直流光学电流互感器的信号处理技术研究本科毕业设计.doc

华北电力大学本科毕业设计（论文）直流光学电流互感器的信号处理技术研究摘 要基于法拉第磁光效应的直流光学电流互感器具有广阔的发展前景，但在实用化道路上还存在一些问题，本文针对提高直流光学电流互感器的信号检测性能展开研究。本文首先设计了直流光学电流互感器的结构，对其在测量过程中引入的内部噪声及其信噪特性进行了理论分析和试验，验证了其存在噪声与信号频带相重叠的问题。其次，分析和比较了微弱信号检测的各种方法，针对直流输电系统电流测量的要求，确定采用调制解调方法对直流输电线路上的直流电流进行测量，采用相关检测方法测量直流输电线路的谐波电流。再次，设计了直流光学电流互感器的直流电流测量系统，在LabVIEW环境下进行了仿真验证，并设计了直流检测实验电路和信号检测结构，仿真和试验结果表明本文所设计的直流测量系统能够满足测量要求。关键词：法拉第磁光效应，直流光学电流互感器，调制解调，相关检测，LabVIEWABSTRACTThe Optical Direct Current Transducer based on Faraday Mangeto-optic effects have a great future,but still some problems exist in the application.In this paper,firstly it designs the structure of the Optical Direct Current Transducer and analyzes and tests the interior noise which is led into from the measurement and the signal to noise characteristic.And also it verifies the noise overlaps the singal band.Then,it analyzes and compares the methods of measurement of weak signal,to contend with the precision of current measurement in the DC transition system,it uses the method of modulate and demodulate to measure DC current on the DC line and uses the correlation detection to harmonic waves on DC line.Thirdly it designs the DCcurrent measurement system of The Optical Direct Current Trandsducers,simulates and verifies by the LabVIEW software,also designs a structure of signal measurement and a test circuit of DC measurement.The results of simulation and test indicate the DC measurement system contends with measurements standard.KEY WORDS: Faraday Magneto-optic effects, dc optical current transducer, modulate and demodulate, correlation detection, LabVIEW28目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪论11.1选题背景和意义11.2国内外研究现状21.3设计（论文）的主要研究内容及预期目标3第2章 频谱迁移测量法的研究42.1 光电检测器及其噪声分析42.2频谱迁移测量法62.2.1 光学电流互感器的基本原理62.2.2频谱迁移测量法原理82.3法拉第直流光学测量系统的设计92.4 本章小结10第3章 信号检测方法研究113.1 方法研究113.1.1 调制随机共振113.1.2 相关检测法113.1.3小波分析123.1.4 希尔伯特黄变换133.1.5混沌理论133.1.6 二维相干技术133.1.7取样积分与数字式平均法133.1.8锁定放大器143.1.9自适应噪声抵消法143.1.10 调制解调法153.2信号检测方法的比较153.3本章小结16第4章 直流电流检测的仿真分析174.1检测原理及过程174.2基于LAbVIEW的信号检测仿真194.2.1虚拟仪器LabVIEW194.2.2仿真过程分析204.3本章小结23第5章 总结与展望245.1全文总结245.2 工作展望24参 考 文 献26致 谢28第1章 绪论1.1选题背景和意义1954年世界上首个高压直流输电系统在瑞典投入运行，从那时开始，高压直流输电技术在世界范围内得到了日益广泛的应用。