專利名稱：抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電壓互感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法及檢測裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)電壓互感器利用閉環(huán)檢測方法及方波調(diào)制技術(shù)，使得系統(tǒng)工作在零相位點，其優(yōu)點在于獲得了高靈敏度，良好的線性及寬的動態(tài)范圍。閉環(huán)光學(xué)電壓互感器采用了方波調(diào)制及階梯波反饋技術(shù)，在很大程度上抑制了光功率波動的影響，并擴(kuò)大了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。但系統(tǒng)仍是一個非線性系統(tǒng)，其非線性影響光學(xué)電壓互感器性能，且光學(xué)電壓互感器易受外部環(huán)境的擾動影響。如圖1所示現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)電壓互感器原理圖，光學(xué)電壓互感器閉環(huán)檢測電路包括光源1、環(huán)形器2、偏振器3、相位調(diào)制器4、保偏延遲光纜5、法拉第旋光器6、BGO晶體7、光電探測器8和信號處理電路9，所述的環(huán)形器2為三端口器件，第一端口為光源I入口，第二端口連接偏振器3的輸入口，第三端口連接光電探測器8的輸入端，光電探測器8的輸出連接信號處理電路9，信號處理電路9為相位調(diào)制器4提供調(diào)制電壓。所述的偏振器3連接相位調(diào)制器4，并且連接點45°熔接；相位調(diào)制器4與旋光器6之間通過保偏延遲光纜5連接，所述的旋光器6中的BGO晶體7端點具有反射膜10，用以反射光。通過偏振器3的線偏光經(jīng)過45°熔接角，分成兩束正交的線偏振光，該兩束正交的偏振光通過集成相位調(diào)制器4，出射光經(jīng)由保偏光纖延遲5，兩束光入射進(jìn)法拉第旋光器6，兩正交線偏振模式旋轉(zhuǎn)45°，入射到BGO晶體7中，被測電壓以Pockels相移的方式作用到兩偏振正交模式的光中，兩正交偏振光通過反射膜的反射，沿入射的光路返回，經(jīng)相位調(diào)制器4作用，最后在偏振器3處兩束光干涉，其中干涉的相位是Pockels相移的兩倍。兩束正交偏振模式的光每次經(jīng)過非互易的法拉第旋光器6，均會旋轉(zhuǎn)45°，由于光路中非互易法拉第準(zhǔn)直旋光器的引入，除BGO晶體7外，兩正交偏振模式經(jīng)過相同的光程，構(gòu)成準(zhǔn)互易反射式光路，減小了因外部擾動及設(shè)備的缺陷不足導(dǎo)致的檢測誤差。光學(xué)電壓互感器的閉環(huán)誤差信號是微弱的非線性信號，并且易受系統(tǒng)擾動影響。光學(xué)電壓互感器在測量高壓的實用測量中，其物理器件的非線性及存在的噪聲是造成系統(tǒng)性能惡化的主要因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法及檢測裝置，以提高基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器在測量交直流電壓時的精度及非線性抑制能力。所述的抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，包括如下步驟:第一步，對光電探測器輸出干涉光強(qiáng)Vwt (t)進(jìn)行預(yù)處理，對非線性閉環(huán)誤差信號進(jìn)行方波調(diào)制，將非線性閉環(huán)誤差信號的頻率遷移到高頻區(qū)，以避開l/f噪聲中低頻噪聲的不利影響；采用帶通濾波器保證不失真的提取出非線性閉環(huán)誤差信號SinAKO，并同時濾除光電探測器的輸出干涉光強(qiáng)中的白噪聲；其中的f代表頻率；第二步，將帶通濾波器的輸出信號Vbf (t)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號Vbf (k)，并由一個與所述數(shù)字信號vbf(k)同頻率同相位的數(shù)字方波信號fb(t)解調(diào)，解調(diào)后的輸出信號vd(k)中含有非線性閉環(huán)誤差信號SinAvHO成分，但同時也包含了不需要的高頻信號；第三步，數(shù)字低通濾波器對解調(diào)后的輸出信號Vd(k)進(jìn)行低通濾波，以濾除所述解調(diào)后的輸出信號^00的高頻部分，同時進(jìn)一步提高信噪比；此時數(shù)字低通濾波器的輸出信號V(k)中的非線性閉環(huán)誤差信號為數(shù)字信號第四步，根據(jù)數(shù)字低通濾波器的輸出信號v(k)，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程；第五步，對系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行穩(wěn)定性控制，當(dāng)光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)非線性閉環(huán)誤差信號在范圍內(nèi)，所述的穩(wěn)定性控制能夠使得非線性閉環(huán)誤差以指數(shù)特性的衰減速度恢復(fù)到零平衡點，抑制了非線性對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響，拓展了直流電壓的動態(tài)測量范圍以及交流電壓測量的頻帶寬度，提高了光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)在對交直流電壓進(jìn)行測量時，本發(fā)明設(shè)計的帶通濾波器的通頻帶范圍均能夠保證不失真的提取出非線性閉環(huán)誤差信號，同時抑制絕大多數(shù)的白噪聲，提高了期望頻率信號的信噪比。