基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的制作方法

本发明涉及电力设备技术领域，特别是一种基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器。

背景技术：

电流互感器在电网中起着精确快速测量电流的作用，是智能电网的核心设备。电子式电流互感器是综合利用现代微电子、计算机及光电技术发展起来的新型互感器，能够解决传统互感器绝缘复杂、安全性差的难题。基于法拉第磁光效应的全光纤电流互感器能够对高压电流实现非介入式传感测量，与“互感”原理完全不同，采用数字控制技术，具有安全、准确、交直流兼容测量等特点，是高压电子式电流互感器的主要发展方向。

目前通常的全光纤电流互感器技术方案是通过一个相位调制器实现电流信号的检测，从而大大提高了互感器的测量精度与长期稳定性。如图1所示的传统的全光纤电流互感器的结构图，包括光源1、分光器2、相位调制器3、传感元件4、光电探测器5、AD转换电路6、数字信号处理单元7和DA转换电路8等器件。其中，相位调制器3、分光器2、光电探测器5、AD转换电路6、数字信号处理单元7和DA转换电路8形成闭环结构。光源1发出的光通过分光器2进入相位调制器3，在相位调制器3中经相位偏置和相位补偿后通过保偏光纤进入传感元件4(Y型光电相位调制器需要经过一支保偏耦合器或分束器合光后与传感元件4相连)，传感元件4通常由1/4波片41、传感光纤环42和反射镜43组成，偏振光在传感元件4中经反射镜43反射后沿原光路返回至分光器2的另一端，携带相位差信息的光被光电探测器5探测转为电压信号，数字信号处理单元7控制AD转换电路6对光电探测器5的输出电压进行采样，把采样值进行数据处理后得到被测电流值并输出，同时控制一个DA转换电路8把偏置相位施加至相位调制器3，完成一个周期的调制解调。

在智能电网的实际应用中，对电子式电流互感器的配置提出了双重化的要求。在Q/GDW_441-2010《智能变电站继电保护技术规范》6.3.1规定：“电子式互感器内应由两路独立的采样系统进行采集，每路采样系统应采用双AD系统接入MU，每个MU输出两路数字采样值由同一路通道进入一套保护装置，以满足双重化保护相互完全独立的要求。”针对有源电子式电流互感器，其为单向AD转换电路采集数据的方式，很容易实现对一路传感信号的双AD采集。而对于全光纤电流互感器，由于采用了闭环反馈的信号处理方式，除AD转换电路外，还有DA转换电路，相位调制器均只有一对调制电极对外连接，只能由一块DA转换电路与其相连，闭环反馈的DA转换电路与相位调制器的具体连接是将DA转换电路的输出通过线缆(一根地线和一根调制信号线)分别对应连接相位调制器对外开放的两电极端头(一个地电极和一个调制电极)，且DA转换电路输出的电流数值是积分处理的数据，难以通过增加AD转换电路实现双AD采样，即难以实现对采样电路整体双重化的目的。因此，在《智能变电站继电保护技术规范》中对于闭环方式的全光纤电流互感器规定为“每套FOCT内宜配置四个保护用传感元件，由四路独立的采样系统进行采集(单A/D系统)，每两路采样系统数据通过各自通道输出至同一MU”，如图2所示的配置图，图中未显示出相位调制器、分光器、光源和光电探测器等光学部件，数字信号处理单元采用FPGA。综上原因，标准中规定的配置方式使全光纤电流互感器的用量加倍，满足双采样双重化要求需要采用四套独立的全光纤电流互感器，使得应用成本加倍，尤其是相位调制器、分光器、光源和光电探测器等昂贵光学部件要准备四套，导致许多用户难以接受，严重阻碍了全光纤电流互感器的推广应用。而且这种配置方案结构复杂、体积大、安装繁琐，在变电站里大批量装备时不具备良好的实施性。

技术实现要素：

本发明针对现有的全光纤电流互感器双重化设计不足在配置应用成本加倍以及结构复杂和体积大等问题，提供一种基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，采用单一光路，双AD采样并分别解调，以及同步配合方波控制DA转换的结构，解决FOCT双重化配置的问题，具有结构简单、体积小、成本低和集成度高等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，其特征在于，包括相位调制模块、光电探测器、第一AD转换电路、第二AD转换电路和双采样数据处理单元，所述相位调制模块包括依次连接的方波控制电路、DA转换电路和相位调制器，所述相位调制器设置于单一光路中，所述第一AD转换电路和第二AD转换电路均连接光电探测器和双采样数据处理单元，所述双采样数据处理单元与方波控制电路中的时序信号同步；

