（电力系统及其自动化专业论文）自适应光学电流互感器微弱信号检测方法的研究与实现.pdf

声明户明 i i i i l l l il l l l l l l l l l l l l l , l l l l l l t ll l l ll l l l l l l t l l l l l y 17 9 6 8 8 3 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光学电流互感器的实用化研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的浣明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：出户 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 p 卜j | q 聊虢拗 只朝 口口3 7 b 日 期：一! 12 。 华北电力人学硕十学位论文 摘要 为了提高自适应光学电流互感器( a o c t ) 的长期运行稳定性，本文在a o c t 的光学 传感部分采用抗磁性材料的螺线管聚磁光学传感头，并缩短了磁光传感材料，在a o c t 的信号处理部分设计了以d s p 2 8 1 2 为基础的d p s 2 8 1 2 m v 2 信号处理系统，并利用所设计的 信号处理系统实现了整周期累加平均的直流量分离法，同时在信号处理部分利用数字式 锁定放大器实现了微弱信号检测的功能，从而使a o c t 能够检测出淹没在强噪声中的微 弱电流信号。最后通过虚拟仪器l a b v i e w 仿真软件对检测系统进行检验。根据检测结果 可知，本论文所提出的方法能够准确地分离出a o c t 光学传感部分输出信号中的基本直 流量并能够精确地检测出交流电流信号的幅值。 关键词：自适应光学电流互感器，运行稳定性，数字式锁定放大器，d s p 2 8 1 2 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h el o n g - t e r mo p e r a t i o ns t a b i l i t yo fa d a p a t i v eo p t i c a lc u r r e n t t r a n s d u c e r ( a o c t ) ，t h i sp a p e ru s et h ed i a m a g n e t i co p f i c mm a t e r i a lo ns o l e n o i dc o l l e c t i n g m a g n e t i co p t i c a ls c t i s o fh e a da n ds h o r t e nt h el e n g t ho fm a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a l s t h ep a p e r d e s i g n e d t h ed p s 2 812 m v 2s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd p s 2 8 12i nt h es i g n a l p r o c e s s i n gp a r to fa o c t a n da c q u i r e dt h ed cc h a r a c t e r i s t i c sb yu s i n ga na v e r a g eo ft h e w h o l ec y c l ea c c u m u l a t i o no ft h es i g n a l t h ep a p e ra l s or e a l i z e dt h ew e a ks i g n a ld e t e c t i o ni n s e v e r en o i s ec u r r e n ts i g n a lb yu s i n gt h ed i 西t a ll o c k i n ga m p l i f i e rs ot h a ta o c td e t e c t e dt h e u s e f u lw e a kc u r r e n ts i g n a lf r o ms e v e r en o i s es i g n a l t h ep a p e rt e s t e dt h ed e t e c t i o ns y s t e mb y u s i n gt h es i m u l a t i o ns o t t w a r el a b v i e w a