光学电流互感器的毕业论文.doc

摘 要本文通过对数字接口输出标准IEC60044-7/8中信息合并单以及通信协议IEC61850有关通信接口部分做了深入的分析,在满足光学电流互感器数字接口标准条件下,提出了遵循IEC61850协议的光学电流互感器的实现方案,将光学电流互感器分为,传感部分,高压侧数据采集部分,低压侧信息合并单元部分,以太网通信部分来实现.在高压侧数据采集系统的设计过程中，通过对采集系统的分析，采用FPGA实现对A/D采样的控制,在低压侧合并单元部分，采用FPGA与DSP相结合的合并单元设计方案,FPGA实现高压侧传下来的数据的接收,校验还原,并保持各路采样的同步,采用DSP技术进行相应的数据处理，按IEC61850-9-1对数据进行打包,组帧并通过以太网传输数据.关键词：光纤电流互感器 数据采集系统 信息合并单元 IEC61850 以太网 现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 数字信号处理（DSP） ABSTRACTThis article through to the digital interface standard IEC60044-7/8 of output information and communication agreement with single IEC61850 on communication interface part do a thorough analysis, satisfying optical current transformer digital interface standard conditions, and put forward the following IEC61850 agreement optical current transformer, will the implementation scheme of current transformer is divided into, optical sensing part, high voltage side of low voltage side of data acquisition, merger, Ethernet unit of information communication to realize Part. In high voltage side of data collection system design process, through the acquisition system analysis, and the FPGA realizing A/D to the control of the sampling, in low voltage side of the unit, with the combination of FPGA and DSP merge unit design scheme, FPGA realizing high voltage side of the handed down data receiving, verify, and keep the reduction of synchronous sampling, DSP technology for the corresponding data processing, according to IEC61850-September 1 of the data package, group frame and through the Ethernet data transmission. Key words: optical current transformer; data-acquision system; merging unit; IEC61850; Ethernet; field programmable gate array ; digital signal processing ; 目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1概述11.2 背景及意义21.3 国内外光学电流互感器的发展状况31.3.1 国外发展情况31.3.2 国内发展情况5第2章 光学电流互感器传感部分的设计62.1 传感基本原理62.1.1 光的偏振特性62.1.2 法拉第效应72.2 光学互感器光路设计82.3 光学互感器光路的工作过程92.3.1 传感部分主要元件的选择92.3.2 偏振态转化过程142.3.3 接收单元电路的设计16 2.3.4 光源驱动电路设计.17第3章 数据采集系统设计193.1 