CN106443551A - 一种全光纤电流互感器监测*** - Google Patents

一种全光纤电流互感器监测*** Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤技术领域，公开了一种全光纤电流互感器监测***，包括全光纤电流互感器测试主机、传感光纤环及上位机，其中：测试主机包括光路***和电路***，光路***包括光源、光源探测器、耦合器以及起偏器；电路***包括相位调制器和信号处理***；信号处理***还与所述上位机相连，将从所述光源探测器获得的监测信号输出到所述上位机，所述监测信号包括如下一种或多种：解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号。本发明在不使用合并单元及校验仪的情况下，可以对全光纤电流互感器的开环及闭环***进行原理验证，简化了测试***构成，降低了测试成本。同时上位机通过数字量对***光路及电路的运行状态进行实时监控。

Description

一种全光纤电流互感器监测***
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种全光纤电流互感器监测***。
背景技术
随着智能电网的发展，电子式电流互感器正逐步走向成熟。与传统电流互感器相比，基于法拉第磁光效应和安培环路定理的全光纤电流互感器具有以下优点：不含油；尺寸小；绝缘结构简单；无磁饱和现象；测量带宽和精度高；防电磁干扰；高压侧本征安全，安装方式灵活。因此全光纤电流互感器被认为是电力***理想的电流测量装置。
但是由于全光纤电流互感器内部使用的光电器件以及特种光纤材料，与当前普遍使用的传统电流互感器存在相当大的差异，导致传统电流互感器的检测手段不能充分反映全光纤电流互感器的寿命预期和工况性能。
完整的全光纤电流互感器测试***应包含高低温循环箱、合并单元、标准电流互感器及校验仪，组成这套测试***所需的设备昂贵，需要较大占用面积，设备的功耗较大，安装及操作复杂。在测试***搭建初期，目前还没有一种便捷直观的方式对全光纤电流互感器的开环及闭环***进行原理验证，同时设备运行时也没有直观的方式来监测***光路及电路的运行状态，这些不便阻碍了全光纤电流互感器的进一步的发展。
发明内容
为了解决上述技术，本发明提供了一种全光纤电流互感器监测***，在上位机上实时显示需要关注的监测信号，从而能够更便捷的实现对全光纤电流互感器进行原理验证及***运行状态的监测。
为了实现上述目的，本发明提供了一种全光纤电流互感器监测***，包括全光纤电流互感器测试主机、传感光纤环及上位机，其中：
所述全光纤电流互感器测试主机包括光路***和电路***，其中所述光路***包括光源、光源探测器、耦合器以及起偏器，所述光源、光源探测器与所述耦合器的输入端相连，所述起偏器与所述耦合器的输出端相连；所述电路***包括相位调制器和信号处理***，所述相位调制器与所述起偏器的输出端相连，所述信号处理***与所述光源探测器和所述相位调制器相连；
所述相位调制器的输出端与延迟环相连，所述延迟环与所述传感光纤环相连；
所述信号处理***还与所述上位机相连，将从所述光源探测器获得的监测信号输出到所述上位机，其中所述监测信号包括如下一种或多种：解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号。
本发明的一个实施例中，所述信号处理***包括前置放大电路、模数转换器、FPGA处理模块和***接口电路，其中所述前置放大电路用于对光源探测器输出的原始模拟信号进行放大；所述模数转换器用于将放大后的模拟信号转换成数字信号；所述FPGA处理模块用于对所述数字信号进行处理，得到所需要的监测信号；所述***接口电路用于将所述监测信号输出到上位机或其他监测设备。
本发明的一个实施例中，所述FPGA处理模块包括滤波模块、解调模块、FT3协议模块以及方波调制模块，其中：
从所述光源探测器输出的原始模块信号通过前置放大器放大和模数转换器的模数转换并经过滤波模块输出至解调模块，解调模块解调出的信号一路与温度补偿信号叠加后通过FT3协议模块打包输出，另一路通过方波调制模块累加积分后生成数字方波，然后驱动相位调制器来反馈抵消Faraday效应相移；另一路通过阶梯波反馈模块生成阶梯波信号叠加在相位调制器上，对光路中的信号进行调制。
本发明的一个实施例中，所述***接口电路分为数字接口和模拟接口两部分，其中所述数字接口包括串口和光口，解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号通过所述串口输出；解调后信号叠加上温度补偿信号以FT3格式编码通过所述光口输出；干涉波形通过模拟接口输出。
本发明的一个实施例中，所述光源、起偏器与相位调制器封装在一起，形成一体化的光路盒。
本发明的一个实施例中，所述光源为可调节超辐射半导体激光器，中心波长1310nm，带宽40nm，功率可调范围0～1mw。
本发明的一个实施例中，所述传感光纤环包括λ/4波片、保圆光纤及反射镜，其中λ/4波片采用椭圆芯光纤，且波片的输入端与延迟环输出端成45°熔接，所述保圆光纤采用高折射率旋转光纤，所述反射镜的反射率大于95％。
本发明的一个实施例中，所述串口还用于接收上位机的指令，通过调整反馈阶梯波的生成与否对相位调制器进行开环和闭环的切换。
