CN201909810U

CN201909810U - 电子式电流互感器光纤温度补偿器

Info

Publication number: CN201909810U
Application number: CN2010206279985U
Authority: CN
Inventors: 陈明军; 黄飞腾; 郑慧; 陈继煌
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-11-29

Abstract

一种电子式电流互感器光纤温度补偿器，电流互感器包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，电流测量线圈依次连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块，第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，第一O/E转换模块连接电流运算模块，电流运算模块连接同步控制模块，取能系线圈连接悬浮电源，悬浮电源连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；半导体激光器与波分复用器连接，波分复用器与光纤连接，波分复用器的两路后向散射光通道接口分别依次连接光电转换器、放大电路后于高速数据采集卡连接，高速数据采集卡与电流运算模块连接。本实用新型能有效测量温度并对测量电流值进行温度补偿。

Description

电子式电流互感器光纤温度补偿器

技术领域

本实用新型涉及一种电流互感器，是一种用于110KV及以下电力系统中的电流参数的测量装置，供电力系统的电气测量、继电保护装置、自动控制装置之用，尤其是一种电流互感器的温度补偿装置。

背景技术

电流互感器是电力系统中一个及其重要的器件，它起到测量和变换一次系统电流、隔离一次系统高压的作用。目前电力系统大多采用传统的电磁式电流互感，技术也已经十分成熟，其中铁芯式电流互感器以干式、油浸式和气体绝缘式等多种结构为主。但是随着电力系统中电压等级的不断提高以及保护要求的不断完善，变电站的智能化升级改造及电力系统向数字化方向发展，传统的电磁式电流互感器的一些问题也就日益暴露出来，主要缺点有：

（1）电磁式电流互感器含有铁芯，所以动态范围小、使用频带窄，而且存在铁磁谐振。

（2）二次侧不能开路，否则将产生的高压对设备造成危害，甚至危及人身安全。

（3）体积大、成本大，而且易燃、易爆。

电子式电流互感器与传统的电磁式电流互感器比较主要有以下几个优点：（1）电子式电流互感器采用玻璃光纤等绝缘材料来传输信息，在强电磁环境中能够保证信号的精确性和可靠性，具有优良的绝缘性能以及很强的抗电磁干扰性能。

（2）无铁芯，消除了铁磁谐振和磁饱和等问题，而且线性度好，动态测量范围大、频率宽、精度高。

（3）体积小、成本低、重量轻、节约空间。

（4）低压端无开路高压危险，没有因充油而产生的易燃和易爆炸等危险

（5）适应了计量和保护数字化以及微机化和自动化发展的潮流。

针对以上这些电子式电流互感器所表现出来的突出优越性，可以看出电子式电流互感器是大势所趋，是传统的电流互感器的理想替代品。

目前较有应用前景的是有源型电子式电流互感器，已经有较多不同电压等级的有源型电子式电流互感器处于挂网试运行阶段。

电子式电流互感器是一种高精度的电子测量装置，目前还存在着大量需要完善的问题，如总体精度问题，高压端的供电问题，可靠性问题等等，期中环境温度对精度及整机性能的影响是大家共同关心的问题。

110KV以上的高压电子式电流互感器一般都安装在室外，运行条件十分恶劣，一年四季温差很大，可达-30°C到+60°C，造成Rogowski线圈的骨架、线圈的膨胀或收缩，从而对测量精度造成影响，温度的变化对电子转换单元、光纤传送单元也造成测量精度上的影响。因此对温度变化造成的测量误差，需要进行系统性地补偿，从事电子式电流互感器研究的科研人员一直很重视，但由于电子式电流互感器的特殊性，一直没有找到较好的办法。

