一种光路状态自诊断的全光纤电流互感器及自诊断方法与流程

1.本发明涉及光纤电流互感器技术领域，尤其涉及一种光路状态自诊断的全光纤电流互感器及自诊断方法。


背景技术：

2.随着电力系统向高电压、大电流方向的发展，新一代智能变电站建设对电流互感器等一次设备在集成化、智能化等方面提出了新的要求。基于光学传感技术的全光纤电流互感器是一种无源电子式电流互感器，采用全光纤光路实现电流信号的闭环检测，具有动态范围大、测量频带宽、抗电磁干扰性能好、体积小、重量轻、便于与高压设备集成、可测直流信号等优点，近几年在多项重大工程中推广应用。国内特高压直流输电工程将会进入密集建设期，平均每年将会有2条工程开工建设。预计未来五年全光纤电流互感器市场需求总额在16亿元左右，市场前景大。
3.但是目前在运的全光纤电流互感器多为进口产品，采购周期长，价格昂贵，服务响应无法满足现工程需要。国产全光纤电流互感器研究起步较晚，部分核心器件依赖进口，但是整体性能已与进口产品持平，且部分性能指标国际领、先进。随着技术的不断成熟，国内研究的重点也从全光纤电流互感器的短期试验性能转变为长期运行可靠性研究，从互感器的外部技术指标深入到内部关键状态参量的研究。
4.国内全光纤电流互感器采用基于铌酸锂光波导相位调制器的单光路结构，信号发送及传输在同一根保偏光纤中完成，虽然单光路结构在抗震、温度稳定性等方面更有优势，但是在光路检测方面存在一些不便捷性。由于光路一旦熔接完成后形成闭合光路，无外接测量点，无法通过一些测试设备检测光路性能，设备一旦出故障只能通过截断光路进行故障检测，提高了现场运维成本及风险，限制了全光纤电流互感器推广应用。同时，光路闭合后，无法对保偏光纤整体熔接质量进行检测，存在潜在风险，以上不可靠问题亟待解决。
5.同时，随着技术的发展及用户侧新需求的产生，对该类产品在可靠性及稳定性提升、功能多样化完善等方面提出了新的要求。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光路状态自诊断的全光纤电流互感器及自诊断方法，可对全光纤电流互感器现场熔纤、长期运行期间光路状态进行实时监测及诊断，解决了现有全光纤电流互感器无法通过系统内部诊断光路偏振特性的问题，满足智能电网对电流测量装置可靠性及稳定性提升的新的要求。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种光路状态自诊断的全光纤电流互感器，包括：全光纤传感环、保偏传输光纤及采集模块；
8.采集模块包括发射单元，采集单元以及诊断单元；所述发射单元输出光信号，经保偏传输光纤输出至全光纤传感环返回，由所述采集单元探测获得转换为电信号输出；所述诊断单元基于电信号计算偏振强度，比较熔接后的偏振强度与熔接前的偏振强度的偏差，
如果偏差未超过第一阈值，则光路状态正常，如果偏差超过第一阈值且未超过第二阈值，则根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数，如果超过第二阈值，则输出报警信号，重新熔断。
9.进一步地，所述诊断单元包括累计平均部、最大值生成部、切换部、计算部以及比较部；
10.所述累计平均部对每个有效采样周期的电信号累加平均获得平坦区均值v0；所述最大值生成部获取每个周期的电信号的最高电压值v2；所述计算部获取存储的无光电压值v1并计算：
[0011][0012]
所述切换部进行模式切换，如果为熔接前模式，则所述基值存储部工作将每个周期的偏振强度取均值，作为熔接前的偏振强度存储在寄存器内，所述比较部不工作；如果为熔接后模式，则所述基值存储部不进行取均值计算，所述比较部，将每个周期的偏振强度与所述基值存储部存储的熔接前的偏振强度的偏差与第一阈值和第二阈值进行比较，输出诊断结果。
[0013]
进一步地，根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数包括：按照将每个周期的偏振强度与熔接前的偏振强度的偏差进行累积后取均值，计算超过熔接前的偏振强度的比例，按照所述比例调整电流系数。
[0014]
进一步地，所述采集模块设置常闭指示灯，如果超过第二阈值则点亮指示灯。
[0015]
进一步地，所述采集模块还包括差分解调单元、反馈控制单元、积分滤波单元以及数字输出单元；所述差分调节单元对平坦区均值v0进行差分解调，获得开环电流增量值δi，对δi积分滤波获得电流测量值i，由数字输出单元输出；反馈控制单元对δi进行数模转换，输出反馈信号给调制器，对光路进行闭环控制。
