CN115792780A - 基于s波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法 - Google Patents

基于s波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，针对温度变化与震动在电光晶体和传输光纤中产生应力线双折射，引入附加相位延迟，并与电光相位延迟混叠一起难以分离与补偿的问题。基于S波片实现的光学电压传感器能够线性解调电光相位延迟，当存在应力线双折射时，光学电压传感器的输出为电光相位延迟与附加相位延迟的线性叠加。利用零点定理确定待测交流电压的过零时刻，此时电光相位延迟为零，光学电压传感器输出信号即为应力线双折射。基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，用于计算下一周期的附加相位延迟并予以补偿。

Description

基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力 线双折射补偿方法
技术领域
本发明属于高电压测量技术领域，尤其涉及一种基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法。
背景技术
电压互感器是智能电网建设的重要组成部分，其安全性、可靠性和准确性对调度、计量、监控、继电保护等具有重要意义。目前电力系统广泛采用的电磁式电压互感器和电容式电压互感器，它们的绝缘成本高、动态测量范围小，还存在磁饱和、铁磁谐振等问题，对电力系统的安全性与可靠性构成威胁。
光学电压传感器以电光晶体为敏感元件，不需要铁磁材料，从原理上避免了铁磁谐振、磁饱和等问题；利用光纤传输电压信号，实现了高低电压之间的光隔离，并具有体积小、重量轻、安全可靠等优点，展现出良好的应用前景。但是在工程应用中，受到温漂与震动等因素的影响，电光晶体与传输光纤容易产生应力线双折射，从而引入的附加相位延迟与电光相位延迟混叠一起难以分离与补偿，严重损害了光学电压传感器测量的准确性与稳定性，制约了其实用化发展。
发明内容
针对温度变化与震动在电光晶体和传输光纤中产生应力线双折射，引入附加相位延迟，并与电光相位延迟混叠一起难以分离与补偿的问题。
本发明基于S波片实现的光学电压传感器能够线性解调电光相位延迟，当存在应力线双折射时，光学电压传感器的输出为电光相位延迟与附加相位延迟的线性叠加。利用零点定理确定待测交流电压的过零时刻，此时电光相位延迟为零，光学电压传感器输出信号即为应力线双折射。基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，用于计算下一周期的附加相位延迟并予以补偿。
其主要设计点包括：
光学电压传感器基于线性测量模式，在交流电压的过零时刻可以将应力线双折射提取出来并加以补偿。其中，光学电压传感器基于S波片实现，实现了电光相位延迟的线性解调，当存在应力线双折射时，其输出结果为电光相位延迟与应力线双折射的线性叠加。根据Pockels效应，当待测交流电压过零时，电光晶体的电光相位延迟也为零，此时光学电压传感器输出信号即为应力线双折射。通过零点定理确定待测交流电压的过零时刻，并基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，其特征在于：光学电压传感器基于S波片实现，基于线性测量模式，通过零点定理确定待测交流电压的过零时刻，并基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿；由此将附加相位延迟检测出来并予以消除。
进一步地，其具体实现方式为：光源(1)发出的激光经起偏器(2)得到线偏振光，线偏振光通过电光晶体(3)产生相位延迟，其中相位延迟包括在待测交流电场作用下晶体产生的电光相位延迟、以及应力线双折射引入的附加相位延迟；
从电光晶体(3)出射的光矢经过1/4波片(4)后由椭圆偏振光合成为线偏振光，并将相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转角度；通过S波片(5)和检偏器(6)将偏振面旋转角转换为条形光斑(7)的水平移动量；根据Pockels电光效应，当待测交流电压过零时，晶体的电光相位延迟为零；利用零点定理确定待测交流电压的过零时刻，在这一时刻电光相位延迟对应的光斑暗纹位置(8)在零点，而光学电压传感器输出信号即为附加相位延迟对应的光斑暗纹位置(9)；由此将应力线双折射检测出来；基于前若干个周期的应力线双折射，再利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿。
本发明及其优选方案针对性地解决了温度变化与震动在电光晶体和传输光纤中产生应力线双折射，引入附加相位延迟，并与电光相位延迟混叠一起难以分离与补偿的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法的流程和光路示意图；
图2是本发明实施例基于S波片的光学电压传感器输出光斑的仿真结果图；
图3是本发明实施例基于无模型自适应迭代学习的应力线双折射补偿方法流程图。
其中1为激光器，2为起偏器，3为电光晶体，4为1/4波片，5为S波片，6为检偏器，7为光学电压传感器输出的条形光斑，8为电光相位延迟角为零时的条形光斑，9为应力线双折射对应的条形光斑。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
以下结合附图对本实施例方案作进一步的具体介绍：
如图1所示，为实现本发明所设计的方案，本实施例中，光源1发出的激光经起偏器2得到线偏振光。线偏振光通过电光晶体3产生相位延迟，其中相位延迟包括在待测交流电场作用下晶体产生的电光相位延迟、以及应力线双折射引入的附加相位延迟。
从晶体出射的光矢经过1/4波片4后由椭圆偏振光合成为线偏振光，并将相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转角度；通过S波片5和检偏器6将偏振面旋转角转换为条形光斑7的水平移动量；根据Pockels电光效应，当待测交流电压过零时，晶体的电光相位延迟为零。利用零点定理确定待测交流电压的过零时刻，在这一时刻电光相位延迟等于0°对应的光斑暗纹位置8在零点，而光学电压传感器输出信号即为附加相位延迟对应的光斑暗纹位置9，由此可以将应力线双折射检测出来。基于前若干个周期的应力线双折射，再利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿。
