（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的光学电流互感器测试平台的研制.pdf

d e v e l o p m e n t o no p t i c a lcu r r e n tt r a n s f o r m e rt e s t i n gp l a t f o r m b a s e do nd s p c h i p h ej i n g y u ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rk a n gz h o n g i i a n a b s t r a c t o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( o c t ) ，b a s e do nt h ef a r a d a ym a g n e t o - o p t i c a le f f e c t ，i s e x c o g i t a t e da san o v e lc u r r e n tm e a s u r e m e n td e v i c ew h i c ht a k e st h eo p t i c a lf i b e ra sam e d i u m i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sf a s tr e s p o n s e ，e a s yi n t e r f a c i n gw i t hd i g i t a ld e v i c e sa n d n o n c o r g s oi np o w e rs y s t e ma p p l i c a t i o n ，t h eo c ti sp a i dg r e a ta t t e n t i o na n dg i v e ng o o d d e v e l o p m e n ts p a c e i nt h ef u t u r e ，t h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rw i l lb e r e p l a c e db yt h eo c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eo c t sm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ed e s i g n ，t h r e e k i n d so fs i g n a lm e a s u r e m e n ts c h e m e sw h i c ha r es i n g l el i g h tp a t h ，d u a ll i g h tp a t ha n d i m p r o v e dd u a ll i g h tp a t hh a v eb e e nm a d ec o m p a r i s o n t h ed a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h mi s a n a l y s e d t h es y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n db l o c kd i a g r a ma r ee s t a b l i s h e d t h ee x p r e s s i o n o fo u t p u tl i g h ti sd e d u c e d t h a tt h el i n e a rb i r e f r i n g e n c ea n di n s t a b i l i t yo fl a s e rs o u r c e h i n d e r e dt h eo c t sp r a c t i c a l i t yi sr e a l i z e d i nt h i sp a p e r , t h eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e rt e s t i n gp l a t f o r mw h i c hb a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h eo c t ss i g n a lm e a s u r e m e n ts c h e m ea n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i sd e s i g n e d t h e t w op a r t so ft e s t i n gp l a t f o r ma r em e a s u r e m e n ts y s t e ma n ds i m u l a t e dl i g h ti n t e n s i t yg e n e r