CN117054722B - 基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统 - Google Patents

基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统，涉及电力系统继电保护技术领域。本发明是为了解决将光学差动保护引入变压器保护领域时由变压器变比和连接组别引起的保护对象两侧线路电流幅值和相位不相等的问题。本发明采用级联方式的光计算方案，在一条光路上串联三个光学电流互感器，最终输出光信号表现为三个光学电流互感器的输出级联相乘形式，携带包含差动电流信息的旋光角，采用滤波电路检测第三光学电流互感器输出光信号的载波信号和调制波信号，进而计算调制比，最后计算差动电流。

Description

基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
新型电力系统对继电保护的速动性以及保护用信息提出了更高要求。随着特高压交直流混联格局逐步形成，新能源并网容量持续增长，电力电子装置的低惯性、弱抗扰性以及多时间尺度响应特性使得以新能源为主的新型电力系统时间常数变小(毫秒级)、受到冲击时容易引发扰动蔓延，即当系统发生故障但切除机制未能快速动作时，故障传播具有迅猛性和高渗透性。为保障新型电力系统的安全稳定运行，相应的继电保护技术应具备更高的速动性。纵观保护的发展史，每一次原理上的突破大都伴随着保护用信息量的增加；包含全面故障信息的全波形信息是天然良好的保护信息，充分利用全波形信息构造保护判据，是继电保护发展的必然趋势。
与传统工频量差动被保护相比，光学差动保护在速动性和保护用信息上能够契合新型电力系统对继电保护的要求。目前，光学差动保护主要应用在线路保护领域。光学差动保护是以光学电流互感器作为测量手段，在原理上利用瞬时值作为保护用特征量，而不再提取工频分量，保留了能够全面反应故障的全波形信息，不需要数字滤波窗口处理，能够快速响应故障。光学差动保护装置采用级联形式的光计算方案，直接在模拟光路上计算差动电流，简化了保护装置的设计和实现，有助于降低成本。
然而，将光学差动保护引入变压器保护领域时，需要解决由于变压器变比和连接组别引起的保护对象两侧线路电流幅值和相位不相等的问题。在正常运行和区外故障情况下，根据线路模型的假设，保护对象的两侧电流基本相同，差流接近零，光学差动保护可靠不动作。然而，在变压器模型中，变压器变比导致了两侧线路电流存在倍数关系，并且电力系统中通常采用星三角连接的变压器，其中，高压侧采用星形接线方式，低压侧采用三角形接线方式，高低压侧不同的接线方式使得两侧线路电流存在相位差。因此，直接将变压器高压侧电流和低压侧电流引入差动保护将导致差流过大，容易触发保护误动作。
发明内容
本发明是为了解决将光学差动保护引入变压器保护领域时由变压器变比和连接组别引起的保护对象两侧线路电流幅值和相位不相等的问题，现提供基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统。
基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统包括：光源1、第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3、第三光学电流互感器4和处理单元5；
光源1射出的光信号依次经过第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4使得光信号携带包含差动电流信息的旋光角所述第三光学电流互感器4的出射光入射至所述处理单元5，光源1至第一光学电流互感器2、第一光学电流互感器2至第二光学电流互感器3、第二光学电流互感器3至第三光学电流互感器4、以及第三光学电流互感器4至处理单元5之间均通过多模光纤传递光信号；
所述第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器3的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同，所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器2的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器3的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器4的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比；
所述处理单元5包括以下模块：
滤波单元：用于采用滤波电路检测第三光学电流互感器4输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
调制比计算单元：用于根据下式计算调制比m：
差动电流计算单元：用于根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
进一步的，所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器，
入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光经过Faraday磁光元件并在Faraday磁光元件所在磁场的调制下产生旋转，旋转后的偏振光经过检偏器后再经准直器射出，
所述检偏器的输出端包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4，
第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4输出的光信号均从其检偏器的-π/4输出端输出，第二光学电流互感器3输出的光信号从其检偏器的π/4输出端输出。
进一步的，所述旋光角
其中，为第一光学电流互感器2感知的磁场使偏振光旋转的角度，/>为第二光学电流互感器3感知的磁场使第一光学电流互感器2出射光旋转的角度，/>为第三光学电流互感器4感知的磁场使第二光学电流互感器3出射光旋转的角度。
进一步的，所述第三光学电流互感器4输出的光信号的光强Pout为：
其中，Po为光源1出射光的光强。
进一步的，所述光源1是波长为850nm的SLD光源。
基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，该方法基于一种变压器光学差动保护用光计算系统实现，该系统包括：