信号处理电路193.1.1 滤波电路193.1.2 积分电路213.1.3 A/D转换电路233.2 A/D控制模块的FPGA设计263.3 组帧编码模块设计273.4 光信号的收发283.5 同步采样303.5.1 同步信号1的产生313.5.2 同步信号2的产生323.5.3 同步信号异常时的动作33第4章 数据处理合并单元的设计344.1 数字输出标准344.1.1 IEC60044-8标准344.1.2 合并单元的通信384.2 FPGA数据接收模块404.2.1 解码电路的设计414.2.2 CRC校验电路424.2.3 数据缓冲FIFO424.2.4 同步功能模块434.2.5 FPGA与DSP的电源电路434.3 数据处理部分444.3.1 数据缓存454.3.2 数字滤波器454.3.3 均方根及相位运算474.3.4 相位补偿494.3.5 合并单元光纤输出驱动电路504.4数据输出模块514.4.1 IEC61850-9-1 标准514.4.2 硬件设计54第5章 数据输出模块软件程序设计585.1 NIC初始化585.2 数据包的发送流程图605.3 DSP的读写61结 论64致 谢65参考文献66 CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIIChapter1 introduction11.1 briefly11.2 The background and significance21.3 home and abroad the development situation31.3.1 Foreign development31.3.2 Domestic development5Chapter2 Optical current transformer sensing part of the design62.1 Sensing basic principle62.1.1 Light polarization characteristics62.1.2 Faraday effect72.2 Optical transformer design light way82.3 Optical transformer the working process of the light path92.3.1 The choice of the main components of sensor92.3.2 The transformation process of polarization142.3.3 Receiving cell circuit design172.3.4 Light source drive circuit design18Chapter3 Data acquisition system design193.1 Signal processing circuit203.1.1 Filter circuit203.1.2 Integral circuit223.1.3 A/D circuit243.2 A/D control module FPGA design273.3 Frame coding module design group283.4 Light signals to send and receive293.5 Synchronous sampling313.5.1 Synchronized signal the generation of 1323.5.2 The generation of 2 synchronized signal333.5.3 Synchronized signal of poses34Chapter4 With the design of the data processing unit354.1 Digital output standard354.1.1 IEC60044-8 standards354.1.2 Merger of the unit of communication404.2 The FPGA data receiving module424.2.1 Decoding circuit design424.2.2 CRC checking circuit434.2.3 Data buffer FIFO444.2.4 Synchronization function module444.2.5 The FPGA and DSP power supply circuit454.3 Data processing464.3.1 Data cache464.3.2 Digital filter474.3.3 Root mean square and phase