一种光学电流互感器及其控制方法与流程

1.本发明属于光电仪器领域，特别涉及了一种光学电流互感器。


背景技术：

2.光学电流互感器具有体积小、重量轻，绝缘结构简单，无磁饱和和铁磁谐振以及二次开路等问题，频率特性和暂态特性好，一次端是无源的，抗干扰能力强，安全且绿色环保，且便于数字化，更能适应电力系统的需求。
3.光学电流互感器按光路结构可分为磁光玻璃式和全光纤两类，全光纤式光学电流互感器利用光纤作为电流传感材料，系统各元件均是通过光纤熔接连接而成，无分立元件，结构简单，连接可靠，长期稳定性好，是电流互感器制造商重点研发的方向。
4.目前，研究较多的是全光纤式光学电流互感器，其互易反射干涉仪结构的系统光路完全对称，两束偏振光始终在同一根光纤的两个正交模式上传输，大多数干扰如振动、温度等由于其良好的互易性而得到很好地抑制，只有由于法拉第(faraday)磁光效应在一次导体周围的光纤传感环中产生的与电流成正比的相移是非互易的，因而这种光学电流互感器能消除振动、温度等环境因素的干扰，较好地探测出电流信息。其一次端只有光纤是无源的，抗干扰能力强，目前已有商用产品，近年来在特高压输电系统中得到了越来越多的应用。
5.现有光学电流互感器的一个非常重要但是比较薄弱的环节是光源。光学电流互感器检测电流的原理是基于法拉第磁光效应，光源为光学电流互感器系统提供光信号，因此光源是互感器正常工作的基础之一。超辐射发光二极管(sld)由于其具有输出功率高、光谱宽度宽、短时间相干性和长空间相干性等特点，是光学电流互感器普遍采用的光源。现有技术一般通过温控和恒流驱动两种方法稳定控制sld的出纤功率。但是，就目前sld的研制水平而言，在长期运行过程中，其出纤功率衰减和中心波长漂移不可避免的。一般认为，采用闭环信号检测方案的光学电流互感器受光源功率变化影响较小。但是，前期研究实验和实际运行经验表明，如果光源功率衰减严重(超过50％)，闭环光学电流互感器误差可达1.5％以上，不再能满足电力输变电系统计量或保护和控制应用要求。
6.有报道提到对光学电流互感器的光功率进行闭环控制的技术，即当探测到光源的光功率下降或光电探测器接收到的光功率减小时，自动调节光源的驱动电流使其输出功率增大，来避免光学电流互感器工作异常。然而实际经验表明，当光源的驱动电流增加时，其输出光的光功率变大的同时输出光的中心波长和光谱均变化，中心波长等参数变化会导致光学电流互感器的精度发生变化，当驱动电流变化过大，其引起的光学电流互感器的误差变化也有可能超过1％，也不能满足电力输变电系统计量或直流输电系统保护和控制的应用要求。
7.光学电流互感器的其它光学器件如起偏器和调制器等也少量存在随时间插入损耗变大的问题，这些光学器件损耗变大也会导致探测器的接收光功率变小，引起光学电流互感器的测量精度劣化或工作异常。


