（电工理论与新技术专业论文）光学电流传感器数字信号处理系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 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 ) i so n eo f t h r e ek i n d so fn e w - s t y l ee l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r s i th a sp o t e n t i a lb e n e f i t so v e rc o n v e n t i o n a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r s ( c t s ) s u c h a s i n h e r e n th i g h v o l t a g ei s o l a t i o n ，i m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e n h a n c e m e n ti n s i g n a lb a n d w i d t ha n dd y n a m i cr a n g e ，e a s e o fi n t e g r a t i o ni n t of u t u r ed i g i t a lc o n t r o la n d p r o t e c t i o ns y s t e m sa n dw i l lb ew i d e l y u s e di np o w e re l e c t r i c a ls y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ew o r kp r i n c i p l e s o fo c tb a s e do nf a r a d a ye f f e c to f c r y s t a l ；s e v e r a lg e n e r a l l yu s e dt y p e sa sw e l la st h ec l o s e d l o o ps t r u c t u r eo f s e n s o rh e a dt h a t h a ss i n g l e l i g h t s o u r c ea n d d u a l l i g h t - p a t h t h e ns e v e r a ls e c o n d a r y s i g n a l - p r o c e s s i n gm e t h o d s o f o c ta r ed i s c u s s e d a na n a l y s i si s m a d ew h yt h em e t e r i n go u t p u ti sf l u c t u a t e da n dt h er e a s o n sa r ef o u n do u t i na l l u s i o nt o e x i s t e n t p r o b l e m s ，s o f ts y n c h r o n o u ss a m p l i n g a n di i rd i g i t a lf i l t e r a l e a d o p t e d ；t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nd s pa n dv bi sm o d i f i e d ；t h ef l o wo fd s pa l g o r i t h mi s r e b u i l d e d ，t h u st h ee f f e c t i v ed a t al e n g t hi si n c r e a s e d a sar e s u l t , t h em e a s u r e m e n ts t a b i l i t y a n da c c u r a c yi se n h a n c e d t h e d i g i t a lo u t p u te r r o rs o u r c e s a r ei n d i c a t e da n dt h e i re r r o r sa r e q u a n t i f i e d d u et ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc ta n do c ti nm e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea sw e l la so u t p u t f o r m ，t h ec o n v e n t i o n a lc a l i b r a t i o ni n s t r u m e n tc a l l tb eu s e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo fo c t f o rn o a p p r o p r i a t ec a l i b r a t i o ni n s t r u m e n t ，o n l y t h er a t i oe r r o ro fo c tc a nb ev e r i f i e da n dn o w a yc a nv e r i f yt h ep h a s ee d o r i n2 0 0 2 ，a na u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o na n ds c a l i n gs y s t e m b a s e do nd s pw a sd e v e l o p e da n da c c o m p l i s h e d t h i ss y s t e mh a sn op e c u l i a rr e q u i r e m e n t o np o w e rs t a b i l i t ya n dc a l lb eu s e dt o v e r i f yt h ec u r r e n te r r o ra n dp h a s ee r r o ro fo c t s y n c h r o n o u s l y t h em e a s u r e m e n td a t ai ss a v e di nd a t a b a s ea c c o r d i n gt os e tc o m m a n d t h i s s y s t e mh a dp a s s e dt h e i d e n t i f i c a t i o n b yh u b e ii n s t i t u t e o fm e a s u r e m e n ta n d t e s t i n g t e c h n o l o g y ；i t sa c c u r a c ym e e t so 0 5c l a s s s ot h i ss y s t e mi ss u i t a b l et ov e r i f y0 2c l a s so c t i n l a b o r a t o r y f i n a l l y , a l lt y p et e s t sa n de m c t e s t sa r ed o n e ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a to c t a c h i e v e s t h e a n t i c i p a t i v ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e y w 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 rf a r a d a ye f f e c td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a c s a m p l i n g e r r o r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ；衣冲u 日期：加眸弘月一je t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：；农冲u r 期：d 列烽y 月i 胡 指导教师签名： 日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着现代电力系统向大容量、高电压的方向发展，传统的电磁感应式电流互感器 因其固有的传感机理而呈现出难以克服的问题。近年来，利用光纤和光电子器件的光 学电流传感器在高电压工程中获得越来越广泛的应用，是新型电流传感器一个重要的 发展方向。本章介绍了光学电流传感器的优点、发展概况、研究光学电流传感器的前 景意义、作者读研期间的工作以及全文的主要内容。 1 1 研究光学电流传感器的科学意义及应用前景 自1 8 8 4 年变压器问世以来，经历了一个多世纪，电磁式变压器类输变电设备得到 了充分的发展。然而，随着电力传输容量的不断增长和电网电压的提高，传统的电磁 感应式电流互感器已逐渐暴露出一系列的缺点：固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围 小、使用频带窄、制造工艺的复杂性、可靠性及造价等，难以满足电力系统发展的要 求。因此，寻求更理想电流互感器的任务已摆在我们面前。光学电流传感器( o p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r , 简称o c t ) 是新型电子式电流互感器中的一种。与传统的电磁式电 流互感器相比，光学电流传感器具有如下优点 1 】1 2 】： ( 1 ) 优良的绝缘性能，造价低 电磁式电流互感器高压侧与低压侧之间通过磁场耦合。它们之间的绝缘结构复杂， 造价随电压等级里指数关系上升。在光学电流传感器中，高压侧信息总是通过光纤传 输到低电位的，其绝缘结构简单，造价一般随电压等级升高呈线性地增加。 ( 2 ) 不含铁芯，消除了磁饱和等问题 光学电流传感器不用铁芯做磁耦合，因此消除了磁饱和现象而使互感器运行暂态 响应好、稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险 电磁式电流互感器二次回路不能开路，低压侧存在开路高压危险。而光学电流传 感器的高压和低压之间只存在光纤联系，因此可保证高压回路和低压回路在电气上完 全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，同时，因为没有磁耦合，消除了电磁 干扰对互感器性能的影响。 ( 4 ) 频率响应范围宽，动态响应范围大 光学电流传感器传感头部分的频率响应取决于光信号通过光路的时间，实际能测 量的频率范围主要取决于电子线路部分。电磁感应式电流互感器因存在磁饱和的问题， 1 华中科技大学硕士学位论文 难以实现大范围的测量，而无源式光学电流传感器有很宽的动态范围。 ( 5 ) 无易燃、易爆炸等危险 电磁感应式电流互感器一般采用充油办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在 易燃、易爆炸等危险。而光学电流传感器绝缘结构简单，可以不用油绝缘，在结构设 计上就避免了这方面的危险。 ( 6 ) 体积小、重量轻，给运输和安装带来很大方便。 ( 7 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流 综上所述，光学电流传感器具有传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点，是 传统电流互感器较为理想的替代品。另外，光学电流传感器还能节省大量贵重金属材 料，对保证电力设备的运行安全具有极其重要的社会意义和经济价值。因此，己成为 电流互感器研究的一个热点。 1 2 国内外光学电流传感器的发展概况 国内外o c t 的发展始于五六十年代，经过四十多年的发展，其研究发展历程大致 经历了以下三个阶段： ( 1 ) o c t 的理论探索阶段 这一阶段大致在5 0 至7 0 年代，主要工作集中在用光学方法测量电流、电压可行 性的论证。这一阶段工作的重点在于传感头的机理和传感头的设计及与传感头的相应 的数据处理电路。但这一阶段基本上处于实验室模拟阶段，其方案是可行的，但运行 不稳定，准确级也不高。 ( 2 ) 挂网试运行阶段 这一阶段大约处于8 0 年代初到9 0 年代初。这一阶段的o c t 的研究取得了长足的 进步，其系统的稳定性、准确级有了很大的提高。一方面传感头的设计日趋成熟、性 能稳定；另一方面，数据处理系统、系统绝缘、系统安装都取得了突破性的进展，先 后有样机挂网运行，并且取得了比较满意的效果。比较突出的例予有： 1 9 8 6 年美国田纳西州流域电力管理局( t v a ) 在其所属的c h k a m a u g a 水坝电力 编组站安装了第一台单相高电压光学计量用的电流互感器，可靠运行两年后拆除。t v a 在1 9 8 7 年第二次安装的光学计量系统在m o c c a s i n 电站，此次系统由第一次的单相计 量扩展为三相计量。经过6 个多月的测量，全光学系统和传统油浸式电磁型互感器误 差相差不到l i j j 。t v a 在它所属的o g l e t h o r p e 站和w i n d o w c r e e k 化石燃烧站之间的 电力编组站安装了第一个以光学电流传感器为基础的继电保护系统，到1 9 9 0 年9 月报 道为止，比较的结果是令人鼓舞的。仅在1 9 9 0 年7 月8 日一天，光学电流传感器就正 2 华中科技大学硕士学位论文 确地响应了由于雷暴雨而引起的6 次故障。 日本东京电力公司与东芝公司合作。1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月将研制的g i s 设备 4 1 1 5 1 1 6 1 用的o c t 安装在制造厂的条件下长时间试验，一直能很好运行，试验数据 符合j e c l 2 0 1 标准。 1 9 9 1 年1 月a b b 电力t & d 有限公司公布了用于计量和继电保护用的3 4 5 k v 电 站的光学电流测量系统【”，并在运行四个月后，与标准的c t 比较，所展现出来的仅是 o 4 的误差。 从1 9 8 2 年开始，日本n g k 公司、日立公司、东京电力公司、住友电气公司等先 后研制了4 0 0 0 a 、3 0 0 k v 的o c t ，分别达到日本电气技术协会j e c l 2 0 1 1 p s + i t 和l t 级互感器标准。 ( 3 ) 实用化、产品化阶段 这一阶段由9 0 年代至今，o c t 测量逐步向高压、超高压和特高压方面深入。许 多公司竟相开发o c t 产品以占领市场。1 9 9 3 年底，德国研制的o c t 在1 1 0 k v 变电站 中运行。1 9 9 4 年美国a b b 公司生产的o c t 用于5 0 个变电站中，系统电压从7 6 5 k v 到7 6 5 k v ，额定电流从6 0 0 a 6 0 0 0 a ，准确级满足i e c l 8 6 、i e c 2 5 50 2 级标准。