技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光学电压互感器，尤其涉及一种用于基于Pockels效应的光学电压互感器动态性能研究的测试方法及装置。
背景技术
[0002] 动态性能研究是光学电压互感器研究的一项重要内容，国家标准IEC 60044-8对光学电压互感器的动态性能做了明确要求：在高压测量中要求电压互感器应该至少具有几KHz的
频率响应特性和几毫秒的响应时间，用于某些用途例如行波保护继电器，需要的测量频率高达数百kHz。根据现有文献资料显示，目前国内外已有的基于Pockels效应的光学电压互感器实验样机带宽最高为40kHz，目前国内外已有的基于Pockels效应的光学电压互感器产品带宽最高为10kHz，与国家标准的要求还存在一定的差距。因此，研究和改善光学电压互感器的动态性能具有重要的科学价值和实用意义。
[0003] 频率特性以及阶跃响应上升时间、调节时间和超调量均是衡量光学电压互感器动态性能的重要指标，然而对光学电压互感器进行频率特性测试却比较困难，因为这不仅需要外接设备提供频率可调的高频交流电压
信号作为正弦
激励信号，而且需要配套的设备来高速采集互感器的输出响应信号并分析处理。
现有技术中通过信号发生器和
变压器实现高频交流电压信号，再通过
锁相
放大器和示波器实现频率特性测试，这给频率特性测试及研究工作带来很大困难，不利于光学电压互感器动态性能的研究。
[0004] 另一方面，光学电压互感器系统闭环状态监测和系统中内部模
块高频动态模型的建立是研究和改善系统动态性能的依据。而现有技术中光学电压互感器系统闭环控制过程都在FPGA中进行，并且闭环状态变量以微秒级快速变化，很难实时监测系统闭环状态。现有技术中对光学电压互感器系统内部模块的模型建立往往通过理论推导的方式，很难逼近真实信号检测单元的动态模型，不利于光学电压互感器动态性能研究工作的开展。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种用于光学电压互感器动态性能研究的测试方法及装置。所述装置无需任何外加设备，利用自身
硬件就能够提供频率可调的正弦激励信号，实现光学电压互感器系统的频率特性测试，以及提供阶跃
输入信号实现闭环阶跃响应性能测试。
并且所述用于光学电压互感器动态性能研究的测试装置具有高速
数据采集、存储和处理的能
力，速度可达纳秒量级，能够实时提取及监测光学电压互感器系统的闭环状态变量。并且，本发明还提供了一种建立光学电压互感器系统内部各功能模块的高频动态模型的方法。可见，本发明提供的技术方案为光学电压互感器动态性能的提高提供了一种有利的辅助研究平台。
[0006] 本发明提供的用于光学电压互感器动态性能研究的测试装置，利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光学电压互感器闭环检测
电路中FPGA，并且闭环检测电路的AD、DA转换器与板卡NI7813R之间的FPGA设置了隔离装置连接通讯，板卡NI7813R上FPGA通过
PCI总线连接计算机；所述的板卡NI7813R包含一块FPGA和40M时基；所述NI7813R上的FPGA包含160条数字输入/输出线DIO，还包括信号检测单元、信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ和信号求和单元；所述的信号检测单元用于接收A/D转换器的
