本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電力工業(yè)的快速持續(xù)發(fā)展，電網(wǎng)的運(yùn)行電壓等級(jí)也在不斷地提高，高電壓、大電流的電力系統(tǒng)設(shè)備的不斷投運(yùn)，對(duì)一次和二次側(cè)的絕緣要求以及信號(hào)的可靠傳遞提出了更高的要求，也對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)；電流互感器作為測(cè)量環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，廣泛應(yīng)用于特高壓、大電流系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出了一系列的嚴(yán)重問題，如絕緣困難，體積大，重量大，制造困難，易燃易爆，磁飽和以及諧振等；全光纖電流互感器作為一種新型電子式電流互感器，采用光纖作為傳感介質(zhì)，利用線偏振光通過置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的獨(dú)特性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界電流的測(cè)量，由于其在絕緣性、抗電磁干擾、可靠性方面相比于傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器有很大的優(yōu)勢(shì)，近年來受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。

電流作為電力系統(tǒng)的重要參量，在運(yùn)行監(jiān)控、繼電保護(hù)、電能計(jì)量等領(lǐng)域具有重要的作用。因此電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義；為了減小光纖電流互感器系統(tǒng)輸出非線性誤差和增大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，借鑒數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺技術(shù)，采用閉環(huán)檢測(cè)方案，此時(shí)互感器系統(tǒng)始終工作在線性度最好的零相位附近區(qū)域，因此測(cè)量靈敏度最高，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)檢測(cè)，也擴(kuò)大了系統(tǒng)的測(cè)量范圍；另一方面，為保證閉環(huán)檢測(cè)控制策略的性能，單片的運(yùn)行速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足，隨著人們對(duì)于高性能的數(shù)字處理芯片的需求，fpga的發(fā)展也得到了推進(jìn)，fpga有著強(qiáng)大的運(yùn)算性能，以及芯片內(nèi)部集成功能的完整性。

現(xiàn)在的fpga芯片性能非常強(qiáng)大，不僅具有很強(qiáng)的邏輯控制能力，而且還具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力。fpga的集成度高、體積小、引腳數(shù)目多、修改方便，且擅長(zhǎng)對(duì)并行信號(hào)進(jìn)行處理，因此將fpga應(yīng)用于信號(hào)采集與處理領(lǐng)域己成為今后的一種發(fā)展趨勢(shì)。在基于fpga的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中，fpga是整個(gè)系統(tǒng)的控制與處理核心，控制系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊完成對(duì)信號(hào)的采集與處理任務(wù)。fpga以成本低、開發(fā)周期短、功耗低、可靠性高、設(shè)計(jì)靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在通信、圖像處理、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等大量領(lǐng)域。

一般的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)反應(yīng)速度慢，控制精度有限，無法滿足實(shí)際需求，本發(fā)明節(jié)省了芯片資源的占用，因此可以很大程度提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和速度控制精度；基于ep3c120f780芯片對(duì)調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，減小了對(duì)外圍器件的依賴，降低了成本，應(yīng)用范圍廣泛，在全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)和處理中有著良好的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，解決當(dāng)前全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)中控制技術(shù)落后，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢、效率低的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，包括激光二極管驅(qū)動(dòng)器、帶尾纖激光二極管，光纖耦合器，起偏器，相位調(diào)制器，傳感光纖及線圈，光電探測(cè)器，搭載ep3c120f780芯片的控制板，上位機(jī)；激光二極管發(fā)出光進(jìn)入雙輸入單輸出的光纖耦合器，從耦合器出來的光經(jīng)起偏器變成線偏振光，線偏振光再進(jìn)入相位調(diào)制器，相位調(diào)制器兩端加上由fpga產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，相位調(diào)制器輸出的光進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖用于感應(yīng)被測(cè)線圈的電流，并生成攜帶被測(cè)電流信息的光強(qiáng)信號(hào)，然后光通過反射鏡原路返回從耦合器輸出送入光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)送入fpga中進(jìn)行采樣，測(cè)量數(shù)據(jù)均通過控制板上的通訊模塊上傳到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

