一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统和方法与流程

1.本发明属于光纤电流互感技术领域，尤其涉及一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统和方法。


背景技术：

2.近年来，随着电力、光纤传感行业的快速发展和技术进步，光纤传感技术在电力行业的应用越来越多普遍。电流作为重要的电学参量，是继电保护系统和电能计量重要监测对象。当前电力传输电压等级不断提高，冶金、军事、科研用电需求越来越复杂，对电流监测设备性能要求越来越高，传统的电磁式电流互感器已经不能满足当前行业的需求，其存在的磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、易燃易爆等缺点更加明显的暴露出来。在这种背景和需求下，研究性能更高和更灵敏的电流互感器成为了必然。
3.基于法拉第效应的全光纤电流互感器是综合利用现代微电子、计算机及光电技术发展起来的新型互感器，具有绝缘简单、高带宽、安全可靠、数字化、智能化、交直流同时可测等优点，能够实现非介入测量，代表了互感器产业的发展方向。
4.光纤电流互感器主要由光路、调制解调电路和对应的调制解调算法组成，光路中光纤的长度决定了光纤电流互感器的本征频率，也决定了调制解调算法中的调制与解调时序，因此当光路长度与调制解调频率匹配时，所测信号噪声更小，测量精度更高。但是现实中，光纤电流互感器在生产时，光路中各个光学器件尾纤的长度是不固定的，要为光路装配留出余量。装配时需要严格按照规定的光纤长度进行截取，来保持光路固定的长度，与对应的调制解调算法进行匹配。而且当光路装配不合格时，需要重新返工，光路长度就会比规定长度相比变短，此时需要调整调制解调算法频率来匹配光纤长度。另外，在实际工程应用时，光纤电流互感器安装位置不同，光纤环安装在一次侧,调制解调电路安装在二次侧，中间需要光纤连接，不同位置对应的光纤长度不同，这就需要在现场对不同位置光纤电流互感器光路进行测量，以确定对应的本征频率，根据本征频率调整调制解调频率。而且通常情况下光纤长度都会存在测量误差，光本征频率与调制频率依靠测量多少都会存在不匹配现象。因此，这种情况不仅会造成光纤电流互感器产品性能不能达到最优，而且变电站现场施工难度增加，每台光纤电流互感器对应的程序也不同，增加了管理成本，在产品维护时容易出现程序烧写错误情况。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统和方法，能够自动检测光纤电流互感器光路本征频率对应分频数大小，自动匹配光纤长度与调制解调算法，不需要通过截取光纤长度解调分频数，也无需调整分频数大小匹配固定光纤长度；能够达到最佳最优匹配，减小噪声，提高测量精度。
6.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统，包括：光源、第一耦合器、探测器、a/d转换模块、时序控制模块、d/a转换模块、y波导、第
二耦合器、延时线圈、波片、光缆和敏感环；
7.光源产生非相干光束，非相干光束经第一耦合器进入y波导中，经y波导起偏后变成两束正交的线偏振光a和线偏振光b；线偏振光a和线偏振光b经第二耦合器后分别进入延时线圈的快轴和慢轴，然后经波片产生90度相位差，线偏振光a变成左旋圆偏振光a，线偏振光b变成右旋圆偏振光b；左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经光缆传输至敏感环，左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经敏感环调制后产生π相位差，即左旋圆偏振光a变成右旋圆偏振光b'，右旋圆偏振光b变成左旋圆偏振光a'；右旋圆偏振光b'和左旋圆偏振光a'经光缆返回至波片，产生90度相位差，右旋圆偏振光b'变成线偏振光b'，左旋圆偏振光a'变成线偏振光a'，线偏振光a'和线偏振光b'正交；线偏振光a'和线偏振光b'分别进入延时线圈的快轴和慢轴，此时正交线偏振光快慢轴位置进行了互换；线偏振光a'和线偏振光b'经延时线圈、第二耦合器输出至y波导，经y波导干涉后输出干涉光；干涉光经第一耦合器输出至探测器，探测器对接收到的干涉光进行光电转换，输出电信号；电信号经a/d转换模块转换为数字信号；时序控制模块根据接收到的数字信号产生控制时序，控制开环调制模式与闭环调制模式的开启时序，以及开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序；d/a转换模块在时序控制模块的控制下产生调制信号，调制信号作用在y波导的电极上，实现对经过y波导的非相干光束进行相位调制。
