本發(fā)明涉及電氣工程領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償裝置及方法。

背景技術(shù)：

電流互感器是電力系統(tǒng)中一種不可或缺的電力設(shè)備，用于對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，后端合并單元控制臺(tái)根據(jù)測(cè)量的結(jié)果對(duì)電力進(jìn)行有效的分配，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。電磁式電流互感器是目前廣泛應(yīng)用的一種傳統(tǒng)電流互感器，但由于其具有磁滯效應(yīng)與磁飽和問題使得測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較小。并且電磁式電流互感器有油易燃易爆，絕緣困難使得存在很大的安全隱患。因此電磁式電流互感器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。

全光纖電流互感器(FOCT:Fiber Optical Current Transducer)采用磁光晶體的法拉弟效應(yīng)，通過非導(dǎo)體傳感的一種測(cè)量方法。全光纖電流互感器具有體積小、重量輕、安全性高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，從上世紀(jì)六十年代發(fā)展至今已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。全光纖電流互感器能有效地對(duì)電網(wǎng)中高壓大電流電能輸送進(jìn)行檢測(cè)，提高檢測(cè)抗干擾能力與測(cè)量精度。但是，這些都是假設(shè)光纖系統(tǒng)以及空間信號(hào)和傳播環(huán)境特性在理想情況下得到的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，全光纖電流互感器仍然面臨一些工藝方面的問題，如四分之一波片制作誤差和傳感光纖雙折射都對(duì)測(cè)量精度的確定影響，外界環(huán)境的溫度變化和振動(dòng)擾動(dòng)對(duì)測(cè)量精度會(huì)造成誤差。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，法拉第效應(yīng)引起的相移十分微弱，相位調(diào)制系統(tǒng)常會(huì)存在一些誤差，比如在光源耦合過程中，由于手工操作或者儀器精度不夠等因素使得光源耦合位置存在誤差，以及光纖在使用過程中的受損程度等都會(huì)引起系統(tǒng)失配誤差，使得在理想條件下理論分析得到的測(cè)量性能不再有效，全光纖電流互感器對(duì)這些失配誤差極為敏感。因此對(duì)于一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償裝置的研究，有助于提高全光纖電流互感器測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償裝置及方法。通過通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償裝置，由光強(qiáng)檢測(cè)單元、信號(hào)放大單元以及信號(hào)處理(DSP)單元組成，信號(hào)處理(DSP)單元還包括電源、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)單元及數(shù)字顯示單元；光強(qiáng)檢測(cè)單元中的光敏傳感器測(cè)得全光纖電流互感器中的相位調(diào)制器的檢測(cè)光源的光強(qiáng)，通過信號(hào)放大單元的信號(hào)放大三極管將所測(cè)得信號(hào)放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳入信號(hào)處理(DSP)單元進(jìn)行處理，并將處理后數(shù)據(jù)返回存儲(chǔ)單元中，數(shù)字顯示單元讀取存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)并在其數(shù)字屏上顯示。

一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方法，步驟如下：

A、光強(qiáng)檢測(cè)單元中的光敏傳感器測(cè)得全光纖電流互感器中的相位調(diào)制器的檢測(cè)光源的光強(qiáng)，通過信號(hào)放大單元的信號(hào)放大三極管將所測(cè)得信號(hào)放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳入信號(hào)處理(DSP)單元進(jìn)行處理；

B、信號(hào)處理(DSP)單元進(jìn)行(DSP)校正，調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償；最終通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位，通過補(bǔ)償能減小因?qū)嶋H制作中光纖非匹配性、非對(duì)稱性帶來的耦合器相位的微小偏移誤差，從而提高全光纖電流互感器性能，滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)的使用要求。

具體的，步驟B中的補(bǔ)償算法主要步驟為：

(1)、將感興趣區(qū)域離散化，并初始化問題參數(shù)K_m、ε，給定最大迭代次數(shù)T，得到初始加權(quán)向量w₀，然后得到一個(gè)初始電磁波幅值E₀(θ_m)，并令迭代數(shù)i＝0；

(2)、調(diào)整加權(quán)函數(shù)F_i+1(θ_m)，再得到新的協(xié)方差矩陣R_i+1和互相關(guān)向量g_i+1；

(3)、計(jì)算新的加權(quán)向量，得到一個(gè)新的電磁波幅度值E_i+1(θ_m)；將算法迭代次數(shù)遞增，即i＝i+1；

(4)、計(jì)算誤差表達(dá)式e_m＝|E_i+1(θ_m)-E_d(θ_m)|,m＝1,2,…,M；如果e_m≤ε，或者迭代次數(shù)超出最大的迭代數(shù)T_max，停止迭代；否則，轉(zhuǎn)到步驟(2)。