本发明的一个实施例中，所述全光纤电流互感器测试主机还包括有外延保偏延迟环测试平台，方便将不同长度延迟环接入所述全光纤电流互感器监测***。
本发明的一个实施例中，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过在全光纤电流互感器监测***中增加信号处理***，能够实时***数字量输出、温度补偿数字量、最小干涉光强和最大干涉光强输出到上位机，实现对全光纤电流互感器的原理验证及***运行状态的监测；
(2)、通过本发明提供的全光纤电流互感器监测***，不需要合并单元、标准电流互感器及校验仪就可验证全光纤电流互感器的原理并监控***的运行状态，简化了测试***的搭建及操作，节约了测试成本；
(3)本发明全光纤电流互感器监测***中，从所述光源探测器输出的原始模块信号通过前置放大器放大和模数转换器的模数转换并经过滤波模块输出至解调模块，解调模块解调出的信号一路与温度补偿信号叠加后通过FT3协议模块打包输出，另一路通过方波调制模块累加积分后生成数字方波，然后驱动相位调制器来反馈抵消Faraday效应相移；另一路通过阶梯波反馈模块生成阶梯波信号叠加在相位调制器上，从而对光路中的信号进行调制；
(4)本发明能够通过串口向所述全光纤电流互感器监测***下达指令，通过调整反馈阶梯波的生成与否对相位调制器进行开环和闭环的切换；
(5)通过在本发明测试主机中附带延迟环测试平台，能方便的将不同长度的延迟环接入***进行测试。
附图说明
图1是本发明实施例中全光纤电流互感器监测***的原理示意图；
图2是本发明实施例中全光纤电流互感器监测***的结构示意图；
图3是本发明实施例中FPGA处理模块的结构示意图；
图4是本发明实施例中延迟环测试平台的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现本发明的目的，如图1所示，本发明提供了一种全光纤电流互感器监测***，包括全光纤电流互感器测试主机、传感光纤环及上位机，其中：
所述全光纤电流互感器测试主机包括光路***和电路***，其中如图2所示，所述光路***包括光源、光源探测器、耦合器以及起偏器，所述光源、光源探测器与所述耦合器的输入端相连，所述起偏器与所述耦合器的输出端相连；所述电路***包括相位调制器和信号处理***，所述相位调制器与所述起偏器的输出端相连，所述信号处理***与所述光源探测器和所述相位调制器相连；
所述相位调制器的输出端与延迟环相连，所述延迟环与所述传感光纤环相连；
所述信号处理***还与所述上位机相连，将从所述光源探测器获得的监测信号输出到所述上位机，其中所述监测信号包括如下一种或多种：解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号。
其中，所述相位调制器可以为为铌酸锂相位调制器。
如图2所示，上述全光纤电流互感器监测***的基本原理如下：光源发出的光经过耦合器后由起偏器起偏，经调制器完成相位调制并分成两束偏振方向相互垂直的光，通过延迟光纤后进入传感光纤。在传感光纤末端两束光波经反射镜后返回，最终回到光电探测器处并发生相干叠加，经光电探测器转化为电信号。经电路***解调后的数字量输出给上位机进行实时***状态的监控。
如图3所示，所述信号处理***包括前置放大电路、模数转换器、FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)处理模块和***接口电路，其中所述前置放大电路用于对光源探测器输出的原始模拟信号进行放大；所述模数转换器用于将放大后的模拟信号转换成数字信号；所述FPGA处理模块用于对所述数字信号进行处理，得到所需要的监测信号；所述***接口电路用于将所述监测信号输出到上位机或其他监测设备。
进一步地，如图3所示，所述FPGA处理模块包括滤波模块、解调模块、FT3协议模块以及方波调制模块，其中：
从所述光源探测器输出的原始模块信号通过前置放大器放大和模数转换器的模数转换并经过滤波模块输出至解调模块，解调模块解调出的信号一路与温度补偿信号叠加后通过FT3协议模块打包输出，另一路通过方波调制模块累加积分后生成数字方波，然后驱动相位调制器来反馈抵消Faraday效应相移；另一路通过阶梯波反馈模块生成阶梯波信号叠加在相位调制器上，对光路中的信号进行±π/2的调制。
进一步地，如图3所示，所述***接口电路分为数字接口和模拟接口两部分，其中所述数字接口包括串口和光口，解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号通过所述串口输出；解调后信号叠加上温度补偿信号以FT3格式编码通过所述光口输出；干涉波形通过模拟接口输出。
利用本发明全光纤电流互感器监测***监测各信号的具体方式为：
从所述光源探测器输出的原始模块信号通过前置放大器放大后，模数转换器提取干涉信号的最大值和最小值并经过模块转换后通过串口输出；
模数转换器输出的数字量经过滤波模块和解调模块后，由阶梯波反馈模块依据一定控制算法形成反馈数字阶梯波信号，并通过数模转换器转换成模拟信号加到铌酸锂调制器上，来抵消Faraday效应相位差。同时阶梯波的台阶高度值与当前测试电流的大小成正比，因此将该值作为整个***的数字量输出给上位机。
方波调制模块用于生成数字方波叠加在铌酸锂调制器上，对光路中的信号进行±π/2的调制。