而上世纪70年代以来的电力电子技术的发展以及电力系统的需求，对高压直流输电技术的发展与应用直到了巨大的推动作用。我国的高压直流输电直流输电技术应用起步晚，但发展迅速。自从上世纪80年代浙江舟山的高压直流输电工程开始至今，我国的总输送容量以及总输送距离均以成为世界第一。随着高压直流输电技术的不断发展，推动了直流测量技术及设备的发展与完善。目前，常用的直流电流测量有两类方法：一类是通过对待测电流在书籍电阻上形成的电压进行测量，进而确定电流的大小；另一类是利用对待测电流形成的磁场相关量进行量度，进而实现电流的测量。利用待测电流磁场进行直流电流测量的测量装置，常用的有电磁式直流电流互感器、霍尔传感器、直流比较仪、电子式直流电流互感器。霍尔传感器的主要元件为霍尔元件，以霍尔效应为基础，测量霍尔元件的霍尔电压，根据测得的霍尔电压即可确定对应的待测电流，霍尔效应直流互感器常用的有直放式和磁平衡式两种。霍尔互感器用于直流测量时，不会发生饱和现象但是其受外界温度影响较大，并且需要外加电源及接入平衡电流。电磁式直流电流互感器需要外加电源，绝缘结构较为复杂，容易发生铁芯饱和现象，体积及重量随电压等级升高而增大，这些不足制约了电磁式直流互感器发展。电子式电流互感器，在正常使用时，其二次侧输出与一次侧电流成正比，并且连接正确时的相伴差与书籍的相伴角近似相等。电子式电流互感器根据高压侧是否有电子线路以及是否需要电源供电，可以分为有源电子式电流互感器和无涯电子式电流互感器两类。有源直流电子流毒石器高压侧传感头采用电子线路，因此需要设置可靠的电源对其进行供电。然而如果高压侧供电电源不稳定，将会极大地影响互感器的测量准确度。与此同时，供电电源的是有限的，因此高压侧传感电路的功耗不能过大。此外，由于传感装置位于高压线路附近，因此，当线路中流经加拿大电流时产生的电磁辐射，将会对传感装置电路产生电磁干扰，从而影响互感器的可靠性与稳定性。无涯电子式电流互感器中的法拉第磁光效应光学电流互感器，与传统电磁式电流互感器相比，且有以下优点：（1）没有暂态磁饱和现象，动态测量范围大（2）能够对电力系统故障快速响应（3）绝缘性能优良（4）且有很宽的频率响应范围（5）适应智能化电网的发展法拉第光学电流互感器与有源电子式电流互感器相比较，由于基本身的传感结构为光学材料，并且无需外接电源供电，因此，其功率不受电源的影响，同时具有很强的抗电磁干扰能力。由于法拉第光学电流互感器能够有效的克服传统电磁式电流互感器以及有源电子式电流互感器的不足，因此，对用于直流测量的法拉第光学电流互感器的实用化是十分必要的。1.2国内外研究现状上世纪60年代起，国外开始了将光学技术用于电流测量的研究，对光学电流互感器的研究也自此兴起。而70年代初的光纤技术的兴起，对光学电流互感器的进一步研究起到了推动作用。到70年代末，对光学电流互感器的研究仅集中在理论方面，并且由于测量精度及温度稳定差等方面的问题，因此，该阶段的研究仅处于实验模拟阶段。自80年代开始至90年代，随着对传感结构性能、绝缘水平及数据处理系统等技术的研究取得重要突破光学电流互感器的研究进入了实用化研究阶段。其中以美国、日本为代表，许多发达国家都进行了光学电流互感器的实际挂网运行。从1981年起，日本五大电气公司开始集中对光学电流互感器进行研究。进入90年代，对于光学电流互感器的相关研究表现出多类型、多用途以及便于化的新特点，并且取得了破布的成果。而从90年代起，对于光学测量的研究已经逐渐涉及到从高压到特高压的高压输电方面。各个公司开发出大量的光学电流互感器产品，这些都表明对于光学电流互感器的研究进入到将其实用化和产品化的应用阶段。自21世纪起，由于对光传感技术进入新的研究阶段，并取得了一定的进展，从而也推动了OCT相关产品的研发进步。从2000年到2001年，各电压等级光学电压电流互感器开始先后在美国加拿大等地的变电站和发电厂挂网运行。2000年，230KV电厂等级的全光纤光学电流互感器由北美的NXTPHASE公司研制成功。从2004年开始，针对铝电解工业，ABB公司研制出用于强直电流测量的光学电流互感器。这标志着OCT开始用于越来越多的工业领域。我国对光学电流互感器的研究赴较晚，相关研究从70年代末才开始出现。我国第一台光学电流互感器成品是由四平电业局和沈阳变压器厂合作研制开发的110KV等级的光学电流互感器。并在80年代，由四平电业局进行了挂网试验运行，而未满一年即退出运行。自上世纪90年代起，我国对光学电流互感器的研究进入了新的阶段，多家倍感单位及公司都进行了OCT的挂网运行。1991年，由中国电力科学研究院和清华大学共同开发的110KV等级光学电流互感器，通过了鉴定并且进行了挂网试运行。1993年，华中科技大学先后将所研制的110KV独立式单相光学电流互感器、光学电压互感器，在广东省大泽变电站进行了挂网运行；而后又于1998年将独立式三相光学电流互感器、光学电压互感器挂网于三江变电站。2003年，华北电力大学与哈尔滨工业大学研制出自适应光学电流互感器，并在河北沙窝变电站进行了挂网运行，其簷电流测量准确度达到0.2级。