双磁路复合光学电流互感器及其信号处理方法与流程

本发明属于电流测量技术领域，尤其涉及一种双磁路复合光学电流互感器及其信号处理方法。

背景技术：

近年来，电网的运行电压等级不断地提高，高电压、大电流的电力系统设备的不断投运，对一次和二次侧的绝缘要求以及信号的可靠传递提出了更高的要求，传统的电磁式电流互感器暴露出了一系列的严重问题，如绝缘困难，体积大，重量大，制造困难，易燃易爆，磁饱和和谐振等。光学电流互感器作为一种新型电子式电流互感器，采用磁光材料作为传感介质，利用线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时其偏振方向发生旋转的独特性质，实现对外界电流的测量，由于其在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性方面相比于传统的电磁式电流传感器有很大的优势，近年来受到了国内外研究人员的重视。

2015年4月9日中国专利局公开了申请号为200510117694.8名称为“自适应复合反馈光学电流互感器及测定电流方法”的发明专利说明书。其技术方案是：该光学电流互感器包括磁光传感单元为双环复合磁光传感单元和n个单极磁光传感单元两种结构，由智能随调光源、一级光分路器、二级光分路器、一级前置光探测器、二级光探测器、双环复合磁光传感单元、二级垂直光探测器、二级平行光探测器和智能光学矢量信号处理器配置而成；同时，还给出了电流测定方法。该发明采用复合传感技术，解决了因时变参数所导致的光学电流互感器测量精度问题，提高了测量精度；但是该发明还有不足之处，具体表现在：基本光路还有垂直偏振光路，一旦垂直自聚焦透镜与主轴线稍有不垂直，或者垂直自聚焦透镜与平行自聚焦透镜在性能上发生差异，则输出结果的精度就会受到影响，另外，由于直通光路型光学玻璃电流互感器磁光材料的不闭合性，导致其受外界的电磁干扰从而引起测量精度下降。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种双磁路复合光学电流互感器及其信号处理方法。

一种双磁路复合光学电流互感器，包括依次相连的：激光二极管驱动器、带尾纤激光二极管、光分路器、双磁路复合磁光传感单元和光电探测器；其中双磁路复合磁光传感单元包括三条并行的光路通道，每条光路通道包括依次相连的：输入准直器、起偏器、磁光传感材料、检偏器、输出准直器，其中，第一磁光传感材料和第三磁光传感材料均为直条状磁光传感玻璃，二者平行对称布置在通电导体的两侧，通光方向与通电导体被测电流流动方向相垂直，第二磁光传感材料为磁光传感光纤，均匀缠绕在通电导体上；三条光路通道的末端分别与三个不同的光电探测器相连。

所述三个不同的光电探测器分别与双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统中的三个模数转换器相连，模数转换器与磁干扰检测单元相连，磁干扰检测单元通过温度波动检测单元分别与第一信号处理单元、第二信号处理单元、互感器输出信号综合单元相连，磁干扰检测单元还通过第三信号处理单元与互感器输出信号综合单元相连，互感器输出信号综合单元与数据合并单元相连。

所述双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统采用fpga芯片作为主cpu，包括8mbsram、64mbflash存储器、12位或16位adc模数转换器芯片、usb2.0接口芯片、100m以太网接口芯片、4×4键盘和lcd显示器。

一种基于双磁路复合光学电流互感器的信号处理方法，包括：

磁干扰检测单元接收模数转换器输出的数据，同时将数据传递给温度波动检测单元和第三信号处理单元，磁干扰检测单元按照磁干扰检测算法计算电流变化率差值，当电流变化率差值达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度t1的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元中，互感器输出信号综合单元在接收到该信号后立即将所接收到的第三信号处理单元输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元中；

如果互感器输出信号综合单元没有收到磁干扰检测单元所输出的具有固定时间宽度t1的脉冲信号或者标志数据时，温度波动检测单元接收磁干扰检测单元输出的数据，同时将数据传递给第一信号处理单元和第二信号处理单元，温度波动检测单元按照温度波动检测算法计算电流差值，当电流差值达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度t2的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元中，互感器输出信号综合单元在接收到该信号后立即将所接收到的第二信号处理单元输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元中；