输出信号，还用于将AD数据解调、闭环控制、产生互感器输出模块的输出信号以及产生阶梯波和方波信号，并与信号发生单元I或信号发生单元II产生的信号一起，在信号求和单元进行相加，最后通过DIO和隔离装置，进入D/A转换器；所述的信号检测单元包括接收模块Ⅰ、接收模块Ⅱ、解调模块、闭环控制
算法模块、互感器输出模块、阶梯波发生模块、方波发生模块；所述的信号检测单元中各功能模块的输出数据以及所述的信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ产生的信号都时间同步传送给计算机；所述计算机包括操作界面、信号采集模块和
数据处理模块，所述的操作界面用于功能测试的选择以及对信号发生单元Ⅰ和信号发生单元Ⅱ中参数赋值；所述信号采集模块用于实时显示和存储信号检测单元中各功能模块的输出数据以及所述的信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ产生的信号；数据处理模块用于对信号采集模块中的数据进行处理，得到光学电压互感器系统频率特性曲线、阶跃响应曲线以及光学电压互感器内部模块的频率特性曲线及高频动态模型。
[0007] 本发明还提供一种基于所述的测试装置的测试方法，所述的测试方法可以通过信号发生单元Ⅰ产生频率可调的数字正弦激励信号Ⅰ，对光学电压互感器系统的频率特性进行测试；可以通过信号发生单元Ⅰ产生数字阶跃信号，对光学电压互感器系统的阶跃响应过程进行测试；可以通过信号发生单元Ⅱ产生特定频率的数字斜波激励信号Ⅱ，测试光电探测器和前放滤波电路的频率特性，数据处理模块基于所测得频率特性通过模型辨识的方法建立光电探测器和前放滤波电路的高频动态模型；以上不同功能的测试方法可通过计算机的操作界面很方便的选择实现。
[0008] 本发明的优点在于：
[0009] (1)无需外加
电子设备就能方便的测试光学电压互感器的动态性能，如频率响应特性和阶跃响应性能。
[0010] (2)本发明提供的测试装置具有高速数据采集、存储和处理的能力，可以实现闭环状态变量的显示和存储，实时监测系统闭环工作状态。
[0011] (3)本发明提供的测试方法和装置，可以测量光学电压互感器内部功能模块的频率特性，建立模块的高频动态模型，为光学电压互感器动态性能研究奠定
基础。
附图说明
[0012] 图1为现有技术中光学电压互感器系统的结构示意图；
[0013] 图2为本发明提供用于光学电压互感器动态性能研究的测试装置结构示意图；
[0014] 图3为本发明提供的详细的信号检测单元结构
框图；
[0015] 图4a、图4b为本发明提供用于光学电压互感器系统频率特性测试的数字正弦激励信号Ⅰ；
[0016] 图5a、图5b为本发明提供用于光学电压互感器系统阶跃响应测试的数字阶跃信号；
[0017] 图6a、图6b、图6c为本发明提供用于探测器和前放滤波电路频率特性测试的数字斜波激励信号Ⅱ及；数字余弦激励信号产生的示意图；
[0018] 图7为利用本发明所述测试方法及装置所得的光学电压互感器系统的频率特性曲线；
[0019] 图8为利用本发明所述测试方法及装置所得的光学电压互感器系统的阶跃响应曲线；
[0020] 图9为利用本发明所述测试方法及装置对探测器和前放滤波模块频率特性测试结果；
[0021] 图10为利用本发明所述测试方法及装置实现闭环状态变量实时显示的结果。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细说明。
[0023] 如图1所示为现有技术中基于Pockels效应光学电压互感器的原理结构示意图，由光路和闭环检测电路组成。光路部分包括
光源、环形器、起偏器、
