应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置及方法与流程

1.本发明涉及一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置及方法，属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.目前，光纤电流互感器虽然已实现在超/特高压直流输电工程和柔性直流工程中的应用，但是提高其长期运行可靠性仍是亟待解决的关键问题。随着光纤电流互感器的长期运行，互感器中光学器件的老化尤其是半导体光源老化产生光功率衰减和中心波长漂移的问题，影响了互感器的测量准确度，使得互感器长期运行的可靠性降低。
3.超辐射发光二极管(superluminescent diode，简称sld)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，是光纤电流互感器常用的半导体光源。为实现半导体光源的稳定输出，提高光纤电流互感器的长期运行可靠性，目前主要有以下三种方法：
4.1)基于恒流-恒温控制技术。恒流-恒温控制技术是通过恒流控制电路和恒温控制电路稳定控制半导体光源驱动电流和芯片温度，使得半导体光源产生稳定输出。
5.2)基于恒功率控制技术方法。恒功率控制技术是一种基于恒流-恒温控制技术，通过监测光源光功率，对驱动电流进行闭环反馈调节，使光源光功率稳定输出。
6.为实现光源恒功率控制，一般采用集成背向探测器的sld光源，或搭建光功率检测光路将sld光源与光电探测器连接，通过采集探测器的输出电流实时反馈调节驱动电流，实现光源输出功率的恒定控制。
7.3)基于光路输出的模拟补偿技术方法。此方法是一种基于恒流-恒温控制技术，通过提取互感器光路干涉结果中的直流信息，模拟补偿由光源光功率衰减引起的互感器比值误差。
8.上述方法虽然能提高半导体光源的输出稳定性，但单一采用恒流-恒温控制技术无法避免半导体光源老化产生的互感器测量误差；简单的恒功率控制技术忽视了调节光源光功率时引入的中心波长漂移问题，也会造成互感器测量误差增大；而基于光路输出的模拟补偿技术虽然补偿了光源光功率衰减时引入的比值误差补偿问题，但是一方面忽略了半导体光源的老化，另一方面也忽略了光源光功率衰减造成的信噪比漂移。因此，现有的技术方案对于实现半导体光源的稳定输出，提高光纤电流互感器的长期运行可靠性仍存在较大隐患。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置及方法。
10.为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置，包括：
11.半导体光源、光源驱动/采样电路模块、互感器状态监测模块和主控cpu模块，半导体光源与光源驱动/采样电路模块相连接，光源驱动/采样电路模块和互感器状态监测模块均与主控cpu模块连接；
12.光源驱动/采样电路模块，用于采集半导体光源参数并将采集的半导体光源参数输出到主控cpu模块、以及根据主控cpu模块输出的控制信息向半导体光源输出对应的光源sld芯片驱动电流和tec(thermo electric cooler，半导体制冷器)温控信息，驱动半导体光源输出稳定光功率的光源；
13.互感器状态监测模块，用于采集互感器中的绝对光功率和信噪比，并根据采集的绝对光功率和信噪比输出监测状态参数，所述绝对光功率表示互感器中探测器输出的直流分量；
14.主控cpu模块，用于根据光源驱动/采样电路模块采集的半导体光源参数，以及互感器状态监测模块输出的监测状态参数，输出所述控制信息。
15.进一步的，所述光源芯片采用光源sld芯片。
16.进一步的，所述主控cpu模块包括：驱动模块、采集模块和适时恒功率控制模块；
17.所述驱动模块，用于调节光源驱动电流和管芯温度；
18.所述采集模块，用于获取光源驱动/采样电路模块采集的半导体光源的光源光功率、光源驱动电流和管芯温度，以及互感器状态监测模块输出的绝对光功率、信噪比；
19.所述适时恒功率控制模块，用于根据采集模块采集的数据控制驱动模块向半导体光源输出进行适时恒功率控制反馈调节后的光源驱动电流和tec温控信息。
20.一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制方法，包括：
21.获取半导体光源的光源光功率、互感器状态监测模块输出的绝对光功率、互感器状态监测模块输出的信噪比以及互感器光路损耗的监测结果；