c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o nr e s u l t s ，t h em e t h o dw h i c h t h i sp a p e rp r o p o s e dc a l le x t r a c tt h ed cc h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l ya n dd e t e c tt h ea m p l i t u d eo f a cs i g n a l z h o uh a o ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l iy a ns o n g k e yw o r d s ：a o c t ，o p e r a t i o ns t a b i l i t y ，d i g i t a ll o c k i n ga m p l i f i e r ，d s p 2 8 1 2 华北电力人学硕十。z 位论文 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 1 有源型电子式电流互感器的测量原理2 1 2 无源型光学电流互感器的测量原理及分类4 1 2 1 光学电流互感器的基本原理4 1 2 2 光学电流互感器的分类5 1 3 国内外的发展概况7 1 4 光学电流互感器所存在的主要问题1 0 1 5 本论文研究的主要内容1 0 第二章自适应光学电流互感器的原理与改进方法1 2 2 1 自适应光学电流互感器的测量原理1 2 2 2a o c t 中所采用的螺线管聚磁光学传感原理一1 3 2 3a o c t 光学传感系统中磁光材料的性能分析1 5 2 4a o c t 光学传感系统中的噪声分析一1 5 2 5a o c t 传感头及光路的改进方法1 6 2 6 小结1 7 第三章a o c t 信号处理系统的原理与方法1 9 3 1 信号处理系统的基本要求1 9 3 2 单光源单探测器的直流量分离法1 9 3 3 微弱光电信号检测2 0 3 3 1 具有数字式锁定放大器的光学传感系统的基本组成2 0 3 3 2 基于相关检测的数字式锁定放大器原理2 l 3 4 改进后a o c t 的电流测量过程一2 3 3 5 小结2 4 第四章a o c t 信号系统的硬件平台设计一2 5 4 1a o c t 信号系统的硬件平台构成2 5 4 2a o c t 信号发生系统2 5 4 3a o c t 信号转换系统2 6 4 4a o c t 信号处理系统2 7 4 4 1 电源电路2 8 4 4 2 模数转换2 9 4 4 3t m s 3 2 0 f 2 8i2 m 基本系统3 0 4 4 3 1c p u 时钟3 0 4 4 3 2 存贮空问3 0 4 4 3 3g pj0 、s pi 、s cj 及c a n 一31 4 4 3 4 事件管理器3 l 4 4 3 5 定时器31 4 4 3 6d p s 2 8 1 2 m y 2 的复位与中断3 l 4 4 3 7j t a g 3 2 4 4 3 8t m s 3 2 0 f 2 8 12 工作方式的配置3 2 u 华北电力人学硕十学位论文 4 4 5 模拟输出3 2 4 4 6 数字输出3 3 4 4 6 1c s 8 9 0 0 a 概述一3 3 4 4 6 2c s 8 9 0 0 a 的包结构3 4 4 4 6 3c s 8 9 0 0 a 的访问模式3 5 4 4 6 4c s 8 9 0 0 a 的数据宽度3 6 4 4 6 5c s 8 9 0 0 a 的复位3 6 4 4 6 6 串行e e p r o m 3 6 4 4 7u a r t 接口3 7 4 4 7 1r s 2 3 2 接口3 7 4 4 7 2r s 4 8 5 接口3 7 4 5 j 、结一3 8 第五章a o c t 光学传感系统中信号处理部分的d s p 实现方法3 9 5 1 直流量分离的d s p 实现3 9 5 。2 数字锁定放大器的d s p 实现4 3 5 3 小结4 6 第六章a o c t 信号处理系统的检测实验4 7 6 1 直流量分离的的检测实验4 7 6 1 1 实验平台的搭建4 7 6 1 2 模拟信号输入配置及l a b v i e w 程序图4 8 6 1 3 实验过程及结果4 9 6 2 数字式锁定放大器的信号检测实验5 2 6 2 1 实验平台的搭建5 2 6 2 2 模拟信号输入配置5 3 6 2 3 实验过程及结果5 3 6 3 j 、结5 7 第七章总结5 8 参考文献6 0 致谢。