本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)光學(xué)電流互感器高速測量的方法，涉及光學(xué)電流互感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電流互感器是監(jiān)測電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要設(shè)備，變電站中測量、監(jiān)控和保護(hù)控制依靠它來獲得測量、計量、保護(hù)所需的電流信息。傳統(tǒng)的電流互感器為電磁式互感器，電磁式互感器由于體積笨重、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磁飽和、易鐵磁諧振、動態(tài)測量范圍小、響應(yīng)頻帶窄等原因越來越不能滿足電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化網(wǎng)等發(fā)展的需要。而光學(xué)電流互感器(可簡稱為光ct)具有絕緣結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、線性度好，不存在磁飽和與鐵磁諧振問題等優(yōu)點，可以取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，有廣闊的應(yīng)用前景。

光ct采用全光纖結(jié)構(gòu)，基于faraday磁光效應(yīng)原理實現(xiàn)光信號對電流的感應(yīng)；系統(tǒng)采用反射式sagnac干涉結(jié)構(gòu)，將被測電流量轉(zhuǎn)化為同源的兩束偏振光的相位差，通過檢測該相位差實現(xiàn)對電流的測量。因sagnac干涉輸出的結(jié)果是余弦函數(shù)，有零相位差附近響應(yīng)靈敏度低，測量范圍有限，干涉結(jié)果不能反映輸入電流的方向性等缺陷。為了解決余弦敏感性和方向性的問題，在光路中增加調(diào)制器，對光信號實施方波或正弦波調(diào)制，在光纖線圈中引入非互易的90°相位偏置通過檢測調(diào)制后的反饋相移，獲得電流輸出，通過光信號調(diào)制可有效提高光ct的靈敏度。

因光ct為反射式sagnac結(jié)構(gòu)，在光纖線圈尾端設(shè)置了一個反射鏡，光信號從光源發(fā)出后，途經(jīng)調(diào)制器傳輸至光纖線圈尾端，經(jīng)反射鏡反射后沿原光路返回，并再次途經(jīng)調(diào)制器，因此會先后受到兩次調(diào)制，且兩次調(diào)制間的時間間隔(即光路中的總傳輸時長)為τ，為使兩次調(diào)制的效果疊加而不是抵消或產(chǎn)生其他不規(guī)則效果，系統(tǒng)的調(diào)制頻率不能隨機設(shè)定。若調(diào)制器的調(diào)制頻率為f＝1/2τ，則光纖中傳輸?shù)娜我皇庑盘栐谙群髢纱谓?jīng)過調(diào)制器時，其時間差均為半個調(diào)制頻率，可以確保兩次的調(diào)制效果疊加。這個頻率被稱為光ct的本征頻率。目前已有的光ct中，施加的調(diào)制信號頻率均為本征頻率。

目前已有的光ct輸出數(shù)據(jù)的理論最高采樣率是由其調(diào)制頻率即本征頻率決定的，該本征頻率與光ct的光路總長度(默認(rèn)為調(diào)制器至光纖線圈尾端反射鏡的光路總長度，調(diào)制器至光源的光路長度可忽略)直接相關(guān)。目前主流光ct中，在調(diào)制器后的光路總長度一般大于150米，則對應(yīng)的本征頻率最高為300khz左右，則此時理論上光ct的最高采樣率為300k左右。而產(chǎn)品實際設(shè)計中，為確保光ct的采樣精度或防止數(shù)據(jù)誤傳，光ct輸出數(shù)據(jù)的實際采樣率一般會比本征頻率低數(shù)倍甚至數(shù)十倍；同時光路總長度一般由變電站等應(yīng)用現(xiàn)場的條件確定，并不能隨意減短，某些工程中光路總長度可能需擴展至數(shù)百或上千米，因此光ct輸出數(shù)據(jù)的調(diào)制頻率及采樣率是受限的，且會造成光ct數(shù)據(jù)延時的增大。

常規(guī)的應(yīng)用場景中對光ct的采樣率要求一般為4khz或10khz，ct數(shù)據(jù)延時要求小于數(shù)百us，目前已有的光ct完全可以滿足。但是某些特殊的應(yīng)用場景，需要實現(xiàn)高速測量，對光ct輸出數(shù)據(jù)的采樣率提出了更高的要求，如柔直輸電系統(tǒng)中，要求光ct采樣率為50k或100k；行波測距系統(tǒng)中，可能要求光ct采樣率達(dá)到1m或2m；同時，光ct的延時也可能需要減小到數(shù)十甚至數(shù)us內(nèi)。目前的光ct設(shè)計方案因調(diào)制頻率的瓶頸，難以滿足高速測量的需求。

基于以上分析，本發(fā)明致力于研究一種提高光ct調(diào)制頻率，滿足光ct高速測量需求的方法，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于通過對光信號進(jìn)行高頻調(diào)制的方式，實現(xiàn)對光學(xué)電流互感器最高采樣率的提升和延時時間的減小，提供一種在不改變光路長度的前提下，提高光ct調(diào)制頻率，解決光ct采樣率和數(shù)據(jù)延時瓶頸，滿足光ct高速測量需求的方法。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

