CN116577717A - 一种全光纤电流互感器调制周期校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种全光纤电流互感器调制周期校准方法和装置。该方法包括如下步骤：通过检测探测器实时输出波形，获取梳状波波形，基于多档位快速扫频，多次分析并显示梳状波尖峰宽度采样点数最小时对应的调制频率，实现了全光纤电流互感器调制频率高精度快速校准。根据实际光路本证频率自适应快速调整调制信号频率，使系统工作在最佳状态，提高设备现场调试效率及长期运行稳定性及可靠性，也为厂内生产、测试提供高效的调试手段。

Description

一种全光纤电流互感器调制周期校准方法和装置

技术领域

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种全光纤电流互感器调制周期校准方法和装置。

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其致命缺陷，例如高电压等级时绝缘极为困难、更高电压下易磁饱和导致测量精度下降等。相比之下，基于光学传感技术的全光纤电流互感器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。

国内目前在运的全光纤电流互感器主要有基于压电陶瓷的开环全光纤电流互感器和基于铌酸锂光波导的闭环全光纤电流互感器。开环全光纤电流互感器将调制器集成在高压侧本体底部，通过长距离电缆传输弱电信号对光路进行调制。由于其调制信号远传易受电磁干扰影响、压电陶瓷调制器对震动敏感、传感光纤封装工艺缺陷造成低温测量异常等，自投运至今故障频发，严重影响电网安全稳定。闭环全光纤电流互感器采用光波导高速调制器，并将其集成在采集单元内，高压侧本体与低压侧采集单元之间采用保偏铠装光缆进行偏振光信号的传输，实现了高压侧完全无源，抗电磁干扰能力强。采用闭环反馈控制方案，获得比开环方案更大的动态测量范围、更快的响应速度、更高的测量精度及更宽的频率测量范围。

全光纤电流互感器基于一次传感部分及二次电子单元实现一次电流的传变。其结构原理如图1所示。一次传感部分位于高压侧感应待测电流，由光纤波片、传感光纤线圈及反射镜构成，并盘绕在传感环壳体内固封，实现穿心导体流过的待测电流大小到光学相位信息的转换。二次电子单元由光路模块、信号处理单元构成组成，实现电流信号检测及数字输出。光路模块主要提供全光纤传感的物理基础，由光源、探测器、耦合器、起偏器、调制器、延时环构成；信号处理单元完成对全光纤一次传感部件返回光信息的光电转换、模数转换、数字差分解调、数字输出等。

光源发出的光波经耦合器、起偏器后变为线偏振光，再过经45°熔接点分解为两束相互正交的线偏振光，并分别沿调制器输入光纤的X轴和Y轴传播，受调制器的调制后经延时环、保偏光纤到达四分之一波片。当这两束正交模式的光波经过四分之一波片后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光进入传感光纤环，由于受到通流载体中电流产生的磁场作用，左旋和右旋的圆偏振光分别以不同的速度传播，从而产生法拉第相位差。当左旋和右旋的圆偏振光经传感光纤末端的反射镜反射后，这两束圆偏振光的偏振模式互换(如图1左上方所示)，再次通过传感光纤环并受到磁场作用，使得法拉第相位差加倍。这两束返回的光波再次通过四分之一波片后恢复为两束线偏振光并沿保偏光纤返回，经过调制器的调制后在起偏器45°熔接点处发生Sagnac效应干涉。干涉后的光经耦合器到达探测器，将光信号转换为电信号进入信号处理电路进行处理。

最终将电流信息反映在干涉光的光功率变化上，实现对一次电流的间接测量。干涉后的光功率与法拉第相位差满足余弦关系，直接解调难度较大，需要进行调制(如图2所示)。

探测器输出的干涉光功率在方波调制下，周期性的出现梳状波尖峰。产生梳状波尖峰的原因主要为方波调制信号正负电平连续变换过程中(正电平变为负电平或负电平变为正电平)，经过零电平时对应的光功率最大值(如图3所示)。理论上来讲，方波正负电平变换时间为零，不存在尖峰，实际上数字信号经过DA转换过程中输出的方波电平变换存在延时，即受DA建立时间的影响，因此电平上升或下降是连续的。