相位调制器和传感单元，闭环检测电路包括光电探测器、前放滤波电路、A/D转换器、FPGA、D/A转换器和D/A驱动电路。光源发出的光依次经过环形器、起偏器、
相位调制器后到达传感单元。由于Pockels效应，传感单元将待测电压信号转换为携带非互异
相位差 的
光信号，所述光信号通过传感单元中反射膜的作用返回至相位调制器和起偏器，并在起偏器处发生干涉。干涉光强表达式为：
[0024]
[0025] 其中α为光路总损耗，I0为入射光强， 与 分别为t时刻与t-τ时刻经过相位调制器的调制相位，τ为光在传感单元传输的时间。采用方波调制和阶梯波反馈方案时， 为反馈阶梯波的台阶高度。
[0026] 干涉光强信号由
耦合器耦合进入光电探测器，光电探测器检测到干涉光强信号并转化为
电信号，经过前放滤波电路和A/D转换器后送入FPGA。FPGA的作用为对输入的闭环误差信号 进行解调，解调结果送入FPGA的闭环控制算法中。在现有光学电压互感器中，闭环控制算法一般采用积分控制，即对解调结果进行累积积分，得到待测电压值。将积分结果乘以反馈系数后得到反馈阶梯波的台阶高度，将台阶高度累加产生反馈阶梯波。同时产生调制方波。调制方波和反馈阶梯波通过D/A转换器及D/A驱动电路后施加到相位调制器上转化为调制相位。反馈阶梯波的台阶高度 与Pockels
相移 大小相等，方向相反，则光学电压互感器工作在闭环稳定状态。
[0027] 现有技术中，光学电压互感器系统闭环误差信号的解调和闭环反馈等都在闭环检测电路的FPGA中进行，FPGA中的数据一般通过串口与计算机连接来实现数据的显示和存储。FPGA中的闭环周期为微秒级，但由于串口无法高速实时传输数据，导致不能实时提取系统闭环状态变量、监测系统闭环工作状态。并且利用现有技术对光学电压互感器系统进行频率特性测试比较困难，难以获取测试时所需的高频交流电压，难以高速采集互感器的高频响应输出信号。
[0028] 本发明设计了一种用于光学电压互感器动态性能研究的测试装置，该测试装置对原有光学电压互感器进行了改进，利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光学电压互感器闭环检测电路中FPGA，并且在闭环检测电路的AD、DA转换器与板卡NI7813R的FPGA之间设置了隔离装置连接通讯。板卡NI7813R上FPGA中的数据可以通过PCI总线高速实时的传送到计算机。所述测试装置不仅能够将系统中闭环状态变量通过板卡NI7813R实时传送到计算机进行显示和存储，而且能够测量光学电压互感器系统的动态特性，以及能够建立系统中内部模块的高频动态模型。
[0029] 所述用于光学电压互感器动态性能研究的测试装置由隔离装置、板卡NI7813R和计算机组成，其结构框图如图2所示。信号隔离装置采用磁耦隔离方式减少闭环检测电路与板卡NI7813R之间传输信号的噪声。所述信号隔离装置由磁耦隔离芯片和
电缆线
接口组成。磁耦隔离芯片一侧与电缆线接口连接，另一侧与光学电压互感器检测电路中的A/D转换器和D/A转换器相连。电缆线接口通过电缆线与板卡NI7813R上FPGA的数字输入输出线（DIO）连接。
[0030] 所述的板卡NI7813R包含一块FPGA（型号为XC2V3000）和40M时基。所述NI7813R上的FPGA包含160条数字输入/输出线DIO。本发明中对板卡NI7813R上的FPGA进行改进，增加了信号检测单元、信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ和信号求和单元。所述信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ、信号求和单元和信号检测单元均设置于FPGA上。所述160条数字输入/输出线(DIO)都嵌入在FPGA上，用于与AD、DA相连接。所述板卡NI7813R通过计算机的PCI插槽与计算机连接。