6 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 5 1 1 1 华北l 乜力人学硕十学位论文 第一章引言 随着电力工业的发展、电网容量的扩大、电压等级的升高，电力系统对其自动 化程度的要求也越来越高，传统的变电站综合自动化技术的缺点也日趋明显。 数 字化变电站技术的出现对提高电力设备运行可靠性、保证电网安全与经济运行、减 轻运行人员的工作压力及减少误操作都有着重要的现实和经济意义，是未来变电站 发展的趋势【。而电子式电流互感器是数字化变电站中电能计量和保护控制的重要 设备，其测量精度和运行可靠性直接影响到电力系统的安全及经济运行。 电子式电流互感器有两个主要类别：l 、有源型的罗氏线圈原理的电子式电流互 感器；2 、无源型的法拉第磁光效应原理的光学电流互感器。 有源型的电子式电流互感器所采用的罗氏线圈原理是一种电磁耦合原理。罗氏 线圈是密绕于非磁性骨架上的空心螺绕环，输出的信号是电流微分信号。罗氏线圈 电流互感器消除了磁饱和现象，与传统电磁式电流互感器相比，提高了动态响应范 围【2 1 。然而，罗氏线圈在原理上不能测量重要的电力系统动态量一非周期分量；此 外，还存在以下缺点：高压侧需要工作电源；精度还受环境温度和电磁干扰的影响。 而采用法拉第磁光效应原理的无源型光学电流互感器不仅可以测量各种交流谐波， 而且可以测量直流量【3 1 ，具有与电流大小和波形无关的线性化动态响应能力。相对 于传统电磁式电流，无源型光学电流互感器互感器具有如下一系列优点f 4 】： ( 1 ) 高压与低压完全隔离，安全性高，有很高的绝缘性能。 传统的电磁式电流互感器的被测高压信号与二次线圈之间通过铁磁耦合，绝缘 结构复杂，其造价随着电压等级呈指数关系上升，而光学电流互感器是将高压侧信 号通过绝缘性能很好的光纤传输n - 次设备，利用光缆而不是电缆作为信号传输工 具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电流互感器二次开路给设备和人身造成的伤 害，安全性和可靠性得到很大的提高，其绝缘结构也大为简化，电压等级越高其性 价比的优势就越明显。 ( 2 ) 没有铁芯，从而消除了磁饱和及铁磁谐振等问题。 传统的电磁式电流互感器由于使用铁芯，所以不可避免地存在磁饱和及铁磁谐 振等问题，而光学电流互感器在原理上与传统互感器有着本质区别，不需用铁芯作 磁耦合，因此消除了磁饱和以及铁磁谐振等现象，从而使光学电流互感器的运行暂 态响应好、稳定性好，保证了系统运行的可靠性，特别适用于在高电压、大电流环 境下的故障诊断。 ( 3 ) 抗电磁干扰性好，低压侧无开路所产生的高压危险。 光学电流互感器高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，电流信号通过光纤传 华北电力火学硕十学位论文 输，一次回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧无开路所引起的高电压危险， 具有较好的抗电磁干扰能力。 ( 4 ) 动态范围大。 电网正常运行时电流互感器中流过的电流不大，但短路时电流很大，而随着电 网容量的增加，短路电流变得越来越大。电磁式电流互感器由于存在磁饱和问题， 很难实现大范围的测量，且同一电流互感器难以同时满足测量和继电保护的需要， 而光学电流互感器能够在很宽的动态范围内产生高线性度的响应。 ( 5 ) 频率响应范围较宽。 光学电流互感器频率范围主要取决于相关电子线路部分，互感器传感头部分的 频率响应取决于光信号通过光路的时间，频率响应的范围较宽，可以测量出高压电 线上的谐波，还可以进行电网电流暂念、高频大电流以及直流电流的测量，而这些 工作都是传统电磁式电流互感器则难以进行的。 ( 6 ) 光学电流互感器的安全性较高。 光学电流互感器的绝缘结构简单，不采用油作为绝缘介质，不会引起火灾及爆 炸等危险。 ( 7 ) 适应了现代电力系统计量以及保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。 ( 8 ) 光学电流互感器的整套测量装置结构紧凑、重量轻；互感器的各个功能模 块相对独立，便于运输、安装和维护，适合用于网络化测量。 由于无源型的光学电流互感器具有的以上诸多优点，国家电网公司公布的智能 变电站导则明确规定：2 2 0 k v 及以上电压等级电流互感器优先考虑无源光学原理的 电流互感器；1l o k v 及6 6 k v 电压等级电流互感器既可考虑无源光学原理的电流互感 器，亦可采用有源电子式互感器【5 】。 综上可知，光学电流传感器将会广泛应用于电力系统，对提高继电保护的可靠 性和建设全光纤网的数字化变电站等研究领域具有重要意义。此外，光学电流传感 器节省了大量的贵重金属材料，具有明显的经济效益和社会效应。 