CN111123186B - 一种光纤电流传感器宽频特性测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，包括：法拉第相移等效装置、高频\阶跃信号源和电子式互感器校验仪；法拉第相移等效装置，用于将高频\阶跃信号源产生的高频或者阶跃电压信号和光纤电流传感器的光信号转换为等效法拉第相移并发送至光纤电流传感器；高频\阶跃信号源，产生高频或者阶跃电压信号；所述电子式互感器校验仪，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取光纤电流传感器的宽频特性，解决对光纤电流传感器高频特性、阶跃响应特性及其他复杂波形的测试验证的需求问题。

Description

一种光纤电流传感器宽频特性测试装置及测试方法

技术领域

本申请涉及光电传感器领域，具体涉及一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，同时涉及一种光纤电流传感器宽频特性测试方法。

背景技术

近年来，随着绿色可再生清洁能源的大规模利用与开发，采用大功率绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、脉宽调制技术(Pulse WidthModulation,PWM)和多电平控制技术，基于自相电压源换流器(Voltage SourceConverter,VSC)的高压直流输电***(High-Voltage Direct Current,HVDC)得到了迅猛发展，在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交直流***互联、大规模风电场并网方面得到推广应用。中国目前在运和在建的柔性直流输电工程有：±160kV南澳柔直、±200kV舟山柔直、±320kV厦门柔性、±420kV渝鄂背靠背柔直和±500kV张北柔直工程等。

与基于电流源换流器(Current Source Converter,CSC)的HVDC技术相比，VSC-HVDC技术具有可独立控制无功功率和有功功率、无需滤波及无功补偿设备、可向无源负荷供电以及潮流翻转时电压极性不改变等优势，因此更适合用来构建多端直流输电***及直流电网。然而，由于柔性直流输电***直流侧发生故障时的回路阻抗非常小，容易在瞬时产生很大的故障电流。因此，为了提高柔性直流输电***的响应速度和对故障电流的抑制能力、提升电力***的安全稳定性，要求控制保护信号具有更快的采样速度和更宽的频带宽度，从而对柔性直流输电用直流电流测量装置的暂态性能提出了更高的要求。阶跃响应特性是评价直流电流测量装置暂态性能的重要技术指标之一。在GB/T 26216.1-2010中规定了用于CSC-HVDC的直流电流测量装置阶跃响应时间应小于400μs，采样率一般为10kHz；高压直流断路器控制保护***则要求直流电流测量装置阶跃响应时间小于100μs，采样率达到50kHz；张北柔性直流输电工程对换流阀桥臂直流电流测量装置的阶跃响应时间(含阶跃响应上升时间、处理和传输延时)的要求是小于60μs，数据采样率需达到100kHz。

基于磁光法拉第效应和Sagnac干涉仪原理的光纤电流传感器(Fiber-opticCurrent Transformer,FOCT)则具有暂态性能好、抗干扰能力强等天然优势，已成为柔性直流输电工程中电流测量装置的主流技术方向。用于评价光纤电流传感器宽频特性的方法主要有频率特性试验和阶跃响应特性试验，这两个试验均对试验设备提出了很高的要求，在目前的测试手段下，甚至难于满足测试要求。比如阶跃电流源产生的阶跃电流上升时间约10μs-20μs；高频电流源在保证较大输出电流的情况下，电流信号频率很难高于2kHz。这些设备指标已经无法完整验证光纤电流传感器的高频特性，因此一方面需提高试验设备的性能，同时也需研究更为简易有效的试验方法和装置。

发明内容

本申请提供一种光纤电流传感器宽频特性测试装置和方法，解决对光纤电流传感器高频特性、阶跃响应特性及其他复杂波形的测试验证的需求问题。

本申请提供一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，包括：法拉第相移等效装置、高频\阶跃信号源和电子式互感器校验仪；

法拉第相移等效装置，用于将高频\阶跃信号源产生的高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器的光信号转换为等效法拉第相移并发送至被测光纤电流传感器；

高频\阶跃信号源，分别连接法拉第相移等效装置和电子式互感器校验仪，并产生高频或者阶跃电压信号；

所述电子式互感器校验仪，分别连接高频\阶跃信号源和被测光纤电流传感器数据输出端口，接收高频\阶跃信号源的电压信号，接收被测光纤电流互感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