本發(fā)明通過加權(quán)最小均方誤差準(zhǔn)則調(diào)制全光纖電流互感器中光源相位擾動(dòng)，該裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相位調(diào)制系統(tǒng)中存在誤差，通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位求解全光纖電流互感器中相位調(diào)制器的調(diào)制角度，從而減小因?qū)嶋H制作中光纖非匹配性、非對(duì)稱性帶來的耦合器相位的微小偏移誤差，提高全光纖電流互感器性能?？梢詼p小光在光纖中傳播時(shí)，由于各種原因?qū)⒁鸸獾钠駪B(tài)不穩(wěn)定性，使得全光纖電流互感器在實(shí)際應(yīng)用中性能提高，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是光強(qiáng)檢測(cè)單元與信號(hào)放大單元的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是信號(hào)處理(DSP)單元的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4是應(yīng)用示例優(yōu)化相位圖。

圖5是測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6是基準(zhǔn)信號(hào)與FOCT測(cè)試信號(hào)關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的補(bǔ)償裝置是通過在相位調(diào)制器中增加光強(qiáng)檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過保偏延時(shí)光圈的線偏正光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。全光纖電流互感器的工作結(jié)構(gòu)如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)1:1普通耦合器11分光后被光纖偏振器13起偏為線偏振光，光纖偏振器的尾纖與相位調(diào)制器12的尾纖以45°熔接。線偏光以45°注入保偏光纖被平分為兩份，分別沿x軸和y軸向前傳播。當(dāng)這兩束正交模式的光經(jīng)過λ/4波片14后，分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進(jìn)入傳感光纖。由于受到導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，左右旋圓偏振光以不同的速度傳播，從而引起光波相位變化。光在由傳感光纖端面的反射鏡15反射后，這兩束圓偏振光的偏振模式互換，即左旋光變?yōu)橛倚猓倚庾優(yōu)樽笮?，再次通過傳感光纖而再次受到磁場(chǎng)作用，使受到的作用效果加倍。這兩束返回的光再次通過λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光，并且原來沿保偏光纖軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wy軸傳播，原來沿保偏光纖y軸傳播的光變?yōu)檠乇Ｆ饫wx軸傳播。分別沿保偏光纖x軸、y軸傳播的光在光纖偏振器處發(fā)生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進(jìn)探測(cè)器。

請(qǐng)一并結(jié)合圖2和3，本發(fā)明的全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償裝置，由光強(qiáng)檢測(cè)單元1、信號(hào)放大單元2以及信號(hào)處理(DSP)單元3組成，信號(hào)處理(DSP)單元3還包括電源9、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元6、存儲(chǔ)單元8及數(shù)字顯示單元7；光強(qiáng)檢測(cè)單元1中的光敏傳感器4測(cè)得全光纖電流互感器中的相位調(diào)制器12的檢測(cè)光源10的光強(qiáng)，通過信號(hào)放大單元2的信號(hào)放大三極管5將所測(cè)得信號(hào)放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元6轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳入信號(hào)處理(DSP)單元3進(jìn)行處理，并將處理后數(shù)據(jù)返回存儲(chǔ)單元8中，存儲(chǔ)單元8存儲(chǔ)了由外部測(cè)量單元所測(cè)信號(hào)以及經(jīng)過信號(hào)處理單元(DSP)所處理的數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示單元7能夠直接從存儲(chǔ)單元8中讀取數(shù)據(jù)并在顯示屏上顯示。

一種全光纖電流互感器調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方法，通過通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位。具體為：首先，光強(qiáng)檢測(cè)單元1中的光敏傳感器4測(cè)得全光纖電流互感器中的相位調(diào)制器12的檢測(cè)光源10的光強(qiáng)，通過信號(hào)放大單元2的信號(hào)放大三極管5將所測(cè)得信號(hào)放大，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元6轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳入信號(hào)處理(DSP)單元3進(jìn)行處理。然后，信號(hào)處理(DSP)單元3進(jìn)行DSP校正，調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償；最終通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位，通過補(bǔ)償能減小因?qū)嶋H制作中光纖非匹配性、非對(duì)稱性帶來的耦合器相位的微小偏移誤差，從而提高全光纖電流互感器性能，滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)的使用要求。

請(qǐng)一并參照?qǐng)D1，針對(duì)全光纖電流互感器，在其工作過程中，由于加在光學(xué)介質(zhì)上的外部磁場(chǎng)會(huì)使通過光學(xué)介質(zhì)的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。偏振狀態(tài)可以用沿z軸傳播的偏振橢圓表示為：

其中(ε,τ)分別表示橢圓極化角和極化方向角。E_x,E_y為x軸方向和y軸方向平面波。||E||e^jψ表示信號(hào)包絡(luò)。x軸方向和y軸方向平面波比值為：

