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1、(10)申请公布号 CN 103926457 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103926457 A (21)申请号 201410169188.2 (22)申请日 2014.04.25 G01R 19/25(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 江苏省电力公司 江苏省电力公司电力科学研究院 东南大学 (72)发明人 卢树峰 王立辉 王忠东 杨世海 徐明锐 陈铭明 陈刚 赵双双 田正其 季欣荣 吴桥 林旗 冯泽龙 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 董建林 汪庆朋 (5。
2、4) 发明名称 一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定 性的方法 (57) 摘要 本发明提出了一种提高光纤电流互感器闭环 反馈系数稳定性的方法， 该方法在光纤电流互感 器信号处理过程中加入附加闭环调制子系统， 来 产生一个数字补偿信号的控制增益， 抑制由于数 字 - 模拟信号转换器、 运算放大器等电子器件的 温漂及老化、 集成相位调制器半波电压的变化等 因素而导致的相位调制通道的增益发生随机变 化， 提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性， 提 高反馈相位的精度， 进而提高互感器的稳定性。 本 发明从光纤电流互感器信号处理流程入手， 从控 制参数稳定性的角度， 优化信号处理方式， 抑制相 位漂移。
3、， 提高闭环反馈调制相位的精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103926457 A CN 103926457 A 1/2 页 2 1. 一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法， 其特征在于， 其方法为 ： 在 光纤电流互感器的信号处理单元上连接一反馈系数信号处理单元， 该反馈系数信号处理单 元通过比较阶梯波复位前后 2 相位和零相位时刻探测器信号的采样值， 得到复位误差信 号， 来判断控制相位的电压是否发生漂移 ； 。
4、对误差信号积分， 该积分信号输出来调整相位反 馈通道的增益， 从而产生准确的控制相位。 2. 根据权利要求 1 所述的提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法， 其特征在 于， 其方法具体步骤包括如下 ： 1） 将光纤电流互感器信号处理单元中的 PIN 探测器的数字电压信号引出， 引出信号输 出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连 ； 2） 将光纤电流互感器信号处理单元中的时序控制信号引出， 引出信号输出端与反馈系 数信号处理单元的输入端相连 ； 3） 反馈系数信号处理单元选取光纤电流互感器的信号处理单元中的 2 相位时序控 制信号 ； 4） 反馈系数信号处理单元以 2 相位时序控制信号为基。
5、准， 选取光纤电流互感器的信 号处理单元中 2 相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号 ； 5） 反馈系数信号处理单元对上述步骤 （4） 中 2 相位及相邻的零相位的光电探测器的 数字电压信号值进行对比， 产生电压数字量差值 ； 6） 反馈系数信号处理单元以上述步骤 （5） 中的电压数字量差值为误差量， 来修正光纤 电流互感器信号处理单元中的反馈回路增益， 实现反馈相位精确控制。 3. 根据权利要求 2 所述的一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法， 其特 征在于， 所述 PIN 探测器检测干涉信号光强变化， 经过光电信号放大、 滤波、 A/D 转换处理之 后， 送入 FPGA/。
6、DSP 信号处理单元， 形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器， 使相位 调制器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移， 该反馈相移与外部电流导致的 Farady 相 移大小相等、 方向相反， 使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近， 光纤电流互 感器的信号处理单元通过获取该补偿相移的大小， 经过比例因子转换得出电力线的电流信 息。 4. 根据权利要求 1 所述的一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法， 其特 征在于， 所述 PIN 探测器所检测的光波干涉信号为 ： I=I01+cos(S+f+J) （2） 经过光电转换， 输出的电压信号为 V=K I0I01+cos(S+f+J。