(2)采用本發(fā)明提供的抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的方法，針對光學(xué)電壓互感器非線性閉環(huán)誤差信號，其范圍在(-1 η)時，光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)能夠獲得指數(shù)穩(wěn)定性及規(guī)定的噪聲抑制水平。(3)采用本發(fā)明提供的抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的方法，光學(xué)電壓互感器的交直流電壓測量精度分別為±0.2%和±0.5%，帶寬達(dá)到了 24.5kHz，最大階躍直流測量電壓為19.5kV。實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)性能響應(yīng)及高精度，驗證了本發(fā)明中提出的抑制非線性特性的方法及檢測裝置的有效性及正確性。


圖1為基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器的原理圖；圖2為本發(fā)明中閉環(huán)檢測電路非線性閉環(huán)誤差信號處理過程示意圖；圖3為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)測量結(jié)果；圖4為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)被測電壓為476.07V ；圖5為階躍響應(yīng)被測直流電壓為19.5kV ；圖6為交流電壓測量結(jié)果和相對測量誤差分布曲線；圖7為直流電壓測量結(jié)果和相對測量誤差分布曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性實現(xiàn)交直流電壓測量的檢測方法，并提供一種實現(xiàn)所述方法的檢測裝置，所述的方法和檢測裝置能夠高精度的檢測出非線性閉環(huán)誤差信號，并抑制外部的擾動信號，得到指數(shù)穩(wěn)定的光學(xué)電壓互感器輸出信號。本發(fā)明分析了非線性、擾動及時間延遲對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的影響，建立了閉環(huán)光學(xué)電壓互感器模型并進(jìn)行控制與檢測，實現(xiàn)了交直流電壓的測量。同時考慮到在閉環(huán)檢測電路中會存在時間延遲，為了獲得系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)和期望的噪聲抑制水平，考慮到非線性、時間延遲及外部擾動造成的影響，本發(fā)明設(shè)計了魯棒控制算法，對光學(xué)電壓互感器電路系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行穩(wěn)定性控制，保證了閉環(huán)光學(xué)電壓互感器的指數(shù)穩(wěn)定性，并且使得光學(xué)電壓互感器在實際工程應(yīng)用中獲得了良好的噪聲抑制水平。本發(fā)明提供一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的方法及檢測裝置，所述的檢測裝置可以高精度獲取光學(xué)電壓互感器非線性閉環(huán)誤差信號，該方法和檢測裝置中，非線性閉環(huán)誤差信號經(jīng)方波調(diào)制，頻率遷移到高頻區(qū)以避開Ι/f噪聲中低噪聲的不利影響，利用數(shù)字信號處理技術(shù)對非線性閉環(huán)誤差信號進(jìn)行處理，帶通濾波器的輸出信號Vbf (t)首先被A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號VbfGO，該數(shù)字信號被一個與所述的數(shù)字信號vbf(k)同頻率同相位的數(shù)字方波信號fb(t)解調(diào)，解調(diào)后輸出信號為vd(k);最后解調(diào)后輸出信號經(jīng)過一數(shù)字低通濾波器后非線性閉環(huán)誤差信號以數(shù)字信號的形式被還原，得到光學(xué)電壓互感器的穩(wěn)定輸出。本發(fā)明提供的抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的方法，具體包括如下步驟:第一步，對光 電探測器輸出干涉光強(qiáng)Vwt (t)進(jìn)行預(yù)處理，對非線性閉環(huán)誤差信號 、進(jìn)行方波調(diào)制，將閉環(huán)誤差信號頻率遷移到高頻區(qū)，以避開Ι/f噪聲中低頻噪聲的
不利影響；利用帶通濾波器保證不失真的提取出非線性閉環(huán)誤差信號SinAWO;同時濾除光電探測器的輸出干涉光強(qiáng)中的白噪聲。光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的數(shù)字閉環(huán)檢測技術(shù)引入方波調(diào)制及階梯波反饋技術(shù)，得到光電探測器輸出端的干涉光強(qiáng)Vtjut (t)表達(dá)式如下式:
權(quán)利要求
