专利名称：基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法
技术领域：
本发明属于电气测量技术领域，涉及一种基于电压调制的光纤电流互感器动态性能快速标定方法。
背景技术：
光纤电流互感器克服了电磁式电流互感器在准确度、动态范围以及直流测量等方面的局限性，不但基波测量准，而且直流以及各次谐波都能准确测量，具有动态范围宽、绝缘性能好、测量精度高等优点，可以满足电能计量、电能质量监测、保护控制、故障录波以及电网动态观测等领域不断发展的需求，代表了电流互感器的发展方向，适应了智能电网的发展需求。光纤电流互感器是光纤传感领域中重要的一员，它是建立在Farady磁光效应基础上的光学干涉仪，即在闭合光路中从同一光源发出的光波，经过偏振特性处理，形成左右圆偏振特性的两束偏振光，沿相同的方向传播，并汇合至同一探测点而产生干涉；若闭合光路受电流磁场的影响，则左右圆偏振特性的两束偏振光波产生光程差，该光程差对应的Farady相位差与载体电流量成正比，光纤电流互感器的信号处理系统通过对光波相位差进行调制解调，得到载体电流量。光纤电流互感器通过借鉴光纤陀螺光电信号数字闭环反馈技术，实时测量光波环路中由磁场Farady效应导致的非互易性相位角，进而获取外部电流信息。电磁场-光波耦合感应技术及数字闭环反馈信号处理技术使光纤电流互感器具有动态范围宽、测量精度高、绝缘性能好等优点。光纤电流互感器克服了电磁式电流互感器所存在的磁滞饱和、波形畸变等弱点，满足现代电力系统对电流测量值可靠性的需求。目前，国内外对光纤电流互感器的静态特性测试已经形成了比较统一的方法，而对光纤电流互感器的动态特性的研究并不是很多，然而，光纤电流互感器的动态特性是表征其可靠性和环境适应性的重要性能指标，它的好坏直接决定了光纤电流互感器的应用范围，光纤电流互感器的测试方法在一定程度上制约着光纤电流互感器精度的提高。高精度的光纤电流互感器必须具备良好的动态特性。当光纤电流互感器应用于输电、变电系统时，系统对光纤电流互感器的动态特性指标有很高的要求，因此，测试分析光纤电流互感器的动态特性是确定光纤电流互感器可靠性的重要依据。目前，光纤电流互感器的动态特性测试标定过程是在大电流测试平台上面完成，测试标定过程中，需要大电流断路器、特殊信号发生器、标定装置等，由于测试过程中存在能源消耗大、设备折旧等问题，另外电流标定装置存在有限的电流标定范围等技术指标限制，导致光纤电流互感器动态特性测试存在费用昂贵、测试过程繁琐、效率低等方面的问题。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服现有技术难题，结合光纤电流互感器信号处理技术，提供一种无需在电流互感器标定现场测试，结构简单，降低了对测试环境的要求，并且可以单批次完成多台光纤电流互感器动态特性测试标定，可操作性强，效率高的基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法。技术方案本发明的基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法，包括以下步骤I)将三台光纤电流互感器的电光调制信号输入端与一台调制相位电压控制器的电压信号输出端相连，光纤电流互感器的信号输出端与数据录取器相连；2)控制调制相位电压控制器输出零值的电压，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为F10，F20, F30 ；3)依据光纤电流互感器中集成光学芯片的半波电压参数，取AU=(Un)/n，Un为集成光学芯片的半波电压值，n为大于5的整数，调节调制相位电压控制器依次输出以0. OV起始、AU为递增量，直至递增到集成光学芯片的半波电压参数，形成n个电压值组成的电压序列，即0. 0V, AU，2 AU，……Un;对应不同调制电压量值，分别记录三台光纤电流互感器的输出数值的均值序列为{F110，F120，…FlnO}，{F210，F220，...F2n0}和{F310，F320，... F3n0};然后，将三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去步骤2)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值F10，F20, F30，即得到三台光纤电流互感器在不同控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{F11，F12，-Fin}, {F21,F22,…F2n}和{F31，F32，…F3n}；4)对光纤电流互感器关闭后再重启，将调制相位电压控制器的输出电压正负切换，然后控制输出电压为零值，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为NFlO，NF20, NF30 ；5)控制调制相位电压控制器输出与步骤3)中电压序列极性相反、幅值相等的反向电压序列，分别记录三套光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的均值为{NF110，NF120，...NFlnO}，{NF210，NF220，...NF2nO}，{NF310，NF320，…NF3nO};然后，将三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去步骤4)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值NF10，NF20，NF30，即得到三台光纤电流互感器在不同反向控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{NF11，NF12，…NFln}，{NF21，NF22，…NF2n}，{NF31，NF32，…NF3n}；6)根据步骤3)得到的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{Fll，F12，. ..Fin}, {F21, F22， F2n}，{F31，F32，. . . F3n}，和步骤 5)记录的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{NF11，NF12, NFln}, {NF21, NF22, NF2n}，{NF31, NF32, NF3n}，由集成光学芯片的半波电压参数值计算出光纤电流互感器的量程，根据标度因数计算公式计算光纤电流互感器的标度因数、标度因数非线性度、标度因数不对称性和标度因数重复性。