如果互感器输出信号综合单元没有收到温度检测单元所输出的具有固定时间宽度t2的脉冲信号或者标志数据时，默认将所接收到的第一信号处理单元输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元中。

所述磁干扰检测算法为：

y1＝j1-kj1j3

y2＝j2-kj2(j1+kj1j3)

其中，分光路器分成的三束光的光强设定比例分别为kj1、kj2、1-kj1-kj2，kj1、kj2的范围为0.001<kj1<0.999、0.001<kj2<0.999且0.001<kj1+kj2<0.999，j1为第一模数转换器输出的数据，j2为第二模数转换器输出的数据，j3为第三模数转换器输出的数据，y1k-1、y2k-1为每次循环计算之前的量测值，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，pk1>iset1时，说明存在磁干扰现象，设置ialarm1＝1；否则ialarm1＝0，其中，pk1为第一电流变化值，iset1为第一电流设定值，ialarm1为第一电流警告值。

所述温度波动检测算法为：

y1＝j1-kj1j3

y2＝j2-kj2(j1+kj1j3)

pk2＝|y1k-y2k|

其中，分光路器分成的三束光的光强设定比例分别为kj1、kj2、1-kj1-kj2，kj1、kj2的范围为0.001<kj1<0.999、0.001<kj2<0.999且0.001<kj1+kj2<0.999，j1为第一模数转换器输出的数据，j2为第二模数转换器输出的数据，j3为第三模数转换器输出的数据，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，当pk2>iset2时，说明存在温度波动现象，设置ialarm2＝1；否则ialarm2＝0，其中，pk2为第二电流变化值，iset2为第二电流设定值，ialarm2为第二电流警告值。

所述第一信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝(y1k+y2k)/2

iout1＝i1sin(100πt+θ1)+x3

i1＝ka(x1²+x1²)^1/2

θ1＝arctan(x2/x1)

所述第二信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝y1k，

iout2＝i2sin(100πt+θ2)+x3

i2＝kb(x1²+x1²)^1/2

θ2＝arctan(x2/x1)

所述第三信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝y2k

iout3＝i3sin(100πt+θ3)+x3

i3＝kc(x1²+x1²)^1/2

θ3＝arctan(x2/x1)

其中，yk为测量值，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，iout1、iout2、iout3分别为第一、第二、第三电流输出值，i1、i2、i3分别为第一、第二、第三电流幅值，θ1、θ2、θ3分别为第一、第二、第三电流相位角，ka、kb、kc分别是第一、第二、第三电流设定比例系数，x1＝iicosθi、x2＝iisinθi分别为第一、第二状态变量，i＝1,2,3，t为时间量。

本发明的有益效果在于：

本发明采用双磁路复合磁光传感技术，充分发挥了全光纤电流互感器的良好的抗磁干扰能力和块状光学玻璃电流互感器良好的温度稳定性，有效地提高了电流互感器的稳态精度和暂态精度；本发明同时具备双输出通道电力系统保护冗余设计；利用kalman滤波算法对双磁路复合光学电流互感器输出的信号进行滤波，有效地消除了输出信号中的噪声，提高了输出信噪比和测量精度；采用fpga芯片作为主cpu，极大地提高了系统的反应速度和算法的运行速度，满足光学电流互感器的实时性要求；并且本发明结合了直通光路型光学玻璃电流互感器良好的温度特性和偏振型全光纤电流互感器良好的抗磁性能，消除了全光纤电流互感器的温度敏感性问题，解决了直通光路型光学玻璃电流互感器因相邻相故障而引起的电磁干扰的问题。

