闭环解调全光纤电流互感器及其大电流波形跳变问题解决
方法
技术领域
[0001] 本
发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种闭环解调全光纤电流互感器。
背景技术
[0002] 长期以来，电磁式互感器一直扮演着电
力系统运行监视的重要
角色。变电站中测量监视和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、
电压等信息。随着
电网电压的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点，如电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、存在
铁芯饱和、铁磁谐振过电压等。
[0003] 随着变电站自动化技术的深入发展，出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型智能化一次设备。光学电流
传感器是将光学技术和组件引入电流传感领域，利用光作为传感手段和信息载体的一种新型电流传感器。其优势主要表现在：
信号在传输过程中受外界
电磁干扰影响小，同时带宽广、容量大、传输距离受限少；传感器以光器件为元件具有绝缘性好、体积小、重量轻、安全性高的优点。因此光学电流传感器从问世以来就被业界给予极大的重视，成为了替代传统电磁式电流传感器的一个热
门选择。
[0004] 全光纤型电流传感器(FOCT)使用的光纤既是通信载体又作为传感器件，传感光纤绕制在被测导体周围，通电测量
导线周围产生的
磁场对光纤中信号光影响，达到测量电流的目的。全光纤型电流传感器方案综合了电磁式互感器和光学电流传感器的优势，又派生出装配简单、灵活性好、可以根据需求增减绕制的匣数等优点，同时随着光纤制作成本的大幅下降，制作成本日趋低廉，因此得到广泛的研究。但是，由于制作传感头部分光纤承受
温度、振动、压力等外界影响，使其在温度、振动敏感性比光学玻璃型电流传感器要求更高，这也成为阻碍全光纤型电流传感器实用化的一大障碍。
[0005] 全光纤型电流传感器目前主要有单光路电流互感器、双光路电流互感器、干涉光学电流互感器和反射式电流互感器。反射式电流互感器更具有抗干扰优势，更适合作为电流互感器现场使用。在反射式电流互感器中，两束相干光束在传播过程中走过的管路完全一致，且在同一介质中传播，外接的干扰和元件制造偏差将会同时影响两束光，误差绝大分被抵消了；光行进的方向始终相同，不会引入
相位差；光纤经反射镜反射，同样长度的传感光纤，光传输路程加倍，灵敏度提高。然而，反射式电流互感器在实用中还存在着不少问题，如大电流波形跳变问题、
光源输出功率不稳定等问题，这些问题会带来测量结果的误差。
发明内容
[0006] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提出了
闭环解调全光纤电流互感器及其大电流波形跳变问题解决方法。
[0007] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0008] 一种闭环解调全光纤电流互感器，包括全光纤电流互感器和闭环解调装置；所述全光纤电流互感器包括光源发生器、
耦合器、起偏器、
相位调制器、保偏光纤、1/4波片、传感光纤和反射镜；所述闭环解调装置包括探测器、A/D转换器、
信号处理单元和D/A转换器；光源发生器发射的光经耦合器输入偏振器，形成线偏振光，偏振器与相位调制器呈45°角熔接，线偏振光经相位调制器以45°注入保偏光纤后，分成两束
正交的线偏振光并分别沿保偏光纤的快、慢轴传输，两束线偏振光经1/4波片分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后，进入围绕在被测电流周围的传感光纤，经设置在传感光纤末端的反射镜反射后互换偏振模式，再次穿过传感光纤到达1/4波片，两束圆偏振光经1/4波片恢复为两束线偏振光，这两束线偏振光依次经保偏光纤、相位调制器到达起偏器，并在起偏器处发生干涉，最后经耦合器输出携带相位信息的光；探测器采集耦合器输出的光并转换为
电信号，该电信号经A/D转换器进行
模数转换后传输至信号处理单元，信号处理单元根据接收的
数字信号解调出被测电流信息，信号处理单元输出方波调制数字信号，该方波调制数字信号经D/A转换器进行数模转化后输入相位调制器，从而在保偏光纤中引入非互易的90°相位偏置，信号处理单元输出阶梯波调制数字信号，该阶梯波调制数字信号经D/A转换器进行数模转化后输入相位调制器，从而在保偏光纤中引入反馈补偿
相移，实现闭环检测。
[0009] 基于上述闭环解调全光纤电流互感器的大电流波形跳变问题的解决方法，包括以下步骤：
[0010] (1)探测器接收携带相位信息的
