一种光纤电流互感器频响特性测试系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤电流互感器频响特性测试系统，包括数据录取分析设备以及产生调制电压信号的电压发生器，电压发生器的输出端外接光纤电流互感器的光电调制输入端，数据录取分析设备的输入端外接光纤电流互感器的输出端，数据录取分析设备的输入端还与电压发生器的输出端连接；数据录取分析设备用以记录电压发生器输出的调制电压数据，记录光纤电流互感器输出的数据，并对数据进行分析，计算出光纤电流互感器的频响特性；本发明也公开了该系统的测试方法。本发明从光纤电流互感器闭环信号处理过程入手，在信号处理过程中引入模拟调制相位，来模拟不同频率下电力线电流引起的光学非互易性Farady相位，测试光纤电流互感器的频响特性。
【专利说明】一种光纤电流互感器频响特性测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤电流互感器频响特性测试系统及方法，属于电力测量技术领 域。
【背景技术】
[0002] 光纤电流互感器是光纤传感领域中重要的一员，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、继电保护控制等领域的技术需求。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。
[0003] 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F ar a d y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。
[0004] 频响特性是光纤电流互感器的重要性能，频响特性对继电保护、谐波测量、暂态测 量，特别是电流差动保护的动作特性有重要的影响。测试分析光纤电流互感器的频响特性 是评估光纤电流互感器精度、动态特性及可靠性的重要依据。为了准确地测定电流互感器 的频响特性，在现有的光纤电流互感器频响特性测试过程中，需要专门配备大电流发生器， 频率特性分析仪、校验仪等装置，通常采用专门的互感器频响特性标定环境，这种测试方式 费用昂贵、测试过程繁琐、效率较低，急需一种快速简捷的光纤电流互感器频响特性测试系 统及其测试方法。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种光纤电流互感器频响特性测试系统及方法，解决了现有测试方 式费用昂贵、测试过程繁琐、效率低的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种光纤电流互感器频响特性测试系统，包括数据录取分析设备以及产生调制电 压信号的电压发生器，所述电压发生器的输出端外接光纤电流互感器的光电调制输入端， 所述数据录取分析设备的输入端外接光纤电流互感器的输出端，所述数据录取分析设备的 输入端还与电压发生器的输出端连接；所述数据录取分析设备用以记录电压发生器输出的 调制电压数据，记录光纤电流互感器输出的数据，并对数据进行分析，计算出光纤电流互感 器的频响特性。
[0008] 所述电压发生器输出的调制电压数据和光纤电流互感器输出的数据被数据录取 分析设备同步接收。
[0009] 所述电压发生器输出的调制电压数据按照串行数据格式输出至数据录取分析设 备。
[0010] 所述光纤电流互感器输出的数据按照串行数据格式输出至数据录取分析设备。
[0011] 所述数据录取分析设备为计算机。
[0012] 一种光纤电流互感器频响特性测试系统的测试方法，包括以下步骤，
[0013] 步骤一，连接测试系统；
[0014] 步骤二，设置电压发生器输出的初始调制电压V0为零值，数据录取分析设备记录 光纤电流互感器的初始输出数据，并求出初始输出数据的均值D0 ;
[0015] 步骤三，电压发生器生成暂态过程调制电压信号，数据录取分析设备记录光纤电 流互感器的输出数据Dn以及调制电压Vn ;
[0016] 步骤四，将步骤三中获得的Dn和Vn去除初始值，得到Di = Dn-D0和Vi = Vn-V0 ;
[0017] 步骤五，对电压发生器在不同频率、相同幅值的正弦周期信号激励下录取的Di、Vi 进行数据处理，分析光纤电流互感器输出数据的幅值特性、相位特性，计算出光纤电流互感 器的频响特性。
[0018] 本发明的有益效果是：1、本发明从光纤电流互感器闭环信号处理过程入手，在 信号处理过程中引入模拟调制相位，来模拟不同频率下电力线电流引起的光学非互易性 Farady相位，测试光纤电流互感器的频响特性；2、本发明针对光纤电流互感器信号处理特 性，以一种全新的方法来评估光纤电流互感器的频响特性，具有测试过程简捷、测量效率高 的特点，解决了在光纤电流互感器研制过程中，频响特性测试过程复杂、测试环境要求高、 测试费用高、效率低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为光纤电流互感器数字闭环系统的结构图。
[0020] 图2为本发明的系统机构图。
[0021] 图3为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地 说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0023] 光纤电流互感器的基本原理是建立在磁光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C> s :
