CN101521104A - 一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器 - Google Patents

Abstract

全光纤电流互感器，光源发出的光束经Loyt消偏器后进入集成光学器件处理产生两束线偏振光，两束线偏振光经保偏光纤延迟线、λ/4波片后转变为两束椭圆偏振光并进入敏感光纤传播。由于Faraday磁光效应，两束椭圆偏振光在被测电流产生磁场的作用下产生相位差，随后两束光经反射镜反射后再次进入敏感光纤，两束光线互换光路，在被测电流产生磁场的作用下，再次产生相位差；携带电流信息的两束椭圆偏振光经λ/4波片、保偏光纤延迟线回到集成光学器件形成干涉光送至光电探测器，光电探测器将其中携带被测电流信息的光强信号转换为电压信号后送至双闭环控制装置，双闭环控制装置根据电压信号分别完成对两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制。

Description

一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及一种电流互感器，特别是一种采用双闭环控制光波相位差和调制波复位误差的全光纤电流互感器装置。

背景技术

电流互感器(简称CT)是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，其长期稳定性、可靠性、安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。

目前常用的电流互感器主要为电磁式电流互感器，其利用了电磁感应的原理将高压侧的电流转换到低压侧，因此存在一些原理上不能克服的困难，如铁磁谐振、磁饱和、频带有限、需充油充气、二次开路隐患等问题。

新型的基于Faraday效应的光学电流互感器可以克服以上问题，光学电流互感器从结构上可以分为磁光玻璃结构和全光纤结构。其中磁光玻璃结构的电流互感器的玻璃块中传播的光波在磁场作用下发生偏转，通过检测偏转角度可以得到所施加的磁场强度，从而得出穿过的电流大小，此方案为开环方案，因此存在测量范围小、灵敏度低、长期稳定性差等缺点；另一种结构为全光纤的结构，在敏感光纤中传播的两束光波之间会产生正比于磁场的相位差，利用干涉的方法可以检测出此相位差，从而得出与磁场对应的电流大小，通过低压侧的光学相位调制器可以实现对相位差的闭环检测，这样就可以达到一个很大的测量范围，但是现有技术存在一定缺陷：第一、由于调制器的性能会发生缓慢漂移，单一闭环控制不能保证互感器长期的稳定性；第二、光路较为复杂，使用了较多的独立光学元器件，过多的光学元器件不利于光路的长期稳定；第三、线偏振光路对光源出射光要求较高，光路兼容性较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光路简单、易于实现、测量范围广、灵敏度高、长期稳定性好的的采用双闭环控制的全光纤电流互感器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用双闭环控制装置实现对进入集成光学器件中的两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制，克服了集成光学器件的缓慢漂移产生的测量误差，在保证测量范围广、灵敏度高的同时提高了互感器的长期稳定性；

(2)本发明的双闭环控制装置通过AD、DA转换器、运算放大器、积分器、可变数字电阻等常用器件组成双闭环控制体系，结构简单、易于实现，且控制灵敏度高、稳定性好；

(3)本发明采用了一种通过钛扩散和质子交换两种工艺制成的特种集成光学器件，大大降低了光路复杂度，同时提高了光路长期稳定性；

(4)本发明光路中采用了一个Loyt消偏器，降低了对激光器偏振特性的要求，可以适应任意偏振态的半导体激光器，提高了光路兼容性的同时也改善了光路的稳定性；

(5)本发明双闭环控制装置中方波调制器产生四种形式的调制方波信号，有利于调制方波复位误差和两束椭圆偏振光产生相位差的提取，提高了双闭环控制的精度及稳定性；

(6)本发明双闭环控制装置中AD转换器和主DA转换器采用10位以上，副DA转换器或可变数字电阻采用8位以上的器件，可以提高双闭环控制的控制范围及稳定性。

附图说明

图1为本发明全光纤电流互感器的结构原理图；

图2为本发明全光纤电流互感器中双闭环控制装置的结构原理图；

图3是本发明全光纤电流互感器中集成光学器件的结构示意图；

图4为本发明全光纤电流互感器双闭环控制装置中方波调制器产生的调制方波信号波形图；

图5为本发明全光纤电流互感器双闭环控制装置中方波调制器产生的调制方波信号与阶梯波生成器产生的阶梯波叠加后形成的复位波形图。

具体实施方式

本发明光纤电流互感器的本质是利用两束光的干涉原理，通过测量干涉光强度的变化得到被测电流。所提出的双闭环控制除了完成对电流引起的相位置零外，还对调制波复位进行了准确控制。

