具有自供能低功耗的电流互感器设备及母线电流检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有自供能低功耗的电流互感器设备，包括传感光源、快速光衰减器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、自供能模块、光电反馈控制电路、一次电流传感器和光纤抖动监测模块，传感光源与第一光纤耦合器连接，第一光纤耦合器的一个输出端与自供能模块连接，另一个输出端与快速光衰减连接；快速光衰减器的电输入端与光电反馈控制电路连接，快速光衰减器的光输出端与第二光纤耦合器连接；第二光纤耦合器的输出端与光纤抖动监测模块和光电反馈控制电路连接，光电反馈控制电路与一次电流传感器连接；自供能模块与光电反馈控制电路连接。该电流互感器设备具有自供能和低功耗的功效。同时还提供母线电流检测方法，该方法测量精度高。
【专利说明】具有自供能低功耗的电流互感器设备及母线电流检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统监测和保护领域，特别涉及一种具有自供能低功耗的电流互感器设备及母线电流检测方法。
【背景技术】
[0002]在电力生产、电力传输及电力设备的运行中，需要对其中各种物理量进行监测，其中最重要的物理量是电流和电压，获取电流和电压信息的传感器设备是互感器，他们将高电压侧的大电流或高电压转换为低压侧的小电流或低电压。准确、可靠、高性能的互感器是保证电网安全、可靠、高效运行的重要保证之一。
[0003]传统互感器以电磁式互感器为主，但是长期运行中暴露出其所固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带范围窄、易燃、易爆等缺点。同时，随着电网的运行电压等级越来越高，传统互感器的绝缘设计将变得非常复杂，体积、重量以及造价也急剧增加。
[0004]近几十年来，电子式电流互感器(ECT)和光学电流互感器(0CT)逐步兴起，逐渐取代了传统的电磁式互感器。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器和光学电流互感器(0CT)具有以下优点:优良的绝缘性能、体积小、造价低；不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题；低压侧无开路高压危险；频率响应范围宽；没有因充油而产生的易燃、易爆等危险；电磁兼容性好、保密性强；适应了电力计量与保护数字化、智能化发展的潮流。
[0005]目前，光学电流互感器按是否需要一次电源，分为纯光学型(无源)和混合型(有源)两大类。在20世纪60年代，人们利用泡克尔效应(Pockels Effect)和法拉第效应(Farady Effect)研制出了一系列的纯光学电流、电压互感器，方法直接，装置简单，精度高，但是其缺点在于:对振动、温度、安装应光波动性等敏感，测量稳定性较差。
[0006]针对这些问题，混合型光学电流互感器应运而生，它的测量精度和可靠性经受了实际工程的考验，技术成熟，应用前景广阔。但是由于在高压端需要供能，增加了系统的成本和复杂性。激光光纤供能方案的发展使得高压供能得以实现，但是此项技术被少数国际公司垄断，价格居高不下，制约了国内电力行业的发展。
[0007]因此，降低高压端的功耗成为混合型光学电流互感器的一个发展方向。2001年，华中科技大学提出了通过利用Rogowski线圈、积分器以及压频转换器的0CT方案，使用的是传统的CT供能方案，但是由于压频转换器的功耗较大，0CT整体功耗降低不明显。2005年，加拿大英属哥伦比亚大学和Nxtphase公司联合提出了一种基于LiNb03晶体、无源积分器和Rogowski线圈的混合0CT方案，其一次端的功耗为零。但是受晶体非线性和无源积分电路的影响，其实际精度并不理想。
【发明内容】