其中δ表示x軸方向和y軸方向極化方向角之差。表示偏振光振幅比。一般情況下偏振光光強(qiáng)為：

通過理想化偏振態(tài)的正交矩陣我們可以研究光纖電流互感器光路器件。

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于很多因素以及外部環(huán)境極為惡劣等因素使得全光纖電流互感器光路器件中各參數(shù)隨著時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，也造成系統(tǒng)存在不匹配誤差，使得實(shí)際的全光纖電流互感器光路器件中偏振態(tài)的矩陣向量不再等于理想的響應(yīng)向量。

假設(shè)頻率為f_c的光源信號(hào)以方位角θ入射到光纖，則理想情況下的響應(yīng)向量可以表示為：

式中[·]^T表示轉(zhuǎn)置矩陣。E_ox(θ),E_oy(θ)分別為方位角θ的電磁波在x方向，y方向電磁矢量，且有：

式中a_ox(θ),β_ox(θ)和a_oy(θ),β_oy(θ)分別為電磁波在x軸與y軸的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。在全光纖電流互感器制作過程中由于人為引起或儀器精度等原因，使得耦合光源位置在校正之后，相對(duì)于標(biāo)定位置會(huì)存在偏差，從而使得全光纖電流互感器對(duì)耦合光源信號(hào)有不同的相移。因此，當(dāng)光源通過光纖時(shí)延圈位置存在偏差時(shí)，等效為在系統(tǒng)響應(yīng)向量中引入了一個(gè)依賴信號(hào)入射方向的相移誤差。存在誤差時(shí)，電磁波響應(yīng)向量可以寫為：

式中為存在相位誤差的電磁波，Δa_ox(θ),Δa_oy(θ)和Δβ_ox(θ),Δβ_oy(θ)分別為電磁波幅度和相位響應(yīng)的誤差部分。因此，在實(shí)際中如不進(jìn)行相位調(diào)整而根據(jù)理想偏振太矩陣計(jì)算得到的光源耦合向量，勢(shì)必會(huì)使全光纖電流互感器性能大大降低。

考慮全光纖電流互感器中存在相位誤差的電磁波在給定的角度區(qū)域上得到幅度響應(yīng)|E(θ)|優(yōu)化近似于期望幅度響應(yīng)E_d(θ)。由于有：

E_d(θ)＝w^H[E_ox(θ),E_oy(θ)]^T (7)

式中w為修正加權(quán)系數(shù)向量，且w＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，M為θ離散維度?；谧钚【秸`差準(zhǔn)則，當(dāng)光纖中電磁波經(jīng)過保偏光纖時(shí)延圈后存在誤差時(shí)，相位調(diào)整問題可以表示為：

minJ＝min||F(θ)(|E(θ)|-E_d(θ))||² (8)

其中F(θ)為相位修正矩陣。將信號(hào)角度區(qū)域Θ劃分為N個(gè)離散角度點(diǎn)，得到相位優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為：

優(yōu)化問題目標(biāo)代價(jià)函數(shù)為一個(gè)線性函數(shù)，可以通過加權(quán)協(xié)方差矩陣R與加權(quán)互相關(guān)向量g展開為：

得到優(yōu)化加權(quán)向量為

w＝R^-1g (11)

加權(quán)函數(shù)可以通過如下的方式進(jìn)行調(diào)整：

式中ε為設(shè)計(jì)光源相位與實(shí)際光源相位之間的允許誤差值，K_m是迭代增益。

綜上所述，全光纖電流互感器調(diào)制相位補(bǔ)償算法步驟具體為：

(1)、將感興趣區(qū)域離散化，并初始化問題參數(shù)K_m、ε，給定最大迭代次數(shù)T，根據(jù)式(11)得到初始加權(quán)向量w₀，由式(7)得到一個(gè)初始電磁波幅值E₀(θ_m)，并令迭代數(shù)i＝0。

(2)、根據(jù)式(12)調(diào)整加權(quán)函數(shù)F_i+1(θ_m)，再通過式(10)得到新的協(xié)方差矩陣R_i+1和互相關(guān)向量g_i+1。

(3)、通過式(9)計(jì)算新的加權(quán)向量，由(7)得到一個(gè)新的電磁波幅度值E_i+1(θ_m)。將算法迭代次數(shù)遞增，即i＝i+1。

(4)、計(jì)算誤差表達(dá)式e_m＝|E_i+1(θ_m)-E_d(θ_m)|,m＝1,2,…,M。如果e_m≤ε，或者迭代次數(shù)超出最大的迭代數(shù)T_max，停止迭代；否則，轉(zhuǎn)到步驟(2)。