所述fpga控制芯片采用altera公司生產(chǎn)的ep3c120f780作為控制核心，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的a/d轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相位調(diào)制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述激光二極管驅(qū)動(dòng)器以恒定電流或恒定功率模式工作，通過電阻式觸摸屏gui進(jìn)行本地控制或通過usb遠(yuǎn)程控制。

所述光纖耦合器采用特殊保偏光纖和強(qiáng)熔拉錐工藝制備的保偏耦合器，將光源功率有效地耦合進(jìn)光纖。

所述起偏器采用手動(dòng)調(diào)節(jié)光纖型起偏器，偏振準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)360°任意旋轉(zhuǎn)，用于產(chǎn)生和檢測(cè)線偏振光。

所述相位調(diào)制器采用鈮酸鋰電光相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)相位的檢測(cè)，其在檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生與法拉第旋光角大小相等、方向相反的反饋相移，檢測(cè)電路通過檢測(cè)反饋信號(hào)的大小即能確定相位，從而得到被測(cè)電流的大小。

所述全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用fpga作為主cpu，包括8mbsram、64mbflash存儲(chǔ)器、12位或16位adc模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、100m以太網(wǎng)接口芯片、4*4鍵盤和lcd顯示器。

所述全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，將a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)上的8mbsram中，通過100m以太網(wǎng)接口芯片通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新與益處在于，一般的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)反應(yīng)速度慢，控制精度有限，本發(fā)明節(jié)省了芯片占用資源，可很大程度提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率與速度控制精度；本發(fā)明的算法在ep3c120f780芯片內(nèi)完成，程序兼容性好，外圍器件少，成本低，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和控制精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明所述一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為本發(fā)明所述一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括激光二極管驅(qū)動(dòng)器、帶尾纖激光二極管，光纖耦合器，起偏器，相位調(diào)制器，傳感光纖及線圈，光電探測(cè)器，搭載ep3c120f780芯片的控制板，上位機(jī)；激光二極管發(fā)出光進(jìn)入雙輸入單輸出的光纖耦合器，從耦合器出來的光經(jīng)起偏器變成線偏振光，線偏振光再進(jìn)入相位調(diào)制器，相位調(diào)制器兩端加上由fpga產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，相位調(diào)制器輸出的光進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖用于感應(yīng)被測(cè)線圈的電流，并生成攜帶被測(cè)電流信息的光強(qiáng)信號(hào)，然后光通過反射鏡原路返回從耦合器輸出送入光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)送入fpga中進(jìn)行采樣，測(cè)量數(shù)據(jù)均通過控制板上的通訊模塊上傳到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

所述fpga控制芯片采用altera公司生產(chǎn)的ep3c120f780作為控制核心，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的a/d轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相位調(diào)制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述激光二極管驅(qū)動(dòng)器以恒定電流或恒定功率模式工作，通過電阻式觸摸屏gui進(jìn)行本地控制或通過usb遠(yuǎn)程控制。

所述光纖耦合器采用特殊保偏光纖和強(qiáng)熔拉錐工藝制備的保偏耦合器，將光源功率有效地耦合進(jìn)光纖。

所述起偏器采用手動(dòng)調(diào)節(jié)光纖型起偏器，偏振準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)360°任意旋轉(zhuǎn)，用于產(chǎn)生和檢測(cè)線偏振光。

所述相位調(diào)制器采用鈮酸鋰電光相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)相位的檢測(cè)，其在檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生與法拉第旋光角大小相等、方向相反的反饋相移，檢測(cè)電路通過檢測(cè)反饋信號(hào)的大小即能確定相位，從而得到被測(cè)電流的大小。

所述全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用fpga作為主cpu，包括8mbsram、64mbflash存儲(chǔ)器、12位或16位adc模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、100m以太網(wǎng)接口芯片、4*4鍵盤和lcd顯示器。

所述全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，將a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)上的8mbsram中，通過100m以太網(wǎng)接口芯片通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

圖2所示為本發(fā)明所述一種基于fpga的全光纖電流互感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖。首先進(jìn)行初始化，將所有模塊恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，其次對(duì)fpga芯片是否能夠接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，直到連接無誤可以接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入ad子程序，在ad子程序中進(jìn)行adc模塊的初始化并采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)存入到指定地址，等待串口程序?qū)ζ渥x取并發(fā)送給上位機(jī)。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。