光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法与流程

本发明属于光纤电流互感领域，尤其涉及一种光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法。

背景技术：

光纤电流互感器作为新型电流测量设备，具有绝缘简单、体积小、安全可靠、数字化、智能化及计量、测量、保护一体化等优点，是智能变电站建设的关键装备，近年来发展迅速，技术进步较大，已经在智能化变电站中小批量应用，代表了互感器产业的发展方向，未来光纤电流互感器必将逐步替代传统电磁互感器成为电力测量领域主流配置装备。

光纤电流互感器是目前光学电流互感器主流工程应用方案，其主要有光路、电路及调制解调方法组成，其中调制解调方法是影响光纤电流互感器性能的重要因素。目前光纤电流互感器所用调制解调方法主要采用两态方波调制、四态阶梯波调制、四态伪随机调制三种调制方法，其中两态方波调制幅度为±π/2，调制周期为光纤电流互感器干涉光路本征渡越时间τ，调制交替重复进行，如图1所示。四态阶梯波调制幅度为±π/2、±3π/2，调制周期为光纤电流互感器本征渡越时间的一半即τ/2，±π/2、±3π/2调制也是交替重复进行，如图2所示。四态伪随机波调制幅度是±π/2、±3π/2，调制周期为光纤电流互感器本征渡越时间的一半即τ/2，四个调制幅度按照确定长度的随机序列随机出现，如图3所示。两态方波和四态阶梯波优点为正负调制幅度出现频次相等，输出零位小且稳定，无需进行零位补偿。缺点是调制周期规律，调制模态确定不变，调制信号容易产生干扰并作用于被检测信号中，引起较大噪声，线性度差，不利于小电流测试，会产生检测不到的死区。四态伪随机调制优点为±π/2、±3π/2调制随机出现，调制模态随机，不会对检测信号进行干扰，噪声小、线性度好、无死区。缺点是±π/2、±3π/2调制随机序列是由一列确定的、固定长度的随机数生成，调制按照固定长度的随机数实施，完成后调制再重复进行，因此被称为伪随机四态调制，其正负调制幅度不相等，输出零位较大、易波动，而且电流反向后零位具有非对称性。

两态方波、四态阶梯波及四态伪随机波调制均有固有的优点和缺点，其造成的误差因素必然存在。噪声过大会影响小电流测试精度及电量计量应用。零位大小及稳定性会严重影响直流电测试精度。因此，光纤电流互感器在进行小电流测试或直流电测试时均会采取必要措施对上述问题进行抑制或消除。通常情况下，现有技术手段可通过以下种方法进行解决：一是通过优化电流互感器干涉光路，降低噪声水平，提高测试精度。二是通过增加敏感环绕制圈数，提高敏感信噪比来降低噪声。三是通过对电流互感器输出零位进行建模补偿，消除零位影响。四是通过改进优化调制解调方法进行噪声抑制和零位大小控制。就目前技术水平，优化光路受限于国内现有光学器件技术水平，降噪有限。增加敏感环绕制圈数能大幅提高光纤电流互感器噪声水平，但多圈绕制工艺难度较大，成品率较低，成本增加，无法批量生产。由于光纤电流互感器零位重复性差且存在波动和非对称性，零位建模补偿结果并不理想。对调制解调方法进行创新是减小噪声，稳定零位的重要方法，但目前效果并不理想。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法，既兼具两态、四态和四态随机调制解调方法的优点，又能弥补两态、四态和四态随机调制的不足，能够降低噪声、减小并稳定输出零位，解决小电流测试精度及直流测试稳定性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法，该方法包括如下步骤：

(1)光纤电流互感器上电，其a/d转换器开始采样得到采样数；

(2)a/d转换器将步骤(1)中采样数中传输给数据解调模块,数据解调模块根据采样数中的最低位ad[0]产生随机序列和随机调制次数；

(3)数据解调模块根据步骤(2)中随机序列和随机调制次数生成镜像对称真随机四态调制。

上述光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法中，还包括如下步骤：(3-1)将镜像对称真随机四态调制通过a/d转换器和运放电路后施加到y波导。