[0031] 所述计算机可以是各种类型的计算机、笔记本、手提电脑和工控机，并包括操作界面、信号采集模块和数据处理模块。所述操作界面、信号采集模块和数据处理模块设置于计算机上。
[0032] 以下将对本发明提供的信号检测单元、信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ、信号求和单元、操作界面、信号采集模块和数据处理模块分别进行功能实现描述。
[0033] 信号检测单元
[0034] 所述信号检测单元包括接收模块Ⅰ、接收模块Ⅱ、解调模块、闭环控制算法模块、互感器输出模块、阶梯波发生模块、方波发生模块，其结构框图如图3所示。
[0035] 所述接收模块Ⅰ能够接收和存储A/D转换后的数据并送入板卡NI7813R上FPGA中的解调模块。于此同时，接收模块Ⅰ的输出数据通过PCI总线传输到计算机。接收模块Ⅰ输入端与DIO相连接，输出端与解调模块以及计算机相连。
[0036] 所述接收模块Ⅱ能够接收和存储A/D转换后的数据并通过PCI总线传输到计算机，在计算机上的信号采集模块中实时的显示和存储。接收模块Ⅱ输入端与DIO相连接，输出数据通过PCI总线传输到计算机。
[0037] 解调模块用于实现闭环误差信号的解调，其输入端与接收模块Ⅰ相连，用于采集接收模块Ⅰ中A/D转换器的数据并实现闭环误差信号的解调，其输出端与闭环控制算法模块相连。并且解调输出的数据能够通过PCI总线传输给计算机。
[0038] 闭环控制算法模块输入端与解调模块相连，输出端与互感器输出模块和阶梯波发生模块相连接，其中闭环控制可由积分器实现。所述互感器输出模块的数据可以通过PCI总线传输到计算机。所述阶梯波发生模块和方波发生模块的输出端均与信号求和单元相连。
[0039] 所述解调模块、闭环控制算法模块以及互感器输出模块的输出信号组成了光学电压互感器的闭环状态变量。
[0040] 解调模块接收到的数据实质上为被调制了的闭环误差信号，因此该解调模块主要通过对数据按照调制方波的正负半周期进行采点，将正半周期数据之和减去负半周期数据之和，实现数字解调过程，得到光学电压互感器系统的闭环误差，送入闭环控制算法模块。如果闭环控制算法模块为积分器则对闭环误差信号进行累加积分后产生输出信号，闭环控制算法模块的输出信号分别送入阶梯波发生模块和互感器输出模块。互感器输出模块将接收数据进行平滑滤波后得到了光学电压互感器的输出。阶梯波发生模块将闭环控制算法模块的输出信号乘以反馈系数后得到阶梯波的台阶高度，并将该阶梯波的台阶高度进行累加得到阶梯波。所述阶梯波送到到信号求和单元，与信号求和单元其他的输入数据如方波一起相加求和后通过DIO和隔离装置一起送入D/A转换器。利用时序控制，将所述信号检测单元的各功能模块的输出数据通过PCI总线同步传输到计算机，并在计算机上的信号采集模块中实时的显示和存储，实现闭环状态变量的实时显示。
[0041] 信号发生单元Ⅰ
[0042] 信号发生单元Ⅰ的功能为产生信号以实现频率特性与阶跃响应等闭环动态性能测试。信号发生单元Ⅰ的输入端通过PCI总线与计算机相连接通信，输出端与信号求和单元连接。