如图1所示，为本发明光纤电流互感器的结构原理框图。光路部分包括光源1、Loyt消偏器2、集成光学器件3、保偏光纤延迟线4、λ/4波片5、敏感光纤6、反射镜7、光电探测器8和双闭环控制装置9。光源1的尾纤与Loyt消偏器2连接、Loyt消偏器2的另一端与集成光学器件3的a端连接，光电探测器8与集成光学器件3的b端连接，集成光学器件3的c端与保偏光纤延迟线4对轴连接，保偏光纤延迟线4的另一端与λ/4波片5的入端连接，λ/4波片5的出端与敏感光纤6的一端连接，敏感光纤6的另一端与反射镜7连接。光电探测器8的输出信号送至双闭环控制装置9，由双闭环控制装置9产生控制信号控制集成光学器件3。

光源1发出的光要经过一个Loyt消偏器2以消除光源输出光的偏振，消偏光进入集成光学器件3的a端，经集成光学器件3处理后由c端输出两束线偏振光，其中只有一束光受到了调制，两束线偏振光进入保偏光纤延迟线4分别沿X轴(快轴)和Y轴(慢轴)传输，两束线偏振光经过λ/4波片5后，转变为两束椭圆偏振光，一束左旋，另一束右旋，经过敏感光纤6传播，在敏感光纤中传播的两束椭圆偏振光在Faraday磁光效应和被测电流共同作用下产生相位差

，其中a为圆偏振光分量所占比例(与偏振有关的参数)，线偏振时a＝0，圆偏振时a＝±1，椭圆偏振时0<|a|<1；N为敏感光纤的匝数；V为维尔德常数；I为穿过敏感光纤头的被测电流。两束光波到达反射镜7被反射后再次进入敏感光纤6，原左旋光变为右旋光，原右旋光变为左旋光，在Faraday磁光效应和被测电流共同作用下，再次产生了

的相位差，这样，总相位差为两束光波携带了电流信息，经过λ/4波片5后转变为线偏振光，此时，原X轴的光进入Y轴，原Y轴的光进入X轴，沿保偏光纤延迟线4回到集成光学器件3发生干涉，干涉光由集成光学器件3输出后到达光电探测器8。

如图2所示，为本发明双闭环控制装置9的原理框图，包括前置运算放大器91、AD转换器92、FPGA或DSP数字处理单元93、主DA转换器94、副DA转换器95或可变数字电阻96、运算放大器97。光电探测器8的输出端与前置运算放大器91连接，运算放大器前置91的输出连接到AD转换器92，AD转换器92的输出连接到FPGA或DSP数字处理单元93，实现第一个闭环控制的主DA转换器94与数字处理单元93相连，主DA转换器94的输出通过运算放大器97连接到集成光学器件3，完成进入集成光学器件3中的两束线偏振光的相位置零。实现另一个闭环控制的连接方法有两种，一种方法是副DA转换器95的输入与数字处理单元93连接，副DA转换器95的输出连接到主DA转换器94参考端(副DA转换器95的输出作为主DA转换器94的参考电平)，这样，随着调制波复位误差的变化即可自动调节主DA转换器94的参考电压，也就对调制波的增益进行反馈控制，从而实现了调制波复位的准确控制；另一种方法是利用一个可变数字电阻96作为运算放大器97的增益电阻，同样根据调制波复位误差对调制波的增益进行反馈控制，从而实现了调制波复位的准确控制。

前置运算放大器91包括放大、隔直、滤波电路。光纤电流互感器的探测器输出的被测信号工作频率在1MHz，且非常微弱，而直流载波通常为1V量级，所以需要一个隔直电路，本发明中利用电容将直流分量隔离在AD转换器以外；为了将微弱信号放大到AD转换器响应范围，需要利用运算放大器将有用信号进行放大处理；此外，还需要一个低通滤波器将信号中的白噪声降低，以提高系统的检测灵敏度。

AD转换器92主要完成对有用信号的模拟数字转换，根据采样定律，使用一个LSB小于被测信号1σ的AD转换精度，即可以保证信号的不失真，所以，通常选用10bit的AD转换器即可。

主DA转换器94主要完成将数字反馈信号转换为模拟信号，并通过运算放大器97施加到集成光学器件3，实现相位调制与闭环反馈，由于信号中存在大量的噪声，通常选用大于10bit的DA转换器即可。

实现调制复位闭环控制的方法有两种，第一种需要一个副DA转换器95，调制复位的控制信号通过副DA转换器95后转换为模拟信号，将此模拟信号作为主DA转换器94的参考就可以实现调制复位的闭环控制；另一种方法需要一个可变数字电阻96作为运算放大器97的增益电阻，FPGA或DSP信号处理单元93产生调制复位的反馈信号输入到数字电阻即可实现调制复位的闭环控制，由于调制复位的控制精度要求较低，所以，通常选用大于8bit的DA转换器或数字电阻即可。

