一种光信号线性传输系统及有源电子式电流互感器，属于电力测量技术领域。
背景技术：
由于光纤具有绝缘性能好、频带宽、抗干扰的优点，因此在电力测量领域，通过光纤实现待测电气量（如电压、电流）所处的高压侧环境与低压侧（如电流互感器的二次侧、高电压测量中的仪器侧）的隔离是一个简单易行的方法。在现有技术中，通过光纤实现电气量从高压侧到低压侧的传输，主要有两种方法：数字方式以及模拟方式。
其中数字方式的具体实现方式为：在高压侧完成待测电气量的测量后，将该测量值就地数字化转换为对应的数字信号（如通过A/D或V/F变换将测量值转换为数字信号），并通过该数字信号驱动发光管工作形成数字光脉冲，然后通过光纤将数字光脉冲传至低压侧。在低压侧将数字光脉冲转换为进行反变换得到待测电气量相对应的数字信号。上述的数字方式存在有如下不足之处：
（1）在高压和低压侧传输有用数据的同时，需要选择同步传输方式（如增加一根专用于传输时钟的光纤）或异步传输方式（如为每个数据增加一个时标），无论选择同时传输方式还是异步传输方式，均会大大增加系统的复杂程度。
（2）高压侧在数字化时的采样频率通常不宜设置太高，比如母线供能方式的电子式电流互感器的A/D采样频率太高会导致系统功耗过大而导致供电困难。而在高电压测量如雷击电流测量时，待测电流信号的频带通常在10MHz以上，这就要求高压侧采样频率至少为20MHz，因此会使得系统的成本大大增加。
其中模拟方式的具体实现方式为：在高压测通过待测电气量直接调制发光管（一般采用发光二极管LED和激光二极管LD）发光（调幅方式），用发光管的发光强度表示待测电气量的大小，即使用光纤直接实现模拟光信号的传输，信号传至低压侧后通过相应的光/电转换得到反映待测电气量的波形和大小。模拟方式的不足之处在于：
（1）光信号在其整个传输通道中会受到多个环节的衰减，包括发光管（光电管）与光纤连接的耦合衰减、光纤对光的衰减，且温度对发光管发光效率的影响也会导致该衰减值发生变化。申请号为201410379248.3的中国专利提供了一种对系统的光衰减进行提前测量并对温度的影响进行校正的方法，该方法必须对每套装置进行现场校准，工作量较大。
（2）在利用模拟方式将高压侧待测量的电信号传输至低压测时，在通过调幅的方式驱动光源发光时，其关键技术是保证驱动发光源发光的电流信号与发光源之间的发光功率之间具有较高的线性度。然而无论LED还是LD，均存在各自的发光死区，导致其发光功率-驱动电流之间的曲线（P-I曲线）不是线性关系，因此在使用调幅方式实现光信号的传递时无法达到高测量精度。申请号为201410378964.X的中国专利文献提供了一种利用LED发光的线性区，将一个标尺信号与待测有用信号同时通过光纤传输，用标尺信号的衰减对有用信号衰减进行校正的方法，该方法不需要对每个设备现场校准，该方法使用一个交流信号或直流信号作为标尺信号，若使用交流信号作为标尺信号，则对该标尺信号的稳定度要求极高，同时在接收侧把该交流标尺信号与待测信号分离也不容易实现；若使用直流信号作为标尺，则存在LED或LD的发光死区导致的直流标尺信号衰减与待测有用信号衰减并非完全相等的问题，因此难以实现高精度测量；申请号为201510102017.2的中国专利提供了一种利用LED驱动电流与发光功率线性关系模型系数的方法，在该方法中通过LED的P-I模型系数及参考信号同时对有用信号大小进行纠正校正的方法，该方法对信号的测量精度较高，但需对每套设备所用LED的P-I曲线中的线性系数进行出厂前预测量，因此工作量也较大。