7、)， 其中， K 为光电转 换系数， S 为电流信号产生非互易相移， S=(4NV)Iout， Iout为被测电流， f 为方波产生 偏置非互易相移， 用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向， J 为阶梯波产生非互易相 移， N 为光纤匝数， V 为维尔德系数， I0为干涉光波振幅。 5. 根据权利要求 4 所述的一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法， 其 特征在于， 所述步骤 （5） 中， 方波信号在正负半周产生相移为 /2 的偏置相位， 阶梯波 增量用于补偿外部磁光 Farady 相移， 方波和阶梯波调制信号都加入光纤电流互感器的相 位调制器之后， 在电流互感器中产生的非互易相移。
8、为 =S+f+J， 在方波的正半周， f=/2， 干涉仪的输出信号 V1为 ： V1=KI01-sin(S+J) （3） 权 利 要 求 书 CN 103926457 A 2 2/2 页 3 在方波的负半周， f=-/2， 干涉仪的输出信号 V2为 ： V2=KI01+sin(S+J) （4） 将方波正半周信号 （3） 和负半周信号 （4） 相减可得电压数字量差值 ： V=-2KI0sin(S+J) （5） 通过闭环反馈使 S=-J 保证 V=0， 而当 V 0 时， 便用 V 作为控制量去控制 闭环反馈阶梯波发生器， 改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量， 该电压增量与光波相移 J 成正比关系。
9、， 通过闭环反馈控制始终使 S+J=0， 在数字闭环达到平衡时， 阶梯波的 阶梯高度增量同所测量的电流成正比， 阶梯波高度增量就对应光纤电流互感器输出的电流 信号。 权 利 要 求 书 CN 103926457 A 3 1/4 页 4 一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法 技术领域 0001 本发明属于电力互感器测量技术领域， 涉及的是一种提高光纤电流互感器闭环反 馈系数稳定性的方法。 背景技术 0002 光纤电流互感器是建立在 Farady 磁光效应基础上的光学干涉仪， 即在闭合光路 中从同一光源发出的光波， 经过偏振特性处理， 形成左右圆偏振特性的两束偏振光， 沿相同 的方向传播。
10、， 并汇合至同一探测点而产生干涉 ； 若闭合光路受电流磁场的影响， 则左右圆偏 振特性的两束偏振光波产生光程差， 该光程差对应的 Farady 相位差与载体电流量成正比。 0003 参见图 1， 光纤电流互感器的信号处理系统通过对光波相位差进行信号检测处理， 得到载体电流量。在信号检测处理方面， 光纤电流互感器通过数字闭环反馈系统实时测 量光波非互易相位差引起的光波强度变化， 获取与非互易相位差成比例关系的被测电流信 息。 光纤电流互感器克服了电磁式电流互感器所存在的磁滞饱和、 波形畸变等弱点， 满足现 代电力系统对电流测量值可靠性的需求。 0004 目前， 光纤电流互感器信号处理方式采用的闭。
11、环反馈方式， 其信号检测及处理过 程描述如下 ： 光源发出的光经过耦合器后由偏振器起偏， 形成线偏振光 ； 线偏振光被转变 为左旋和右旋的圆偏振光， 进入传感光纤 ； 在传感光纤中由于传输电流产生磁场 Farady 效 应， 两束圆偏振光以不同的速度传输 ； 经由传感光纤再次通过 /4 波片后， 恢复为线偏振 光， 并在偏振器处发生干涉， 干涉光波经过耦合器进入 PIN 光电检测器。PIN 探测器检测 干涉信号光强变化， 经过光电信号放大、 滤波、 A/D 转换处理之后， 送入 FPGA/DSP 信号处理 系统， 形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器， 使相位调制器在光纤环中施加非互 易的。
12、反馈补偿相移， 该反馈相移与外部电流导致的 Farady 相移大小相等、 方向相反， 使光 纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近， 信号处理系统通过获取该补偿相移的大 小， 经过比例因子转换得出光纤电流互感器的电流量值信息。 0005 然而， 在目前的光纤电流互感器的信号处理系统中， 由于 D/A 转换器、 运算放大器 等电子器件的温漂及老化、 相位调制器半波电压的波动变化等因素导致相位调制通道的增 益发生变化， 闭环反馈系数发生漂移， 出现控制相位误差， 进而影响闭环复位精度， 直接影 响到光纤电流互感器的测量精度、 重复性、 可靠性等性能。 发明内容 0006 本发明是克服光纤电流互。
13、感器现有的控制参数稳定性技术难题， 结合光纤电流互 感器闭环信号处理技术， 而提供一种光纤电流互感器闭环反馈系数稳定方法， 该方法可以 抑制闭环反馈系数的漂移误差， 可以降低对信号处理系统对电子元器件性能的要求。 0007 本发明的技术方案是 ： 0008 一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法包括以下步骤 ： 0009 1） 将光纤电流互感器的信号处理单元中的光电探测器的数字电压信号引出， 引出 说 明 书 CN 103926457 A 4 2/4 页 5 信号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连 ； 该反馈系数信号处理单元其处理过程 是由时序控制部分、 数据处理部分、 反馈修正。
