CN115308665A - 基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，采用特定调制信号对光学电流互感器进行闭环调制解调及半波电压跟踪；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加处理的结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得待测电流及相位反馈值；对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持与调制器真实半波电压保持一致。

Description

基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法

技术领域

本发明涉及基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，属于电流传感技术领域。

背景技术

光学电流互感器简称OCT，电流互感器是监测电力系统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、计量和保护所需的电流信息。传统的电流互感器为电磁式互感器，电磁式互感器由于体积笨重、绝缘结构复杂、易磁饱和、易铁磁谐振、动态测量范围小和响应频带窄等原因越来越不能满足电力系统自动化和数字化网等发展的需要。而光学电流互感器具有绝缘结构简单、体积小、重量轻和线性度好，不存在磁饱和与铁磁谐振问题等优点，可以取代传统的电磁式互感器，有广阔的应用前景。

OCT采用全光纤结构，基于Faraday磁光效应原理实现对电流的检测：OCT的传感光纤环设置于导体磁场中，受被测电流影响发生法拉第磁光效应，光纤中产生的相位差与空间磁场强度成正比，而磁场强度与电流强度成正比，因此通过检测相位差可得到被测电流。因OCT检测到的干涉光信号是相位差的余弦函数，有零相位差附近响应灵敏度低，测量范围有限，干涉结果不能反映输入电流的方向性等缺陷。为了解决余弦敏感性和方向性的问题，在系统光路中增加相位调制器，对光信号实施方波调制，在光纤线圈中引入非互易的90°相位偏置

将余弦响应转换为正弦响应，可有效提高光CT的灵敏度。

OCT的解调算法很大程度上决定了设备测量的准确度。现阶段全光纤电流互感器的解调方案有开环解调和闭环解调两个方向，其中开环方案存在电流测量范围受限和线性度差等问题；而闭环解调方案可有效解决电流测量范围及线性度问题，因此是目前主流的解调方向。因此，相位调制器是OCT系统中的重要元件，而调制器的标准半波电压与实际半波电压是有误差的，且随着运行环境条件改变或运行时间延长，调制器的实际半波电压也有可能产生变化，这会导致解调得到的相位差出现误差，测得的电流失准。目前常规的闭环解调方案中无法对调制器的半波电压进行实时跟踪，寻找能够实时跟踪调制器半波电压的闭环解调算法，成为提高测量准确度的重要思路。

基于以上分析，本发明致力于研究一种基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，本案由此产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法。

为达到上述目的，本发明提供基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，采用特定调制信号对光学电流互感器进行闭环调制解调及半波电压跟踪；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加处理的结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得被测电流及相位反馈值；对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持与调制器真实半波电压保持一致。

优先地，所述特定调制信号的周期为τ，τ等于光学电流互感器中光信号的传输时间；

光学电流互感器的半波电压监视周期为T，且T＝M×τ，其中M为正整数，表征τ的个数，每隔M-1次τ对调制器进行一次半波电压检测。

优先地，前M-1个τ中，将每个τ内探测器的输出信号幅值分为信号段U₁和信号段U₂，信号段U₁为调制正半周，信号段U₂为调制负半周，表达式分别为：

其中，P₀为光功率，φ_s为被测电流造成的相位差，±π/2为调制器施加的方波调制信号，φ_f为调制器施加的电流闭环反馈信号。

优先地，第M个τ中，将探测器的输出信号幅值分为4个信号段U₃、U₄、U₅和U₆，表达式分别如下：

其中，U₃信号段长度与U₅信号段长度等同，U₄信号段长度与U₆信号段长度等同。

优先地，对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理，包括：

对每个τ内的探测器输出信号进行4N次均匀采样，N为大于0的整数，将U₁至U₆各段的采样值进行累加，得到各段的累加值为：

上式中，U_1,2N、U_2,2N、U_3,N、U_4,N、U_5,N和U_6,N依次为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅和U₆信号段对应的累加值；U₁(n)、U₂(n)、U₃(n)、U₄(n)、U₅(n)和U₆(n)依次为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅和U₆中第n个采样点的值，N为正整数。