[0008]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有自供能低功耗的电流互感器设备，电流互感器设备具有自供能和低功耗的功效，同时还提供一张母线电流检测方法，该方法测量精度高。[0009]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种具有自供能低功耗的电流互感器设备，该电流互感器设备包括:传感光源、快速可调谐光衰减器、分光比为m:n的第一光纤稱合器、分光比为p:q的第二光纤稱合器、自供能模块、光电反馈控制电路、一次电流传感器和光纤抖动监测模块，传感光源输出端与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的一个输出端与自供能模块连接，第一光纤耦合器的另一个输出端与快速光衰减的光输入端连接，快速可调谐光衰减器的电输入端与光电反馈控制电路连接，快速可调谐光衰减器的光输出端与第二光纤耦合器输入端连接，第二光纤耦合器的一个输出端与光纤抖动监测模块连接，第二光纤耦合器的另一个输出端与光电反馈控制电路连接，光电反馈控制电路与一次电流传感器连接；自供能模块与光电反馈控制电路连接，为光电反馈控制电路供能；m+n=100,且1, η ^ 1 ;p+q=100,且p ^ 1, q ^ Ιο [0011]进一步，所述的自供能模块包括分束器和光电二极管阵列，分束器有一个输入端和Ν个输出端，光电二极管阵列由Ν个光电二极管串联而成,分束器的输入端作为自供能模块的输入端，光电二极管阵列的输出端作为自功能模块的输出端，分束器的输入端与第一光纤耦合器的一个输出端连接，分束器的输出端与光电二极管阵列的输入端连接，且分束器的一个输出端和光电二极管阵列中的一个光电二极管连接，光电二极管阵列的输出端与光电反馈控制电路连接，用于供能；Ν为大于等于2的整数。
[0012]进一步，所述的光电反馈控制电路包括差分放大模块和第一光电接收机，第一光电接收机的输入端、差分放大模块的正相端作为光电反馈控制电路的输入端，差分放大模块输出端作为光电反馈控制电路的输出端，第一光接收机的输入端与第二光纤耦合器的一个光输出端口连接，第一光电接收机的输出端与差分放大模块的负相端连接，差分放大模块的正相端与一次电流传感器连接；差分放大模块的输出端与快速可调谐光衰减器的驱动端连接，用于驱动快速可调谐光衰减器。
[0013]进一步，所述的光纤抖动监测模块包括波分复用器、光纤反射镜、波分解复用器、光环形器、监测光源、第二光电接收机、第三光电接收机、除法器和开根器，波分复用器的一个输入端作为光纤抖动监测模块的输入端，除法器的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，波分复用器的另一个输入端与光纤反射镜连接，用于传输监测光，波分复用器的输出端与波分解复用器的输入端连接，波分解复用器的一个输出端与第三光电接收机的输入端连接，波分解复用器的另一个输出端与光环形器的一个输入端连接，光环形器的另一个输入端与监测光源连接，光环形器的输出端与第二光电接收机的输入端连接，第二光电接收机的输出端与开根器的输入端连接，开根器的输出端与除法器的一个输入端连接，除法器的另一个输入端与第三光电接收机输出端连接。
[0014]进一步，所述的光纤抖动监测模块包括第四光电接收机、直流和交流分离模块、除法器、放大器，第四光电接收机的输入端作为光纤抖动监测模块的输入端，放大器的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，第四光电接收机的输出端与直流和交流分离模块的输入端连接，直流和交流分离模块的两个输出端分别与除法器的两个输入端连接，除法器的输出端与放大器的输入端连接。
[0015]一种上述的电流互感器设备的母线电流检测方法，该检测方法包括以下过程:利用传感光源产生传感光，传感光经过分光比为m:n的第一光纤耦合器后分为两部分，其中，m%传感光经过分束器后输入至光电二极管阵列中，向光电反馈控制电路供能，n%传感光经过快速可调谐光衰减器后产生衰减后的光信号，利用第二光纤耦合器采集快速可调谐光衰减器的输出光信号，对P%的输出光信号进行非线性校正处理，降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰，校正快速可调谐光衰减器带来的电光调制非线性，同时，对q%的输出光进行抖动消除处理，降低第二光纤抖动带来的干扰；所述的第一光纤是指连接在传感光源和第一光纤耦合器之间的光纤，第二光纤是指连接在第二光纤耦合器和光纤抖动监测模块之间的光纤，或者连接波分复用器与波分解复用器之间的光纤。