1 1 有源型电子式电流互感器的测量原理 基于r o g o w s k i 线圈的有源型电了式电流互感器是利用电磁感应原理来测量电 流信号，与传统铁磁式电流互感器不同的是，r o g o w s k i 线圈是将导线均匀地绕在环 形非磁性材料的框架上，让通有一次电流的导体垂直穿过线圈的中心，通过载流导 体所产生磁通的变化从而在r o g o w s k i 线圈中感应出反映被测电流大小的电压信号。 r o g o w s k i 线圈由于其频率响应好、准确度高、结构简单且成本低廉而被公认为是较 理想的电流测量元件。根据r o g o w s k i 线圈横截面的不同，可把r o g o w s k i 线圈分为 矩形和圆形r o g o w s k i 线圈两种类型，以下就以圆形r o g o w s k i 线圈为例来阐述其测 华j 匕电力人学硕十学位论文 量电流的原理。测量原理图如图1 - 1 所示。 r o g o w s k i 线嘲 ， t jk i 专一 i t - 一 一j ly一 图卜1 横截面为圆形的r o g o w s k i 线圈测量原理图 在图卜1 中，j 为被测导体中所流过的电流；r 为线圈截面半径；r 是线圈中 心到骨架中心的半径。 由全电流定律：g d l = ，得到磁场强度h = 圭，其中d 为线积分单元。 进而得磁感应强度b = 。= 笆。其中x 为线圈中心到线圈截面内任意点的距离。 因此磁通量妒为： 炉b o d s = c f a 。i d s = 矗r ! + ，2 f l o l 4 r 2 2 嬲_ ( r - x ) 2d x = f l o i ( r - 厨) ( 1 一1 ) 其中d s 为垂直于磁场的面积积分单元，则磁链y = ，：缈= o n i ( r 一r 2 一，2 ) 由电磁感应定律得输出端得感应电压p ( f ) 为： 印) - 警叫。眦一再) 警= m 妄 m 2 ) 其中m = 嗍( 月一月2 一，2 ) ，称为r o g o w s k i 线圈的互感系数。 由式( 卜2 ) 可知，当r o g o w s k i 线圈的结构一定即互感系数为常量时，输出端 的电压和被测电流的微分成正比。 由于r o g o w s k i 线圈采用的非磁性芯材料，在很宽的电流范围内不会出现磁 饱和现象，也不会带来非线性的误差。但由于r o g o w s k i 线圈等效于一个微分环节， 因此不可以测量电网中电流的非周期分量。 华北电力人学硕： = 学位论文 1 2 无源型光学电流互感器的测量原理及分类 1 2 1 光学电流互感器的基本原理 基于法拉第磁光效应的光学电流互感器已经进入实用阶段。法拉第磁光效应进 行电流测量的原理是磁光材料在外加电场和光波电场的共同作用下产生非线性极 化过程【6 1 ，即磁场方向与线偏振光传播方向平行时，线偏振光在穿过置于磁场中的 磁光材料后与入射时的偏振平面之间将产生法拉第旋转角护，如图卜1 所示： 入射的线偏振光 被 图1 - 2 法拉第磁光效应的原理图 振光 其中，法拉第磁光效应的旋转角p 可以表示为： _ 护= y i h d l ( 1 3 ) 式中为法拉第磁光材料的磁导率，矿是磁光材料的y e r d e t 常数，它与材料特 性、光源波长以及外界温度等有关；h 为作用在磁光材料上的磁场强度；三为通过 磁光材料的偏振光的有效长度。对给定的法拉第磁光材料，偏转面旋转方向仅由外 部磁场方向所决定，而与光的传输方向无关。为求出上述积分，可使光的行进路线 围绕载流导体闭合，按照安培环路定律可知： p = y i h d l = v n j ( 卜4 ) j 上 上式中，是线偏振光围绕电流的环路数，j 为被测的电流。积分结果只与电 流有关。由此可知9 角的变化即反映了被测电流j 的信息。需要注意的是，该式只 有在保持线偏振光不蜕变为椭圆偏振光的条件时才能成立。光学电流互感器的传感 原理如图1 - 3 所示： 4 华北电力人学硕十学位论文 起偏器磁光材料检偏器光纤 。o 曰o l h p i n 图1 - 3o c t 的传感原理图 由于偏振光的偏转角不能直接被测量，因此，需要利用马吕斯定律将偏正光通 过检偏器后转化为光强信号来检测。马吕斯定律概述如下：自然光通过第一块偏f 器( 起偏器) 后，出射的偏正光的光强为入射光强，。的二分之一，再经过第二块偏 振器( 检偏器) 后，其光强，为： ，l = j oc o s 20( 卜5 ) 式中p 为起偏器出射偏振光与检偏器出射偏振光之间的偏振央角。 在光学电流互感器中，法拉第旋转角与起、检偏器夹角之和即为式( 1 - 5 ) 中的口角， 为使检偏器出射光强最大，常将起、检偏器的夹角设为n 4 ，由于法拉第旋转角很小， 可将式( 卜5 ) 变为： j l = j 0 0 一s i n2 , 9 ) j o ( 1 2 a ) = j o 一2 ，0 1 9 ( 1 6 ) 式( 卜6 ) 中的厶和1 9 均为未知量，为求解这两个量，通常采用单光路a c d c 法和 双光路法。