a t o r i nm e a s u r e m e n ts y s t e mh a r d w a r e ，d u a l - o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n tp r o c e s s i n gs c h e m ei s a d o p t e d t h ep r o g r a m m a b l ed i f f e r e n t i a la m p l i f i e ri st a k e nt oa c c o m p l i s hs u b t r a c t i o no p e r a t i o n t r a d i t i o n a la n a l o gd i v i s i o no p e r a t i o ni sr e a l i z e db ys o f t w a r ef o re l i m i n a t i n gi n t e r f e r e n c e s i g n a l si n t r o d u c e db ya n a l o gd i v i d e r t h e s et e c h n o l o g i e sa n di m p r o v e da n a l o gf i l t e r i n ga r e a d o p t e dt oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh a r d w a r es y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i ti s s i m u l a t e db yp s p i c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c yi nm e a s u r i n gc u r r e n ts i g n a l si s i m p r o v e da n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s er a n g ei sb r o a d e n e d i nm e a s u r e m e n ts y s t e ms o f t w a r e ， t h eh i g h o r d e rf i rd i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g yd e s i g n e db yu s i n gw i n d o wf u n c t i o n sm e t h o di s u s e df o rf i l t e r i n gs a m p l ev a l u e s t h ed e s i g n e df i r d i g i t a lf i l t e ri ss i m u l a t e db ym a t l a b t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，f i rd i g i t a lf i l t e ri se f f e c t i v e l yu s e dt os u p p r e s sn o i s e ，f i l t e rc l u t t e rs i g n a l s ， i m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e s t o r et h eo r i g i n a ls i g n a l i nl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，b a s e do np r a c t i c a lp r i n c i p l e s ，as i m u l a t e dl i g h ti n t e n s i t y g e n e r a t o ri sd e s i g n e db yd s pa n dd am o d u l et op r o d u c eas i g n a lw h o s ew a v e f o r mi s v a r i a b l ea n df r e q u e n c yi sa d j u s t a b l e ac o n t r o l l a b l el i g h ts i g n a lp r o d u c e db yg e n e r a t o ri su s e d t ot e s tt h em e a s u r e m e n ts y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n ts i g n a l sc o u l db ew e l l r e s t o r e db yt h ed s p - b a s e do c t sm