CN116047158A - 一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法。该方法及装置能够实现对同一电流传感器光路进行四AD采样双向解调、并对温度引起的误差进行自动补偿，该方法包括光路单元、电路单元、数据处理单元。光路部分采用耦合器将光源分成两束，利用传感光路对称性，实现双通道解调，并用隔离器对实现光单向输出，避免双向光对光源、信号光功率造成扰动。每一通道采用双AD差分解调，同时采用分束器实现差分信号大小相同。利用耦合器2对光源功率进行监控。电路部分包括光源驱动、温控及驱动闭环控制，信号滤波放大单元，AD采集及信号处理用DSP或单片机。数据处理部分为电流信号解调算法及自补偿方法。

Description

一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法

技术领域

本发明涉及电力设备领域，尤其涉及一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法。

背景技术

目前电力系统逐步实现智能化、数字化，各种智能传感检测设备层出不穷。互感器做为电力系统的关键设备，用于测量电流大小，为电能计量测控保护提供必要信息，也必须顺应技术需要，向小型化，智能化方向进行发展，不同原理的电流传感器不断发明出来。目前光纤电流互感器以其绝缘简单、体积小、安全可靠、数字化、智能化及计量、测量、保护一体化等优点，已经在智能化变电站中批量应用，代表互感器发展方向。

但是由于光纤电流互感器工艺复杂、成本较高，在高电压领域应用较多，在配网低电压领域未能推广，因此需要设计一种成本较低，安装灵活的电流传感器，同时实现双AD双重化配置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法，实现了单传感输出两路独立采样保护数据的功能，并实现温度自补偿。本发明具有成本低、高度集成、智能化程度高的优点。

本发明的技术解决方案是：

一种单光路双通道光学电流传感器装置，包括光源、隔离器1、耦合器1、准直器1、法拉第磁旋光材料、准直器2、耦合器2、探测器3、隔离器2、探测器1；

耦合器1和耦合器2均有2个入射端口和2个出射端口；光源发出的光经过隔离器1，从耦合器1的1端口进入，均分后从耦合器1的3端口和4端口发出，从耦合器1的4端口发出光正向进入准直器1，之后经过法拉第磁旋光材料后进入准直器2，再进入耦合器2，经耦合器2后光被分成两部分，一部分光经耦合器2的2端口进入探测器3，另一部分光由于隔离器2为单向输入器件、从而被消散掉；从耦合器1的3端口发出的光经过隔离器2后、从耦合器2的1端口反向进入，并依次经过准直器2、法拉第磁旋光材料、准直器1、耦合器1，最终进探测器1。

所述准直器1与法拉第磁旋光材料之间设有偏振分束器1，准直器1射出的光经偏振分束器1被分成透射光、反射光两部分，透射光进入法拉第磁旋光材料，反射光进入分束器1，被分束器1分成透射和反射光，透射光不利用，反射光经准直器4进入探测器2。

所述法拉第磁旋光材料与准直器2之间设有偏振分束器2，法拉第磁旋光材料射出的光经偏振分束器2被分成透射光、反射光两部分，透射光进入准直器2，反射光进入分束器2，被分束器2分成透射和反射光，透射光不利用，反射光经准直器3进入探测器4。

所述耦合器1、耦合器2、偏振分束器1、偏振分束器2、分束器1、分束器2均为分光比50：50的器件。

所述探测器1、探测器2、探测器3、探测器4分别连接信号放大滤波模块、AD采样转换电路，信号放大滤波模块用于对探测器1、2、3、4的传感信号经过滤波放大后，再由AD采样转换电路进行信号采集，并将信号发送给数据处理单元进行控制和解调；

探测器5经一路AD采样转换电路进行信号采集后、将信号发送给数据处理单元，数据处理单元对AD采样转换电路采集的数据进行平均后，得到累加平均值，将累加平均值做为调节光源功率波动或光源故障的信号，利用累加平均值波动的大小来控制光源驱动电流大小。

一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，包括：

根据权利要求2或3所述的装置获得探测器1和探测器2、或探测器3和探测器4的信号表示I；

根据光通过法拉第磁旋光材料后相位变、信号表示I，获得变形后信号表示I；

考虑温度特性及双光路，根据变形后信号表示I，获得两个探测器的信号表示分别为I₁和I₂；

考虑实际分光比，获得I₂’；

根据I₂’，电流输出为

电流输出中包含有关温度的直流量，和温度无关的交流量，因此直流量C_DC＝Mean(C)，交流量C_AC＝C-Mean(C)；

最终输出为C_out＝(1+K·C_DC)C_AC，K为根据直流量C_DC拟合得到的修正系数。

所述I＝I₀/2[1±sin(2θ)]，

其中，θ＝VBd，V为维尔德常数，B为磁场强度，由需要测量的电流产生，d为磁旋光材料长度；I₀为通过偏振分束器之后的光强。

所述光通过法拉第磁旋光材料后相位变为θ＝φ+VBd，φ为材料自然旋光特性引起的偏转角度；

变形后信号表示I为：I＝I₀/2{1±sin2(φ+VBd)}。

所述I₁＝I₀/2{1+sin2[(φd+Δφ·φTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}；