[0043] 信号发生单元Ⅰ产生光学电压互感器系统进行频率特性测试时所需的测试信号，如数字正弦激励信号Ⅰ以及阶跃响应测试时所需的数字阶跃信号。所述数字正弦激励信号Ⅰ是由台阶组成，其台阶高度ΔV1(t)呈周期性数字正弦变化，如图4中（a）所示。将台阶高度ΔV1(t)与ΔV1(t-τ)进行相加求和就能得到V1(t)＝ΔV1(t)+ΔV1(t-τ)即所述数字正弦激励信号Ⅰ，V1(t)如图4中（b）所示。所述数字阶跃信号V1′(t)由台阶组成，其台阶高度ΔV1′(t)在t0时刻以前为0，t0时刻以后为固定值，如图5所示。将台阶高度ΔV1′(t)与ΔV1′(t-τ)进行相加求和就能得到V1'(t)＝ΔV1'(t)+ΔV1'(t-τ)即可产生所述光学电压互感器等效输入的数字阶跃信号。数字阶跃信号V1'(t)的最大值设置15 15 15
为2 ，如果对台阶高度进行累加求和得到的值超过2 则减去2 后继续累加。
[0044] 所述信号发生单元Ⅰ产生的数字测试信号送给信号求和单元，并在信号求和单元与阶梯波及方波模块的输出信号相加后，将通过DIO和隔离装置后依次传输到D/A转换器、D/A驱动电路和相位调制器。由公式（1）可知，相位调制器将
数字信号的台阶高度变化量转换为调制相位差。根据电压互感器闭环工作原理可得，台阶高度变化引起的相位差能够代替电压互感器外加电压产生的相位差，因此所述数字阶跃信号能够作为光学电压互感器阶跃响应测试时的激励信号，所述数字正弦激励信号Ⅰ可以作为光学电压互感器系统频率特性测试的正弦激励信号。正弦激励信号的频率f1可表示为：
[0045]
[0046] 其中τ为光在光学电压互感器的光学传感单元中的渡越时间，n为台阶高度持续时间的调整参数，其值为正整数，最小取值为1，nτ即为每个台阶高度的持续时间，m为组成一个周期的数字正弦曲线所需要的台阶个数。通过调整m和n的值，即可改变测试所需的正弦激励信号的频率。计算机中操作界面可以随时设定m和n的值，并通过PCI总线将m和n的值传输到板卡NI7813R的DIO进而传输到信号发生单元Ⅰ。f1的值可高达几十至几百kHz，能够实现光学电压互感器系统的高频动态性能测试。
[0047] 信号发生单元Ⅱ
[0048] 信号发生单元Ⅱ的功能为产生信号实现光学电压互感器内部模块频率特性测试，为了
闭环系统中各功能模块高频动态模型的建立奠定基础。信号发生单元Ⅱ的输入端通过PCI总线和计算机相连接，其输出端与信号求和单元相连。
[0049] 信号发生单元Ⅱ产生光学电压互感器内部模块频率特性测试时所需要的数字斜波激励信号Ⅱ。如果被测试的光学电压互感器内部前向通道模块为探测器和前放滤波电路，则数字斜波激励信号Ⅱ具有如图6中（a）所示形式，即数字斜波激励信号Ⅱ的台阶高度ΔV2(t)每次变化量为相同的值h，将台阶高度ΔV2(t)与ΔV2(t-τ)进行相加求和就能得到所述数字斜波激励信号Ⅱ即V2(t)＝ΔV2(t)+ΔV2(t-τ)。台阶高度ΔV2(t)的最大值16 16 16
设置为2 ，如果超过2 则将台阶高度值减去2 后继续变化。数字斜波激励信号Ⅱ的最大
16 16 16
值也设置为2 ，如果对台阶高度进行累加求和得到的值超过2 则减去2 后继续累加台阶高度得到数字斜波激励信号Ⅱ，如图6中（b）所示。
[0050] 所述数字斜波激励信号Ⅱ通过信号求和单元（此时阶梯波模块与方波模块的输出为0）、DIO和隔离装置依次传输到D/A转换器、D/A驱动电路和相位调制器。数字斜波激励信号Ⅱ（即V2(t)）经过相位调制器的调制环节将斜波的台阶高度ΔV2(t)转换为调制相位差 且 所述调制相位差 经过相位调制器的干涉环节后换为数字余弦信号 相当于给光电探测器一个数字余弦激励信号，如图6（c）所示。改变数字斜波激励信号Ⅱ的台阶高度变化量h和台阶高度变化率fjt，就可以改变给光电探测器输入的数字正弦激励信号的频率f2，所述数字正弦激励信号的频率f2可表示为：