若方波调制频率与光路本证频率不匹配时，梳状波尖峰会展宽，原因是由于光传播的互易性，偏振光两次经过调制器时调制的相位正好抵消。梳状波尖峰展宽会压缩平坦区，造成电流测量的有效数据减少，直接影响全光纤电流互感器的测量精度。所以为了提高光纤电流互感器的测量精度，尽可能减少梳状波尖峰展宽。

当调制频率为光路本证频率的二分之一时(光路渡越时间为调制信号半周期)，尖峰宽度最短，近似为DA的建立时间，当调制频率与光路本证频率不匹配时，尖峰会展宽变得平坦(如图4-1、4-2所示)。所以应当尽量满足调制频率与光路本证频率的匹配性。

如图5-1、5-2所示，由于调制器集成在采集单元内，一次本体与采集单元之间通过长距离保偏光缆连接，完成偏振光信号的远距离往返传输。实际应用中长距离保偏光缆的长度并不能精确确定长度，它受工程设计、现场熔纤成功率等影响。因此产品在保偏光缆敷设、光缆两头分别与本体和采集单元熔接后，需要重新修正调制频率以匹配新的光路本证频率。但是每台全光纤电流互感器一次本体和采集单元的位置可能都不相同，造成调制频率差异性较大，能否高效、精确调整调制频率是提高全光纤电流互感器现场调试效率及可靠性的关键点及难点。

虽然可以用OTDR测试实际光纤长度，但是测量误差带来的频率误差也会造成产品无法工作在最佳状态。申请公布号为CN 114236210 A的中国发明专利公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统和方法，该方案是需要额外的硬件和方案，增加产品成本，且测试方法较为复杂，无法应用到现有较成熟的闭环全光纤电流互感器产品设计中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤电流互感器调制周期校准方法和装置，以解决现有技术中需要额外的硬件造成的成本高且方法复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种全光纤电流互感器调制周期校准方法，包括如下步骤：

1)使全光纤电流互感器工作在开环工作条件下，以设定的步长遍历调制信号的调制周期范围；

2)获得每个调制周期对应的探测器输出的干涉光功率信号的梳状波尖峰宽度，从中找到最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期，并判断该调制周期是否满足精度要求，若不满足，则获取新的调制周期范围，且新的调制周期范围需包括最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期，并以新的设定步长遍历新的调制周期范围，且新的调制周期范围小于原来的调制周期范围，新的步长小于原来的步长，并重复步骤2)，直至最终得到的最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期满足精度要求。

其有益效果为：本发明涉及一种全光纤电流互感器调制周期校准方法，采用多档位(不断改变步长，且新的步长小于原来的步长)快速扫频的方法，检测探测器实时输出波形，分析并显示梳状波尖峰宽度采样点数最小时对应的调制频率，通过较少次数的档位调节便可快速找到最终满足精度要求的调制频率，校准效率较高。该方法无需增加额外的硬件，只需增加软件，成本较低。且解决了以往调制频率需要手动宽范围调整周期长、准确性差或开发另外一套较复杂的自适应控制系统等难题，为全光纤电流互感器大面积推广应用、现场高效率调试、智能化发展、长期运行可靠提供有效的技术支撑。

进一步地，采用如下方法得到所述梳状波尖峰宽度：确定以梳状波尖峰幅值Pmax为中心、Pmax/k为边界的采样区间，10＞k>1，根据采样区间内的采样点数来确定相应的调制周期下的梳状波尖峰宽度。

其有益效果为：利用采样点数快速确定出梳状波尖峰宽度。

进一步地，取k＝2。

其有益效果为：当k取值为2时，采样区间的采样点数可以准确表现出梳状波尖峰宽度，满足精度要求。

进一步地，采用如下方法得到所述新的调制周期范围：在得到的最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期左右两边各任意选择一个之前得到的调制周期，选择的两个调制周期为新的调制周期范围的上下边界。