单光路a c d c 法是利用式( 卜6 ) 中厶为直流量、2 ，。1 9 为交流量的特点，将 ，通过交直流分离后再消除公共项，。从而得到汐。但这种方法不能够测量直流电流及故 障电流中的非周期分量，因此出现了双光路法。双光路法是在光学电流互感器中采用偏 振分束器作为检偏器，将出射的偏振光分为两束正交的偏正光，其各自的光强为： j j p ，。? ( 1 _ 7 ) l l ，r l i s = = j o ( ( 1 1 + - 2 2 1 9 8 j o ) 求解方程组可得未知量1 9 为： 口：盘二当 2 ( a l s + j l p ) 1 2 2 光学电流互感器的分类 ( 1 - 8 ) 无源型光学电流互感器根据传感头结构不同可分为块状o c t 、集磁环式o c t 和 全光纤式o c t l 7 , 8 】。 ( 1 ) 块状光学电流互感器 块状光学电流互感器采用磁光玻璃作为传感材料，由安培环路定律可知，当线 华北电力人学硕十学位论文 偏振光围绕电流形成回路时，法拉第旋转角只与被测的电流有关，因此将光路设计 为块状闭合回路，即使线偏振光在磁光材料中绕通电导体旋转一周或多周【5 1 。它的 优点是块状玻璃的残余双折射小，可以忽略线性双折射导致的偏振态退化等问题， 光学材料的选择范围比光纤宽，易对现有电流互感器进行更新改进。缺点是加工难 度大、传感头易碎、成本较高，而且温度变化引起的双折射效应是不可避免，影响 了测量系统的性能e 5 , 9 】。 块状磁彪破耽 图1 - 4 块状o c t 光学传感头的结构示意图 ( 2 ) 集磁环式光学电流互感器 集磁环式o c t 是将块状条形传感器放置在集磁坏的气隙中，被测线路置于磁环 的中央，或将磁光材料放在电流母线附近，利用电流产生的磁场来间接测量电流。 优点是光程短而简单、设备尺寸小，气隙较大，有利于系统成品化，所需光学材料 较少。缺点是对附近导线比较敏感，磁场在空隙处不均匀导致设备的灵敏度依赖于 传感器件的位置，难以实现高精度的测量，从而很少用于对精度要求比较高的测量 场合【1 0 , 11 l 。 被测电流 集磁环 光学传感器 输出光纤 图卜5 集磁环式o c t 光学传感头的结构示意图 ( 3 ) 全光纤式光学电流互感器 6 华北电力人学硕十学位论文 全光纤式o c t 是将传感光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤偏振特性，通过测量光 纤中偏振光的旋转角来间接地测量电流。该o c t 结构简单、重量轻，测量灵敏度可以 按照光纤环数进行调节。但由于其光纤一般采用单模光纤，内部存在的线性双折射 对于温度与振动等外界环境因素的变化非常敏感，是制约其实用化发展的重要原 因。 输入光纤 被测电流 输出光纤 图卜6 全光纤式光学电流互感器的结构示意图 在互感器整体结构上，包括光学传感部分和具有温度稳定的光源驱动电路和发 光光源( 通常为激光器或发光二极管) 、连接光缆、光接收器及信号处理电路等部 分，三种o c t 除了光学传感部分不一样外，其余部分都基本相同。 研究表明块状o c t 与其它o c t 相比，具有稳定性好等独特优势，一直是国内外 实用化的研究重点，在现阶段对于块状o c t 的研究能够加快光学电流互感器的实用 化进程，具有重要的现实意义。 。 1 3 国内外的发展概况 2 0 世纪6 0 年代国外就开始了光学电流互感器的研究，7 0 年代初光纤传输技术 的发展进一步促进了光学电流互感器的研究【1 2 , 1 3 , 1 4 】。2 0 世纪的8 0 年代初到9 0 年代 初，随着传感头的性能、数据处理系统以及绝缘水平等技术取得了突破性进展，光 学电流互感器也随之迅速发展起来，并取得了比较满意的效果。 在2 0 世纪8 0 年代，各国相继投入大量资金和人员开始光学互感器的研究，其 中以美国和日本取得的成就最为突出。 美国许多大电气公司在1 9 8 2 年时就已经成立了光学电流互感器的相关课题组， 在随后的时间里其研究成果取得了很大的进展。其中最具有代表性的是1 9 8 6 年美 国f f l 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( 1 6 1 k v ) 安装了第一台单相、高压光学计量用的电流互感器，运行两年后拆除【i5 1 。1 9 8 7 年 t v a 又在m o c c a s i n 电站( 1 6 1 k y ) 安装光学计量系统，该系统为三相计量，现场经 过6 个多月的测量，光学计量系统和传统电磁型互感器误差相差不到1 【l6 1 。