附图说明

图1是双磁路复合光学电流互感器实时信号处理的方案示意图。

图2是双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统中数据采集的电路原理图。

图3是双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统的电路原理图。

其中，1-激光二极管驱动器；2-激光二极管；3-光分路器；4-第一平行输入准直器；5-第一起偏器；6-第一磁光传感材料；7-第一检偏器；8-第一平行输出准直器；9-第二平行输入准直器；10-第二起偏器；11-第二磁光传感材料；12-第二检偏器；13-第二平行输出准直器；14-第三平行输入准直器；15-第三起偏器；16-第三磁光传感材料；17-第三检偏器；18-第三平行输出准直器；19-双磁路复合磁光传感单元；20-通流导体；21-第一光电探测器；22-第二光电探测器；13-第三光电探测器；24-第一模数转换器；25-第二模数转换器；26-第三模数转换器；27-磁干扰检测单元；28-温度波动检测单元；29-第一信号处理单元；30-第二信号处理单元；31-第三信号处理单元；32-互感器输出信号综合单元；33-双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统；34-数据合并单元；35-主cpu；36-8mbsram；37-64mbflash存储器；38-12位或16位adc模数转换器芯片；39-usb2.0接口芯片；40-100m以太网接口芯片；41-4×4键盘；42-lcd显示器。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1所示为双磁路复合光学电流互感器的实时信号处理的方案示意图。一种双磁路复合光学电流互感器，包括激光二极管驱动器、带尾纤激光二极管、光分路器、双磁路复合磁光传感单元和光电探测器；激光二极管驱动器(1)以恒定电流或恒定功率模式工作，用于驱动激光二极管(2)，激光二极管(2)输出高稳定的直流光强，经过光分路器(3)后根据比例系数k1和k2分成三束光，第一束光按照激光二极管(2)输出光的光强的k1倍，经第一输入准直器(4)、第一起偏器(5)、第一磁光传感材料(6)、第一检偏器(7)、第一输出准直器(8)后到达第一光电探测器(21)；第二束光按照激光二极管(2)输出光的光强的k2倍，经第二输入准直器(9)、第二起偏器(10)、第二磁光传感材料(11)、第二检偏器(12)、第二输出准直器(13)后到达第二光电探测器(22)；第三束光按照激光二极管(2)输出光的光强的(1-k1-k2)倍，经第三输入准直器(14)、第三起偏器(15)、第三磁光传感材料(16)、第三检偏器(17)、第三输出准直器(18)后到达第三光电探测器(23)，比例系数k1、k2的范围为0.001<k1<0.999、0.001<k2<0.999且0.001<k1+k2<0.999。

双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统(33)包括第一模数转换器(24)、第二模数转换器(25)、第三模数转换器(26)、磁干扰检测单元(27)、温度波动检测单元(28)、第一信号处理单元(29)、第二信号处理单元(30)、第三信号处理单元(31)和互感器输出信号综合单元(32)。

双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统(33)中的磁干扰检测单元(27)接收第一模数转换器(24)、第二模数转换器(25)、第三模数转换器(26)输出的数据，同时将该数据传递给温度波动检测单元(28)和第三信号处理单元(31)，磁干扰检测单元(27)按照磁干扰检测算法计算电流变化率差值，当电流变化率差值达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度t1(0<t1<100毫秒)的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元(32)中，互感器输出信号综合单元(32)在接收到该信号后立即将所接收到的第三信号处理单元(31)输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元(34)中；

如果互感器输出信号综合单元(32)没有收到磁干扰检测单元(27)所输出的具有固定时间宽度t1的脉冲信号或者标志数据时，温度波动检测单元(28)接收磁干扰检测单元(27)输出的数据，同时将该数据传递给第一信号处理单元(29)和第二信号处理单元(30)，温度波动检测单元(28)按照温度波动检测算法计算电流差值，当电流差值达到预先设定的阀值后输出具有固定时间宽度t2(0<t2<100毫秒)的脉冲信号或者标志数据到互感器输出信号综合单元(32)中，互感器输出信号综合单元(32)在接收到该信号后立即将所接收到的第二信号处理单元(30)输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元(34)中；

如果互感器输出信号综合单元(32)没有收到温度检测单元(28)所输出的具有固定时间宽度t2的脉冲信号或者标志数据时，默认将所接收到的第一信号处理单元(29)输出的数据按照iec61850-9-1或者iec61850-9-2的规约或者自定义格式规约输出到数据合并单元(34)中；

第三信号处理单元(31)在接收到磁干扰检测单元(27)输出的数据后按照第三信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元(32)；第二信号处理单元(30)在接收到温度检测单元(28)输出的数据后按照第二信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元(32)；第一信号处理单元(29)在接收到温度检测单元(28)输出的数据后按照第一信号处理算法计算，将计算结果输出到互感器输出信号综合单元(32)。