优先地，获取携带电流信息的调制相位，包括：

根据下式求解调制相位φ_s：

前M-1个调制相位：

第M个调制相位：

根据被测电流产生的相位差，生成与其幅值相等、方向相反的相位反馈值。

优先地，对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持与调制器真实半波电压保持一致，包括：

调制器的工作半波电压与调制器标准半波电压存在偏差，导致探测器输出U₁、U₂、U₃和U₅的实际幅值与理想情况下存在偏差，U₁、U₂、U₃和U₅的实际幅值如下：

上式中，U_1,2N’、U_2,2N’、U_3,N’和U_5,N’分别为U₁、U₂、U₃和U₅信号段的实际幅值，φ_Δ为调制器工作半波电压与标准半波电压间的偏差值。

优先地，根据下式计算出半波电压偏差φ_Δ：

并在后续的调制周期中将调制器的半波电压调整为：

V_π′＝V_π+φ_Δ，

其中，V_π为调制周期前的调制器的半波电压，V_π′为调制周期后的调制器的半波电压，

实际施加在调制器上的正负半周反馈电压为

保证调制器的工作半波电压始终与调制器真实半波电压保持一致，不会因半波电压的变化导致互感器产生误差。

优先地，U₃与U₄信号段长度比例为1:1。

本发明所达到的有益效果：

本发明采用特定的闭环方波信号，不仅能够解调测量电流大小，还能对调制器半波电压进行实时跟踪，并通过反馈调节半波电压大小，减小调制器半波电压漂移带来的误差，提高测量准确性。

附图说明

图1是闭环解调全光纤电流互感器的结构图；

图2是所述未考虑半波电压偏差时的信号波形图；

图3是所述已考虑半波电压偏差时的信号波形图。

图中的标号说明，1：光源；2：耦合器；3：起偏器；4：调制器；5：保偏光纤/光缆；6：1/4 波片；7：反射镜；8：传感光纤；9：探测器；10：A/D转换器；11：信号处理单元；12： D/A转换器；13：被测电流输出；14：方波调制信号φ_m(t)输出；15：阶梯波补偿信号φ_f(t)输出；16：载流导体。

具体实施方式

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发明的保护范围。如图1所示，全光纤电流互感器包括光源1、耦合器2、起偏器3、相位调制器4、保偏光纤/ 光缆5、1/4波片6、传感光纤7、反射镜8和探测器9。全光纤电流互感器的闭环解调装置包括A/D转换器10、信号处理单元11和D/A转换器12，图1中的13为信号处理单元输出的被测电流信号，14和15分别为用于叠加出特定闭环调制信号的方波信号。

在全光纤电流互感器中，光源1发出的光经过耦合器2及起偏器3后，形成线偏振光，线偏振光以45°注入相位调制器4后，分成两束正交的线偏光分别沿保偏光纤5的快、慢轴传输。两束线偏光经过1/4波片6后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入围绕在被测电流周围的传感光纤7。传感光纤7作为Faraday材料，缠绕在载流导体16外感应被测电流产生的磁场。Faraday磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的相位差。两束圆偏振光经反射镜8反射后，偏振模式互换，并再次穿过传感光纤7，使产生的非互易相移加倍。两束圆偏振光再次通过1/4波片6后，恢复为线偏振光，并在起偏器3处发生干涉，最后经由耦合器2输出携带相位信息的光。携带相位信息的光进入探测器9和A/D转换器10，转换为电信号，然后送往信号处理单元11解调出相位差；解调出的相位差与反馈阶梯波信号相加，生成被测电流信号12输出。

信号处理单元11向调制器发送方波调制信号13，同时根据被测电流信号12产生闭环反馈的阶梯波信号14，用于补偿被测电流产生的相位差。方波信号13、阶梯波信号14叠加后通过 D/A转换器15输出至相位调制器4。

(1)闭环调制信号的输入

理想情况下，闭环OCT探测器PD的输出信号为：

上式中，P0为输入光强；φ_s为传感光纤7上产生的Faraday相位差，且有φ_s＝4KVI，K为传感光纤7缠绕匝数，V为传感光纤7的伏尔德(Verdet)常数，I为被测电流；φ_m为施加的方波调制信号13；φ_f为施加的阶梯波反馈信号14。