14、部分组成。 0010 2） 将光纤电流互感器信号处理单元中的时序控制信号引出， 引出信号输出端与反 馈系数信号处理单元的输入端相连 ； 0011 3） 反馈系数信号处理单元选取光纤电流互感器信号处理单元中的 2 相位时序 控制信号 ； 0012 4） 反馈系数信号处理单元以 2 相位时序控制信号为基准， 选取信号处理单元中 2 相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号 ； 0013 5） 在反馈系数信号处理单元， 对上述步骤 （4） 中 2 相位及相邻的零相位的光电 探测器的数字电压信号值进行对比， 产生电压数字量差值 ； 0014 6） 在反馈系数信号处理单元， 以上述步骤 （5） 中的。
15、电压数字量差值为误差量， 所述 反馈系数信号处理单元将误差量传输给光纤电流互感器的信号处理单元， 信号处理单元通 过相位调制器来修正光纤电流互感器信号处理单元中的反馈回路增益， 实现反馈相位精确 控制。 0015 本发明的技术效果是 ： 0016 在现有的光纤电流互感器信号处理过程中， 从闭环控制原理出发， 构建了反馈控 制信号处理系统， 整个系统涉及到光电信号处理等方面的子系统， 在实际应用中， 受温度、 器件老化等因素的影响， 闭环反馈的系数会发生变化， 直接影响到互感器的线性度、 可靠 性、 稳定性 ； 本发明从提高光纤电流互感器反馈系数稳定性的方法入手， 通过在光纤电流互 感器信号处理。
16、过程中引入附加控制单元， 优化信号处理方式， 控制反馈系数的稳定性， 抑制 相位漂移， 提高闭环反馈调制相位的精度。 附图说明 0017 图 1 为现有光纤电流互感器结构框图 ； 0018 图 2 为本发明一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的系统结构图 ； 0019 图 3 为本发明一种提高光纤电流互感器闭环反馈系数稳定性的方法流程图 ； 具体实施方式 0020 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 0021 由图 1 可以看出， 光纤电流互感器数字闭环系统主要由光源、 耦合器、 偏振器、 相 位调制器、 波片、 光电探测器、 光纤环和信号处理单元组成。 0022 光源发出的光。
17、经过耦合器、 偏振器、 波片后形成为两种圆偏振态的光波， 进入光学 感应环， 这两种圆偏振态的光波在光纤环中传播， 感应电力线的电流运动， 在探测器处检测 干涉信号光强变化， 经过光电信号放大、 滤波、 A/D 转换处理之后， 送入 FPGA/DSP 信号处理 系统， 形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器， 使相位调制器在光纤环中加入非互 易的反馈补偿相移， 该反馈相移与外部电流导致的 Farady 相移大小相等、 方向相反， 使光 纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近， 信号处理系统通过获取该补偿相移的大 小， 经过比例因子转换得出电力线的电流信息。 0023 由图 2 可看出， 。
18、本发明方法在信号处理单元增加了反馈系数信号处理单元， 该反 说 明 书 CN 103926457 A 5 3/4 页 6 馈系数信号处理单元其处理过程是由时序控制部分、 数据处理部分、 反馈修正部分连接组 成 ； 通过时序控制信号、 数字电压信号的综合应用， 生成反馈修正信号， 来调整相位反馈通 道的增益， 从而产生准确的控制相位。 0024 本发明的基于电压调制的光纤电流互感器动态性能标定方法， 包括以下步骤 ： 0025 1） 将光纤电流互感器信号处理单元中的光电探测器的数字电压信号引出， 引出信 号输出端与反馈系数信号处理单元的输入端相连 ； 0026 2） 将光纤电流互感器信号处理单元。
19、中的时序控制信号引出， 引出信号输出端与反 馈系数信号处理单元的输入端相连 ； 0027 3） 在反馈系数信号处理单元， 选取光纤电流互感器信号处理单元中的 2 相位时 序控制信号 ； 0028 4） 在反馈系数信号处理单元， 以 2 相位时序控制信号为基准， 选取信号处理单 元中 2 相位及相邻的零相位的光电探测器的数字电压信号 ； 0029 5） 在反馈系数信号处理单元， 对上述步骤 （4） 中 2 相位及相邻的零相位的光电 探测器的数字电压信号值进行对比， 产生电压数字量差值 ； 0030 6） 在反馈系数信号处理单元， 以上述步骤 （5） 中的电压数字量差值为误差量， 来修 正光纤电流。
20、互感器信号处理单元中的反馈回路增益， 实现反馈相位精确控制。 0031 本发明的原理是 ： 0032 光纤电流互感器的基本原理就是建立在磁光 Farady 效应基础上， 电流磁场导致 光纤中的两束光波产生光程差， 进而得出与之相应的磁光 Farady 相位 S ： 0033 S=(4NV)Iout （1） 0034 其中， S 为电流磁场引起的 Farady 效应相位差， N 为光纤匝数， V 为维尔德系数， Iout为电力线电流量， 光纤匝数 N、 维尔德系数等参数均为定值， 因此， 电流互感器的输出相 移 S 与输入电流量 Iout成正比 ； 光纤电流互感器就是利用磁光 Farady 效应。
