全光纤电流互感器研究_裴焕斗

第22卷第4期电子测量与仪器学报Vol122N o14 #34#JOUR N AL OF ELECTRON IC M EA SURE M ENT AN D I N STRU M ENT2008年8月本文于2007年4月收到。

全光纤电流互感器研究裴焕斗祖静陈鸿(电子测试技术国家重点实验室,中北大学信息与通信工程学院,太原030051)摘要:介绍了全光纤电流互感器工作原理,分析了光电探测器输出信号的特点,提出了在正弦调制下的数字相关检测方法,消除了光强、调制深度变化的影响,并阐述了测量原理、处理方法以及相关处理电路和软件的设计思路,将数据处理引入的延时缩短到小于300L s的范围,提高了响应速度。

实验结果表明,最大比差为0104998%,线性度达到019999824,达到了012级准确度的要求。

关键词:全光纤电流互感器,相关检测,谐波,比差中图分类号:TM452文献标识码:A国家标准学科分类代码:46014020Research on All F iber-optical Current TransducerPeiH uandou Zu Jing Chen H ong(N ationa lK ey Labo ra t o ry For E lectronic M easurement T echno logy,T a i yuan030051Ch i na School o f In f o r m ati on and Co mmun ica ti on Eng i neer i ng,N orth U n i versity o f Chi na,Shanx iT a i yuan030051,China)Abst ract:The pr i n ciple of A ll F i b er-Optica l Curren t Transducer(AFOCT)is i n troduced1By ana l y zing t h e character i s tics of pho to-detector output signa,l a digita l correlati v e detection sche m e based on sine w ave m odu lation and de modulati o n i s put fo r w ard,w hich eli m inates the i n fl u ence o f light i n tensity change and m odulation depth change1The m easure m ent princ i p le,processi n g m ethod and the design ideas o f related circuits and soft w are are a-l so discussed1The delay caused by data processing is reduced to less than300L s,w hich i m proves the response speed o f the total syste m1Experi m enta ldata sho w t h at the m ax i m u m rati o error is0104998%and t h e li n earity is up to019999824,wh ich m eets the prec isi o n requ ire m ent o f012class1K eyw ords:AFOCT,corre lative detection,har m on ic,ratio err o r11引言目前,随着电力工业的迅速发展,电力传输系统容量不断增加,运行电压等级越来越高,我们不得不面对棘手的强大电流的测量问题,一次仪表和二次仪表之间的电绝缘和信息传递的可靠性要求可能使传统的测量手段无用武之地。

而在高电压、大电流和强功率的电力系统中,测量电流的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流传感器(简称为CT)暴露出一系列严重的缺点:绝缘困难、制造成本高、体积大、重量重、以及由于CT固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄和有油易燃易爆等缺点,已难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网等发展的需要[1-3]。

全光纤电流互感器是以Faraday磁光效应为原理来测量电流。

因为采用光纤作为传感介质,所以在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面比传统的电磁式电流互感器有很大的优势,而且它不含有交流线圈,不存在开路危险。

本文首先分析了全光纤电流互感器的工作原理以及光路输出信号的特点,给出了系统配置结构,讨论了信号处理的方法,并给出了实用的处理电路和软件框图。

2全光纤电流传感器的系统配置全光纤电流互感器系统配置框图如图1所示,系统采用全光纤结构。

光路主要由SLD光源、分束第4期全光纤电流互感器研究#35 #器、起偏器、检偏器、相位调制器、保偏光纤延迟线、波片、传感光纤和光电探测器等器件组成。

由光源发出的光经过一个3dB 的分束器后由光纤偏振器起偏,光纤起偏器的尾纤与光纤检退偏器的尾纤以45度角熔接。

这样的话,偏振光就被平分成为两份,分别沿保偏光纤的X 轴和Y 轴传输。

这两个正交模式的线偏振光在相位调制器处受到相位调制,经保偏光纤延迟线后这两束光经过K /4波片,分别变成为左旋和右旋的圆偏振光,并进入传感光纤。

由于传输电流会产生磁场和在传感光纤中的Fara -day 磁光效应,这两束圆偏振光的相位会发生变化($H =2VN I),并以不同的速度传输,在反射膜端面处反射后,两束圆偏振光的偏振模式互换,再次穿过传感光纤,使磁光效应产生的相位加倍($H =4VN I)。