2006年，南瑞公司所研发的全光纤电流互感器获得了入网许可，并且于2008年，在淮北的大唐电厂110KV电压等级交流系统上，成功地进行了我国首次全光纤光学电流互感器的挂网运行。2009年6月，哈尔滨工业大学将其所研制的光学电流互感器成功地在上海的500KV等级超市压线路上投入运行。这也标志着世界最高电压等级光学电流互感器的相关关键技术，已被我国掌握了。到目前为止，国内对于用于直流测量的光学电流互感器研究还是比较落后的。无论是在理论上还是在实用化研究上，都需要进一步的投入与发展，以此推动光学直流电流互感器的实用化、产品化。1.3设计（论文）的主要研究内容及预期目标 尽管基于法拉第磁光效应的直流光学电流互感器具有很大的优势和广阔的发展前景，但在实用化道路上依然存在一些问题，主要问题之一就是直流光学电流互感器的信号检测时，强噪声和噪声与信号频段相重叠，使用传统的滤波器无法消除其中的噪声，从而无法得到高精度的输出。为此，本文对提高直流光学电流互感器的输出信号比展开研究。查阅相关文献，了解直流电流测量方法，以及光学测量电流技术；总结现有直流电流测量方法，详细分析采用调制解调技术实现的光学直流电流测量技术；建立基于调制解调的直流光学电流测量系统的LABVIEW计算模型，并在LABVIEW进行仿真计算；撰写论文。第2章 频谱迁移测量法的研究 2.1 光电检测器及其噪声分析 直流光学电流测量系统的主要组成部分为光电检测系统。光电检测系统包括光信号的变换、传输及处理三个部分。光学系统 光电检测器 电路系统光信号 电信号图2-1 光电检测系统组成其中，光电检测器是利用光电效应把光信息转换为电信息的光电器件，是光电系统中的重要组成部分。同时，光电检测器也是光电检测系统中噪声的主要来，即直流光学测量系统的噪声主要为光电检测器中的噪声。常用的光电检测器分为光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、热电探测器、光电成像器件。利用光伏效应制成的光伏探测器的特点如下：其光伏效应只产生于结区附近的光：能够无需外加电压将光信号转换成电信号，具有良好的频率响应特性，响应速度快。因此，光伏探测器在实际中得到广泛应用。光伏探测常用有如下几种：光电池、光电二极管、光电三极管、PIN管、雪崩二极管等。本文采用的光电检测器为PIN光电二极管光伏探测器，其电路图如下：图2-2 PIN光电二极管光伏探测器电路图PIN光电二极管光伏探测器产生的噪声主要为散粒噪声、暗电流噪声、热噪声、1/f噪声。这些噪声集中在1kHz以下的频带内。其中，相比较于其他几种噪声，电流噪声的影响最大。光电二极管的理想电流输出为光电流，然而实际中，当光量为0时，仍会有电流输出。此输出电流即为暗电流。暗电流经过放大器放大后，为暗电流噪声。检测暗电流噪声时，将光电检测器通过数据采集卡接入到计算机中，利用LabVIEW软件进行辅助分析。该实验接线如图所示：光电检测器 NI-6251 LabVIEW程序图2-3 光电检测器噪声检测实验接线图当光电检测器无输入时，暗电流噪声频谱图如下：图2-4 暗电流噪声频谱图从上图可以看出，暗电流噪声的频带主要集中在0.5Hz以下。因此，当进行直流测量时，光电检测器输入的直流测量值与暗电流噪声相重叠，影响了测量精度。交检测器在无输入的情况下运行一段时间后，可以得到光电检测器暗电流噪声的电压幅值变化，如图所示：图2-5 暗电流噪声幅值变化由此图可知，光电检测器在没有输入时，其内部的二极管暗电流经去处器的放大作用，最终形成5762mV的暗电流噪声。而当待测电流变化大小的级为安培时，光电检测器对应输出电压幅值变化的数量级为毫伏级。因此，可见暗电流噪声对光电检测器输出影响很大，从而降低了光学测量系统的测量精度。2.2频谱迁移测量法2.2.1 光学电流互感器的基本原理本文所设计的直流光学电流系统租用法拉第效应对待测电流进行测量。法拉第效应：入射线偏振光途径磁光材料时，在外加磁场的作用下，偏振面会发生偏转。出射偏振光与入微偏振光之间的夹角为法拉第偏转角。法拉第效应如图所示：由法拉第效应可知，法拉第偏转角公式为： （2-1）其中，V为所用磁光材料对应的维尔德常数为：H为由待测电流产生的磁场强度；L为入射偏振光在外加磁场作用下，通过磁光材料的有效长；l为L对应的积分矢量。将待测电流围绕磁光材料形成的电流回路后，由环路律，有 （2-2）由上述两式可得 （2-3）可见，由于N、V为常数，与i成正比，测得法拉第偏转角即可求得待测电流。而法拉第偏转角不能直接测得，因此，实际中常利用马吕斯定律，通过测量偏振光光强来对其进行测量。光学电流测量系统的光源发出初始光强为J0的自然光，经起偏器、磁光材料，检偏器的作用后，出射偏振光光强为： （2-4）为了能等到更为准确的测量值，应使出射偏振光的光强最大。实际中，设置起偏器与检偏器的夹角为。从而有 （2-5）在实际测量中，法拉第偏转角很小，一般只有几度；同时，令。由此式2-5可化简为 （2-6）结合2-3、2-6可得 （2-7）基于上式，可知，待测电流只与入射和出射光强有关。这就将对法拉第偏转角的求解转化为对光强的分析。因此，可以使用光电检测器将光强信息转换为对应的电信息。利用本文的光伏探测器，可以得到光强相应的电压值。这里，设对就的转换电压为。