operation494.3.4 Phase compensation504.3.5 Merge unit optical output driver circuit524.4 Data output module534.4.1 IEC61850-September 1 standards534.4.2 Hardware design56Chapter5 Data output module software programming605.1 NIC initialization605.2 The data packets sent flow chart625.3 DSP reading and writing64conclusion64Acknowledgements65reference66 第1章 绪论1.1概述互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一，随着电力系统向高电压、大容量发展，传统的基于电磁感应原理制成的电磁式电流互感器暴露出来越来越多的问题，这就有力地推动了电子电流互感器(ECT)的研究与应用。电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件或空心线圈(带有或没有内嵌积分器)或是带有集成负载的铁心线圈的,独立的或配有电子器件的电流一电压转换器。其中利用光学器件对电流传感器的或传输信号的ECT称为光学电流互感器(OCT)。对OCT可有不同的分类方法，按照高压区分工作单元是否需要供电，通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构,又可分为全光纤型(FOCT),光学玻璃型(BGOCT),混合型(HOCT),磁场传感器型和其他传感机理型。随着光电子和光纤通信的发展，有力的推动了新型光纤电流互感器的研究与应用。与传统的电磁式电流互感器相比,光纤电流互感器有如下优点：不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患15；不含铁芯,不会有磁饱和现象；测量带宽和精度高；使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰；易于与数字设备连接等。由于光纤电流互感器与传统互感器的输出形式有很大的不同,因此如何选择和设计过程层与间隔层保护测量二次设备之间的接口就成了要解决的关键问题。为此,2002年国际电工委员会第38届技术委员会(IECTC38)专门负责制定了电子式电压、电流互感器制造标准IEC60044-7/8；同时,自2004年开始IECTC57又陆续推出了变电站通信体系和结构IEC61850国际标准协议,该标准面向未来,覆盖了变电站的所有接口,目的是有效地解决不同厂家生产的自动化系统的互操作性和互换性问题。1.2 背景及意义随着我国电网容量的不断增大和电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器暴露出了一系列的缺点，从本身的设计原理来看：1.绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而成指数增加；2.动态测量范围小，带窄；3.大都依赖绝缘油做绝缘，易燃易爆；4.由于大容量超高压系统中的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的非周期分量容易引起传统电流互感器铁心过度饱和，造成励磁电流增大几十倍至几百倍，从而引起电流互感器二次侧电流数值和波形严重失真，导致系统保护误动作；另一方面从目前间隔层与过程层之间的通讯方式来看，传统互感器采用的是电缆线点对点的连接方式，传送的是模拟量存在着二次接线复杂，维修困难的状况。鉴于传统互感器所面临的种种问题，电力系统迫切需要能克服上述缺点的新型电流互感器来代替传统的电磁式互感器。随着光纤技术，传感技术和电子技术的发展，光学电流互感器正逐渐成为研究的热点。光学电流互感器是运用了光纤传感技术和电子技术对高压电缆上的电流信号进行测量和传输的新型互感器。它有效解决了传统电流互感器中存在的问题16，可满足电力系统计量和继电保护中的应用要求，具有广阔的应用前景。光学电流互感器的优点在于：1.优良的绝缘性能，高压低压隔离，绝缘结构简单；2.不含铁心，无磁饱和，铁磁共振和磁滞效应，暂态响应好，稳定性好；3.抗电磁干扰性能好，低压侧无开路危险；4.暂态响应范围大，测量精度高；5.频率响应范围宽。频率范围受后面的信号处理电路的限制；6.没有因充油而有易燃易爆的危险；7.