单元；4-采集模块；
11-耦合器；21-第一起偏器；22-相位调制器；23-延时环；24-1/4波片；25-保圆光纤环；26-光纤反射镜；27-第一探测器；
31-第二起偏器；32-保偏光纤环；33-检偏器；34-第二探测器；
41-第一放大电路器；42-第二放大电路器；43-第一模数转换器；44-第二模数转换器；45-信号处理单元；46-数模转换器；
100-保偏光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明一方面提出了一种双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器如图1所示。全光纤直流电流互感器包括共享光源1，测量模块和采集模块4；共享光源1包括光源及耦合器11，光源发出的光束经耦合器11后进入测量模块。
本实施例中，共享光源1采用SLD光源。
测量模块包括：圆偏振光学测量单元2，线偏振光学测量单元3。
耦合器11发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元2和线偏振光学测量单元3；其中，圆偏振光学测量单元2用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率；线偏振光学测量单元3用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率。
进入线偏振光学测量单元的光束和进入圆偏振光学测量单元的光束，波长、光谱宽度以及光功率均相同。两个测量单元共用一个光源，保证了测量光信号光波长、光谱宽度、光功率的一致性，有利于提升数据检测的准确性。
全光纤直流电流互感器还包括采集模块4，采集模块4用于采集圆偏振光学测量单元测量得到的第一光功率后，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流，采集模块4还用于采集线偏振光学测量单元测量得到的第二光功率后，基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流；全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则采集模块发出告警。
圆偏振光学测量单元2包括：第一起偏器21，相位调制器22，延时环23，1/4波片24，保圆光纤环25，光纤反射镜26，第一探测器27；其中，第一起偏器，相位调制器，延时环，1/4波片，保圆光纤环，光纤反射镜和第一探测器之间均采用保偏光纤100连接。
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第一起偏器后得到线偏振光；第一起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，使得线偏振光经过相位调制器以45°射入延时环后分别沿保偏光纤的X轴和Y轴以正交模式进行传输；沿X轴传输的线偏振光和沿Y轴传输的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光一起进入保圆光纤环中；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure 165462DEST_PATH_IMAGE035
，存在相位差
Figure 220880DEST_PATH_IMAGE036
的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以不同的速度通过保偏光纤传输至光纤反射镜处。
在光纤反射镜处发生反射使得左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光且右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过保偏光纤再次传输至保圆光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure 691176DEST_PATH_IMAGE037
后通过1/4波片变为两束线偏振光，两束线偏振光在第一起偏器处发生干涉后通过耦合器进入第一探测器中，由第一探测器采集发生干涉后的线偏振光的光功率，即第一光功率。
具体地，延时环由保偏光纤制成，保圆光纤环由保偏光纤制成。
圆偏振光的传感原理为：光束通过光纤时，在磁场的影响下由于法拉第效应，圆偏振光的相位角会发生变化。在磁场的影响下，两束（左右旋）圆偏振光发生干涉。根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。也就是说，圆偏振光的测量原理为测量圆偏振光的干涉后光程差的相对变化，根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。目前国内的闭环全光纤电流互感器均基于以上原理测量电流。
线偏振光学测量单元3包括：第二起偏器31，保偏光纤环32，检偏器33，第二探测器34；其中，第二起偏器，保偏光纤环，检偏器和第二探测器之间均采用保偏光纤连接；
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第二起偏器后得到线偏振光，线偏振光经过保偏光纤进入保偏光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保偏光纤环中使得线偏振光的偏振角发生旋转，旋转后的线偏振光经过保偏光纤依次进入检偏器和第二探测器，由第二探测器采集通过检偏器的线偏振光的光功率，即第二光功率。
线偏振光的传感原理为：光束通过晶体（一般为玻璃）时，在磁场的影响下由于法拉第效应，光场的偏振态会发生旋转。光束通过起偏器得到线偏振光；再通过晶体，在磁场的影响下，光束偏振方向发生旋转；用检偏器检测偏振方向旋转角，即可测量出磁场的大小。由于电流的磁效应会产生磁场，通过测量磁场的大小可计算出相应的电流大小。也就是说，线偏振光的测量原理为直接测量线偏振光的偏振角的相对变化，根据Faraday磁光效应可知，载流导线中传输的电流大小与线偏振光的偏振角成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
耦合器的出射端通过保偏光纤100分别与线偏振光学测量单元、圆偏振光学测量单元连接，耦合器的入射端与采集模块4经由第一探测器27连接。
采集模块4包括：第一放大电路41，第二放大电路42，第一模数转换器43，第二模数转换器44，信号处理单元45，数模转换器46。
第一探测器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一模数转换器的输入端，第一模数转换器的输出端连接信号处理单元的第一输入端；第一探测器采集的第一光功率经过第一放大电路的滤波和放大后，由第一模数转换器转换为第一数字量，并输入至信号处理单元中；
第二探测器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二模数转换器的输入端，第二模数转换器的输出端连接信号处理单元的第二输入端；第二探测器采集的第二光功率经过第二放大电路的滤波和放大后，由第二模数转换器转换为第二数字量，并输入至信号处理单元中；