所述第一AD转换电路和第二AD转换电路对光电探测器的输出分别进行独立采样后将两路采样数据均输入至双采样数据处理单元，所述双采样数据处理单元对两路采样数据分别解调计算得到各自光强差进而得到两路电流值并分别进行电流补偿处理，所述双采样数据处理单元还将同步信号发送至方波控制电路，所述方波控制电路产生方波调制信号并经由DA转换电路输入至相位调制器进行相位调制。

所述方波控制电路采用π/2，0，π/2，0的方波进行偏置调制生成方波调制信号。

所述双采样数据处理单元包括第一解调模块、第二解调模块、第一补偿模块和第二补偿模块，所述第一解调模块分别连接第一AD转换电路和第一补偿模块，所述第二解调模块分别连接第二AD转换电路和第二补偿模块，所述第一解调模块和第二解调模块均与方波控制电路中的时序信号同步；

所述第一解调模块接收第一AD转换电路的采样数据，并根据调制波的不同形态所对应的偏置调制干涉解调计算后得到相应的光强差，进而根据法拉第磁光效应得到第一路被测电流值；所述第一补偿模块进行电流补偿并输出补偿后的第一路被测电流值；所述第二解调模块接收第二AD转换电路的采样数据，并根据调制波的不同形态所对应的偏置调制干涉解调计算后得到相应的光强差，进而根据法拉第磁光效应得到第二路被测电流值；所述第二补偿模块进行电流补偿并输出补偿后的第二路被测电流值。

所述第一补偿模块包括相互连接的第一温度补偿模块和第一线性补偿模块，所述第一温度补偿模块连接第一解调模块，所述第一温度补偿模块和第一线性补偿模块依次进行第一路被测电流值的温度补偿和线性补偿后输出补偿后的第一路被测电流值；

和/或，所述第二补偿模块包括相互连接的第二温度补偿模块和第二线性补偿模块，所述第二温度补偿模块连接第二解调模块，所述第二温度补偿模块和第二线性补偿模块依次进行第二路被测电流值的温度补偿和线性补偿后输出补偿后的第二路被测电流值。

所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器与第一AD转换电路相连，所述第二光电探测器与第二AD转换电路相连。

还包括第一调理电路和第二调理电路，所述光电探测器通过第一调理电路和第二调理电路分别连接第一AD转换电路和第二AD转换电路以分别进行信号放大调理后再独立采样。

还包括第一调理电路和第二调理电路，所述第一光电探测器通过第一调理电路连接第一AD转换电路以将第一光电探测器输出的信号放大调理后再输入至第一AD转换电路采样，所述第二光电探测器通过第二调理电路连接第二AD转换电路以将第二光电探测器输出的信号放大调理后再输入至第二AD转换电路采样。

所述单一光路还包括光源、第一分束器和光纤延迟线，所述光源、第一分束器、相位调制模块和光纤延迟线依次连接，所述相位调制器为直波导或Y波导，当相位调制器为直波导时，所述相位调制模块还包括偏振器，所述第一分束器通过偏振器连接直波导，所述偏振器0°熔接直波导；当相位调制器为Y波导时，所述相位调制模块还包括第二分束器，所述第一分束器的一个管脚连接Y波导的合路端，所述Y波导的一个分路端0°熔接至第二分束器的一个管脚，所述Y波导的另一个分路端0°或90°熔接至第二分束器的另一个管脚，所述第二分束器的第三个管脚连接光纤延迟线。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，通过两个AD转换电路对光电探测器的输出进行独立采样后，由双采样数据处理单元分别解调计算得到各自相应的光强差进而根据法拉第磁光效应计算得到两路电流值并进行电流补偿处理，双采样数据处理单元还将同步信号发送至方波控制电路，由方波控制电路产生方波调制信号并经由DA转换电路输入至相位调制器进行相位调制。本发明的全光纤电流互感器采用单一光路，双AD采样并分别解调，以及同步配合方波控制DA转换的结构，输出两路互相独立、互不干扰的互感器数据，以集成的方式同时实现了两台现有的独立FOCT产品的功能，获得的两路测量电流数据输出实现双重化配置要求，在应用时本发明FOCT产品将双采样数据处理单元输出的两路FOCT数据连接MU合并单元，两套本发明的全光纤电流互感器即可输出四路FOCT数据，进而连接两个MU合并单元，故在应用中只要采用两套本发明的FOCT产品即可满足智能变电站继电保护技术规范中的双重化要求，避免了现有技术需要四台独立的FOCT产品一起安装导致的配置复杂、体积大以及成本高等问题，减少使用相位调制器、分光器、光源和光电探测器等光学部件，故节省了光学部件的成本，并能够解决FOCT双重化配置的问题，在一路AD转换电路出现故障时，对另外一路完全没有影响，实现独立双采样的功能，能够满足相关技术规范的要求，具有结构简单、体积小、成本低和集成度高等优点，在变电站里大批量装备时具有良好的实施性。

