数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法

第 29 卷 第 30 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.30 Oct. 25, 2009 42 2009 年 10 月 25 日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2009) 30-0042-05 中图分类号：TM 452 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40 数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法 张朝阳，张春熹，王夏霄，马宗峰，刘晴晴 (北京航空航天大学仪器科学及光学工程学院，北京市 海淀区 100083) Signal Processing System for Digital Closed-loop Fiber Optic Current Sensor ZHANG Chao-yang, ZHANG Chun-xi, WANG Xia-xiao, MA Zong-feng, LIU Qing-qing (School of Instrument Science and Opto-electronicis Engineering, Beihang University, Haidian District, Beijing 100083, China) ABSTRACT: The rationale of all fiber-optic current sensor (A-FOCS) was presented. According to characteristic of interference signal, square wave modulation technique was applied to enhance the sensitivity of A-FOCS, and correlative demodulation scheme was proposed to distill phase difference information. By introducing a digital ramp feedback technology, a non-reciprocal phase shifting between the two polarization beams was created to counteract Faraday Effect phase. In this way, closed-loop scheme was realized. Also, a treble frequency modulation technique was presented to heighten detection velocity and aggrandize bandwidth. According to experimental results, the sensor achieved accuracy within ±0.25% at −40~ 60 , which approached to the IEC standard class 0.2℃ s (±0.2%). The bandwidth exceeded 6 kHz. Resolving power was less than 0.5 A. The results showed the feasibility of the closed-loop scheme. KEY WORDS: fiber-optic current sensor; Faraday effect; correlation demodulation; closed-loop system; treble frequency; bandwidth 摘要：介绍了全光纤电流互感器(all fiber-optic current sensor， A-FOCS)的工作原理。针对输出信号特点，应用方波调制提 高系统响应灵敏度，相关解调提取相位信息。在此基础上， 引入阶梯波反馈技术，在 2 束相干偏振光间叠加一个与法拉 第(Faraday)相移大小相等、方向相反的非互易相位差，实现 闭环检测。提出三倍频方波调制方法，提高检测速度、增大 闭环系统检测带宽。测试结果表明，闭环系统在−40~+60 ℃ 范围内标度因数变化小于±0.25%，接近 IEC 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 0.2 s 级 (±0.2%)；系统带宽大于 6 kHz；分辨能力小于 0.5 A。试验结 果证明了信号处理方法的正确性。 关键词：光纤电流互感器；法拉第效应；相关解调；闭环系 统；三倍频；带宽 0 引言 随着继电保护、电气设备自动化程度和电力系 统绝缘等级的提高，基于电磁感应的传统电流互感 器，由于其原理性的缺陷，已经越来越难以满足电 力系统发展的需要[1-5]。