[0051]
[0052] ft＝f2×nτ
[0053] 其中h为台阶高度变化量，n为台阶高度持续时间的调整参数，其值为正整数，最小取值为1，nτ即为每个台阶的持续时间。计算机中操作界面可以随时设定h和n的值，并通过PCI总线将h和n的值传输到板卡NI7813R的DIO进而传输到信号发生单元Ⅱ。f2的值可高达几十kHz，能够实现对光学电压互感器内部模块的特性测试，进而建立模块的高频动态模型。
[0054] 信号求和单元
[0055] 信号求和单元用于将输入端的输入
波形相加求和后通过DIO和隔离装置传输到D/A转换器。信号求和单元输入端与阶梯波发生模块、方波发生模块、信号发生单元Ⅰ和信号发生单元Ⅱ连接，输出端与DIO连接。
[0056] 操作界面
[0057] 操作界面用于对信号发生单元Ⅰ和信号发生单元Ⅱ中参数赋值，用于改变频率特性测试时数字正弦激励信号的频率以及阶跃信号的产生。
[0058] 信号采集模块
[0059] 所述信号采集模块用于实时显示和存储数字正弦激励信号Ⅰ、数字阶跃信号、数字斜波激励信号Ⅱ、光学电压互感器的输出以及闭环状态变量。所述数字正弦激励信号Ⅰ以及数字阶跃信号、数字斜波激励信号Ⅱ、光学电压互感器的输出分别由信号发生单元Ⅰ、信号发生单元Ⅱ和互感器输出模块产生并分别通过PCI总线高速同步传输给计算机，存放于计算机缓存中。所述闭环状态变量包括闭环误差、闭环控制中的状态变量和反馈状态变量，分别由解调模块、闭环控制算法模块和阶梯波发生模块产生并通过PCI总线高速同步传输给计算机，存放于计算机缓存中。信号采集模块从计算机缓存中获取这些数据进行实时的显示和存储，实现了对频率特性测试过程输入激励信号和输出响应信号的高速采集，实现了对光学电压互感器系统中闭环状态变量的实时显示，为光学电压互感器系统的动态性能研究及优化奠定基础。
[0060] 数据处理模块
[0061] 数据处理模块将信号采集模块存储的数据进行数据处理，得到光学电压互感器系统频率特性曲线、阶跃响应曲线以及光学电压互感器内部模块的高频动态模型。所述数据处理包括：频率特性测试数据处理、阶跃响应测试数据处理以及系统内部模块高频动态模型测试处理；所述频率特性测试处理是指系统输入信号数字正弦激励信号Ⅰ和光学电压互感器正弦响应信号（即频率特性测试过程中光学电压互感器的输出）两路信号的处理，具体方式为：先对两路信号的数据进行趋势项去除和稳态截取等数据预处理后，利用相关分析法或傅里叶变换，得到这两路信号的幅值比和相位差，以不同频率的数字正弦激励信号下求得的幅值比和相位差为纵坐标，以频率为横坐标绘制曲线图，即得到光学电压互感器系统的频率特性曲线；所述阶跃响应测试数据处理，则为系统输入信号数字阶跃信号和光学电压互感器阶跃响应（即阶跃响应测试过程中的光学电压互感器的输出）两路信号的处理，由光学电压互感器输出信号的过渡过程及其相对数字阶跃信号的时间延迟，即获得光学电压互感器系统的阶跃响应；所述对系统前向通道模块探测器和前放滤波电路的高频动态模型，则为前放滤波电路的响应输出和数字余弦激励信号两路信号的处理，先利用数字斜波激励信号II得到数字余弦激励信号，再利用频率特性测试数据处理的方法得到探测器和前放滤波电路的频率特性曲线，最后通过模型辨识的方法建立光电探测器和前放滤波电路的高频动态模型。
[0062] 在本实施例中，涉及一种在所述测试装置上对光学电压互感器进行频率特性测试的测试方法，其具体实施步骤如下：
[0063] 步骤一：利用计算机中操作界面给定信号发生单元Ⅰ产生的数字正弦激励信号Ⅰ的频率；