1 9 9 5 年，法国通用电气阿尔斯通输配电部( g e ca l s t h o mt d ) 产品目录上也列出了 o c t 、组合式光学电流电压传感器，其7 6 5 k v 产品测量准确级达o 1 5 级。1 9 9 7 年， a b b 电力t & d 公司又研制出组合式光学电流电压传感器，其中电流测量准确级达到 i e c l 8 5 等级0 2 ，电压测量准确级达到i e c l 8 6 等级o 2 。 目前，光学传感器正处于实用化、产品化的推广应用阶段，我国的o c t 、o v t 研究以1 9 8 2 年9 月在上海召开的“激光工业应用座谈会”为起步，先后有多家单位进 行了这方面的研究，主要研究单位有电子部2 6 所、清华大学、电力科学研究院、陕西 电力局中试所、上海互感器厂、北方交通大学和华中科技大学等。华中科技大学先后 于1 9 9 3 年将1 1 0k v 独立式单相o c t 、o v t 喁蛙网于广东新会大泽变电站，1 9 9 8 年 又将独立式三相o c t 、o v t 挂网于新会电力局三江变电站，在此基础上，2 0 0 0 年又与 华中电力集团合作研制了5 0 0 k v 组合式光学电流电压传感器【9 】，不久将挂网于河南省 南阳5 0 0 k v 变电站试运行。 1 3 课题来源及本人研究生期间的主要工作 由于光学电流传感器在电力工业中的重大意义，为了促进光学电压电流传感器的 发展，江苏如皋高压电器厂与华中科技大学签订协议，共同开发1 1 0 k v 光学电流传感 器、1 1 0 k v 光学电压传感器、2 2 0 k v 组合式光学电压电流传感器。 3 华中科技大学硕士学位论文 本人研究生期间参与了与江苏如皋高压电器厂合作课题“1 1 0 k v 光学电流传 感器”、“2 2 0 k v 组合式光学电流传感器”课题的二次信号处理方案制定与二次信 号处理系统的开发研制，在研制的过程中，我们吸取了以往研究的经验教训，并 借鉴国外的一些研究成果，对o c t 做了一些改进工作，力图提高其性能，主要工 作有： ( 1 ) 基于浮点d s p 芯片编写1 1 0 k v 、2 2 0 k v 光学电流传感器的计量数字输出的 数字算法及调试。 ( 2 ) 参与数字输出接口的长期准确度、稳定性试验，分析出引起计量输出波动是 由于原有数字算法采用了异步采样、f i r 滤波器和d s p 与v b 间通讯协议传输有效数 据位数不足，针对上述问题，对数字算法进行了改进。 ( 3 ) 由于o c t 和c t 测量原理及输出型式完全不同，不能使用原有的传统校准 系统来校验o c t 。以前的o c t 校准时，由于没有合适的o c t 校准系统，基本上只可 对模拟输出的被测电流幅值进行校准，而不能对测量的角差进行校准。作者于2 0 0 2 年参与研制出一套基于d s p 的o c t 数字信号采集及误差标定系统，该系统对电源没 有特殊要求，可以同时对o c t 的比差及角差进行标定，并自动记录到数据库中。此系 统已通过湖北省计量局的认证，准确度为o 0 5 级，可用在实验室进行o 2 级o c t 的标 定及试验。 ( 4 ) 指出影响计量数字输出的误差源，从理论上分析误差产生的原因，给出定量 分析结论。 ( 5 ) 设计了监控1 1 9 k v 、2 2 0 k v 光学电流传感器的计量模拟输出口性能的数字算 法及程序编写、调试。 本文由5 章组成： 第1 章简述了课题来源与意义，综述了国内外的研究现状，介绍了作者的主要工 作及全文主要内容。 第2 章概述了电流传感器的传感原理、分类及我们在11 0 k v 、2 2 0 k v 光学电流传 感器中使用的传感头的结构。 第3 章首先介绍了光学电流传感器二次信号处理的一般方法，分析出原有计量输 出波动是由于采用了异步采样、f i r 滤波器、平方和子程序流程混叠以及d s p 与上位 机间通讯协议传输有效数据位数不足等。针对上述问题，基于均方根算法的数值算法 原理重新设计了光学电流传感器的计量数字输出方案，采用软件同步采样方式、i i r 滤波器、修改平方和子程序流程及d s p 与v b 间的通讯协议，增加传输的有效位数， 给出了相应的硬件框图、d s p 软件算法流程框图及上位机软件算法的流程框图。另外， 还着重阐述了0 0 5 级计量兼误差校正系统的设计思想。 4 华中科技大学硕士学位论文 第4 章从理论上分析了计量数字输出误差产生的原因，给出定量分析结论。 第5 章概述了1 1 0 k v 光学电流传感器的试验情况，给出测试数据和检测报告，最 后对全文总结并展望了有待进一步开展的工作。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 光学电流传感器基本原理 光学电流传感器是一种利用光学方法敏感电流，采用相应的数据处理算法，实现 电流测量和保护功能的装置。本章将简要介绍光学电流传感器的传感原理，光学电流 传感器的类型及我们目前使用的单光源双光路传感头。 2 1 法拉第磁光效应 光学电流传感器的传感原理基于法拉第磁光效应1 15 1 ，即f a r a d a y 效应：线偏振光 在与其传播方向平行的外界磁场作用下通过磁光材料时，其偏振面要发生偏转，如图 2 1 。 