I₂＝I₀/2{1-sin2[(φd+Δφ·φTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}。

所述

其中，I_1DC为I₁直流量，I_2DC为I₂直流量，通过I₁、I₂完整周波数据平均得到；

C_DC＝Mean(C)＝φd+Δφ·ΔTd；

C_AC＝C-Mean(C)＝VBd+ΔV·ΔTBd。

单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法基于单路法拉第磁旋光传感材料，对光路进行双向传感，双向传感信息采用独立双AD进行采样，并对采样值独立解调，实现单套传感输出两路独立采样电流保护数据，整套装置主要由光路、电路、数据处理单元构成。

所述装置采用双向双通道差分解调，双通道共用一个光源，由光纤耦合器1分束，同时为保证对向输入光返回，增加隔离器，降低干扰，稳定光源、信号光输出。双向光信号在偏振分束器分成直通和反射两个差分信号，直通部分经耦合器进入探测器，反射部分经分束器进入探测器，耦合器与分束器均接近50：50分光比，保证差分信号大小相等。耦合器2第4端口增加探测器5，增加对光功率的监测，用于光源功率闭环控制，并做为光源故障告警信号。

所述电路包括光源驱动、制冷、光功率闭环控制模块，信号放大滤波模块、5路独立AD采样转换电路。光源驱动制冷模块驱动光源发光并对其进行温控，同时利用光源功率检测闭环控制光源功率稳定。

信号放大滤波电路用于探测器信号噪声控制；5路AD采样模块中其中1路用于检测光源功率，用于控制光源驱动，另外4路AD采样双通道传感差分信号，分别解调两个独立的电流信号，解调数据作可为双AD采样电流输出，同时两路解调数据相加并平均后也可做为单独信号输出，降低噪声。AD采样通过时序控制在同一时刻采样。

所述数据处理单元用于对采集的信号进行控制和解调，包括解调算法和自补偿温度方法，双向差分信号分别用AD采样，采样数据通过差分解调，分别解调电流和误差项，通过误差项对装置温度进行自补偿，修正解调电流信号。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)解决了现有光纤电流互感器成本高的问题、并满足配网智能化(自诊断、能检测更多信号-状态等)、数字化、双重配置应用需要；

(2)实现了单传感输出两路独立采样保护数据的功能，并实现温度自补偿。本发明具有成本低、高度集成、智能化程度高的优点。

附图说明

图1-单光路双通道光学电流传感器装置原理图；

图2-单光路双通道光学电流传感器装置电路原理。

具体实施方式

下面将结合本发明涉及的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本申请实施例公开一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法，如图1所示，装置包括光路、电路、数据处理部分。

光路主要包括光源、隔离器耦合器、探测器、准直器、偏振分束器、分束器、探测器等器件。具体的，包括光源、隔离器1、探测器1、耦合器1、准直器1、偏振分束器1、法拉第磁旋光材料、偏振分束器2、准直器2、耦合器2、隔离器2、探测器3、探测器5、分束器2、准直器3、探测器4、分束器1、准直器4、探测器2，原理图如图1所示。

其工作原理为，光源在驱动制冷电路作用下，发出的光经过隔离器1，从耦合器1的1端口进入，均分后从耦合器1的3和4端口发出；4端口发出光正向进入准直器1，经偏振分束器1被均分成透射、反射两部分，反射光消散并不利用，透射光进入磁光材料到达偏振分束器2，此时光再被均分成投射和反射两部分，1/2光透射进入准直器2，再进入耦合器2，经耦合器2后光也会均分成两部分，一半光经耦合器2的端口2进入探测器3，另一半光经耦合器2的端口1返回，但由于隔离器2为单向输入器件，这部分光会被消散掉，不会返回进入探测器1中；被偏振分束器2反射的光进入分束器2，被分束器2均匀分成透射和反射光，透射光不利用，反射光经准直器3进入探测器4，光路中的耦合器、偏振分束器、分束器均为分光比50：50的器件，因此去除光路掺入损耗，进入探测器3和4的光功率均为光源发出光的1/16，基本相等，另外由于偏振分束器1和偏振分束器2偏振轴相差45°，因此根据马吕斯定律，进入探测器3和4的光信号为差分信号，可表示为I＝I₀/2[1±sin(2θ)]，θ＝VBd，V维尔德(Verdet)常数，B为磁场强度，d为法拉第磁旋光材料长度，I0为进入法拉第磁旋光材料前的光，I为从从法拉第磁光材料输出经偏振分束器干涉后的光。