上述光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法中，在所述步骤(3)中，生成镜像对称真随机四态调制包括以下步骤：

(4)数据解调模块根据随机序列产生真随机四态调制，数据解调模块按照步骤(2)中的随机调制次数进行施加调制，当施加的调制次数大于步骤(2)中的随机调制次数时，判断产生的真随机四态调制是否满足镜像对称；

(5)当满足镜像对称时，将步骤(4)中大于步骤(2)中的随机调制次数的施加的调制次数之前的真随机四态调制进行镜像实施形成镜像对称真随机四态调制；

(6)当不满足镜像对称时，继续施加调制直至满足镜像对称条件，重复步骤(5)。

上述光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法中，在所述步骤(4)中，镜像对称条件为：真随机四态调制的当前调制序列与上一个调制序列的调制幅值之差为±π/2或±3π/2。

上述光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法中，在所述步骤(4)中，施加的调制次数为4～10次。

上述光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法中，在所述步骤(3)中，真随机四态调制为由ad最低位ad[0]作为随机源持续产生，随机数无重复、无周期，由随机数生产的调制序列完全随机。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明有效提高信噪比，减小输出测试电流噪声，提高检测灵敏度；

(2)本发明提高光纤电流互感器零位输出稳定性，抑制电流反向后零位输出非对称性。

附图说明

图1是现有技术中的两态方波调制解调原理图；

图2是现有技术中的四态阶梯波调制解调原理图；

图3是现有技术中的伪随机四态调制解调原理图；

图4是本发明的光纤电流互感器总体方案原理图；

图5是本发明的镜像对称真随机四态调制解调原理图；

图6是本发明的镜像对称真随机四态调制解调方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图4所示，光源在驱动制冷电路作用下，发出的光经过耦合器a而进入集成光学器件，经y波导集成光学器件对光进行相位调制后，输出两束线偏振光，其中一束光受到了调制，两束线偏振光经过经耦合器b后，分别沿保偏光纤快轴和慢轴进入延迟线，再经过λ/4波片转变为两束圆偏振光，其中一束左旋，另一束右旋，进入光纤环的敏感光纤传播，在faraday磁光效应和被测电流共同作用下两束椭圆偏振光产生相位差两束椭圆偏振光传播到反射镜被反射后再次进入敏感光纤，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共同作用下产生了相位差此时总相位差变为两束携带了电流信息的椭圆偏振光又一次经过λ/4波片转变为线偏振光，同时原来沿慢轴传播的线偏振光变为沿快轴传播，原来沿慢轴传播的线偏振光变为沿慢轴传播，最后回到y波导集成光学器件发生干涉，干涉光再由集成光学器件、耦合器a输出到达光电探测器，探测器将光信号转化为电信号，由a/d采样，根据所施加调制信号，对数字信号进行解调解调后输出被测信号，同时产生调制信号、反馈阶梯波、误差反馈信号，最后将调制信号、阶梯波、误差反馈共同施加到y波导器件上，完成数字闭环控制。

图6是本发明的镜像对称真随机调制解调方法流程图。如图6所示，该光纤电流互感器用镜像对称真随机四态调制解调方法包括如下步骤：

(1)光纤电流互感器上电，其a/d转换器开始采样得到采样数；

(2)a/d转换器将步骤(1)中采样数中传输给数据解调模块,数据解调模块根据采样数中的最低位ad[0]产生随机序列和随机调制次数；

(3)数据解调模块根据步骤(2)中随机序列和随机调制次数生成镜像对称真随机四态调制；

(3-1)将镜像对称真随机四态调制通过a/d转换器和运放电路后施加到y波导。

在步骤(3)中，生成镜像对称真随机四态调制包括以下步骤：

(4)数据解调模块根据随机序列产生真随机四态调制，其调制序列由随机源ad[0]输出的随机数生成，随机数不重复、无周期，因此调制幅值由±π/2或±3π/2完全随机组合形成。数据解调模块按照步骤(2)中的随机调制次数进行施加调制，当施加的调制次数大于步骤(2)中的随机调制次数时，判断产生的真随机四态调制是否满足镜像对称；镜像对称条件为：真随机四态调制的当前调制序列与上一个调制序列的调制幅值之差为±π/2或±3π/2。如图5所示，当前调制序列为正在施加的调制，与之相邻的已经施加的调制为上一个调制序列，与之相邻的将要施加调制的为下一调制序列。