甜囊壳 图2 - 1 f a r a d a y 效应原理图 法拉第磁光效应是磁场与光相互作用所产生的一种效应，其旋转角日可表示为 p = y p 万 ( 2 1 ) 式中： v 材料的v e r d e t 常数，它与材料特性、光源波长及外界温度有关： h 被测电流所激励的磁场强度： 光束在介质中通过的路径： 立方晶体或各向同性材料的法拉第效应可解释为：因为线偏振光可以表示成左、 右旋圆偏振光之和，其磁化强度取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光与左旋圆偏振 光的折射率差。例如以琼斯矢量来描述入射的平面偏振光，可以表示为左、右旋圆 6 华中科技大学硕士学位论文 偏振光之和 州= 钏+ 群l 这里： 为右旋圆偏振光的琼斯表达式， ( 2 2 ) ! f 为左旋圆偏振光的琼斯表达式。 这两束圆偏振光在经过材料中的l 光程后出射，相对于入射光波均有一个相移 占= 一2 s r n l 3 , 。因此，出射波可以写作： q e o h 1 1 e j 2 a + e ：oh 1 卜叫2 p 。， 式中：n ，为右旋圆偏振光的折射率，n ，为左旋圆偏振光的折射率。 式( 2 - 3 8 ) 可以改写为： 口：2 , , r ( n ，r - n ) l 2 兄 妒= 掣 = 要( _ 一一) ， = 要( _ + ” 并代入式( 2 3 9 ) 中，整理可得 诋e ”扭i c o 邺s ( o 爿) 式( 2 5 ) 表示的是一个与入射平面偏振光成e 角的平面偏振光。 是平面偏振光，但偏振面旋转了一个角度e 。 f 2 5 1 换言之，出射光仍 对于给定的f a r a d a y 材料 1 7 】1 18 l 【2 0 j ，偏振面的旋转方向仅由外磁场方向决定，而 与光线的传播方向无关。通常选用法拉第磁光效应强的物质制作电流传感头。当光行 进的路线依安培环路定律围绕载流导体闭合时，式( 2 1 ) 可变为一环路积分： 一一 7 4 g 、，j a 啦 叫研一 p l = l 一 ，。l + m州 呻 打 一 p l，i_ 一h一 r，、l 怛幸 知一 p 曼2 = 乞 令 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = i = = = = = 口 e = v f 豆蕊= v i ( 2 - 6 7 ) 积分的结果只与电流有关，需要指出的是：只有在环路中传播的线偏振光的偏振 态能够保持不受磁场以外的外界条件的影响，即保持线偏振而不蜕变为椭圆偏振光这 一条件被满足时，上式才能成立【2 1 2 2 1 1 2 3 1 。 厂l _ 匪卜宁 童 团， 瑚s 由 l l e d 光源驱动电路2 一光源l e d3 一传输光纤4 准直透镜 5 一偏振棱镜6 一光学传感头 7 一电流母线 8 一偏振棱镜 9 一耦合透镜l o 一光电探测器i1 一二次信号处理单元 图2 - 2o c t 运行原理示意图 基于f a r a d a y 效应的光学电流传感器原理框图如图2 2 所示，处于地电位的光源发 出的特定波长的光信号，用光纤传输到高压区，经过准直透镜变为平行光，再经过起 偏器变为线偏振光，线偏振光受电流形成的磁场的作用发生偏转，检偏器将偏转角度 的大小转换为光强的变化后，携带电流信号的光信号又经光纤传到地电位侧，经二次 信号处理单元处理后，解调出电流信息。 2 2 常用光学电流传感器的类型 光学电流传感器在技术上大体可分为两类：功能型光学电流传感器和非功能型光 学电流传感器。 ( 】) 功能型光学电流传感器 功能型光学电流传感器的传光元件和传感元件都采用光纤。全光纤光学电流传感 器 2 4 j 中的光纤既是传感部件又是传光介质，结构框图如图2 3 ，传感头示意图如图 2 - 4 ( c ) 。这种传感器目前尚不能理想地消除光纤因内在的不完备或弯曲导致的线性双折 8 华中科技大学硕士学位论文 射，同时光纤的v e r d e t 常数很小，大约为10 6 r a d a 。虽然增加环绕在电流导线周围的 光纤匝数可以提高测量的灵敏度，但是又会引入更多的线性双折射。近2 0 年的研究表 明，通过在单模光纤中引入大量的固有圆双折射及光纤匝退火等方法可以克服线性双 折射的影响。美国3 m 公司团】的产品是这一领域比较成功的例子。这种传感器具有结 构简单、灵敏度可按光纤长度进行调节等特点，但在实现挂网过程中遇到保偏光纤长 期稳定性的问题，需在光纤工艺性能方面进行深入的研究。 图2 - 3 全光纤型o c t 方框图 低 电 位 一 ( 2 ) 非功能型光学电流传感器 非功能型光学电流传感器 2 6 1 传光元件采用光纤，传感元件采用磁光材料。这种传 感器可以通过精心选择传感头的光学材料与结构，研制出高性能的光学电流传感器， 但也存在加工难度大、传感头易碎、成本较高等缺点。此类传感器还可分为加集磁环 式与闭环式两种： 加集磁环式光学电流传感器口7 】 2 8 】的块状条形传感器可以放在集磁环的气隙中或 搁置在电流母线排的附近来敏感电流感生的磁场，如图2 - 4 ( a ) ( b ) 所示。 a 集磁环式o c t 传感头b 感应式o c t 传感头c 全光纤o c t 传感头 图2 4 块状及全光纤传感头 9 华中科技大学硕士学位论文 严格来说，块状条形电流传感器实际上测量的是电流产生的磁场而不是电流本身。 依据安培环路定律可知，当光行进的路线围绕载流导体闭合时，法拉第旋转角只与载 流导体的电流有关。