8.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，还包括：驱动温控电路，用于调节光源的工作温度，使光源工作在恒定温度下。
9.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，光源为超辐射发光二极管sld；延时线圈是由光纤绕制而成的光纤线圈，分为快轴和慢轴；波片、为1/4波片。
10.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，
11.时序控制模块，用于产生控制开环调制模式与闭环调制模式开启的开启时序；以及产生开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序，实现开环调制模式与闭环调制模式的先后执行；
12.y波导，用于光的起偏、相位调制、分束和干涉处理；
13.第二耦合器，用于光的分束与合束，与y波导输出尾纤相连接，使经敏感环反射回来的光再次进入y波导；
14.延时线圈，用于通过快轴和慢轴来增加光的传播时间，决定光的渡越时间和系统的调制周期；其中，通过快轴增加的光的传播时间小于通过慢轴增加光的传播时间；
15.波片，用于产生90度相位差，用于线偏振光与圆偏振光的转换；
16.敏感环，用于测量电流产生的磁场，使处于磁场中的光产生与电流相关的相位改变。
17.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，时序控制模块，包括：
18.开环调制子模块，用于进行开环调制，通过d/a转换模块向y波导施加方波或四态波，对非相干光束进行调制；然后，再通过a/d转换模块按照时序采集信号，对采集信号进行解调、对比，计算得到最优分频数，将最优分频数输出给闭环调制子模块；
19.闭环调制子模块，用于在开环调制子模块完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到输出电流信号及y波导调制误差信号；同时将输出电流信号进行累加反馈形成阶梯波信号，将阶梯波信号
与y波导调制误差信号一起通过d/a转换模块施加在y波导上，完成闭环控制。
20.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，开环调制子模块，包括：
21.分频数扫描单元，用于产生对应不同长度光纤的分频数；
22.采样解调单元，用于对不同分频数对应产生的信号进行解调计算；
23.数据比较单元，用于比较采样解调单元每次输出的解调值的大小，确定最小解调值对应的分频数作为最优分频数。
24.在上述光纤电流互感器用调制频率自适应系统中，闭环调制子模块，包括：
25.误差解调单元，用于在开环调制子模块完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到y波导调制误差信号；
26.电流解调单元，用于在开环调制子模块完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到输出电流信号；
27.阶梯波生成单元，用于将输出电流信号进行累加反馈形成阶梯波信号，将阶梯波信号与y波导调制误差信号一起通过d/a转换模块施加在y波导上，完成反馈闭环控制。
28.相应的，本发明还公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应方法，包括：光源产生非相干光束，非相干光束经第一耦合器进入y波导中，经y波导起偏后变成两束正交的线偏振光a和线偏振光b；线偏振光a和线偏振光b经第二耦合器后分别进入延时线圈的快轴和慢轴，然后经波片产生90度相位差，线偏振光a变成左旋圆偏振光a，线偏振光b变成右旋圆偏振光b；左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经光缆传输至敏感环，左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经敏感环调制后产生π相位差，即左旋圆偏振光a变成右旋圆偏振光b'，右旋圆偏振光b变成左旋圆偏振光a'；右旋圆偏振光b'和左旋圆偏振光a'经光缆返回至波片，产生90度相位差，右旋圆偏振光b'变成线偏振光b'，左旋圆偏振光a'变成线偏振光a'，线