CN103163351B - 一种三相共用光源的光学电压传感器 - Google Patents

一种三相共用光源的光学电压传感器 Download PDF

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Abstract

一种三相共用光源的光学电压传感器，光源发出的光经光分路器分成三束，经对应的三个光纤准直器扩束后输入三个对应的起偏器，三个起偏器输出的线偏振光经三个对应的1/4波片转换成圆偏振光，三束圆偏振光输入三块对应的电光晶体，出射后经三个对应的偏振分束器分成正交的线偏振光，六束光分别经六个对应的光纤准直器耦合进光纤，六个光电探测器及放大电路分别将对应的六束光的光强转换成电压信号，信号采集与处理电路将电压信号转换成数字信号并进行运算处理，输出三相待测电压的值。本发明能够减小光源中心波长和功率变化造成的三相电压测量一致性恶化，同时易于实现三相光学电压传感器的集成，特别适合电网对三相电压同时测量的要求。

Description

一种三相共用光源的光学电压传感器
技术领域
本发明涉及一种光学电压传感器，特别是基于Pockels电光效应的三相共用光源的光学电压传感器。
背景技术
电压传感器是电力***自动化最基本的测量设备，为电力***提供用于计量、控制和继电保护的必要信息，在电力***中具有广泛的应用。随着电力***传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式或电容分压式电压传感器因其传感机理的限制，在绝缘、带宽、动态范围、输出接口、安全性、重量、体积等方面表现出许多难以克服的局限性。
光学电压传感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力***电压测量的新型传感器。与传统的电磁式电压传感器和电容分压电压传感器相比较，光学电压传感器的突出优点是：用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高压端和低压端的彻底隔离，安全性高；高压信号通过绝缘材料光纤传输到二次设备，这使得其绝缘结构大大简化；没有铁芯，不存在磁饱和铁磁谐振现象，传感器稳定性好，***可靠性高；可同时实现电压测量和继电保护两种功能，且结构简单，测量精度高；频率响应宽，动态范围大；体积小，重量轻，便于运输和安装；无污染，无噪音，具有优越的环保性能；输出数字信号，可适应电力***数字化、智能化和网络化的需要，而且能实现在线检测和故障诊断。由于光学电压传感器具有上述众多突出的优点，因此它在电力***中有着十分广阔的应用前景。
光学电压传感器通常利用Pockels效应实现对电压的感知，如图1所示：在外界电场的作用下，电光晶体中传输的光波的偏振态发生变化，通过检测电光晶体输出的光波的偏振态的变化实现对电压的测量。
申请号为20098011855.3的光学电压传感器，公开了一种基于Pockels电光效应的光学电压传感器，采用检偏器进行信号解调，用于测量单相电压，如图2所示，需要同时采用三个独立的光学电压互感器才能实现对三相电压的同时测量；申请号200810238946.6光学电压互感器，公开了一种基于Pockels电光效应的光学电压传感器，通过干涉测量技术进行信号解调，用于测量单相电压，需要同时采用三个独立的光学电压传感器才能实现对三相电压的同时测量，而且需要采用复杂的闭环控制调制解调技术。
为了保障输电安全、提高输电效率和实现输电功率计量，输变电电网通常要求同时监测三相电压的值。通过同时监测三相电压的值，及时发现故障造成的电压变化并进行维护，及时发现三相电压的不平衡并进行调节；结合三相电流测量，实现输电功率计量，实现对电网功率因子、负载品质因子的监测并通过反馈控制来提高输电效率。同时，为了节约安装空间、降低成本和便于维护，三相光学电压传感器通常集成在同一个绝缘结构内进行应用。
目前公开报道的光学电压传感器都是针对三相电压中的单相进行测量，再后继进行信号处理，这种方案需要采用三个独立的光源，存在三个光学电压传感器之间的一致性较差的缺点，同时不利于实现三个光学电压传感器的集成。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种三相共用光源的光学电压传感器，能够减小光源中心波长和功率变化造成的测量一致性恶化，同时易于实现测量三相电压的光学电压传感器的集成。