[0064] 步骤二：信号检测单元产生阶梯波和方波，信号发生单元Ⅰ产生给定频率的数字正弦激励信号Ⅰ，在信号求和单元将阶梯波、方波和数字正弦激励信号Ⅰ相加后，同时传送到D/A转换器；
[0065] 步骤三：通过D/A转换器的信号依次传输到D/A驱动电路和相位调制器，相位调制器将台阶高度转换为相位信号后经过光路的干涉环节到达光电探测器、前放滤波电路、A/D转换器和板卡NI7813R上的信号检测单元；
[0066] 步骤四：利用信号检测单元中的接收模块Ⅰ接收A/D转换器的输出信号，并将该输出信号依次通过信号检测单元中的解调模块、闭环控制算法模块、互感器输出模块和阶梯波发生模块，阶梯波发生模块产生阶梯波的台阶高度为系统的闭环反馈信号；与此同时，解调模块、闭环控制算法模块和阶梯波发生模块各自的输出信号，通过PCI总线高速传输到计算机的信号采集模块进行实时显示和存储，以便于观察不同频率正弦输入时系统的闭环误差；
[0067] 步骤五：通过时序控制将信号发生单元Ⅰ中的数字正弦激励信号Ⅰ与对应的互感器输出模块中的系统输出信号同步通过PCI总线传输到计算机。此时光学电压互感器的输出信号即为光学电压互感器系统的频率响应输出信号；
[0068] 步骤六：利用信号采集模块将传送到计算机的数字正弦激励信号Ⅰ和对应的光学电压互感器的输出信号同步进行实时的显示和存储；
[0069] 步骤七：利用计算机操作界面改变步骤一中数字正弦激励信号I的频率，重复步骤二到步骤六；
[0070] 步骤八：将步骤六中存储的不同频率正弦激励信号下的试验数据，利用数据处理模块进行处理，得到光学电压互感器系统的频率特性曲线。利用上述测试方法可以测量光学电压互感器的高频动态性能，测量频率可高达几十kHz。不仅如此，还能在测试过程中实时显示和存储光学电压互感器系统的闭环状态变量，实现对系统闭环状态的实时监测，为光电电压互感器动态性能的研究工作奠定基础。
[0071] 在本实施例中，还涉及一种在所述测试装置上对光学电压互感器进行阶跃响应测试的方法，其具体实施步骤如下：
[0072] 步骤一：信号检测单元中的阶梯波发生模块和方波发生模块分别产生阶梯波和方波，同时信号发生单元Ⅰ产生数字阶跃信号，信号求和单元将阶梯波、方波和数字阶跃信号相加后传送到D/A转换器；
[0073] 步骤二：通过D/A转换器后，信号依次传输到D/A驱动电路和相位调制器，相位调制器将台阶高度转换为相位信号后经过光路的干涉环节到达光电探测器、前放滤波电路、A/D转换器和板卡NI7813R上的信号检测单元；
[0074] 步骤三：信号检测单元中的接收模块Ⅰ接收A/D转换器的输出信号，并将该输出信号依次通过信号检测单元中的解调模块、闭环控制算法模块、互感器输出模块和阶梯波发生模块；并且解调模块、闭环控制算法模块、互感器输出模块和阶梯波发生模块的输出信号，通过PCI总线高速传输到计算机的信号采集模块进行实时显示和存储；
[0075] 步骤四：通过时序控制将信号发生单元Ⅰ中的数字阶跃信号与互感器输出模块中的系统输出信号同步通过PCI总线传输到计算机。此时光学电压互感器的输出信号即为系统的阶跃响应信号；
[0076] 步骤五：信号采集模块将传送到计算机的数字阶跃信号和对应的光学电压互感器的输出信号进行实时的显示和存储；
[0077] 步骤六：数据处理模块处理信号采集模块存储的数据，得到光学电压互感器系统的阶跃响应曲线。
[0078] 此外，在本实施例中，还涉及一种建立光学电压互感器系统内部各功能模块的高频动态模型的方法。以光学电压互感器系统中探测器和前放滤波电路为例，建立其高频动态模型的方法为：
[0079] 步骤一：利用计算机中操作界面