[0016]
进一步地，所述发射单元包括光源、耦合器、起偏器、调制器以及保偏光纤延迟环；光源发出的光经过耦合器与起偏器后，变为线偏振光；起偏器的尾纤与调制器的尾纤以45
°
熔接，线偏振光经45
°
熔接点分解为两束正交的线偏振光注入调制器尾纤，分别沿保偏光纤的x轴和y轴传输。
[0017]
进一步地，所述全光纤传感环包括传感光纤、1/4波片及反射镜；
[0018]
x轴和y轴传输的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播；
[0019]
载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在反射镜处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换，再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍，再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光，在起偏器处发生干涉，携带相位差信号经保偏传输光纤进入所述采集单元转换为电信号。
[0020]
进一步地，所述采集单元包括探测器、放大电路以及模数转换电路；所述探测器将探测获得转换为电信号，所述放大电路进行放大滤波，所述模数转换电路转换为数字信号后发送给所述诊断单元。
[0021]
本发明另一方面提供一种采用所述的光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行光路状态自诊断方法，包括：
[0022]
熔接前采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度均值，作为熔接前的偏振强度存储在寄存器内；
[0023]
熔接后，采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度，分别与熔接前的偏振强度进行对比，获得偏差；
[0024]
将每个周期的偏振强度与熔接前的偏振强度的偏差与第一阈值和第二阈值进行比较，如果偏差未超过第一阈值，则光路状态正常，如果偏差超过第一阈值且未超过第二阈值，则根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数，如果超过第二阈值，则输出报警信号，重新熔断。
[0025]
进一步地，
[0026]
其中，v0为对每个周期的有效采样区间电信号累加平均获得平坦区均值；v2为每个周期的电信号的最高电压值；v1为存储的无光电压值。
[0027]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0028]
(1)本发明针对现有技术方案缺陷，从探测器高频信号中提取梳状波尖峰电平，结合开环误差信号、探测器无光电压值，给出可以描述光路偏振特性变化的偏振强度状态量，根据偏振强度对比分析，使得系统内部可以自行判断保偏光纤对轴熔接质量，同时对偏振强度的在线监测，也可以分析全光纤电流互感器保偏光路运行情况及使用寿命，提高产品运维可靠性及便捷性。
[0029]
(2)本发明实现了全光纤电流互感器在现场熔纤及长期运行期间对光路状态进行分析及快速诊断，保证全光纤电流互感器施工质量及长期运行可靠性，并为产品性能优化、故障分析提供可靠数据支撑。
附图说明
[0030]
图1是全光纤电流互感器组成示意图；
[0031]
图2是施加方波调制信号时探测器输出波形；
[0032]
图3为偏振强度各分量示意图；
[0033]
图4为光路自诊断流程图；
[0034]
图5为fpga计算偏振强度示意图。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0036]
光路状态自诊断的全光纤电流互感器包括全光纤传感环1、保偏光纤2及采集模块3，见图1。
[0037]
光纤传感环1由保偏光纤尾纤、四分之一波片、保圆光纤及光纤反射镜组成，实现
电流信号至光学相位差的转换。光纤传感环1与保偏光纤2组成全光纤电流互感器的一次光路，为传感部分，高保真传输偏振光信号。
[0038]