e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hi s p r a c t i c a la n dh a sg o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；f a r a d a ym a g n e t o - o p t i c a le f f e c t s ；f i r ；d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ；s i m u l a t e dl i g h ti n t e n s i t yg e n e r a t o r n l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：缅二i 二乌 雠加p 年易月弓日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者虢缅盅吩 指导教师签名： 曰期：加伽年6 月弓e t 日期：切f 年6 月弓日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源及研究意义 第1 章前言 本课题为与北京许继电力光学技术有限公司的合作研究课题。 迅猛发展的现代经济，对电力系统的输电能力提出更高的要求，对电压和电流的质 量要求也上升到新的高度】。传统的电磁式电流互感器越来越跟不上时代的步伐，它 的体积庞大，结构复杂，危险系数大等缺点致使其实用化进程受到极大的阻碍，已经不 能满足现代电力系统在安全、可靠和经济运行方面的高标准要求，正逐步的退出历史舞 台。新一代电流互感器的领军者光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简 称o c t ) 正逐步登上现代舞台。新型光学电流互感器具有诸多优点： 1 ) 无填充油，不存在易燃、易爆等危险情况； 2 ) 光纤等介质材料的采用，最大程度避免电磁干扰； 3 ) 无铁芯，不存在磁饱和效应和铁磁共振效应； 4 ) 检测准确度高、频带宽； 5 ) 低压侧不存在开路时产生高压的情况； 6 ) 与数字装置通讯方便，宜于远距离传输； 7 ) 体积小，费用低。 这些优点得到专家们的广泛重视，为光学电流互感器取代传统的电磁式电流互感器 奠定坚实的基础。 高标准、现代化的电力系统为光学电流互感器提供广阔的展现其优点的大舞台【4 】。 1 ) 在继保系统中的应用状况。 光学电流互感器测量的频带范围大，动态范围广，很好的满足继保系统在速度、灵 敏度和可靠性方面的要求。 2 ) 在数字化变电站( d i g i t a ls u b s t a t i o n ) 中的应用状况。 数字化在变电站中的推广，加快光学电流互感器的实用化步伐。随着光学电流互感 器在变电站中的广泛应用，数字化电力网络的实现成为可能。 3 ) 在故障录波和故障定位中的应用状况。 当电力系统受到强烈的扰动时，系统的电信号中就会涌现丰富的频率信息和状态信 息。这些信息的应用价值很高，可用来完成暂态高速控制和电力网络的故障定位。将光 第l 章前言 学电流互感器应用到故障定位系统中，可解决传统系统存在的易受磁场影响等缺陷，有 效提高故障定位的精准度。 综上所述，光学电流互感器在电力系统测量、保护和控制方面影响重大，必然对其 动态特性提出较高的要求。但是，现场中的千安级电流信号在实验室环境中不易获得和 控制，且容易对光学传感头造成毁灭性的损坏，从而阻碍光学电流互感器的动态特性研 究进程。 本课题紧随科学发展的步伐，针对光学电流互感器的运行特性展开理论研究和试验 分析，设计基于d s p 的测试平台，实验模拟光学传感头的输出进行测量。该研究方案不 仅降低实验成本，而且能够消除损坏光学传感头的危险，并充分模拟光学电流互感器的 现场工作环境，推进其动态特性研究进程，具有非常必要的学术意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 光学电流互感器的发展历程 从上个世纪六十年代起，科学界兴起对光学电流互感器的研究【l 】。经过十年时间， 七十年代的时候，研究进入高潮时期。八十年代，美国、日本和中国三个国家对光学电 流互感器的研究贡献较大，投入大量的人力和物力，取得较为理想的成果5 】【6 】。 很多美国的电气集团都成立以研究基于法拉第磁光效应的光学电流互感器为方向 的课题组。这些课题组在日本和德国的研究基础上深入挖掘，在1 9 8 6 年成功实现光学 电流互感器在1 6 1 k v 的高压电网中继电保护的挂网。 九十年代，各个课题组都取得显著成果。这些成果中，无源式光学电流互感器发展 较快，在实用化的道路上走的较远，以a b b 公司研发的6 9 k v 7 6 5 k v 电压等级的光学 电流互感器最具代表性。 在中国，很多科研单位和高等院校都有科研工作者致力于光学电流互感器的研发攻 关工作，如北京许继电力光学技术有限公司、华中科技大学和哈尔滨工业大学等。由华 中科技大学研发的光学电流互感器将我国的研究进程推到实用化阶段。挂网试运行比较 稳定的当数同维电力公司生产的电子式电流互感器。