所述磁干扰检测算法为：

y1＝j1-kj1j3

y2＝j2-kj2(j1+kj1j3)

其中，分光路器分成的三束光的光强设定比例分别为kj1、kj2、1-kj1-kj2，kj1、kj2的范围为0.001<kj1<0.999、0.001<kj2<0.999且0.001<kj1+kj2<0.999，j1为第一模数转换器输出的数据，j2为第二模数转换器输出的数据，j3为第三模数转换器输出的数据，y1k-1、y2k-1为每次循环计算之前的量测值，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，pk1>iset1时，说明存在磁干扰现象，设置ialarm1＝1；否则ialarm1＝0，其中，pk1为第一电流变化值，iset1为第一电流设定值，ialarm1为第一电流警告值。

所述温度波动检测算法为：

y1＝j1-kj1j3

y2＝j2-kj2(j1+kj1j3)

pk2＝|y1k-y2k|

其中，分光路器分成的三束光的光强设定比例分别为kj1、kj2、1-kj1-kj2，kj1、kj2的范围为0.001<kj1<0.999、0.001<kj2<0.999且0.001<kj1+kj2<0.999，j1为第一模数转换器输出的数据，j2为第二模数转换器输出的数据，j3为第三模数转换器输出的数据，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，当pk2>iset2时，说明存在温度波动现象，设置ialarm2＝1；否则ialarm2＝0，其中，pk2为第二电流变化值，iset2为第二电流设定值，ialarm2为第二电流警告值。

所述第一信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝(y1k+y2k)/2

iout1＝i1sin(100πt+θ1)+x3

i1＝ka(x1²+x1²)^1/2

θ1＝arctan(x2/x1)

所述第二信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝y1k，

iout2＝i2sin(100πt+θ2)+x3

i2＝kb(x1²+x1²)^1/2

θ2＝arctan(x2/x1)

所述第三信号处理单元的信号处理方法为：

yk＝y2k

iout3＝i3sin(100πt+θ3)+x3

i3＝kc(x1²+x1²)^1/2

θ3＝arctan(x2/x1)

其中，yk为测量值，y1k、y2k为每次循环计算之后的量测值，iout1、iout2、iout3分别为第一、第二、第三电流输出值，i1、i2、i3分别为第一、第二、第三电流幅值，θ1、θ2、θ3分别为第一、第二、第三电流相位角，ka、kb、kc分别是第一、第二、第三电流设定比例系数，x1＝iicosθi、x2＝iisinθi分别为第一、第二状态变量，i＝1,2,3，t为时间量。

所述信号处理单元的信号处理方法还包括：

xk/k-1＝fk-1xk-1

pk/k-1＝fk-1pk-1fk-1^t+qk-1

xk＝(i-kkhk)xk/k-1+kkyk

pk＝(i-kkhk)pk

kk＝pk-1hk^t(hkpk-1hk^t+rk)^-1

其中，fk-1为三行三列单位矩阵，xk＝[x1,x2,x3]^t，xk/k-1为每次循环计算前的状态量，xk为每次循环之后的状态量，x1、x2、x3分别为第一、第二、第三状态变量，pk/k-1为更新前的协方差矩阵，pk为更新后的协方差矩阵，yk为量测值，kk为卡尔曼矩阵，hk＝[sin(100πt),cos(100πt),1]为观测矩阵，qk-1和rk分别为第一协方差和第二协方差，取值范围为0-1之间，iout为输出电流值，i为电流幅值，t为时间量。