发明内容

为了克服已有的电子式电流互感器的不能有效进行温度测量并进行温度补偿的不足，本实用新型提供一种能有效测量温度并进行测量值温度补偿的电子式电流互感器光纤温度补偿器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电子式电流互感器光纤温度补偿器，所述电流互感器包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈依次连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；所述光纤温度补偿器包括半导体激光器和波分复用器，所述半导体激光器与所述波分复用器连接，所述波分复用器与光纤连接，所述波分复用器的两路后向散射光通道接口分别依次连接光电转换器、放大电路后于高速数据采集卡连接，所述高速数据采集卡与所述电流运算模块连接，所述电流运算模块包括用以根据电流测量线圈信号计算电流测量值的电流测量子模块，用以根据光纤测温计算温度的温度测量子模块，以及用以根据温度补偿表和测量温度进行温度补偿的温度补偿子模块；所述电流测量子模块和温度测量子模块均与所述温度补偿子模块连接。

作为优选的一种方案：所述波分复用器为拉曼散射用波分复用器，所述半导体激光器为脉冲激光器。

本实用新型的技术构思为：在基本不增加本装备电源负担和装备成本的前提下增加温度补偿环节。也就是如何充分利用现有各部分组成温度补偿环节,以达到提高测量精度的目的。经过充分研究，我们提出了利用现有光纤、半导体激光器、DSP及波分复用器等组成一个温度补偿环节。

分布式光纤测温系统主要有光时域反射(OTDR)和光频域反射(OFDR)两种技术对空间分布的温度进行测量。光时域反射(OTDR)技术应是一项较为成熟的测量技术，其原如图2所示。

图中，传播通道T和接收通道R为同一根光纤，此处为了能清楚说明原理，故表示成不同的两条通道。光纤总长为L，考虑距离激光源为1的光纤前端F处，长度为

的一段光纤。能量E₀持续时间为△T的泵浦脉冲光注入光纤后，以速度v(v=c／n，其中C为真空中的光速，n为纤芯折射率，一般n=1．5)在传输通道T中传输，传播到

段：一部分能量

被损耗(为入射光的单位长度上的损耗系数)；一部分能量

被耦合到接收通道R，然后以速度v回到光电探测器处(为单位长度上的光后向散射系数，P为后向散射因子)。假定光纤是均匀的，即

、

与光纤位置无关；同时还假定光纤在泵浦光波长和散射光波长的损耗系数相等。

经过传输通道

段，光能量损失可表示为：

(1)

积分得：

(2)

因而从

段耦合进入接收通道的能量为：

(3)

这部分能量沿着接收通道R传播，经过距离

后到达光电探测器处，被光电探测器探测，此时能量变为：

(4)

式(3)表示能量将在t时刻到达光电探测器处，即：

t (5)

将式(5)代入(4)得：

(6)

式中

表示

期间的平均功率，因此：

(7)

式(7)将接收的光功率表示为时间的函数。由式(5)可知，时间的不同又对应着光纤位置的不同，这就意味着光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置l处的光功率均可被探测器探测到。随着l逐渐增加，光纤分布待测温度场的空间分布式测量。

拉曼散射的温度信号解调方法是利用后向拉曼散射温度效应：当激光脉冲在光纤中传播的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长长的光，称为Stokes光，如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长短的光，称Anti．Stokes光。拉曼散射光就是由这两种不同波长的光组成的，其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定，因此拉曼散射光的强度与温度有关，其关系公式(8)和公式(9)所示。

Stokes光

(8)

Anti—Stokes光

(9)

式中，

，

分别为Stokes和Anti．Stokes光波长；h为普朗克常数；C为真空中的光速；k为玻尔兹曼常数；

为偏移波数；T为绝对温度。

为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，即对Anti．Stokes光和Stokes光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号例。由于Anti．Stokes光对温度更为灵敏，因此将Anti．Stokes光作为信号通道，Stokes光作为比较通道，则两者之间的强度比如公式(10)所示。

(10)

变换后可得公式(11)。即

(11)

对于固定的温度有公式(12)。

(12)

由两式计算可得公式(13)。

(13)

本分布式光纤测温系统采用模块化设计，整个系统可分为系统光路部分、系统信号放大和高速A／D采集电路部分、DSP信号处理部分。系统光路部分利用拉曼散射原理，高功率窄带激光器发射的光纤信号通过光纤放大器进入传感光纤，然后光纤耦合器将后向散射回来的光纤信号进行滤光得到Anti—Stokes光和Stokes。再利用APD光电转换电路进行光电转化，然后进行A／D采样。