适应了电力计量和保护数字化，微机化，自动化的发展潮流；光学电流互感器的基本装置与电压等级无关，应用于不同的电压等级时只需改变设置参数和绝缘设施，电压等级的提高不会带来设备费用的大幅增加。现在随着电子技术的发展，光纤电流互感器在整机性能可靠性和使用寿命等多方面都已经超过了传统的电流互感器。虽然光学电流互感器有很多优点，但仍存在许多问题值得研究和改进，其中有全光纤型电流互感器的固有双折射难以处理。普通硅光纤的维尔德常数较小，光线固有双折射会倾向于淹没法拉第旋转角。增加传感光纤圈数可以提高灵敏度，但同时也会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，所以就起不到增加灵敏度的效果。光纤的固有双折射和维尔德常数海域温度有关，这样就更难于控制互感器的精度。全光纤互感器自被提出近30年来，一直围绕这固有双折射和温度稳定性的问题进行研究。1.3 国内外光学电流互感器的发展状况1.3.1 国外发展情况国外对光学电流互感器的研究于20世纪60年代开始，到了80-90年代，已经进入实用化和产品化的阶段，到目前大约有2000多台光纤电流互感器在挂网运运行。在这方面技术的研究中美国比较领先。美国五大电气公司各自在1982年左右成立了光学电流互感器专题研究小组在1986-1988年实现了161kV独立式光纤电流互感器，1987年161kV的以继电保护为主的以及1989年5月-1992年的345kV,20-2000A,0.3级计量与保护的光纤电流器的挂网运行成功,其中最具代表性的是：1986年美国的田纳西州流域电力管理局在其所属的Chkamauga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,可靠运行两年多后拆除。西州电力流域管理局在1987年第二次安装的光学计量系统是在其所属的Moccassin电站完成的,与1986年相比,扩展为三相计量。经过六个多月的测量千瓦小时,全光学计量系统和传统互感器系统比较,相差不到1%。西州电力流域管理局在它所属的Oglethorpe电站和石化燃烧站之间的电力编组站安装了第一个以光学电流互感器为基础的继电保护系统,到1990年9月报导之日为止,比较的结果是令人鼓舞的。仅在1990年7月8日一天,光学电流互感器系统就正确地响应了由于雷暴雨而引起的6个故障17。1991年6月,ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的光学电流测量系统,并在运行四个月之后,与标准CT比较所展现出来的仅是0.4%的误差。日本也早在1981年起组织了五大电气公司对光学电流互感器理论,材料,性能等进行了研究。要求达到的l级,O.5级及零序保护级,以组合式为主,独立式为辅,现已基本达到研究目标。1996年,日本日立公司电力工业系统研究开发小组,使用了块状玻璃OCS,用于400MW抽水蓄能电站,额定电流8000A。1997年,该公司成功地开发出115kV、550kV、2000A组合式光电传感器和69kV、765kV、2000A组合式光电传感器。如今,日本研制出了用于6.6kv传输线谐波分析的OCS18。欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的OCT系统,并在运行四个月后,与标准CT相比较误差仅为0.4。1994年,ABB公司又推出了有源光电式电流互感器,电压等级为72.5kV-765KV,额定电流为600-6000A。3M公司在1996年开发出用于138kV的全光纤电流测量模块,据称可用于500kV电压等级。在光CT的研究上前苏联也有较大进展。1973年苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司制造了750kV的频率脉冲调制式OCT,其被测电流的额定值为2000A,可提供一个测量仪表通道和三个继电保护通道。1.3.2 国内发展情况我国OCT,OVT的研究始于七十年代,以1982年在上海召开的激光工业应用座谈会为起步,主要研究单位有电子部26所和34所,清华大学,电力科学研究院,陕西电力局中心试验所,上海互感器厂,北方交通大学,华中科技大学等。南开大学在利用干涉原理测电压和利用布拉格光栅测电流也做了深入研究，燕山大学曾在国内首次提出利用差分式Sagnac干涉原理测高压母线电流，并在原机械工业部基金赞助下完成了样机的试制。由于差分式Sagnac干涉仪对由温度产生的热应力和外界震动产生的干扰有自动补偿功能，样机具有很高的稳定性。后来又在河北省重点基金资助下，完成了有源式光学电流互感器的研制。最早的产品是沈阳变压器厂和四平电业局共同研制的110kV的OCT，并于80年代在四平电业局挂网试运行。1991年清华大学和中国电力科学研究院共同研制的110kV的OCT通过国家鉴定并挂网试运行。