为了解决光学电流互感器存在的检 测准确度的温漂难题和运行稳定性问题，华北电力大学和哈尔滨工业大学两大院校强强 联合，研发出自适应光学电流互感器，这款互感器的成功研发使我国的研究水准达到世 界领先水平。 2 1 世纪，对光学电流互感器的研究提出更高的要求，提出数字接口和校验等新课题。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为了规范指导光学电流互感器的发展，国际标准化组织在2 0 0 2 年制订电子式电流互感器 的标准( i e c 6 0 0 4 4 5 ) ，开启光学电流互感器的时代篇章。 1 2 2 光学电流互感器的研究现状 2 0 0 0 年，国际标准化组织明确规定，基于光学和电子学原理的电流互感器( e c t ) 是指一次转换装置采用传统的电流互感器、霍尔传感器、r o g o w s k i 线圈或者光学装置， 一次转换部分和二次转换部分通过光纤联接，通过电子元器件传送和放大信号，以模拟 量或者数字量作为输出信号的装置【7 】【8 1 。 在产品开发方面，针对e c t 的研究分为两个方面，一方面是以f a r a d a y 效应测量为基 础的电子式电流互感器即光学电流互感器，另一方面是配置有光纤的传统电流互感器， 其中前者是本文的研究重点。对于现阶段的光学电流互感器存在以下几个主要问题： 1 ) 受外界环境的影响。外界环境对光学电流互感器的影响主要是由温度造成的， 温度的变化引起磁光玻璃的费尔德( v e r d e t ) 常数产生变化，影响测量准确度；同时， 温度的变化会导致发光二极管l e d 的波长产生变化，而变化的波长同样会引起费尔德常 数变化，最终影响测量准确度。 2 ) 光学系统在稳定性方面存在缺陷。由于要求较高的测量准确度，所以要精准定 位光学部件，要求较高的组装技术。在组装的同时，要尽力避免组装应力，因为微小的 组装应力都会引起双折射，影响系统的稳定性。为消除双折射的影响，采用双光路系统， 却又增加光路的复杂程度。 3 ) 系统互联性和兼容性差。由于没有统一的标准规范输出接口和产品的研发，致 使光学电流互感器与常规电流互感器在互联时出现不同步的问题。 4 ) 可靠性存在问题。在光学电流互感器的实用化过程中，系统的可靠性是一个严 重制约因素，这主要表现在系统电磁兼容性、系统热稳定性和电子元器件的可靠性方面 存在缺陷。 为了解决光学电流互感器存在的诸多缺陷，科学工作者们在原有的互感器结构基础 上，经过不断的探索努力，一步步对其加以完善改进。现阶段，主要存在以下几种不同 “形态”的光学电流互感器： 1 ) 最经典的光学电流互感器 最原始的光学电流互感器也是最经典的，以后各种“形态”的光学电流互感器都在 它的基础上衍生而来，都基于f a r a d a y 磁光效应理论。 3 第1 章前言 f a r a d a y 磁光效应或者磁致效用是指自然光虽然不会受到外加磁场的直接作用，但是 通过光学各个方向性质相同的透明介质时，沿着磁场方向传播的平面偏振光会受到外加 磁场h 的影响，从而导致平面偏振光的偏振面发生角度的旋转现象【9 1 2 1 。 传统的光学电流互感器在f a r a d a y 磁光效应的理论基础上，推导受外加磁场强度h 影 响，在磁光材料中通过的线偏振光的偏振面旋转角度口，角度p 值等于被测电流周围磁 场强度的线性积分值，即 口2 日d ， ( 1 1 ) 一 斗 在光学电流互感器中，被测电流的检测要通过f a r a d a y 旋转角0 的测量间接获得。 但是，f a r a d a y 旋转角臼不能直接测量，而是利用出射光的光强信号间接推导旋转角0 的 信息，测量原理如下图。 起偏器检偏器 图1 1 光学电流互感器的工作原理 f i g l - 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r 工作原理：l e d 光源发射的光信号经多模光纤传送至起偏器，经起偏器起偏形成线 偏振光，其光强记为只。由被测电流形成的磁场强度为h 的磁场作用于磁光材料，所以 线偏振光在通过磁光材料时不可避免的受到磁场作用发生角度秒偏转。通过光电探测器 测量出检偏器的输出光强只为 p o = p ( 1 + s i n 2 0 ) ( 1 2 ) 经过理论推导，当起偏器的光轴与检偏器的光轴成4 5 。夹角时，输出光强灵敏度最 高，检测精度最理想。 光电探测器能检测光纤中的含有被测信息的光强信号，并将其以电压信号形式输出 至后续电子电路，经放大、滤波等处理手段加工后得到被测电流信号。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 ) 比较式的光学电流互感器 经典的光学电流互感器存在诸多问题，其中测量精度不稳定是其实用化进程上的一 个制约因素。为了解决这一问题，设计出一种新型的比较式光学电流互感器，将永久磁 体产生的恒定磁场作为参考磁场引入，通过比较参考磁场和被测电流磁场，得到最终的 检测结果 1 3 】【1 4 1 。系统的输出结果与被测电流成比例，只受参考磁场的稳定性决定，与材 料的费尔德常数以及双折射无关。在选择参考磁场时，应选择稳定性和磁力可逆性良好 的稀土材料永磁体，可以显著提高光学电流互感器的测量精度和系统的稳定性。 