最后，利用DSP进行数据后处理，进行测量值的温度补偿。补偿的控制过程如下：用本系统测得温度的带权平均值，依照各个温度点测量对应的测量电流值，并在各个温度下用标准测量仪表得到标准值进行比对，建立各个温度点测量电流值和标准值之间的补偿系数；额定电流下参考补偿系数如下表1：

温度值(°C)	10	20	30	40	50	60
							补偿系数	0.9997	0.9998	1.0002	1.0003	1.0005	1.0009

DSP处理器根据光纤测温原理得到实时的温度值和电流值，对照温度值查表，如果温度值属于补偿系数表中的点值，则选取对应的补偿系数；如果温度值属于偿系数表中两个相邻的点值之间，则采用插值法确定补偿系数，并将补偿系数与电流值做乘积，得到补偿后的电流值。

本实用新型的有益效果主要表现在：能有效测量温度并进行测量值温度补偿。

附图说明

图1是电子式式电流互感器的示意图。

图2是光时域反射原理图。

图3是分布式光纤测温系统光路部分的工作原理图。

图4是积FIFO信号处理过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图4，一种电子式电流互感器光纤温度补偿器，所述电流互感器包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈依次连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；所述光纤温度补偿器包括半导体激光器和波分复用器，所述半导体激光器与所述波分复用器连接，所述波分复用器与光纤连接，所述波分复用器的两路后向散射光通道接口分别依次连接光电转换器、放大电路后于高速数据采集卡连接，所述高速数据采集卡与所述电流运算模块连接，所述电流运算模块包括用以根据电流测量线圈信号计算电流测量值的电流测量子模块，用以根据光纤测温计算温度的温度测量子模块，以及用以根据温度补偿表和测量温度进行温度补偿的温度补偿子模块；所述电流测量子模块和温度测量子模块均与所述温度补偿子模块连接。

所述波分复用器为拉曼散射用波分复用器，所述半导体激光器为脉冲激光器。

电子式互感器有二个电源，一个是高压侧的悬浮电源，一个是低压侧的半导体激光电源，这二个电源不同时工作，高压侧的悬浮电源是主电源，半导体激光电源只在高压侧的悬浮电源无法满足工作要求时的一种补充。因此大部分时间里是不工作的。

分布式光纤测温系统光路部分由高功率半导体激光器产生窄带激光光脉冲，经光纤放大器进行功率提升后通过光纤分路器(3dB光耦合器)耦合到传感光纤上。在传感光纤中将产生后向散射光，回来的后向散射光再经光纤分路耦合进光滤波器进行滤波和分离从而得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向瑞利散射光。通过光纤耦合器，将两路光分别经过反斯托克斯和斯托克斯滤光片，进入不同的光路进行处理。由于散射光中还夹杂着其它散射光和干扰光，所以需要对两路光进行一定的带通滤波处理，得到近乎纯净的拉曼散射光。拉曼散射光进而通过APD(Avalanche Photodiode，雪崩光电二极管)进行光电转换和放大，得到一定范围的有效电压值。最后，分别由两片高速A／D卡进行模数转换，从而得到数字信号，再由计算机对数字信号进行信号处理、分析计算，最终得到对应点的温度场信息。因此，发出光脉冲后，对后向拉曼散射信号进行高速的多点采样，就可以获得沿光纤轴向的温度场分布，实现了分布式光纤测温的整个过程。

高速数据采集：分布式光纤测温系统中,空间分辨率是一个重要参数,它决定了ADC的采样速率。激光脉冲在传感光纤中的传输速率约为2×108m/s,要实现1m的空间分辨率,ADC采样速率要达到100MSPS。另外,由于光纤测温中ADC采样的时钟对应着光纤上的空间距离,采样时钟频率或相位上的偏移即意味着光纤上测量点位置的偏移。因此,为保证高的空间分辨率和高的空间定位准确度,系统的采样电路采用单片双通道100MSPS的高速流水线式ADC同步对anti-Stokes和Stokes信号进行实时采样。依靠ADC自身的高速模数转换性能和同一的响应特性确保空间分辨率稳定可靠及空间定位准度,满足系统要求。