光源1、第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4；
光源1射出的光信号依次经过第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4使得光信号携带包含差动电流信息的旋光角光源1至第一光学电流互感器2、第一光学电流互感器2至第二光学电流互感器3、以及第二光学电流互感器3至第三光学电流互感器4之间均通过多模光纤传递光信号；
所述第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器3的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同，所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器2的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器3的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器4的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比；
所述变压器光学差动保护用光计算方法为：
采用滤波电路检测第三光学电流互感器4输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
根据下式计算调制比m：
根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
进一步的，所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器，
入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光经过Faraday磁光元件并在Faraday磁光元件所在磁场的调制下产生旋转，旋转后的偏振光经过检偏器后再经准直器射出，
所述检偏器的输出端包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4，
第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4输出的光信号均从其检偏器的-π/4输出端输出，第二光学电流互感器3输出的光信号从其检偏器的π/4输出端输出。
进一步的，所述旋光角
其中，为第一光学电流互感器2感知的磁场使偏振光旋转的角度，/>为第二光学电流互感器3感知的磁场使第一光学电流互感器2出射光旋转的角度，/>为第三光学电流互感器4感知的磁场使第二光学电流互感器3出射光旋转的角度。
进一步的，所述第三光学电流互感器4输出的光信号的光强Pout为：
其中，Po为光源1出射光的光强。
进一步的，所述光源1是波长为850nm的SLD光源。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统在差动电流光计算实现方案层面解决了将线路中的光差保护直接应用于变压器保护领域存在的保护对象两侧电流相位和幅值不对应问题。对于变压器保护而言，直接引入高压侧和低压侧电流到差动回路中会导致差流过大，因为保护对象两侧电流的相位和幅值不匹配。为了解决这个问题，本发明提出了一种变压器光学差动保护的计算方法。在该方法中，差动电流被表达为三个不同比例待测电流瞬时值的加减法运算，以消除相位和幅值不匹配的影响。为了实现这种计算方法，采用了级联方式的光计算方案，具体表现为在一条光路系统上串联三个光学电流互感器，并利用互感器输出信号的级联相乘来实现法拉第旋转角的光学加减法运算，进而实现变压器光学差动保护中的差动电流计算。
(2)本发明采用的光学电流互感器基于法拉第磁致旋光效应原理，具备良好的动态测量能力，对于系统中的工频量、非周期分量和各种谐波分量均能准确测量，且不存在磁饱和问题，是实现全波形信号实时测量的理想产品。光学测量不仅能准确反应保护对象两侧的暂态电流，还能高保真反映变压器的励磁涌流，为快速有效检测和识别变压器励磁涌流，防止保护误动作提供了良好的测量手段。
附图说明
图1为法拉第磁致旋光效应原理示意图；
图2为Faraday磁光元件感知磁场方向示意图；
图3为基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
光学差动保护是用线路两侧电流的瞬时值之和而非工频量之和来构造动作电流，具体判据形式表示为
g(iM+iN)≥Iset0 (1)
式中，g()表示光学差动保护函数，iM、iN为线路MN两侧相电流瞬时值，Iset0为整定值。
将光学差动保护应用在Yd11连接组变压器保护当中，为使正常运行和区外故障时，差动电流为0，需要解决变压器两侧电流幅值和相位不一致问题。其中，相位不一致可通过改变纵差保护的接线方式来解决，即高压侧电流采用两相电流差代替；幅值不一致可通过改变接入继电器的两侧电流比值来解决，由于高压侧电流采用两相电流差，幅值增大倍，同时考虑变压器的变比，则高压侧和低压侧电流的比值关系应为/>综上，以A相为例的变压器光学差动保护判据可表示为：
式中，fA()表示A相差动保护函数，iYA、iYB为高压侧线路A、B相电流瞬时值，idA为低压侧线路A相电流瞬时值，Iset为整定值，nT为变压器变比，表示为：
其中，UY为变压器高压侧线电压，Ud为低压侧线电压。
实现基于光计算的变压器光学差动保护的关键在于通过Faraday(法拉第)旋光角的光学加减法运算来实现不同比例的待测电流加减法运算。变压器光学差动保护的计算只涉及加减、比例等光运算，属于简单计算，可通过在模拟光路上调整法拉第磁光元件感知的待测电流磁场方向与光学电流互感器的安装位置来实现。根据法拉第磁致旋光效应原理可知，待测电流i与Faraday旋转角成正比例关系，如图1所示，表示为：
式中，V为Faraday磁光元件材料的菲尔德常数；L为Faraday磁光元件的磁场积分与电流i的倍数关系，θ为光学电流互感器中的光传播方向与待测导体的夹角大小。当光学电流互感器的结构参数L为确定常数时，式(2)中不同比例待测电流瞬时值的加减法运算可在模拟光路上通过Faraday旋光角的光学加减来实现，即：
式中，iYA、iYB和idA分别为待测导体电流，θYA、θYB和θdA分别为光学电流互感器中光传播方向和对应待测导体iYA、iYB和idA的夹角，和/>分别为对应待测导体iYA、iYB和idA在磁致旋光效应作用下产生的Faraday旋光角。