同样道理，耦合器1的端口3所发出的光经耦合器2反向进入传感光路并最终进探测器1和探测器2，同样为I＝I₀/2[1±sin(2θ)]。由于隔离器1的存在，返回光并不会对光源造成影响，返向通道光多经过一个耦合器，因此进入探测器1和2的光为光源发出光的1/32。

通过上述光路设置，实现了能够仅使用一个共同部分的法拉第磁旋光材料，实现两路光的测量。相对于完全冗余设计一路各部件相同的光路，光路结构更简单、节省了光路的各个器件。

电路部分包括特有的光源驱动模块、制冷模块、功率闭环控制模块，信号放大滤波模块、5路独立AD采样转换电路，原理如图2所示。光源驱动模块通过调整电流大小控制光源发出光强；制模块冷用于对光源驱动模块进行冷却，保证光源管芯温度稳定，发出光源功率、波长波动更加稳定；功率闭环控制模块用于反馈光源功率大小，并根据其反馈结果调节光源驱动模块，并监测光源是否出现故障，其功能由探测器5实现；探测器5信号是由光源经隔离器1、耦合器1、隔离器2、耦合器2之后的光信号，反映光源光功率大小和稳定性，其信号由AD5采集，获得采集数据，数据处理单元对AD采样转换电路采集的数据进行平均后，得到累加平均值，将累加平均值做为调节光源功率波动或光源故障的信号；根据光源功率与驱动电流成正比关系，并利用累加平均值波动的大小来控制光源驱动电流大小，调节光源输出光功率不变。

双通道探测器1、2、3、4传感信号经过滤波放大后分别由AD1、AD2、AD3、AD4进行采集，采集时钟控制在同一时刻，保证解调电流相位相同。

采集信号由数据处理单元进行控制和解调，数据处理单元由单片机或DSP构成。AD1和AD2数据与AD3和AD4的数据独立解调。

自补偿测试方法包括：

根据马律师定律，到达探测器1、2可表示为：

I＝I₀/2[1±sin(2θ)]            (1)

θ＝VBd，V维尔德(Verdet)常数，B为磁场强度，由需要测量的电流产生，d为法拉第磁旋光材料长度，I₀为通过偏振分束器之后的光强。但在实际应用中传感用法拉第磁旋光材料Verdet常数具有温度依赖特性，根据报道Verdet常数变化较大，而且传感头环境温度无法直接测试，需要在解调方案中间接测试出来以补偿电流传感器温度引起的误差。

由于光通过任何物质均有一定的旋光作用，只不过旋光角度的大小不同，因此光通过法拉第磁旋光材料后相位变为

θ＝φ+VBd                    (2)

(2)式中，φ为材料自然旋光特性引起的偏转角度，有式(2)，则，(1)式变为：

I＝I₀/2{1±sin2(φ+VBd)}           (3)

考虑到温度特性及双光路(3)式变为：

I₁＝I₀/2{1+sin2[(φd+Δφ·ΔTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}   (4)

I₂＝I₀/2{1-sin2[(φd+Δφ·ΔTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}    (5)

其中，ΔT温度变化量-根据环境的温度变化来确定；ΔV为维尔德常数随温度变化的变化量。

考虑实际分光比不会是50：50，令

其中，I_1DC为式(4)直流量，I_2DC为式(5)直流量，可通过对公式(4)，(5)信号完整周波数据平均得到。

则电流输出便可由下式得出

工程中α较小时，用sin(α)≈α表示，则

C＝[(φd+Δφ·ΔTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd)]     (8)

(8)式中包含有关温度的直流量，和温度无关的交流量，因此直流量C_DC＝Mean(C)＝φd+Δφ·ΔTd

(9)

交流量C_AC＝C-Mean(C)＝VBd+ΔV·ΔTBd

(10)

由(9)式解调出温度曲线，来补偿(10)式，便可消除温度的影响。

最终输出最终输出为

C_out＝(1+K·C_DC)C_AC                 (11)