综上所述，利用模拟方式利用光纤实现待测电信号的传输时，无法达到高精度的根本原因在于目前发光源在发光时无法对其发光情况进行检测，只能通过恒流型等直接方式对发光源进行控制。因此在利用光纤进行待测信号的传输时，如果能对发光源的实时功率进行检测，并使其发出的光的功率与待测信号的大小达到线性关系，则可以满足模拟方式下驱动发光源发光的电压信号与发光源之间的发光功率之间需要具有较高的线性度的需求，因此会大大提高模拟方式进行光信号传递的测量精度。在现有技术中，LD发光时有两个光输出面，除了正常的正面出光外，其背面也能够接收到一定强度的光，利用该特性，市场上出现了可以对LD进行功率进行监测的LD，由于LD的发光功率受温度影响很严重，因此该技术设计的主要应用是通过监测LD的发光变化对LD实现恒温控制，但这种LD用于调幅控制却有很大困难，这其中包括LD发光对温度敏感的原因会导致使用时精度很差，更重要的是LD用于调制时其动态范围太小，所以目前LD更适合应用在单模光纤中用数字方式实现大容量通信用的场合而非调幅控制应用。
而LED的发光机理与LD不同，其发光时只能朝一个方向以一个较大的辐射角度发光，因此现有技术中还无法对LED的发光功率进行监测，所以无论直接控制还是间接控制，均无法使控制电信号与LED的发光功率间达到期望的线性关系。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过实现了待传输的信号与相对应的光传输信号的光功率呈线性关系，从而利用模拟方式实现了模拟电信号从高压侧到低压侧的高精度光纤传输的光信号线性传输系统及有源电子式电流互感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该光信号线性传输系统，包括待传输的混合电信号，其特征在于：
包括信号判断驱动模块，其输入端同时接入混合电信号以及反馈信号，用于判断混合电信号和反馈信号的线性关系，并通过其输出端输出控制信号；
可控恒流驱动模块，其输入端连接信号判断驱动模块的输出端，用于根据信号判断驱动模块输出控制信号输出不同的驱动信号；
光信号监测传输模块，其输入端连接可控恒流驱动模块的输出端，用于根据可控恒流驱动模块输出的驱动信号生成所述的反馈信号以及与所述的混合电信号相对应的光传输信号。
优选的，所述的光信号监测传输模块包括：由所述的驱动信号驱动发光的发光组件、对发光组件的功率进行监测的功率反馈组件以及光信号传输组件，发光组件发出的光同时照射到功率反馈组件和光信号传输组件上，并对应形成光监测信号和所述的光传输信号，光监测信号驱动功率反馈组件生成所述的反馈信号。
优选的，所述的发光组件、功率反馈组件同时固定在外壳的内腔中，所述的驱动信号由信号输出引脚引入外壳并与发光组件连接；所述的功率反馈组件生成的反馈信号由信号输出引脚引出；所述的光信号传输组件为光纤，光纤与发光组件的发光面相对设置，光纤由设置在外壳上的光纤接口引入外壳的内腔中。
优选的，所述的功率反馈组件为光电二极管，光电二极管固定在发光组件的发光面上或固定在发光组件发光面的一侧，信号输出引脚与光电二极管的接线端相连。
优选的，所述的发光组件为发光二极管，发光二极管固定在内腔的一侧，信号输入引脚连接到发光二极管的接线端。
优选的，在所述的发光组件和光信号传输组件之间设置有用于将发光组件发出的光进行汇聚的聚焦透镜。
优选的，所述的外壳为金属材质或非金属材质，在金属材质的外壳的表面设置有实现外壳表面接地的接地引脚。
优选的，所述的信号判断驱动模块包括微处理器，第一电压采集模块和第二电压采集模块以及转换电阻，所述的混合电信号接入第一电压采集模块的输入端，第一电压采集模块的输出端连接微处理器；所述的反馈信号通过转换电阻接入第二电压采集模块的输入端，第二电压采集模块的输出端连接微处理器；微处理器的输出端输出控制信号连接可控恒流驱动模块的输入端。
一种有源电子式电流互感器，包括由光纤连接的高压侧和低压侧，待传输电气信号由高压侧经过光纤传递至低压侧，其特征在于：在所述的高压侧包括：
参考信号生成模块，用于生成参考电压信号；
信号混合模块，其输入端同时连接参考电压信号以及待传输电气信号，用于将参考电压信号以及待传输电气信号进行信号混合形成混合电信号；
光信号线性传输系统，其输入端连接信号混合模块的输出端，其输出端连接光纤在高压侧的接口；