[0024] Φ5 = (4NV)*I0Ut (1)
[0025] 其中，i>s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，光纤电流互感器的输 出相移与输入电流量成正比；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。
[0026] 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。光 纤电流互感器数字闭环系统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。
[0027] 光纤电流互感器数字闭环系统结构如图1所示，主要由光源、耦合器、PIN探测器、 相位调制器（I0C)、偏振器、/4波片、？?6八/1)3?信号处理系统、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λ/4波片后，分别 转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入光纤环；在光纤环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；由光纤环端面的反射镜反射后，两束圆偏振光的偏振 模式互换，再次穿过光纤环，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λ /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探测器。
[0028] 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，形成闭环反馈电压来调制相位调制器（I0C)，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，FPGA/DSP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。
[0029] PIN探测器所检测的光波干涉信号为：
[0030] I = Ι〇[1+ο08(Φ5+Φ?+Φ-Γ)] (2)
[0031] 经过光电转换，输出的电压信号为V = KUl+C0S(〇s+〇f+c^)]，其中，I。为 Farady相位为Φ。时对应的初始电流，K为光电转换系数，为电流信号产生非互易相移， 〇s= (4Νν)Ι_，为被测电流，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，Φτ为阶梯波产生非互易相移，N为光纤匝数，V为维尔德系数。
[0032] 方波信号在正负半周产生相移为土 π /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，在光纤电流互感器中产 生的非互易相移为ΛΦ = ，在方波的正半周，Φ?= ji/2,光纤电流互感器的输 出信号为：
[0033] = KI〇 [1-sin (Φ5+Φτ) ] (3)
[0034] 在方波的负半周，= - π/2,光纤电流互感器的输出信号为：
[0035] V2 = KI〇 [1+sin (Φ5+Φ j) ] (4)
[0036] 将方波正半周/[目号（3)和负半周信号（4)相减可得：
[0037] AV = -2KI〇sin (Φ5+Φ j) (5)
[0038] 通过闭环反馈使= 保证AV = 〇,而当AV关〇时，便用AV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Φ τ成正比关系，通过闭环反馈控制始终使Φ3+Φτ = 〇,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，PIN探测器检测到的干涉信号为零电平。
[0039] 基于上述原理本发明从光纤电流互感器闭环信号处理过程入手，实现如图2所示 的光纤电流互感器频响特性测试系统，包括数据录取分析设备以及产生调制电压信号的电 压发生器，电压发生器的输出端外接光纤电流互感器的光电调制输入端，数据录取分析设 备的输入端外接光纤电流互感器的输出端，数据录取分析设备的输入端还与电压发生器的 输出端连接。
[0040] 数据录取分析设备用以记录电压发生器输出的调制电压数据，记录光纤电流互感 器输出的数据，并对数据进行分析，计算出光纤电流互感器的频响特性；电压发生器输出的 调制电压数据和光纤电流互感器输出的数据被数据录取分析设备同步接收，数据录取分析 设备接收到的数据均是按照串行数据格式输出的，即电压发生器输出的调制电压数据按照 串行数据格式输出至数据录取分析设备，光纤电流互感器输出的数据按照串行数据格式输 出至数据录取分析设备。上述的数据录取分析设备采用常见的计算机。
[0041] 上述光纤电流互感器频响特性测试系统的测试方法，包括以下步骤，
[0042] 步骤一，连接测试系统；
[0043] 步骤二，设置电压发生器输出的初始调制电压V0为零值，数据录取分析设备记录 光纤电流互感器的初始输出数据，并求出初始输出数据的均值D0 ;