如图2中的(a)、(b)所示，信号处理单元11发出两股调制信号，其中一股为方波调制信号13 φ_m(t)，另一股为阶梯波反馈信号14φ_f(t)，两股调制信号叠加后输出到调制器4上，实现对光信号的相位调制。

图2是所述未考虑半波电压偏差时的信号波形图，其中，(a)为方波调制信号φ_m(t)波形图，(b) 为阶梯波补偿信号φ_f(t)波形图，(c)为探测器输出波形图。

如图2中的(a)所示，标准方波信号13φ_m(t)，在不考虑幅值误差的情况下，前M-1个调制周期内，该方波调制信号根据时间被均分为正负半周，幅值分别为U_{m_1}、U_{m_2}；第M个周期，调制信号被分为4个信号段，幅值分别为U_{m_3}～U_{m_6}，其中U_{m_3}与U_{m_5}信号段长度等同，U_{m_4}与U_{m_6}信号段长度等同，U_{m_3}与U_{m_4}信号段长度比例可根据需求进行调整，默认为1:1。 U_{m_1}～U_{m_6}表达式如下：

U_{m_4}＝0，

U_{m_6}＝0，

如图2中的(b)所示，阶梯波反馈信号14φ_f(t)，用于补偿被测电流产生的相位差，使光CT 系统始终工作在sin函数的零点附近，从而保持最好的灵敏度和线性度。即，第R个周期的φ_f可表达为

φ_{f_R}＝-φ_{s_R-1}。

如图2中的(c)所示，光信号受到被测电流影响，产生相位差φ_s(t)，同时经反馈调制后受到调制信号影响，前M-1个调制周期内，探测器9上接收到的调制信号可表示为U₁、U₂，第M 个调制周期，探测器9上接收到的调制信号可表示为U₃～U₆：

(2)信号离散化采样

对探测器9输出信号进行离散化采样处理，默认U₃与U₄信号段长度比例为1:1，则每个调制周期τ内对输出信号进行4N次均匀采样，将U₁～U₆各段的采样值进行累加，得到各段的累加值为：

上式中，U_1,2N、U_2,2N、U_3,N、U_4,N、U_5,N和U_6,N,依次为U₁～U₆信号段对应的累加值，U₁(n)～ U₆(n)依次为U₁～U₆中第n个采样点的值，N为正整数。

(3)解调得到调制相位φ_s

根据获得的不同时间段采样值累加的结果，进行解调运算，获取携带电流大小信息的调制相位φ_s。解调算法如下：

前M-1个调制周期中，由((2)式－(1)式)/((2)式+(1)式)，同时考虑到被测电流引起的相位差φ_s远小于2π，得被测电流相位差为：

第M周期，由((5)式－(3)式)/((5)式+(13)式)，被测电流相位差为：

根据被测电流产生的相位差，生成与其幅值相等、方向相反的相位反馈值。

(4)跟踪调制器半波电压

图3是所述已考虑半波电压偏差时的信号波形图，其中，(a)为方波调制信号φ_m(t)波形图；(b) 为阶梯波补偿信号φ_f(t)波形图；(c)为探测器输出波形图。

如图3所示，实际运行时，调制器4的工作半波电压可能出现漂移，在调制器4上施加标准半波电压V_π时，产生的相位差可能不是π/2，而是π/2+φ_Δ。

半波电压的偏差造成探测器9输出信号U₁、U₂、U₃和U₅信号段的幅值与理想情况下有偏差，实际幅值为：

第M个调制周期中，有

因反馈相移φ_f用于补偿上一个调制周期中被测电流产生的相位差φ_s，因此第M个调制周期中，有

φ_{f_M}＝-φ_{s_M-1}，

对于稳态电流来说，电流值的幅值变化很小，因此可认为，

cos(φ_{s_M}+φ_{f_M})＝cos(φ_{s_M}-φ_{s_M-1})≈1，

则根据式(11)可计算出施加标准半波电压后，调制器4的实际输出相位差与标准相位差之差φ_Δ：

则调制器的实际半波电压可调整为：

V_π′＝V_π+φ_Δ (13)