22.分别对光源光功率、绝对光功率和信噪比参数指标进行计算，当其中任一项参数指标达到设定阈值时，根据互感器光路损耗的监测结果，利用预先构建的信噪比反馈调节光源光功率模型及半导体光源老化模型，对需调节的光源光功率和中心波长的漂移量进行计算；将光源光功率和中心波长的漂移量输入到预先构建的半导体光源光功率和中心波长反馈调节模型，适时反馈调节光源驱动电流和管芯温度，对半导体光源进行适时恒功率控制。
23.进一步的，所述光源光功率、绝对光功率和信噪比参数指标的设定阈值的设定过程包括：
24.依据光纤电流互感器出厂时的产品准确度等级，当光源光功率的变化引起比值误差超过该产品准确度等级所要求比值误差限值的一半时，此时的光源光功率值为光源光功率设定阈值；
25.当互感器中绝对光功率的变化引起比值误差超过该产品准确度等级所要求比值误差限值的一半时，此时的绝对光功率值为绝对光功率设定阈值；
26.信噪比设定阈值为互感器出厂时信噪比参数所允许达到的最小值。
27.进一步的，所述信噪比反馈调节光源光功率模型为：
28.f
snr
＝αk0pi29.上式中，f
snr
为互感器的信噪比，α为互感器光路损耗，k0为互感器信噪比与绝对光
功率之间的比例系数，pi为光源光功率。
30.进一步的，所述互感器光路损耗的监测结果包括：互感器光路损耗的计算结果和互感器光路故障预/告警策略；
31.所述互感器光路损耗的计算结果为：绝对光功率和光源光功率的比值；
32.所述互感器光路故障预/告警策略为：
33.对光源光功率和互感器光路损耗进行监测，当互感器光路损耗不变而光源光功率发生变化时，对光源驱动电流和管芯温度进行分析，若光源驱动电流和管芯温度未发生变化，则对半导体光源进行适时恒功率控制；若光源驱动电流或管芯温度已经改变，则进行互感器光路告警，提示对互感器及时进行检修；
34.对光源光功率和互感器光路损耗进行监测，当光源光功率不变而互感器光路损耗变化时，对半导体光源进行适时恒功率控制；若适时恒功率控制失败，则进行互感器光路告警，提示对互感器及时进行检修。
35.进一步的，所述半导体光源老化模型为：
[0036][0037]
上式中，β表示半导体光源老化时的中心波长变化率随光源光功率变化的比例系数，δλc表示中心波长的变化量，δpi表示光源光功率的变化量，λc表示中心波长，pi为光源光功率。
[0038]
进一步的，所述半导体光源光功率和中心波长反馈调节模型为：
[0039][0040]
上式中，a、b分别为调节光源光功率时，光源光功率变化量与半导体光源驱动电流和管芯温度变化的比例系数；c、d分别为调节光源中心波长时，中心波长变化量随半导体光源驱动电流和管芯温度变化的比例系数，δid表示光源驱动电流的反馈调节量，δtc表示管芯温度的反馈调节量，δpi表示光源光功率的变化量，δλc表示中心波长的变化量。
[0041]
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
[0042]
一种计算设备，包括，
[0043]
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
[0044]
本发明所达到的有益效果：
[0045]
本发明通过监测半导体光源的光功率、互感器的绝对光功率和信噪比参数指标，基于光源适时恒功率控制技术反馈调节半导体光源驱动电流和管芯温度，实现对互感器中光源光功率衰减和中心波长漂移的内补偿，从而提高了互感器长期运行的稳定性和可靠性。
[0046]
本发明提出的互感器光路损耗的状态监测增加了光纤电流互感器的运维手段，减小了由于互感器光路故障引起安全隐患的风险，降低了运维成本。
附图说明
[0047]
图1应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置示意图；
[0048]
图2应用与光纤电流互感器的光源适时恒功率控制流程；
[0049]
图3光纤电流互感器中不同绝对光功率下的信噪比测试结果；
[0050]
图4光纤电流互感器的绝对光功率与光源光功率测试结果；
[0051]
图5不同驱动电流下中sld光源输出光功率和中心波长变化曲线；
[0052]
图6不同管芯温度下sld光源光功率和中心波长随变化曲线；
[0053]
图7基于反馈调节半导体光源驱动电流的适时恒功率控制技术效果示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0055]
如图1所示，本发明的装置示意图即是本发明的一种实施方式。一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制装置，包括：
[0056]
半导体光源、光源驱动/采样电路模块、互感器状态监测模块和主控cpu模块，半导体光源与光源驱动/采样电路模块相连接，光源驱动/采样电路模块和互感器状态监测模块均与主控cpu模块连接；
[0057]