(5)当满足镜像对称时，将步骤(4)中大于步骤(2)中的随机调制次数的施加的调制次数之前的真随机四态调制再以镜像方式进行调制实施，形成完整的镜像对称真随机四态调制；

(6)当不满足镜像对称时，继续施加调制直至满足镜像对称条件，重复步骤(5)。

具体的，在步骤(1)和步骤(2)中，光纤电流互感器调制解调电路在上电瞬间，a/d转换芯片即开始采样，在有无测量电流情况下均有输出，由于a/d转换芯片多位输出，a/d芯片最低位ad[0]为0与1随机量，将ad[0]作为随机数序列源，生成真随机序列及设定随机调制次数。

在步骤(3)中，真随机四态调制为随机调制序列由随机源ad[0]输出的随机数生成，随机数不重复、无周期，因此调制幅值由±π/2或±3π/2完全随机组合形成。

在步骤(4)中，按照随机序列，施加完全随机调制，使前一个调制序列与下一个调制序列之间调制幅度之差为±π/2或±3π/2，调制序列调制次数随机设置为4～10次或更多次。

在步骤(5)和步骤(6)中，当随机调制序列达到设定次数后，进行可对称判断，可对称判断条件为当前调制序列与下一个调制序列之间调制幅度相差为±π/2或±3π/2。如果满足对称条件，可对称判断结束。如果不满足对称条件，则继续施加随机对称波形，直至满足可对称条件，因此一个对称随机调制波形调制次数并不完全等于设定值。

满足可对称判断后，将之前所施加随机调制波形再进行镜像实施，完成一个完整的对称真随机四态调制。完成后再进行下一个对称随机调制，如图5所示。图5中，前一个对称随机调制周期为8τ，分界线后，下一个对称随机调制为4τ，调制周期根据随机设定次数及可判断条件决定。

系统上电后，完成参数初始化，由磁光法拉第效应产生的相位差经干涉后产生的光强信号，通过光电探测器转化为电信号，电信号经过a/d采样进行信号解调，同时产生随机随机序列和随机调制次数，由调制序列和调制次数产生随机调制波形，大于设定调制次数后进行可对称判断，如果满足对称条件，进行镜像随机调制，如果不满足对称条件，继续实施随机调制，直至满足对称条件，然后再进行镜像。将镜像对称真随机四态调制通过a/d转换器和运放电路后施加到y波导上。镜像对称真随机四态调制解调方法具备对称和随机两个特性，既具有方波正负±π/2、±3π/2调制幅度出现频次相等优点，又具有伪随机四态调制±π/2、±3π/2随机出现的优点，而且其随机序列完全随机、调制周期随机，能够有效克服原有调制方法造成的检测灵敏度差、噪声大、零位反向非对称及零位波动的缺点。

镜像对称真随机调制如图5所示，图5中共包含两个完整的镜像对称真随机调制波形，两个完整的调制波形以分界线分开，分界线前调制波形调制次数为16次，周期为8τ，前8个调制为真随机调制，后面8个调制是以对称轴对前8个调制进行镜像。由于调制次数随机设定为4～10次，因此分界线后镜像对称调制次数为8次，周期为4τ。另外，调制需要进行可对称性判断，即便调制次数大于设定调制次数，在不满足对称判断时，仍要继续实施随机调制，直至满足对称条件后才会镜像实施，调制周期也具有随机性。因此镜像对称真随机调制解调方法的调制序列和调制周期均具有随机特点。

本发明有效提高信噪比，减小输出测试电流噪声，提高检测灵敏度；并且本发明提高光纤电流互感器零位输出稳定性，抑制电流反向后零位输出非对称性。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。