通過調(diào)制器對光纖中的光信號實施高頻調(diào)制，調(diào)制頻率為光學(xué)電流互感器本征頻率的奇數(shù)倍，且該倍數(shù)≥3，該倍數(shù)可根據(jù)工程需求進(jìn)行靈活設(shè)置。通過奇次倍頻調(diào)制的方法，可提高光ct系統(tǒng)的采樣率，減小光ct數(shù)據(jù)延時，從而滿足光ct高速測量的需求。

所述光ct主要包括光源、耦合器、調(diào)制器、光纖延時線、傳輸光纖、傳感光纖環(huán)、光探測器、調(diào)制解調(diào)電路等元件，為全光纖結(jié)構(gòu)，它基于faraday磁光效應(yīng)原理實現(xiàn)光信號對電流的感應(yīng)；系統(tǒng)采用反射式sagnac干涉結(jié)構(gòu)。光ct的光路總長度為光纖延時線、傳輸光纖、傳感光纖環(huán)的長度之和，如式(1)所示。

l＝ld+lt+lf(1)

式(1)中l(wèi)為總長度，ld為光纖延時線的長度，lt為傳輸光纖的長度，lf為傳感光纖環(huán)的光纖長度。光信號傳輸路徑為從調(diào)制器發(fā)送至傳感光纖環(huán)，并經(jīng)光纖環(huán)尾端的反射鏡反射，經(jīng)原光路返回到調(diào)制器，因此光信號在光路中的傳輸時間τ如式(2)所示。

τ＝2n*l/c(2)

式(2)中τ為光信號的傳輸時間，n為傳輸路徑上光纖的折射率，c為真空中的光速。

光ct系統(tǒng)的本征頻率如式(3)所示。

f＝1/2τ(3)

目前已有的光ct中，光路長度一般大于150米，即光ct最大的本征頻率小于300khz，因調(diào)制頻率等于本征頻率，因此相應(yīng)的調(diào)制頻率也小于300khz，且若處于光ct光路長度不可變的情況下，調(diào)制頻率無法再進(jìn)行改變。

理論上每個調(diào)制周期最多可以輸出一個采樣值，即產(chǎn)品最高采樣率為300khz。但產(chǎn)品實際設(shè)計時，出于精度或數(shù)據(jù)防誤考慮，一般會將數(shù)個甚至數(shù)十個調(diào)制周期的采樣值進(jìn)行平均后進(jìn)行輸出。因此，光ct的最高采樣率一般會遠(yuǎn)小于300khz，且數(shù)據(jù)延時大于100us以上，無法滿足高速測量的需求。

本發(fā)明提出了對光信號施加光ct本征頻率的奇次倍頻調(diào)制的方法，在調(diào)制器上施加的調(diào)制信號頻率為光ct本征頻率的奇數(shù)倍，且該倍數(shù)≥3，如3倍、5倍、7倍等，在該調(diào)制頻率下，t時刻的光信號第二次經(jīng)過調(diào)制器時，調(diào)制波形會與之前t-τ時刻的調(diào)制波形疊加，與本征頻率調(diào)制的效果相似，同樣可以放大調(diào)制效果，提高系統(tǒng)靈敏度。而調(diào)制頻率提升，光ct采樣率也相應(yīng)得到提高，光ct的數(shù)據(jù)延時也會減小，當(dāng)調(diào)制頻率及采樣率足夠高時，就可滿足高速測量的需求。

本發(fā)明提出的通過奇次倍頻調(diào)制實現(xiàn)光ct高速測量的方法，可根據(jù)光ct采樣率的需求，靈活設(shè)置系統(tǒng)調(diào)制頻率與本征頻率的倍數(shù)。在光ct的光路長度不變的前提下，可根據(jù)采樣率的需求，靈活的將調(diào)制頻率設(shè)定為本征頻率或本征頻率的3倍、5倍、7倍等奇次倍，更好的滿足不同高速測量工程的需求，同時便于光ct硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。尤其是對于改造工程，一旦工程需求發(fā)生改變，可不改動光ct的任何硬件設(shè)備，只修改奇次倍頻的倍數(shù)即可滿足，大大減少工作量，降低工作難度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述通過本征頻率的奇次倍頻調(diào)制實現(xiàn)光ct高速測量的方法的原理圖；

圖2為本發(fā)明所述光ct的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

圖中：1.光源，2.耦合器，3.起偏器，4.調(diào)制器，5.光纖延遲線，6.傳輸光纖，7.λ/4波片，8.光纖線圈，9.反射鏡，10.光探測器，11.調(diào)制解調(diào)電路，12.一次導(dǎo)體；