图2为双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统中数据采集的电路原理图。第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器的输出接到电路中的in1、in2、in3端点上，in1、in2和in3信号经过1k电阻分别进入到三个相同的仪表运算放大器ad620的管脚3上，这三个仪表运算放大器ad620的管脚2上连接有1k电阻，这三个仪表运算放大器ad620的管脚4和7分别连接到-12v和+12v上，这三个仪表运算放大器ad620的管脚1和8之间串联有100欧姆的电阻，这三个仪表运算放大器ad620的输出端分别接到模拟/数字转换器ad7265的va1和va2上，模拟/数字转换器ad7265的douta、doutb、

sclk和cs管脚分别对应地与驱动器sn74lvc4245的a1、a2、a3、a4管脚相连，模拟/数字转换器ad7265的a0、a1、a2和range管脚分别对应地与驱动器sn74lvc4245的a5、a6、a7、a8管脚相连，驱动器sn74lvc4245的b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7和b8管脚分别对应地与fpga芯片ep3c120f780的rup4、rdn4、io/t12n、io/t14n、io/t17n、io/t18n、io/t19n和io/t15p管脚相连。

图3为双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统的电路原理图。4×4键盘共计16个按键k11～k14、k21～k24、k31～k34、k41～k44的一端连接在一起，与gnd端相连；16个按键的另一端分别与16个4.3k的电阻对应相连后，分别与fpga芯片ep3c120f780的16个管脚对应相连，这16个管脚分别为iob1_13、iob1_14、iob1_15、iob1_16、iob1_17、iob1_18、iob1_19、iob1_20、iob1_21、iob1_22、iob1_25、iob1_26、iob1_27、iob1_28、iob1_29和iob1_30。液晶显示器lcd_1的数据接口中的db0～db7分别与fpga芯片ep3c120f780的8个管脚对应相连，这8个管脚分别为iob1_31、iob1_32、iob1_33、iob1_34、iob1_35、iob1_36、iob1_37、iob1_38和iob1_39。液晶显示器lcd_1的数据接口中的cs1、cs2、rs、r/w和/reset分别与fpga芯片ep3c120f780的5个管脚对应相连，这5个管脚分别为iob1_40、iob1_41、iob1_42、iob1_43、iob1_44。usb驱动器pdiusb12_1的数据总线的8个管脚da0～da7分别与fpga芯片ep3c120f780的8个管脚对应相连，这8个管脚分别为iob1_1、iob1_2、iob1_3、iob1_4、iob1_5、iob1_6、iob1_7、iob1_8。usb驱动器pdiusb12_1的控制总线的4个管脚a0、cs、int、susp分别与fpga芯片ep3c120f780的4个管脚对应相连，这4个管脚分别为iob1_9、iob1_10、iob1_11、iob1_12。usb驱动器pdiusb12_1的数据传输接口的3个管脚et0、d-、d+分别与usb接口usb_port_1的管脚vbus、d-、d+对应相连。

利用双磁路复合光学电流互感器测定电流的方法如下：

步骤1：将第一磁光传感材料(6)和第三磁光传感材料(16)平行对称布置于通电导体(20)的两侧，通光方向与通流导体被测电流流动方向相垂直，直条状磁光传感玻璃的中心线与通流导体(20)截面的中心线之间距离小于10厘米；将第二磁光传感材料(11)均匀缠绕在通电导体(20)上，光纤缠绕半径在10厘米到12厘米之间；

步骤2：将激光二极管(2)的尾纤连接在激光二极管驱动器(1)上，打开激光二极管驱动器(1)，激光二极管(2)发出稳定的光强；

步骤3：打开双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统(33)的电源，将iset1、iset2、k1、k2、kj1、kj2、ka、kb、kc、q、r的数值通过4×4键盘(41)和lcd显示器(42)输入到双磁路复合光学电流互感器实时信号处理系统(33)中的64mbflash存储器(37)；

步骤4：通流导体(20)接入被测电流，数据合并单元(34)的输出接口接到外部设备上，监测数据合并单元(34)的输出数据，通过调整iset1、iset2、k1、k2、kj1、kj2、ka、q、r的数值，使得数据合并单元(34)在室温、无磁干扰情况下输出数据与100a、50hz的交流电流相符；将双磁路复合磁光传感单元放置于温控箱中，调节温度变化范围为-40～60℃，通过调整kb的数值，使得数据合并单元(34)在温度波动、无磁干扰情况下的输出数据与100a、50hz的交流电流相符；在与通流导体相距30厘米处平行布置一导体以产生干扰相电流，通过调整kc的数值，使得数据合并单元(34)在有磁干扰情况下的输出数据与100a、50hz的交流电流相符。

上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。