可得 （2-8）式中，X为光电检测器中的低频噪声，其值与光强无关。基于此式及前文中对噪声的分析可知，待测直流量与噪声频带会发生重叠现象。此现象将会导致信噪比降低，严重影响测量的精度。针对此信噪重叠现象，本文采用频谱迁移的方法进行处理，使得问题能够得以解决。2.2.2频谱迁移测量法原理本文所提出的频谱迁移测量法，主要利用调制解调方法对直流光学测量系统信号进行变换。通过将信号频带进行迁移，进而消除光电检测器中信噪频带重叠现象。直流光学电流互感器用于直流测量时，由于直流电流频率为0Hz，根据式2-7，对入射光强进行频谱迁移，使出射光强频率得到提高，从而经光电转换得到高频电压信号。此时，如果频带选取的足够高的话，信号频带与噪声频带可以明显的区分开来。再使用滤波的方法，即可滤除光电检测器中的低频干扰，并且得到只含有待测直流信息的高频电压信号。由于此部分主要通过对淘汰进行调制，来发言中，因此该步骤称之为光学调制。对光电检测输出的交直流混合电压信号，需要采用相应的信号处理方法来获取含有行测电流信息的信号。这一步骤称这为信号的解调。在该步骤中，由于混合中低频成分主要是由光电检测器的噪声产生的，因此，需要选通过滤波的方法，将混合信号中的低频噪声成分滤除。信号滤波之后，应对基采用合适的解调方法，从信号中提取所含的待测电流信息，即得到输出信号与行测直流值间的线性关系。频谱迁移测量法的原理框图如下图所示：为了消除低频噪声的影响，需要对光信号本身进行变换处理。光学变换依据可以分为时域调制、空域调制和光学参量调制三种。其特点如下：时域调制中，载波随着时间的信息变化而变化；空域调制的载波，随着空间位置变化，而后随信息变化而变化；光学参量调制的载波是按光学参量与信息变化而变化。其中，光学参量调制是将所设定信号调制到光载波上。通过调制器的作用，使得光载波的某些特征参量，比如相伴，振幅，频率等，将会随着调制信号的变化而变化。频谱迁移测量法中的光学调制正是采用光学参量调制中的直接频率调制的方法，采用调制电路来直接产生调制交流光信号。2.3法拉第直流光学测量系统的设计针对光电检测器的信噪重叠现象，根据本文所提出频谱迁移测量法，在前人设计的基础上，本文设计了一种基于频谱迁移测量的法拉第直流光学测量系统。依据频谱迁移测量的基本原理，法拉第直流光学测量系统可以分为三大部分：光学调制部分、光路系统和信号解调部分。法拉第直流光学电流测量系统的原理框图如下：图2-8 法拉第直流光学电流测量系统原理图其中，光学调制部分的主要功能是对光学信号进行调制。因为光信号不能直接进行调制，因此这一功能是通过对光源进行调制而实现的。在本设计中，通过采用交流调制信号源来实现对光源的调制，从而输出交流调制光信号。由光学调制部分所产生的调制光信号，经光纤传输，接入到光路系统中。光路系统是一个狭义上的法拉第光学电流互感器。其主要利用法拉第磁光效应，将待测电流信息转换为光信号信息，并通过光电转换将其最终转变为电压信号进行输出。本设计中的光路系统所采用的光路结构为自适应光学电流互感器的螺旋管聚磁光路结构。其是由通过行测电流的导线环绕磁光材料构成的。螺旋管聚磁光路的基本原理为：将被测电流通往到螺旋管中，会产生聚磁作用，使得电流的磁场集中于平等于螺旋管轴线方向。其会对偏振光的光路产生影响，从而使偏振光光路为一直线。图2-9 螺线管聚磁光路结构螺旋管聚磁光路由于只有一个光学元件，并且没有保偏棱镜，因此，减少了折射所造成的误差，消除了光传感中的静态工作点为零现象，降低了温度对光学件的干扰，提高了测量灵敏度及搞电磁干扰能力。由光路系统的光电检测器输出的电压信号经导线连接，输入到信号解调部分由频谱迁移测量法的原理可知，解调部分主要是对信号实现滤波和解调处理。这些处理可以采用硬件或软件的方法进行实现，本设计主要采用编程的方法对其进行实现。通过解调处理，可以得到法拉第直流光学电流测量系统的测量方程，即输出量与电流值的关系。2.4 本章小结（1）分析了直流光学电流互感器中光电检测器的噪声主要成为为暗电流噪声，进一步明确了影响互感器测量的主要为低频暗电流噪声，及其对测量的影响。（2）介绍了光学电流互感器的基本原理，针对直流光学电流互感器中所存在的低频信噪重叠现象，提出了频谱迁移测量法，并对该方法具体原理进行了详细说明，给出具体公式及原理图。（3）设计了法拉第直流光学电流测量系统，并给出了其原理框图，将该系统进行了划分，并对其各部分组成及功能进行了说明，为其各部分的具体功能实现提供了原理依据。第3章 信号检测方法研究3.1 方法研究经过多年的研究和实践，信号检测技术主要包括锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消、人工神经网络、小波变换、混沌理论、Duffing振子、调制随机共振、自适应随机共振、二维相干技术、希尔伯特黄等。3.1.1 调制随机共振基于随机共振的微弱信号检测技术是新近发展起来的一种新的信号处理技术，与各种抑噪方法相比，它不是消除噪声，而是充分利用噪声来增强弱信号，以提高信噪比达到识别弱信号，其过程框图如图3-1所示图3-1 调制随机共振过程框图这种方法能有效降低信号检测下限，且易于硬件实现，可大幅度降低检测成本，因而具有巨大的应用潜力。