暂态过电压监测系统的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法与流程

1.本发明属于电力系统过电压监测技术领域，具体涉及一种暂态过电压监测系统的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法。


背景技术：

2.电力系统暂态过电压不仅决定了系统中电力设备的绝缘水平，也威胁着电力设备的安全运行。但目前由于没有行之有效的暂态过电压监测手段，缺乏记录事故过程的暂态过电压数据，对于暂态过电压引起的事故分析主要依靠经验，导致对事故原因的分析不明晰、不彻底。利用暂态过电压监测系统实时记录故障发生的整个过程，通过对记录电压数据的分析就能准确确定事故原因，对提升设备绝缘水平和采取必要的防范措施具有重要意义。但在目前的工程实施中，由于没有效果良好的实用化过电压在线监测手段，并没有强制要求安装暂态过电压监测系统，使得暂态过电压的现场实测数据非常有限。因此，研发适用于现场复杂电磁环境的暂态过电压监测装置对保证电网安全可靠运行具有非常重要的意义。
3.光学电压传感器基于普克尔电光效应，原理上没有频带和响应时间问题，能准确传变暂态电压信号，且属于无源传感器，处理电路和传感器之间通过光缆连接，使得监测系统的一二次实现完全电气隔离，能有效解决目前暂态过电压监测方案易受现场恶劣电磁环境干扰的问题。因此，光学电压传感器是理想的电力系统暂态过电压感知设备。
4.电力系统暂态过电压的频带范围会达到数十兆赫，光学电压传感器本身测量频带没有问题，基于光学电压传感器的暂态过电压监测系统的测量频带主要受限于光纤接收器和采集卡的采样速率。因此，光纤接收器需选择宽带光纤接收器。
5.为了提高测量带宽，宽带光纤接收器的输出一般带有直流偏置电压。例如avago公司的hfbr-2416光纤接收器在无光输入时实测的直流偏置电压，其直流偏置电压均值约1.68v。如果该直流偏置电压不受环境温度等影响保持稳定，则可以在光学电压传感器的解调处理时加以剔除，不会影响光学电压传感器的测量准确度。但是，实验测试显示光纤接收器的直流偏置电压受环境温度影响明显。图1所示为环境温度曲线，图2所示为两只光纤接收器hfbr-2416的直流偏置电压测试曲线。因此，为了保证基于光学电压传感器的暂态过电压测试准确度，目前急需一种方法，实现对宽带光纤接收器直流偏置电压的温漂进行补偿。