本发明的技术解决方案是：一种三相共用光源的光学电压传感器，包括光源、光源驱动及温控电路、光分路器、光纤准直器、起偏器、1/4波片、电光晶体、偏振分束器、光电探测器及放大电路、信号采集与处理电路；光源之后采用了一个光分路器；从一个光源发出的光经过光分路器后分成功率比接近于1∶1∶1的三束，三束输出光分别经对应的三个光纤准直器扩束后输入三个对应的起偏器，三个起偏器输出的线偏振光经三个对应的1/4波片转换成圆偏振光；三束圆偏振光输入三块对应的电光晶体，三相待测电压分别作用在三块电光晶体上，由于Pockles电光效应圆偏振光通过电光晶体时偏振态发生变化；三块电光晶体的输出光经三个对应的偏振分束器分成正交的线偏振光，将光波的偏振态变化转换成正交的线偏振光的光强变化；六束线偏振光分别经六个对应的光纤准直器耦合进光纤，六个光电探测器及放大电路分别将对应的六束光的光强转换成电压信号；信号采集与处理电路将六路电压信号转换成数字信号，对采集的六路电压信号进行零位校正，每路电压信号分别减去无光输入时的对应的电压值；每相光学电压传感器对应的两个零位校正后的电压值进行除法运算，获得三个电压比值；对三个电压比值进行零待测电压校正，相对零待测电压时的对应的电压比值进行归一化，输出三个归一化的电压比值；根据三个归一化的电压比值计算出三相待测电压的值。
所述信号采集与处理电路对采集的六路电压信号进行零位校正，每路电压信号分别减去无光输入时的对应的电压值；每相光学电压传感器对应的两个零位校正后的电压值进行除法运算，获得三个电压比值；对三个电压比值进行零待测电压校正，相对零待测电压时的对应的电压比值进行归一化，输出三个归一化的电压比值；根据三个归一化的电压比值计算出三相待测电压的值。
所述的光源采用超辐射发光二极管SLD、边发光二极管ELED或宽带掺铒光纤光源SFS。
所述光分路器是一个3×3光纤耦合器或由两个2×2光纤耦合器或1×2光纤耦合器构成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的三相共用光源的光学电压传感器，三相光学电压传感器的灵敏度及其非线性受到光源的影响相同，有利于统一建模与补偿，从而提高三相光学电压传感器的测量一致性。
(2)与采用三个独立的光学电压传感器相比，本发明的三相共用光源的光学电压传感器更便于集成，从而更加适合电网对三相电压同时测量和三相光学电压传感器集成安装使用的要求。
(3)本发明的信号采集与处理电路通过对采集的光电探测电压信号进行零位校正，对电压比值进行零待测电压校正，补偿了三相光学电压传感器的参数不一致，从而提高三相光学电压传感器的测量一致性。
附图说明
图1为基于Pockels电光效应的光学电压传感器的原理图；
图2为现有技术的单相光学电压传感器的结构图；
图3为本发明的三相共用光源的光学电压传感器的结构图；
图4为本发明的信号采集与处理电路的原理图；
附图标记说明：
1...光源，
2...光源驱动及温控，
3...光分路器，
4a、4b...传输光缆，
5...A相光学电压传感器，
6...B相光学电压传感器，
7...C相光学电压传感器，
51a、51b、51c、61a、61b、61c、71a、71b、71c...光纤准直器，
52、62、72...起偏器，
53、63、73...1/4波片，
54、64、74...电光晶体，
55、65、75...偏振分束器，
8a、8b、8c、8d、8e、8f...光电探测器及放大电路，
9...信号采集与处理电路。
具体实施方式
如图3所示，本发明公开的三相共用光源的光学电压传感器由电压感知光路、光源及信号探测处理电路组成；电压感知光路置于待测电压环境，将待测电压信号转换成光信号；光源及信号探测处理电路置于控制室内，用于光源发射、光电信号检测和电压解算输出；电压感知光路和光源及信号探测处理电路之间通过传输光缆连接，具有优良的绝缘性能。电压感知光路包括光纤准直器、起偏器、1/4波片、电光晶体和偏振分束器；光源及信号探测处理电路包括光源、光源驱动与温控、光电探测器及放大电路、信号采集与处理电路。
光源驱动及温控电路2控制光源1输出稳定的光，光源1发出的光经过光分路器3分成功率比接近于1∶1∶1的三束，三束输出光分别经传输光缆4a输入光纤准直器51a、光纤准直器61a和光纤准直器71a。光纤准直器51a输出的扩束后的光束输入起偏器52，起偏器52输出的线偏振光经1/4波片53转换成圆偏振光，然后输入电光晶体54；待测电压VA作用在电光晶体54上，由于Pockles电光效应圆偏振光通过电光晶体54时偏振态发生变化，偏振分束器55将电光晶体54的输出光分成正交的两束线偏振光，将光波的偏振态变化转换成正交的两束线偏振光的光强变化；偏振分束器54输出的两束光分别经光纤准直器51b、光纤准直器51c耦合进光纤，分别经传输光缆4b输入光电探测器及放大电路8a、光电探测器及放大电路8b，输出与两束光的光强对应的两路电压信号；信号采集与处理电路9将两路电压信号转换成数字信号并进行相应的信号处理，输出待测电压VA的值。