3.1.2 相关检测法在电子学系统中，采用低噪声放大技术，选取适应的滤波器限制系统带宽，以掏内部噪声和外部干扰，保证系统的信噪比大大改善，当信号较微弱时，也能得到信噪比大于1的结果。但当信号非常微弱，比噪声小几个数量级甚至完全被噪声深深淹没时，上述方法就不会有效。经过分析青蛙，信号和噪声在时间特性上是有差别的，在统计学中，信号和噪声两种函数在统计特性上是可以区分的，从而为把淹没于噪声中的信号提取出来提供了基础。利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋在噪声中的周期信号提取出来，这就是相关检测。从原则上看，用通频带很窄的滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器的中心频率必须调在信号频率上。对于周期不固定或者不能做到频率绝对恒定的信号，滤波器的通频带不能过窄，因此信噪比不的改善不可能太大。而相关检测相当于一个跟踪滤波器，没有这方面的限制。信号的相关性用相关函数来表示，它代表线性相关的试题，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。从本质上说，相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，相关函数是两个时域信号（有时是空间域）相似性的一种试题。相关检测是一种利用确定性信号的相关性和噪声的随机性这一差异来达到去除噪声的目的，它分为自相关检测和互相关检测，本文主要采用互相关检测。如果和为两个功率有限信号，则可定义他们的互相关函数 （3-1）令、其中和分别代表与待测信号及参考信号混在一起的噪声，则式（3-1）可写成（3-2）式中、分别是参考信号与待测信号、待测信号与噪声、参考信号与噪声及噪声之间的相关函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为信号和噪声、噪声和噪声之间互相独立，它们的相关函数为零，于是式（3-2）可写为 （3-3）式（3-3）表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（相关检测）后，可将信号从噪声中检测出来，噪声被抑制。互相关检测可保留原函数的部分相位信息，可以获得一定的互相关增益，能达到较好的检测效果，在实际应用中常被采用。3.1.3小波分析小波变换理论采用在二维平面上分析信号，发现在合适的惊讶下原来是非平衡的跳变信号会呈现出同噪声截然不同的特性，是一种变分辨率的时域分析方法。它不仅继承和发展了窗口傅立叶变换的化思想，而且克服了窗口大小 不随频率变化，缺乏离散正交基的缺点。小波变换在分析低频信号时其时间窗很大，而分析高频信号时其时间窗较小，这恰符合实际问题中高频信号持续时间短，低频信号持续时间长的自然规律。小波分析能有效地提高输出信噪比，同时也适用其他非平衡信号的降噪，小波应用于降噪重建与数据压缩、奇异点出降噪等方面在国内外研究中已取得一定的成果。3.1.4 希尔伯特黄变换希尔伯特黄变换（HHT）是一种新的非平衡信号处理方法，其本质是对非平衡信号进行简化处理，将信号中不同尺度的波动或趋势逐级分解开来，然后再进行时频处理。对于振动信号的检测与识别，人们已经对基于傅里叶变换的方法进行了许多研究，在稳态信号检测方面取得了满意的结果，但在瞬态突变微弱信号的检测与识别中却不理想。希尔伯特黄变换在较高频率、短时非平稳信号的时频分析处理中优于传统信号处理方法。3.1.5混沌理论混沌检测是与现在有的各种检测方法完全不同的信号处理方法，它主要是用于混沌系统对初值条件的极度敏感性，当将被检测信号注入混沌系统后，就可以此混沌系统的动力学行为发生很大变化，根据这种变化，通过适应信号处理，从而测出被检信号的各种参数。目前，常用的检测微弱信号的混沌模型为间歇混沌模型Duffing振子。具体来说，间歇性混沌是指系统从有序向混沌或混沌向有序转化时，在非平衡、非线性条件下，当某些参数的变化达到某一临界阈值时，系统的时间行为在周期运动和混浊运动两者之间振荡，有关参数继续变化时，整个系统由间歇性混沌发展成混沌。3.1.6 二维相干技术相干技术利用数学方法突出信号的相似性，进而检测微弱信号、反映异常特征的一项新技术。相干技术方法分为三代：第一代算法是基于互相关的一种算法，这种算法在信噪比较高的情况下对信号有较好的分辨能力，但抗噪能力较差，第二代算法是基于相似的算法，与第一代算法相比是计算相干性较好的算法，且分辨率较高，但资料品质对相干处理的效果仍有一定的影响，第三代算法是基于特征结构的一种算法。3.1.7取样积分与数字式平均法对于淹没在噪声中的正统信号的幅度和相伴，可以利用锁定放大器进行检测，但是如果需要恢复淹没在噪声中的脉冲波形，则锁定放大器是无能为力的。脉冲波形或脉动小型的快速上升沿和下降沿包含丰富的高次谐波分量，锁定放大器输出级的低通滤波器会滤除这些高频分量，导致脉冲波形的畸变，对于这类信号的测量，必须使用其他有效的方法，取样积分与数字式平均就是这样的方法。