第一个 7 华北电力人学硕十学位论文 以光学电流传感器为基础的继电保护系统安装在t v a 所属的o g l e t h o r p e 站和 w i n d o wc r e e k 化石燃烧站之间的电力编组站，到1 9 9 0 年9 月为止，与传统电磁式 电流互感器的比较，结果还是比较满意的。 日本于1 9 8 1 年起组织了五大电气公司对光学电流互感器的理论、材料及性能 进行了研究。1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月，由日本东方电气公司与东芝公司合作研制 的g i s 设备用的o c t 与g p t 安装在制造厂的条件下长时间进行运行试验，试验数据 符合j g c l 2 0 1 标准【18 , 1 9 , 2 0 1 。 进入9 0 年代后，光学电流互感器的实用化进程继续加快。光学电流互感器的 研究则主要集中于消除双折射、温度和振动等对其测量精度的影响。 为了消除温度所引起双折射的影响，人们提出了各种补偿方法。l 、基于温度 测量的补偿方法【2 4 j ：记录o c t 测量精度与温度的关系曲线，并存储于存储器中，然 后通过热电偶测量环境温度与存储的曲线相对比来构成温度补偿。2 、设计一种独 特的光学结构【2 5 】：利用晶体的左右自然旋光效应，将具有左旋光效应和右旋光效应 的晶体平行叠放或串行叠放，通过分配进入左、右旋光效应晶体的光强达到消除温 度影响的目的。3 、基于偏振光干涉原理的温度补偿技术【2 6 】：它是将入射到磁光材 料的偏振光分为两束，一束入射到被温度和磁场作用的磁光材料中，一束经过线性 旋光器，两束光相互干涉，被测磁场从干涉仪的边缘可见性变化中得到恢复。 为了消除组装应力双折射的影响，人们提出了以下方法：1 、设计无组装应力 传感头组装方法【2 1 7 】来降低传感头组装引起的应力双折射，并使传感头抗热冲击能力 变强且具有自恢复能力。2 、研制减少光学玻璃残余双折射的退火工艺，使其在应 力作用下没有双折射，从材料的角度来解决问题【2 6 1 。3 、利用法拉第磁光效应的非 互易性原理和双折射的互易性原理消除双折射的影响，即同一线偏振光沿着同一光 路正反传播时双折射被消除而磁光效应被加强二倍【2 8 1 。4 、在传统的光学传感器系 统基础上，增加第二路发射器和检测器【2 9 1 ，使光路以相反的方向传输，然后将这两 束双向透射光透射到同一个传感头中，再分别被两个光检测器接收，最后用简单的 信号处理方法来消除振动对其的影响。 在对光学电流互感器研究的基础上，各国相继将其应用于电力及其他工业领 域。 1 9 9 1 年6 月，a b b 电力t & d 有限公司将光纤电流测量用于3 4 5 k v 电站的计量和 继电保护系统，运行四个月后，其误差与传统c t 比较仅为0 4 【1 7 】。 1 9 9 4 年，美国将a b b 公司生产的o c t 用于5 0 个电站中，系统电压从7 2 5 k v 到 7 6 5 k v ，额定电流从6 0 0 a 到6 0 0 0 a 。 1 9 9 5 年，法国通用电气阿尔斯通输配电部的产品目录上列出了7 6 5 k v 超高压独 立及组合式o c t 。 1 9 9 6 年，由同本日立公司块研制的状玻璃o c t 用于4 0 0 m w 抽水蓄能电站，额定 r 华北i u 力人学硕十。学位论文 电流为8 0 0 0 a 。 1 9 9 7 年a b b 公司成功地开发出11 5 k y 、5 5 0 k y 、2 0 0 0 a 及6 9 k v 、7 6 5 k v 、2 0 0 0 a 组合式光电传感器。 1 9 9 8 年，日本研制出用于6 6 k v 传输线谐波分析的o c t 。 2 0 0 0 年，北美n x t p h a s e 公司所研制的2 3 0 k v 、4 k a 全光纤o c t 问世。 我国对光学电流互感器的研究始于7 0 年代末，最早的成品是由沈阳变压器厂 和四平电业局共同研制的1 l o k v 的光学电流互感器，8 0 年代曾在四平电业局挂网试 运行，但不到一年的时间就退出了运行l l 0 1 。 9 0 年代后，我国对光学电流互感器研究飞速发展，先后有多家科研单位所研 制的o c t 挂网运行。 1 9 9 1 年，清华大学和中国电力科学研究院共同研制的1 i o k v o c t 通过国家鉴定 并挂网试运行。 1 9 9 3 年，华中科技大学将1 1 0k v 独立式单相o c t 、o v t 2 1 】挂网于广东新会电 力局的大泽变电站，1 9 9 8 年又将独立式三相o c t 、o v t 挂网于新会的三江变电站。 南瑞航天电气公司所研制的n a e g l 系列全光纤电子式电流互感器在2 0 0 6 年 通过入网许可，并于2 0 0 8 年4 月份在安徽省淮北大唐电厂的1 1 0k v 交流系统成功 挂网试运行，成为国内首个挂网试运行的全光纤电流互感器【2 2 1 。 