本发明属于电力系统自动化技术领域，特别涉及一种全光纤电流互感器采集系统及全光纤电流互感器。
背景技术：
电流互感器是电力系统中的关键设备，为各种安全稳定控制、继电保护及计量装置提供电信号，传统的电磁式电流互感器结构和变压器相似，通过一、二次绕组之间的电磁耦合，将电气量信息从一次侧传变到二次侧，在铁芯与绕组间以及一、二次绕组之间需要有足够强度的绝缘结构，以保证所有的低压设备与高电压相隔离。但是随着电力系统传输容量的增加，电压等级越来越高，这种结构的电流互感器的缺点也越来越突出。全光纤电流互感器本质上是一种建立在偏振光干涉基础上的光学精密仪器，光波偏振态控制是其关键技术之一，实现形式上采用光学测量原理并使用光纤传送数字信号，实现了电量信息传递的源头数字化。
随着电力系统中电网电压的不断提高、容量不断增大以及智能电网的信息化、数字化、自动化、互动化的要求，传统电磁式电流互感器已经越来越不能满足电力系统的发展要求。相比较与传统的电磁式电流互感器，全光纤电流互感器具有动态范围大、测量精度高、线性度好、无磁饱和、体积小、重量轻、一二次完全隔离、低压侧无开路危险等优点。随着国内智能化变电站的全面建设，光学电流互感器替代传统的电磁式电流互感器是必然的趋势。
光学电流互感器分为全光纤型、块状玻璃型以及混合型三种，其中，全光纤型和块状玻璃型电流互感器主要利用了光学材料的法拉第效应。全光纤型电流互感器采用光纤作为传感材料，利用线偏振光通过置于磁场中的磁光材料是其偏振方向发生旋转的独特性质，实现对外界电流的测量，具有绝缘性好、抗电磁干扰能力强、柔软可弯曲、体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、易于传输光纤耦合、可长距离传输、便于与计算机连接组成遥测网络等优点，近年来受到了国内外研究人员的重视，因此，全光纤型电流互感器在智能变电站的应用比较广泛。又由于智能变电站在不断的推广及建设，电力系统对电压、电流的测量要求不断提高，互感器作为连接高压与低压的一次设备，其功能及特性也需不断改进和发展，而智能变电站的建设也对电流互感器的性能提出了更进一步的要求。
一般的全光纤电流互感器采集模块采用fpga，如公开号为“cn107064594a”，名称为“一种基于fpga的全光纤电流互感器信号检测系统”的中国专利，该专利的相位调制器两端的调制信号由fpga产生，相位调制器产生输出的光进入传感光纤，传感光纤用于感应被测线圈的电流，并生成携带被测电流信息的光强信号，然后同光发射镜原路返回，从耦合器输出送入光电探测器进行光电转换，经光电探测器转换后的电信号送入fpga中进行采样。虽然单独采用fpga反应速度快，控制精度高，但是fpga在运行时类似一个黑盒子，其调试和观测较困难，无法满足全光纤互感器技术发展的需求；同样现有技术中也有由dsp构成的全光纤电流互感器检测系统，虽然由于dsp的特性使调试和观测相对简单一些，但是存在反应速度慢，控制精度低的问题，因此也无法满足应用需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种全光纤电流互感器采集系统及全光纤电流互感器，用于解决现有技术中全光纤电流互感器的采集系统调试操作与控制精度不能同时满足的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种全光纤电流互感器采集系统，包括fpga芯片及arm芯片，所述fpga芯片与arm芯片通信连接，所述fpga芯片上设置有光电探测接口，所述光电探测接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的光电探测器连接，所述fpga芯片上还设置有信号调制接口，所述信号调制接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的相位调制器连接，所述fpga芯片通过arm芯片加载目标程序以采集电流。
为了解决光源发射器发强衰减的问题，所述fpga芯片上还设置有控制光源发射器发射光源的光源控制接口，实现了对光源发射光强的监视和控制。
为了解决fpga芯片与arm芯片之间的通信问题，所述fpga芯片与arm芯片通过内部总线通信连接，解决了fpga芯片与arm芯片之间的正常通信。
为了解决arm芯片与上位机之间的通信问题，所述arm芯片上设置有网口，所述arm芯片通过所述网口与上位机进行数据交互，实现了arm芯片从上位机下载程序、配置数据、显示数据的功能。
为了解决采集的电流信号频率混叠及白噪声问题，还设置了前置运放/滤波电路，所述前置运放/滤波电路与所述光电探测接口连接。用于对采集的电流信号进行运放或滤波处理，得到需要的电流信号，提高了采集电流的精度。
为了控制光源的发射光强，还设置了恒流驱动电路，所述恒流驱动电路用于驱动光源控制接口控制光源发射器产生恒定光强的光源。
为了控制光源的温度，还包括用于控制光源温度的恒温控制电路，所述恒温控制电路与所述光源控制接口连接。保证了光源的温度恒定不变，从而保证光源的光波长恒定。