技术实现要素：

8.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种光学电流互感器及其控制方法，通过可调光衰减器来使光学电流互感器的光电探测器接收到的光功率始终在光电探测器的线性工作区。
9.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
10.一种光学电流互感器，包括依次连接的采集单元、传输光纤和光纤传感环；所述光纤传感环包括λ/4波片、传感光纤和反射镜，λ/4波片的一端连接传输光纤，λ/4波片的另一端连接传感光纤，反射镜位于传感光纤的末端；所述采集单元包括光源、耦合器、起偏器、偏振分光器、相位调制器、光电探测器和信号处理器，光源的输出端与耦合器的第一侧的第一端连接，耦合器的第二侧的第一端依次经起偏器、偏振分光器和相位调制器与传输光纤连接，耦合器第一侧的第二端与光电探测器的输入端连接，所述采集单元还包括可调光衰减器，可调光衰减器的设置方式包括如下3种：
11.第1种设置方式：将可调光衰减器设置在光源的输出端与耦合器的第一侧的第一端之间处；
12.第2种设置方式：将可调光衰减器设置在耦合器的第二侧的第一端与起偏器之间处；
13.第3种设置方式：将可调光衰减器设置在耦合器的第一侧的第二端与光电探测器的输入端之间处；
14.所述信号处理器分别与光电探测器的电信号输出端、光源的驱动端、相位调制器的驱动端以及可调光衰减器的驱动端电性连接。
15.进一步地，所述光电探测器输出电信号的平均值的计算时间是光学电流互感器的调制周期的整数倍。
16.进一步地，所述光源的输出功率≥1mw。
17.进一步地，所述可调光衰减器的初始衰减量≥3db。
18.进一步地，所述耦合器采用分束器、光环行器或2
×
2耦合器。
19.基于权利要求1所述光学电流互感器的控制方法，当所述光电探测器接收到的平均光功率下降，其光电转换后输出的电信号平均幅值up也随之下降，所述信号处理器判断up是否达到门槛值，若达到门槛值，则计算出电信号幅值up的变化量v：
20.v＝(up
‑
u0)/u0
21.其中，u0为光电探测器的初始平均电信号幅值；
22.根据变化量v计算出所述可调光衰减器应该引入的光衰减量a：
23.a＝a0 10logv
24.其中，a0是所述可调光衰减器的初始衰减；
25.然后所述信号处理器调节所述可调光衰减器的光衰减量使其满足要求，从而使所述光电探测器接收到的光功率仍然保持与光功率衰减之前相同或相近，实现所述光电探测器的输出电信号幅值的闭环控制。
26.采用上述技术方案带来的有益效果：
27.针对光源因输出光功率衰减导致光学电流互感器误差变化，或者因光源输出功率衰减较大、起偏器或调制器等器件损耗变大导致光学电流互感器的光电探测器接收到的光
功率过小，系统无法正常工作等问题，本发明提出一种稳定性好、可靠性高的光学电流互感器解决方案。通过给光学电流互感器系统加入可调光衰减器，调节可调光衰减器引入的衰减量使光学电流互感器系统始终工作在光电探测器的线性区，实现光电探测器的接收光功率的闭环控制，避免调节光源的驱动电流引入误差，消除了光源输出功率下降引入的误差，也消除了起偏器、相位调制器等光学器件损耗变大引入的误差，还避免了光源大幅下降或起偏器、相位调制器等光学器件损耗增大过多导致光学电流互感器系统工作异常的问题，提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
28.图1是实施例提供的一种光学电流互感器结构示意图；
29.图2是实施例提供的一种光学电流互感器结构示意图；
30.图3是实施例提供的一种光学电流互感器结构示意图；
31.图4是本发明控制方法流程图。
32.标号说明：1
‑
采集单元；2
‑
光纤传感环；3
‑
传输光纤；10
‑
光源；11
‑
可调光衰减器；12
‑
耦合器；13
‑
起偏器；14
‑
偏振分光器；15
‑
相位调制器；16
‑
光电探测器；17
‑
信号处理器；21
‑
λ/4波片；22
‑
传感光纤；23
‑
反射镜；24
‑
一次导体。
具体实施方式
33.以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
34.图1是本实施例提供的一种光学电流互感器的结构示意图，光学电流互感器包括采集单元1、传输光纤3和光纤传感环2。
35.采集单元1和光纤传感环2通过传输光纤3连接。采集单元1包含光源10，可调光衰减器11，耦合器12，起偏器13，偏振分光器14，相位调制器15，光电探测器16以及信号处理器17。
36.其中，耦合器12采用分束器、光环行器、2
×
2耦合器的至少一种。耦合器12的左侧2个端口自上而下分别为第一端、第二端，右侧的2个端口自上而下分别为第三端、第四端。
37.光源10和可调光衰减器11的一端连接。可调光衰减器11的另一端与耦合器12的第一端连接。耦合器12的第三端与起偏器13的一端连接。起偏器13的另一端与偏振分光器14的一端连接。偏振分光器14的另一端与相位调制器15的一端连接。相位调制器15的另一端与传输光纤13连接。以上连接的方式包括但不限于光纤熔接。
38.光纤传感环2包括λ/4波片21、传感光纤22、反射镜23。λ/4波片21与传输光纤3连接。传感光纤22连接λ/4波片21。以上连接的方式包括但不限于光纤熔接。反射镜23位于传感光纤22的末端，反射两正交圆偏光，使其返回并沿传感光纤22传输。