3 ) 干涉光纤型电流互感器 在抑制外界温度和振动等干扰因素方面，通过s a g n a c 偏振干涉方案设计的电流互感 器具有明显效果，测量原理如下刚1 5 】。 图l - 2 干涉光纤型电流互感器的工作原理 f i g l - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n t i a lf i b e r - o p t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r 光源发出的激光经起偏器变成线偏振光，然后经耦合器耦合后分成两路相同的线偏 振光。顺时针方向的线偏振光经过耦合器到达1 4 波片a 过程中，产生相位偏转。通过1 4 波片后，线偏振光变成右旋圆偏振光经传感光纤在b c 中间的环路中传送。光从c 出来后 又经过1 4 波片b 产生偏转。将两个1 4 波片的慢轴和快轴位置互换，那么在d 点就得到复 原的线偏振光，再次经过相位调制器调理。对比顺时针传播光和逆时针传播光的特性， 在输出的光强信号中通过电子电路处理得到信号中包含的电流信息。由于两路光线通过 的路径相同，但方向相反，因此经过干涉处理后能够很大程度的消除双折射、温度变化 和振动等带来的干扰。 4 ) 基于光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的新型电流互感器 随着光纤b r a g g 光栅传感技术的发明和应用，为解决传统的光学电流互感器存在的 5 第1 章前言 光纤诱导线性双折射问题提供可能。光纤b r a g g 光栅型互感器具有独特的优越性，高分 辨率、高稳定性、宽检测范围、高屏蔽性和宜于波长编码。基于这些优点，采用光纤b r a g g 光栅和超磁致伸缩材料( g m m ) 相结合的方法检测电流，形成新型的互感器【1 6 1 。 5 ) 正交双路光学电流互感器 正交双路光学电流互感器模型的提出能有效解决获取旋光角口时存在的延迟问题。 两路光路径相同的信号，通过两个角度差为9 0 。的检偏器，传至后续信号处理单元，其 基本框架如图 1 7 1 。 高速d s p 咂匦卜也卜 l 无源式电 k 翼卜1流互感器 h 苗i 咂堕卜衄卜 计算 一光纤i 光纤l 一l l 一 调羹 图1 - 3 正交双路光学电流互感器原理框架 f i g l - 3 f r a m e w o r ko f d u a lo r t h o g o n a lo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r 将两路信号的起偏器与检偏器夹角分别设置为4 5 。和1 3 5 。，两路检偏器互相垂直， 在计算模块中完成两路信号的差除以和运算后，进行反三角变换得p 值。 该模型存在的缺陷是检偏器安装角度因技术原因不够准确，导致光信号传输过程中 存在角度误差和衰减系数的不同。在进行反三角变换求取口值时，为减小误差，采用高 阶的泰勒级数展开，这对处理器的运算速度是一种考验。由于系统噪声等于扰因素和磁 光效应、电光效应引起的检测误差，导致测量值与被测值之间存在误差。 6 ) 基于螺线管聚磁光路传感原理的光学电流互感器 传统的光学电流互感器采用“光绕电 的光学传感原理，与之相对应的“电绕光” 原理则是让线偏振光直接穿过位于螺线管轴向方向的磁光材料来测量电流，具体原理如 图1 4 所示【1 8 】 19 1 。 螺线管聚磁光路传感结构的提出能有效简化光的传播路径，提高系统的稳定性，解 决传统的传感头存在的安装难题，具备较高的抗磁能力。线偏振光从条状的磁光材料中 穿过，到达偏振分束器后分别被光电探测器接收。由于偏振光沿直线传播，因此避免安 装保偏棱镜。直通式光路不存在发射面，也不含有双层光路结构，从而简化光学环节， 避免材质、光路结构、长度和光元件加工安装引起的误差。“电绕光的结构可加强磁 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 场的强度，从而使得相对较短的法拉第磁光材料能够得到较高的检测精度。该螺线管聚 磁光路结构适应于自适应光学电流互感器。 被测 料 图l - 4 螺线管聚磁光路结构 f i g l - 4 s o l e n o i dg a t h e r i n gm a g n e t i co p t i c a ls t r u c t u r e 7 ) 自适应光学电流互感器 结合传统的电磁式电流互感器和新型的光学电流互感器各自的特点，提出自适应光 学电流互感器( a d a p t i v eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ，简称a o c t ) 模型【2 0 】。该模型有电 磁式电流互感器和光学电流互感器两大部分，以各种自适应滤波算法为核心，有效的抑 制温漂对精度造成的影响。自适应光学电流互感器将电磁式电流互感器在稳态时良好的 检测准确度和光学电流互感器在暂态时理想的响应能力相结合，从而达到精确测量稳态 和暂态的目的，其工作原理如图1 5 。 