根据公式(5)可知，电流比例运算可通过不同的光学电流互感器安装角度来实现，电流的加减法运算可通过Faraday旋光角的光学加减发运算来实现。在变压器光学差动保护上应用光计算技术是继电保护的重要突破，会对保护技术的发展有着莫可预测的影响。
基于以上基础给出以下具体实施方式。
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，以变压器光学差动保护的A相差动回路为例，变压器的被保护相为A相，其高压侧电流为iYA，低压侧线路电流为idA；邻相为B相，其高压侧线路电流为iYB。
所述基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统包括：光源1、第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3、第三光学电流互感器4和处理单元5。所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器。所述检偏器为偏振分光棱镜，包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4。光学电流互感器用以感知所需的待测电流信息。
光源1包含波长为850nm的SLD光源，为系统提供所需的稳恒光源。光源1的出射光通过多模光纤依次入射至第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4使得光信号携带包含差动电流信息的旋光角所述第三光学电流互感器4的出射光入射至所述处理单元5。所述第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器3的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同。
所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器2的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器3的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器4的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比。
本实施方式中，第一光学电流互感器2和第二光学电流互感器3的光传播方向与导体垂直，即θYA＝θYB＝90°。第三光学电流互感器4的光传播方向与导体方向成锐角。
在第一光学电流互感器2中，入射光为光源1发出的光强为Po的光信号。入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光入射至Faraday磁光元件。根据法拉第磁致旋光效应，当光传播方向确定时，电流产生的平行于光路方向的磁场方向不变则Faraday旋光角的旋转方向不变，反之Faraday旋光角的旋转方向相反。设置电流iYA作用在Faraday磁光元件的磁场BYA参考方向与光传播方向相同。在磁场BYA的调制下，偏振光的偏振面产生与电流iYA大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的-π/4输出端射出。根据马吕斯定律，第一光学电流互感器2出射光的光强
同理，在第二光学电流互感器3中，电流iYB作用在Faraday磁光元件的磁场BYB与光传播方向相同，在磁场BYB的调制下，偏振光的偏振面产生与电流iYB大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的π/4输出端射出。根据马吕斯定律，第二光学电流互感器3出射光的光强/>
在第三光学电流互感器4中，电流idA作用在Faraday磁光元件的磁场BdAsinθdA与光传播方向相同，在磁场BdAsinθdA的调制下，偏振光的偏振面产生与电流idAsinθdA大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的-π/4输出端射出。根据马吕斯定律，第三光学电流互感器4出射光的光强
一般Faraday旋转角比较小，下式近似成立：
将该式代入第三光学电流互感器4输出光信号的光强公式中，并忽略高次项，则有：
所述处理单元5包括以下模块：
滤波单元：采用滤波电路检测第三光学电流互感器输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
调制比计算单元：根据下式计算调制比m：
差动电流计算单元：根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
上述光路系统在一条模拟光路上串联三个光学电流互感器，使得最终输出的光信号表现为三个互感器输出信号的级联形式，在光路层面实现了变压器光学差动保护用三个不同比例待测电流瞬时值的加减法运算。
本实施方式在一条模拟光路上串联三个光学电流互感器，通过模拟光路上三个串联光学电流互感器的输出级联相乘来实现Faraday旋光角的光学加减运算，进而实现光学变压器差动保护判据中不同比例待测电流瞬时值的加减法运算。其中，不同待测电流的比例运算通过调整光学电流互感器的安装角度来实现，Faraday旋光角加减法运算通过调整待测电流作用在磁光元件上的磁场方向以及合理设置起偏器与检偏器出射光的偏振夹角来共同实现。整个光路系统从光源起始，光束经多模光纤依次进入第一、二、三光学电流互感器中，系统输出表现为三个互感器输出的级联相乘形式，输出结果包含Faraday旋光角的光学加减法运算信息。整个系统从模拟光路层面实现了变压器光学电流差动算法，提高了保护的可靠性。
具体实施方式二：本实施方式所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，所述变压器光学差动保护用光计算方法基于一种变压器光学差动保护用光计算系统实现，该系统包括：光源1、第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4。所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器。所述检偏器偏振分光棱镜，包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4。光学电流互感器用以感知所需的待测电流信息。