在这种背景下，应用光纤光 学技术的光电式电流互感器(optic current sensor， OCS)研究逐渐取得了世界范围内的重视，得到了快 速发展。按照高压区传感单元是否需要供能，可以 把 OCS 分为有源型和无源型 2 种；按照传感机理 和传感头的具体结构，又可把 OCS 分为全光纤型、 光学玻璃型、混合型、磁场传感型等[1-5]。本文讨论 的是一种基于法拉第(Faraday)磁光效应原理的无源 型全光纤电流互感器(all fiber-optic current sensor， A-FOCS)，它采用光纤作为传感介质，不存在铁磁 共振和磁致饱和的隐患，同时具有频带宽、动态范 围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性 能好以及制造和维护成本低等一系列优点[6-12]。 文中给出 A-FOCS 的基本原理和结构，分析了 光路输出信号特点，并针对这种淹没于强噪声中的 微弱信号，介绍了基于方波调制、相关解调和阶梯 波反馈的闭环信号处理方法。分析了三倍频方波调 制解调优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，并最终给出一种基于 FPGA+DSP 的信号处理系统硬件实现途径。 1 全光纤电流互感器原理简介 A-FOCS 原理[13-17]如图 1 所示，光源发出的光 经过起偏器后，分成 2 束正交的线偏振光，沿着保 偏光纤的 2 个模式传输至传感头。在 1/4 波片处，2 束线偏光分别被转换为左旋和右旋圆偏光，进入传 感光纤。 在传感光纤中，由于导线内电流产生磁场的 Faraday 磁光效应作用，2 束圆偏光的传输速度不 同，从而产生 Faraday 相差。当 2 束圆偏光传输到 传感光纤末端时，发生镜面反射，2 束光在模式互 第 30 期 张朝阳等： 数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法 43 光源 前放 延迟光缆相位调制器 耦合器 起偏器 导线 输出 反射镜 光电 转换 1/4 波片 信号处理单元 (DSP+FPGA)A/D 45° D/A 45° 图 1 A-FOCS 原理图 Fig. 1 Component of A-FOCS 换(左旋变右旋，右旋变左旋)后沿原光路返回， Faraday 效应加倍，并且在 1/4 波片处再次转变为 2 束模式正交的线偏光(模式也互换了)。最终，携带 Faraday 效应相位信息的 2 束光在起偏器处发生干 涉，然后由 3 dB 耦合器耦合进光电探测器，进行后 续信号处理。 可以看出，2 束偏振光始终在同一根光纤的 2 个正交模式上传输，所以 A-FOCS 的光路系统具有 很强的抗干扰能力；同时，由于发生干涉的 2 束偏 振光都经过了相同的传输路径和模式变化，只是在 顺序上刚好相反。因此，光路系统还具有良好的互 易性，干涉结果只携带了 Faraday 磁光效应产生的 相位信息。最终，经过探测器实现光电转换后的信 号表达式为 d p 0 F0.5 (1 cos )S K LI φ= + (1) 式中：Kp 为探测器的光电转换系数；L 为光路损耗； I0 为光源输出光强；φF = 4 NVI 为磁光 Faraday 相位 差(其中，N 为传感光纤匝数；V 为传感光纤 Verdet 常数；I 为导线中传输电流值)。 2 信号处理系统原理 2.1 方波调制 分析 A-FOCS 系统光学器件基本参数[12]可知， 探测器的输出电压是微伏级的微弱信息，而噪声一 般是毫伏量级，因此必须应用微弱信号检测的方法 提取信号。同时从式(1)可以看出，探测器输出信号 Sd 是相位差φF的余弦函数。由于余弦函数在零相位 时斜率为零，对微小相位差反应不灵敏，所以从 式(1)中直接提取相位信息φF比较困难，同时不能分 辨相差的符号。 如图 2 所示，应用方波调制技术使相差信息产 生±π/2 偏置，使系统工作在较灵敏的区域，提高互 感器的响应灵敏度；同时通过调制，在频域上将输 出信号频谱由低频区迁移到高频，避开低频区的 1/f 噪声，减少了低频噪声的影响[17]。这时，式(1)变为 d p 0 F p 0 F0.5 [1 cos( )] 0.5 (1 sin )2 S K LI K LIφ φπ= + ± = ± (2) 可见，方波调制后的探测器输出信号是一个叠 加在直流 0.5KpLI0 上的幅值为 0.5KpLI0sinφF的方波 信号，方波幅值反映了 Faraday 相移大小。 t=0 I≠0 t Faraday 相移φF tφ P P 2ππ−2π −π 图 2 方波调制原理 Fig. 2 Square-wave modulation principle 2.2 相关解调 由于 Sd 是淹没于强噪声中的弱信息，利用信号 和噪声不相关的特点，应用相关解调技术提取信 号、抑制噪声[18-20]。具体方法如图 3 所示。