1.一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，其特征在于包括如下步驟: 第一步，對光電探測器輸出干涉光強(qiáng)Vwt (t)進(jìn)行預(yù)處理，對非線性閉環(huán)誤差信號Sm:V(0進(jìn)行方波調(diào)制，將非線性閉環(huán)誤差信號的頻率遷移到高頻區(qū)，以避開 /f噪聲中低頻噪聲的不利影響；采用帶通濾波器保證不失真的提取出非線性閉環(huán)誤差信號，并同時濾除光電探測器的輸出干涉光強(qiáng)中的白噪聲；其中的f代表頻率； 第二步，將帶通濾波器的輸出信號Vbf (t)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號Vbf (k)，并由一個與所述數(shù)字信號vbf(k)同頻率同相位的數(shù)字方波信號fb(t)解調(diào)，解調(diào)后的輸出信號vd(k)中含有非線性閉環(huán)誤差信號sinzv-ω成分，但同時也包含了不需要的高頻信號； 第三步，數(shù)字低通濾波器對解調(diào)后的輸出信號Vd(k)進(jìn)行低通濾波，以濾除所述解調(diào)后的輸出信號vd(k)的高頻部分，同時進(jìn)一步提高信噪比；此時數(shù)字低通濾波器的輸出信號v(k)中的非線性閉環(huán)誤差信號為數(shù)字信號.△<(☆); 第四步，根據(jù)數(shù)字低通濾波器的輸出信號v(k)，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程； 第五步，對系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行穩(wěn)定性控制，當(dāng)光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)非線性閉環(huán)誤差信號在范圍內(nèi)，所述的穩(wěn)定性控制能夠使得非線性閉環(huán)誤差以指數(shù)特性的衰減速度恢復(fù)到零平衡點，抑制了非線性對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響，拓展了直流電壓的動態(tài)測量范圍以及交流電壓測量的頻帶寬度，提高了光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，其特征在于:所述的帶通濾波器的上下限截止頻率，由非線性閉環(huán)誤差信號的物理特性得出，帶通濾波器的通頻帶范圍為=Coc1-SCo1N 0^+30^，通頻帶包含了角頻率和ω0±3ω1;其中，GJ1是被測信號的角頻率，當(dāng)被測信號為直流電壓時，Co1為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，其特征在于:所述的數(shù)字低通濾波器，其_3dB處的帶寬為《J/2，因此檢測信號頻譜中角頻率高于《J/2的部分均被濾除，其中Otl是調(diào)制方波的角頻率，T是Α/D轉(zhuǎn)換器的采樣周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，其特征在于: 第四步中所述的系統(tǒng)狀態(tài)方程如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法，其特征在于:所述的穩(wěn)定性控制是指通過魯棒控制算法求解系統(tǒng)狀態(tài)方程中的反饋增益矩陣，保證光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的非線性閉環(huán)誤差信號在(-η，η)范圍內(nèi)獲得指數(shù)穩(wěn)定性及規(guī)定的噪聲抑制水平；反饋增益矩陣K。通過如下方法得到: 如果存在正定矩陣P，Re Rnxn，反饋增益矩陣K。eR1Xn，及正常數(shù)a，E1, ε2，便得下式成立:
6.一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測裝置，其特征在于:所述的檢測裝置包括光電探測器、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、解調(diào)單元、數(shù)字低通濾波器、控制器、相位調(diào)制器及其驅(qū)動電路和D/A轉(zhuǎn)換器，所述的光電探測器的輸出干涉光強(qiáng)中包含了非線性閉環(huán)誤差信號，經(jīng)過帶通濾波器后濾除干涉光強(qiáng)中的白噪聲，并不失真的提取出非線性閉環(huán)誤差信號；帶通濾波器的輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并在解調(diào)單元進(jìn)行方波解調(diào)后，經(jīng)過數(shù)字低通濾波器；數(shù)字低通濾波器的輸出與控制器的干擾噪聲進(jìn)入控制器，經(jīng)過控制器中魯棒控制算法抑制閉環(huán)誤差非線性特性及噪聲對閉環(huán)性能的影響得到控制器輸出；所述的控制器輸出在相位調(diào)制器中經(jīng)過調(diào)制方波及反饋階梯波調(diào)制后，與光源的光一起輸入光電探測 器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種抑制光學(xué)電壓互感器非線性特性的交直流電壓檢測方法及裝置。鑒于閉環(huán)誤差信號的非線性特性且極易受外部環(huán)境的擾動影響，對光電探測器輸出進(jìn)行預(yù)處理，對非線性閉環(huán)誤差信號方波調(diào)制，將所述誤差信號的頻率遷移到高頻區(qū)；采用帶通濾波器保證不失真的提取出所述誤差信號，并濾除光電探測器輸出中的白噪聲；將帶通濾波器的輸出信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號并解調(diào)后低通濾波；建立系統(tǒng)狀態(tài)方程并對其進(jìn)行穩(wěn)定性控制，使得所述誤差信號以指數(shù)特性的衰減速度恢復(fù)到零平衡點并滿足規(guī)定的噪聲抑制水平，抑制了非線性對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響，拓展了直流電壓的動態(tài)測量范圍及交流電壓測量的頻帶寬度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。
文檔編號G01R19/25GK103217562SQ20131006731
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者李慧, 趙宗濤, 崔利陽, 張春熹, 李立京, 許文淵 申請人:北京航空航天大學(xué)