设置方波控制电路采用π/2，0，π/2，0的方波进行偏置调制生成方波调制信号，该结构的方波控制电路的结构简单制作方便，工作方式采用方波偏置调制抗干扰能力强。优选设置双采样数据处理单元包括第一解调模块、第二解调模块、第一补偿模块和第二补偿模块，各部件分工明确，协同工作，提高效率，且模块化搭建架构检测维护方便。

进一步优选设置第一补偿模块包括相互连接的第一温度补偿模块和第一线性补偿模块，第二补偿模块包括相互连接的第二温度补偿模块和第二线性补偿模块，各相应的温度补偿模块能够对作为开环解调数据的电流值在高低温下的变化误差修正，实现电流值的温度补偿，各相应的线性补偿模块能够进行电流值的线性补偿，保证互感器在保护电流下能够满足复合误差的要求，提高互感器的测量精度。

优选设置第一调理电路和第二调理电路，均对光电探测器输出的电压信号进行如滤波和放大等调理，保证信号质量，调理后的高质量信号再分别被第一AD转换电路和第二AD转换电路进行采样，也使得采样的样本质量和后续解调计算处理的准确度得到保证，进一步提高互感器工作效率和测量精度。

附图说明

图1为现有的全光纤电流互感器的结构示意图。

图2为现有的全光纤电流互感器在标准中规定的配置结构图。

图3为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的结构示意图。

图4为方波控制电路工作原理图。

图5为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的一种优选结构示意图。

图6为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的第二种优选结构示意图。

图7为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的第三种优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－光源；2－分光器；3－相位调制器；31－Y波导；4－传感元件；41－1/4波片；42－传感光纤环；43－反射镜；5－光电探测器；6－AD转换电路；7－数字信号处理单元；8－DA转换电路；9－光纤延迟线；10－偏振器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，用于电力系统中的电流测量，通常包括光路部分和电路部分(简称光路和电路)，如图3所示，光路通常包括光源、分光器件(可采用如图3所示的分束器，也可以采用耦合器、环形器等)、相位调制器、光纤延迟线9和传感元件4和光电探测器，传感元件4通常由1/4波片41、传感光纤环42和反射镜43组成。其中，设置于单一光路中的相位调制器属于相位调制模块的部件，相位调制模块包括依次连接的方波控制电路、DA转换电路和相位调制器。针对电路：包括第一AD转换电路、第二AD转换电路、双采样数据处理单元以及相位调制模块中的方波控制电路和DA转换电路，第一AD转换电路和第二AD转换电路均连接光电探测器和双采样数据处理单元，双采样数据处理单元与方波控制电路中的时序信号同步。第一AD转换电路和第二AD转换电路对光电探测器的输出分别进行独立采样后将两路采样数据均输入至双采样数据处理单元，双采样数据处理单元对两路采样数据分别解调计算得到各自光强差进而得到两路作为开环解调处理数据的电流值并分别进行电流补偿处理，双采样数据处理单元还将同步信号发送至方波控制电路，方波控制电路产生方波调制信号并经由DA转换电路输入至相位调制器进行相位调制；双采样数据处理单元将获得的两路补偿后的被测电流值输出，可输出至合并单元MU，这样，双采样数据处理单元输出两路FOCT数据。本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的电路具有特定结构，采用单一光路，包括第一AD转换电路和第二AD转换电路，还具有特定工作的双采样数据处理单元，双AD采样并分别解调，以及同步配合方波控制DA转换的结构，解决FOCT双重化配置的问题，具有结构简单、体积小、成本低和集成度高等优点。