[0016]进一步，所述的非线性校正处理过程为:利用一次电流传感器获取母线电流信号，并产生一次电流传感信号，同时，第二光纤耦合器输出的P%的光信号经过第一光电接收机转换成电信号；对一次电流传感信号与经过第一光电接收机转换后的电信号进行差分放大运算，产生新的驱动信号，用于驱动快速可调谐光衰减器，对快速可调谐光衰减器带来的电光调制非线性进行校正，同时降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰。
[0017]进一步，所述的抖动消除处理过程为:利用监测光源产生监测光，该监测光依次经过光环形器、波分解复用器和波分复用器，到达光纤反射镜，光纤反射镜产生反射光，该反射光依次经过波分复用器、波分解复用器、光环形器，到达第二光电接收机，第二光电接收机进行光电转换，转换后的电信号经过开根器得到开平方根后的第二电信号，第二光纤耦合器的9%输出光依次经过波分复用器、波分解复用器，到达第三光电接收机，第三光电接收机进行光电转换，产生第一电信号，将第二电信号与第一信号作除法运算，得到输出电压信号；所述的第二光纤是指连接波分复用器与波分解复用器之间的光纤。
[0018]进一步，所述的抖动消除处理过程为:从第二光纤耦合器输出的q%输出光经过第四光电接收机转换后产生传感信号，分别经过直流和交流分离模块、除法器、放大器，产生输出电压信号；所述的第二光纤是指连接在第二光纤耦合器和光纤抖动监测模块之间的光纤。
[0019]有益效果:与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0020](1)该设备采用超低功耗快速可调谐光衰减器，可以有效降低高压一次端供电需求。本发明的设备采用自供能方案，无需其他供能方式，激光器的输出光既作为传感光，也作为供能光，有效地降低成本，同时采用现有成熟的通信光纤、光电二极管(Photo Diode)阵列，可靠性高，稳定性好，结构简单，造价低。利用光电反馈控制电路减小光衰减常数的漂移，光源光功率的漂移以及光纤扰动所带来的误差，解决快速可调谐光衰减器的非线性、光源抖动以及光纤扰动等问题。同时利用波分复用技术实现对光纤沿路损耗的实时监测，消除光纤沿路损耗的干扰，提高设备的精度和稳定性。整个系统使用纯模拟电路，省去了数字电路，简化了电路设计，降低了成本。
[0021](2)光源的光功率抖动、光纤的扰动也会使光功率不恒定，导致快速可调谐光衰减器的输出光功率与一次电流成非线性关系。为了解决光衰减常数的非线性以及光源抖动的问题，提高系统测量精度，本发明采用光电反馈控制模块减小光衰减常数的漂移、光源的抖动以及光纤的扰动所带来的误差。用第二光纤耦合器将快速可调谐光衰减器的输出端信号分为两束。部分光衰减信号经过第一光电接收机转换为电信号，返回给差分放大模块的负相端，与一次电流传感器产生的一次电流传感信号做差，再通过积分、积分电路进行控制调节，产生新的驱动电压输入到快速可调谐光衰减器的驱动端。这样的设计可以将光衰减常数的变化、光源的抖动以及光纤的扰动及时反馈给快速可调谐光衰减器的驱动端。当光衰减常数、传感光源光功率或者光纤损耗系数发生变化时，可以通过光电反馈控制模块动态地调节可调光衰减器的驱动信号，从而保证光衰减倍数与一次电流成线性关系。
[0022](3)补偿光纤微扰误差，提高系统的准确性。本发明采用波分复用技术(WDM)实现对光路沿线损耗的监测，在第三光电接收机中通过对与光功率成比例的电压信号进行乘法、除法算法处理，补偿光纤微扰误差，提高系统的准确性。本发明还可采用交直流分离补偿方法实现对光路沿线损耗的监测，对第四光电接收机的信号进行处理，补偿光纤微扰误差，提高系统的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明电流互感器设备的第一种结构示意图。
[0024]图2是本发明电流互感器设备的第二种结构示意图。
[0025]图3是本发明中自供能模块的结构示意图。
[0026]图4是本发明中光电反馈控制模块中差分模块的结构示意图。
[0027]图5是本发明中光电反馈控制模块中差分模块的电路图。
[0028]图6是本发明中光纤抖动监测模块的第一种结构示意图。
[0029]图7是本发明中光纤抖动监测模块的第二种结构示意图。
[0030]图中有:传感光源1、快速可调谐光衰减器2、第二光纤耦合器3、波分复用器4、波分解复用器5、第二光电接收机6、第三光电接收机7、光环形器8、监测光源9、差分放大模块