所以一般把光路设计为块状闭合光路。围绕电流导线形成闭合光 路必然要利用光的全反射，这种传感器的设计首先要解决的是全反射引入的附加相位 差问题【2 9 1 。t a k a h a c h i 在1 9 8 3 年首先提出用双正交反射消除因全反射导致的位相差并 设计了如图2 5 ( a ) 所示的传感头 3 0 ：c h u 等人设计出一种三角形状的光学玻璃电流 传感头，根据电磁理论，线偏振光在传感头内以临界角发生两次反射，偏振态是不发 生变化的，当然这种传感头的反射面需要精确的加工，如图2 - 5 0 ) 所示；为了提高检 测的灵敏度，可以让线偏光在传感头内环绕多圈，如图2 5 ( c ) 所示的环形电流传感 头和( d ) 所示的条状传感头【3 1 1 1 3 2 1 。 图2 - 5 几种闭合光路传感头 目前，功能型和非功能型光学电流传感器都获得了深入的研究与积极的开发，前 者的缺点是易受周围杂散磁场的影响、测量结果跟光学电流传感器传感晶体与母线间 的位置有关。后者的测量特性只跟传感头的材料特性有关，影n n s t ) ，故其发展较为 成熟。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 我们使用的光学电流传惑器的测量原理 由于全反射的存在，线偏振光经反射后，它的两个正交量之间要产尘一个相位差， 这个相位差对测量灵敏度的影响与光纤中双折射所起作用相似，因而，传感头的输出 信号要受到被测导体位置及外界磁场的调制。为了解决此问题，在设计光学玻璃传感 头时必须有效地消除反射相差。在此，我们选择了正交双全反射法。正交双全反射法 是将构成封闭光路所需的每一次入射角4 5 。的全反射都设计成两次正交的全反射，由 于两次全反射的入射面是相互正交的，第一次全反射所产生的相位差在第二次全反射 中被抵消了，从而实现无相差全反射。对于全反射法，常采用块状或条状传感头结构。 我们采用的光学交流电流传感器的传感头的几何结构原理如图2 6 所示： 图2 - 6 光学交流电流传感器光路基本结构 由恒流源驱动一个2 = 8 5 0 n m 的发光二极管来提供一个恒定的光源，光经光缆中的 光纤从控制室传达到高压区的传感头。光经准直透镜变成平行光，再经起偏器成为线 偏振光，入射进传感头，通过传感元件时，在被测电流的磁场的作用下偏振面发生偏 转，然后经与起偏器的透光轴成4 5 。角的检偏器将偏振面角度的变化转化为光强的变 化。为了获取最大的磁光调制度，调整起偏器、检偏器的透光轴，使两者的夹角为4 5 。，根据马吕斯定律，被旋转角护调制后的输出光强为： 1 l 华中科技大学硕士学位论文 ，。：，。c 。s 2 ( 4 5 。+ 目) = 要( 1 一s t n 2 0 ) 铲l o c o $ 2 ( 4 5 。叫= 鲁( 1 + s i n 2 0 ) i 。为经过检偏器前恒定初始光强。 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 被测电网电流i 为交流信号，因而目亦为交流信号，在信号处理电路中将i 。、i ：进 行交、直流信号分离，可得 k 2 萼s 蚴k = 导 = 篆诅z 臼 k 2 扣口 k 2 鲁弘乏蚓脚 i = i 2 ii = 2 s i n 2 0 在目很小时，可以近似认为i 1 = i 2 一i 1 = 4 a ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) r 2 1 2 ) 其中，i 。、i “是光路1 交直流分离后得到的交流量和直流量，i 。、i 。是光路 2 交直流分离后得到的交流量和直流量。这样便可以求得口，从而得到被测电流i 的大 小。 作者的主要工作就是基于浮点d s p 目标板运用上述原理设计了1 1 0 k v 、2 2 0 k v 光 学电流传感器的计量数字输出，编写了相应的数字算法。程序调试通过后，进行了大 量的数字输出接口的准确度、稳定性试验，分析出引起计量输出波动是由于原有数字 算法采用了异步采样、f i r 滤波器以及d s p 传输到上位机的有效数据位数不足等原因， 针对上述问题，对数字算法进行了改进。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 光学电流传感器二次数字信号处理系统 数据处理方法的研究也是研发光学电流传感器的重要内容之一。它不仅直接影响 测量结果的正确与否，还可根据测量结果判断传感头的结构及工艺的优劣等。适当的 数据处理方法可以消除干扰因素对被测物理量的影响，真实反映被测量的大小。本章 概述了原有二次数字信号处理系统存在的影响系统准确度的一些问题，详细阐述了采 用同步采样、修改通讯协议等改进措施，重构了计量数字输出的软件算法。 3 1 二次信号处理系统的功能要求 光学电流传感器二次信号处理系统的目的是解调出被测电流信息，依据相关标准， 输出一定幅值和相位信息的电压信号，实现计量和继电保护d 3 。电子式互感器的输出 分为数字输出和模拟输出两种。对传统互感器而言，数字输出是一种新的输出形式。 按合同要求，1 1 0 k v 光学电流传感器额定一次电流为1 2 5 0 a ，2 2 0 k v 光学电流传感器 额定一次电流为2 5 0 0 a ，计量输出准确级均为0 2 级，保护输出准确级均为5 p 2 0 。