2 0 0 2 年1 1 月，华北电力大学研制的1 l o k v 电压等级的自适应光学电流互感器 ( a o c t ) 在河北保定沙窝变电站挂网运行，稳态测量精度达到0 2 级，暂态情况下 非周期分量电流的最大峰值瞬时值误差小于1 口引。2 0 0 4 年1 2 月，中国电机工程 学会组织的技术鉴定会对“自适应光学电流互感器的理论与实用化研究 科技成果 进行了技术鉴定，鉴定结果为：“项目研究在法拉第磁旋光效应光学电流互感器关 键技术方面取得了突破性成果，达到了国际领先水平。 2 0 0 6 年2 月，3 5 k v 电压等级的自适应光学电流互感器及其相应的输电线路光 纤纵差保护一体化系统在河北省保定供电公司的1 l o k v 上陈驿变电站投入运行，互 感器测量准确，保护可靠动作。2 0 0 6 年1 2 月9 日，河北省电力公司技术评审会对 “基于自适应o c t 的新型输电线路光纤纵差保护的试验研究”进行了项目评审，评 审会认为：“该项目在基于f a r a d a y 磁光效应自适应o c t 和自适应o c t 保护的工 业应用方面取得了突破，项目整体水平达到国际领先水平。”该项目于2 0 0 7 年获 得了中国电力科技二等奖。 从9 0 年代至今，o c t 的测量逐步向高压、超高压和特高压方面发展，许多公司 竞相开发o c t 的产品以占领市场，目前o c t 处于实用化、产品化的推广应用阶段【5 】。 9 华北电力人学硕十学位论文 1 4 光学电流互感器所存在的主要问题 经过多年的发展，光学电流互感器的研究已经取得了许多可喜的成果。然而，目前 光学电流互感器还是存在着许多难题没有解决，如温度和双折射引起的精度问题，这使 得其在电力系统中实现广泛应用还有一定差距。因此，从光学电流互感器测量精度和长 期运行稳定性两个方面进行研究，具有重要的理论和现实意义。 光学电流互感器测量误差的主要原因是线性双折射。双折射效应对法拉第磁光 效应有熄灭的作用，结果使得线性偏振光的两个正交光振动分量之间产生了相位 差，线偏振光变成了椭圆偏振光，从而降低了光学电流互感器的测量灵敏度。当系 统不存在线性双折射或系统偏振光的偏振面旋转角度小时，系统的输入和输出是线 性关系，而线性双折射的存在使系统的输入和输出成为复杂的非线性关系。温度变 化在法拉第磁光材料中引起双折射现象，从而使得测量结果达不到电力系统计量的要 求。另外，由于线性双折射效应与光纤的形变、光纤内部的应力、光源光波长、以 及振动等许多因素有关，这会使系统的测量灵敏度随着上述因素变化而变化，从而 严重地影响了o c t 的测量精度和稳定性。 许多学者希望通过法拉第磁光材料的改善来减小温度对其的影响。然而到目前为止 仍然没有取得所期望的突破性进展。人们虽然也巧妙地设计了的光学结构，提出了温度 补偿的方法，但是，由于光学传感材料和光学加工不是很理想，不仅没有从根本上解决 问题，而且还影响o c t 的长期运行稳定性。 采用块状玻璃的光学电流互感器常以双层光路作为其传感结构，以便消除电磁 干扰，但研究表明，这种结构并不具备完全的抗电磁干扰能力，反而使传感头的运 行稳定性降低【l0 1 。影响o c t 长期运行稳定性的原因是由于光学传感头复杂的光路结 构以及使用较多光学元件，从而使其在经过较长时间的运行后，输出的光强逐渐衰 减，最终导致光学电流互感器失去测量电流的功能心引。目前，o c t 长期运行稳定性 已经成为阻碍其实用化进程的主要原因之一。通过研究可知，提高光学电流互感器 运行稳定性的关键是要尽可能简化光路结构【1 0 , 2 9 】。 1 5 本论文研究的主要内容 自适应光学电流互感器( a o c t ) 是将基于电磁感应原理的电子式c t 和基于法 拉第磁光效应原理的o c t 相结合，稳念时利用电子式c t 所测量的高精度的稳态电 流值来校正o c t 的输出，电力系统故障时利用o c t 良好的动态响应能力输出暂态电 流。a o c t 的出现大大加快了光学电流互感器的实用化进程。本论文既是在自适应光 学电流互感器的基础上进行研究和分析，发现现有a o c t 主要存在以下问题： ( 1 ) a o c t 采用的是v e r d e t 常数较大的顺磁性磁光材料，在测量较大暂态电流 i 0 华北电力人学硕十学位论文 时，法拉第旋转角很大，严重时将会超过9 0 。，致使非线性误差以及各次谐波所引起 的畸变较大。 ( 2 ) a o c t 所采用的信号检测方法是单光源双探测器差动法，由于该方法偏振分 镜的分光角度做不到理论上严格的4 5 。，且两路光电探测器及放大器等元件不能做到 增益完全相同和匹配，因此增加了测量的误差，而且成本较高。 