全光纤电流互感器在线校验系统的制作方法
【专利摘要】全光纤电流互感器在线校验系统，包括全光纤电流互感器、合并单元、在线校验仪、工控机和标准电流互感器；全光纤电流互感器与合并单元相连，合并单元与在线校验仪相连，在线校验仪分别与标准电流互感器和工控机相连；全光纤电流互感器包括一次侧光纤敏感环和二次侧电气单元，一次侧光纤敏感环与二次侧电气单元相连，二次侧电气单元与合并单元相连，一次侧光纤敏感环连接到一次母线上；标准电流互感器包括钳形空心线圈和高压侧数据转换模块，钳形空心线圈与高压侧数据转换模块相连，高压侧数据转换模块与在线校验仪相连，钳形空心线圈连接到一次母线上。本发明系统校验精度高，校验周期短。
【专利说明】
全光纤电流互感器在线校验系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电工测量与检测技术领域，具体是涉及一种全光纤电流互感器在线校 验系统。
【背景技术】
[0002] 随着数字化变电站智能电网的不断发展、推进，全光纤电子式电流互感器凭借其 区别于传统电磁式互感器的独特优势，越来越受到智能化电网建设的青睐。电流互感器作 为运行电力系统的电流物理量测量、监测的重要设备，其准确度直接影响到电力系统电能 计量、继电保护、监测等智能设备的工作可靠性。为了保证电能计量的准确性和电力系统的 安全、稳定，合理保护电力部门、发电部门和用户三方的合法权益，因此对全光纤电流互感 器测量误差的在线监测是十分有必要的。
[0003] 全光纤电流互感器主要由一次侧光纤敏感环和二次侧电气单元组成，现场应用时 一次母线作为载流导体直接横穿一次侧光纤敏感环，完全实现一次侧跟二次侧的电气绝缘 隔离。而且全光纤电流互感器体积小便于系统化集成。
[0004] 目前国内针对全光纤电流互感器的校验大多只局限于互感器的出厂校验和对交 付投运产品的离线校验，还没有形成一套完善的在线校验系统。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服上述【背景技术】的不足，提供一种校验精度高， 校验周期短的全光纤电流互感器在线校验系统。
[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种全光纤电流互感器在线校验系 统，包括全光纤电流互感器、合并单元、在线校验仪、工控机和标准电流互感器;所述全光纤 电流互感器与合并单元相连，所述合并单元与在线校验仪相连，所述在线校验仪分别与标 准电流互感器和工控机相连； 所述全光纤电流互感器包括一次侧光纤敏感环和二次侧电气单元，一次侧光纤敏感环 与二次侧电气单元相连，二次侧电气单元与合并单元相连，一次侧光纤敏感环连接到一次 母线上； 所述标准电流互感器包括钳形空心线圈和高压侧数据转换模块，钳形空心线圈与高压 侧数据转换模块相连，高压侧数据转换模块与在线校验仪相连，钳形空心线圈连接到一次 母线上。
[0007] 进一步，所述高压侧数据转换模块包括A/D转换模块、第一 FPGA模块、电光转换模 块、激光功能接收模块和信号预调理模块，A/D转换模块与第一 FPGA模块相连，第一 FPGA模 块分别与电光转换模块和激光功能接收模块相连，激光功能接收模块与信号预调理模块相 连，信号预调理模块与钳形空心线圈相连，第一 FPGA模块和电光转换模块分别与在线校验 仪相连，激光功能接收模块与外部电源相连。
[0008] 进一步，所述二次侧电气单元包括光源、集成光学器件、双闭环控制装置和光电探 测器，所述光源经过Loyt消偏器与集成光学器件的a端相连连接，集成光学器件的b端与光 电探测器连接，所述光电探测器与双闭环控制装置连接，所述集成光学器件的c端依次经过 保偏光纤延迟线和1/4波片与一次侧光纤敏感环连接，所述一次侧光纤敏感环上设有反射 镜。
[0009] 进一步，所述双闭环控制装置包括前置放大器、A/D转换器、第二FPGA模块、副D/A 转换器、主D/A转换器、运算放大器和调制器;所述前置放大器与A/D转换器相连，A/D转换器 与第二FPGA模块相连，第二FPGA模块分别与副D/A转换器和主D/A转换器相连，主D/A转换器 分别与副D/A转换器和运算放大器相连，运算放大器与调制器相连，前置放大器与光电探测 器相连。