1993年华中理工大学与广东新会供电局合作研制110 kV的OCT在广东省新会供电局大泽变电站挂网运行，并在1994年通过原电力部鉴定，额定电流为100-300A，精度为O.3。现在我国的电力行业和部分高校正在加快这方面的研究工作，并已进入实用化阶段，将形成一个新的产业。第2章 光学电流互感器传感部分的设计2.1 传感基本原理2.1.1 光的偏振特性 光是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的，光波为横波，具有偏振特性，有偏振光，非偏振光，部分偏振光。偏振光是指光波电矢量方向按一定的规律变化，矢量端点在空间有规则的轨迹的光。非偏振光是光波的电矢量方向在空间没有规则的轨迹不显示任何方向的光。部分偏振光世介于两者之间的光，用检偏器去检验这种光，随着检偏器角度的变化透射光的强度成交替性变化，最小透射强度不会为零，可以看作是偏振光与非偏振光的叠加。 假设光沿X方向传播，因为光波是横波所以Ez=0，偏振光电矢量的大小可用Y,Z轴上的两个分量来表示的合成来表示。 (2-1) 式 （2-2） 式中，光的角频率；光波长；，分别为Y，Z方向上的最大振幅；，分别为X,Y分量的相位。 当，的相位差为0或者时为线偏振光，当相位差为/2或-/2且=时为圆偏振光，如果比引前称为左圆偏振光，反之称为右圆偏振光，相位差为任意值并且两个分量不相等的时候为椭圆偏振光，椭圆偏振光的参数包括椭圆度，方位角和旋向。2.1.2 法拉第效应1845年，法拉第发现磁场作用于玻璃时，当一束线偏振光沿磁场方向通过玻璃时，其偏振面发生了旋转19，法拉第效应告诉我们线偏光振动平面的旋转角大小与磁场强度及光与磁场相互作用的距离成正比。即 (2-3)式中，透明介质的磁光旋转率，偏振面旋转的角度，L通过的路径，H北侧电流在dl产生的磁场。 安培定律讲了电流与该电流产生的磁场的一圈环路积分之间的关系 (2-4)式中，是导线的根数，I是每根导线通过的电流强度，假设只有一根导线，对于环绕N圈的光纤的闭合回路，法拉第效应表示为， (2-5)再结合安培定律有 (2-6)由此可知，通过光纤的线偏光振动平面的偏转角的大小，与光纤环路的匝数及通过导线的电流强度成正比。这就是法拉第效应光纤电流互感器的基本工作原理，法拉第磁光效应。2.2 光学互感器光路设计传感基本原理讲完了，接下来是传感光路的设计，图2-1为传感光路的示意图。 图2-1 传感部分结构原理图反射结构的全光纤电流互感器。起偏器的方向相对于双折射光纤的双折射轴x和y成45度角。因此，两束正交的线偏振光传向传感线圈。在进入到传感线圈前，由作为延迟器的光纤/4波片转变为左旋和右旋的圆偏振光。在线圈尾端，圆偏振光被反射后第二次通过线圈。通过反射，偏振方向转换，例如左旋变右旋反之亦然。/4波片延迟器再将返回的光转变为正交线偏振光。相比于传过来了线偏振光，新的偏振方向也交换了，例如沿着X和Y轴的前向偏振变为沿着X和Y的反向偏振。最终，两束正交光在光纤偏振器出发生干涉。作为偏振交换的结果，光路径上的干扰相互抵消为0。电流引起的非互易相位跳变在Sagnac反射型中加倍。 （2-7）是给出的，是熔融硅光纤的维尔德常数，N是光纤的圈数，I是电流。2.3 光学互感器光路的工作过程2.3.1 传感部分主要元件的选择1.光源 在光纤电流互感器中光源有很重要的作用，互感器光源有几个很重要的特性。(1)辐射的几何特性。光源有一定的输出功率，也就是说送入传感部分的光通量的最大值，这个量的大小与光源的波长和入射光纤的光通量的综合作用，光纤的光通量与纤芯面积和光纤的数值孔径有关，就是与光纤的几何特性有关20，对光纤系统来说高亮度光源是很重要的，在实际中特别注意光纤的几何特性，以实现最佳功率传输。(2)频谱特性。主要体现为中心波长，频谱宽度。中心波长应选在光纤的低损耗传输窗口，使传输损耗最小，光谱宽度由带宽决定。光谱的噪声电平也很重要，光源的最低噪声电平有散粒噪声决定，在许多光源中供给光源的电源都包含噪声，经过光电转化后电噪声变成光噪声。光源内还有谐振效应，在一些频率上产生附加频率噪声，震荡媒质结构的不规则会引起不规则的光产生，造成光源的不稳定，导致实际噪声会更大，相干性对于光源来说是一个关键参数，相干性对于干涉仪的使用有较大影响。(3)电光转换特性。光源的电源对光的输出有影响，是多方面的。输出光功率的大小随着激励电源的增加而增加，同时器件的温度也随着升高，这就使许多光电变换器的输出功率比恒温时要低，而且光的频率也会发生变化，所以输出强度和频率都是电源的函数。(4)环境特性。 大多数半导体光源随着使用时间的增长光输出功率开始劣化，并且受温度的影响很大，对于光源的失效机理很多人还不太清楚，在光源的设计中光源的亮度，光谱特性，电光转换特性之间的关系需要考虑，要求光源有足够大的功率，以保证传输中光的质量，确保足够大的信噪比，此外光源的稳定性，可靠性，使用寿命，几何尺寸价格等要考虑。