优选的，所述被测光纤电流传感器与法拉第相移等效装置，通过被测光纤电流传感器的保偏光纤与法拉第相移等效装置的保偏尾纤熔接相连。

优选的，所述法拉第相移等效装置，由光路和电路部分组成，所述光路部分包括：保偏光纤、相位调制器、光纤延迟环L2、1/4波片及光纤反射镜；

所述电路部分包括：AD转换器、积分运算、比例调节、DA转换器。

优选的，所述相位调制器，用于对电流施加等效相移。

本申请同时提供一种光纤电流传感器宽频特性测试方法，包括：

高频\阶跃信号源产生高频或者阶跃电压信号；

法拉第等效装置对高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器施加等效的法拉第相移；

电子式互感器校验仪接收高频\阶跃信号源的电压信号和被测光纤电流互感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

优选的，所述法拉第等效装置对高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器施加等效的法拉第相移，包括：

法拉第等效装置的调制器对高频电压信号或者阶跃电压信号施加等效的法拉第相移；

法拉第等效装置的调制器对被测光纤电流传感器施加等效相移；所述等效相移包括偏置相移和反馈相移。

优选的，所述法拉第等效装置的调制器对高频电压信号或者阶跃电压信号施等效的法拉第相移，包括：

AD转换器采集高频电压信号或者阶跃电压信号；

对所述信号进行积分运算，获取调制器每个施加周期的阶梯波；

对阶梯波进行校正后，通过DA转换器施加在调制器上，产生等效的法拉第相移。

本申请提供一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，包括：法拉第相移等效装置、高频\阶跃信号源和电子式互感器校验仪；法拉第相移等效装置，用于将高频\阶跃信号源产生的高频或者阶跃电压信号和光纤电流传感器的光信号转换为等效法拉第相移并发送至光纤电流传感器；高频\阶跃信号源，分别连接法拉第相移等效装置和电子式互感器校验仪，并产生高频或者阶跃电压信号；所述电子式互感器校验仪，分别连接高频\阶跃信号源和光纤电流传感器数据输出端口，接收高频\阶跃信号源的电压信号，接收光纤电流互感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取光纤电流传感器的宽频特性，解决对光纤电流传感器高频特性、阶跃响应特性及其他复杂波形的测试验证的需求问题。

附图说明

图1是本申请提供的一种光纤电流传感器宽频特性测试装置示意图；

图2是本申请涉及的光纤电流互感器的方案原理图；

图3是本申请涉及的法拉第相移等效装置示意图；

图4是本申请涉及的AD转换器输出信号；

图5是本申请涉及的积分运算输出信号；

图6是本申请涉及的比例调节后输出信号；

图7是本申请提供的一种光纤电流传感器宽频特性测试方法的流程示意图

图8是本申请涉及的光纤电流互感器数学模型；

图9是本申请涉及的调制器施加等效相移的方法来验证***的高频性能的原理图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，如图1所示，包括：法拉第相移等效装置、高频\阶跃信号源和电子式互感器校验仪；

法拉第相移等效装置，用于将高频\阶跃信号源产生的高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器的光信号转换为等效法拉第相移并发送至被测光纤电流传感器；

高频\阶跃信号源，分别连接法拉第相移等效装置和电子式互感器校验仪，并产生高频或者阶跃电压信号；

所述电子式互感器校验仪，分别连接高频\阶跃信号源和被测光纤电流传感器数据输出端口，接收高频\阶跃信号源的电压信号，接收被测光纤电流互感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

光纤电流互感器的方案原理图如图2所示，利用光学干涉原理检测电流，光源发出的光经过耦合器，在起偏器处转换为线偏振光，经45°保偏光纤熔点，线偏振光被均匀分配到保偏光纤的两个正交轴(即快轴、慢轴)上独立传输。相互正交的线偏振光经过λ/4波片后，分别被转换为左旋和右旋圆偏振光并进入传感光纤中传输。在被测电流产生的磁场作用下，同步传输的两束圆偏振光之间发生法拉第磁光效应，产生传输相位差。两束圆偏振光传输至传感光纤末端，被反射镜反射后沿原光路回传，因此再次受电流产生的磁场影响，产生法拉第磁光效应，相位差加倍。回传的圆偏振光二次经过λ/4波片后被恢复为线偏振光，但偏振方向发生了互换(即原先在快、慢轴中传输的线偏振光此时的传输轴发生了互换)。回传至45°熔点时，快、慢轴上的线偏振光各自形成干涉分布，其中一个工作轴上的光信号在经过起偏器的消光方向后被滤除，只保留了起偏方向的干涉光信号返回到耦合器中，最后，携带法拉第相位差信息的干涉光信号经耦合器进入光电探测器中。由于发生干涉的两束线偏振光经过的光程相同，因此该光路结构具有完全的空间互易性，故两束线偏振光之间的相位差