在 光学电流传感器二次信号处理系统设计过程中，还要遵循i e c 6 0 0 4 4 8 【3 4 、 g b l 2 0 8 1 9 9 7 t ”】等国际国内标准的相关规定，因此光学电流传感器二次信号处理系统 应具备的基本功能有【3 6 】： 对光纤传输到控制室的光信号的解调 电流信号的高精度测量，具有较高的自动化水平 具有数字输出口或模拟输出口 二次信号处理系统运行状况的监控及失效判断 3 2 光学电流传感器二次信号处理的一般方法 3 2 1 交流，直流法 由前一章的原理分析可知，光学传感头将被测信号信息转换为光强的变化【3 7 3 s j 【3 “。 交流直流法主要用于传感头为单光路方式的场合。携带被测电流信息的光信号通过光 电探测器转换为电信号，经放大等一系列处理后就可以检测出被测信息。光强为i 的 光输入到传感器中，输出光强度受被测信号调制，调制系数为m ，m 为待测量的函数。 光检测器检测光信号后得到的电信号非常微弱，且交流调制度也很小。信号对各种干 华中科技大学硕士学位论文 扰十分敏感，其中原因之一是光源输出光功率的不稳定。假使光强调制为线性的，则 m 与被测量亦成线性关系。则到达光电探测器的光强信号可以表示为： i = i o a o + m 、 ( 3 1 ) 式中a 为包含所有损耗( 耦合损耗、光纤弯曲损耗、传输损耗) 在内的损耗系数。 显然，式( 3 1 ) 中第一项为直流信号，后一项为交流信号。如果用滤波器分别检测出信 号中的交流分量和直流分量，然后相除，则得到的输出电流信号 l 。生堕：m i o a ( 3 2 ) 可见，输出信号只与被测信号的调制系数有关，而与光源强度及各种损耗无关。 这种方法能有效地提高传感器的精度，还可以消除探测器及前置放大器增益漂移的影 响。 3 2 2 差动法 差动式处理方法主要针对双光路方式的探测信号，其结构一般为传感器含有一根 输入光纤，两根输出光纤，如图2 _ 4 。从两个光纤探测器p 矾、p i n ：上接收的光强分别 可表示为 i = 厶a ( 1 + m )( 3 3 ) 厶= i o a ( 1 一m )( 3 4 ) 式中，i 。、口、m 的意义同前。将这两个差动信号放大后做( 3 5 ) 式处理，则得到 输出信号 ，2 _ l o a m 一- i f o a m ：2 m 0 - 5 ) o ao 口 可见，输出信号不受光源强度变化的影响，而只与被测信号有关。其不足之处在 于要求两光电探测器的灵敏度和其他参数必须高度匹配，且要用两套增益、带宽均相同 的放大器，对于器件的选择比较严格，成本较高。 交流直流法和差动法都是光学电流传感器常用的二次信号处理方法。这两种方法 1 4 华中科技大学硕士学位论文 都能很好的消除耦合损耗、光纤弯曲损耗、光纤传输损耗等损耗。不同之处在于差动 法是双光路，交流直流法是单光路，采用差动法的光学电流传感器的灵敏度比采用交 流直流法的光学电流传感器的灵敏度高一倍，且抗共模干扰能力强。在光电转换信号 强，信噪比大时，使用这两种方法都能得到较为理想的准确度。在光电转换信号小时， 采用差动法可以有效地提高测量系统的信噪比。1 1 0 k v 光学电流传感器额定一次电流 为1 2 5 0 a ，当一次电流只为额定一次电流的5 时，光电转换信号非常微弱，因此二次 信号处理采用差动法，可以提高系统的测量灵敏度。 3 3 信号处理方式的选择 采用模拟信号处理方式，系统的稳定性受元器件温漂时漂的影响，从而严重影响 了光学电流传感器的长期稳定性，而且处理灵活性不高。为了提高运行的稳定性，可 以采用数字信号处理方式。两种方式比较如表3 i ： 表3 - 1 模拟和数字信号处理方式的比较 f 一一1 ”一一“一= 一一一一一一一一”。= ”“。一“ l信号处理方式的比较 i 高频信号的i ： ：可以处理包括微波毫米波乃至光波信号 处理 i i 按照奈准则的要求，受s h 、a d 和 处理速度的限制 根据采样定理，只要采样频率比所传递信息的最高频率大两倍以上，就可以还原 出原来的信号波形h 0 1 h ”。携带被测电流信息的光信号投射到光电探测器上转换为电信 1 5 华中科技大学硕士学位论文 号，经放大等简单的预处理后，被高性能的a d 采样，然后在高速数字信号处理器中 通过数字算法求出电流值。这种信号处理方式抗干扰能力强，复杂的运算直接由计算 机完成，易于实现数字接口，可以提高整个系统的精度和长期稳定性。 3 4 原有二次数字信号处理方案及存在的问题 原有二次数字信号处理方案是指由研究生周向阳设计的初步方案【4 2 j ，他粗略的给 出了基于d s p 的软件算法脚j 和上位机算法后毕业离开了。由于我们研发的1 1 0 k v 、 2 2 0 k v 光学电流传感器计量输出准确级为0 2 级，对系统准确度的要求较高，所以在 设计过程中应尽量消除或减小影响测量准确度的因素。作者接手后，在实验室对其设 计方案进行了大量的实验，包括a d 采样线性度实验、光功率波动对测量结果影响实 验、系统的线性度实验、样机长时间运行稳定性实验等，得到了大量实验数据，并根 据实验结果，分析出原有二次信号处理设计方案存在以下影响系统准确度的问题： ( 1 ) 异步采样方式对计量通道准确度的影响 原有二次信号处理系统方案采用的是异步采样，假定电网频率为某一定值，根据 这一定值和每周波内的采样点数确定定时器的定时值，以此实现同步。