信号处理单元，对第一数字量进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制计算得到第一测量电流，基于偏转角测量算法利用第二数字量计算得到第二测量电流，使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；信号处理单元输出第一测量电流作为全光纤直流电流互感器的测量值。
信号处理单元用于对两种传感原理测量单元返回的电流数据进行进一步处理分析，比如：分析两个电流数据之间的误差，并将处理后的电流数据进行输出。所以，该系统能够实现双重数据的冗余，提升数据检测的准确性。
信号处理单元使用第二测量电流对第一测量电流进行校验，当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，信号处理单元发出告警，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护。
相位调制器采用LiNbO3电光相位调制器；
第一测量电流叠加方波信号后经数模转换器输入相位调制器中，由相位调制器对沿X轴和Y轴往返传输的两束相互正交的线偏振光引入调制相位，使得两束线偏振光往返传输后的相位差在+π/2与-π/2之间周期变化；
同时，第一测量电流叠加阶梯波后经数模转换器输入相位调制器中，由相位调制器输出与两束线偏振光往返传输后的相位差大小相等、方向相反的补偿相移。
本实施例中，信号处理单元采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编辑逻辑门阵列）。
本实施例提供的光学电流互感器中包括两个测量单元，分别基于线偏振光测量原理和基于圆偏振光测量原理，所以，该光学电流互感器基于两个传感原理，并且根据对应的测量单元对电流进行检测，相对于只基于单一传感原理的光学电流互感器，该光学电流互感器能够有效避免只有一种传感原理的光学电流互感器在测量时带来的测量准确度低的情况，所以，本实施例提供的光学电流互感器的抗干扰性和测量准确性得到了很大地提升，能够实现两种测量原理的互补，其可靠性较强。
而且，本实施例提供的光学电流互感器是基于双重感应的线偏振光电流测量与圆偏振光的测量方法及光束的相关性构成的光学电流互感器。利用同一光源光路，再通过不同的调制解调方法，从中解调出各自检测到的被测电流，实现双重化数据的纠错检错，精确测量被测电流，提高了光学互感器测量的可靠性。
线偏振光学测量单元用的保偏光纤环、起偏器、检偏器及探测器为国内易采购器件，成本低可控，两种测量单元的传输保偏光纤可采用同轴多芯保偏光缆，整个方案在工程上易于实现。
本发明另一方面还提出了一种双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，利用双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器而实现。
工作方法包括：
步骤1，光源发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元。
步骤2，载流导体中传输的电流在圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元中产生相同的磁场，利用圆偏振光学测量单元用于测量所述磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率，利用线偏振光学测量单元测量所述磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率。
步骤3，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流；基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流。
具体地，步骤3中对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流包括：
步骤3.1.1，利用相位调制器对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制，得到圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率与在－π/2工作点的第一光功率之间的差值
Figure 358918DEST_PATH_IMAGE038
满足如下关系式：
Figure 231059DEST_PATH_IMAGE039
式中，
Figure 958843DEST_PATH_IMAGE040
为圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率，
Figure 182014DEST_PATH_IMAGE041
为圆偏振光学测量单元在－π/2工作点的第一光功率，
Figure 387868DEST_PATH_IMAGE042
为光路总损耗，
Figure 380094DEST_PATH_IMAGE043
为光源输出光功率，
Figure 777315DEST_PATH_IMAGE044
为基于法拉第磁光效应产生的相位差，
Figure 222203DEST_PATH_IMAGE045
为与相位差
Figure 231748DEST_PATH_IMAGE046
大小相等、方向相反的补偿相移，即满足
Figure 344060DEST_PATH_IMAGE047
；
步骤3.1.2，通过差值
Figure 148068DEST_PATH_IMAGE048
求得补偿相移
Figure 345831DEST_PATH_IMAGE049
；
步骤3.1.3，以如下关系式计算得到第一测量电流
Figure 893487DEST_PATH_IMAGE050
：
Figure 860306DEST_PATH_IMAGE051
式中，
Figure 333751DEST_PATH_IMAGE052
为光纤维尔德常数，
Figure 18810DEST_PATH_IMAGE053
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
具体地，步骤3中基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流包括：
步骤3.2.1，线偏振光学测量单元得到的第二光功率
Figure 370157DEST_PATH_IMAGE054
满足如下关系式：
Figure 191482DEST_PATH_IMAGE055
式中，
Figure 602872DEST_PATH_IMAGE056
为光源输出光功率，
Figure 509648DEST_PATH_IMAGE057
为偏转角；
步骤3.2.2，通过第二光功率
Figure 399107DEST_PATH_IMAGE058
求得偏转角
Figure 340518DEST_PATH_IMAGE059
；
步骤3.2.3，以如下关系式计算得到第二测量电流
Figure 155765DEST_PATH_IMAGE060
：
Figure 549837DEST_PATH_IMAGE061
式中，
Figure 242987DEST_PATH_IMAGE062