仅受电流影响，可用公式表示：

式(1)中，F表示传感光纤中单路圆偏振光因法拉第效应而产生的光学相位差，V表示传感光纤的维尔德常数，N表示传感光纤圈数，I为被测电流值。

返回光电探测器的干涉光强信号可以表示为：

式中，P₀为光源输出功率，α为光路损耗。

利用相位调制器在两束光信号之间施加一个高频的固有相位差

(通常为幅值±π/2、周期2τ的方波信号，其中τ为渡越时间，表示光信号在光路中第一次和第二次经过相位调制器的时间差)，当

时，由于干涉光强的偶函数特性，忽略调制相位突变时产生的尖峰脉冲，调制后的干涉光强信号应为一条直线，当

时，调制后的干涉光强变为与调制信号同频同相的方波信号。在相位调制器上附加一个反馈相位差

调节

当干涉光强的方波信号幅值为零时，满足

此时

与

与大小相等、符号相反，将

作为光学相位差的解调输出并代入式(1)即可计算出被测电流值，这就是相位调制解调和闭环反馈技术的基本原理，上述过程可表述为：

通过相位调制解调和闭环反馈技术，FOCT的原始采样率达到了100kHz以上，因而具备了快速响应的技术条件。

本申请提供的光纤电流传感器宽频特性测试装置，其被测光纤电流传感器与法拉第相移等效装置，通过被测光纤电流传感器的保偏光纤与法拉第相移等效装置的保偏尾纤熔接相连。被测光纤电流传感器，由光源采集器、光电控测器、分束器、偏振器、45°熔点、相位调制器、光纤延迟环、信号处理电路板构成。

法拉第相移等效装置，由光路和电路部分组成，如图3所示，光路部分包括：保偏光纤、相位调制器、光纤延迟环L2、1/4波片及光纤反射镜；电路部分包括：AD转换器、积分运算、比例调节、DA转换器。相位调制器，用于对电流施加等效相移。其中积分运算与比例调节为逻辑单元，可由FPGA来编程实现，同时FPGA控制AD转换器与DA转换器工作。其工作原理为，两束线偏振光沿保偏光纤的快慢轴输入装置，经相位调制器、光纤延迟环后，由1/4波片转换为左旋和右旋两束圆偏振光，经由反射镜光纤传输至反射镜，经反射镜反射后变为右旋和左旋圆偏振光，经由1/4波片又转换为两束线偏振光，但传输路径进行交换，即快轴偏振光返回时经由慢轴传输，慢轴偏振光返回时经由快轴传输。这两束偏振光交换路径后返回至被测光纤电流传感器。

由于光纤延迟环L2与光纤反射镜的长度已经确定，因此可以精确地计算出光两次经过相位调制器的时间差，即为偏振光的渡越时间τ。相位调制器引入的相移与光路渡越时间τ和电压差有关。假设光束t时刻顺时针经过相位调制器时，调制电压为V(t)，对应调制相移为

光束经反射后在(t+τ)时刻逆时针经过相位调制器时，调制电压为V(t+τ)，对应调制相移为

其中τ即光路渡越吋间。整个过程中，两次相移方向相反，相位调制器引入的总相移可表示为

由上可知，可采用阶梯波产生等效相移

AD转换器采集高频或阶跃输入信号后，作累加积分，形成数字阶梯波的阶梯高度。如图4所示，在t，t+τ，t+2τ，t+3τ时刻采样值分别为V1，V2，V3，V4，累加形成数字阶梯波，经过比例调节后施加到DA转换器，如图5所示，台阶宽度等于渡越时间τ，台阶高度决定了它在两束相干光之间引入的等效法拉第相移