本发明的原理是光纤电流互感器的基本原理就是建立在磁光Farady效应基础上，电流磁场导致光纤中的两束光波产生光程差，进而得出与之相应的磁光Farady相位Os Os= (4NV)*I0Ut(I)其中，Os为电流磁场引起的Farady效应相位差,N为光纤匝数,V为维尔德系数，Iwt为电力线电流量，光纤匝数N、维尔德系数等参数均为定值，因此，电流互感器的输出相移Os与输入电流量Iwt成正比；光纤电流互感器就是利用磁光Farady效应，通过对光纤环中光束进行相位解调，进而敏感相位的变化来感知外部载体的电流信息。目前，国内外在光纤电流互感器信号处理方面，均采用数字闭环信号处理技术。数字闭环光纤电流互感器是通过在光纤环中加入非互易的补偿相移，来抵消由光纤环转动产生的磁光Farady相移，该补偿相移与磁光Farady相移大小相等，方向相反，使光纤电流互感器始终工作在相位零点附近，通过获取该补偿相移的大小来得出光纤电流互感器的转速信号。光纤电流互感器数字闭环信号处理系统主要由光源、耦合器、集成光学调制芯片(I0C)、波片、光电探测器、光纤环和反射镜组成。光源发出的光经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光；线偏振光以45°角注入保偏光纤,被平均注入保偏光纤的X轴和Y轴传输；当这两束正交模式的光经过入/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤；在传感光纤中由于传输电流产生磁场Farady效应,两束圆偏振光以不同的速度传输；由传感光纤端面的镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次穿过传导光纤，并再次和电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍；包含Farady相位差的两束光再次通过入/4波片后，恢复为线偏振光，并在偏振器处发生干涉，干涉光波经过耦合器进入PIN光、电检测器。PIN探测器检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理系统，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使相位调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移，该反馈相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反，使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，信号处理系统通过获取该补偿相移的大小，经过比例因子转换得出电力线的电流信息。PIN所检测的光波干涉信号为I=I0[l+cos(Os+Of+Oj)](2)经过光电转换，输出的电压信号为V=KIQ[1+C0S(①s+Of+①:)]，其中，K为光电转换系数，Os为电流信号产生非互易相移，Os=GNvntjut, Itjut为被测电流，Of为方波产生偏置非互易相移，用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向，为阶梯波产生非互易相移，N为光纤匝数，V为维尔德系数。方波信号在正负半周产生相移为土 /2的偏置相位，阶梯波增量用于补偿外部磁光Farady相移，方波和阶梯波调制信号都加入相位调制器之后，在电流互感器中产生的非互易相移为A①= Os+Of+%，在方波的正半周，Of= /2，干涉仪的输出信号为V1=KI0[ 1-sin (Os+Oj) ](3)在方波的负半周，Of=-/2，干涉仪的输出信号为V2=KI0 [1+sin (Os+Oj) ](4)将方波正半周"[目号(3)和负半周/[目号(4)相减可得A V=-2KI0sin (0s+0 j)(5)通过闭环反馈使保证A V=O,而当AV古0时,便用A V作为控制量去控制闭环反馈阶梯波发生器，改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量，该电压增量与光波相移成正比关系，通过闭环反馈控制始终使os+o^=o，在数字闭环达到平衡时，阶梯波的阶梯高度增量同所测量的电流成正比，阶梯波高度增量就对应光纤电流互感器输出的电流信号。理想情况下，通过闭环反馈控制，光电探测器PIN检测到的干涉信号为零电平。