電流互感器肩負(fù)著提供電能計(jì)量參數(shù)和提供繼電保護(hù)以及測(cè)量控制的動(dòng)作依據(jù)等重要使命，而傳統(tǒng)電磁互感器的技術(shù)局限性越來越明顯，弊端也越來越突出，因此光纖電流互感器成為主要的研究和發(fā)展方向。由于當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，由于各種原因?qū)⒁鸸獾钠駪B(tài)不穩(wěn)定存在，使得全光纖電流互感器在實(shí)際應(yīng)用中性能降低，本發(fā)明的補(bǔ)償方法在分析全光纖電流互感器誤差模型基礎(chǔ)上，基于加權(quán)最小均方誤差準(zhǔn)則提出了調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方案。通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位，通過補(bǔ)償能減小因?qū)嶋H制作中光纖非匹配性、非對(duì)稱性帶來的耦合器相位的微小偏移誤差，從而提高全光纖電流互感器性能，滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)的使用要求。

具體應(yīng)用示例及系統(tǒng)構(gòu)建

普通的單模光纖由于受工藝和環(huán)境的影響，會(huì)存在一定的線雙折射，而且是隨機(jī)分布和隨機(jī)變化的?？紤]一個(gè)光信號(hào)進(jìn)入單模光纖光纖折射率n₁＝1.466，包層折射率n₂＝1.458。其光信號(hào)相對(duì)于采樣頻率f_s的頻率帶寬為Ω＝[0.240.36]，且歸一化采樣頻率f_s＝1。將光信號(hào)頻率帶寬Ω離散化成K＝9個(gè)子頻率窄帶，期望光信號(hào)入射方向θ為橢圓軸向方向夾角，設(shè)入射方向?yàn)棣龋?°，在角度區(qū)域Θ＝[-90°90°]上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將角度區(qū)域Θ以角度間隔3°進(jìn)行離散化，得到N＝61個(gè)離散角度。根據(jù)給出的調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方法，在整個(gè)離散角度點(diǎn)上對(duì)加權(quán)函數(shù)進(jìn)行迭代，設(shè)定初始加權(quán)函數(shù)為F(θ_m)＝1(m＝1,2,…,M)。要求經(jīng)過相位調(diào)制后光信號(hào)能量趨近于給定的期望信號(hào)能量E_d(θ)＝cos²(θ)，其他相位能量在-40dB以下。設(shè)定耦合相位[-12°12°]，選定迭代增益K_m＝1，設(shè)計(jì)能容忍的誤差最大值為ε＝0.0005，經(jīng)過120次迭代得到如圖4所示的優(yōu)化相位圖。從圖4中可以看出，各子頻率光束擬合在一起不隨頻率的變化而改變，得到整個(gè)信號(hào)帶寬范圍內(nèi)的頻率不變相關(guān)相位。

為了測(cè)試全光纖電流互感器在存在光的偏振態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，相位補(bǔ)償效果，搭建了測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中合并單元發(fā)出兩路觸發(fā)信號(hào)，一路觸發(fā)待測(cè)全光纖電流互感器輸出信號(hào)，另一路觸發(fā)基準(zhǔn)信號(hào)。兩路信號(hào)通過合并單元進(jìn)入上位機(jī)進(jìn)行誤差分析。在實(shí)驗(yàn)室室溫下，校準(zhǔn)信號(hào)和輸出信號(hào)中的交流信號(hào)由示波器測(cè)量，輸出信號(hào)中的直流信號(hào)有數(shù)字萬用表測(cè)量，讀取不同輸入電流時(shí)交流信號(hào)與直流信號(hào)的響應(yīng)值，測(cè)量結(jié)果如圖6曲線所示。

通過比較參考交流信號(hào)與直流信號(hào)的比值與輸入電流的關(guān)系值與實(shí)際全光纖電流互感器測(cè)試值，從圖6可以看出全光纖電流互感器在進(jìn)行了調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方法后在小信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的線性度得到提高。

電流互感器肩負(fù)著提供電能計(jì)量參數(shù)和提供繼電保護(hù)以及測(cè)量控制的動(dòng)作依據(jù)等重要使命，而傳統(tǒng)電磁互感器的技術(shù)局限性越來越明顯，弊端也越來越突出，因此光纖電流互感器成為主要的研究和發(fā)展方向。由于當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，由于各種原因?qū)⒁鸸獾钠駪B(tài)不穩(wěn)定存在，使得全光纖電流互感器在實(shí)際應(yīng)用中性能降低，本專利在分析全光纖電流互感器誤差模型基礎(chǔ)上，基于加權(quán)最小均方誤差準(zhǔn)則提出了調(diào)制相位擾動(dòng)補(bǔ)償方案。通過引入加權(quán)函數(shù)因子，不斷迭代加權(quán)函數(shù)得到期望調(diào)制相位，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，實(shí)施例只是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。