图5为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的电路的一种优选结构示意图，该实施例中，双采样数据处理单元包括第一解调模块、第二解调模块、第一补偿模块和第二补偿模块，第一解调模块分别连接第一AD转换电路和第一补偿模块，第二解调模块分别连接第二AD转换电路和第二补偿模块，第一解调模块和第二解调模块均与方波控制电路中的时序信号同步；方波控制电路的工作原理图如图4所示，偏置调制采用π/2，0，π/2，0的方波调制方式，或者说是采用π/2，0，π/2，0的方波进行偏置调制生成方波调制信号，一时间段τ的偏置Φb为π/2，接下来一时间段τ的偏置Φb为0，其中AD1采样时序和AD2采样时序即为第一AD转换电路采样时序和第二AD转换电路采样时序。第一AD转换电路和第二AD转换电路分别对光电探测器的输出电压进行采样，第一解调模块接收第一AD转换电路的采样数据，并根据调制波的不同形态所对应的偏置调制干涉解调计算后得到相应的光强差，进而根据法拉第磁光效应得到第一路被测电流值；第一补偿模块进行电流补偿并输出补偿后的第一路被测电流值；第二解调模块接收第二AD转换电路的采样数据，并根据调制波的不同形态所对应的偏置调制干涉解调计算后得到相应的光强差，进而根据法拉第磁光效应得到第二路被测电流值；第二补偿模块进行电流补偿并输出补偿后的第二路被测电流值。

故第一解调模块和第二解调模块的工作原理相同，只是因为接收到的各自对应的AD转换电路的采样数据的差异，使得各自解调计算得到的光强差会不相同，进而得出的各路的被测电流值有差异，当然可能只是细微差异。下面以第一解调模块的工作步骤进行详细描述：

第一解调模块根据调制波的形态可见0，1态所对应的调制偏置分别为π/2，-π/2，根据光纤电流互感器干涉公式有：

其中，P₀，P₁为0，1态干涉光强，P为输入光强，φ_I为法拉第效应产生的相移。

光强差ΔP＝P₁-P₀＝2Psin(φ_I)≈2Pφ_I (3)

根据法拉第磁光效应有：

φ_I＝nVI (4)

其中，n为光纤匝数(传感元件4中的传感光纤环42的光纤匝数)，V为光纤的Verdet常数，I为穿传感光纤环的电流值，代入公式(3)得

ΔP≈2Pn VI (5)

则

其中为全光纤电流互感器的标度因数。

即，第一解调模块进行解调计算处理得到电流值I，例如I1。同理，第二解调模块也根据第二AD转换电路发送的采样数据，结合上述公式(1)—(6)，解调计算处理得到电流值I，例如I2。

第一补偿模块对第一解调模块得到的电流值进行电流补偿并输出补偿后的第一路被测电流值，进一步优选地，第一补偿模块包括相互连接的第一温度补偿模块和第一线性补偿模块，第一温度补偿模块连接第一解调模块，第一温度补偿模块和第一线性补偿模块依次进行第一路被测电流值的温度补偿和线性补偿后输出补偿后的第一路被测电流值。第二补偿模块对第二解调模块得到的电流值进行电流补偿并输出补偿后的第二路被测电流值，进一步优选地，第二补偿模块包括相互连接的第二温度补偿模块和第二线性补偿模块，第二温度补偿模块连接第二解调模块，第二温度补偿模块和第二线性补偿模块依次进行第二路被测电流值的温度补偿和线性补偿后输出补偿后的第二路被测电流值。第一补偿模块和第二补偿模块的工作原理相同，下面以第一补偿模块的工作步骤进行详细描述：

第一温度补偿模块进行温度补偿方法：

在公式(6)中，参数Verdet常数V、输入光强P在高低温下均可能发生变化，为了高低温下获得较好的测量性能，可以将本发明全光纤电流互感器置于高低温箱内，通过高低温试验建立其温度模型，然后通过软件进行温度修正，也就是建立K随温度T变化的模型K(T)，并进行温度补偿。

即I_T＝K(T)·ΔP (7)