K为根据直流温度变化(即公式9)拟合得到的修正系数。

本发明针对配网应用及现有光纤互感器成本较高，提出了了一种单光路双通道光学电流传感器装置及自补偿测试方法。该方法及装置能够实现对同一传感光路进行双采样、双解调，并能够进行误差自补偿。本发明的方案具备结构简单、成本低、智能化程度高的优点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种单光路双通道光学电流传感器装置，其特征在于：包括光源、隔离器1、耦合器1、准直器1、法拉第磁旋光材料、准直器2、耦合器2、探测器3、隔离器2、探测器1；

耦合器1和耦合器2均有2个入射端口和2个出射端口；

光源发出的光经过隔离器1，从耦合器1的1端口进入，均分后从耦合器1的3端口和4端口发出，从耦合器1的4端口发出光正向进入准直器1，之后经过法拉第磁旋光材料后进入准直器2，再进入耦合器2，经耦合器2后光被分成两部分，一部分光经耦合器2的2端口进入探测器3，另一部分光由于隔离器2为单向输入器件、从而被消散掉；

从耦合器1的3端口发出的光经过隔离器2后、从耦合器2的1端口反向进入，并依次经过准直器2、法拉第磁旋光材料、准直器1、耦合器1，最终进探测器1。

2.根据权利要求1所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置，其特征在于：所述准直器1与法拉第磁旋光材料之间设有偏振分束器1，准直器1射出的光经偏振分束器1被分成透射光、反射光两部分，透射光进入法拉第磁旋光材料，反射光进入分束器1，被分束器1分成透射和反射光，透射光不利用，反射光经准直器4进入探测器2。

3.根据权利要求1或2所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置，其特征在于：所述法拉第磁旋光材料与准直器2之间设有偏振分束器2，法拉第磁旋光材料射出的光经偏振分束器2被分成透射光、反射光两部分，透射光进入准直器2，反射光进入分束器2，被分束器2分成透射和反射光，透射光不利用，反射光经准直器3进入探测器4。

4.根据权利要求3所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置，其特征在于：所述耦合器1、耦合器2、偏振分束器1、偏振分束器2、分束器1、分束器2均为分光比50：50的器件。

5.根据权利要求3所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置，其特征在于：所述探测器1、探测器2、探测器3、探测器4分别连接信号放大滤波模块、AD采样转换电路，信号放大滤波模块用于对探测器1、2、3、4的传感信号经过滤波放大后，再由AD采样转换电路进行信号采集，并将信号发送给数据处理单元进行控制和解调；

探测器5经一路AD采样转换电路进行信号采集后、将信号发送给数据处理单元，数据处理单元对AD采样转换电路采集的数据进行平均后，得到累加平均值，将累加平均值做为调节光源功率波动或光源故障的信号，利用累加平均值波动的大小来控制光源驱动电流大小。

6.一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，其特征在于：包括

根据权利要求2或3所述的装置获得探测器1和探测器2、或探测器3和探测器4的信号表示I；

根据光通过法拉第磁旋光材料后相位变、信号表示I，获得变形后信号表示I；考虑温度特性及双光路，根据变形后信号表示I，获得两个探测器的信号表示分别为I₁和I₂；

考虑实际分光比，获得I₂’；

根据I₂’，电流输出为

电流输出中包含有关温度的直流量，和温度无关的交流量，因此直流量C_DC＝Mean(C)，交流量C_AC＝C-Mean(C)；

最终输出为C_out＝(1+K·C_DC)C_AC，K为根据直流量C_DC拟合得到的修正系数。

7.根据权利要求6所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，其特征在于：所述I＝I₀/2[1±sin(2θ)]，

其中，θ＝VBd，V为维尔德常数，B为磁场强度，由需要测量的电流产生，d为磁旋光材料长度；I₀为通过偏振分束器之后的光强。

8.根据权利要求7所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，其特征在于：所述光通过法拉第磁旋光材料后相位变为θ＝φ+VBd，φ为材料自然旋光特性引起的偏转角度；

变形后信号表示I为：I＝I₀/2{1±sin2(φ+VBd)}。

9.根据权利要求8所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，其特征在于：所述

I₁＝I₀/2{1+sin2[(φd+Δφ·ΔTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}；

I₂＝I₀/2{1-sin2[(φd+Δφ·ΔTd)+(VBd+ΔV·ΔTBd]}。

10.根据权利要求6所述的一种单光路双通道光学电流传感器装置的自补偿测试方法，其特征在于：所述

其中，I_1DC为I₁直流量，I_2DC为I₂直流量，通过I₁、I₂完整周波数据平均得到；

C_DC＝Mean(C)＝φd+Δφ·ΔTd；

C_AC＝C-Mean(C)＝VBd+ΔV·ΔTBd。

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