光源的性能直接影响到光纤传感器的质量，常用的光源有白炽灯，激光器，半导体光源，适合用作光源的是半导体光源，半导体光源利用PN结把电能转换为光能的器件，具有体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，寿命长的特点，与光纤兼容性很好，半导体光源分为半导体发光二极管，半导体激光二极管，半导体激光二极管存在着一些缺点，如温度特性较差，工作一段时间后会退化影响稳定性和寿命，易损坏，寿命短，价格比较高，而发光二极管的寿命较长，而且输出光功率-电流特性线性非常好，使用简单。因此，这里用惠普公司的HFBR1414型LED，发射功率高，带有AT推荐的ST插座，可通过ST连接器与多模光纤相连。2. /4波片 波片的作用主要是改变光的偏振态，实现线偏振光与圆偏振光之间的转换，光纤/4波片是通过取1/4拍长的双折射光纤和传输光纤的光轴成45做成的。在光纤电流互感器中偏振光在保偏光纤中传输受双折射的影响，会产生相位延迟，当入射光为线偏振光时，偏振光的偏振态变化为；线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-线偏振光。利用这一特性只要取合适长度的光纤就可以做/4波片，当一束线偏振光与与波片的主轴成45入射时，两个主轴分量就会有一定的相位延迟，理想情况下相位延迟为90就是圆偏振光。因为包括/4在内的光纤传感环是放在室外的，温度变化较大而且处在高压区，不能采取恒温措施，如果随着温度的变化相位延迟也较大21，那么系统的精度会受影响，因此选择温度特性较好的几何双折射光纤/4波片以提高系统的精度。3.相位调制器相位调制是光调制的一种，调至的是光波的相位，频率，振幅，偏振态和波长，以达到传递信息信号的目的，常用的是光纤相位调制，光纤本身属玻璃需用机械方法改变光纤的折射率，长度及一些物理参数，但是在光纤内直接调制光信号消除了光的耦合，减少器件的插入损耗，易于连接，便于实现，价格低等优点。4.传感光纤 传感光纤也是光纤电流互感器重要的组成部分， 传感光纤的线性双折射会使得整个传感系统的相位噪声增加，影响测量的精确度，近年来主要采用扭转，退火，拉丝的方法来制作传感头的传感光纤。扭转光纤可以减小光纤内剩余应力引起的内在的线性双折射，退火光纤可以减小由于弯曲导致的线性双折射可以将两种方法结合起来，将扭转光纤经过退火处理制作的传感头，拉丝光纤这种光纤在生产的时候早期采用光纤旋转，为了形成超低双折射而抗弯曲，因此传感光纤要采用能够抗弯曲，抗温度变化的圆保偏光纤，拉丝光纤的制作成本很高而且制作困难，所以本系统的采用扭转光纤为传感光纤，加工成本低，制造工艺简单，将一根普通的单模光纤用外力加以旋转，在力的作用下纤芯中产生的切向应力能部分消除由于制造工艺不均匀而引起的线性双折射，是的扭转光纤具有弱圆双折射特性扭转光纤的扭转率为： (2-8) N为扭转圈数，扭转切应变力产生的圆形双折射率n与扭转率成正比，表示为： (2-9)其中n0为纤芯的折射率，p1和p2为扭转时两个相反方向上的光弹系数，若扭转光纤以具有线性双折射率A，在扭转圈数很少的情况下线性双折射起主要作用，在扭转全数不是很多的时候大约是n等于A的时候，光纤中线性双折射和圆双折射共同作用成椭圆双折射，光的偏振态变为椭圆偏振态，偏振规律是很复杂的，在扭转圈数多的情况下，有扭转产生的折射率起主要作用，原有的线性双折射率近乎不起作用，此时光纤对入射的线偏振光具有偏振面旋转的作用与旋光物质的作用类似，不同的扭转光纤有不同的光纤磁光系数，是物质特性常数且与波长有关，是能充分反映光学电流互感器传感环性能的重要参数，在法拉第效应下要求材料经可能的降低双折射和尽可能的长度22，如果在光纤上绕S圈通电线圈，则： (2-10)可以看出增加光线圈数和导线的缠绕圈数可以增加旋转角从而提高心痛的灵敏度。5.光电探测器 光电探测器是以很重要的部分，特的性能指标直接影响着传感器的性能，光电探测器的作用是将光纤传来的光信号转变成电信号，实现光电转化的原理为光电效应，就是物质在光的作用下释放出电子的现象，光子打在物质表面上光子的能量被电子吸收之后改变了电子的运动规律，电子发生了跃迁运动，处于低能级的电子受激励后克服阻力脱离物质表面发生的光电效应为外光电效应，也有物质在受激励后本身的电阻发生改变称为内光电效应。光电管和光电倍增管就是利用外光电效应原理，外光电效应的电子逸出功表达式为： (2-11)其中m为电子质量，v为逸出电子的速度，h普朗克常数，V为入射光的频率，pa为逸出功，产生电子的能量与光强度无关与光的频率有关，当产生电子的动能为零时对应的光子频率为： (2-12) 波长为： (2-13)C为真空中的光速，产生外光电效应的最大波长。