偏振光a'和线偏振光b'正交；线偏振光a'和线偏振光b'分别进入延时线圈的快轴和慢轴，此时正交线偏振光快慢轴位置进行了互换；线偏振光a'和线偏振光b'经延时线圈、第二耦合器输出至y波导，经y波导干涉后输出干涉光；干涉光经第一耦合器输出至探测器，探测器对接收到的干涉光进行光电转换，输出电信号；电信号经a/d转换模块转换为数字信号；时序控制模块根据接收到的数字信号产生控制时序，控制开环调制模式与闭环调制模式的开启时序，以及开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序；d/a转换模块在时序控制模块的控制下产生调制信号，调制信号作用在y波导的电极上，实现对经过y波导的非相干光束进行相位调制。
29.本发明具有以下优点：
30.(1)本发明公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应方案，调制解调程序能够自动匹配光路本征频率与调制解调频率，无需进行光纤截取来匹配调制解调频率或调整程序分频数匹配光路本征频率。
31.(1)本发明公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应方案，能够完全匹配光路本征频率与调制解调频率，有效减小信号噪声和提高测试精度。
32.(3)本发明公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应方案，结构简单，有效降低了工程应用施工难度，统一工程用程序版本，一个工程用一个程序版本，降低了管理成本和出错风险。
附图说明
33.图1是本发明实施例中一种光纤电流互感器用调制频率自适应系统的结构框图；
34.图2是本发明实施例中一种两态方波调制原理图；
35.图3是本发明实施例中一种四态阶梯波调制原理图；
36.图4是本发明实施例中一种四态阶梯波信号解调原理图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
38.如图1，在本实施例中，该光纤电流互感器用调制频率自适应系统，包括：光源2、第一耦合器3、探测器4、a/d转换模块5、时序控制模块6、d/a转换模块7、y波导8、第二耦合器9、延时线圈10、波片11、光缆12和敏感环13。其中，光源2产生非相干光束，非相干光束经第一耦合器3进入y波导8中，经y波导8起偏后变成两束正交的线偏振光a和线偏振光b；线偏振光a和线偏振光b经第二耦合器9后分别进入延时线圈10的快轴和慢轴，然后经波片11产生90度相位差，线偏振光a变成左旋圆偏振光a，线偏振光b变成右旋圆偏振光b；左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经光缆12传输至敏感环13，左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经敏感环13调制后产生π相位差，即左旋圆偏振光a变成右旋圆偏振光b'，右旋圆偏振光b变成左旋圆偏振光a'；右旋圆偏振光b'和左旋圆偏振光a'经光缆12返回至波片11，产生90度相位差，右旋圆偏振光b'变成线偏振光b'，左旋圆偏振光a'变成线偏振光a'，线偏振光a'和线偏振光b'正交；线偏振光a'和线偏振光b'分别进入延时线圈10的快轴和慢轴，此时正交线偏振光快慢轴位置进行了互换；线偏振光a'和线偏振光b'经延时线圈10、第二耦合器9输出至y波导8，经y波导8干涉后输出干涉光；干涉光经第一耦合器3输出至探测器4，探测器4对接收到的干涉光进行光电转换，输出电信号；电信号经a/d转换模块5转换为数字信号；时序控制模块6根据接收到的数字信号产生控制时序，控制开环调制模式与闭环调制模式的开启时序，以及开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序；d/a转换模块7在时序控制模块6的控制下产生调制信号，调制信号作用在y波导8的电极上，实现对经过y波导8的非相干光束进行相位调制。
39.在本实施例中，该光纤电流互感器用调制频率自适应系统还可以包括：驱动温控电路1，用于调节光源2的工作温度，使光源2工作在恒定温度下，以确保光源2输出的非相干光束的功率及中心波长的稳定性。
40.在本实施例中，光源2为超辐射发光二极管sld；延时线圈10是由光纤绕制而成的光纤线圈，分为快轴和慢轴；波片11、为1/4波片。