FPGA或DSP信号处理单元93包括一个“四态”方波调制器931，主解调器932和副解调器933，主积分器934和副积分器935，阶梯波生成器936。“四态”方波调制器(931)产生“四态”方波调制信号，主解调器932和副解调器933根据方波调制信号对AD转换器92输出的数字信号进行解调处理，主解调信号进入主积分器934，副解调信号进入副积分器935，主积分器934的输出信号经阶梯波生成器936产生阶梯波，并与调制方波叠加后合成调制波输出到主DA转换器94，副积分器933的信号输出到副DA转换器95或者可变数字电阻96。

为了解调出调制波复位的误差信号，需要将调制方波设计为“四态”形式，具体如下，Δφ₁(t)＝φ_b、Δφ₂(t)＝2π-φ_b、Δφ₃(t)＝-φ_b、Δφ₄(t)＝-(2π-φ_b)，其中φ_b为偏置工作点，如果考虑到调制波复位误差ε，那么调制波会变为如下四种形式，Δφ₁(t)＝(1+ε)φ_b、Δφ₂(t)＝(1+ε)(2π-φ_b)、Δφ₃(t)＝-(1+ε)φ_b、Δφ₄(t)＝-(1+ε)(2π-φ_b)，考虑法拉第效应引起的相位差为φ_i，那么对应的解调信号如下，S₁＝-εφ_b-Δφ_i、S₂＝ε(2π-φ_b)+Δφ_i、S₁＝-εφ_b+Δφ_i、S₂＝ε(2π-φ_b)-Δφ_i。根据调制方波生成的序列(-，+，+，-)进行解调可以得到φ_i，而根据序列(-，+，-，+)进行解调可以得到调制波复位误差ε，并且保证对φ_i和ε解调的正交性。所述的“四态”方波调制器931产生的调制方波频率为f＝1/2τ，其中τ为光信号在保偏光纤延迟线4与敏感光纤6的传播时间之和，如图5所示。

如图3所示，为本发明集成光学器件3的结构原理图，由两片铌酸锂芯片制作而成，其中芯片31采用质子交换工艺制作完成，而芯片32采用钛扩散工艺制作完成，芯片31和芯片32采用粘接，角度为45度或者135度，在芯片32的X轴(或者Y轴)方向镀上电极，实现对光相位进行调制的功能。

本发明所提出的双闭环控制装置9可以在FPGA或DSP中运行，也可以在FPGA+DSP的系统中运行。其要求AD转换、“四态”方波调制、解调、反馈DA转换等环节要保证严格的时序同步，还要保证处理延迟时间。如图4所示，调制方波发生器在系统时钟的控制下产生周期性的数字方波，所指的系统时钟必须与光纤延迟时间相对应，数字方波输出到主DA转换器94，通过集成光学器件3对光信号进行调制，在一个光纤延迟周期后，信号处理单元控制AD转换器92进行采样保持，并读取相应的数字值；主解调器932根据序列(-，+，+，-)对数字值进行解算，可以得到法拉第效应引起的相位差φi，副解调器933根据序列(-，+，-，+)对数字值进行解算，可以得到调制波复位误差ε；经主积分器934、副积分器935对误差信号φ_i和ε进行积分，主积分器934的结果输出到主DA转换器94，经过运算放大器97将反馈的电压信号施加到集成光学器件3，即实现了相位置零。副积分器935的结果输出到一个副DA转换器95，DA转换器95的输出作为主DA转换器94的参考电平，这样，随着调制波复位误差的变化即可自动调节主DA转换器94的参考电压，也就对调制波的增益进行反馈控制，从而实现了调制波复位的准确控制；另一种方法是利用一个可变数字电阻96作为运算放大器97的增益电阻，同样根据调制波复位误差对调制波的增益进行反馈控制，从而实现了调制波复位的准确控制。以上两种方法均能实现对调制波复位误差的控制，从而保证电流互感器标度因数的长期稳定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1、一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于包括：光源(1)、Loyt消偏器(2)、集成光学器件(3)、保偏光纤延迟线(4)、λ/4波片(5)、敏感光纤(6)、反射镜(7)、光电探测器(8)和双闭环控制装置(9)；光源(1)发出的光束经Loyt消偏器(2)消除偏振后，进入集成光学器件(3)处理产生两束线偏振光，两束线偏振光中只有一束受到了调制；两束线偏振光进入保偏光纤延迟线(4)，分别沿快轴和慢轴传输，随后两束线偏振光经过λ/4波片(5)，转变为两束椭圆偏振光，一束左旋，另一束右旋，同时进入敏感光纤(6)传播；在敏感光纤(6)中传播的两束椭圆偏振光，由于Faraday磁光效应，在被测电流产生磁场的作用下产生相位差，随后两束椭圆偏振光到达反射镜(7)，经反射镜(7)反射后再次进入敏感光纤(6)，左旋光束变为右旋光束，右旋光束变为左旋光束，在被测电流产生磁场的作用下，两束椭圆偏振光再次产生相位差；携带了电流信息的两束椭圆偏振光，经过λ/4波片(5)后转变为两束线偏振光，原先沿快轴传输的光束进入慢轴，原先沿慢轴传输的光束进入快轴，而后沿保偏光纤延迟线(4)回到集成光学器件(3)发生干涉，形成干涉光后送至光电探测器(8)；光电探测器(8)将所述干涉光中携带的被测电流信息由光强信号转换为电压信号后送至双闭环控制装置(9)，双闭环控制装置(9)根据传来的电压信号，分别完成对进入集成光学器件(3)中的两束线偏振光的相位置零闭环控制和调制波复位闭环控制。