技术实现要素：

6.针对现有技术的上述不足，本发明提供一种暂态过电压监测系统的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法，以解决上述技术问题。
7.第一方面，本发明提供一种暂态过电压监测系统的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法，所述暂态过电压监测系统包括光学电压传感器、光源模块、信号处理电路；光学电压传感器的一端连接过电压监测点，另一端接地，光源模块通过光缆连接所述光学电压传感器；所述信号处理电路包括光纤接收器、低通滤波模块、高通滤波模块和温度传感器；光纤
接收器用于将光学电压传感器的光信号转化为电压信号，所述低通滤波模块用于输出直流电压测量值，其中所述直流电压测量值为光学电压传感器静态工作电压实时值和光纤接收器直流偏置电压实时值之和，所述高通滤波模块用于获取光纤接收器暂态量电压；所述温度传感器用于采集环境温度；
8.所述方法为针对光源模块开启后光纤接收器直流偏置温漂补偿方法，包括：
9.在监测系统光源开启之前，获取光纤接收器直流偏置电压初始值和光纤接收器所在环境的温度初始值；
10.在监测系统光源开启之后，获取低通滤波模块输出的直流电压测量值、高通滤波模块输出的暂态量电压和温度传感器输出的温度实时值；
11.计算所述温度实时值和温度初始值的差值作为温度变化值；
12.利用多项式拟合，根据所述温度变化值计算光纤接收器直流偏置电压变化值，公式为δud为直流偏置电压变化值，ki为该光纤接收器的多项式补偿系数，i为自然数，i＝1,2,
…
,n，n为多项式阶数，δt为所述温度变化值；
13.计算所述直流偏置电压变化值和直流偏置电压初始值的和，得到直流偏置电压实时值；
14.计算所述直流电压测量值和直流偏置电压实时值的差，得到光学电压传感器的静态工作电压实时值；
15.根据所述静态工作电压实时值和暂态量电压计算光学电压传感器的被测电压结果，公式为u为所述被测电压结果，u
o2
为暂态量电压，k为光学电压传感器的电光效应常数，us为所述静态工作电压实时值。
16.进一步地，所述光纤接收器的多项式补偿系数，通过以下方法确定：
17.按照预设温度变化规则，利用温控箱控制该光纤接收器处于不同温度下，测量不同温度下该光纤接收器的直流偏置电压；
18.计算温度变化值对应的该光纤接收器直流偏置电压变化值的数据集；
19.根据所述数据集计算该光纤接收器的多项式拟合中公式的多项式补偿系数ki。
20.本发明的有益效果在于，本发明提供的暂态过电压监测系统的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法，提出了一种基于多项式拟合的实时补偿方法，通过离线获得温度变化与光纤接收器直流偏置电压之间的关系，建立多项式数学模型，通过温度传感器实时监测环境温度，利用多项式拟合获得光纤接收器直流偏置电压的实时补偿值，从而得到准确的光纤接收器直流偏置电压，进而获得准确的光学电压传感器的静态工作光强，消除宽频带光纤接收器直流偏置电压温漂对暂态过电压监测测量准确度的影响；有效提高基于光学电压传感器的暂态过电压监测系统的测量准确度。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是现有光纤接收器温度实验时的温度曲线；
23.图2是现有光纤接收器温度实验时的直流偏置电压曲线；
24.图3是现有光纤接收器温度实验时的直流偏置电压变化曲线；
25.图4是本发明一个实施例提供的一种补偿方法的流程性示意图；
26.图5是本发明提供的一种暂态过电压监测系统的结构示意图；
27.图6是本发明提供的一种确定多项式补偿系数的实验接线方法示意图；
28.其中，1、光学电压传感器；2、光缆；3、光源模块；4、信号处理电路；41、光纤接收器；42、低通滤波模块；43、高通滤波模块；44、温度传感器；5、高速采集卡；6、监测分析主机。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
30.下面对本发明中设计的部分原理进行阐述。
31.图3为通过实验测得的直流偏置电压变化曲线，表明直流偏置电压与环境温度之间存在强相关性，对同一批次光纤接收器同时进行温度实验，发现他们的直流偏置电压变化曲线几乎重合，分散性很小。因此，本发明通过离线拟合的方法对光纤接收器直流偏置电压的温漂进行补偿。
32.通常，光学电压传感基于pockels电光效应感知暂态过电压，光源发出的光通过光学电压传感器的起偏器后产生线偏振光，在被测电压u的作用下，线偏振光通过bgo晶体时，出射的两束光产生相位差，表示为δ＝ku，式中，k为电光效应常数，δ为相位差。
33.图4是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。其中，图4执行主体可以为一种暂态过电压监测系统。
34.如图5所示，所述暂态过电压监测系统包括光学电压传感器1、光缆2、光源模块3、信号处理电路4；光学电压传感器1的一端连接过电压监测点，另一端接地，光源模块3通过光缆2连接所述光学电压传感器1，使得光源通过光缆2送至光学电压传感器1。
35.所述信号处理电路包括光纤接收器41、低通滤波模块42、高通滤波模块43和温度传感器44；光纤接收器41与光学电压传感器1连接，低通滤波模块42、高通滤波模块43分别与光纤接收器41连接；光纤接收器41用于将光学电压传感器1的光信号转化为电压信号，所述低通滤波模块42用于输出直流电压测量值，其中所述直流电压测量值为光学电压传感器1静态工作电压实时值和光纤接收器41直流偏置电压实时值之和，所述高通滤波模块43用于获取光纤接收器41的暂态量电压；所述温度传感器44用于采集环境温度。
36.光缆2将包括暂态过电压信息的光信号传输至光纤接收器41后光纤接收器41将光
信号转换成电信号uo，uo分成两路，一路通过低通滤波模块42获得直流电压测量值u
o1
，直流电压测量值u
o1
包括光学电压传感器1静态工作电压us和光纤接收器41直流偏置电压实时值ud，表示为：u
o1