其有益效果为：缩小梳状波尖峰宽度采样点数最小时对应的调制频率所在的调制周期范围，减少调制时间。

进一步地，选择的两个调制周期与最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期之间均相差一个步长。

其有益效果为：将调制周期缩短为已知的最小范围，进一步减少调制时间，达到精确修正的目的。

进一步地，计算每个半周期对应的采样区间内的采样点数的平均值，该平均值为相应的调制周期下的梳状波尖峰宽度。

其有益效果为：采用取均值的方式可减少量化误差，提高测试效率及准确性。

进一步地，设置初始调制周期范围为1000ns-10000ns。

其有益效果为：符合工程应用需求，直接使用此初始调试周期范围简便高效。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种全光纤电流互感器调制周期校准装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现上述介绍的全光纤电流互感器调制周期校准方法，且能达到与该方法相同的有益效果。

附图说明

图1是本发明的全光纤电流互感器结构示意图；

图2是本发明的方波调制下探测器正常梳状波图；

图3是本发明的方波与梳状波真实高低电平转换示意图；

图4-1是本发明的梳状波与频率匹配关系图(此图为相匹配)；

图4-2是本发明的梳状波与频率匹配关系图(此图为不匹配)；

图5-1是本发明的全光纤电流互感器工程应用外部传输示意图；

图5-2是本发明的全光纤电流互感器工程应用原理结构示意图；

图6-1是本发明的特定调制周期下梳状波尖峰半宽采样示意图(展宽较宽)；

图6-2是本发明的特定调制周期下梳状波尖峰半宽采样示意图(展宽较窄)；

图7是本发明的方法流程图；

图8是本发明的调制周期从1kns到10kns下尖峰半宽示意图。

具体实施方式

本发明的基本构思为：通过控制调制信号周期从低到高变化，采用多档位的方法，分析并显示梳状波尖峰宽度采样点数，并找到梳状波尖峰宽度最小值对应的最优周期，使得设备在现场施工后可以工作在最佳工作状态，也为厂内生产、测试提供高效的调试手段，无需复杂计算光路长度、裁剪光纤、手动调试等。并且由于DA建立时间一般为百纳秒级，国内主流厂家均采用100M频率以上的高性能AD芯片，即采样间隔小于10ns，对计算梳状波尖峰宽度提供了可实现的物理基础，无需增加额外的AD芯片。

下面将结合附图以及方法实施例对本发明进行详细说明。

方法实施例：

本发明的一种全光纤电流互感器调制周期校准方法实施例，流程如图7所示，具体过程如下：

步骤一，关闭全光纤电流互感器系统闭环反馈功能，使装置工作在开环条件下，设备不在使用状态，即传感环没有穿心电流。

步骤二，确定初始的调制周期范围以及相应的步长，比较分析每个调制周期下计算的梳状波尖峰宽度，获得最小梳状波尖峰宽度对应调制周期及其前后相邻步长的两个调制周期。

具体的：

1)从工程应用经验来讲，全光纤电流互感器方波调制周期一般最高不会超过10000ns(光路渡越时间5000ns)，最低不会低于1000ns(光路渡越时间500ns)，因此，初始调制周期范围选择为1000ns-10000ns。

2)以1000ns为设定的步长遍历初始调制周期1000ns-10000ns范围，确定初始调制周期范围内最小梳状波尖峰宽度及前后相邻步长的两个调制周期。

其中，本实施例中，用尖峰半宽采样点数表示梳状波尖峰宽度的度量单位。如图6-1、6-2所示，对每个方波半周期内的采样点取其最大值Pmax，以Pmax为中心、Pmax/k为边界(10＞k>1，本实施例中取k＝2)向两边取一定数量的采样点(如图6-1、6-2中黑色方框标记)，每个半周期均返回一个采样点数M，考虑量化误差造成的影响，取1μs(或根据系统性能)内所有半周期采样点数M的均值M_N作为每个调制周期下的梳状波尖峰半宽，N为序号。