为了恢复淹没于噪声中的快速变化的微弱信号，必须把每个信号周期分成苦干个时间间隔，间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。然后对于这些间隔的信号进行取样，并将处于相同位置的取样进行积分或平均。积分过程常用模拟电路实现，称之为取样积分，平均过程常通过计算机以数字处理的方式实现，称之为数字式平均。3.1.8锁定放大器锁定放大器掏噪声有三个基本出发点：（1）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放大，以避开1/f噪声的不利影响（2）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率和进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低（3）用低通小小器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。3.1.9自适应噪声抵消法自适应噪声抵消属于自适应信号处理的领域，它是以干扰噪声为处理对象，利用噪声与被测信号不相关的特点，自适应地调整滤波器的传输特性，尽可能的掏和衰减干扰噪声，以提高信号检测或信号传递的信噪比。自适应噪声抵消不需要预告知道干扰噪声的统计特性，它能在逐次迭代的过程中将自身的工作状态自适应地调整到最佳状态，对抑制宽带噪声或窄带噪声都有效，因此自适应噪声抵消在通信、雷达、声纳、生物医学工程等领域得到了广泛的应用。自应用噪声抵消的核心是自适应滤波器，自应用滤波过程是用自适应算法调整数字滤波器的参数，以使滤波器输出逼近传感器逼近传感器输出信号中叠加的噪声，这样就可以使抵消器的输出逼近被测信号。自适应滤波所采用的最优准则有最小均方差准则，最小二乘准则，最大信噪比准则，统计检测准则以及其他一些最优准则，其中应用最广泛的准则是最小方差准则。3.1.10 调制解调法在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声，而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离来测控电路的一项重要任务。调制解调有调频、调幅、调相三种形式，当被测信号与噪声频带重叠时，为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，即进行调制，将被测信号进行频谱迁移，然后再用与调制信号同频的信号进行解调得到测量信号。3.2信号检测方法的比较针对电力系统中电流测量的实时性要求，以及继电保护的速动性、灵敏性和可靠性的要求，需要光学电流互感器提供实时准确可靠的测量数据。比较上述常用的微弱信号检测方法，得到以下结论：（1）锁定放大器实质上是相关检测原理的一个特例，其技术已经相对成熟，输入信号必须为交流信号，利用LPF的窄带化来提高其信噪比，主要测量幅度较小的直流信号或慢变信号，只能检测淹没在噪声中的正统信号的幅度和相位，而对于噪声中的脉冲波形，LIA的低通滤波器会滤除其高频分量，导致波形畸变，但在电力系统中，频率可基本上认为是书籍的，所测的电流为交流信号，提取出准确的幅度和相伴即可得到准确的波形，所以可以采用该方法进行微弱信号检测，但其电路相对比较复杂，而且LPF的时间常数越大，等交噪声带宽越窄，SNIR越大，所需要的测量时间也越长，可以考虑采用其他的改进措施对其进行改进。（2）取样积分与数字式平均法需要多次采样后进行平均运算才能达到较高的输出信噪比，主要是处理淹没在噪声中的周期或脉冲波型，对于非周期的慢变信号，需要调制或斩波赋予其一定的周期后再进行处理。取样积分适用于恢复高频信号，数字式平均法更适用于低频和中频信号。但当被测信号的周期较长或要求的SNIR较大时，必须进行长时间的测量才能达到要求，因此采用取样积分法来改善被测信号的信噪比是以时间为代价的，数字式平均法减小随机噪声，需要多次平均后噪声有效值才大为减小，以提高信噪比，不能很好满足实时获取电力系统电流信息的需求。（3）希尔伯特黄非常适于检测现实生活中普遍存在的大量频率随时间变换的非线性非平稳信号，具有很高的信噪比，但其需要进行多次3次样条插值，费时较长，实时性较差，不能很好的满足电力系统实时测量要求。（4）自适应噪声抵消法不需要预告知道干扰噪声的统计特性，能在逐次迭代过程中将自身的工作状态自适应地调到最佳状态，对抑制宽带噪声或窄带噪声都有效，但是自适应滤波器为获得最优滤波性能所采用的算法仍需进行改进才能满足电力系统测量要求。（5）小波分析检测微弱信号对非平稳信号的噪声降低具有无可比拟的优点，可有效区别信号中的突变部分和信号中的噪声部分。电力系统中暂态下噪声相对于短路电流很小，光学电流互感器可较容易测量出短路电流值，而对于稳态时的直流或慢变交流微弱正弦信号，小波分析没有显著优势。（6）混沌系统、随机共振方法和二维相干技术最近研究比较多，但其理论还不是很完善，尤其是随机共振方法只有当系统非线性，信号与噪声达到某种匹配时背景噪声才会增加微弱信号传输，以提高输出信噪比。利用混沌系统对于初始条件具有第三性的特点，可以用于电力系统的电流信号检测，但目前才刚刚赴。