光源驱动/采样电路模块，用于采集半导体光源参数，根据主控cpu模块输出的控制信息向半导体光源输出对应的光源驱动电流和tec温控信息，根据光源驱动电流和tec温控信息半导体光源输出稳定光功率的光源；
[0058]
互感器状态监测模块，用于采集互感器中绝对光功率和信噪比，并根据采集的绝对光功率和信噪比输出监测状态参数，所述绝对光功率表示互感器中探测器输出的直流分量；
[0059]
主控cpu模块，用于获取并根据光源驱动/采样电路模块采集的监测状态参数，以及互感器状态监测模块输出的监测状态参数，输出所述控制信息。
[0060]
所述主控cpu模块包括：驱动模块、采集模块和适时恒功率控制模块；
[0061]
所述驱动模块，用于调节光源驱动电流和管芯温度；
[0062]
所述采集模块，用于获取光源驱动/采样电路模块采集的半导体光源的光源光功率、光源驱动电流和管芯温度，以及互感器状态监测模块输出的绝对光功率、信噪比；
[0063]
所述适时恒功率控制模块，用于根据采集模块采集的数据控制驱动模块向半导体光源输出进行适时恒功率控制反馈调节后的光源驱动电流和tec温控信息。
[0064]
如图2所示，一种应用于光纤电流互感器的光源适时恒功率控制方法，包括：
[0065]
获取半导体光源的光源光功率、互感器状态监测模块输出的绝对光功率、互感器状态监测模块输出的信噪比参数以及互感器光路损耗状态监测结果；
[0066]
分别对光源光功率、绝对光功率和信噪比参数指标进行计算，当其中任一项参数指标达到设定阈值时，根据互感器光路损耗的监测结果，利用预先构建的信噪比反馈调节光源光功率模型及半导体光源老化模型，对需调节的光源光功率和中心波长的漂移量进行计算；将光源光功率和中心波长的漂移量输入到预先构建的半导体光源光功率和中心波长反馈调节模型，适时反馈调节光源驱动电流和管芯温度，对半导体光源进行适时恒功率控
制。
[0067]
以下部分为光源适时恒功率控制模块中所需模型的建立，并最终实现光纤电流互感器中光源适时恒功率控制的技术方案。
[0068]
(1)建立互感器信噪比反馈调节光源光功率模型
[0069]
在光纤电流互感器正常工作时，互感器的信噪比f
snr
与绝对光功率p
ab
之间线性相关，有
[0070]fsnr
＝k0×
p
ab
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
上式中，k0为互感器信噪比与绝对光功率之间的比例系数。
[0072]
由于光纤电流互感器信噪比与绝对光功率直接相关，对某一型号的光纤电流互感器的测试结果如图3所示，图中横坐标表示互感器接收到的绝对光功率，纵坐标为不同的绝对光功率时相应的互感器输出信噪比，互感器的信噪比随绝对光功率变化的关系有f
snr
＝0.2935
×
p
ab
29.047，其中0.2935为比例系数k0，29.047为常数c0。由此可知互感器信噪比随绝对光功率增加而增大。因而，对于该型互感器信噪比f
snr
与绝对光功率p
ab
的反馈调节模型有δf
snr
＝0.2935
×
δp
ab
。
[0073]
根据光纤电流互感器原理，互感器绝对光功率p
ab
与光源光功率pi之间的关系为
[0074]
p
ab
＝α
×
piꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0075]
上式中α为互感器光路损耗。因而，互感器信噪比与光源光功率之间的关系有f
snr
＝αk0pi；所以经过监测互感器信噪比的变化量可以计算得到反馈调节光源光功率漂移量。
[0076]
(2)建立互感器光路损耗监测
[0077]
结合式(2)可知，互感器光路损耗为
[0078]
α＝p
ab
/piꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0079]
因而，通过计算互感器绝对光功率与光源光功率的比值可以对互感器光路损耗进行监测。
[0080]
互感器光路损耗监测还包括对互感器光路故障预/告警处理技术，内容如下：
[0081]
通过对光源光功率和互感器光路损耗进行监测，当光源光功率发生变化而互感器光路损耗不变时，说明半导体光源工作异常而互感器中其它光学器件工作正常。进一步地，对光源驱动电流和管芯温度进行分析，若光源驱动电流和管芯温度未发生变化，则对半导体光源进行适时恒功率控制；若光源驱动电流或管芯温度已经改变，则进行互感器光路告警，提示对互感器及时进行检修。
[0082]
当光源光功率不变而互感器光路损耗变化时，说明除半导体光源外，互感器光路中其它光学器件存在故障，则对半导体光源进行适时恒功率控制；若适时恒功率控制失败，则进行互感器光路告警，提示对互感器及时进行检修。
[0083]