图1 5 自适应光学电流互感器工作原理图 f i g l - 5w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fa d a p t i v eo p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r 在电力系统处于稳态时，自适用光学电流互感器通过平方根k a l m a n 自适应滤波环节 实时获得白适应校正系数矩阵。当系统故障时，横向滤波器组采用故障前一时刻的白适 应校正系数计算输出，避免外界环境对光学电流互感器在暂态测量中的干扰，提高故障 后的测量准确度。实时小波分析的采用能够有效的检测出状态转变瞬间被测电流中奇异 7 第1 章前言 点出现的时刻。 结构上，自适应光学电流互感器属于前馈控制系统，准确度较高，很大程度降低对 光学传感头准确度的要求，简化其物理结构。而结构的简化并不会降低系统性能，反而 能提高系统运行稳定性。 1 3 本文主要工作 本文针对光学电流互感器的动态特性研究进程受阻的问题展开研究，研制基于数字 信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o g r a m m e r ，简称d s p ) 的光学电流互感器测试平台，主要 工作如下： 1 ) 从光学电流互感器的工作原理出发，分析比较信号检测方案的优劣，研究数据 处理的数学算法，建立数学模型，理论分析影响光学电流互感器测量性能的因素，提出 相应的解决思想。 2 ) 测试平台的研制。测试平台包括测量系统和光强信号模拟器两部分。测量系统 包括前端微弱光信号的发送和接收环节、微弱电信号的差动放大及模拟滤波环节、a d 采样和数字信号处理环节四部分。d s p 的软件设计主要完成测量电路的工作时序控制、 差动放大控制、数字信号滤波和结果显示。光强信号模拟器的硬件主电路包括d s p 、数 模转换d a 以及平滑滤波环节三部分。通过d s p 软件编程，模拟产生波形可变、幅值和 频率可调的光强信号，用于实验测试。 3 ) 理论分析光信号检测处理电路中的光电探测器与后续电子电路中存在的干扰信 号，提出采用窗函数法设计的f i r 数字滤波技术结合程控差动放大器和软件除法运算， 可以提高光学电流互感器的动态特性测量性能。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章光学电流互感器运行特性的理论分析 自光学电流互感器问世以来，各研究机构均将其视为传统的电磁式电流互感器的替 代者。然而，在光学电流互感器的实用化进程中却障碍重重，主要障碍在于温度等外界 干扰因素对光学电流互感器的运行特性产生影响。本文在深入分析研究光学电流互感器 的测量原理和物理结构的前提下，分析比较单光路、双光路和改进的双光路三种信号检 测方法和数据处理算法，建立数学模型和系统框图，对光学电流互感器的运行特性展开 理论分析。 2 1光学电流互感器的基本测量原理 主流的光学电流互感器测量技术以法拉第磁光效应为理论基础，通过对被测量电流 产生的磁场进行数学线性积分间接实现测量电流的目的【2 1 1 。被测电流产生的磁场作用于 传播方向与其平行的线偏振光，使线偏振光在通过光学玻璃等介质时发生偏振面旋转， 如图2 1 所示。旋转的角度0 为： 入射的线偏振光 图2 - 1 法拉第磁光效应原理图 f i 9 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo ff a r a d a ym a g n e t o - o p t i c a le f f e c t - +_ 0 = v i ，h d ， ( 2 一1 ) 式中，是磁光材料( 磁光玻璃) 的磁导率；v 是磁光材料的费尔德常数，取值由光波 长、环境温度和材料的特性决定；日是被测电流产生的磁场强度；是偏振光在磁光 材料中传播的长度。线偏振光围绕被测电流形成回路，由安培环路定则得： 0 = v n i ( 2 2 ) 式中，是线偏振光围绕被测电流的圈数，i 是被测电流。 由式( 2 2 ) 可知，通过线偏振光的偏转角p 可以间接得到被测电流f 。偏转角0 不 能直接测量，因此借助马吕斯定律将偏转的光信号转化为可以测量的光强信号2 2 1 。马 9 第2 章光学电流互感器运行特性的理论分析 吕斯定律指明，当光强度为只的自然光经起偏器后，出射的线偏振光的光强度变为入射 自然光强度的一半，经检偏器后，出射的线偏振光的电矢量与检偏器的偏振轴平行，其 光强度为： 只= 只c o s 2 矽 ( 2 - 3 ) 式中，矽是起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴夹角。 在光学电流互感器中，由马吕斯定律可知，通过检偏器的出射光强为： = 只c o s 2 ( 矽一目) = 鲁 1 + c o s 2 ( 一口) 】 ( 2 - 4 ) 对偏转角0 求导可得： 婴：只幽2 ( 2 - 5 ) d 臼 4 所以，当= 万4 时，式( 2 5 ) 存在最大值，即输出光强只对偏转角0 的变化率最大， 检测灵敏度最高。由于法拉第旋转角很小，将矽= 石4 代入式( 2 - 4 ) 化简得到： = - 拿( 1 + s i n 2 0 ) 等a + 2 0 ) ( 2 - 6 ) 式( 2 - 6 ) 中，存在输入光强只和偏转角口两个未知量，通常采用三种方法：单光路信 号检测处理法、双光路信号检测处理法和改进的双光路信号检测处理法求解方程，最终 实现测量电流的目的。 