（7）调制解调法能够对直流信号进行频谱迁移，将信号频率迁行色匆匆到远离噪声的频带之外，用传统的滤波器就可以除去噪声，再通过解调来还原初始信号，适合于直流电流的测量。（8）相关检测法是基于信号的相关性和噪声的随机性特点进行信号检测，信号和噪声，噪声和噪声之间的相关函数为零，而信号与信号的相关函数为一直流量，其中含有信号的幅值和相位信息。通过正交矢量型相关检测及数字信号处理，可得到信号的幅值和相位信息。通过正交矢量型相关检测及数字信号处理，可得到信号的幅值和相伴。针对直流输电线路直流侧的谐波电流及噪声特点，用相关检测法对谐波进行检测可以有效消除噪声。综上所述，锁定放大器、自适应噪声抵消法、小波分析法、调制解调法、相关检测法与其它方法相比，理论上较为成熟，能够满足电力系统对于电流测量的实时性要求，可以考虑用于直流电流和谐波的测量。其中调制解调的方法在用于直流电流测量时，结合第二章的信噪分析，可对直流信号进行频谱迁移，避开噪声的频谱范围，然后对滤波信号进行解调，即可得到直流电流，较之其他方法简便易行，故本文选用调制解调法用于直流电流的测量，采用相关检测法实现对谐波的检测。3.3本章小结本章总结了几种信号检测方法的特点，在结这些检测方法进行分析对比后确定采用调制解调方法对直流输电线路上的直流电流进行测量，采用相关检测法测量直流输电线路的谐波电流。第4章 直流电流检测的仿真分析4.1检测原理及过程在测量系统中，除了传感器输出的测量信号外，还含有各种噪声，而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分享出来是测量系统的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，即进行调制。所谓调制就是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程，输出信号为已调制波。从已调制波中恢复出调制信号的过程称为解调，然后再用与调制信号同频的信号进行相乘得到测量信号。基于调制解调法设计的直流电流检测系统框图如图4-1所示：图4-1 基于调制解调的直流电流测量系统本文所设计的直流光学电流互感器是基于法拉第磁光效应的，一束偏振光沿电流所产生的磁场方向通过Faraday材料时，其偏振面所发生的偏转角与被测电流成正比。由于偏振光的偏转角是不能被直接测量的，因此，人们利用马吕斯定律把不可测的集团角信号转换为可测的偏振光的光强信号。其中，马吕斯定律的描述是：一束光强为的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的强度为，式中为线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。为了使检偏器出射偏振光的光强获得最大，通常将起、检偏器夹角设定为，则根据马吕斯定律 （4-1）其中是进入起偏器的入射光的光强（单位为），是由检偏器输出的出射光的光强（单位为）.由于法拉第旋转角很小，只有几度，式（4-1）可以转换为 （4-2）将式（2-2）代入到式（4-2）可得出射光的输出光强为 （4-3）其中，V是Faraday材料的菲德尔常数，i为被测直流电流值。由第二章所设计的直流光学电流互感器的结构图2-7及式（4-3）可知，光电探测器能够线性的将光强信号（）转换为电压信号（V），即该电压信号与被测直流电流i成线性关系，但与此同时，也引入了光电探测器的内部噪声。在直流光学电流互感器中，Faraday材料的菲德尔常数和学电探测器的光电转换比是常数，为便于分析，本文在以后的仿真实验中均以光电探测器输出的电压信号为分析对象。鉴于信号与噪声的频段相重叠的特点，无法直接用传统的滤波器来滤除噪声。在这种情况下，我们采用调制解调的方法对直流信号进行频谱迁移，将其频率迁移到噪声的频带之外，用高通滤波器滤除低频噪声，然后对通过的直流信号进行解调，解调后的信号用低通滤波器滤除其调频成分，输出部分为一直流。取调制信号，调制频率f=40kHz，远离噪声的频带。则从检偏器出射的光信号 （4-4）光信号进行光电探测器后引入了内部噪声，用高通滤波器滤去其中的低频成分，同时也滤除噪声，取高通滤波器截止频率为f=30kHz，通过的为含有直流信息的量 （4-5）对进行解调，取解调信号，与调制信号同频，可得 （4-6）式（4-6）中含有直流信息的高频项，也有低频项，用低通滤波器滤除中的高频项，取低通滤波器的截止频率f=50Hz。则可得输出 （4-7）由式（4-7）可知，输出为一直流，其中和可测得，V为一常数，根据选用的材料不同而不同。可知直流信号与存在线性关系，通过这种关系即可求得直流。可以看出，通过运用调制解调方法对被测电流进行频谱迁移，可以除去系统中存在的噪声，获得被测信号。4.2基于LAbVIEW的信号检测仿真4.2.1虚拟仪器LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司（NI）的创新产品，是目前国际上应用最广的虚拟仪器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台。