光源1包含波长为850nm的SLD光源，为系统提供所需的稳恒光源。光源1的出射光通过多模光纤依次入射至第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4使得光信号携带包含差动电流信息的旋光角所述第三光学电流互感器4的出射光入射至所述处理单元5。所述第一光学电流互感器2和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器3的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同。
所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器2、第二光学电流互感器3和第三光学电流互感器4的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器2的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器3的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器4的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比。
本实施方式中，第一光学电流互感器2和第二光学电流互感器3的光传播方向与导体垂直，即θYA＝θYB＝90°。第三光学电流互感器4的光传播方向与导体方向成锐角。
在第一光学电流互感器2中，入射光为光源1发出的光强为Po的光信号。入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光入射至Faraday磁光元件。根据法拉第磁致旋光效应，当光传播方向确定时，电流产生的平行于光路方向的磁场方向不变则Faraday旋光角的旋转方向不变，反之Faraday旋光角的旋转方向相反。设置电流iYA作用在Faraday磁光元件的磁场BYA参考方向与光传播方向相同。在磁场BYA的调制下，偏振光的偏振面产生与电流iYA大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的-π/4输出端射出。根据马吕斯定律，第一光学电流互感器2出射光的光强
同理，在第二光学电流互感器3中，设置电流iYB作用在Faraday磁光元件的磁场BYB参考方向与光传播方向相同，在磁场BYB的调制下，偏振光的偏振面产生与电流iYB大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的π/4输出端射出。根据马吕斯定律，第二光学电流互感器3出射光的光强
在第三光学电流互感器4中，设置电流idA作用在Faraday磁光元件的磁场BdAsinθdA参考方向与光传播方向相同，在磁场BdAsinθdA的调制下，偏振光的偏振面产生与电流iYAsinθdA大小成比例的正向旋转，旋转角为从Faraday磁光元件出射的光从检偏器的-π/4输出端射出。根据马吕斯定律，出射光的光强
一般Faraday旋转角比较小，下式近似成立：
将该式代入第三光学电流互感器4输出光信号的光强公式中，并忽略高次项，则有：
所述变压器光学差动保护用光计算方法为：
利用滤波电路检测第三光学电流互感器输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
根据下式计算调制比m：
根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
本发明提出的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法及系统在差动电流光计算实现方案层面解决了将线路中的光差保护直接应用于变压器保护领域存在的保护对象两侧电流相位和幅值不对应问题。对于变压器保护而言，直接引入高压侧和低压侧电流到差动回路中会导致差流过大，因为保护对象两侧电流的相位和幅值不匹配。为了解决这个问题，本发明提出了一种变压器光学差动保护的计算方法。在该方法中，差动电流被表达为三个不同比例待测电流瞬时值的加减法运算，以消除相位和幅值不匹配的影响。为了实现这种计算方法，采用了级联方式的光计算方案，具体表现为在一条光路系统上串联三个光学电流互感器，并利用互感器输出信号的级联相乘来实现法拉第旋转角的光学加减法运算，进而实现变压器光学差动保护中的差动电流计算。本发明采用的光学电流互感器基于法拉第磁致旋光效应原理，具备良好的动态测量能力，对于系统中的工频量、非周期分量和各种谐波分量均能准确测量，且不存在磁饱和问题，是实现全波形信号实时测量的理想产品。光学测量不仅能准确反应保护对象两侧的暂态电流，还能高保真反映变压器的励磁涌流，为快速有效检测和识别变压器励磁涌流，防止保护误动作提供了良好的测量手段。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，其特征在于，包括：光源(1)、第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)、第三光学电流互感器(4)和处理单元(5)；
光源(1)射出的光信号依次经过第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)使得光信号携带包含差动电流信息的旋光角所述第三光学电流互感器(4)的出射光入射至所述处理单元(5)，光源(1)至第一光学电流互感器(2)、第一光学电流互感器(2)至第二光学电流互感器(3)、第二光学电流互感器(3)至第三光学电流互感器(4)、以及第三光学电流互感器(4)至处理单元(5)之间均通过多模光纤传递光信号；
所述第一光学电流互感器(2)和第三光学电流互感器(4)的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器(3)的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同，所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器(2)的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器(3)的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器(4)的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比；