2 2 三种常用信号检测方法的比较研究 在光学电流互感器的闭合光路中，偏转角p 仅取决于闭合光路内的电流值，而与外 界的磁场无关，具有显著的抗电磁干扰能力。目前，光学电流互感器三种常用信号检测 方法的基本功能是检测出偏转角的大小，补偿光源光强波动对输出信号稳定性的影响。 带通滤波以抑制噪声和提高信号输出信噪比，最大程度得到不失真的被测电流信号1 1 。 2 2 1 单光路信号检测处理法 单光路信号检测处理法的工作原理是：光源发出的直流自然光信号经光纤传至起偏 器，起偏后的线偏振光经闭合光路传送至检偏器检偏，检偏信号再经光纤传至光电探测 器接收，光电探测器完成光信号到电压信号的转换【2 3 】。该电压信号经交直流分离环节变 成两部分：交流电压信号和直流电压信号。其中，交流电压信号代表被测电流调制的信 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 号，而直流电压信号代表直流自然光信号。通过测量系统的模拟除法器，实现交流电压 除以直流电压( u a c u d c ) 的运算，运算结果是一个与直流光强无关，而与被测电流成 比例的电压信号。该信号经过放大、滤波和移相处理后就得到光学电流互感器的模拟测 量信号，如图2 - 2 所示。 、一 光探 交直流 减法器 除法器 测器 分离 放大器 匕信号 a c + d c d c 图2 - 2 单光路信号检测处理法原理框图 f i 9 2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fs i n g l e - o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c h 在单光路的输出信号中除去噪声部分，剩余信号都与法拉第偏转角成比例，即与入 射光强无关，而只与被测电流成比例。光源不稳定会引起光强波动，在单光路的信号检 测处理电路中通过除法电路和减法电路相配合抵消光强波动带来的影响。由于输出信号 中的噪声部分与光强有关，所以光源光强的波动会影响系统中噪声值。 单光路信号检测处理电路只有一条光路，因此结构简单，调整灵活，对光电探测器 和放大器的性能要求低，但对模拟除法器的精度要求较高。虽然该电路只能用来测量交 流量，但其输出信噪比较大且响应频带较宽，故在光学电流互感器的研究初期应用颇多。 下面针对采用单光路信号检测法的光学电流互感器的性能展开分析，光路图如下： 图2 - 3 采用单光路信号检测法的光学电流互感器光路图 f i 9 2 - 3o p t i c a lp a t hd i a g r a mo f t h eo c ta d o p t i n gs i n g l e - o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c h 线偏振光经过检偏器调制后，被光电探测器接收，输出光强为 只= 罢( 1 “n 2 9 ) 州f ) ( 2 - 7 ) 其中，刀( f ) 表示加性噪声。经交直流分离电路，得到直流分量昂c = ，作减法得到 第2 章光学电流互感器运行特性的理论分析 等s i n 2 0 + ，z ( f ) 。在忽略放大器影响的前提下，除以直流分量得到系统输出： 吒= s m 2 亏m ) 2 亏砸) q 8 ) 式( 2 8 ) 表明，系统输出中除含有与入射光强无光的被测电流信息外，还混杂着噪声 成分，该噪声成分与光强有关。表明光源光强的波动会引起系统输出中的噪声变化。系 统采用u a c u d c 运算补偿光源光强波动。 2 2 2 双光路信号检测处理法 双光路信号检测处理法采用和单光路信号检测处理法相同的手段从光学传感头中 得到光信号，区别在于双光路法中通过渥拉斯顿棱镜将输出光分成两束，使二者的振动 方向和入射光的振动方向互成- - i - 4 5 。夹角，输出光强分别为： 1 9 0 l - - 譬( 1 一s i n 2 0 ) 罢( 1 2 9 ) ( 2 9 ) p 0 2 扣s i n 2 0 ) 扣2 0 ) ( 2 - 1 0 ) 若被测电流为零，则输出的两束光信号的光强大小相等。经过渥拉斯顿棱镜分开的两束 光分别由各自的光电探测器转换成电信号。电信号经放大器放大后完成加法和减法运 算。根据式( 2 1 1 ) ，对和与差作除法及其它运算后，可得包含被测电流信息的0 值，如 图2 4 所示。 口：一1 墨 墨!( 2 1 1 ) 2 2 + e o l 图2 _ 4 双光路信号检测处理法原理框图 f i 9 2 - 4p r i n c i p l ed i a g r a mo fd u a l - o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c h 双光路信号检测处理法的输出信号与两路光强有关，因此要求两路光强信号均有良 好的稳定性，而这在实际中很难做到。除此之外，双光路系统较单光路系统复杂，对探 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 测器的性能要求较高，两者的测量精度等参数要求一致。