光信号，并计算PD-＝PD1-PD2，其中PD1为信号正半周
采样值，PD2为信号负半周采样值；
[0011] (2)计算P′D-＝PD--PB，其中PB为直流偏置；
[0012] (3)信号处理单元调节阶梯波调制相位φl，使得P′D-＝0，并测得此时的φl值；
[0013] (4)根据φl值进行如下调节：
[0014] 若φl＞π/2时，令φl＝φl-Δφ，引入的-Δφ相移产生直流偏置PB1，令PB＝PB-PB1返回步骤(2)；
[0015] 若φl＜-π/2时，令φl＝φl+Δφ，引入的相移Δφ产生直流偏置PB2，令PB＝PB-PB2返回步骤(2)；
[0016] 否则转入步骤(5)；
[0017] 其中，Δφ值根据实际需求调整。
[0018] (5)信号处理单元解调输出阶梯波调制相位φl，计算被测电流。
[0019] 基于上述闭环解调全光纤电流互感器的大电流波形跳变问题的解决方法，包括以下步骤：
[0020] (a)探测器接收携带相位信息的光信号，计算PD-＝PD1-PD2、PD+＝PD1+PD2以及其中PD1为信号正半周采样值，PD2为信号负半周采样值；
[0021] (b)根据PD+＝P0，信号处理单元控制光源发生器的驱动单元，保证光源发生器输入耦合器的功率稳定；其中P0为光源发生器的输出功率；
[0022] (c)根据P′D＝δsin(φl)+(1-δ)sin(4VNI-φl)，当I＝0时，控制φl＝π/2，则P′D＝2δ-1，根据P′D值求出δ值；其中V为传感光纤的费德尔常数，N为传感光纤
匝数，I为被测电流，φl为阶梯波调制相位，δ为等效误差系数；
[0023] (d)减去P′D中的误差项δsin(φl)，即令 从而解调出φl；
[0024] (e)信号处理单元输出阶梯波调制相位φl，计算被测电流。
[0025] 采用上述技术方案带来的有益效果：
[0026] 本发明设计了一种闭环解调全光纤电流互感器，在现有的反射式电流互感器上加入了闭环解调装置，同
时针对该闭环解调全光纤电流互感器，设计了两种针对大电流波形跳变问题的解决方法，减小系统测量误差，提高系统的动态测量范围，满足多圈传感环在大电流时的复合误差测试要求。此外，第二种解决方法还可以控制全光纤电流互感器光源输出功率稳定。
附图说明
[0027] 图1是本发明闭环解调全光纤电流互感器的结构图；
[0028] 图2是本发明中第一种解决大电流波形跳变问题的方法
流程图；
[0029] 图3是本发明中第二种解决大电流波形跳变问题的方法流程图；
[0030] 图4是未经本发明解决方法修正的输出波形图；
[0031] 图5是经本发明第一种解决方法修正的输出波形图；
[0032] 图6是经本发明第二种解决方法修正的输出波形图。
[0033] 标号说明：1：光源发生器；2：耦合器；3：起偏器；4：相位调制器；5：保偏光纤线圈；6：1/4波片；7：反射镜；8：传感光纤；9：探测器；10：A/D转换器；11：信号处理单元；12：被测电流；13：D/A转换器；14：阶梯波调制信号；15：方波调制信号；16：被测导线。
具体实施方式
[0034] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0035] 如图1所示，一种闭环解调全光纤电流互感器，包括全光纤电流互感器和闭环解调装置；所述全光纤电流互感器包括光源发生器1、耦合器2、起偏器3、相位调制器4、保偏光纤5、1/4波片6、反射镜7和传感光纤8；所述闭环解调装置包括探测器9、A/D转换器10、信号处理单元11和D/A转换器13。
[0036] 光源发生器发射的光经耦合器输入偏振器，形成线偏振光，偏振器与相位调制器呈45°角熔接，线偏振光经相位调制器以45°注入保偏光纤后，分成两束正交的线偏振光并分别沿保偏光纤的快、慢轴传输，两束线偏振光经1/4波片分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后，进入围绕在被测电流周围的传感光纤。传感光纤作为Faraday材料，缠绕在一次导体外感应被测电流产生的磁场，Faraday磁光效应使两束圆偏光产生与被测电流大小成正比的
相位差。两束圆偏振光经设置在传感光纤末端的反射镜反射后互换偏振模式，再次穿过传感光纤，使产生的非互易相移加倍，两束圆偏振光经1/4波片恢复为两束线偏振光，这两束线偏振光依次经保偏光纤、相位调制器到达起偏器，并在起偏器处发生干涉，最后经耦合器输出携带相位信息的光。
[0037] 探测器采集耦合器输出的光并转换为电信号，该电信号经A/D转换器进行模数转换后传输至信号处理单元，信号处理单元根据接收的数字信号解调出被测电流信息。
[0038] 发生干涉的两束光分别经历了保偏光纤的快、慢轴及相同的路径，这种完全互易的结构可有效抵消外界