[0010] 进一步，所述第二FPGA模块包括副解调器、主解调器、副积分器、主积分器、阶梯波 生成器和调制方波生成器;所述调制方波生成器分别与副解调器和主解调器相连，副解调 器与副积分器相连，主解调器与主积分器相连，主积分器与阶梯波生成器相连;副积分器与 副D/A转换器相连，所述阶梯波生成器和调制方波生成器分别与主D/A转换器相连;所述A/D 转换器分别与副解调器和主解调器相连。
[0011] 与现有技术相比，本发明的优点如下:校验精度高，校验周期短。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例的结构框图。
[0013] 图2是图1所示实施例的高压侧数据转换模块的结构框图。
[0014]图3是图1所示实施例的二次侧电气单元的结构框图。
[0015] 图4是图1所示实施例的双闭环控制装置的结构框图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0017] 参照图1，本实施例包括:全光纤电流互感器、合并单元5、在线校验仪6、工控机7和 标准电流互感器;全光纤电流互感器与合并单元5相连，合并单元5与在线校验仪6相连，在 线校验仪6分别与标准电流互感器和工控机7相连。
[0018] 全光纤电流互感器包括一次侧光纤敏感环3和二次侧电气单元4, 一次侧光纤敏感 环3与二次侧电气单元4相连，二次侧电气单元4与合并单元5相连，一次侧光纤敏感环3连接 到一次母线上。一次侧光纤敏感环3采用环氧树脂结构。
[0019]标准电流互感器包括钳形空心线圈1和高压侧数据转换模块2,钳形空心线圈1与 高压侧数据转换模块2相连，高压侧数据转换模块2与在线校验仪6相连，钳形空心线圈1连 接到一次母线上。钳形空心线圈1为基于PCB板的空心线圈；钳形空心线圈1为全铝屏蔽外 壳。
[0020] 全光纤电流互感器作为被校验的电流互感器，标准电流互感器和全光纤电流互感 器同时接收在线校验仪6发出的同步脉冲信号，在线校验仪6并行接收标准电流互感器和全 光纤电流互感器输出的电流值，并通过上位机校验软件算法计算出全光纤电流互感器的比 值误差和角值误差。
[0021] 全光纤电流互感器与合并单元的接口板卡连接，合并单元接收在线校验仪6发出 的同步脉冲信号，经过接口板卡输出给全光纤电流互感器并接收全光纤电流互感器输出的 电流信号，最后对全光纤电流互感器的输出数据组帧、编码，发送给在线校验仪6。
[0022]合并单元可配置为同步接收多台全光纤电流互感器输出的电流值，支持多台全光 纤电流互感器同时在线校验。
[0023]配置多台全光纤电流互感器时，多台全光纤电流互感器均与合并单元的接口板卡 连接，合并单元接收在线校验仪6发出的同步脉冲信号，并经过接口板卡同时输出给多台全 光纤电流互感器并接收多台全光纤电流互感器输出的电流信号，最后对多台全光纤电流互 感器的输出数据组帧、编码，发送给在线校验仪6。
[0024]参照图2,高压侧数据转换模块2包括A/D转换模块2-1、第一 FPGA模块2-2、电光转 换模块2-3、激光功能接收模块2-4和信号预调理模块2-5，A/D转换模块2-1与第一FPGA (Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)模块2-2相连，第一FPGA模块2-2分 别与电光转换模块2-3和激光功能接收模块2-4相连，激光功能接收模块2-4与信号预调理 模块2-5相连，信号预调理模块2-5与钳形空心线圈1相连，第一 FPGA模块2-2和电光转换模 块2-3分别与在线校验仪6相连，激光功能接收模块2-4与外部电源相连。
[0025] 第一 FPGA模块2-2在接收到在线校验仪6发出的同步脉冲信号后，控制A/D转换模 块2-1对钳形空心线圈1的输出进行模数转换，钳形空心线圈1的输出先经过信号预调理模 块2-5放大、滤波预调理，再通过A/D转换模块2-1进行模数转换，第一 FPGA模块2-2对A/D转 换模块2-1转换后的数字量组帧、编码，再经过电光转换模块2-3将数字量电信号转换成光 信号，输出给在线校验仪6。