内光电效应包括广电导效应，光生伏特效应，光导管和光敏电阻是基于光导效应的光电探测器，光电池和光电二极管是利用光生伏特效应的光电探测器，这里采用的是PIN光电二极管，对于光电系统的光电探测器系统要求其响应时间小于10-8s，这样PN型光电二极管就不满足要求，PN的响应时间为10-7s，PIN光电二极管是在PN光电二极管基础上使N区与P区之间隔了一层本征层，改善了特性，相对N区和P区来说本征层为高阻层，外加反向电压降大部分在这里，使耗尽区加宽，增加了光电转换的有效工作区，提高了器件的灵敏度，是击穿电压不受基体材料的限制，这样光电转换主要发生在本征层和一定的扩展长度内，本征层工作在反向可以对少数电子起到加速的作用，PIN光电二极管通常工作在较高的反向电压下，它的耗尽区非常的宽，结电容很小，响应时间很短。6.耦合器光纤耦合器的主要功能是分光，其原理是将耦合区的光波分成两个模态的光波，对称模态和反对称模态，这两种模态的光在光纤中的传播速度有差异从而达到分光的效果，分光的效果与耦合区的长度有关，用熔融拉锥的技术制造光耦合器是将两端剥出包层的光纤平行的贴在一起，再对耦合区加热并在光纤的一头输入光源，同时另外两端进行耦合监控，在拉伸的时候要用高精度的拉伸控制器来控制耦合区的长度，达到要求后停止加热，在两条光纤熔烧的过程中一条纤芯的模态能从纤芯跳到另外一个纤芯，在另一根光纤纤芯内传播，纤芯的功率有包层模态的相对位置决定的，光纤元器件的光纤结构不会想起他结构那样有界面或不连续的情况出现23，使光在内部传输的时候不会有太多的损失。7.起偏器 偏振器在光路中起起偏和检偏的作用，用来产生和检测线偏振光，偏振器的性能主要取决于消光比，最大孔径，以及光的吸收性，选偏振器应选择通光孔径大于光束的直径，而且具有高消比和透过率。 这里起偏器采用了泰勒棱镜，消光比为10-5，透光性好，波长为定性好，易于调整。2.3.2 偏振态转化过程 图2-2 偏振态转化过程图光在整个系统中的偏振态变化过程为：由光源发出的光先经过隔离器再经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光。线偏振光由2x2保偏光纤耦合器平均分为两束。 当两束沿Y方向的偏振光进入相位调制器后，其中的一路经过首先通过/4波片后变为圆偏振光，再由旋光器将圆偏振光的偏振面旋转了45，因为是圆偏振光，所以当它的偏振面旋转了45的同时它的相位也变化了45，最后再由/4波片恢复为Y方向上的 线偏振光。另一路光直接通过90焊接(快轴对慢轴，慢轴对快轴的焊接)的传输光纤后，偏振面旋转了90，变为沿X方向的线偏振光，相位不变。这样，两束光相互正交并且有了45的相位差。当这两束正交模式的光耦合成一路后由保偏光纤传输线送入/4波片，通过/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。在传定的偏转角，对于圆偏振光来讲此偏转角就是相位角，所以在传输电流作用下这两束圆偏振光产生相应的相位变化。经由传感光纤端面的镜面反射后，两束圆偏振光的偏 振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)24，再次通过传感光纤，并再次和电流产生的磁场相互作用，使产生的相位变化加倍。这两束光再次通过/4波片后，恢复为线偏振光，并且X方向入射的线偏振光变成了Y方向的线偏振光，而Y方向入射的线偏振光变成了X方向的线偏振光。这两束正交模式的光再由偏振分离器分为两路后再次通过相位调制器。这时，原来经过45相位调制的线偏振光(即原来沿Y方向，现在变成了沿X方向的线偏振光)直接通过90焊接后重新变为沿Y方向的线偏振光。而另一路没有经过相位调制的光(即原来沿X方向，现在变成了沿Y方向的线偏振光)通过/4波片和旋光器的组合，受到反向45的调制，这样两束一来一回就受到了90的相位调制，从而使系统处在最灵敏的工作点。然后经过偏振器后，X和Y方向的偏振光分别只剩下与起偏器相同方向的分量，它们进行干涉后使得由于法拉第效应产生的光波相位的变化转变成为光强度变化的信息，而这个信息就表示了被测电流的大小。最后，携带该信息的光由耦合器耦合输出进入光电探测器。 图2-3 线偏振光通过波片变成圆偏振光的示意图 图2-4 偏振态变化过程图2.3.3 接收单元电路的设计 接收单元由光电二极管和运放组成,图为接收单元电路，该光检测电路是有放大器A,B和反馈电阻RF和反馈电容CF组成，其交流输出电压为U=SPRF （2-14）其中S为光电二极管灵敏度，P为入射光功率，在检测弱光信号时，为提高增益RF尽量取的大一些，放大器的输入偏置电流和输入偏置电压对输出的电压影响分别为IRF V(1+RF/RS) (2-15)RS为光电二极管内阻，由公式可以看出减小FRY可以减小以上的影响，但是同时会减小电路的增益，解决这个问题只好选用偏置电流和失调电压均很低的运算放大器，这里选用的OPA111型的高精度运算放大器，其偏置电流约为0.8pA，输入失调电压约为100V，经计算RF在几百M时上述影响可忽略，提高了精确度。 