在两束光再次通过K /4波片后,恢复成为线偏振光。

分别沿保偏光纤X 轴、Y 轴传播的光在光纤偏振器处发生Sagnac 干涉[4-6]。

通过测量相干的两束偏振光的非互易位相差,就可以间接地测量出导线中的电流值。

通过光探测器,在理想情况下,可以探测到干涉信号光强的大小为:图1 全光纤电流互感器配置原理图I d =I 02(1+cos 5s )(1)式中, s =4VN I 为两路相干偏振光的相位差,V 为V erdet 常数,N 为光纤绕载流导体的圈数,I d 为穿过光纤环的电流强度,I 0为峰值光强( s =0时的干涉信号光强)。

对于上式,为了提高系统的动态检测范围,检测电路驱动相位调制器,使干涉的两束偏振光引入一个P /2的非互易相位差,使得检测获得最高的灵敏度[7]。

另外,经过调制后,可使被测信号避开易受干扰的低频段,转移到调制频率附近,从而提高信噪比。

经过相位调制后,上式可改写为I d (t)=I 02{1+cos[ s +a co s(2P f m t)]}(2)其中f m 为调制频率;a 为调制深度,由传输光纤的长度、调制电压、调制频率等因素决定。

按照第一类贝塞尔函数展开,滤去直流部分,I d (t)=I 0cos s E ]m-2(-1)m 2J m (a )cos(2Pmf m t)-sin s E ]n=1(-1)n2+1J n (a)co s(2P n f m t)(3)其中m 为正偶数,n 为正奇数。

3 信号提取方法由以上分析可知,在t=[0,1/f m ],由于电流的非突变性,当调制频率远大于被测电流信号的频率时,式(3)中调制信号各次谐波的幅值可近似认为一常数,若测量出基波信号的幅值V 1,则根据V 1=-2I 0J 1(a )sin 5s(4)即可计算出5s ,而5s 反映的就是当前被测电流。

311 谐波信号幅值测量一个包含固定频率的信号可以通过计算相关函数的方法来计算其幅值,假设被测信号为x (t)=A si n (2P f c t+U 1)参考信号为与其同频率的的正弦选函数r(t)=B sin(2P f c t+U 2)同时对被测信号和参考信号采样,采样频率f s >2f c ,令8=2P f s ,则采样后的信号序列分别为x(k)、r(k),定义两者的互相关函数为R xr (m )=EN -1-mk=0x (k )r (k +m )N=EN -m-1k =0A sin (k 8+U 1)B sin [(k +m )8+U 2]N(5)#36#电子测量与仪器学报2008年定义参考信号的自相关函数为R r(m)=1NE N-1-mk=0r(k)r(k+m)(6)若相关运算长度N满足采样周期的整数倍,则R xr(0)=AB cos(U1-U2)2(7) R r(0)=B22(8)由此可计算出被测信号和参考信号的幅值。

对于被测信号中的谐波分量,若希望获得其幅值,可通过三角变换生成同频率的参考信号,被测信号与参考信号按照上述方法进行相关计算,即可获得相应谐波的幅值。

312电流的测量对于式(3),可看作为无数个不同幅值谐波信号的叠加,与已知的调制信号进行相关运算,由式(7)、(8)可计算出其中包含的基波信号的幅值,根据式(4)可得:5s=sin-1-V12I0J1(a)(9)显然,所计算出的5s与干涉光强I0和调制深度a有关,而干涉光强I0和调制深度a均随外界环境的变化而变化,为了消除这两者对测量结果的影响,可对信号中的二次谐波和四次谐波的幅值V2和V4进行处理V2=2I0J2(a)cos5s(10)V4=-2I0J4(a)si n5s(11)由式(4)、(10)和(11)可消除调制深度a,5s=tg-1-V1J2(a)V2J1(a)(12)4检测电路设计本系统选用X ilinx公司的100万门的FPGA芯片(XC3S1000-4FG456)和T I公司6x系列高速浮点DSP芯片(TM S320C6701)组成信号处理单元,模拟量输入输出部分则采用Analog公司的高速高精度的数模、模数转换芯片。

FPGA作为系统的中转部分,主要完成各个时序的建立、生成中断信号、进行数字量的输入输出等功能。

DSP则发挥其的高速运算的特点,进行算法的实现。

两者之间采用DMA 方式实现数据通讯,系统的构成如图2所示。

调制信号分两路送给FPGA,一路经方波整形后控制帧数据点数,另一路和光电探测器输出的信图2检测系统框图号经放大、滤波后,由14位高速模数转换器进行转换,送到FPGA,当FPGA获得一帧采样值(n个采样点/1个调制周期),向DSP发送中断申请,并通过DMA通道传送给DSP。

DSP接收到数据后,按照上述的算法进行运算,运算结果经过滤波处理后,调整为数字量传送至FPGA,由FPGA送D/A转换器进行模拟输出或直接输出数字量。