以下基于琼斯矩阵论证本实施例方案的原理可行性。
如图1所示，起偏器、电光晶体、四分之一波片、S波片、检偏器的方位角依次为0°、45°、0°、0°和90°。
起偏器的透光轴位于x方向，激光通过起偏器后为线偏振光，用琼斯矩阵表达为：
Figure BDA0004007600970000041
其中A表示光强。
线偏振光通过电光晶体产生相位延迟，其中相位延迟包括在待测电场作用下的电光相位延迟
Figure BDA0004007600970000042
以及应力线双折射产生的附加相位延迟δ，此时电光晶体的琼斯矩阵JE为：
Figure BDA0004007600970000043
1/4波片的琼斯矩阵为：
Figure BDA0004007600970000044
因此线偏振光通过电光晶体与1/4波片后的琼斯矢量为：
Figure BDA0004007600970000045
S波片的琼斯矩阵为(1)：
Figure BDA0004007600970000046
其中x表示出射光斑暗纹的中心位置；l表示S波片窗口的长度。检偏器的琼斯矩阵为：
Figure BDA0004007600970000047
因此琼斯矢量E经过S波片与检偏器以后，得到：
Figure BDA0004007600970000048
则出射光强分布为：
Figure BDA0004007600970000049
通过定位光斑暗纹中心实现测量，此时
Figure BDA0004007600970000051
满足线性关系：
Figure BDA0004007600970000052
其中△x为光斑的位移量，设△x＝0时，暗纹中心位置在S波片窗口中心位置，基于Matlab仿真得到S波片检偏后的出射光强分布，如图2所示，可见光斑暗纹中心随着
Figure BDA00040076009700000510
的变化同步平移，通过测量光斑暗纹中心的平移量即可实现对入射偏振光偏振角度的直接、线性测量。
因此光学电压传感器测量结果为
Figure BDA0004007600970000053
与δ的线性叠加，根据Pockels电光效应，待测电压U与
Figure BDA0004007600970000054
满足：
Figure BDA0004007600970000055
其中Uπ为晶体的半波电压。因此U＝0时
Figure BDA0004007600970000056
在交流电压过零时光学电压传感器的输出信号即为δ，可以在这一时刻将δ检测出来并加以补偿。
交流电压的过零时刻利用零点定理确定，通过采集光学电压传感器的离散输出数据
Figure BDA0004007600970000057
判断2个相邻数据
Figure BDA0004007600970000058
和
Figure BDA0004007600970000059
的旋转角度符号是否相同(k<n)，假如符号相同，则认为两点之间不存在电压过零；假如符号不相同，则认为两点之间存在过零点，将tk与tk+1的平均值确定为过零时刻。
最后，根据前若干个周期的δi，利用无模型自适应迭代学习方法获得δ的学习率，并计算下一周期的δ予以补偿。无模型迭代误差算法的原理为：
comk(t)＝comk-1(t)+kpδk-1(11)
其中comk(t)第k次迭代t时刻的误差补偿值；kp为学习律。
在无模型迭代学习中加入自适应算法，实现无模型自适应迭代学习，主要是将迭代学习中固定不变的学习律用自适应算法中的伪偏导数来代替，实现学习律的实时修改，使系统更好的适应扰动信号及误差。基于无模型自适应迭代学习的δ补偿方法流程参考图3。
以上验证方案的参考文献为:
Xie N,Zhu D,Xu Q,et al.Linear phase delay detection method foroptical voltage transformer based on S-wave plate[J].Measurement Science andTechnology,2021,32(8):085107。
结合以上设计，本实施例提供一个具体测试实例：
采用的激光器型号为分布式反馈半导体光源，波长为980nm；S波片工作窗口的长和宽分别为2l＝20mm和m＝4mm；采用二象性探测器检测光斑位移量；采用高低温交变湿热试验箱提供不同的温度环境，温度范围-40℃～85℃，温度波动度±0.5℃。实例中将主要光学器件置于温箱内胆中，在-40℃～85℃范围内进行温度循环实验。利用零点定理以及无模型自适应迭代学习方法确定每个周期的应力线双折射并加以补偿。最后通过校验仪记录光学电压传感器的基本准确度，如表1所示。在温度循环条件下光学电压传感器能够满足0.5级准确度要求。
表1基本准确度实验数据
额定电压百分比/％ 比差/％ 角差/(′)
80 0.378 16.54
100 0.34 －20.09
120 0.329 －18.31
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，其特征在于：光学电压传感器基于S波片实现，基于线性测量模式，通过零点定理确定待测交流电压的过零时刻，并基于前若干个周期的应力线双折射，利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿；由此将附加相位延迟检测出来并予以消除。
2.根据权利要求1所述的基于S波片与无模型自适应迭代学习的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，其特征在于：
光源（1）发出的激光经起偏器（2）得到线偏振光，线偏振光通过电光晶体（3）产生相位延迟，其中相位延迟包括在待测交流电场作用下晶体产生的电光相位延迟、以及应力线双折射引入的附加相位延迟；
从电光晶体（3）出射的光矢经过1/4波片（4）后由椭圆偏振光合成为线偏振光，并将相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转角度；通过S波片（5）和检偏器（6）将偏振面旋转角转换为条形光斑（7）的水平移动量；根据Pockels电光效应，当待测交流电压过零时，晶体的电光相位延迟为零；利用零点定理确定待测交流电压的过零时刻，在这一时刻电光相位延迟对应的光斑暗纹位置（8）在零点，而光学电压传感器输出信号即为附加相位延迟对应的光斑暗纹位置（9）；由此将应力线双折射检测出来；基于前若干个周期的应力线双折射，再利用无模型自适应迭代学习方法获得应力线双折射的学习率，计算下一周期的应力线双折射并予以补偿。
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