通过计算互感器绝对光功率与光源光功率的比值用于对互感器光路损耗进行状态监测。通过测试互感器绝对光功率与光源光功率的关系曲线结果如图4所示，图中横坐标表示光源光功率(sld光源)，纵坐标表示互感器的绝对光功率，互感器的绝对光功率与光源光功率之间的关系有p
ab
＝0.004pi 7
×
10-14
，其中常数7
×
10-14
为测量误差可以忽略不计，因而此时的互感器的光路损耗α＝0.004。
[0084]
(3)建立半导体光源老化模型
[0085]
对于结构确定的半导体光源，随着半导体光源的老化，光源光功率的相对变化率
引起的中心波长相对变化率有
[0086][0087]
上式中β表示半导体光源老化时的中心波长变化率随光源光功率变化的比例系数。
[0088]
依据半导体光源老化过程中，光源光功率衰减曲线和伴随着的中心波长漂移曲线建立模型。根据式(4)计算半导体光源老化时的中心波长变化率随光源光功率变化的比例系数β。
[0089]
(4)建立半导体光源光功率和中心波长反馈调节模型
[0090]
在调节半导体光源驱动电流id和管芯温度tc时，光源光功率pi和中心波长λc分别为
[0091][0092]
上式中，a、b分别为调节光源光功率时，光源光功率变化量与半导体光源驱动电流和管芯温度变化的比例系数；c、d分别为调节光源中心波长时，中心波长变化量随半导体光源驱动电流和管芯温度变化的比例系数。
[0093]
通过改变半导体光源驱动电流(80ma～100ma)对光源光功率和中心波长的变化进行测试，对sld光源的测试结果如图5所示，图中横坐标表示半导体光源(sld光源)驱动电流，左侧主纵坐标表示光源光功率(sld光源)，右侧次纵坐标表示光源中心波长(sld光源)；sld光源光功率随sld光源驱动电流的变化关系有pi＝0.0923id 0.6683，比例系数a＝0.0923,0.6683为与sld光源相关的常数；sld光源中心波长随sld光源驱动电流的变化关系有λc＝0.26id 1311，比例系数c＝0.26，1311为与sld光源相关的常数。
[0094]
对该sld光源不同管芯温度(20℃～25℃)下，输出光功率和中心波长的变化进行测试分析，测试结果如图6所示，图中横坐标表示半导体光源(sld光源)管芯温度，左侧主纵坐标表示光源光功率(sld光源)，右侧次纵坐标表示光源中心波长(sld光源)；sld光源光功率随sld光源管芯温度的变化关系有pi＝-0.0447tc 1.3955，比例系数b＝-0.0447,1.3955为与sld光源相关的常数；sld光源中心波长随sld光源管芯温度的变化关系有λc＝0.1537tc 1311.4，比例系数d＝0.1537，1311.4为与sld光源相关的常数。
[0095]
根据图5和图6测试数据建立半导体光源驱动电流和管芯温度的光功率和中心波长稳定输出反馈调节模型有
[0096][0097]
(5)基于反馈调节半导体光源驱动电流的适时恒功率控制技术效果
[0098]
本发明提出的应用于光纤电流互感器光源适时恒功率控制技术方法，以适时反馈调节半导体光源驱动电流保持光源恒功率控制输出为例的效果示意图如图7所示。
[0099]
在正常工作情况下，光源输出光功率处于恒功率线和阈值线之间，光源采用恒流-恒温控制方式；当互感器光路中的光功率衰减至阈值线时，启动光源适时恒功率控制反馈调节。
[0100]
在故障情况下，若光源出现故障或严重老化，输出光功率快速衰减至控制线以下，
但无法通过增大驱动电流实施反馈控制时，互感器输出光源检修预警信号，需要进行检修维护；如果光源输出光功率降低至告警线以下，互感器便无法实现正常测量功能，互感器输出故障告警信号，输出数据置无效，保护系统闭锁，需要立即维修。
[0101]
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
[0102]
相应的本发明还提供一种计算设备，包括，
[0103]
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
[0104]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0105]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0106]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0107]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0108]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。