图2-5 光接受单元电路光信号经过光电二极管转化为电信号后经运算放大器放大，对输出的电流信号进行检测并进行处理之后可以得到被测电流的大小。2.3.4 光源驱动电路的设计图为光源的驱动电路，驱动电路中利用稳压管Dz在反向工作状态时的稳压特性来稳定运算放大器的反相输入端电压，图中Ra主要用来为稳压管分压，Fry是运放的平衡电阻，Rh,Rc及可调电阻Rb和二极管D组成了一个温度漂移的补偿电路，该电路利用二极管PN结正向压降的负温度系数(约-2mv/)，来补偿驱动电路的温度漂移，由电工学知识可得： (2-16)由式(2-16)可以看出，只要适当的调节使Uo与Uz成线性关系，当Uo恒定时，三极管的集电极就会产生恒定的电流，从而是LED稳定的发光，在实际的应用过程中，环境的温度变化会影响运算放大器的输出电流和三极管集电极电流变大，导致LED发光变强，由于电路采用了温度补偿电路，当温度升高时，式(2-16)中I2变小使输出电压Uo变小，这样就减小了温度变化对电路的影响，使LED发光对温度的变化不敏感，可通过调节Rb来控制补偿的程度。 当Uo恒定时，三极管集电极会产生恒定电流，只要调试得当电路的工作非常的稳定，满足LED发光稳定的要求，LED驱动电流表示为; (2-17) 图2-6 光源驱动电路式中UBE为基极与发射极间的电压，为三极管的放大倍数。HFBR是高功率，高稳定性的光发射机，具有ST,SMA,SC,FC四种连接头可选，工作波长820nm，满足协议的标准，他的高耦合效率可以在很低的驱动电流下正常工作，在60mA直流驱动时，耦合进光纤的功率可达到-15.8dBm，适合中长距离传输。第3章 数据采集系统设计高压侧数据采集系统式互感器数字接口的一个部分，主要对传感元件输出的电流，电压信号同步采样并对型号编码成光信号进行传输。根据硬件电路功能的不同可分为信号处理电路，FPGA采样逻辑控制，编码电路两个部分。数据采集需要合并单元的同步信号控制。图3-1 数据采集框图3.1 信号处理电路3.1.1 滤波电路 为了提高测量的精度，消除噪声的影响，需要对测量的输入信号滤波。常用的低通滤波器有巴特沃斯滤波器，车比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带内有最大的平坦度，但通带到阻带的衰减较慢，车比雪夫滤波器能迅速衰减，但误差值在通带内波纹性变化，贝塞尔滤波器只满足相频特性，而不考虑幅频特性，可得到相位失真较小的波形。所选滤波器的阶数不宜太高，容易导致电流电压通道的移相误差变大。设计中采用的是巴特沃斯二阶低通滤波器。 图3-2 滤波电路 滤波电路的传递函数为： (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) 令 则 (3-5)由二阶巴特沃斯多项式 (3-6)可得 R4=0,同时令R3等于无穷，即R3开路得到单位增益的低通滤波器，由于50HZ的干扰信号较强，故采用电通滤波器滤除30HZ以上的信号，这样就能消除30HZ以上信号的干扰，所以有滤波范围可得C1=0.22f，C2=0.1F，可解得R1=7860,R2=14648,对电阻取标称值，所以滤波器的参数为C1=0.22F，C2=0.1f,R1=7860,R2=14648.3.1.2 积分电路 模拟积分器主要有高性能的运算放大器构建，常用的积分器电路。 图3-3理想积分器积分器的时域表达式为：； (3-7)频域变换：； (3-8)得幅频特性，相频特性分别为： (3-9) (3-10)理想积分器是有条件的，1.开环增益无限大 2.输入阻抗无限大 3.输出阻抗为零 4.输入失调电压和输入失调电流为零 5.共模抑制比无限大 6.带宽无限大 实际上各种原因不能实现积分功能。 改进积分器电路原理图。 图3-4 改进积分器 改进积分器采用直流反馈稳定其工作点，就是在积分电路上并联一个放电电阻R2，R2为缓慢变化的积分漂移电压构成了反馈通路，有效的抑制了积分漂移，R2通常取的很大。改进积分器的传递函数 (3-11) 由传递函数可以看出，电路的幅频特性特点是幅值变化与频率成反比，电路对低频信号的放大是工频信号的很多倍，因此易受低频信号的影响。 在设计积分电路时，希望积分器在整个低频段的增益都很少，并且能够起到相位补偿的作用，因此，新型积分电路是很好的选择。 图3-5 新型积分器积分电路的传递函数； (3-12) ； ； ； (3-13)改变的大小，积分电路就可