[0044] 步骤三，电压发生器生成暂态过程调制电压信号，数据录取分析设备记录光纤电 流互感器的输出数据Dn以及调制电压Vn ;
[0045] 步骤四，将步骤三中获得的Dn和Vn去除初始值，得到Di = Dn-D0和Vi = Vn-V0 ;
[0046] 步骤五，对电压发生器在不同频率、相同幅值的正弦周期信号激励下录取的Di、Vi 进行数据处理，分析光纤电流互感器输出数据的幅值特性、相位特性，计算出光纤电流互感 器的频响特性。
[0047] 在本发明中，电压发生器向相位调制器施加调制电压，相当于在光学环路中引入 非互易的光学相位Φ Ι(Κ，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)，与电压VIQC之间呈线性关系：
[0048] Φ i〇c - KI0C*VI0C (6)
[0049] 其中，ΚΜ。为固定比例常数。
[0050] 当光纤电流互感器所测电力线的电流为零时，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Φ。，对应的初始电流为L，通过电压发生器在相位 调制器中施加电压。，在光学环路中加入了附加的调制相位Φ。，此时光纤环中总的非互 易相位为：
[0051] Φτ = Φ0+Φ0 (7)
[0052] 由于叭为恒定值，通过测量不同电压输入情况下Φτ，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Φ τ、Φ。、1_、〇T、VIQC满足如下关系：
[0053] Φτ = -Φτ (8)
[0054] Φ〇 = Φτ-Φ〇 = KI0C*VI0C (9)
[0055] Φ0 = (4NV)*I0Ut = KI0C*VI0C (10)
[0056] VI0C =-[(4NV)/KI0C]*Iout (11)
[0057] 由公式（7)至公式（11)的推导，可以看出，电压发生器在相位调制器中施加电压 与光纤电流互感器所测量的电流呈线性关系，依据该原理，可以施加频响特性电压值， 测量不同频率输入下的电流输出，避免了在电流互感器频响特性测试平台上进行繁琐程序 的测试，实现了基于模拟相位调制信号来完成光纤电流互感器频响特性的测试。
[0058] 综上所述，本发明从光纤电流互感器闭环信号处理过程入手，在信号处理过程中 引入模拟调制相位，来模拟不同频率下电力线电流引起的光学非互易性Farady相位，测试 光纤电流互感器的频响特性，针对光纤电流互感器信号处理特性，以一种全新的方法来评 估光纤电流互感器的频响特性，具有测试过程简捷、测量效率高的特点，解决了在光纤电流 互感器研制过程中，频响特性测试过程复杂、测试环境要求高、测试费用高、效率低的问题。
[0059] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。
【权利要求】
1. 一种光纤电流互感器频响特性测试系统，其特征在于：包括数据录取分析设备以及 产生调制电压信号的电压发生器，所述电压发生器的输出端外接光纤电流互感器的光电调 制输入端，所述数据录取分析设备的输入端外接光纤电流互感器的输出端，所述数据录取 分析设备的输入端还与电压发生器的输出端连接；所述数据录取分析设备用以记录电压发 生器输出的调制电压数据，记录光纤电流互感器输出的数据，并对数据进行分析，计算出光 纤电流互感器的频响特性。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器频响特性测试系统，其特征在于：所述 电压发生器输出的调制电压数据和光纤电流互感器输出的数据被数据录取分析设备同步 接收。
3. 根据权利要求2所述的一种光纤电流互感器频响特性测试系统，其特征在于：所述 电压发生器输出的调制电压数据按照串行数据格式输出至数据录取分析设备。
4. 根据权利要求2所述的一种光纤电流互感器频响特性测试系统，其特征在于：所述 光纤电流互感器输出的数据按照串行数据格式输出至数据录取分析设备。
5. 根据权利要求1-4任意一项所述的一种光纤电流互感器频响特性测试系统，其特征 在于：所述数据录取分析设备为计算机。
6. 基于权利要求1所述的一种光纤电流互感器频响特性测试系统的测试方法，其特征 在于：包括以下步骤， 步骤一，连接测试系统； 步骤二，设置电压发生器输出的初始调制电压V0为零值，数据录取分析设备记录光纤 电流互感器的初始输出数据,并求出初始输出数据的均值DO ; 步骤三，电压发生器生成暂态过程调制电压信号，数据录取分析设备记录光纤电流互 感器的输出数据Dn以及调制电压Vn ; 步骤四，将步骤三中获得的Dn和Vn去除初始值，得到Di=Dn-D0和Vi=Vn-V0 ; 步骤五，对电压发生器在不同频率、相同幅值的正弦周期信号激励下录取的Di、Vi进 行数据处理，分析光纤电流互感器输出数据的幅值特性、相位特性，计算出光纤电流互感器 的频响特性。
【文档编号】G01R35/02GK104049230SQ201410246820
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】王忠东, 王立辉, 卢树峰, 杨世海, 陈刚, 赵双双, 徐明锐, 陈铭明, 季欣荣, 冯泽龙, 吴桥, 林旗 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司电力科学研究院, 东南大学