10、一次电流传感器11、第一光电接收机13、光纤反射镜14、第一光纤稱合器15、分束器16、光电二极管阵列17、差分电路18、比例放大电路19、积分电路20、微分电路21、第四光电接收机22、AC/DC分离模块23、除法器24、放大器25、输出电压26、开根器27。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0032]如图1所示，本发明的一种具有自供能低功耗的电流互感器设备，包括:传感光源1、快速可调谐光衰减器2、分光比为m:n的第一光纤稱合器15、分光比为p:q的第二光纤率禹合器3、自供能模块、光电反馈控制电路、一次电流传感器11和光纤抖动监测模块。传感光源1输出端与第一光纤f禹合器15的输入端连接，第一光纤f禹合器15的一个输出端与自供能模块连接，第一光纤耦合器15的另一个输出端与快速光衰减2的光输入端连接，快速可调谐光衰减器2的电输入端与光电反馈控制电路连接，快速可调谐光衰减器2的光输出端与第二光纤耦合器3输入端连接，第二光纤耦合器3的一个输出端与光纤抖动监测模块连接，第二光纤耦合器3的另一个输出端与光电反馈控制电路连接，光电反馈控制电路与一次电流传感器11连接。自供能模块与光电反馈控制电路连接，为光电反馈控制电路供能。m+n=100,且 m > 1, η > 1。例如，m=99, n=l。p+q=100,且 p > 1, q > 1,例如，p=20, q=80。m、n、p、q均为正整数。
[0033]如图3所不，自供能模块包括分束器16和光电二极管阵列17,分束器16有一个输入端和N个输出端，为1*N分束器。光电二极管阵列17由N个光电二极管串联而成，分束器16的输入端作为自供能模块的输入端，光电二极管阵列(文中简称:PD阵列)17的输出端作为自功能模块的输出端，分束器16的输入端与第一光纤f禹合器15的一个输出端连接，1*N分束器16的输出端与光电二极管阵列17的输入端连接，且分束器16的一个输出端和光电二极管阵列17中的一个光电二极管连接，光电二极管阵列17的输出端与光电反馈控制电路连接，用于供能。N为大于等于2的整数。
[0034]通过分光比为m:n的第一光纤耦合器15的m%的传感光经过1*N分束器16，被均分为N束光，分别与光电二极管阵列17连接,Ν个光电二极管串联成光电二极管阵列17,组成自供能模块。
[0035]光电反馈控制电路包括差分放大模块10和第一光电接收机13，第一光电接收机13的输入端、差分放大模块10的正相端作为光电反馈控制电路的输入端，差分放大模块10输出端作为光电反馈控制电路的输出端，第一光接收机13的输入端与第二光纤耦合器3的一个光输出端口连接，第一光电接收机13的输出端与差分放大模块10的负相端连接，差分放大模块10的正相端与一次电流传感器11连接；差分放大模块10的输出端与快速可调谐光衰减器2的驱动端连接，用于驱动快速可调谐光衰减器2。
[0036]参考图4，光电反馈控制模块中差分放大模块10具体操作如下:第一光电接收机13的输出端与差分电路18的负相端连接，一次电流传感器11的输出端与差分电路18的正相端连接。由此得到的差分信号再经由比例放大电路19、积分电路20、微分电路21产生驱动信号，输入到快速可调谐光衰减器2的驱动端，动态调节快速可调谐光衰减器2的驱动电压，减小快速可调谐光衰减器2的光衰减常数变化所带来的误差。
[0037]参照图4和图5，通过第一光电接收机13产生的信号为第三电信号。差分放大模块10由差分放大电路和积分微分电路组成，其中，差分放大电路包括差分电路18和比例放大电路19,积分微分电路包括积分电路20和微分电路21。差分放大电路由第一运算放大器Α1，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4组成。第一电阻R1的一端作为差分放大电路的第一输入端，第三电阻R3的一端作为差分放大电路的第二输入端，第一运算放大器Α1的输出端作为差分放大电路的输出端。第一电阻R1的另一端与第一运算放大器Α1正相输入端和第二电阻R2 —端连接，第二电阻R2的另一端接地，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器Α1负相输入端和第四电阻R4 —端连接，第四电阻R4的另一端与第一运算放大器Α1的输出端连接。积分微分电路由第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8,第一电容C1和第二运算放大器Α2组成。