21、， 通过对光纤 环中光束进行相位解调， 进而敏感相位的变化来感知外部载体的电流信息。 0035 目前， 国内外在光纤电流互感器信号处理方面， 均采用数字闭环信号处理技术。 数 字闭环光纤电流互感器是通过在光纤环中加入非互易的补偿相移， 来抵消由光纤环转动产 生的磁光 Farady 相移， 该补偿相移与磁光 Farady 相移大小相等， 方向相反， 使光纤电流互 感器始终工作在相位零点附近， 通过获取该补偿相移的大小来得出光纤电流互感器的转速 信号。 0036 光纤电流互感器的数字闭环信号处理系统主要由光源、 耦合器、 集成光学调制芯 片 （IOC） 、 波片、 光电探测器、 光纤环和反射镜组成。
22、。 光源发出的光经过耦合器后由偏振器起 偏， 形成线偏振光 ； 线偏振光以 45角注入保偏光纤， 被平均注入保偏光纤的 X 轴和 Y 轴传 输 ； 当这两束正交模式的光经过 /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 ； 在传感光纤中由于传输电流产生磁场 Farady 效应 （法拉第效应， 又叫法拉第旋转， 是一种磁光效应） ， 两束圆偏振光以不同的速度传输 ； 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， 再次穿过传导光纤， 并再次和电流产生的磁场相互作用， 使产生 的相位加倍 ； 包含 Farady 相位差的两束光再次通过 /4 波片后， 恢复为线偏振。
23、光， 并在偏 振器处发生干涉， 干涉光波经过耦合器进入光电探测器， 即 PIN （Personal Identification Number） 探测器。 说 明 书 CN 103926457 A 6 4/4 页 7 0037 PIN 探测器检测干涉信号光强变化， 经过光电信号放大、 滤波、 A/D 转换处理之后， 送入 FPGA/DSP 信号处理单元， 形成闭环反馈电压信号来调制电光相位调制器， 使相位调制 器在光纤环中加入非互易的反馈补偿相移， 该反馈相移与外部电流导致的 Farady 相移大 小相等、 方向相反， 使光纤电流互感器闭环系统始终工作在相位零点附近， 光纤电流互感器 的信号处。
24、理单元通过获取该补偿相移的大小， 经过比例因子转换得出电力线的电流信息。 0038 PIN 探测器所检测的光波干涉信号 I 为 ： 0039 I=I01+cos(S+f+J) 0040 （2） 0041 经过光电转换， 输出的电压信号为 V=KI01+cos(S+f+J)， 其中， I0为干涉 光波振幅， K 为光电转换系数， S 为电流信号产生非互易相移， S=(4NV)Iout， Iout为被测 电流， f 为方波产生偏置非互易相移， 用于提高信号检测的灵敏度及判别电流方向， J 为阶梯波产生非互易相移， N 为光纤匝数， V 为维尔德系数。 0042 方波信号在正负半周产生相移为 /2 。
25、的偏置相位， 阶梯波增量用于补偿外部 磁光 Farady 相移， 方波和阶梯波调制信号都加入相位调制器之后， 在电流互感器中产生的 非互易相移为 =S+f+J， 在方波的正半周， f=/2， 干涉仪的输出信号 V1为 ： 0043 V1=K I01-sin(S+J) （3） 0044 在方波的负半周， f=-/2， 干涉仪的输出信号 V2为 ： 0045 V2=KI01+sin(S+J) （4） 0046 将方波正半周信号 （3） 和负半周信号 （4） 相减可得 ： 0047 V=-2KI0sin(S+J) （5） 0048 通过闭环反馈使S=-J保证V=0， 而当V0时， 便用V作为控制量去。
26、控 制闭环反馈阶梯波发生器， 改变阶梯波在递增阶段产生的电压增量， 该电压增量与光波相 移 J 成正比关系， 通过闭环反馈控制始终使 S+J=0， 在数字闭环达到平衡时， 阶梯波 的阶梯高度增量同所测量的电流成正比， 阶梯波高度增量就对应光纤电流互感器输出的电 流信号。理想情况下， 通过闭环反馈控制， 光电探测器 PIN 检测到的干涉信号为零电平。 0049 在本发明中， 在信号处理单元增加了反馈系数信号处理单元， 通过比较阶梯波复 位前后 2 相位和零相位时刻探测器信号的采样值， 可以得到复位误差信号， 来判断控制 相位的电压是否发生漂移 ； 对误差信号积分， 该积分信号输出来调整相位反馈通。
27、道的增益， 从而产生准确的控制相位。 0050 在现有的光纤电流互感器信号处理过程中， 从闭环控制原理出发， 构建了反馈控 制信号处理系统， 整个系统涉及到光电信号处理等方面的子系统， 在实际应用中， 受温度、 器件老化等因素的影响， 闭环反馈的系数会发生变化， 直接影响到互感器的线性度、 可靠 性、 稳定性 ； 本发明从提高光纤电流互感器反馈系数稳定性的方法入手， 通过在光纤电流互 感器信号处理过程中引入附加控制单元， 优化信号处理方式， 控制反馈系数的稳定性， 抑制 相位漂移， 提高闭环反馈调制相位的精度。 0051 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人 员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的 原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 说 明 书 CN 103926457 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103926457 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103926457 A 9 。