圖3為本征頻率下進(jìn)行方波調(diào)制時波形。

圖4為本征頻率下進(jìn)行方波調(diào)制時波形。

圖5為本征頻率下進(jìn)行方波調(diào)制時，兩個時刻的調(diào)制信號疊加后波形，即波形。

圖6為本征頻率下進(jìn)行方波調(diào)制時光探測器上的輸出波形。

圖7為三倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時ψ(t)波形。

圖8為三倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時ψ(t-τ)波形。

圖9為三倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時，兩個時刻的調(diào)制信號疊加后波形，即ψ(t)-ψ(t-τ)波形。

圖10為三倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時光探測器上的輸出波形。

圖11為兩倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時ψ(t)波形。

圖12為兩倍頻下進(jìn)行方波調(diào)制時ψ(t-τ)波形。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述方法的原理圖如圖1所示：光ct利用光纖的farady磁光效應(yīng)感應(yīng)一次電流：偏振光在傳感光纖中傳輸時，若受到磁場影響，則偏振光的相位角會產(chǎn)生與磁場強度成正比例的偏移，并通過λ/4波片7等器件，轉(zhuǎn)化為兩束偏振光間的位相差。

所述光ct如圖2所示，主要包括光源1、相位調(diào)制器4、光纖延時線5、傳輸光纖6、光纖線圈8、反射鏡9、光探測器10、調(diào)制解調(diào)電路11等元件，調(diào)制器后的光路全部由光纖構(gòu)成，系統(tǒng)采用反射式sagnac干涉結(jié)構(gòu)。

對于光ct系統(tǒng)，設(shè)加在相位調(diào)制器4上的調(diào)制信號為一次電流引入的位相差為φs，τ為光在光路中傳播所需時間，即光信號的傳輸時延，則系統(tǒng)輸出為：

一般情況下，相位調(diào)制器調(diào)制信號為方波。設(shè)調(diào)制方波頻率等于光ct的本征頻率，即f＝1/(2τ)。

同一束光信號先后經(jīng)過調(diào)制器后，相位調(diào)制器對其施加的調(diào)制信號分別為和如圖3和圖4。

因光ct的系統(tǒng)特性，光信號中兩個調(diào)制信號疊加效果為可描述為如圖5。則在光探測器上的輸出信號為圖6，通過對該光信號的解調(diào)運算可計算出一次電流引入的相位差φs，并進(jìn)而推算出一次電流值。

為了提高光ct采樣率并減小數(shù)據(jù)延時，本發(fā)明提出了奇次倍頻的調(diào)制方案，即在調(diào)制器上施加的調(diào)制信號的頻率等于本征頻率的奇次倍數(shù)，且該倍數(shù)≥3，從而有效地提高了光ct系統(tǒng)采樣率，減小了光ct數(shù)據(jù)延時。

設(shè)調(diào)制頻率為本征頻率的三倍頻，即f＝3/(2τ)，則相位調(diào)制器的調(diào)制信號ψ(t)為方波且τ/3為調(diào)制方波的半個周期。

oct系統(tǒng)輸出：

i＝0.5i0(1+cos(φs+ψ(t)-ψ(t-τ)))(5)

相位調(diào)制器的調(diào)制信號ψ(t)和ψ(t-τ)，如圖7和圖8。

兩個調(diào)制信號疊加ψ(t)-ψ(t-τ)，如圖9，與圖5波形類似，只是頻率升高了3倍。

光探測器上輸出信號如圖10，可以高效地實現(xiàn)解調(diào)并運算出一次電流值。同理，當(dāng)調(diào)制頻率等于本征頻率的5倍或7倍等奇次倍時，光ct系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)高效調(diào)制解調(diào)。

若調(diào)制頻率為本征頻率的偶數(shù)倍時，ψ(t)和ψ(t-τ)時刻的調(diào)制波形如圖11和圖12所示。兩個調(diào)制信號疊加后ψ(t)-ψ(t-τ)＝0，即調(diào)制效果互相抵消。因此調(diào)制頻率為本征頻率的偶數(shù)倍時，無法實現(xiàn)有效地調(diào)制解調(diào)；同理，調(diào)制頻率不為本征頻率的整數(shù)倍時，ψ(t)-ψ(t-τ)為不規(guī)則波形，很難有效解調(diào)。

假設(shè)光ct系統(tǒng)的光路總長度為180米，則本征頻率調(diào)制時，其調(diào)制頻率為280khz，經(jīng)解調(diào)及數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)延時超過100us；三倍頻時，調(diào)制頻率可提高到840khz，數(shù)據(jù)延時可小于50us；五倍頻時，調(diào)制頻率為1400khz，數(shù)據(jù)延時可小于15us。因此通過奇次倍頻調(diào)制，可在不改變光ct光路長度的前提下，靈活設(shè)置系統(tǒng)調(diào)制頻率，提高光ct最高采樣率，較小光ct數(shù)據(jù)延時，滿足不同應(yīng)用場景的高速采樣要求。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。