第五电阻R5的一端作为积分微分电路输入端，第二运算放大器Α2输出端作为积分微分电路输出端。第五电阻R5的另一端与第二运算放大器Α2的正相输入端、第七电阻R7的一端和第一电容C1的一端连接，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器Α2的输出端连接，第一电容C1的另一端与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与第二运算放大器Α2的输出端连接，第六电阻R6的一端与第二运算放大器Α2的负相输入端连接，第六电阻R6的另一端接地。一次电流传感信号与第一电阻R1的一端连接，第三电信号与第三电阻R3的一端连接，差分放大电路输出端与积分微分电路输入端连接，积分微分电路的输出端与驱动信号连接。在差分模块中，采用第一运算放大器Α1构成差分放大电路，将一次电流传感信号与第三电信号进行做差和比例放大。采用第二运算放大器Α2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第一电容C1构成积分微分电路，对差分放大电路输出信号进行积分、微分运算得到驱动信号。
[0038]在本申请中，光纤抖动监测模块优选两种结构。[0039]第一种结构:如图1和图6所示，光纤抖动监测模块包括波分复用器4、光纤反射镜14、波分解复用器5、光环形器8、监测光源9、第二光电接收机6、第三光电接收机7、除法器24和开根器27，波分复用器4的一个输入端作为光纤抖动监测模块的输入端，除法器24的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，波分复用器4的另一个输入端与光纤反射镜14连接，用于传输监测光，波分复用器4的输出端与波分解复用器5的输入端连接，波分解复用器5的一个输出端与第三光电接收机7的输入端连接,波分解复用器5的另一个输出端与光环形器8的一个输入端连接，光环形器8的另一个输入端与监测光源9连接，光环形器8的输出端与第二光电接收机6的输入端连接，第二光电接收机6的输出端与开根器27的输入端连接，开根器27的输出端与除法器24的一个输入端连接，除法器24的另一个输入端与第三光电接收机7输出端连接。光环行器8用于对监测光源9产生的监测光和波分解复用器5的输出光进行切换。
[0040]第二种结构:如图2和图7所示，光纤抖动监测模块包括第四光电接收机22、直流和交流分离模块(文中简称:AC/DC分离模块)23、除法器24、放大器25，第四光电接收机22的输入端作为光纤抖动监测模块的输入端，放大器25的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，第四光电接收机22的输出端与AC/DC分离模块23的输入端连接，AC/DC分离模块23的两个输出端分别与除法器24的两个输入端连接，除法器24的输出端与放大器25的输入端连接。
[0041]上述的电流互感器设备的母线电流检测方法，包括以下过程:利用传感光源1产生传感光，传感光经过分光比为m:n的第一光纤稱合器15后分为两部分,其中，m%传感光经过1*N分束器16后输入至光电二极管阵列17中，向光电反馈控制模块供能，n%传感光经过快速可调谐光衰减器2后产生衰减后的光信号，利用第二光纤耦合器3采集快速可调谐光衰减器2的输出光信号，对p%的输出光信号进行非线性校正处理，降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰，校正快速光衰减器2带来的电光调制非线性，同时，对q%的输出光进行抖动消除处理，降低第二光纤抖动带来的干扰；所述的第一光纤是指连接在传感光源1和第一光纤稱合器15之间的光纤，第二光纤是指连接在第二光纤稱合器3和光纤抖动监测模块之间的光纤，或者连接波分复用器4与波分解复用器5之间的光纤。
[0042]在上述母线电流检测方法中，所述的非线性校正处理过程为:利用一次电流传感器11获取母线电流信号，并产生一次电流传感信号，同时，第二光纤稱合器3输出的p%的光信号经过第一光电接收机13转换成电信号；对一次电流传感信号与经过第一光电接收机13转换后的电信号进行差分放大运算，产生新的驱动信号，用于驱动快速可调谐光衰减器2，对快速可调谐光衰减器2带来的电光调制非线性进行校正，同时降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰。