控制信号发生单元Ⅱ产生不同频率的数字斜波激励信号Ⅱ；
[0080] 步骤二：信号发生单元Ⅱ产生的数字斜波激励信号Ⅱ，通过信号求和单元DIO和隔离装置传送到D/A转换器；此时进入信号求和单元的方波与阶梯波为0；
[0081] 步骤三：D/A转换后的数据依次传输到D/A驱动电路、相位调制器和光路的干涉环节，经过相位调制器和干涉环节后将斜波的台阶高度转换为余弦信号，相当于给光电探测器一个余弦输入，余弦信号从光电探测器输出后经过前放滤波电路，得到了余弦响应信号A/D转换器将余弦响应信号转换为数字信号后送入板卡NI7813R上的信号检测单元；
[0082] 步骤四：信号检测单元中的接收模块Ⅱ接收A/D转换器的输出信号。通过时序控制将接收模块Ⅱ的输出信号和数字斜波激励信号Ⅱ同步高速传输到计算机；
[0083] 步骤五：信号采集模块将传送到计算机的数字斜波激励信号Ⅱ转换为数字斜波台阶高度的余弦函数，并且其与A/D转换器的输出信号进行同步显示和存储；
[0084] 步骤六：利用操作界面改变数字斜波激励信号的频率，重复步骤二到步骤五；即可得到不同余弦激励信号下的探测器和前放滤波电路的余弦响应，探测器和前放滤波电路为光学电压互感器闭环系统的前向通道模块；
[0085] 步骤七：将步骤五中存储的数据利用数据处理模块进行处理，得到光电探测器和前放滤波电路的频率特性曲线；
[0086] 步骤八：数据处理模块将根据所得频率特性通过模型辨识建立光电探测器和前放滤波电路的高频动态模型。
[0087] 下面以具体的实施例来应用本发明实施例所述的方法及装置。本实验所用的光学电压互感器实验样机具有如图1所示结构，光路中光源采用SLD光源，输出功率为600μW。检测电路中A/D转换器采用12位转换，D/A采用16为并行转换器，光纤渡越时间τ为
3.6μs。如图7所示为利用所述测试装置和所述方法测量所得光学电压互感器实验样机的频率特性曲线图。从图中可知，利用所述测试装置进行频率特性测试时测量最高频率可达几十kHz，通过频率特性曲线可知系统的带宽为21.3796KHz。
[0088] 如图8所示为利用所述测试装置和所述方法测量所得光学电压互感器实验样机的阶跃响应曲线图。横坐标的值乘以τ后表示时间。在t=50τ时刻即t=180μs时，信号发生模块Ⅰ产生了一个固定值为10000的数字阶跃信号。从系统阶跃响应输出信号可以看出系统在t=150τ即t=540μs时达到稳定，说明系统具有良好的调节速度。
[0089] 如图9所示为利用所述测试装置和所述方法测量光学电压互感器实验样机中探测器和前放滤波电路的频率特性曲线。在150Hz-86200Hz范围内取22个频率点对探测器和前放滤波电路的频率特性进行测试测，频率点的选取通过调节参数h和n实现。从测试结果所得的频率特性曲线可以看出，探测器和前放滤波电路由比例环节和高通滤波环节组成。通过模型辨识，得到探测器和前放滤波电路的高频动态模型为：
[0090]
[0091] 如图10所示为利用所述测试装置实现对闭环状态变量实时显示的结果示例。光学电压互感器实验样机中闭环控制算法采用积分器实现，此时电压互感器的输出即为闭环控制中的状态变量。对光学电压互感器外加交流电压，将测试结果实时显示在图中电压互感器输出的窗口中。光学电压互感器的闭环误差实时显示在解调结果窗口中，从图中可以看出闭环误差的数据点一直位于零附近，说明光学电压互感器系统处于闭环稳定状态。图10中闭环反馈信号为阶梯波和方波的
叠加信号，体现了反馈状态变量。图10中每个数据点间隔为光在光学传感单元的渡越时间（本实验系统中为3.6微秒）。所述装置能够实现纳秒量级的实时显示和存储功能。