为光纤维尔德常数，
Figure 38904DEST_PATH_IMAGE063
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
步骤4，全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则发出告警。
具体地，步骤4中，使用第二测量电流按照如下关系式对第一测量电流进行校验：
Figure 526518DEST_PATH_IMAGE064
式中，
Figure 407886DEST_PATH_IMAGE065
为校验比值，
Figure 639147DEST_PATH_IMAGE066
为第一测量电流，
Figure 522527DEST_PATH_IMAGE067
为第二测量电流；
当校验比值
Figure 446621DEST_PATH_IMAGE068
超过设定值之后，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护；其中，设定值不大于0.1。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，所述全光纤直流电流互感器包括共享光源和测量模块；共享光源包括光源及耦合器，光源发出的光束经耦合器后进入测量模块，其特征在于，
测量模块包括：圆偏振光学测量单元，线偏振光学测量单元；耦合器发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元；其中，圆偏振光学测量单元用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率；线偏振光学测量单元用于测量载流导体中传输的电流产生的磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率；
所述全光纤直流电流互感器还包括采集模块，采集模块用于采集圆偏振光学测量单元测量得到的第一光功率后，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流，采集模块还用于采集线偏振光学测量单元测量得到的第二光功率后，基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流；
全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，第一测量电流叠加方波信号后经数模转换器输入圆偏振光学测量单元的相位调制器中，由相位调制器对沿X轴和Y轴往返传输的两束相互正交的线偏振光引入调制相位，使得两束线偏振光往返传输后的相位差在+π/2与-π/2之间周期变化；同时，第一测量电流叠加阶梯波后经数模转换器输入相位调制器中，由相位调制器输出与两束线偏振光往返传输后的相位差大小相等、方向相反的补偿相移；
并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则采集模块发出告警。
2.根据权利要求1所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
圆偏振光学测量单元包括：第一起偏器，相位调制器，延时环，1/4波片，保圆光纤环，光纤反射镜，第一探测器；其中，第一起偏器，相位调制器，延时环，1/4波片，保圆光纤环，光纤反射镜和第一探测器之间均采用保偏光纤连接；
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第一起偏器后得到线偏振光；第一起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，使得线偏振光经过相位调制器以45°射入延时环后分别沿保偏光纤的X轴和Y轴以正交模式进行传输；沿X轴传输的线偏振光和沿Y轴传输的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光一起进入保圆光纤环中；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，存在相位差
Figure 960820DEST_PATH_IMAGE002
的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以不同的速度通过保偏光纤传输至光纤反射镜处；
在光纤反射镜处发生反射使得左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光且右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过保偏光纤再次传输至保圆光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保圆光纤环中使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE003
后通过1/4波片变为两束线偏振光，两束线偏振光在第一起偏器处发生干涉后通过耦合器进入第一探测器中，由第一探测器采集发生干涉后的线偏振光的光功率，即第一光功率。
3.根据权利要求2所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
延时环由保偏光纤制成，保圆光纤环由保偏光纤制成。
4.根据权利要求2所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
线偏振光学测量单元包括：第二起偏器，保偏光纤环，检偏器，第二探测器；其中，第二起偏器，保偏光纤环，检偏器和第二探测器之间均采用保偏光纤连接；
耦合器发出的光束通过保偏光纤进入第二起偏器后得到线偏振光，线偏振光经过保偏光纤进入保偏光纤环；载流导体中传输的电流产生的磁场在保偏光纤环中使得线偏振光的偏振角发生旋转，旋转后的线偏振光经过保偏光纤依次进入检偏器和第二探测器，由第二探测器采集通过检偏器的线偏振光的光功率，即第二光功率。
5.根据权利要求4所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
采集模块包括：第一放大电路，第二放大电路，第一模数转换器，第二模数转换器，信号处理单元，数模转换器；
第一探测器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接第一模数转换器的输入端，第一模数转换器的输出端连接信号处理单元的第一输入端；第一探测器采集的第一光功率经过第一放大电路的滤波和放大后，由第一模数转换器转换为第一数字量，并输入至信号处理单元中；
第二探测器的输出端连接第二放大电路的输入端，第二放大电路的输出端连接第二模数转换器的输入端，第二模数转换器的输出端连接信号处理单元的第二输入端；第二探测器采集的第二光功率经过第二放大电路的滤波和放大后，由第二模数转换器转换为第二数字量，并输入至信号处理单元中；
信号处理单元，对第一数字量进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制计算得到第一测量电流，基于偏转角测量算法利用第二数字量计算得到第二测量电流，使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；信号处理单元输出第一测量电流作为全光纤直流电流互感器的测量值。