其中I_T为进行温度补偿后的电流值。

第一线性补偿模块进行线性补偿方法：

由公式(3)～(5)知，干涉光强与电流I之间是正弦关系，在电流I较小时，具有较好的线性度。在电流I逐步增大时，线性度变差，为提高系统的测量精度，则需要进行线性度补偿。

由于n、V等参数为已知，I为经过温度补偿后的电流值，由公式(6)得：

令由公式(3)得

φ_I＝arcsin(X) (9)

将公式(9)按泰勒级数展开略去3阶以上分量得：

由于φ_I＝nVI_n，此处I_n为经过线性补偿后的电流值，即最终的输出电流值。

则

将X＝nVI_T代入式(11)得

可按公式(12)对输出电流进行线性补偿后作为全光纤电流互感器的最终输出，保证互感器在保护电流下能够满足复合误差的要求，提高互感器的测量精度。同理，第二补偿模块经过内部的第二温度补偿模块和第二线性补偿模块的工作，结合上述公式，对电流值依次进行温度补偿和线性补偿，得到另一路补偿后的被测电流值作为全光纤电流互感器的最终输出。两路补偿后的被测电流值输出，均保证互感器在保护电流下能够满足复合误差的要求，提高互感器的测量精度。本发明的全光纤电流互感器，根据用户要求，按照规定的采样率，统一输出包含两个通道数据的FOCT数据帧，最终实现了双重化配置、双AD采样的应用需求，输出的电流数据可用于高频测量的电流值。

图5所示实施例采用的相位调制器为直波导，此时相位调制模块除了包括直波导、DA转换电路和方波控制电路外，还包括偏振器10，全光纤电流互感器的单一光路中的光源、分束器、偏振器10、直波导和光纤延迟线9依次连接，偏振器10在制作时0°熔接直波导。除上述实施例外，本发明的相位调制器也可以采用Y波导工作，如图6所示实施例，当相位调制器为Y波导时，相位调制模块除了包括Y波导、DA转换电路和方波控制电路外，还包括第二分束器，全光纤电流互感器的单一光路中的光源、第一分束器、Y波导31、第二分束器和光纤延迟线9依次连接，在制作时，第一分束器的一个管脚连接Y波导31的合路端，Y波导31的一个分路端0°熔接至第二分束器的一个管脚，Y波导31的另一个分路端0°或90°熔接至第二分束器的另一个管脚，第二分束器的第三个管脚连接光纤延迟线9。

针对本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，还可以优选设置第一调理电路和第二调理电路，如图6所示的第二种优选结构，还包括第一调理电路和第二调理电路，光电探测器通过第一调理电路和第二调理电路分别连接第一AD转换电路和第二AD转换电路以分别进行信号放大等调理后再独立采样。第一调理电路和第二调理电路均能够对光电探测器输出的电压信号进行如滤波和放大等调理，保证信号质量，调理后的高质量信号再分别被第一AD转换电路和第二AD转换电路进行采样，也使得采样的样本质量和后续解调计算处理的准确度得到保证，进一步提高互感器工作效率和测量精度。

图7为本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器的第三种优选结构示意图。该实施例所述光路中的光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器与第一AD转换电路相连，第二光电探测器与第二AD转换电路相连。该实施例中的分束器可采用3*1分束器、3*2分束器或3*3分束器，当然也可以采用两个2*2分束器的结合等等。当全光纤电流互感器采用两个光电探测器和两个调理电路时，即包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一调理电路和第二调理电路，此时，第一光电探测器通过第一调理电路连接第一AD转换电路以将第一光电探测器输出的信号放大和滤波等调理后再输入至第一AD转换电路采样，第二光电探测器通过第二调理电路连接第二AD转换电路以将第二光电探测器输出的信号放大和滤波等调理后再输入至第二AD转换电路采样。

本发明基于单一光路的开环独立双采样回路的全光纤电流互感器，针对当前FOCT双重化设计的不足，提出一种单一光路、双AD采样并分别解调，以及同步配合方波控制DA转换的结构，解决FOCT双重化配置的问题，该方案共用一套光路，节省大量光学部件，可集成共用一套信号处理电路板，输出两路互相独立，互不干扰的互感器数据，即为两路被测电流值，以集成的方式同时实现了两台独立FOCT产品的功能。本发明的方案具备结构简单、体积小、成本低、集成度高等优点。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。