最终引起的等效法拉第相移如图6，与高频或阶跃输入信号一致。

本申请同时提供一种光纤电流传感器宽频特性测试方法，如图7所示，包括：

步骤S101，高频\阶跃信号源产生高频或者阶跃电压信号。

步骤S102，法拉第等效装置对高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器施加等效的法拉第相移。

通过分析法拉第相移等效装置的动态响应性能，建立各大器件的数据模型，如图8所示。

从图8中可以看出，流经光纤传感环的电流将产生法拉第相移

通过调制器施加偏置相移

和反馈相移

为保证***稳定性，其反馈系数一般要小于1，因此在

为高频信号或突变信号时，闭环反馈将带来***的带宽降低。

由于电流源设备性能限制，难以获得理想的高频

信号，因此通过调制器施加等效相移的方法来验证***的高频性能，其原理如图9。

高频信号发生器产生高频电压信号或者阶跃电压信号，由AD转换器采集。由于电流产生的法拉第相移为非互易性相移，而调制器施加相移为互易性相移，为了实现施加等效的非互易性相移，需利用两束干涉光传输延时，通过阶梯波的方式施加调制器信号。因此，需对AD信号进行积分运算，计算出每个施加周期的阶梯波，进行比例校正后，通过DA转换器施加在调制器2上，产生等效的法拉第相移。

步骤S103，电子式互感器校验仪接收高频\阶跃信号源的电压信号和被测光纤电流互感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算和阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

本申请提供的光纤电流传感器宽频特性测试装置及测试方法，满足相关标准和柔直工程对光纤电流传感器频率响应特性试验的要求，用等效法进行频率响应测试，考核光纤传感器的频率响应特性，弥补此前国内检测手段的不足。用等效法进行阶跃响应测试，考核光纤传感器的阶跃响应特性，弥补此前国内检测手段的不足。还可以用等效法进行其他复杂波形下光纤电流传感器的传感特性测试。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种光纤电流传感器宽频特性测试装置，其特征在于，包括：法拉第相移等效装置、高频\阶跃信号源和电子式互感器校验仪；

法拉第相移等效装置，用于将高频\阶跃信号源产生的高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器的光信号转换为等效法拉第相移并发送至被测光纤电流传感器；所述法拉第相移等效装置，由光路和电路部分组成，所述光路部分包括：保偏光纤、相位调制器、光纤延迟环L2、1/4波片及光纤反射镜；所述电路部分包括：AD转换器、积分运算、比例调节、DA转换器；所述相位调制器，用于对电流施加等效相移；

高频\阶跃信号源，分别连接法拉第相移等效装置和电子式互感器校验仪，并产生高频或者阶跃电压信号；

所述电子式互感器校验仪，分别连接高频\阶跃信号源和被测光纤电流传感器数据输出端口，接收高频\阶跃信号源的电压信号，接收被测光纤电流传感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算或阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述被测光纤电流传感器与法拉第相移等效装置，通过被测光纤电流传感器的保偏光纤与法拉第相移等效装置的保偏尾纤熔接相连。

3.一种利用如权利要求1或2中所述光纤电流传感器宽频特性测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

高频\阶跃信号源产生高频或者阶跃电压信号；

法拉第相移等效装置对高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器施加等效的法拉第相移；

电子式互感器校验仪接收高频\阶跃信号源的电压信号和被测光纤电流传感器的数字输出信号，将所述电压信号和数字输出信号同步后进行频率响应计算或阶跃响应计算，获取被测光纤电流传感器的宽频特性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述法拉第相移等效装置对高频或者阶跃电压信号和被测光纤电流传感器施加等效的法拉第相移，包括：

法拉第相移等效装置的调制器对高频电压信号或者阶跃电压信号施加等效的法拉第相移；

法拉第相移等效装置的调制器对被测光纤电流传感器施加等效相移；所述等效相移包括偏置相移和反馈相移。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述法拉第相移等效装置的调制器对高频电压信号或者阶跃电压信号施加等效的法拉第相移，包括：

AD转换器采集高频电压信号或者阶跃电压信号；

对所述信号进行积分运算，获取调制器每个施加周期的阶梯波；

对阶梯波进行校正后，通过DA转换器施加在调制器上，产生等效的法拉第相移。

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