对于高速ADC器件,要想及时读取转换数据,确保不丢失,需要高速、可靠的数据传输。一个8bit、100MSPS的ADC的数据传输速率要求达到100Mb/s。另外,分布式光纤测温系统中信号的数据采集具有间歇性。因此,必须设计专门的数据采集电路。系统中,在ADC与DSP之间加入高速先入先出队列芯片（FIFO）进行数据缓冲,由可编程逻辑器件（CPLD）控制ADC向FIFO的数据写入，如图4所示。ADC在外部时钟控制下以一定的速率采样并输出数据,CPLD根据激光脉冲的同步信号将每个测量点的采样数据依次写入FIFO。当最后一个测量点的采样数据写入FIFO后即停止写入,直到下一个激光脉冲同步信号到来,以保证数据的准确性。

数字信号处理：由于拉曼散射信号十分微弱,完全被淹没在噪声中,分布式测温系统需要采用弱信号检测,从噪声中提取待测信号。由于光纤测温系统中噪声的主要成分具有零均值的统计特性,可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此,为提高信噪比,后续信号处理采用数字平均的方法,即将一次测量的N点数据依次存储到DSP内存单元中,将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加,再放回原内存单元,依次循环M次,然后对各单元求平均。

将每次测量的N点数据写成向量的形式,则第i次的测量结果可由式（14）表示。

（14）

M次测量结果的数字平均可表示为式（7）。

（15）

式（7）中向量B的每个元素（b₁,b₂,b₃,…,b_N）代表了各个测量点M次测量的均值。设被测信号为a＝S（t）＋N（t）,其中S（t）是实际待测信号,N（t）是方差为σ的噪声,则第j点的M次测量的数字平均可由式（16）表示。

（16）

式（16）中T为采样间隔。由式（16）可得如式（17）所示的信噪比（SNR）关系。

（17）

式（17）中P_s、P_N分别表示以方差定义的信号和噪声功率。由式（17）可知,经M次数字平均后,采样信号的信噪比有很大改善。由于对每个b_j相对于a_ij都满足式（16）,故均值序列B相对于单次测量序列A_i也满足式（16）。因此,当M足够大时,可以将序列B作为待测信号的一个无偏估计。

由以上分析可知,采用数字平均的方法可以大大提高采样信号的信噪比,有效地从噪声中提取微弱信号。当得到信噪比足够高的anti-Stokes和Stokes信号数据后,就可以利用DSP高效的数字信号处理能力,进行数据处理得到温度数据。根据温度对电子式电流互感器测量精度的影响进行修正。

Claims

1.一种电子式电流互感器光纤温度补偿器，所述电流互感器包括套装在待测线路上的电流测量线圈和取能线圈，所述电流测量线圈依次连接积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块，所述第一E/O转换模块通过光纤连接第一O/E转换模块，所述第一O/E转换模块连接电流运算模块，所述电流运算模块连接同步控制模块，所述同步控制模块连接第二E/O转换模块，所述第二E/O转换模块通过光纤连接第二O/E转换模块，所述第二O/E转换模块连接所述A/D转换模块，所述取能系线圈连接所述悬浮电源，所述悬浮电源连接所述积分放大模块、A/D转换模块和第一E/O转换模块；其特征在于：所述光纤温度补偿器包括半导体激光器和波分复用器，所述半导体激光器与所述波分复用器连接，所述波分复用器与光纤连接，所述波分复用器的两路后向散射光通道接口分别依次连接光电转换器、放大电路后于高速数据采集卡连接，所述高速数据采集卡与所述电流运算模块连接，所述电流运算模块包括用以根据电流测量线圈信号计算电流测量值的电流测量子模块，用以根据光纤测温计算温度的温度测量子模块，以及用以根据温度补偿表和测量温度进行温度补偿的温度补偿子模块；所述电流测量子模块和温度测量子模块均与所述温度补偿子模块连接。

2.如权利要求1所述的电子式电流互感器光纤温度补偿器，其特征在于：所述波分复用器为拉曼散射用波分复用器，所述半导体激光器为脉冲激光器。