采集模块3由光器件、信号处理单元两部分组成，实现电流信号检测、数字输出及光路状态自诊断。光器件主要提供全光纤传感的物理基础，光器件包括提供光信号的sld光源、耦合器、起偏器、调制器及保偏光纤延迟环，基于直线型反射式结构熔接成光路传输及调制系统，实现对一次大电流的传变，选用宽带高速pin-fet光电探测器，保证一次电流传变过程中的高保真光电信号转换；信号处理单元选用百兆级高速a/d采集芯片，更快的捕捉探测器输出信号高频信号的变化。选用性能更强，资源更多的fpga，缩短了光路状态自诊断处理时间。放大电路、模数转换电路(ad)、fpga、数模转换电路之间电连接。信号处理单元一方面完成对全光纤一次传感部件返回光信息的光电转换、模数转换、数字差分解调、重采样数字输出等，另一方面完成对梳状波高频特征量的提取、分析、算法诊断等。
[0039]
在工程应用中，采集模块3安装在电子单元内，每个电子单元配备两套电源模块对装置供电，电子单元放置在换流站控制室屏柜内，提高二次元器件的抗干扰能力。
[0040]
光路工作过程如下：
[0041]
光源发出的光经过耦合器与起偏器后，变为线偏振光。起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45
°
熔接，线偏振光以45
°
注入调制器尾纤，分解成两束相互正交的线偏振光分别沿保偏光纤的x轴和y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播。调制器对经过的线偏振光进行相位调制，从起偏器起偏后的线偏振光经过45
°
熔接点之后分解为相互垂直的两束线偏振光，分别沿保偏光纤的x轴和y轴传输，经过调制器时被调制一次，进入延时环及光纤传感环，被传感环末端的反射镜反射后互换偏振轴传输(沿x轴输入的线偏振光，返回时沿y轴传输；沿y轴输入的线偏振光，返回时沿x轴传输)并沿原光路返回，经过调制器时再次被调制，两束线偏振光往返过程中被调制器调制了两次，总的相位差等于两次调制相位之合。数模转换发过来的是调制信号，这个调制信号是fpga发出的数字信号经数模转换模块转换成模拟信号施加在调制器上，对光路进行调制。载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在反射镜处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光。两束光在起偏器处发生干涉，携带相位差信号的光进入光接收组件转换为电信号。干涉后的光经光纤耦合器到达光电探测器，将光信号转换为电信号进入后续的检测电路进行处理。
[0042]
探测器输出信号是相位差的余弦函数。由于余弦函数在零相位时斜率为零，对微小相位差反映不灵敏，且无法分辨相差的符号，同时解调算法复杂。现有技术方案采用方波调制技术使相差信息产生
±
π/2偏置，提高系统的灵敏度同时简化了信息解调难度，同时根据开环信号差分值生成反馈信号通过调制器对光路进行闭环控制，提高测量精度及动态测量范围。施加方波调制后的探测器输出波形如图2所示。
[0043]
施加方波偏置信号后，载流导体电流不为0时，faraday相位差为φf，反馈相位差位φr，探测器输出电压v与法拉第相位差φf则有如下关系：
[0044][0045]
p0为干涉前线偏振光光功率，k为探测器的光电转换系数，闭环反馈下：
[0046][0047]
差分解调得到开环误差信号δv：
[0048][0049]
则开环电流增量值δi：
[0050]
δi＝kδv
[0051]
k为电流系数，对δi进行积分滤波输出电流测量值i：
[0052]
i＝∑δi＝k∑δv
[0053]
本发明在fpga功能基础上，增加了光路诊断单元，即对探测器输出信号的高频尖峰进行提取及幅值计算，给出可以描述光路偏振特性的参量“偏振强度”。偏振强度示意图如图3所示。
[0054]
其中v2为探测器单个采样周期信号最大值；v0为探测器单个采样周期信号平坦区均值；v1为探测器无光电压值(没有光信号输入时，探测器的输出信号强度)。
[0055]
其计算公式如下：
[0056][0057]
偏振强度在fpga内完成数据提取及分析计算，并且每个采样周期给出一个参数值。偏振强度一方面可以在fpga内进行分析自诊断，并在系统故障时给出告警，另一方面可以通过数字信号传输发送至后台在线监测平台实时显示，作为全光纤电流互感器运行经验总结、故障分析提供数据支撑。
[0058]
在一个实施例中，诊断单元包括累计平均部、最大值生成部、切换部、计算部以及比较部；