本发明还提供了一种全光纤电流互感器，包括光学采集回路与电气采集回路，所述光学采集回路包括光源发射器、光电探测器、沿光源发射的光路上依次设置的光纤耦合器/环形器、光纤起偏器、相位调制器以及传感头；所述电气采集回路包括fpga芯片及arm芯片，所述fpga芯片与arm芯片通信连接，所述fpga芯片上设置有光电探测接口，所述光电探测接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的光电探测器连接，所述fpga芯片上还设置有信号调制接口，所述信号调制接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的相位调制器连接，所述fpga芯片通过arm芯片加载目标程序以采集电流。
为了解决光源发射器发强衰减的问题，所述fpga芯片上还设置有控制光源发射器发射光源的光源控制接口，实现了对光源发射光强的监视和控制。
为了解决fpga芯片与arm芯片之间的通信问题，所述fpga芯片与arm芯片通过内部总线通信连接，解决了fpga芯片与arm芯片之间的正常通信。
为了解决arm芯片与上位机之间的通信问题，所述arm芯片上设置有网口，所述arm芯片通过所述网口与上位机进行数据交互，实现了arm芯片从上位机下载程序、配置数据、显示数据的功能。
为了解决采集的电流信号频率混叠及白噪声问题，还设置了前置运放/滤波电路，所述前置运放/滤波电路与所述光电探测接口连接。用于对采集的电流信号进行运放或滤波处理，得到需要的电流信号，提高了采集电流的精度。
为了控制光源的发射光强，还设置了恒流驱动电路，所述恒流驱动电路用于驱动光源控制接口控制光源发射器产生恒定光强的光源。
为了控制光源的温度，还包括用于控制光源温度的恒温控制电路，所述恒温控制电路与所述光源控制接口连接。保证了光源的温度恒定不变，从而保证光源的光波长恒定。
本发明的有益效果是：
本发明的全光纤电流互感器采集系统包括fpga芯片及arm芯片，fpga芯片与arm芯片通信连接，fpga芯片上设置有光电探测接口，光电探测接口用于与全光纤电流互感器采集系统的光学采集回路中的光电探测器连接，fpga芯片上还设置有信号调制接口，信号调制接口用于与全光纤电流互感器采集系统的光学采集回路中的相位调制器连接，fpga芯片从arm芯片中获取目标程序以采集电流。由于arm芯片中储存有fpga的目标程序，当需要对fpga目标程序修改时，直接由arm芯片写入flash，不需要特定的烧写工具，fpga目标程序加载时，由arm芯片控制加载，从而达到了调试和观测比较容易的效果，且实现对fpga程序的的版本控制功能。采用fpga芯片对采集的电流信号进行快速处理，并与arm芯片相结合实现了对整个采集系统的管理，采用低成本的硬件方案加上上位机的配合，既实现了高精度的数据采集，又减小了fpga目标程序调试的难度，有利于全光纤互感器的工程化应用，且具有良好的发展前景。
附图说明
图1为光纤电流互感器的硬件结构示意图；
图2为光纤电流互感器的电气采集回路的结构示意图；
图3为fpga软件模块示意图；
图4为arm软件运行流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
一种全光纤电流互感器，包括光学采集回路与电气采集回路，光学采集回路包括光源发射器、光电探测器、沿光源发射的光路上依次设置的光纤耦合器/环形器、光纤起偏器、相位调制器以及传感头；电气采集回路包括fpga芯片及arm芯片，fpga芯片与arm芯片通信连接，fpga芯片上设置有光电探测接口，光电探测接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的光电探测器连接，fpga芯片上还设置有信号调制接口，信号调制接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的相位调制器连接，fpga芯片由arm芯片加载目标程序以采集电流。
具体而言，如图1所示，全光纤电流互感器包括光学采集回路及电气采集回路，如图1所示，光学采集回路包括光源发射器(sld光源)、光纤耦合器、光纤起偏器、相位调制器、光纤延迟线圈、传感光纤环和光电探测器，电气采集回路采用fpga+arm架构，电气采集回路通过光源控制接口控制sld光源发射光信号，经过光纤耦合器后进入起偏器形成快慢两个线偏振光，线偏振光经过相位调制器进入传感光纤环，受被测电流的影响，两个偏振光产生与被测电流对应的相位偏差，在传感光纤环的尾部反射镜的作用下，偏振光返回到光纤耦合器，并进行干涉，光电探测接口探测返回的光强，解析出被测电流。
电气采集回路结构如图1和图2所示，由fpga芯片和arm芯片组成，fpga芯片上设置有光源控制接口，光源控制接口与光学采集回路中的sld光源连接；还设置有光电探测接口，光电探测接口与光学采集回路中的光电探测器连接；fpga芯片设置的相位调制接口与光学采集回路中的相位调制器连接，以使相位调制器产生相位差；fpga上设置有光串口，光串口用于将电流互感器的测量值输出给其他设备。fpga芯片与arm芯片之间采用内部总线连接，fpga配置相关管脚与arm的gpio接口相连；此外，arm芯片上设置有网口，arm芯片通过网口与上位机进行数据交互。其中，fpga独立完成对光学采集回路的控制、采集和计算等功能，光学采集回路的接口均通过外围电路接入fpga芯片，运行过程中fpga芯片的信号输出精度及功能不受arm芯片的影响。