具体操作时，通过控制FPGA输出方波调制信号的周期，从1000ns变化至10000ns(扫频)，得到10个尖峰半宽，比较分析每个调制周期下计算的梳状波尖峰半宽，获得最小尖峰半宽M₃对应调制周期及前后相邻步长的两个调制周期Ta1(2000ns)和Tb1(4000ns)(如图8所示)。

步骤三，再以100ns为设定的步长遍历新的调制周期Ta1至Tb1范围，确定调制周期范围内最小梳状波尖峰宽度及前后相邻步长的两个调制周期。

以图8为例，改变方波调制信号的调制周期，从Ta1(2000ns)至Tb1(4000ns)(新的调制周期范围)，周期增加步长为100ns，比较分析每个调制周期下计算的梳状波尖峰半宽，获得最小尖峰半宽对应调制周期及前后相邻步长的两个调制周期Ta2和Tb2。

步骤四，改变方波调制信号的调制周期，从Ta2至Tb2，周期增加步长为10ns，比较分析每个调制周期下计算的梳状波尖峰半宽，获得最小尖峰半宽对应调制周期M_T。

由于10ns周期变化率对应光路长度1米，精度足够，即光路长度变化小于1米时不用修改调制周期，因此最小步长为10ns即可。

步骤五，根据最终计算结果，修改输出方波调制信号的周期为M_T。

步骤六，打开系统闭环反馈控制功能，使设备正常运行，开展调试及测试工作。

以上实施过程可以编译成程序写入FPGA内自动运行，也可以开发上位机程序进行操作。通过上位机软件实现的调制频率快速修改匹配光路本证频率。

本实施例中，通过改变步长遍历相应调制周期范围找到梳状波尖峰宽度最小值对应的最优周期，每次的步长分别为1000ns、100ns、10ns，相应的调制周期范围的两个边界与最小的梳状波尖峰半宽所对应的调制周期之间均相差一个步长，3次即可找到匹配光路渡越时间的方波调制频率，实现了全光纤电流互感器调制频率高精度快速校准。需说明的是，本发明方法不仅限于10ns、100ns、1000ns这三个步长，可根据实际情况调整每次的补偿。而且，调制周期范围的两个边界没有必须与最小的梳状波尖峰半宽所对应的调制周期之间均相差一个步长，调试周期范围可根据需求进行设置改变。

装置实施例：

本发明的一种全光纤电流互感器调制周期校准装置实施例，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令，以实现本发明的方法实施例中介绍的一种全光纤电流互感器调制周期校准方法。其中，处理器可以可编程逻辑器件FPGA等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如RAM、ROM等。

Claims (8)

1.一种全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)使全光纤电流互感器工作在开环工作条件下，以设定的步长遍历调制信号的调制周期范围；

2)获得每个调制周期对应的探测器输出的干涉光功率信号的梳状波尖峰宽度，从中找到最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期，并判断该调制周期是否满足精度要求，若不满足，则获取新的调制周期范围，且新的调制周期范围需包括最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期，并以新的设定步长遍历新的调制周期范围，且新的调制周期范围小于原来的调制周期范围，新的步长小于原来的步长，并重复步骤2)，直至最终得到的最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期满足精度要求。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，采用如下方法得到所述梳状波尖峰宽度：确定以梳状波尖峰幅值Pmax为中心、Pmax/k为边界的采样区间，10＞k＞1，根据采样区间内的采样点数来确定相应的调制周期下的梳状波尖峰宽度。

3.根据权利要求2所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，k＝2。

4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，采用如下方法得到所述新的调制周期范围：在得到的最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期左右两边各任意选择一个之前得到的调制周期，选择的两个调制周期为新的调制周期范围的上下边界。

5.根据权利要求4所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，选择的两个调制周期与最小的梳状波尖峰宽度对应的调制周期之间均相差一个步长。

6.根据权利要求2所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，计算干涉光功率信号的每个半周期对应的采样区间内的采样点数的平均值，该平均值为相应的调制周期下的梳状波尖峰宽度。

7.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法，其特征在于，初始的调制周期范围为1000ns-10000ns。

8.一种全光纤电流互感器调制周期校准装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如权利要求1-7任一项所述的全光纤电流互感器调制周期校准方法。