其中，V_π为调制周期前的调制器的半波电压，V_π′为调制周期后的调制器的半波电压，在后续的调制周期中，信号处理单元11根据式(12)调节输出的正负半周反馈调制电压14为：

动态的反馈调节可以保证调制器4工作半波电压Vπ'始终保持在调制器真实工作半波电压Vπ附近，从而确保光CT系统拥有最佳的灵敏度和线性度，不会因半波电压的变化导致互感器产生误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，采用特定调制信号对光学电流互感器进行闭环调制解调及半波电压跟踪；对探测器的输出信号进行离散化采样处理，并对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理；对累加处理的结果进行解调运算，获取携带电流信息的调制相位，进而获得被测电流及相位反馈值；对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持与调制器真实半波电压保持一致。

2.根据权利要求1所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于：

所述特定调制信号的周期为τ，τ等于光学电流互感器中光信号的传输时间；

光学电流互感器的半波电压监视周期为T，且T＝M×τ，其中M为正整数，表征τ的个数，每隔M-1次τ对调制器进行一次半波电压检测。

3.根据权利要求2所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于：

前M-1个τ中，将每个τ内探测器的输出信号幅值分为信号段U₁和信号段U₂，信号段U₁为调制正半周，信号段U₂为调制负半周，表达式分别为：

其中，P₀为光功率，φ_s为被测电流造成的相位差，±π/2为调制器施加的方波调制信号，φ_f为调制器施加的电流闭环反馈信号。

4.根据权利要求3所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于：

第M个τ中，将探测器的输出信号幅值分为4个信号段U₃、U₄、U₅和U₆，表达式分别如下：

其中，U₃信号段长度与U₅信号段长度等同，U₄信号段长度与U₆信号段长度等同。

5.根据权利要求4所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，对探测器输出信号的各段采样值进行分段累加处理，包括：

对每个τ内的探测器输出信号进行4N次均匀采样，N为大于0的整数，将U₁至U₆各段的采样值进行累加，得到各段的累加值为：

上式中，U_1,2N、U_2,2N、U_3,N、U_4,N、U_5,N和U_6,N依次为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅和U₆信号段对应的累加值；U₁(n)、U₂(n)、U₃(n)、U₄(n)、U₅(n)和U₆(n)依次为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅和U₆中第n个采样点的值，N为正整数。

6.根据权利要求5所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，获取携带电流信息的调制相位，包括：

根据下式求解调制相位φ_s：

前M-1个调制相位：

第M个调制相位：

根据被测电流产生的相位差，生成与其幅值相等、方向相反的相位反馈值。

7.根据权利要求5所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，对调制器的工作半波电压进行实时跟踪，并进行反馈调节，以保证调制器的工作半波电压始终保持与调制器真实半波电压保持一致，包括：

调制器的工作半波电压与调制器标准半波电压存在偏差，导致探测器输出U₁、U₂、U₃和U₅的实际幅值与理想情况下存在偏差，U₁、U₂、U₃和U₅的实际幅值如下：

上式中，U_1,2N’、U_2,2N’、U_3,N’和U_5,N’分别为U₁、U₂、U₃和U₅信号段的实际幅值，φ_Δ为调制器工作半波电压与标准半波电压间的偏差值。

8.根据权利要求7所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，根据下式计算出半波电压偏差φ_Δ：

并在后续的调制周期中将调制器的半波电压调整为：

V_π′＝V_π+φ_Δ，

其中，V_π为调制周期前的调制器的半波电压，V_π′为调制周期后的调制器的半波电压，实际施加在调制器上的正负半周反馈电压为

保证调制器的工作半波电压始终与调制器真实半波电压保持一致，不会因半波电压的变化导致互感器产生误差。

9.根据权利要求4所述的基于光学电流互感器闭环算法的调制器半波电压跟踪方法，其特征在于，U₃与U₄信号段长度比例为1:1。

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