在所述的低压侧包括：
光电转换模块，其输入端连接光纤在低压侧的接口，用于转换得到衰减后的混合电信号；
信号分离模块，其输入端连接光电转换模块的输出端，用于将衰减后的混合电信号进行分离，分离得到衰减后的参考电压信号和衰减后的待传输电气信号。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、在本有源电子式电流互感器中，由于设置了光信号线性传输系统，使得光信号线性传输系统发出的光信号S 的光功率与混合电信号US为线性关系，并使其发出的光的功率与待测信号的大小达到线性关系，因此满足了通过模拟方式对电气信号进行传输时，驱动发光源发光的电压信号与发光源之间的发光功率之间需要具有较高的线性度的需求，因此大大提高了模拟方式进行光信号传递的测量精度。
2、在本有源电子式电流互感器中，由于引入了参考电压信号UDC，并将参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC进行混合后传输，因此参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC在传输过程中可视为经过了相同程度的衰减，因此计算参考电压信号UDC的衰减程度，并结合电压信号UAC’可以对应计算得到待传输电气信号UAC。因此可以对待传输电气信号在传输过程中的衰减影响进行排除，且不必针对每套设备进行单独的现场校准，工作量大大降低且适用性更强。
3、在光信号监测传输模块中，实现了对发光器件发光功率的监测，并通过光功率监测系统，使发光组件的发光功率与待传输的模拟电信号之间呈线性关系，从而利用模拟式实现了模拟电信号从高压侧到低压侧的高精度光纤传输。
4、通过本光信号线性传输系统，根据得到的发光组件的功率信息，判断发光组件的驱动电信号与发光源的光功率间是否已经达到线性关系，进而实现了对发光组件的间接控制，因此无需要求发光组件工作在线性区段，即可实现发光组件的驱动电信号与其发光功率之间达到期望的线性关系。
5、在光信号监测传输模块中，实现对发光二极管光功率的监测。
6、在光信号监测传输模块中，仅设置有发光二极管、光电二极管以及用于传输光信号的光纤，结构简单，性能可靠。
7、在发光二极管和光纤之间通过设置聚焦透镜，只要照射到聚焦透镜上的光均可耦合进入光纤内，从而起到了聚焦的作用，实现了良好的耦合效果。
附图说明
图1为有源电子式电流互感器。
图2为光信号线性传输系统原理方框图。
图3为光信号线性传输系统信号判断驱动模块原理方框图。
图4为光信号线性传输系统光传输器件结构示意图。
图5为光信号线性传输系统光传输器件实施例2结构示意图。
其中：1、信号输出引脚 2、发光二极管 3、光电二极管 4、外壳 5、光纤接口 6、光纤 7、聚焦透镜 8、接地引脚 9、信号输入引脚。
具体实施方式
图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种有源电子式电流互感器，由高压侧和低压侧组成，高压侧和低压侧由光纤连接。其中高压侧包括参考信号生成模块、信号混合模块以及光信号线性传输系统（以下简称线性传输系统）；低压侧包括光电转换模块以及信号分离模块。
参考信号生成模块与信号混合模块的输入端相连，信号混合模块的输出端与线性传输系统的输入端相连，线性传输系统的输出端与光纤在高压侧的接口相连。光纤另一端的接口设置在低压侧，该端口与光电转换模块的输入端相连，光电转换模块的输出端与信号分离模块的输入端相连。
参考信号生成模块生成参考电压信号UDC，并将电压信号UDC送至信号混合模块的输入端，同时接入信号混合模块输入端的还有待传输电气信号UAC，待传输电气信号UAC来自LPCT或空心线圈。待传输电气信号UAC和参考电压信号UDC一同信号混合模块之后由信号混合模块进行混合，生成混合电信号US，混合电信号US送入线性传输系统内，在线性传输系统内设置有发光器件，该发光器件由混合电信号US驱动发光，由线性传输系统将混合电信号US进行转换得到光信号PS，线性传输系统同时对光信号PS进行调理，使得混合电信号US和光信号PS的光功率为线性关系。