LabVIEW是建立在Windows基础上的图形融会贯通虚拟仪器开发平台，它采用图形化语言（G语言）编程，界面形象直观，操作简单，并且编程易学易懂，省时省力，可以节省大量系统的开发时间，而且模型化功能强，许多数字信号处理的算法被集成为图形化模块，用户只需掌握该模块的输入输出的接口功能即可。为逼真的模拟传统仪器的工作方式，LabVIEW提供了丰富的控件，如各种旋钮、开关、仪表盘、模拟数字示波器等，并可根据实际需要定制控件：LabVIEW完整地集成了与GPIB、RS-232、RS-485和内插式数据采集卡等硬件的通讯；LabVIEW还具有内置程序为，提供了大量的连接机制，通过DLLs、共享库、ActivieX等途径实现与外界程序代码或软件系统的连接，将其自身无法或不易实现的任务能够通过更适于完成此类任务的外部程序代码来实现，从而增加了LabVIEW的整体功能。使用LabVIEW开发环境，用户可以创建32们的编译程序，从而使常规的数据采集、测试等任务得以高速执行。虚拟仪器VI的构成可分为硬件构成和软件构成，觉的虚拟仪器系统构成框图如图4-2所示。图4-2 虚拟仪器系统构成框图4.2.2仿真过程分析用LabVIEW对基于调制解调法的直流光学电流互感器的直流电流测量过程进行仿真，仿真程序和前面板如图4-3、4-4所示。由第二章所设计的直流光学电流互感器的传感部件可知，为了提高光学电流互感器的运行稳定性，采用了直通式光学传感结构，但由此带来的问题就是输入到光电探测器的信号的信噪比降低。根据本文的设计经验，信噪比最严重时可达到-20dB。图4-3LabVIEW仿真程序框图图4-4 LabVIEW仿真的前面板在仿真中，模拟了直流光电互感器的测量环境，设定被测直流电流的变化范围为：0.01-0.1(p.u.)，噪声的有效值为3.59（p.u.），由此，被测电流从0.01-0.1范围内变化时，光电探测器输出信号的信噪比低于20-dB，采用噪声滤波器将噪声控制在20kHz以下。噪声的类型包括高斯白噪声和1/f噪声，这些噪声均可由LabVIEW模拟给出，调制信号及解调信号用信号发生器生成，高通滤波及低通滤波功能由滤波器模块实现。根据仿真结果，当高通滤波器选择不同的截止频率时，输出直流值与输入直流值呈现不同的纯属关系。设，式中为输出直流，为输入直流，为系数，为常数，则对于不同的截止频率下输出与输入直流值之间的关系如表4-1所示，高通滤波器截止频率的选定主要取决于光电探测器所带来的内部噪声。表4-1输入、输出直流的线性关系高通滤波器截止频率（kHZ）3031323334k0.4070.37440.340.2970.248b0.40480.37430.3380.29790.2512通过这种纯属关系对输出电流进行修正，即对于仿真中输出的电流值，反推出输入电流，再与输入的电流值的准确值进行比较分析。经研究发现，当高通滤波器的截止频率选取不同的值时，修正后的直流值与输入直流值的误差维持在0.2级以内，满足国家规定的标准。用LabVIEW中的信号检测模块对不同频率下的输入、输出噪声电压有效值进行了测量，测量结果显示，经低通滤波器后输出噪声幅值明显减小。经过测量，得到噪声有效值在3.59（p.u.）左右，针对直流光学电流互感器弱信号强噪声的特点，选择了高通滤波器截止频率在30kHZ时0.01-0.1（p.u.）间的十个输入电流值对输入信噪比和输出信噪比进行测量，信噪比，其中和分别为信号及噪声电压的有效值，得到的信噪比曲线如图4-5所示。图4-5 输入、输出信噪比曲线当输入信号为0.1（p.u.）时，未采用调制解调法时，信噪比达到-27dB，经过调制解调信号处理后，输出信噪比达到54dB，测量精度达到0.2%。当输入信号为0.05（p.u.）时，未采用调制解调法时，信噪比达到-27dB，经过调制解调信号处理后，输出信噪比达到54dB，测量精度达到0.5%。当输入信号从0.05（p.u.）到0.1（p.u.）变化时，输出信噪比就快速减小，达到25dB，测量精度达到5.6%，而未采用调制解调法时，信噪比达到-47dB。当输入信号从0.1（p.u.）开始增加时，由于信号增加而噪声不变，输出信噪比可以超过54dB，达到0.2%的测量精度，如图4-6所示。图4-6 直流电流检测误差曲线图由此可见，利用调制解调的微弱信号检测方法对直流电流进行微弱信号检测，信噪比有了明显的改善，噪声得到了有效滤除。4.3本章小结本章针对基于调制解调法的直流光学电流互感器的直流电流测量展开研究，设计了测量系统框图，推导了测量过程的相应公式，并在LabVIEW环境下进行了仿真。仿真结果证明，所设计的测量系统能够有效消除系统中的噪声，输出信噪比有了明显改善，表明测量精度满足0.2级标准。第5章 总结与展望5.1全文总结现阶段，高压直流输电已在我国得到了快速发展，直流电流互感器是直流系统中测量与保护的最基本单元，其性能的优劣直接关系到直流输电设备的安全以及运行的稳定性。随着电力系统传输容量的不断增长，传统的直流互感器暴露出越来越多的缺点，难以适应我国迅速发展的高压直流输电事业的需求。而基于法拉第磁光效应的直流光学电流互感器以其种种优点发展迅速，必将取代传统的电流互感器。但是直流光学电流互感器在实用化的道路上依然存在一些问题。本文针对直流光学电流互感