进一步地，电气采集回路中还设置有前置运放/滤波电路，光电探测接口通过前置运放/滤波电路与fpga芯片连接，光电探测接口接收光电探测器发送的电信号并经过前置运放/滤波处理及a/d转换后发送给fpga芯片；电气采集回路中还设置有恒流驱动电路，恒流驱动电路与光源控制接口连接，用于驱动光源控制接口控制sld光源发射光源信号，恒流驱动回路与fpga芯片之间设置有d/a转换器；为了保证光源不受温度的影响，光源控制接口还连接有恒温控制电路，恒温控制电路通过a/d转换器与fpga芯片连接，用于对光源进行恒温控制，防止光源受到温度变化的影响。
采用全光纤电流互感器对电力系统设备的电流进行采集时，其采集过程由fpga程序完成。fpga程序完成数据采集的主要功能，包括激光源控制、光信号高速采集、调制信号闭环控制、光信号相位调制、信号解调等，arm主要完成对板卡程序的管理及与上位机的通讯功能，上位机用来配置数据、下载程序、显示内部监视量状态等。
在板卡的arm底层程序烧写完成后，板卡的应用目标程序和fpga目标程序均可通过网口进行下载，arm芯片把下载的程序存储到相应的flash空间里；全光纤电流互感器启动时，fpga的程序加载通过arm进行，arm芯片作为板卡的底层系统首先启动，arm系统加载完成后从flash芯片中读取fpga的目标程序，通过从串模式加载fpga目标程序。当需要对fpga目标程序修改时，不需要通过烧写工具下载程序，可直接在arm芯片中对目标程序进行烧写，修改后的fpga目标程序通过arm加载，从而达到了调试和观测比较容易的效果，提高了调试效率和方便现场程序升级，且实现fpga的软件版本管控功能。
全光纤电流互感器工作时，fpga通过d/a控制光源的驱动电流，通过温控回路控制光源的温度，同时通过a/d采集温控回路的实时状态；通过高速a/d从光电探测接口采集光信号，进行信号解调和数据处理；通过d/a控制相位控制器，达到调制光信号的目的，且fpga对电气采集回路的主要控制节点进行监测，如：激光电源驱动电流、激光模块温度、激光模块制冷电流、激光发射功率、返回功率、调制信号幅值、调制信号频率等，通过以太网口上送至上位机。
在对全光纤电流互感器调试时，上位机通过以太网电口与arm进行数据交互，实现程序下载、数据配置、实时数据显示、版本控制及调试仿真等功能。
根据功能划分，fpga程序的模块划分如图3所示，除了从串配置为芯片自身功能外，其他功能模块均需编码实现。功能可分为2个主线，一个是光源的驱动及监视，一个是闭环采集回路。光源的驱动及监视对时序要求不高，定时刷新监视数据即可。闭环采集回路以周期调制信号为时序，通过数字解调、数字累加等环节解析出原始信号，储存到数字寄存器，然后将原始信号发送到pid控制器，累加到相位控制器上，实现根据原始信号动态调整调制信号的目的，最终达到提高采样精度的目的，其中，对储存到数字寄存器的原始信号采样值利用系数修正算法进行有效一次值信号处理，由于原始信号采样值会受到温度的影响而出现偏差，因此同时采用温度补偿算法根据传感光纤环的温度对原始信号采样值进行非线性修正。
arm芯片在数据处理方面的流程如图4所示，其数据处理部分的主要功能是对通讯数据的crc进行判断和协议转换。arm的程序下载功能基于文件系统实现，可采用tftp协议进行下载。
综上所述，fpga芯片主要完成了全光纤互感器的数据采集功能，arm程序完成对fpga的目标程序加载、数据的配置、与上位机的通讯，上位机提供了人机界面实现人机交互。由此可见，fpga与arm之间的数据交互为配置信息、状态监视信息及fpga的目标程序加载，arm与上位机之间交互的数据有配置信息、状态监视信息、目标程序。
本发明还提供了一种全光纤电流互感器采集系统，包括fpga芯片及arm芯片，fpga芯片与arm芯片通信连接，fpga芯片上设置有光电探测接口，光电探测接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的光电探测器连接，fpga芯片上还设置有信号调制接口，信号调制接口用于与全光纤电流互感器的光学采集回路中的相位调制器连接，fpga芯片从arm芯片中获取目标程序以采集电流。该全光纤电流互感器采集系统指的是电流互感器的电气采集回路相关的内容，由于电流互感器的电气采集回路相关的内容已经在上述实施例中进行了详细的说明，因此，在这里不再赘述。
本发明结合两种芯片的优缺点，fpga采用门电路实现，用来处理快速信号；单个arm芯片可组成一个最小系统，实现整个板卡的管理，采用低成本的硬件方案再加上上位机的配合，既实现了高精度的数据采集，又增加了智能化功能，有利于全光纤互感器的工程化应用，实现的全光纤电流互感器有着良好的发展前景。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。