41.在本实施例中，时序控制模块6，用于产生控制开环调制模式与闭环调制模式开启的开启时序；以及产生开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序，实现开环调制模式与闭环调制模式的先后执行。y波导8，用于光的起偏、相位调制、分束和干涉处理。第二耦合器9，用于光的分束与合束，与y波导8输出尾纤相连接，使经敏感环13反射回来的光再次进入y波导8。延时线圈10，用于通过快轴和慢轴来增加光的传播时间，决定光的渡越时间和系统的调制周期；其中，通过快轴增加的光的传播时间小于通过慢轴增加光的传播时间。波片11，用于产生90度相位差，用于线偏振光与圆偏振光的转换。敏感环13，用于测量电
流产生的磁场，使处于磁场中的光产生与电流相关的相位改变。
42.在本实施例中，时序控制模块6具体可以包括：开环调制子模块601和闭环调制子模块602。其中。开环调制子模块601，用于进行开环调制，通过d/a转换模块7向y波导8施加方波或四态波，对非相干光束进行调制；然后，再通过a/d转换模块5按照时序采集信号，对采集信号进行解调、对比，计算得到最优分频数，将最优分频数输出给闭环调制子模块602。闭环调制子模块602，用于在开环调制子模块601完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块5按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到输出电流信号及y波导8调制误差信号；同时将输出电流信号进行累加反馈形成阶梯波信号，将阶梯波信号与y波导8调制误差信号一起通过d/a转换模块7施加在y波导8上，完成闭环控制。
43.优选的，开环调制子模块601具体可以包括：分频数扫描单元6011、采样解调单元6012和数据比较单元6013。其中，分频数扫描单元6011，用于产生对应不同长度光纤的分频数；采样解调单元6012，用于对不同分频数对应产生的信号进行解调计算；数据比较单元6013，用于比较采样解调单元6012每次输出的解调值的大小，确定最小解调值对应的分频数作为最优分频数。
44.优选的，闭环调制子模块602具体可以包括：阶梯波生成单元6021、电流解调单元6022和误差解调单元6023。其中，误差解调单元6023，用于在开环调制子模块601完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块5按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到y波导8调制误差信号；电流解调单元6022，用于在开环调制子模块601完成最优分频数的解调之后，进行闭环调制解调，对a/d转换模块5按照时序采集得到的采样信号进行解调，计算得到输出电流信号；阶梯波生成单元6021，用于将输出电流信号进行累加反馈形成阶梯波信号，将阶梯波信号与y波导8调制误差信号一起通过d/a转换模块7施加在y波导8上，完成反馈闭环控制。
45.在本实施例中，光源2、第一耦合器3、y波导8、第二耦合器9、延时线圈10、波片11、光缆12和敏感环13构成了光纤电流互感器用调制频率自适应系统的光路。整个光路的光纤长度l决定了产品的本征渡越时间τ：τ＝(l*n)/c，c表示光传播速度，n表示光纤折射率；则本征频率f为：f＝1/τ。本征频率f与系统时钟频率f和分频数k之间满足：f＝f/k，可见，分频数k值越大，则本征频率f越小，代表光纤越长；分频数k值越小，则本征频率f越大，代表光纤越短。在系统时钟频率f不变的情况下，可通过调整分频数k来得到不同长度光路对应本征频率f。
46.在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种光纤电流互感器用调制频率自适应方法，包括：光源2产生非相干光束，非相干光束经第一耦合器3进入y波导8中，经y波导8起偏后变成两束正交的线偏振光a和线偏振光b；线偏振光a和线偏振光b经第二耦合器9后分别进入延时线圈10的快轴和慢轴，然后经波片11产生90度相位差，线偏振光a变成左旋圆偏振光a，线偏振光b变成右旋圆偏振光b；左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经光缆12传输至敏感环13，左旋圆偏振光a和右旋圆偏振光b经敏感环13调制后产生π相位差，即左旋圆偏振光a变成右旋圆偏振光b'，右旋圆偏振光b变成左旋圆偏振光a'；右旋圆偏振光b'和左旋圆偏振光a'经光缆12返回至波片11，产生90度相位差，右旋圆偏振光b'变成线偏振光b'，左旋圆偏振光a'变成线偏振光a'，线偏振光a'和线偏振光b'正交；线偏振光a'和线偏振光b'分别进入延时线圈10的快轴和慢轴，此时正交线偏振光快慢轴位置进行了互换；线偏振光a'和