[0043]当光纤抖动监测模块选择第一种结构时，上述母线电流检测方法中的抖动消除处理过程为:利用监测光源9产生监测光，该监测光依次经过光环形器8、波分解复用器5和波分复用器4，到达光纤反射镜14，光纤反射镜14产生反射光，该反射光依次经过波分复用器4、波分解复用器5、光环形器8，到达第二光电接收机6，第二光电接收机6进行光电转换，转换后的电信号经过开根器27得到开平方根后的第二电信号，第二光纤耦合器3的q%输出光依次经过波分复用器4、波分解复用器5，到达第三光电接收机7，第三光电接收机7进行光电转换，产生第一电信号，将第二电信号与第一信号作除法运算，得到输出电压信号26。第二光电接收机6是接收1570nm的光，即监测光源9的光。第三光电接收机7是接收1550nm的光，即传感光源1的光。该结构中，第二光纤是指连接波分复用器4与波分解复用器5之间的光纤。
[0044]当光纤抖动监测模块选择第二种结构时，上述母线电流检测方法中的抖动消除处理过程为:从第二光纤耦合器3输出的q%输出光经过第四光电接收机22转换后产生传感信号，分别经过 AC/DC分离模块23、除法器24、放大器25,产生输出电压信号26。该结构中，第二光纤是指连接在第二光纤耦合器3和光纤抖动监测模块之间的光纤。
[0045]本发明的具有自供能低功耗的电流互感器设备中，传感光源1产生传感光，传感光经过第一光纤耦合器15后分为两部分，m%传感光经过1*N分束器16后，均分为N路光，输入至光电二极管阵列17用于供能。n%传感光经过快速可调谐光衰减器2后产生衰减后的光信号。经过快速可调谐光衰减器2的光传输至第二光纤耦合器3中，将光分为两路，一路？％的光经过光纤传输至第一光电接收机13转换为电信号，此电信号传输至差分放大模块10的负相端，与一次电流传感器11的一次电流传感信号做差，得到信号作为驱动信号，输入至快速可调谐光衰减器2的驱动端。这样可以降低由于传感光源1的不稳定性、第一光纤的光路损耗所带来的误差。同时，当快速可调谐光衰减器2的衰减常数发生非线性变化时，可以通过此结构将变化的光衰减常数反馈给快速可调谐光衰减器2的驱动端，利用驱动电压的变化使系统恢复线性平衡状态，降低光衰减常数非线性带来的误差；另一路q%的光经过第二光纤传输至低压端。针对连接高压端和低压端的第二光纤的光路损耗，主要采用波分复用技术和交直流分离补偿技术来消除光路沿线损耗的干扰，具体方案如下:
[0046]方案一
[0047]如图4，监测光源9 (1570nm)经过光纤传输至光环行器8，光环行器8将光经过光纤传输至波分解复用器5，再经过光纤传输至波分复用器4，波分复用器4的一个窗口将光传输至光纤反射镜14，经过光纤反射镜14的反射光与第二光纤耦合器3的q%输出光通过波分复用器4耦合进同一条光纤，经过一段距离传输，利用波分解复用器5将光信号分为光纤反射镜14的反射光信号与第二光纤稱合器3的q%输出光信号。其中，第二光纤稱合器3的q%输出光信号经过光纤传输至第三光电接收器7，由第三光电接收器7转换为第一电信号 '，光纤反射镜14的反射光信号经过光纤传输至光环行器8，光环行器8将光经过光纤传输至第二光电接收机6，由第二光电接收机6转换为第二电信号V2，对V” \进行算法处理，降低连接在波分复用器4和波分解复用器5之间光纤b沿线损耗常数α !带来的干扰。算法如下:设光纤b沿线损耗常数为αι，第二光纤耦合器3输出的砂光功率SPi，监测光源9的光功率为P2，光纤反射镜的光衰减率为α，光功率与电压值比例常数为β，则第三光电接收器7转换的第一电信号VpPi.αι.β，第二光电接收机6转换的第二电信号
ν2=Ρ2.α.a J2.β , v2经过开根器27得到@ = ya-β.￡% I’除法器24的输入端分
为别％、两者相除可得=将除法器的输出乘以检4^’
即可得到与母线电流信号成比例的理想无干扰状态下的传感信号。
[0048]方案二