光信号PS经过光纤传输至低压侧之后，接入光电转换模块内，由光电转换模块将光信号PS，转换为混合电信号US’，混合电信号US’为经过传输后混合电信号US的衰减信号，混合电信号US’送入信号分离模块进行信号分离，分别得到电压信号UDC’和电压信号UAC’，电压信号UDC’和电压信号UAC’分别为经过传输后参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC的衰减信号，由于参考电压信号UDC为已知信号，所以通过测量参考电压信号UDC和电压信号UDC’的衰减程度即可对应得到待传输电气信号UAC在传输过程中的衰减程度，因此可以计算得到待传输电气信号UAC，进而计算得到母线电流的大小。
在本有源电子式电流互感器中，由于引入了参考电压信号UDC，并将参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC进行混合后传输，因此参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC在传输过程中可视为经过了相同程度的衰减，因此计算参考电压信号UDC的衰减程度，并结合电压信号UAC’可以对应计算得到待传输电气信号UAC。因此可以对待传输电气信号在传输过程中的衰减影响进行排除，且不必针对每套设备进行单独的现场校准，工作量大大降低且适用性更强。
在本有源电子式电流互感器中，由于设置了光信号线性传输系统，使得光信号线性传输系统发出的光信号PS的光功率与混合电信号US为线性关系，并使其发出的光的功率与待测信号的大小达到线性关系，因此满足了通过模拟方式对电气信号进行传输时，驱动发光源发光的电压信号与发光源之间的发光功率之间需要具有较高的线性度的需求，因此大大提高了模拟方式进行光信号传递的测量精度。
在本有源电子式电流互感器中，在高压侧，信号混合模块可通过集成运算放大器实现；参考信号生成模块可通过基准电压芯片实现；在低压侧，光电转换模块可通过光电二极管实现，信号分离模块可通过现有技术实现，如通过微处理器对电压信号进行采样，然后利用FFT算法对各种频率分量的信号进行计算得到。
如图2所示，上述的光信号线性传输系统包括：可控恒流驱动模块，光信号监测传输模块以及信号判断驱动模块，上述的信号混合模块与信号判断驱动模块的输入端相连，信号判断驱动模块的输出端与可控恒流驱动模块的输入端相连，可控恒流驱动模块的输出端与光信号监测传输模块的输入端相连，光信号监测传输模块内设置有发光器件，发光器件由可控恒流驱动模块输出的驱动信号实现发光，光信号监测传输模块可将输出两个信号，其中一个为上述的光信号PS，光信号PS送入光纤传递到低压侧；另一个信号为发光器件发光功率的反馈信号：反馈电流IP，反馈电流IP反馈至信号判断驱动模块的另一个输入端。
信号混合模块送入的混合电信号US送入信号判断驱动模块内，光信号监测传输模块送入的反馈电流IP同时送入信号判断驱动模块内，由信号判断驱动模块对混合电信号US和反馈电流IP进行线性关系的判断，并根据混合电信号US和反馈电流IP的线性情况向可控恒流驱动模块发出控制信号，调节可控恒流驱动模块输出的驱动电流的大小，从而实现了对光信号监测传输模块中发光器件光功率的调节，从而达到了光信号PS与混合电信号US呈线性关系的目的。