＝us+ud。
37.光源模块3的电源关闭时，低通滤波模块42的输出电压u
o1
为无光时的输出，此时光学电压传感器1的静态工作电压us＝0，光学电压传感器1的输出u
o1
仅包含光纤接收器的直流偏置电压ud，即u
o1
＝ud，所以将无光下采集的通滤波模块42的输出电压u
o1
作为光纤接收器的直流偏置电压的初始值u
d0
；另一路通过高通滤波模块43获取包括光学电压传感器1过电压信号的暂态量信号u
o2
，表示为：u
o2
＝usδ。
38.可选地，作为本发明一个实施例，所述暂态过电压监测系统，还包括：高速采集卡5和监测分析主机6，所述高速采集卡5用于采集低通滤波模块42、高通滤波模块43和温度传感器44输出的信号，监测分析主机6可以用于完成所述直流偏置温漂补偿方法。
39.通常，为了消除光源变化和光路振动等带来的静态工作电压us变化对监测结果准确度的影响，一般通过将暂态量电压u
o2
与静态工作电压us作除法运算，这需要准确获得静态工作电压us。而静态工作电压us和光纤接收器直流偏置电压ud都是缓慢变化的直流量，混叠在一起，为了获得准确的静态工作电压us，利用光纤接收器直流偏置电压ud与环境温度之间的强相关性，本发明提出了一种多项式拟合的实时补偿方法，离线获得温度变化δt与光纤接收器直流偏置电压变化值δud之间的关系，建立多项式数学模型，通过温度传感器实时监测环境温度实时值t，利用多项式拟合获得光纤接收器41直流偏置电压的实时补偿值，从而得到准确的光纤接收器41直流偏置电压，即得到光学电压传感器1的被测电压结果。
40.每只应用于暂态过电压监测系统的光纤接收器都有自己的直流偏置补偿的特征参数，即多项式补偿系数ki，在监测系统的监测分析主机中利用该组补偿系数ki对该只光纤接收器进行直流偏置补偿。所以在进行补偿方法，之前，需要先通过实验计算光纤接收器直流偏置补偿的特征参数。该实验可以利用当前暂态过电压监测系统进行，如图6所示，将n只光纤接收器和一只温度传感器放入温控箱，光纤接收器和温度传感器的输出均接至采集卡，高速采集卡采集的数据由数据记录平台记录，该数据记录平台可以安装于监控分析主机；在预设的温度范围内调节温控箱，例如-40～+70℃的温度范围，设置温度间隔，例如10℃，每个温度点在预设的而测试时间段内保持稳定，例如1小时，同时记录n只光纤接收器的直流偏置电压和一只温度传感器的输出，获得每只光纤接收器的离线数据；利用多项式拟合方法得到每只光纤接收器的多项式补偿系数，作为每只光纤接收器直流偏置补偿的特征参数。本实施例介绍了多只光纤接收器同时确定多项式补偿系数的实验方法，高效方便，适用于多种、大规模暂态过电压监测系统。
41.可选地，作为本发明一个实施例，利用温控箱控制温度，对光纤接收器的直流偏置电压输出进行测量，离线获得温度变化值与光纤接收器直流偏置电压变化值之间的关系，利用多项式拟合得到该光纤接收器的多项式补偿系数ki，作为该光纤接收器直流偏置补偿的特征参数实验具体的步骤如下：
42.不失一般性，选择t0＝20℃时的光纤接收器直流偏置电压u
d0
作为初始值，通过公式δud＝u
d-u
d0
计算得到直流偏置电压变化值，通过公式δt＝t-t0计算得到温度变化值；依据得到的直流偏置电压变化值和温度变化值数据集，利用多项式拟合方法得到该只光纤接
收器的的多项式补偿系数ki，i取值1～n，n为多项式阶数，一般n取3。
43.如图4所示，补偿方法如下：
44.s1、在监测系统光源开启之前，获取光纤接收器直流偏置电压初始值和光纤接收器所在环境的温度初始值。具体包括：关闭光源模块3的电源，打开信号处理电路4的电源，高速采集卡5采集低通滤波模块42的输出的直流电压测量值u
o1
作为光纤接收器41的直流偏置电压初始值u
d0
，高速采集卡5采集温度传感器44的输出作为温度初始值t0，送至监测分析主机5保存作为补偿初始值；
45.s2、在监测系统光源开启之后，获取低通滤波模块输出的直流电压测量值、高通滤波模块输出的暂态量电压和温度传感器输出的温度实时值，具体地，打开光源模块3的电源，高速采集卡5获取低通滤波模块42输出的直流电压测量值u
o1
、高通滤波模块43输出的暂态量电压u
o2
和温度传感器44输出的温度实时值t，送至监测分析主机6；
46.s3、计算所述温度实时值和温度初始值的差值作为温度变化值，公式为δt＝t-t0，其中，δt为温度变化值t0为温度初始值，t为温度实时值；
47.s4、利用多项式拟合，根据所述温度变化值计算光纤接收器直流偏置电压变化值，公式为δud为电压变化值，ki为该光纤接收器的多项式补偿系数，i为自然数，i取值1～n，n为多项式阶数，在本实施例中n＝3，δt为所述温度变化值；
48.s5、计算所述直流偏置电压变化值和直流偏置电压初始值的和，得到直流偏置电压实时值，公式为ud＝δud+u
d0
，其中ud为直流偏置电压实时值，δud为直流偏置电压变化值，u
d0
为直流偏置电压初始值；
49.s6、计算所述直流电压测量值和直流偏置电压实时值的差，得到光学电压传感器的静态工作电压实时值，公式us＝u
o1-ud，其中，us为静态工作电压实时值，ud为直流偏置电压实时值，u
o1
为直流电压测量值；
50.s7、根据所述静态工作电压实时值和暂态量电压计算光学电压传感器的被测电压结果，公式为u为所述被测电压结果，u
o2
为暂态量电压，k为光学电压传感器的电光效应常数，us为所述静态工作电压实时值。
51.本发明实施例提供的光纤接收器直流偏置温漂补偿方法，通过温度传感器实时监测环境温度，利用多项式拟合获得光纤接收器直流偏置电压的实时补偿值，从而得到准确的光纤接收器直流偏置电压，针对宽频带光纤接收器直流偏置电压温漂，创造性的考虑到了温漂对于对暂态过电压监测测量准确度的影响，通过上述补偿方式，提升了光学电压传感器监测的准确性，提升了暂态过电压监测系统的产品竞争力。
52.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内或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以权利要求的保护范围为准。