[0049]如图5,第二光纤f禹合器3的q%输出光由第四光电接收机22转换为电信号，该电信号通过AC/DC分离模块23被分为交流、直流分量，分别传输至除法器24的输入端。除法器24将交流分量除以直流分量，所得结果传输至放大器25的输入端，放大器25的输出端即为光纤抖动修正后的信号。算法过程如下:设连接第二光纤耦合器3和光纤抖动监测模块之间的第二光纤c沿线损耗常数为α 2，放大器25的放大倍数为Α，第二光纤耦合器3输出的q%光功率为P3，其中恒定光功率为P4，叠加在恒定光功率上的功率为P5，所以P3=P4+P5，光功率与电压值比例常数为β，则第四光电接收机22转换的电信号V4=P3.α2.β =Ρ4.α2.β +Ρ5.α 2.β经过AC/DC分离模块23处理的交流信号为V5=P5.α 2.β，直流信号为V6=P4.α 2.β，V5除以V6即可消除光纤c沿线损耗α 2的影响，公式为 V5/V6=P5.α 2.β/(Ρ4 * α2.β)=Ρ5/Ρ4,放大器 25 的输出为 A*V5/V6=A*P5/P4，由于P4是恒定的，所以放大器25输出正比于P5。本发明的母线电流检测方法中，由传感光源1产生传感光，经过第一光纤耦合器15，m%的传感光用于自供能模块，n%的传感光经过快速可调谐光衰减器2 (FVOA, fastvariable optical attenuator)后产生衰减后的光信号。所述衰减后的光信号经过两种方案处理，降低光纤抖动带来的干扰，经过光电转换后产生输出信号。同时，利用一次电流传感器11获取高压线上的母线电流信号，通过与快速可调谐光衰减器2输出信号的反馈电信号进行差分、放大、积分、微分后，产生新的驱动信号用于驱动快速可调谐光衰减器2。
【权利要求】
1.一种具有自供能低功耗的电流互感器设备，其特征在于，该电流互感器设备包括:传感光源(1)、快速可调谐光衰减器(2)、分光比为m:n的第一光纤耦合器(15)、分光比为P:q的第二光纤稱合器(3)、自供能模块、光电反馈控制电路、一次电流传感器(11)和光纤抖动监测模块，传感光源(1)输出端与第一光纤耦合器(15)的输入端连接，第一光纤耦合器(15)的一个输出端与自供能模块连接，第一光纤f禹合器(15)的另一个输出端与快速可调谐光衰减(2)的光输入端连接，快速可调谐光衰减器(2)的电输入端与光电反馈控制电路连接，快速可调谐光衰减器(2)的光输出端与第二光纤耦合器(3)输入端连接，第二光纤耦合器(3)的一个输出端与光纤抖动监测模块连接，第二光纤耦合器(3)的另一个输出端与光电反馈控制电路连接，光电反馈控制电路与一次电流传感器(11)连接；自供能模块与光电反馈控制电路连接，为光电反馈控制电路供能；m+n=100,且1, η ^ 1 ;p+q=100,且p ^ 1, q ^ Ιο
2.按照权利要求1所述的具有自供能低功耗的电流互感器设备，其特征在于，所述的自供能模块包括分束器(16)和光电二极管阵列(17),分束器(16)有一个输入端和Ν个输出端，光电二极管阵列(17)由Ν个光电二极管串联而成,分束器(16)的输入端作为自供能模块的输入端，光电二极管阵列(17)的输出端作为自功能模块的输出端，分束器(16)的输入端与第一光纤f禹合器(15)的一个输出端连接，分束器(16)的输出端与光电二极管阵列(17)的输入端连接，且分束器(16)的一个输出端和光电二极管阵列(17)中的一个光电二极管连接，光电二极管阵列(17)的输出端与光电反馈控制电路连接，用于供能；N为大于等于2的整数。
3.按照权利要求2所述的具有自供能低功耗的电流互感器设备，其特征在于，所述的光电反馈控制电路包括差分放大模块(10 )和第一光电接收机(13),第一光电接收机(13)的输入端、差分放大模块(10)的正相端作为光电反馈控制电路的输入端，差分放大模块(10)输出端作为光电反馈控制电路的输出端，第一光接收机(13)的输入端与第二光纤耦合器(3 )的一个光输出端口连接，第一光电接收机(13 )的输出端与差分放大模块(10 )的负相端连接，差分放大模块(10)的正相端与一次电流传感器(11)连接；差分放大模块(10)的输出端与快速可调谐光衰减器(2)的驱动端连接，用于驱动快速可调谐光衰减器(2)。
4.按照权利要求1、2或3所述的具有自供能低功耗的电流互感器设备，其特征在于，所述的光纤抖动监测模块包括波分复用器(4)、光纤反射镜(14)、波分解复用器(5)、光环形器(8)、监测光源(9)、第二光电接收机(6)、第三光电接收机(7)、除法器(24)和开根器(27),波分复用器(4)的一个输入端作为光纤抖动监测模块的输入端，除法器(24)的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，波分复用器(4)的另一个输入端与光纤反射镜(14)连接，用于传输监测光，波分复用器(4)的输出端与波分解复用器(5)的输入端连接，波分解复用器(5)的一个输出端与第三光电接收机(7)的输入端连接,波分解复用器(5)的另一个输出端与光环形器(8)的一个输入端连接，光环形器(8)的另一个输入端与监测光源(9)连接，光环形器(8)的输出端与第二光电接收机(6)的输入端连接，第二光电接收机(6)的输出端与开根器(27)的输入端连接，开根器(27)的输出端与除法器(24)的一个输入端连接，除法器(24)的另一个输入端与第三光电接收机(7)输出端连接。