如图3所示，信号判断驱动模块包括微处理器，两组电压采集模块：第一电压采集模块和第二电压采集模块以及转换电阻。光信号监测传输模块输出的反馈电流IP经过转换电阻转换为反馈电压UP，信号混合模块输出端的混合电信号US和反馈电压UP分别送至第一电压采集模块和第二电压采集模块的输入端，由第一电压采集模块和第二电压采集模块分别对混合电信号US和反馈电压UP进行同步采样并送入微处理器内，由微处理器对混合电信号US和反馈电压UP线性关系进行判断，每次监测时进行两次采集，当两次采样得到的电压值UP/US比值的绝对值小于某一阈值时，即混合电信号US和反馈电压UP呈线性关系；如果呈非线性关系则微处理器控制可控恒流驱动模块改变驱动电流的大小，实现对光信号监测传输模块中发光器件发光功率的控制，从而保证混合电信号US和反馈电压UP呈线性关系。
如图4所示，上述的光信号监测传输模块包括外壳4，在外壳4内设置有内腔，在本光信号监测传输模块中，外壳4的外部结构可根据需要设计为任意形状（如圆柱体、矩形体），其内腔优选设置为矩形体状。在矩形体状的内腔中设置有聚焦透镜7，在聚焦透镜7的两侧分别设置有发光二极管2和光纤6，光纤6由设置在外壳4表面的光纤接口5引入外壳4内部。光纤接口5可以是目前任意的接口类型，如SMA、FC、ST等接口。发光二极管2为上述的光信号监测传输模块中的发光器件。
发光二极管2优选采用贴片式封装，发光二极管2固定在矩形内腔的任意一个侧壁上，光纤接口5开设在对发光二极管2相对的侧壁上，光纤6从光纤接口5中引入后与发光二极管2的发光面相对。一组信号输入引脚9引入外壳4的内腔之后与发光二极管2的阴极和阳极连接，用于向发光二极管2输送电流信号以驱动发光二极管2发光。
在矩形内腔内还固定有光电二极管3，一组信号输出引脚1引入外壳4的内腔之后与光电二极管3的阴极和阳极相连，光电二极管3受到发光二极管2的光照之后产生电流信号，电流信号自信号输出引脚1输出。在本实施例中，光电二极管3同样采用贴片式封装，光电二极管3可以固定矩形内腔中除发光二极管2和光纤接口5之外的任何一个侧壁上。当外壳4采用金属材质实现时，需要在外壳4上引出接地引脚8，以实现外壳4的接地。
在发光二极管2发光后，发出的光的一部分经聚焦透镜7进入光纤6，同时一部分光会照射到光电二极管3上。发光二极管2射出的光照射到光电二极管3之后，光电二极管3会根据光照强度发出不同强度的电流信号，即上述的反馈电流IP，发出的电流信号从信号输出引脚1中输出，实现对发光二极管2发光功率的监测。由于经光纤接口5引入的光纤6的位置正对发光二极管2的发光面，且在光纤6和发光二极管2之间设置有起到聚焦作用的聚焦透镜7，因此发光二极管2发出的光中大部分进入光纤6，实现光信号的传输，且发光二极管2发出的光中进入光纤6内的部分与照射到光电二极管3上的部分为倍数关系。
由于发光二极管2的发光角度较大，约为120度，通过设置聚焦透镜7，只要照射到聚焦透镜7上的光均可耦合进入光纤6内，从而起到了聚焦的作用。由于聚焦透镜7起到了汇聚光的作用，因此通过设置聚焦透镜7的尺寸，使得其汇聚的光斑的大小与光纤6的尺寸匹配，以实现良好的耦合效果。在本光信号监测传输模块中，聚焦透镜7为非必要部件，当发光二极管2发出的光满足传输要求时，可以省略聚焦透镜7，使发光二极管2发出的光直接照射进入光纤6内。
在本光信号监测传输模块中，发光二极管2和光电二极管3在选取时分别有如下选取标准：由于光电二极管3作为发光二极管2输出功率的监测元件，因此，光电二极管3需要有很好的线性度，即：若发光二极管2照射到光电二极管3上的光功率为PPD，光电二极管3产生的反馈电流IP，则要求IP=c·PPD（公式1），其中c为感光系数。除了需要光电二极管3具有良好的线性度之外，还需要光电二极管3需要有尽量低的温度系数。
针对发光二极管2，要求其频带较高，通常为待传输信号最高频率的几十倍。发光二极管2的波长原则上不受限制，但是为了降低光信号在光纤6中传输时的衰减，若使用塑料光纤，则发光二极管2的波长应选定为650nm，若使用多模石英光纤，则发光二极管2的波长应选定为820nm。发光二极管2的线性度以及温度系数不受限制。
上述混合电信号US和光信号PS之间线性关系的判断依据为：