所述处理单元(5)包括以下模块：
滤波单元：用于采用滤波电路检测第三光学电流互感器(4)输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
调制比计算单元：用于根据下式计算调制比m：
差动电流计算单元：用于根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
2.根据权利要求1所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，其特征在于，所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器，
入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光经过Faraday磁光元件并在Faraday磁光元件所在磁场的调制下产生旋转，旋转后的偏振光经过检偏器后再经准直器射出，
所述检偏器的输出端包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4，
第一光学电流互感器(2)和第三光学电流互感器(4)输出的光信号均从其检偏器的-π/4输出端输出，第二光学电流互感器(3)输出的光信号从其检偏器的π/4输出端输出。
3.根据权利要求1或2所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，其特征在于，所述旋光角
其中，为第一光学电流互感器(2)感知的磁场使偏振光旋转的角度，/>为第二光学电流互感器(3)感知的磁场使第一光学电流互感器(2)出射光旋转的角度，/>为第三光学电流互感器(4)感知的磁场使第二光学电流互感器(3)出射光旋转的角度。
4.根据权利要求3所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，其特征在于，第三光学电流互感器(4)输出的光信号的光强Pout为：
其中，Po为光源(1)出射光的光强。
5.根据权利要求1所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算系统，其特征在于，所述光源(1)是波长为850nm的SLD光源。
6.基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，其特征在于，所述基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法基于一种继电保护用光计算系统实现，该系统包括：
光源(1)、第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)；
光源(1)射出的光信号依次经过第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)光信号携带包含差动电流信息的旋光角光源(1)至第一光学电流互感器(2)、第一光学电流互感器(2)至第二光学电流互感器(3)、以及第二光学电流互感器(3)至第三光学电流互感器(4)之间均通过多模光纤传递光信号；
所述第一光学电流互感器(2)和第三光学电流互感器(4)的法拉第磁光元件分别位于变压器被保护相的高压侧和低压侧，所述第二光学电流互感器(3)的法拉第磁光元件位于变压器被保护相邻相的高压侧，所述变压器在正常运行情况下其被保护相与被保护相邻相的高压侧相位差和被保护相的低压侧相位相同，所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的法拉第磁光元件能够感知各自所在侧电流产生的磁场，且所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的光路与各自所在侧电流方向的夹角满足：
其中，θYA为第一光学电流互感器(2)的光路与其所在侧电流方向的夹角，θYB为第二光学电流互感器(3)的光路与其所在侧电流方向的夹角，θdA为第三光学电流互感器(4)的光路与其所在侧电流方向的夹角，nT为变压器变比；
所述基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法为：
采用滤波电路检测第三光学电流互感器(4)输出光信号的载波信号JDC和调制波信号JAC，
根据下式计算调制比m：
根据下式计算差动电流id：
其中，V为光学电流互感器中法拉第磁光元件的菲尔德常数，L为光学电流互感器中法拉第磁光元件的磁场积分与该光学电流互感器所测电流的比值。
7.根据权利要求6所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，其特征在于，所述第一光学电流互感器(2)、第二光学电流互感器(3)和第三光学电流互感器(4)的内部组成结构相同，且均包括准直器、起偏器、Faraday磁光元件和检偏器，
入射光经准直器准直后入射至起偏器变为偏振光，该偏振光经过Faraday磁光元件并在Faraday磁光元件所在磁场的调制下产生旋转，旋转后的偏振光经过检偏器后再经准直器射出，
所述检偏器的输出端包括π/4输出端和-π/4输出端，所述起偏器的透光轴与检偏器π/4输出端和-π/4输出端的透光轴的夹角分别为π/4和-π/4，
第一光学电流互感器(2)和第三光学电流互感器(4)输出的光信号均从其检偏器的-π/4输出端输出，第二光学电流互感器(3)输出的光信号从其检偏器的π/4输出端输出。
8.根据权利要求6或7所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，其特征在于，所述旋光角
其中，为第一光学电流互感器(2)感知的磁场使偏振光旋转的角度，/>为第二光学电流互感器(3)感知的磁场使第一光学电流互感器(2)出射光旋转的角度，/>为第三光学电流互感器(4)感知的磁场使第二光学电流互感器(3)出射光旋转的角度。
9.根据权利要求8所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，其特征在于，第三光学电流互感器(4)输出的光信号的光强Pout为：
其中，Po为光源(1)出射光的光强。
10.根据权利要求6所述的基于法拉第磁致旋光效应的继电保护用光计算方法，其特征在于，所述光源(1)是波长为850nm的SLD光源。
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