5.按照权利要求1、2或3所述的具有自供能低功耗的电流互感器设备，其特征在于，所述的光纤抖动监测模块包括第四光电接收机(22)、直流和交流分离模块(23)、除法器(24)、放大器(25),第四光电接收机(22)的输入端作为光纤抖动监测模块的输入端,放大器(25)的输出端作为光纤抖动监测模块的输出端，第四光电接收机(22)的输出端与直流和交流分离模块(23)的输入端连接，直流和交流分离模块(23)的两个输出端分别与除法器(24)的两个输入端连接，除法器(24)的输出端与放大器(25)的输入端连接。
6.一种利用权利要求1所述的电流互感器设备的母线电流检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下过程:利用传感光源(1)产生传感光，传感光经过分光比为m:n的第一光纤耦合器(15)后分为两部分，其中，m%传感光经过分束器(16)后输入至光电二极管阵列(17)中，向光电反馈控制电路供能，n%传感光经过快速可调谐光衰减器(2)后产生衰减后的光信号，利用第二光纤稱合器(3)米集快速可调谐光衰减器(2)的输出光信号，对p%的输出光信号进行非线性校正处理，降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰，校正快速可调谐光衰减器(2)带来的电光调制非线性，同时，对q%的输出光进行抖动消除处理，降低第二光纤抖动带来的干扰；所述的第一光纤是指连接在传感光源(1)和第一光纤耦合器(15)之间的光纤，第二光纤是指连接在第二光纤耦合器(3)和光纤抖动监测模块之间的光纤，或者连接波分复用器(4)与波分解复用器(5)之间的光纤。
7.按照权利要求6所述的电流互感器设备的母线电流检测方法，其特征在于，所述的非线性校正处理过程为:利用一次电流传感器(11)获取母线电流信号，并产生一次电流传感信号，同时，第二光纤耦合器(3)输出的p%的光信号经过第一光电接收机(13)转换成电信号；对一次电流传感信号与经过第一光电接收机(13)转换后的电信号进行差分放大运算，产生新的驱动信号，用于驱动快速可调谐光衰减器(2)，对快速可调谐光衰减器(2)带来的电光调制非线性进行校正，同时降低第一光纤抖动以及传感光源抖动带来的干扰。
8.按照权利要求6或7所述的电流互感器设备的母线电流检测方法，其特征在于，所述的抖动消除处理过程为:利用监测光源(9)产生监测光，该监测光依次经过光环形器(8)、波分解复用器(5)和波分复`用器(4)，到达光纤反射镜(14)，光纤反射镜(14)产生反射光，该反射光依次经过波分复用器(4)、波分解复用器(5)、光环形器(8)，到达第二光电接收机(6)，第二光电接收机(6)进行光电转换，转换后的电信号经过开根器(27)得到开平方根后的第二电信号，第二光纤耦合器(3)的9%输出光依次经过波分复用器(4)、波分解复用器(5)，到达第三光电接收机(7)，第三光电接收机(7)进行光电转换，产生第一电信号，将第二电信号与第一信号作除法运算，得到输出电压信号(26);所述的第二光纤是指连接波分复用器(4)与波分解复用器(5)之间的光纤。
9.按照权利要求6或7所述的电流互感器设备的母线电流检测方法，其特征在于，所述的抖动消除处理过程为:从第二光纤耦合器(3)输出的砂输出光经过第四光电接收机(22)转换后产生传感信号，分别经过直流和交流分离模块(23)、除法器(24)、放大器(25)，产生输出电压信号(26);所述的第二光纤是指连接在第二光纤耦合器(3)和光纤抖动监测模块之间的光纤。
【文档编号】G01R19/00GK103698571SQ201410004034
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】韦朴, 程澄, 孙小菡, 单雪康 申请人:东南大学