应力和温度所产生的共模扰动。干涉输出结果是余弦函数，有零相位差附近响应灵敏度低，测量范围有限，干涉结果不能反映输入电流的方向性等
缺陷。为了解决余弦敏感性和方向性的问题，信号处理单元采用方波调制方式，在光纤线圈中引入非互易的90°相位偏置。同时，为提高线性度和动态范围，采用闭环检测方案，通过阶梯波引入补偿相移，抵消电流引起的非互易相移。
[0039] 闭环解调全光纤电流互感器测量电流大小的原理如下：
[0040] 根据系统各器件的传输模型，可得探测器接收到的光强信号为：
[0041]
[0042] 其中，P0为光源的输出光强，N为传感光纤匝数，V为传感光纤的费尔德(Verdet)常-6数，值为1.12×10 rad/A，I为被测电流，φs、φl分别是加入的方波和阶梯波调制相位，δ为对轴角度误差、波片长度误差等因素引起的等效误差系数。
[0043] 取方波调制相移φs＝±π/2，将同频方波参考信号与PD
输出信号进行相关解调，方波正负半周采样值相减可得：
[0044] PD-＝P0[δsin(φl)+(1-δ)sin(4VNI-φl)]
[0045] 信号处理单元控制阶梯波产生反馈补偿相移φl，使得方波正负半周采样值相等，即PD-＝0，可算得：
[0046] φl≈(1+δ)4VNI
[0047] 通过检测补偿相移φl，并根据上式计算被测电流I。
[0048] 闭环解调全光纤电流互感器大电流波形产生跳变问题的原理如下：
[0049] 当电流幅值在一定范围内时，φl值较小，sin(φl)≈φl，但当4VNI随着N及I的增大，δsin(φl)项不再满足小角度近似条件。
[0050] 在|φl|＜π/2时，输出没有问题，但是一旦|φl|＞π/2，此时即使电流I在增大，但是因为δsin(φl)项变小，导致解调输出误认为是一次电流I在变小，具体表现就是输出波形产生了跳变。
[0051] 第一种大电流波形跳变问题的解决方法如图2所示，步骤如下：
[0052] 1、探测器接收携带相位信息的光信号，并计算PD-＝PD1-PD2，其中PD1为信号正半周采样值，PD2为信号负半周采样值；
[0053] 2、计算P′D-＝PD--PB，其中PB为直流偏置；
[0054] 3、信号处理单元调节阶梯波调制相位φl，使得P′D-＝0，并测得此时的φl值；
[0055] 4、根据φl值进行如下调节：
[0056] 若φl＞π/2时，令φl＝φl-Δφ，引入的-Δφ相移产生直流偏置PB1，令PB＝PB-PB1返回步骤2；
[0057] 若φl＜-π/2时，令φl＝φl+Δφ，引入的相移Δφ产生直流偏置PB2，令PB＝PB-PB2返回步骤2；
[0058] 否则转入步骤5；
[0059] Δφ的值可以根据实际需求进行调整。
[0060] 第二种大电流波形跳变问题的解决方法如图3所示，步骤如下：
[0061] 1、探测器接收携带相位信息的光信号，计算PD-＝PD1-PD2、PD+＝PD1+PD2以及其中PD1为信号正半周采样值，PD2为信号负半周采样值；
[0062] 2、根据PD+＝P0，信号处理单元控制光源发生器的驱动单元，保证光源发生器输入耦合器的功率稳定；其中P0为光源发生器的输出功率；
[0063] 3、根据P′D＝δsin(φl)+(1-δ)sin(4VNI-φl)，当I＝0时，控制φl＝π/2，则P′D＝2δ-1，根据P′D值求出δ值；其中V为传感光纤的费德尔常数，N为传感光纤匝数，I为被测电流，φl为阶梯波调制相位，δ为等效误差系数；
[0064] 4、减去P′D中的误差项δsin(φl)，即令 从而解调出φl；
[0065] 5、信号处理单元输出阶梯波调制相位φl，计算被测电流。
[0066] 值得注意的是，第二种解决方法除了能够解决大电流波形跳变问题，而且为了消除系统光功率
波动对解调结果的影响，采用正负半周采样值相加的办法监测光功率，通过实时调节光源驱动保持光源输出功率恒定。
[0067] 图4为未经本发明解决方法修正的输出波形图，可以很明显地看到跳变点，图5为经本发明第一种解决方法修正的输出波形图，图6为经本发明第二种解决方法修正的输出波形图，可以看出经过两种解决方法修正后，输出波形更加平滑。
[0068] 表1为采用本发明方法消除跳变点前后的系统误差对比，可以看出，在大电流情况下，跳变点消除前，系统误差较大，跳变点消除后，系统误差明显变小。
[0069] 表1
[0070] 9600A 19000A跳变点消除前比差(％) 0 -7.6
方法一跳变点消除后比差(％) 0 -0.4
方法二跳变点消除后比差(％) 0 -0.6
[0071]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案
基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