线偏振光b'经延时线圈10、第二耦合器9输出至y波导8，经y波导8干涉后输出干涉光；干涉光经第一耦合器3输出至探测器4，探测器4对接收到的干涉光进行光电转换，输出电信号；电信号经a/d转换模块5转换为数字信号；时序控制模块6根据接收到的数字信号产生控制时序，控制开环调制模式与闭环调制模式的开启时序，以及开环调制模式与闭环调制模式开启后的调制解调时序；d/a转换模块7在时序控制模块6的控制下产生调制信号，调制信号作用在y波导8的电极上，实现对经过y波导8的非相干光束进行相位调制。
47.对于方法实施例而言，由于其与系统实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例部分的说明即可。
48.在上述实施例的基础上，下面对该光纤电流互感器用调制频率自适应系统的具体工作过程进行说明：
49.(1)上电后复位后，时序控制模块控制开环调制与闭环调制两种模式的开启时序。
50.(2)时序控制模块首先进入开环调制模式，开环调制模式中调制方式可以是方波或四态波，如图2和图3所示，开环调制不进行电流、调制误差信号解调，仅计算光路本征频率对应的分频数，得到最优分频数。
51.(3)分频数扫描单元以设定的分频数k0(该分频数k0接近本征频率对应分频数)为中心，在k＝k0
±
20的范围内(该范围可根据光路最短和最大长度进行相应调整)从小或从大依次生成分频数。例如，光路生产时，每个产品光纤的长度是不同的，但是可根据应用，估算出处于中间光路的分频数k0是多少，比如，光纤最长500米，最短400米，如果中间长度450米对应的分频数是50，那么k＝50
±
20即可包含400～500米左右，即30、31、32
……
80。进一步的，根据分频数产生调制频率f，f＝f/k。
52.(4)采样解调单元根据分频数扫描单元产生的分频数产生调试信号，并对调试信号进行解调。以方波为例进行调制解调讲解。采用方波调制，方波调制周期是本征周期的2倍，即周期为2τ，有(π/2，-π/2)两个调制态，每个调制态持续时间是τ，由于光纤电流互感器用调制频率自适应系统的光路相当于一个干涉仪，因此探测器输出信号为：
[0053][0054]
其中，i0为干涉光强，为电流影响产生的相位差，为所加调制信号，也即(π/2，-π/2)。当光纤本征频率与调制频率匹配时，探测器输出信号变为：
[0055][0056]
在不加电流的情况下，为极小量，因此探测器信号为i＝i0，但是当光纤本征频率与调制频率不匹配时，施加调制信号(π/2，-π/2)会出现错位情况，即有部分时间内探测器信号会变为：
[0057][0058]
为极小量，因此探测器信号为i＝2i0，如图4所示，探测器信号起始为会出现隆起情况。光路本征频率与调制频率越不匹配，探测器信号隆起部分持续时间越长，如果完全匹配，侧隆起部分会完全消失。因此控制ad采样时序，在调制时间初始时刻对探测器信号进行数据采样，得到数据为d1，同时在调试施加中间时刻也对探测器信号进行
数据采样，采样得到数据为d2，应用中可根据实际需要增加采样点处采样数据。
[0059]
令：d1＝(d1 d2)/2，d2＝d
1-d2。
[0060]
由于每一次调制态均会产生d1和d2，可设定计算时间间隔t，将时间t内所有得到的d1和d2分别进行平均，得到均值分别为d
m1
和d
m2
。
[0061]
计算完成后返回频率扫描模块，再次生成新的分频数，循环调制解调，计算完成所有分频数对应产生的数据，即解调值。
[0062]
(5)数据比较单元记录该次采样解调单元得到的d
m1
和d
m2
，并与上次解调得到的d
m1
和d
m2
进行比较，取较小的d
m1
和d
m2
取代当前值，并记录较小d
m1
和d
m2
对应的分频数k。按照此方法比较所有分频数得到的采样值d
m1
和d
m2
数值大小，取d
m1
和d
m2
所有数值中最小值对应的分频数为光路本征频率对应的最优分频数k。
[0063]
(6)最优分频数k计算完成后，时序控制模块控制程序进入闭环调制模式，将最优分频数k作为参数代入闭环调制程序，生成正确的调制时序，进行正常的电流、误差信号解调并实现第一、第二、第三闭环控制。
[0064]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0065]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。