（1）、由上述可知，发光二极管2发射出的光照射到光电二极管3和光纤6中，即发光二极管2的总功率分为两部分：即上述的照射到光电二极管3上的光功率为PPD和光信号PS，且光功率为PPD和光功率为PS为倍数关系（线性关系），得到：PS=m·PPD（公式2），其中m为常数，表示光功率为PPD和光功率为PS之间的倍数关系。同时根据公式1，得出：PS=n·IP（公式3），其中n=m/c。
（2）通过信号判断驱动模块中的转换电阻将光电二极管3输出的反馈电流IP转换为反馈电压UP，所以反馈电流IP与反馈电压UP之间的转换关系为线性关系，即UP=r·IP（公式4），r表示电压-电流之间的转换系数，如当用电阻实现转换时，r表示转换电阻的阻值。
（3）由公式3和公式4得到：PS=a·UP（公式5），其中a= m/(c·r)。由公式5可知：进入光纤6内的光功率PS与反馈电压UP为线性关系。
由上述可知，在使得反馈电压UP与混合电信号US为线性关系后，即可使得混合电信号US与光信号PS的光功率两者之间的线性关系成立。
为保证混合电信号US与光信号PS的光功率两者之间的线性关系成立，其具体实施方式为：上述的可控恒流驱动模块可由常规的可控的恒流型LED驱动电路实现，用于输出不同大小的驱动电流。
其具体工作过程及工作原理为：
混合电信号US接入信号判断驱动模块的输入端，由信号判断驱动模块通过控制可控恒流驱动模块驱开始工作，可控恒流驱动模块输出驱动电流，驱动电流与上述光信号监测传输模块的信号输入引脚9连接，驱动发光二极管2发光。发光二极管2进入光纤6的部分（光信号PS），经光纤6传递至低压侧，完成混合电信号US由高压侧到低压侧的传输，完成上述公式2的线性关系。同时光电二极管3受到光照后输出反馈电流IP，反馈电流IP的大小与光照强度成正比，完成上述公式3的线性关系。
信号输出引脚1与信号判断驱动模块内的转换电阻相连，由抓换电阻将反馈电流IP转换为反馈电压UP，完成上述公式4的线性关系，反馈电压UP由第二电压采集模块采集并送至微处理器内，进一步满足公式5的线性关系。
信号判断驱动模块中的微处理器通过分别对第一电压采集模块和第二电压采集模块送入的混合电信号US和反馈电压UP进行同步采样，每次监测时进行两次采集，当两次采样得到的电压值UP/US比值的绝对值小于某一阈值时，即表示信号S输出的电压信号与功率检测模块输出的电压信号呈线性关系；如果呈非线性关系则微处理器控制可控恒流驱动模块改变驱动电流的大小，实现对发光二极管2发光功率的控制，从而保证混合电信号US和反馈电压UP呈线性关系。
光信号PS由光纤6传递至低压侧之后，进入光电转换模块内，由光电转换模块将光信号PS，转换为混合电信号US’，混合电信号US’为经过传输后混合电信号US的衰减信号，混合电信号US’送入信号分离模块进行信号分离，分别得到电压信号UDC’和电压信号UAC’，电压信号UDC’和电压信号UAC’分别为经过传输后参考电压信号UDC和待传输电气信号UAC的衰减信号，由于参考电压信号UDC为已知信号，所以通过测量参考电压信号UDC和电压信号UDC’的衰减程度即可对应得到待传输电气信号UAC在传输过程中的衰减程度，因此可以计算得到待传输电气信号UAC，进而计算得到母线电流的大小。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于：如图3所示，在本实施例中，采用面积比发光二极管2面积小的光电二极管3，不将光电二极管3设置在外壳4内腔的侧壁上，将光电二极管3固定在发光二极管2的表面，因此在发光二极管2在发光后会照射到光电二极管3上，发光二极管2表面未被光电二极管3遮挡的部分通过聚焦透镜7聚焦后进入光纤6中，实现电信号从高压侧到低压侧的传递。实施例2的其他实施方式与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。