同样，放大器的带宽和增益也 必须一致。 双光路信号检测处理法弥补单光路信号检测处理法不能测量交流的不足，对交、直 流信号都能检测，而且输出信噪比是单光路法的两倍，在现代光学电流互感器中得到广 泛应用。 下面针对采用双光路信号检测法的光学电流互感器的性能展开分析，其光路图如 下： 图2 - 5 采用双光路信号检测法的光学电流互感器光路图 f i 9 2 5 o p t i c a lp a t hd i a g r a mo ft h eo c ta d o p t i n gd u a l o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c h 线偏振光经分光器变为两个相互正交的分量且被探测器接收转换，转换前的光强信 号分别为p 0 1 = 等( 1 一s i n 2 0 ) + n l ( t ) 和e 0 2 = 等( 1 + s i n2 0 ) + n 2 ( t ) 。其中，t h ( t ) 、n 2 ( t ) 表示 加性噪声。经信号处理电路后输出 掣一掣s i n 2 0 + i n 2 ( f ) 1 ( f ) 】 玑，孽童卫孛甄五i i 而q 。1 2 理想情况下，晶= 鼻2 j i t h ( t ) = 1 2 ( f ) 1 ，则 u 。f = 一s i n2 0 - 2 0 = 一2 ( 2 1 3 ) 实际应用中，高性能的系统应满足只：一只 1 _ 且n 2 ( t ) - r 6 ( t ) 1 。设n 2 ( t ) 啊( f ) = n ( t ) r 记只l + 最= 2 p , ，简化式( 2 - 1 2 ) 得 1 3 第2 章光学电流互感器运行特性的理论分析 f 鬲一 协 一8 i 吨钆矗玄 通常情况下，刀 1 对式( 2 - 1 4 ) 应用泰勒展开且忽略高次项得 ，“n2 0 + 掣s i n 2 0 一2v + 竺盟 对比式( 2 8 ) 可知，噪声成分削减明显，且被信号调制。随着被测电流的减小， 噪声成分迅速衰减，该方法适合电流信号的检测。 2 2 3改进的双光路信号检测处理法 对双光路信号检测处理法加以改进，两路信号都增加“滤掉直流后再除以直流环 节，降低系统对光强稳定性的依赖性，提高系统对光源自身存在的光强波动和外界振动 一慧崩裟i 。c 降耐渊崩分离id cr a c 除法剁 一箍崩鬻d c 俐觚r光信号2 l 测器2 a c + d c1 分离l 。 i 二 减望h 燃岸 图2 - 6 改进的双光路信号检测处理法原理框图 f i 9 2 - 6p r i n c i p l ed i a g r a mo fi m p r o v e dd u a l - o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ta p p r o a c h 针对采用改进的双光路信号检测法的光学电流互感器的性能展开分析。线偏振光经 分光器后变为两个相互正交的分量由探测器接收转换，转换前的光强信号分别为 pp 1 = - 。4 - 1 ( 1 - s i n 2 0 ) + n a ( t ) 和2 = 二导( 1 + s i n 2 0 ) + r 2 ( f ) ，对其作减法和除法得 二 一s i n 2 0 + 2 n a ( t ) p 和s i n 2 0 + 2 他( ，再经减法器得 1 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 u 。，= 一2s i n2 p + 三旦! 童竺上号号拶 ：一4 p + 三【墨2 竺! 盟二墨! 1 2 蚴 ( 2 1 6 ) 鼻l e 2 一4 v i + 三 墨2 11 堕二墨! 竺2 盟3 只1 只2 设n 2 ( t ) ，z l ( f ) = n ( f ) 且晶= 鼻2 得 u 删一4 v i ( 2 1 7 ) 分析可得，此方法的显著优点是能有效抑制共模噪声，是三种方法中输出信号最大、 噪声最小的方法。与未经改进的双光路法相比，该方法在每一路信号中都增加“滤掉直 流后再除以直流”环节，有效降低光强涨落造成的影响。改进的双光路信号检测处理法 的致命缺陷是不具有测量直流量的功能。 通过对三种检测方法的比较分析，可知光学电流互感器的检测精度和响应频带受诸 多因素影响【2 4 1 。信号检测处理电路的设计以及所用电子器件的噪声、精度、灵敏度和频 响特性都是主要影响因素。显然，电路设计中选择抑制噪声能力强和频响特性好的元器 件对系统的检测精度和响应频带的不良影响最小。将优化数学算法与上述三种方法相结 合可提高光学电流互感器的检测性能。 2 3 数据处理的数学算法研究 数字信号处理器主要完成数据采集和数据处理两大功能，其中数据处理的优劣对检 测精度影响较大【2 5 】 2 6 1 。数据处理过程中，充分发挥数字信号处理器强大的数据处理能力， 采用线性的修正措施提高检测精度，扩展线性测量范围。式( 2 - 6 ) 所做的简化处理 s i n 2 0 2 0 ，将在测量结果中引入非线性误差，尤其是测量电流信号小的情况。非线性 误差推导过程如下： 假设y