[0026] 参照图3,二次侧电气单元4包括光源4-1、集成光学器件4-2、双闭环控制装置4-3 和光电探测器4-4,光源4-1经过Loyt消偏器与集成光学器件4-2的a端相连连接，集成光学 器件4-2的b端与光电探测器4-4连接，光电探测器4-4与双闭环控制装置4-3连接，集成光学 器件4-2的c端依次经过保偏光纤延迟线和1/4波片与一次侧光纤敏感环3连接，一次侧光纤 敏感环3上设有反射镜。
[0027]光源4-1发出的光经过Loyt消偏器后消除光源输出光的偏振而进入集成光学器件 4-2的a端，经集成光学器件4-2的c端输出两束线偏振光，其中一束光受到调制，两束线偏振 光经过保偏光纤延迟线后分别沿X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，再经过1/4波片转变为两束 椭圆偏振光，其中一束左旋，另一束右旋，进入一次侧光纤敏感环3的敏感光纤，在Faraday 磁光效应和被测电流的共同作用下，两束椭圆偏振光产生相位差％=2^_。两束椭圆偏 振光经一次侧光纤敏感环3传播到反射镜，被反射后再次进入一次侧光纤敏感环3的敏感光 纤，原左旋光变为右旋光，原右旋光变为左旋光，再次在Faraday磁光效应和被测电流的共 同作用下，产生了相位差知，此时总相位差变为A灼=4〇^。两束携带了电流信 息的椭圆偏振光又一次经过V4波片转变为线偏振光，同时原来沿X轴传播的线偏振光变为 沿Y轴传播，原来沿Y轴传播的线偏振光变为沿X轴传播，最后回到集成光学器件4-2发生干 涉，形成干涉光，干涉光再由集成光学器件4-2的b端输出到达光电探测器4-4。
[0028] 参照图4,双闭环控制装置4-3包括前置放大器4-3-1、A/D转换器4-3-2、第二FPGA 模块4-3-3、副D/A转换器4-3-4、主D/A转换器4-3-5、运算放大器4-3-6和调制器4-3-7。前置 放大器4-3-1与A/D转换器4-3-2相连，A/D转换器4-3-2与第二FPGA模块4-3-3相连，第二 FPGA模块4-3-3分别与副D/A转换器4-3-4和主D/A转换器4-3-5相连，主D/A转换器4-3-5分 别与副D/A转换器4-3-4和运算放大器4-3-6相连，运算放大器4-3-6与调制器4-3-7相连，前 置放大器4-3-1与光电探测器4-4相连。
[0029] 第二FPGA模块4-3-3包括副解调器4-3-3-1、主解调器4-3-3-4、副积分器4-3-3-2、 主积分器4-3_3_5、阶梯波生成器4-3_3_6和调制方波生成器4-3_3_3。调制方波生成器4_3_ 3-3分别与副解调器4-3_3_1和主解调器4_3-3_4相连，副解调器4-3_3_1与副积分器4_3_3-2相连，主解调器4-3-3-4与主积分器4-3-3-5相连，主积分器4-3-3-5与阶梯波生成器4-3- 3- 6相连;副积分器4-3-3-2与副D/A转换器4-3-4相连，阶梯波生成器4-3-3-6和调制方波生 成器4-3-3-3分别与主D/A转换器4-3-5相连;A/D转换器4-3-2分别与副解调器4-3-3-1和主 解调器4-3_3_4相连。
[0030] 双闭环控制装置4-3完成对电流引起的相位置零和对调制波复位的准确控制。调 制方波生成器4-3-3-3产生"四态"方波调制信号，主解调器4-3-3-4根据方波调制信号对A/ D转换器4-3-2输出的数字信号进行解调处理，得到主解调信号，主解调信号进入主积分器 4- 3-3-5;副解调器4-3-3-1根据方波调制信号对A/D转换器4-3-2输出的数字信号进行解调 处理，得到副解调信号，副解调信号进入副积分器4-3-3-2。
[0031] 主积分器4-3-3-5输出信号经阶梯波生成器4-3-3-6产生阶梯波并与调制方波叠 加后合成调制波进入主D/A转换器4-3-5,通过集成光学器件4-2(Y波导）对光信号进行调 制，经过一个光纤延迟周期后，第二FPGA模块4-3-3逻辑控制程序启动A/D转换器4-3-2得到 相应的数字量编码;主解调器4-3_3_4根据序列（一，+，+，一）对数字量编码进行解调得到 Faraday效应引起的相位差典，副解调器4-3-3-1根据序列（一，+，一，+ )对数字量编码进 行解调得到调制波复位误差?';主积分器4-3_3_5、副积分器4-3_3_2分别对相位差.為:和调 制波复位误差￡进行积分运算，其中主积分器4-3-3-5的积分运算结果输出到主D/A转换器 4-3-5,并经过运算放大器4-3-6调理后反馈给集成光学器件4-2,从而实现相位置零。副积 分器4-3-3-2的积分运算结果输出到副D/A转换器4-3-4,副D/A转换器4-3-4的输出作为主 D/A转换器4-3-5的参考电平，这样，随着调制波复位误差的变化即可自动调节主D/A转换器 4-3-5的参考电平对调制波的增益进行反馈控制，从而实现对调制波复位的准确控制。