2、根据权利要求1所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的双闭环控制装置(9)包括前置运算放大器(91)、AD转换器(92)、数字信号处理单元(93)、主DA转换器(94)、副DA转换器(95)、运算放大器(97)，数字信号处理单元(93)又包括方波调制器(931)、主解调器(932)、副解调器(933)，主积分器(934)、副积分器(935)和阶梯波生成器(936)；前置运算放大器(91)接收光电探测器(8)输出的电压信号，进行放大、隔直和滤波后，经AD转换器(92)转换为数字信号，所述的数字信号分别进入主解调器(932)和副解调器(933)，方波调制器(931)产生方波调制信号也分别送至主解调器(932)和副解调器(933)，主解调器(932)和副解调器(933)根据方波调制信号对AD转换器(92)输出的数字信号进行解调处理，主解调信号进入主积分器(934)，副解调信号进入副积分器(935)，主积分器(934)的输出信号经阶梯波生成器(936)产生阶梯波，并与方波调制器(931)产生的方波调制信号叠加后合成为调制波输出到主DA转换器(94)，再经过运算放大器(97)后输出到集成光学器件(3)，完成相位置零闭环控制；副积分器(935)的信号输出到副DA转换器(95)，副DA转换器(95)的输出连接至主DA转换器(94)的参考端完成调制波复位闭环控制。

3、根据权利要求2所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的调制波复位闭环控制也可采用可变数字电阻(96)实现，实现时将副积分器(935)的信号输出至可变数字电阻(96)，由可变数字电阻(96)作为运算放大器(97)的增益电阻。

4、根据权利要求1或2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的集成光学器件(3)由两片铌酸锂芯片制成，其中一个芯片(31)采用质子交换工艺制成，另一个芯片(32)采用钛扩散工艺制成，并且其表面上镀有电极(33)，用于对光相位进行调制，两个芯片粘接在一起，角度为45度或135度。

5、根据权利要求1或2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的在敏感光纤(6)中传播的两束椭圆偏振光，由于Faraday磁光效应在被测电流产生磁场的作用下产生的相位差

其中a为圆偏振光分量所占比例，0≤|a|≤1，N为敏感光纤(6)的匝数，V为维尔德常数，I为穿过敏感光纤头的被测电流值。

6、根据权利要求2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的调制方波生成器(931)产生的调制方波信号的频率为f＝1/2τ，其中τ为保偏光纤延迟线(4)与敏感光纤(6)的光传播时间之和。

7、根据权利要求2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的调制方波生成器(931)产生的调制方波信号有四种形式，分别为S₁＝-εφ_b-Δφ_i、S₂＝ε(2π-φ_b)+Δφ_i、S₁＝-εφ_b+Δφ_i、S₂＝ε(2π-φ_b)-Δφ_i，其中ε为调制方波复位误差，φ_b为调制方波生成器(931)的偏置工作点，φ_i为法拉第效应引起的两束椭圆偏振光产生的相位差。

8、根据权利要求2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的AD转换器(92)或主DA转换器(94)的位数大于等于10bit。

9、根据权利要求2或3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的副DA转换器(95)的位数大于等于8bit。

10、根据权利要求3所述的一种采用双闭环控制的全光纤电流互感器，其特征在于：所述的可变数字电阻(96)的位数大于等于8bit。

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