在本发明中，调制相位电压控制器向相位调制器施加控制电压，相当于在光学环路中引入非互易的光学相位OI0C,在相位调制器可控电压范围(全波电压范围内，电压值一般不超过12V)，Oiqc与电压Viqc之间呈线性关系Oioc-Kioc5^Vioc(6)其中，Kiqc为固定比例常数。在该发明中，当光纤电流互感器所测导线的电流为零时，由于外部磁场等因素，光纤电流互感器光纤环感应到初始的Farady相位为Otl，对应的初始电流为Itl，通过调制相位电压控制器在IOC中施加电压VM。，在光学环路中加入了附加的调制相位O。，此时光纤环中总的非互易相位为OT=O0+Oc(7)由于Otl为恒定值，通过测量不同电压输入情况下Ot，结合光纤电流互感器闭环反馈系统的信号处理过程，可以得出Ot, 0ca0UO Viqc满足如下关系Oj = -Ot(8)Oc-Ot-Oo-Kioc5^Vioc(9)Oc= (4NV)*Iout=KI0C*VI0C(10)Vloc=-[(4NV)/K10J *I0Ut(11)由公式(7)至公式(11)的推导，可以看出，调制相位电压控制器在IOC中施加电压Vrac与光纤电流互感器所测量的电流呈线性关系，依据该原理，可以测量相位调制器半波电压(通常该电压不超过12V)对应的光纤电流互感器输出，并且可以施加不同的电压值，测量不同的角速率输出，避免了电流互感器标定测试平台上进行测试的繁琐程序，克服了标定测试平台电流幅值的限制，实现了采用很低电压信号来完成光纤电流互感器动态特性的快速测试标定。有益效果本发明与现有技术相比，具有以下优点在现有的光纤电流互感器动态特性标定过程中，需要专门配备大电流发生器，瞬态特性分析仪、校验仪等装置，需要特殊的实验环境，具有测试费用高、效率低等不足；本发明从光纤电流互感器数字闭环信号处理方法入手，通过在光纤电流互感器数字闭环信号处理过程中引入附加调制相位，来模拟外部电流量引起的光学非互易性Farady相位，引入半波电压调制方法来测试光纤电流互感器的量程，并标定光纤电流互感器的动态范围，另外，采用分段调制相位的办法，对光纤电流互感器输出数据进行分段处理，来计算光纤电流互感器的标度因数，并标定光纤电流互感器标度因数的线性度、对称性、重复性。 本发明针对光纤电流互感器数字闭环信号处理特性，以一种全新的方法从整体上来评估光纤电流互感器的动态特性，具有测试过程简捷、测量范围大、标定精度高的特点，并且可以单次完成多套光纤电流互感器的测试标定，具有效率高的特点。解决了在现有的标定过程中，由于测试方法及标定设备技术指标限制导致测试结果的准确性较差、测试精度较低、测试费用高、效率低的问题。
图I为光纤电流互感器的结构图，图2为本发明方法的系统结构图，
图3为本发明方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。由图I可以看出，光纤电流互感器数字闭环系统主要由光源、耦合器、偏振器、相位调制器(又称集成光学芯片，I0C)、波片、光电探测器和光纤环组成。光源发出的光经过耦合器、偏振器、波片后形成为两种圆偏振态的光波，进入光学感应环,这两种圆偏振态的光波在光纤环中传播,感应电力线的电流运动,在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号放大、滤波、A/D转换处理之后，送入FPGA/DSP信号处理系统，形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器，使相位调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移，该反馈相移与外部电流导致的Farady相移大小相等、方向相反,使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近，信号处理系统通过获取该补偿相移的大 小，经过比例因子转换得出电力线的电流信息。由图2可看出，本发明方法的系统由调制相位电压控制器、被测光纤电流互感器、数据录取设备及数据分析系统组成。光纤电流互感器输出数据按照串行数据格式输出至数据录取单元，然后由数据录取单元将不同调制电压对应的转速数据传至数据分析系统。 本发明的基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法，包括以下步骤I)将三台光纤电流互感器的电光调制信号输入端与一台调制相位电压控制器的电压信号输出端相连，光纤电流互感器的信号输出端与数据录取器相连；2)控制调制相位电压控制器输出零值的电压，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为F10，F20, F30 ；3)依据光纤电流互感器中集成光学芯片的半波电压参数，取AU=(Un)/n，Un为集成光学芯片的半波电压值，n为大于5的整数，调节调制相位电压控制器依次输出以0. OV起始、AU为递增量，直至递增到集成光学芯片的半波电压参数，形成n个电压值组成的电压序列，即0. 0V, AU，2 AU，……Un;对应不同调制电压量值，分别记录三台光纤电流互感器的输出数值的均值序列为{F110，F120，…FlnO}，{F210，F220，...F2n0}和{F310，F320，...F3n0};然后，将三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去步骤2)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值F10，F20, F30，即得到三台光纤电流互感器在不同控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{F11，F12，-Fin}, {F21,F22,…F2n}和{F31，F32，…F3n}；4)对光纤电流互感器关闭后再重启，将调制相位电压控制器的输出电压正负切换，然后控制输出电压为零值，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为NFlO，NF20, NF30 ；5)控制调制相位电压控制器输出与步骤3)中电压序列极性相反、幅值相等的反向电压序列，分别记录三套光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的均值为{NF110，NF120，— NFlnO}, {NF210, NF220, ...NF2nO}，{NF310，NF320，…NF3nO};然后，将三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去步骤4)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值NF10，NF20，NF30，即得到三台光纤电流互感器在不同反向控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{NF11，NF12，…NFln}，{NF21，NF22，…NF2n}，{NF31，NF32，…NF3n}；6)根据步骤3)得到的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{Fll，F12，. ..Fin}, {F21, F22， F2n}，{F31，F32，. . . F3n}，和步骤 5)记录的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{NF11，NF12, NFln}, {NF21, NF22, NF2n}，{NF31, NF32, NF3n}，由集成光学芯片的半波电压参数值计算出光纤电流互感器的量程，根据标度因数计算公式计算光纤电流互感器的标度因数、标度因数非线性度、标度因数不对称性和标度因数重复性。光纤电流互感器的标度因数K计算方法如下设力第j个调制输入电SVj时，光纤电流互感器输出N个数据的平均值，Fjp为N个数据中的第p个数据，f为测试开始时，零调制电压输入时，光纤电流互感器输出数据的均值；标度因数计算方法见公式(12) (16)
权利要求
1.一种基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)将三台光纤电流互感器的电光调制信号输入端与一台调制相位电压控制器的电压信号输出端相连，光纤电流互感器的信号输出端与数据录取器相连； 2)控制调制相位电压控制器输出零值的电压，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为FlO，F20, F30 ； 3)依据光纤电流互感器中集成光学芯片的半波电压参数，取AU= (Un) /n,所述Un为集成光学芯片的半波电压值，n为大于5的整数，调节调制相位电压控制器依次输出以0. OV起始、AU为递增量，直至递增到集成光学芯片的半波电压参数，形成n个电压值组成的电压序列，即0. 0V, AU，2 AU，……Un;对应不同调制电压量值，分别记录三台光纤电流互感器的输出数值的均值序列为{F110，F120，…FlnO}，{F210，F220，...F2n0}和{F310，F320，...F3n0};然后，将所述三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去所述步骤2)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值F10，F20, F30，即得到三台光纤电流互感器在不同控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{Fll，F12，…Fln}，{F21，F22，…F2n}和{F31，F32, —F3n}； 4)对光纤电流互感器关闭后再重启，将调制相位电压控制器的输出电压正负切换，然后控制输出电压为零值，分别记录此时三台光纤电流互感器的输出数值序列，并求取出数值序列的均值分别为NFlO，NF20, NF30 ； 5)控制调制相位电压控制器输出与所述步骤3)中电压序列极性相反、幅值相等的反向电压序列，分别记录三套光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的均值为{NF110, NF120, ... NFlnO}，{NF210，NF220，...NF2nO}，{NF310，NF320，…NF3nO};然后，将所述三台光纤电流互感器输出数值的均值序列分别减去所述步骤4)中记录的光纤电流互感器输出数值的均值NF10，NF20，NF30，即得到三台光纤电流互感器在不同反向控制电压值下的输出数据的无零偏均值序列{NF11，NF12，. . . NFln}, {NF21，NF22，. . . NF2n}，{NF31，NF32,…NF3n}; 6)根据所述步骤3)得到的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{Fll，F12，. ..Fin}, {F21, F22， F2n}，{F31，F32，. . . F3n}，和步骤 5)记录的三台光纤电流互感器对应不同电压量值时的输出数值的无零偏均值序列{NF11，NF12, NFln}, {NF21, NF22, NF2n}，{NF31, NF32, NF3n}，由所述集成光学芯片的半波电压参数值计算出光纤电流互感器的量程，根据标度因数计算公式计算光纤电流互感器的标度因数、标度因数非线性度、标度因数不对称性和标度因数重复性。
全文摘要
本发明公开了一种基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法，在光纤电流互感器数字闭环信号处理过程中引入附加电压调制相位，来模拟电力线电流引起的光学非互易性Farady相位，采用分段调制相位的办法，对光纤电流互感器输出数据进行分段处理，来标定光纤电流互感器的标度因数，并分析光纤电流互感器标度因数的线性度、对称性及重复性。本发明从光纤电流互感器数字闭环信号处理方法入手，从整体上来评估光纤电流互感器的动态特性，具有测试过程简捷、标定精度高的特点，并且可以单次完成多套光纤电流互感器的测试标定。
文档编号G01R35/00GK102981136SQ20121048667
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者王立辉, 袁博文, 刘刚 申请人:东南大学