[0059]
累计平均部对每个周期的有效采样区间电信号累加平均获得平坦区均值v0；最大值生成部获取每个周期的电信号的最高电压值v2；计算部获取存储的无光电压值v1并计算：
[0060][0061]
所述切换部进行熔接前和熔接后的模式切换，实现对比较部和基值存储部的切换。
[0062]
如果为熔接前模式，则所述基值存储部工作将每个周期的偏振强度取均值，作为熔接前的偏振强度存储在寄存器内，所述比较部不工作；如果为熔接后模式，则所述基值存储部不进行取均值计算，所述比较部，将每个周期的偏振强度与所述基值存储部存储的熔接前的偏振强度的偏差与第一阈值和第二阈值进行比较，输出诊断结果。
[0063]
在一个实施例中，根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数包括：按照将每个周期的偏振强度与熔接前的偏振强度的偏差进行累积后取均值，计算超过熔接前的偏振强度的比例，按照所述比例调整电流系数。比如第一阈值为
±
0.2％,第二阈
值为
±
1.0％，偏振强度最大值为1，且仅在理想情况下才能达到1；熔接前偏振强度为0.9032，熔接后变为0.9011，变化幅度约为-0.23％,超过第一阈值且小于第二阈值，光路诊断单元将-0.23％乘以一个比例因子后，修正电流系数，修正完成后的偏振强度应与0.9032偏差不超过第一阈值，假设修正完后偏振强度为0.9030，此时系统准确度满足0.2级准确度要求。随着产品长期投运(光路不断老化，或者被腐蚀、挤压等)，偏振强度会缓慢下降，实时监测偏振强度，根据变化曲线可以预测光路正常运行寿命等。
[0064]
由于梳状波尖峰为高频信号，且不包含一次电流信息，因此目前采用方波调制型的全光纤电流互感器均过滤掉(未采集)梳状波特征量数据。在调制信号触发控制下，fpga从触发采样时刻开始至有效采样区间起点前这一段开始先提取最大电平值，然后对有效采样区间的采样值累加平均，并在下一采样周期内计算给出偏振强度，示意图如图5。
[0065]
全光纤电流互感器自诊断技术方案流程图图4：fpga基于偏振强度实现光路熔接前后诊断流程如下：
[0066]
1)光路熔接前采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度均值，作为熔接前的偏振强度存储在寄存器内。
[0067]
2)光路熔接后，采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度，分别与熔接前的偏振强度进行对比，获得偏差；
[0068]
3)若偏差值没有超过门槛第一阈值，表明光路熔接正常；如果偏差超过第一阈值且未超过第二阈值，则根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数，若偏差值超过第二阈值，则表明光路熔接异常，并通过电路控制装置面板指示灯“pwr”常亮。重复熔纤，直至面板指示灯“pwr”不亮，表明保偏光纤对轴熔接质量正常，光路可以正常运行。
[0069]
本发明技术方案全部在fpga内实现。探测器输出信号经ad转化为数字量后进入fpga，fpga对探测器信号的采样是通过方波调制信号电平的上升沿及下降沿触发控制的。每个调制周期包含了一个高频尖峰及随后的平坦区电平。
[0070]
通过偏振强度走势可以判断光路长期工作情况，比如是否发生光纤挤压造成偏振特性变迁，预测光路特性引起的准确度变化情况等，提前进行产品维护。
[0071]
综上所述，本发明涉及一种光路状态自诊断的全光纤电流互感器及自诊断方法，熔接前采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度均值，作为熔接前的偏振强度存储在寄存器内；熔接后，采用光路状态自诊断的全光纤电流互感器进行诊断并记录多个周期的偏振强度，分别与熔接前的偏振强度进行对比，获得偏差；如果偏差未超过第一阈值，则光路状态正常，如果偏差超过第一阈值且未超过第二阈值，则根据熔接后的偏振强度调整全光纤电流互感器的电流系数，如果超过第二阈值，则输出报警信号，重新熔断。本发明解决了现有全光纤电流互感器无法通过系统内部诊断光路偏振特性的问题，满足智能电网对电流测量装置可靠性及稳定性提升的新的要求。
[0072]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。