[0032] 本发明采用钳形结构的空心线圈电流互感器作为标准通道的传感头，安装人员只 需通过一定的防护措施，便可以在不断电情况下，实现校验装置的现场安装，对现场运行中 的全光纤电流互感器现高准确度校验，完全满足0.2S级全光纤电流互感器的在线校验需 要，减少停电损失，缩短全光纤电流互感器的校验周期。
[0033] 本发明可以在不断电情况下对现场运行的全光纤电流互感器进行高精度在线校 验。标准电流互感器的高压侧数据转换模块2和全光纤电流互感器的二次侧电气单元4在在 线校验仪6的同步脉冲信号作用下将实时电流值传输给在线校验仪6,通过工控机7的上位 机校验软件来实时、准确的比对标准电流互感器和全光纤电流互感器的比差和角差;所有 一次侧和二次侧之间的数据通信均采用以光纤为介质的光信号，实现了很好的抗电磁干扰 防护。
[0034]本发明的主要技术优点在于： 1、标准电流互感器的钳形空心线圈1为全铝屏蔽外壳，钳形空心线圈1为基于PCB板的 空心线圈，内层机械设计分为三层，包括钳形空心线圈1，高压侧数据转换模块2和激光功能 接收模块2-4。通过精密的计算和加工，可以达到0.05%的准确度。钳形空心线圈1具体采用 平板型空芯线圈结构设计，该结构可以克服印制电路板基板厚度有限，层与层之间电气连 接过孔加工工艺复杂等缺点，采用成对印刷电路板制成的线圈串行连接而成。两PCB板成镜 像关系，成对的结构能有效消除垂直于线圈平面方向变化磁场对测量的影响。PCB1的上表 面和PCB2的下表面完全一致，且PCB1的下表面和PCB2的上表面完全一致，每对成镜像PCB板 为一组，引出一对出线端子。
[0035] 2、被校全光纤电流互感器的一次侧光纤敏感环3采用环氧树脂结构，敏感环内光 纤中传输的光信号在载流电流通过时其相位信息发生变化，二次侧电气单元4通过双闭环 调制解调算法可准确提取出母线载流电流的大小，且一次端跟二次端完全电气隔离，一次 端真正实现无源设计。
[0036] 3、全光纤电流互感器的二次侧电气单元4中光路采用了一个Loyt消偏器，降低对 激光器偏振特性的要求，可以适应任意偏振态的半导体激光器，提高光路兼容性的同时也 改善光路的稳定性。采用双闭环控制装置4-3实现对进集成光学器件4-2中的两束线偏振光 的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制;双闭环控制装置4-3中调制器4-3-7产生四种 形式的调制方波信号，有利于调制方波复位误差和两束椭圆偏振光产生相位差的提取，提 高双闭环控制的精度及稳定性;双闭环控制装置4-3中A/D转换器4-3-2和主D/A转换器4-3-5采用10位以上，gUD/A转换器4-3-4采用8位以上的器件，可以提高双闭环控制的控制范围 及稳走性。
[0037] 4、工控机7的上位机校验软件是基于Labview编程语言编写的，可实现校验结果的 直观显示、波形绘制和校验结果存储。在线校验仪6与上位机之间采用以太网通信，数据格 式为9-2报文格式。上位机与在线校验仪6建立通信后，上位机校验软件算法先对接收到的 数据做傅里叶变换提取出50Hz工频电流值，然后将标准电流和被校全光纤电流互感器采集 电流值做比差、角差误差计算。
[0038] 本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本 发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。 [0039]说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种全光纤电流互感器在线校验系统，其特征在于:包括全光纤电流互感器、合并单 元(5)、在线校验仪(6)、工控机(7)和标准电流互感器;所述全光纤电流互感器与合并单元 (5)相连，所述合并单元(5)与在线校验仪(6)相连，所述在线校验仪(6)分别与标准电流互 感器和工控机(7)相连； 所述全光纤电流互感器包括一次侧光纤敏感环(3)和二次侧电气单元(4)，一次侧光纤 敏感环(3)与二次侧电气单元(4)相连，二次侧电气单元(4)与合并单元(5)相连，一次侧光 纤敏感环(3)连接到一次母线上； 所述标准电流互感器包括钳形空心线圈（1)和高压侧数据转换模块(2)，钳形空心线圈 (1)与高压侧数据转换模块(2)相连，高压侧数据转换模块(2)与在线校验仪(6)相连，钳形 空心线圈（1)连接到一次母线上。2. 如权利要求1所述的全光纤电流互感器在线校验系统，其特征在于:所述高压侧数据 转换模块(2)包括A/D转换模块(2-1 )、第一 FPGA模块(2-2)、电光转换模块(2-3)、激光功能 接收模块(2-4)和信号预调理模块(2-5)，A/D转换模块(2-1)与第一FPGA模块(2-2)相连，第 一 FPGA模块(2-2)分别与电光转换模块(2-3)和激光功能接收模块(2-4)相连，激光功能接 收模块(2-4)与信号预调理模块(2-5)相连，信号预调理模块(2-5)与钳形空心线圈（1)相 连，第一 FPGA模块(2-2 )和电光转换模块(2-3 )分别与在线校验仪(6 )相连，激光功能接收模 块(2-4)与外部电源相连。3. 如权利要求1或2所述的全光纤电流互感器在线校验系统，其特征在于:所述二次侧 电气单元(4)包括光源(4-1)、集成光学器件(4-2)、双闭环控制装置(4-3)和光电探测器(4- 4) ，所述光源(4-1)经过Loyt消偏器与集成光学器件(4-2)的a端相连连接，集成光学器件 (4-2)的b端与光电探测器(4-4)连接，所述光电探测器(4-4)与双闭环控制装置(4-3)连接， 所述集成光学器件(4-2)的c端依次经过保偏光纤延迟线和1/4波片与一次侧光纤敏感环 (3)连接，所述一次侧光纤敏感环(3)上设有反射镜。4. 如权利要求1或2所述的全光纤电流互感器在线校验系统，其特征在于:所述双闭环 控制装置(4-3)包括前置放大器(4-3-1 )、A/D转换器(4-3-2)、第二FPGA模块(4-3-3)、副D/A 转换器(4-3-4)、主D/A转换器(4-3-5)、运算放大器(4-3-6)和调制器(4-3-7);所述前置放 大器(4-3-1)与A/D转换器(4-3-2)相连，A/D转换器(4-3-2)与第二FPGA模块(4-3-3)相连， 第二FPGA模块(4-3-3 )分别与副D/A转换器(4-3-4 )和主D/A转换器(4-3-5 )相连，主D/A转换 器(4-3-5)分别与副D/A转换器(4-3-4)和运算放大器(4-3-6)相连，运算放大器(4-3-6)与 调制器(4-3-7)相连，前置放大器(4-3-1)与光电探测器(4-4)相连。5. 如权利要求4所述的全光纤电流互感器在线校验系统，其特征在于:所述第二FPGA模 块(4-3-3)包括副解调器(4-3-3-1)、主解调器(4-3-3-4)、副积分器(4-3-3-2)、主积分器 (4-3-3-5)、阶梯波生成器(4-3-3-6)和调制方波生成器(4-3-3-3);所述调制方波生成器 (4-3-3-3)分别与副解调器(4-3-3-1)和主解调器(4-3-3-4)相连，副解调器(4-3-3-1)与副 积分器(4-3-3-2)相连，主解调器(4-3-3-4)与主积分器(4-3-3-5)相连，主积分器(4-3_3- 5) 与阶梯波生成器(4-3-3-6)相连;副积分器(4-3-3-2)与副D/A转换器(4-3-4)相连，所述 阶梯波生成器(4-3-3-6)和调制方波生成器(4-3-3-3)分别与主D/A转换器(4-3-5)相连;所 述A/D转换器(4-3-2)分别与副解调器(4-3-3-1)和主解调器(4-3-3-4)相连。
【文档编号】G01R35/02GK105911503SQ201610533053
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】颜宏文, 谢彬, 吴小忠, 洪文国, 吕夷, 熊志荣, 刘光华, 孙志云, 樊菊霞, 朱维均, 武永鹏, 钟频
【申请人】中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司