对于 式(2)描述的方波输出结果，在正、负半周期上各取 n 个点，分别求和后相减，得到解调结果： 0 F 0 F0.5 (1 sin ) 0.5 (1 sin )nALI nALI∆ φ φ= + − − = 0 F 0sin sin(4 )nALI nALI NVIφ = (3) 在实际系统中，传感光纤匝数 N=4、Verdet 常 数 V 约为 1.03×10−6，所以当电流幅值在一定范围内 时，sin(NVI) ≈ NVI，即解调结果“∆”与相位差信 息φF或电流幅值 I 呈近似线性关系。 2τ 调制方波 干涉输出 解调信息 t t P 图 3 信号的相关解调 Fig. 3 Correlation demodulation of the signal 但是，当测量电流比较大时，由于解调结果是 φF的正弦函数，必然存在输入输出的非线性问题， 并且随着输入电流增加，测量误差变大。可以采取 对输出值进行修正的方法解决非线性问题[7-8]，但是 这项工作非常复杂。另外，由于正弦信号的周期性， 此时互感器的测量范围也是非常有限的。 44 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷 2.3 闭环实现(阶梯波反馈) 为了减小系统输出非线性误差和增大动态测 量范围，借鉴数字闭环光纤陀螺技术，提出光纤电 流互感器的闭环检测方案[19]：在相向传输的 2 束光 之间引入一个与 Faraday 相移φF大小相等、方向相 反的反馈补偿相移φR，用来抵消 Faraday 效应相移。 加入反馈相移φR后，探测器处输出信息为 d p 0 F R0.5 [1 sin( )]S K LI φ φ= ± + (4) 由于φF+φR≈0，所以此时互感器系统始终工作 在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度 最高；同时由于实现闭环检测，也扩大了系统的测 量范围。这时系统的解调结果变为 p 0 F R p 0 F Rsin( ) ( )nK P nK P∆ φ φ φ φ= + ≈ + (5) 采用阶梯波反馈调制产生反馈相位差φR。对 式(5)所述的解调结果作累加积分，形成数字阶梯波 的台阶高度 Sout，Sout 一方面经过 D/A 转换及其辅助 电路形成模拟阶梯波后驱动相位调制器，以在 2 束 光间引入补偿相差φR，同时 Sout 作为 A-FOCS 的数 字输出，反映互感器输入电流的大小和方向。 设经过 D/A 转换形成的模拟阶梯波为 R R R( ) ( ) ( )V t V t V t τ∆ = − − ，其值域为(−∞, +∞)，则在 2 束线偏光间产生的附加相移为 R fp R fp R( ) ( )K V t K V tφ τ= − − = fp R R fp R[ ( ) ( )] ( )K V t V t K V tτ− − = ∆ (6) 式中：τ 为光束在光纤延迟线中的渡越时间；Kfp 为相位调制器调制系数。式(6)说明，阶梯波调制产 生的相位差与阶梯波台阶高度成正比。 但是显然，值域范围在(−∞, +∞)上不断上升的 阶梯波是不可能实现的。由于干涉输出信号以 2π为 周期，所以在本闭环方案中，采用如图 4 所示的值 域范围为(0, 2π)的阶梯波来取代值域为(−∞,+∞) 的阶梯波，即当阶梯波调制相位 fp R ( )K V t =2π时，自 动复位[20]。这项技术在数字电路中很容易实现， t τ FW BW 2π t φF φ (t) φ (t) φF 0 0 −2π+φJ 图 4 阶梯波反馈相位关系 Fig. 4 Phase shift of the ramp feedback modulation 且采用这种方法理论上不会对系统精度产生影响。 2.4 三倍频调制解调方法 在电力系统中，对电力设备的相位延迟有严格 要求，因此应尽可能减小 A-FOCS 系统输入输出相 位差。在样机原有调制解调方案中，调制方波的频 率和信号解调频率相等，都是 f=1/2τ。其中，f 为系 统的本征频率；τ为光在光纤延迟线中的传输时间。 为了减小解调周期，提高检测速度，提出三倍频调 制方法。具体做法是：把调制方波频率扩大为原来 3 倍，则解调周期相应地由原来的τ变成了τ /3。这 样，有效地提高了信号检测速度，由此增大系统带 宽，减小相位延迟。 3 信号处理系统的硬件实现 信号处理系统以 FPGA(EP1K50QC208-3)和 DSP(TMS320VC33)为核心，采用 FPGA 生成中断 信号和建立各个时序；利用锁相环产生基准时钟， 在 FPGA 中进行分频，分别得到 A/D 时钟、采样脉 冲、D/A 时钟、调制方波和解调方波等；发挥 DSP 的高速运算特点，在 DSP 中进行数据处理。FPGA 合 DSP 之间采用中断方式实现通讯。 检测系统构成如图 5 所示。光电探测器的输出 信号经过 A/D 转换后送 FPGA 解调，解调结果发往 DSP，在 DSP 中对数据进行积分和滤波处理，之后 再把处理结果数据送回 FPGA，进行数字输出和模 拟输出；同时，以数字输出作为阶梯波台阶高度， 累加生成数字阶梯波。最终，数字阶梯波与在 FPGA 中设置生成的调制方波叠加，经 D/A 转换后驱动相 位调制器，得到反馈调制相移φR 和偏置调制相移 ±π/2。 