为了解决a o c t 所存在的问题，本文对a o c t 的传感头及光路进行了改进，提出 了利用直流量分离法和数字式锁定放大器相结合的方法来检测被测电流信号，从而 综合提高了a o c t 的测量精度和长期运行稳定性。 论文的主要内容包括： ( 1 ) 论述了课题研究的背景及国内外光学电流互感器的研究概况，介绍了光学 电流互感器的基本原理与分类，并分析了光学电流互感器实用化进程中所遇到的难 题。 ( 2 ) 通过对a o c t 原理分析并考虑到磁光材料、温度、线性双折射等诸多因数对 a o c t 的光学传感系统性能的影响，本文提出了新型传感头的设计方案：采用抗磁性 材料的螺线管聚磁光学传感头，并缩短传感部分的磁光材料，从而提高其长期运行 稳定性并减小非线性误差及各次谐波所引起的畸变。另外，为了简化光路，本文采 用单光源单探测器的检测方法，由于传统的交流直流法不能测量直流量及非周期 分量，本文在光电探测器之后采用整周期累加平均方法求得基本光强，通过原始的 测量信号减去该基本光强数值，从而得到携带被测电流信号的交流量。 ( 3 ) 考虑到数字信号处理技术( d s p ) 具有诸多优点，本文设计了以d p s 2 8 1 2 m v 2 为基础的a o c t 的信号处理系统，论述了d p s 2 8 1 2 m v 2 系统的总体构成并对其各部分 功能进行了详细的介绍。 ( 4 ) 由于缩短后的抗磁性材料在测量小电流时，反映被测电流信息的光电信号幅 值很小，当噪声严重时将淹没在强噪声中。根据被测信号的信噪分析可知，a o c t 光 学传感系统中的噪声频段正好处于被测电流信号所在的5 0 h z 以及其1 0 次以下谐波 的这个频段之中，此时采用传统的滤波方法不能保证滤波后信号的高保真，因此本 文提出将数字式锁定放大器应用在a o c t 光学传感系统中的信号检测部分实现微弱信 号的检测，并论述了采用直流量分离法和数字式锁定放大器的a o c t 的整体电流测 量过程及其基本系统原理图。 ( 5 ) 搭建了利用改进后的光学传感头测量电流的实验电路，通过虚拟仪器l a b v i e w 程序结合电磁感应原理的电子式c t 的高精度输出对a o c t 的测量精度进行检验，最后对 实验结果进行了分析。 l r p l p l 华北电力人学硕十学位论文 第二章自适应光学电流互感器的原理与改进方法 2 1 自适应光学电流互感器的测量原理 自适应光学电流互感器由基于电磁感应原理的电子式c t 和基于法拉第磁光效应 原理的o c t 所组成，其中有两组电流测量信号：l 、与双折射和法拉第旋转角有关的o c t 测量信号；2 、与双折射和法拉第旋转角无关的电子式c t 测量信号。a o c t 结合了o c t 良好的动态响应能力和电子式c t 优良的稳态测量精度，使其在稳念运行时具有高精度 稳态测量结果，在系统故障时又具有理想的动态响应能力，其系统原理图如图2 - 1 所示： 被 + 一- 3 图2 - 1自适心光学电流互感器的系统原理图 根据对光学电流互感器数学模型的分析可知，以某一时间点为例，这一时间点前c t 和o c t 的比例系数t ( 丁) 与该时间点后短时间内的比例系数t ( 乃是相等的。被测电流包 括5 0 h z 的基波电流和5 0 h z 以上的各次谐波电流，而各种电流成分所作用的光学传感系 统是一样的，外界对光学电流互感器的影响也不会因电流成分的不同而有所变化，所以 基波电流所对应的a o c t 的比例系数同样是其他电流成分的比例系数。 在电力系统j 下常运行时，c t 所输出的测量信号经过k a l m a n 滤波和自适应技术后对 o c t 的输出测量进行校正，并且通过计算得到自适应校正系数。此时所计算出的自适应 校正系数不仅可用于此后一段短时间内的光学电流互感器的基波电流测量，还可用于光 学电流互感器的谐波电流测量，这样，通过自适应校正系数可使得a o c t 的稳态电流( 包 括基波和谐波电流) 测量精度达到与稳念时基波测量精度同样的水平。 当电力系统故障时，立即停止计算校正系数，采用故障前一时刻所计算出的自适应 校正系数，通过横向滤波器组直接输出。由于故障时间很短，所以前后自适应校正系数 不变，因而在故障a o c t 的暂念测量的精度就达到了与参考模型稳态精度相同的水平。 如果a o c t 在稳态时的基波电流测量精度为o 2 级，那么在暂态时其测量精度在理论上 也能够达到0 2 级。 电力系统由稳态向暂态转变的瞬间会在被测电流中出现奇异点，此时应用实时小波 1 2 华北电力人学硕十学位论文 分析和突变量检测就可以检测出暂态发生的时刻，从而闭锁计算校正参数的自适应算 法。自适应光学电流互感器的系统结构图如图2 - 2 所示： 高精度小电流互感器螺线管聚磁光学传感头 图2 2a o c t 测量系统结构图 在自适应光学电流互感器中，高精度电子式c t