6.根据权利要求5所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
信号处理单元使用第二测量电流对第一测量电流进行校验，当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，信号处理单元发出告警，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护。
7.根据权利要求5所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
相位调制器采用LiNbO3电光相位调制器。
8.根据权利要求1所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
耦合器通过保偏光纤分别与圆偏振光学测量单元、线偏振光学测量单元连接。
9.根据权利要求5所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器，其特征在于，
信号处理单元采用FPGA。
10.双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，利用权利要求1至9任一项所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器而实现，其特征在于，
所述工作方法包括：
步骤1，光源发出的光束以相同的波长、光谱宽度以及光功率分别进入圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元；
步骤2，载流导体中传输的电流在圆偏振光学测量单元和线偏振光学测量单元中产生相同的磁场，利用圆偏振光学测量单元用于测量所述磁场作用下光束发生干涉后的第一光功率，利用线偏振光学测量单元测量所述磁场作用下光束发生旋转后的第二光功率；
步骤3，对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流；基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流；
步骤4，全光纤直流电流互感器以第一测量电流为输出值，并使用第二测量电流对第一测量电流进行校验；当第一测量电流与第二测量电流的差值的绝对值超过设定值时，则发出告警。
11.根据权利要求10所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，其特征在于，
步骤3中对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制从而得到第一测量电流包括：
步骤3.1.1，利用相位调制器对第一光功率进行方波调制、差分解调及闭环反馈控制，得到圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率与在－π/2工作点的第一光功率之间的差值
Figure 841183DEST_PATH_IMAGE004
满足如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure 78391DEST_PATH_IMAGE006
为圆偏振光学测量单元在π/2工作点的第一光功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为圆偏振光学测量单元在－π/2工作点的第一光功率，
Figure 182745DEST_PATH_IMAGE008
为光路总损耗，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为光源输出光功率，
Figure 387461DEST_PATH_IMAGE010
为基于法拉第磁光效应产生的相位差，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为与相位差
Figure 71515DEST_PATH_IMAGE012
大小相等、方向相反的补偿相移，即满足
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤3.1.2，通过差值
Figure 694388DEST_PATH_IMAGE014
求得补偿相移
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤3.1.3，以如下关系式计算得到第一测量电流
Figure 94277DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 130497DEST_PATH_IMAGE018
为光纤维尔德常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
12.根据权利要求10所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，其特征在于，
步骤3中基于偏转角测量算法利用第二光功率计算得到第二测量电流包括：
步骤3.2.1，线偏振光学测量单元得到的第二光功率
Figure 555924DEST_PATH_IMAGE020
满足如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 830042DEST_PATH_IMAGE022
为光源输出光功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为偏转角；
步骤3.2.2，通过第二光功率
Figure 745039DEST_PATH_IMAGE024
求得偏转角
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤3.2.3，以如下关系式计算得到第二测量电流
Figure 393189DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 192346DEST_PATH_IMAGE018
为光纤维尔德常数，
Figure 117707DEST_PATH_IMAGE019
为圆偏振测量单元保圆光纤环内光纤的圈数。
13.根据权利要求10所述的双光路测量抗干扰的全光纤直流电流互感器的工作方法，其特征在于，
步骤4中，使用第二测量电流按照如下关系式对第一测量电流进行校验：
Figure 62661DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为校验比值，
Figure 994845DEST_PATH_IMAGE030
为第一测量电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为第二测量电流；
当校验比值
Figure 89971DEST_PATH_IMAGE032
超过设定值之后，表示全光纤直流电流互感器的测量值存在异常，需要检修维护；其中，设定值不大于0.1。
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