A/D光电转换 D/A 相位调制器 模拟输出D/A 数字输出 FPGA (Ep1k50 qc208-3) DSP (TMS320 Vc33) 图 5 信号处理系统硬件构成 Fig. 5 Hardware components of signal processing system 4 试验结果 4.1 常温运行稳定性实验 室温条件下，对 A-FOCS 样机作稳态测量误差 实验。大约 30 天内每隔 3 天测试一组数据。每次 测试时，分别对互感器输入 150，300，450，600， 第 30 期 张朝阳等： 数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法 45 750，900 A 等不同值的直流电流，测得互感器样机 相应输出，然后对应输入输出以最小二乘方法拟合 求得互感器变比。测试结果如图 6 所示，结果表明 样机的测量误差小于±0.1%。 1 3 5 7 9 11 实验序号 标 度 因 数 0.995 0.997 0.999 1.001 1.003 1.005 图 6 互感器室温测量变比误差 Fig. 6 Scale factor error of A-FOCS at normal temperature 4.2 标度因数精度实验 结合实际应用的需要，在−40~60 ℃范围内测 试 A-FOCS 样机标度因数温度稳定性能。选择−40， −20，0，20，40，60 ℃等 6 个温度点，在这些温度 点上分别对互感器通以 0，100，200，300，400，、 500，600 A 等不同值的直流电流，测得输出结果， 再对系统输入输出以最小二乘法拟合求出各温度 点上的标度因数值，结果如图 7 所示。从图中可以 看出，在−40~60 ℃范围内样机的标度因数变化小 于 0.25%。 40 20 0 20 40 60 t/℃ 标 度 因 数 0.150 0.152 0.154 0.156 0.158 0.160 0.25% 图 7 系统标度因数的温度特性 Fig. 7 Scale factor error temperature performance 4.3 交流小电流分辨能力实验 对样机交流小电流分辨能力测试当中，分别对 导线通以有效值为 1，2，3，4，5 A 的交流电流， 测得相应数字输出结果，并应用互相关解算法，以 式(7)计算系统输出有效值 S： 2 2 1 1 { [ ( ) ] [ ( ) ] }/ M M i i S S i S S i S M = = ′ ′= − − −∑ ∑ (7) 式中：M=1 000 为系统输出采样频率，采样时间 1 s； S(i)(i=1…M)为对应的系统数字输出；S 为 S(i)平均 值； ( )S i′ (i=1…M)为系统零电流输入时的数字输出 值； S ′为 ( )S i′ 平均值。 测试结果如表 1 所示。可以看出，系统对交流 小电流分辨能力小于 0.5 A。 表 1 系统对小值交流电流分辨能力测试结果 Tab. 1 AC resolving power experimental result of the sensor 输入交流电流/A 输出计算结果/A 1 0.881 1 2 1.932 3 3 3.065 3 4 3.968 4 5 4.981 2 4.4 闭环系统带宽实验 通过正弦响应测试系统带宽。对导线分别通以 幅值一定、频率在 10~12 000 Hz 内变化的若干个交 流电流，对应测得 A-FOCS 系统输出结果有效值， 然后绘制系统的幅频特性曲线如图 8 所示。从图中 可以看出，当系统输出幅值衰减至低频时的 0.707 倍左右时，输入电流频率大于 6 kHz，说明 A-FOCS 系统带宽大于 6 kHz。 101 102 103 104 0.65 0.75 0.85 0.95 f/Hz 归 一 化 幅 值 图 8 系统幅频特性 Fig. 8 Magnitude-frequency characteristic 5 结论 本文对数字闭环全光纤电流传感器信号处理 方案进行了理论分析和实验验证，对三倍频调制解 调技术进行了初步探讨。通过方波调制，在提高 A-FOCS 系统响应灵敏度的同时，抑制了低频噪声； 应用相关解调技术，成功实现了对光电探测器输出 微弱信号的检测；应用阶梯波反馈调制技术实现闭 环检测，在扩大系统理论测量范围、提高响应灵敏 度的同时，提高了系统测量精度；三倍频调制的成 功应用有效提高了信号解调速度，原理上扩大了系 统带宽、减小了相位延迟。样机的实验结果表明， 46 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷 1 个月内样机室温测量变比变化小于±0.1%；互感器 系统在 −40~+60 ℃范围内标度因数变化小于 ±0.25%，接近 IEC 标准 0.2s 级(±0.2%)；对交流小 电流分辨能力小于 0.5A；系统带宽大于 6 kHz。实 验结果证明了所述信号处理方法的正确性。 参考文献 [1] 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