39.耦合器12的第二端与光电探测器16的光端口连接，包括但不限于光纤熔接。耦合器12的第四端可以空置，也可以连接到另外的光电探测器(图1中未画出)上。
40.信号处理器17与光电探测器16的电信号输出端口连接。信号处理器17也与光源10的驱动电端口连接。信号处理器17也与相位调制器15的驱动电端口连接。信号处理器17还与可调光衰减器11的驱动电端口连接。可选地，信号处理器17还包括驱动电路，驱动光源10发光。可选地，信号处理器17还包括信号发生器，产生驱动相位调制器15工作的电信号。
41.本实施例中可调光衰减器11的位置，可位于光源10、耦合器12之间，对应图1；也可以位于耦合器12和起偏器13之间，对应图2；还可以位于耦合器12和光电探测器16之间，对应图3。
42.信号处理器17与可调光衰减器11的电端口相连。可选地，信号处理器17还包括数字控制电路和驱动电路，产生合适的衰减电压调节可调光衰减器的衰减量。
43.以图1所示的实施例为例，说明本发明的光学电流互感器的具体工作过程如下：
44.信号处理器17的驱动电路驱动光源10发光。光源10发出的光经过可调光衰减器11后，达到耦合器12的第一端，耦合器12将光导出到耦合器12的第三端。光经过耦合器12后进入起偏器13，产生线偏光。线偏光通过偏振分光器14，分成传播方向相同的两束入射正交线偏光。两束入射正交线偏光经过相位调制器15和传输光纤3，达到光纤传感环2中的λ/4波片21的一端，光纤传感环2的λ/4波片21的另一端输出两正交圆偏光。两正交圆偏光沿光纤传感环2的传感光纤22传输，由于法拉第磁光效应，在传感光纤22中，两正交圆偏光一个传播速度变快，另一个传播速度变慢，从而产生相位差。两正交圆偏光在传感光纤22的末端被反射镜23反射后，由于反射镜的作用，两正交圆偏光的偏振模式互换，左旋圆偏光变成右旋圆偏光，右旋圆偏光变成左旋圆偏光，并沿原路返回。
45.两返回正交圆偏光返回时一次电流的磁场方向不变，而两返回正交圆偏振光的传播方向改变且偏振态变化，所以法拉第效应产生的相位差会加倍。再次经过光纤传感环2的λ/4波片21后变成两返回正交线偏光，且相对前进过程中偏振方向互换。两返回正交线偏光返回时依次经过传输光纤3和相位调制器15以及偏振分光器14后变成合束偏振光，所述合束偏振光达到起偏器13。起偏器13返回的干涉光信号到耦合器12的第三端后，通过耦合器12的第二端返回到光电探测器16。
46.光电探测器16对所述干涉光信号进行光电转换，输出电信号。信号处理电路17接收并解调处理电信号，确定位于光纤传感环2中的一次导体24中的被测电流。
47.从偏振分光器14输出的偏振光x光和y光，返回偏振分光器14时y光和x光，二者偏振态互换，整个干涉光路系统的光路通道是互易的。两束正交偏振光通过的路径一样，光路系统具有良好的互易性和很强的抗干扰能力。振动、应力和温度等环境因素对光学电流互感器影响基本可以消除。
48.而本实施例中引入可调光衰减器11，起始工作状态为：给光源10设置合适的驱动电流值，同时设置可调光衰减器11使其引入一定的初始光衰减量a0，使返回到光电探测器16的干涉光信号的光功率在光电探测器16的线性工作区，此时光电探测器的输出电信号的平均幅值为u0。
49.当光源10的输出光功率下降，或者起偏器13或调制器15等光学器件的插入损耗变大时，光电探测器16接收到的光功率会下降，其输出的电信号幅值也会下降，此时所述光学电流互感器的工作过程如下：
50.当光电探测器16接收到的平均光功率p下降，其光电转换后输出的平均电信号幅值up也随之下降，信号处理器17判断up是否达到门槛值，若达到门槛值，则计算出电信号幅值up的变化量v：
51.v＝(up
‑
u0)/u0
52.根据所述电信号的变化量v计算出所述可调光衰减器11应该引入的光衰减量a(以
db为单位)：
53.a＝a0 10logv
54.然后信号处理器17调节可调光衰减器11的光衰减量使其满足要求，从而使光电探测器16接收到的光功率仍然保持和接收光功率衰减之前相同或相近，也即实现了光电探测器16的接收光功率以及输出电信号幅值的闭环控制。具体工作流程如图4所示。
55.光电探测器16电信号的平均值的计算只需保证计算时间是光学电流互感器的调制周期的整数倍即可。
56.为保证光学电流互感器的长期可靠性，光源10可以选用输出光功率较高的，比如≥1mw，可调光衰减器11的初始衰减量a0可设置成≥3db。
57.本实施例通过可调光衰减器11实现了光学电流互感器的光功率闭环调节，能解决光学电流互感器的光源输出光功率衰减或起偏器、调制器等光学器件的损耗变大导致光学电流互感器精度变化的问题。本实施例的光学电流互感器的光功率闭环自动调节无需调整光源10的驱动电流，避免因为调节光源10的驱动电流而引起光学电流互感器的精度的变化。本实施例的光学电流互感器能够维持其长期运行的稳定性。当光源10输出功率大幅下降时，或者起偏器、调制器等光学器件插入损耗增大较多时，可调光衰减器11的衰减量也会随之减少，光学电流互感器仍可以正常工作，光学电流互感器的可靠性得到大幅提升。
58.实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。