这种异步采样 实现简单，硬件要求低，但精度不高。当电网频率与这一定值不符或发生变化时，异 步采样的同步误差相当大，故对精度要求较高的场合是不适用的。这时，必须改用软 件或硬件同步方法。 ( 2 ) 光功率波动对计量通道准确度的影响 光功率的波动来自两个因素：一是光源自身发出的光在长期运行时会上下波动： 二是由于外界因素的影响作用于光路系统上也会引起光功率的波动。从理论上讲，运 用单光源双光路补偿原理的数据处理方案可以完全消除光功率波动对计量通道准确度 的影响( 见公式2 - 9 、2 - 1 0 ) 。但在实际处理时，当被测一次电流不变时，倘若光功率上 下波动，则反映被测电流大小的交流电压也是上下波动的，从而引起测量误差。 ( 3 ) f i r 数字滤波器对计量通道准确度的影响 原有数字算法设计中，在数字除法和减法后还包含了一个f i r 滤波程序，它用来 得到基波，滤除谐波。而且用数字滤波器代替模拟滤波器，可以消除温漂和时漂的影 响，提高系统的稳定性，增加了使用的灵活性。应该说，原作者的设计出发点是正确 的。可是经过我们的长期观察，：j | 砸9 量出的电流值波动较大，比差和相差值很不稳定， 尤其是相差。经过我们的分析，觉得在此处使用f i r 滤波器是不恰当的，原因如下： 一是使用各种方法设计的f i r 滤波器的阻带范围内幅频曲线为等波动曲线，不能保证 谐波被很好的抑制；二是f i r 低通滤波器通带范围内相频特性为线性相位，这种特性 1 6 华中科技大学硕士学位论文 本来是f i r 滤波器的一个优点，此处却对我们的测量准确度影响很大，在额定频率范 围内，频率的微小变化会使输出信号相位相波动几度，很难满足0 2 级的准确度对相 位差的严格要求。 ( 4 ) 指令目的地址错误使得求采样值平方和时多累加了一次。 编写d s p 软件算法时，由于原作者使用跳转指令的目的地址失误，使得求采样值 平方和程序中不该被执行的子程序多执行了一次，使平方和值累加了6 5 次如果此时采 样值位于过零点影响较小，如果位于峰值附近，则会产生很大的误差影响系统测量的 准确度。 ( 5 ) 原有d s p 与p c 机通讯协议对计量通道准确度的影响 d s p 计算出一个周期内采样点平方和等电参量的信息后，通过r s - 2 3 2 发送给上 位机v b 程序的接收端口接收，进而求出电流的幅值和相位。原有d s p 与p c 机通讯 协议中只发送了采样点电流平方和等电参量信息的高十六位。试验结果证明，这种协 议降低了测量结果的准确度，因此必须改进。 针对上述问题，作者对二次数字信号处理方案的采样方式、数字滤波算法、软件 算法流程结构、通讯协议进行了彻底地修改，重构了计量数字输出的软件算法。采用 改进算法的l l o k v 光学电流互感器在国家电网公司电气设备质量检测中心对进行了准 确度试验及复试，试验结果表明达到0 2 级的准确度。 3 5 改进的光学电流传感器二次数字信号处理方案 3 5 1 光学电流传感器电参量的数值算法原理 电流、电压和电功率是反映电力系统中能量转换与传输的基本电参量，是电力系统 计量的重要内容。对它们采样和计算的方法主要有两种直流采样法和交流采样法一1 。 直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测 量的数值，软件设计简单，计算方便。但直流采样法存在一些问题：测量精度真接受整流 电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直 流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同 时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化给计算结果带来了误差。因此，要获得高精 度、高稳定性的测量结果，须采用交流采样技术。交流采样根据应用场合不同，其算法也有 很多种，按照其模型函数，大致可分为正弦模型算法，非j 下弦周期模型算法。其中正弦模型算 法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等：非正弦模型算法有均方根 算法、付里叶算法等，各种算法都有其优缺点，在电力系统中的应用也不相同1 4 5 】【4 6 1 4 7 1 。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 在实际电力系统中，连按有许多象换流设备、电气化铁道、电弧炉、电子节能设 备、家用电器等非线性负载，它们给电网注入各种谐波电流。生产发电机的工艺限制 也使发电机发出许多高次谐波电压。因此，在这种情况下电压和电流很难由平均值或 最大值测取，为此电压和电流可按以下均方根法求取 电工原理中连续周期交变电压、电流有效值及平均功率的计算公式为： u = i = 居p 盔 扛p 西 p = 专j 硼) f ( f ) 斑 丁! 式中：u ( t ) 、i ( t ) 电压、电流的瞬时值 o - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) t _ 一交流电的周期 而微机所能处理的是