光纤准直器61a输出的扩束后的光束输入起偏器62，起偏器62输出的线偏振光经1/4波片63转换成圆偏振光，然后输入电光晶体64；待测电压VB作用在电光晶体64上，由于Pockles电光效应圆偏振光通过电光晶体64时偏振态发生变化，偏振分束器65将电光晶体64的输出光分成正交的两束线偏振光，将光波的偏振态变化转换成正交的两束线偏振光的光强变化；偏振分束器64输出的两束光分别经光纤准直器61b、光纤准直器61c耦合进光纤，分别经传输光缆4b输入光电探测器及放大电路8b、光电探测器及放大电路8c，输出与两束光的光强对应的两路电压信号；信号采集与处理电路9将两路电压信号转换成数字信号并进行相应的信号处理，输出待测电压VB的值。光纤准直器71a输出的扩束后的光束输入起偏器72，起偏器72输出的线偏振光经1/4波片73转换成圆偏振光，然后输入电光晶体74；待测电压VC作用在电光晶体74上，由于Pockles效应圆偏振光通过电光晶体74时偏振态发生变化，偏振分束器75将电光晶体74的输出光分成正交的两束线偏振光，将光波的偏振态变化转换成正交的两束线偏振光的光强变化；偏振分束器75输出的两束光分别经光纤准直器71b、光纤准直器71c耦合进光纤，分别经传输光缆4b输入光电探测器及放大电路8e、光电探测器及放大电路8f，输出与两束光的光强对应的两路电压信号；信号采集与处理电路9将两路电压信号转换成数字信号并进行相应的信号处理，输出待测电压VC的值，从而实现对三相待测电压的同时测量。
如图4所示，信号采集与处理电路9首先将光电探测器及放大电路8a输出的电压V8a、光电探测器及放大电路8b输出的电压V8b、光电探测器及放大电路8c输出的电压V8c、光电探测器及放大电路8d输出的电压V8d、光电探测器及放大电路8e输出的电压V8e、光电探测器及放大电路8f输出的电压V8f转换成数字量；对采集的六路电压信号进行零位校正，V8a减去无光输入时的电压值V8a0、V8b减去无光输入时的电压值V8b0、V8c减去无光输入时的电压值V8c0、V8d减去无光输入时的电压值V8d0、V8e减去无光输入时的电压值V8e0、V8f减去无光输入时的电压值V8f0；对零位校正后的电压进行除法运算，获得三个电压比值 K A = V 8 a - V 8 a 0 V 8 b - V 8 b 0 , K B = V 8 c - V 8 c 0 V 8 d - V 8 d 0 , K C = V 8 e - V 8 e 0 V 8 f - V 8 f 0 ; 对三个电压比值进行零待测电压校正，相对零待测电压时的电压比值KA0、KB0、KC0进行归一化，输出三个归一化的电压比值 和待测电压VA之间的对应关系为其中αA、KA、为标定的A相光学电压传感器的参数，从而解算出待测电压VA；和待测电压VB之间的对应关系为其中αB、KB、为标定的B相光学电压传感器的参数，从而解算出待测电压VB；和待测电压VC之间的对应关系为其中αC、KC、为标定的C相光学电压传感器的参数，从而解算出待测电压VC。
本发明能够减小光源中心波长和功率变化造成的三相电压测量一致性恶化，同时易于实现三相光学电压传感器的集成，特别适合电网对三相电压同时测量的要求。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种三相共用光源的光学电压传感器，包括光源、光源驱动及温控电路、光分路器、光纤准直器、起偏器、1/4波片、电光晶体、偏振分束器、光电探测器及放大电路、信号采集与处理电路，其特征在于：所述三相共用光源的光学电压传感器共用一个光源及其驱动与温控电路，光源之后采用了一个光分路器；从一个光源发出的光经过一个光分路器分成三束，经对应的三个光纤准直器扩束后输入三个对应的起偏器，三个起偏器输出的线偏振光经三个对应的1/4波片转换成圆偏振光，三束圆偏振光输入三块对应的电光晶体，三块电光晶体的输出光经三个对应的偏振分束器分成正交的线偏振光，六束线偏振光分别经六个对应的光纤准直器耦合进光纤，六个光电探测器及放大电路分别将对应的六束线偏振光的光强转换成电压信号，信号采集与处理电路将六路电压信号转换成数字信号并进行相应的信号处理，输出三相待测电压的值；
所述信号采集与处理电路对采集的六路电压信号进行零位校正，每路电压信号分别减去无光输入时的对应的电压值；每相光学电压传感器对应的两个零位校正后的电压值进行除法运算，获得三个电压比值；对三个电压比值进行零待测电压校正，相对零待测电压时的对应的电压比值进行归一化，输出三个归一化的电压比值；根据三个归一化的电压比值计算出三相待测电压的值。
2.根据要求权利1所述的一种三相共用光源的光学电压传感器，其特征在于：所述的光源采用超辐射发光二极管SLD、边发光二极管ELED或宽带掺铒光纤光源SFS。
3.根据要求权利1所述的一种三相共用光源的光学电压传感器，其特征在于：所述光分路器是一个3×3光纤耦合器，或由两个2×2光纤耦合器和一个1×2光纤耦合器构成。
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