温补信号一路通过FT3协议模块叠加至原始数字量用于补偿温度对***精度带来误差，另一路通过串口输出至上位机用于实时监测高低温区域***的补偿效果。
串口将最大干涉信号，最小干涉信号，***数字量输出，温度补偿值依次传输至上位机，用于实时监控***光路及电路***的运行状态。串口还可以接收上位机的指令，通过调整反馈阶梯波的生成与否对***进行开环和闭环的切换。
进一步地，所述光源、起偏器与相位调制器可以封装在一起，形成一体化的光路盒。其中所述光源可以为可调节超辐射半导体激光器，中心波长1310nm，带宽40nm，功率可调范围0～1mw。
进一步地如图3所示，所述传感光纤环包括λ/4波片、保圆光纤及反射镜，其中λ/4波片采用椭圆芯光纤，且波片的输入端与延迟环输出端成45°熔接，所述保圆光纤采用高折射率旋转光纤，所述反射镜的反射率大于95％。
进一步地如图4所示，所述全光纤电流互感器测试主机还包括有外延保偏延迟环测试平台，方便将不同长度延迟环接入所述全光纤电流互感器监测***。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光纤电流互感器监测***，其特征在于，包括全光纤电流互感器测试主机、传感光纤环及上位机，其中：
所述全光纤电流互感器测试主机包括光路***和电路***，其中所述光路***包括光源、光源探测器、耦合器以及起偏器，所述光源、光源探测器与所述耦合器的输入端相连，所述起偏器与所述耦合器的输出端相连；所述电路***包括相位调制器和信号处理***，所述相位调制器与所述起偏器的输出端相连，所述信号处理***与所述光源探测器和所述相位调制器相连；
所述相位调制器的输出端与延迟环相连，所述延迟环与所述传感光纤环相连；
所述信号处理***还与所述上位机相连，将从所述光源探测器获得的监测信号输出到所述上位机，其中所述监测信号包括如下一种或多种：解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号。
2.如权利要求1所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述信号处理***包括前置放大电路、模数转换器、FPGA处理模块和***接口电路，其中所述前置放大电路用于对光源探测器输出的原始模拟信号进行放大；所述模数转换器用于将放大后的模拟信号转换成数字信号；所述FPGA处理模块用于对所述数字信号进行处理，得到所需要的监测信号；所述***接口电路用于将所述监测信号输出到上位机或其他监测设备。
3.如权利要求2所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述FPGA处理模块包括滤波模块、解调模块、FT3协议模块以及方波调制模块，其中：
从所述光源探测器输出的原始模块信号通过前置放大器放大和模数转换器的模数转换并经过滤波模块输出至解调模块，解调模块解调出的信号一路与温度补偿信号叠加后通过FT3协议模块打包输出，另一路通过方波调制模块累加积分后生成数字方波，然后驱动相位调制器来反馈抵消Faraday效应相移；另一路通过阶梯波反馈模块生成阶梯波信号叠加在相位调制器上，对光路中的信号进行调制。
4.如权利要求2或3所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述***接口电路分为数字接口和模拟接口两部分，其中所述数字接口包括串口和光口，解调波形、最小干涉光强、最大干涉光强以及温度补偿信号通过所述串口输出；解调后信号叠加上温度补偿信号以FT3格式编码通过所述光口输出；干涉波形通过模拟接口输出。
5.根据权利要求1或2所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述光源、起偏器与相位调制器封装在一起，形成一体化的光路盒。
6.如权利要求5所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述光源为可调节超辐射半导体激光器，中心波长1310nm，带宽40nm，功率可调范围0～1mw。
7.如权利要求1或2所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述传感光纤环包括λ/4波片、保圆光纤及反射镜，其中λ/4波片采用椭圆芯光纤，且波片的输入端与延迟环输出端成45°熔接，所述保圆光纤采用高折射率旋转光纤，所述反射镜的反射率大于95％。
8.如权利要求4所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述串口还用于接收上位机的指令，通过调整反馈阶梯波的生成与否对相位调制器进行开环和闭环的切换。
9.如权利要求1或2所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述全光纤电流互感器测试主机还包括有外延保偏延迟环测试平台，方便将不同长度延迟环接入所述全光纤电流互感器监测***。
10.如权利要求1或2所述的全光纤电流互感器监测***，其特征在于，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
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