一種基于光學電流互感器的自動增益均衡化方法

1、浙江理工大學學報,第27卷,第5期,2010年9月JournalofZhejiangSci󰀁TechUniversityVol.27,No.5,Sept.2010文章編號:1673󰀁3851(2010)05󰀁0745󰀁05一種基于光學電流互感器的自動增益均衡化方法廖小松,袁嫣紅,史偉民(浙江理工大學機械與自動控制學院,杭州310018)󰀁󰀁摘󰀁要:以光學電流互感器為研究對象,針對其計量準確級達不到要求的關鍵問題,采用雙光路檢測方法,提出了一種軟硬件相結(jié)合的自動增益均衡化技術,利用數(shù)控

2、電阻阻值的實時控制,實現(xiàn)兩路光強信號直流量的自動增益均衡,保證被測電流信號解調(diào)的準確性。通過基于labview的OCT精度校驗平臺,對OCT系統(tǒng)的測量精度進行了測試和分析。常溫條件下的實驗結(jié)果表明,OCT測量精度已達到了IEC標準規(guī)定的0.2級要求,該自動增益均衡化方法能準確解調(diào)出被測電流信息。對于系統(tǒng)受溫度影響而導致的測量誤差仍有待進一步研究。關鍵詞:光學電流互感器;雙光路檢測;自動增益均衡;數(shù)控電阻中圖分類號:TM733󰀁󰀁󰀁文獻標識碼:A0󰀁引󰀁言近年來,國內(nèi)外在光學電流互感器的研究上投入了大量的人力、物力和

3、財力,取得了一定的成績,已逐步邁入產(chǎn)品化階段。基于法拉第磁光效應原理的光學電流互感器(opticalcurrenttransducer,OCT)由于絕緣性能好、耗材少、造價低、安全穩(wěn)定、抗電磁干擾性能好、無污染等優(yōu)點,從不同程度上解決了傳統(tǒng)電流互感器的現(xiàn)存問題,滿足了󰀂數(shù)字化、光纖化、智能化、一體化 的發(fā)展要求1󰀁2。然而,在許多基礎性研究方面,如OCT系統(tǒng)的計量準確度、由溫度和應力引起的雙折射現(xiàn)象、以及長期運行的穩(wěn)定性方面,都需要做更進一步的實驗研究。阻礙OCT產(chǎn)品化的最主要因素是測量精度達不到要求,根據(jù)國際電工委員會(InternationalElectro

4、technicalCommission,IEC)標準,OCT產(chǎn)品的計量輸出準確級需達到0.2級。因此,OCT信號的處理與誤差分析將是整個測量系統(tǒng)的關鍵所在。本文在深入研究全光纖式OCT的基礎之上,采用了雙光路檢測法,提出了軟硬件相結(jié)合的自動增益均衡技術對兩路信號進行均衡化處理,保證了電網(wǎng)電流信號的準確解調(diào),對OCT系統(tǒng)測量精度的提高起著至關重要的作用。31󰀁OCT的工作原理眾多物理效應中,目前研究最為充分、最具實用化前景的是基于法拉第磁光效應的光學電流互感器,即通過被測電流本身引起的磁場來間接測量電流值。其工作原理如圖1所示,當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時,其偏振面會

5、發(fā)生偏轉(zhuǎn),且旋轉(zhuǎn)量正比于磁場大小4󰀁5,偏轉(zhuǎn)角󰀁可以表示為:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=󰀂VLH󰀂d l!(1)式(1)中,󰀂為法拉第磁光材料的磁導率;H󰀂為作用于磁光材料的磁場強度;V為磁光材料的費爾德(Verdet)常數(shù);L為通過磁光材料的偏振光的光程長度,d l為積分變量 l的微元。由安培環(huán)路定律描述了磁收稿日期:2010-01-18基金項目:上海市重點科技創(chuàng)新基金項目(090

6、4H168100):(),746󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁浙󰀁江󰀁理󰀁工󰀁大󰀁學󰀁學󰀁報2010年󰀁第27卷場和導體中電流的關系,即當光路為環(huán)繞電流導體的閉合路徑時,磁場強度沿任意閉合路徑一周的線積分等于穿過閉合路徑所包圍面積的自由電流代數(shù)和Ic

7、的N倍,于是有:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁NIc=lH󰀂d L(2)式(2)中,N為為線偏振光圍繞電流的環(huán)路數(shù),Ic為被測電流。由(1)式和(2)式聯(lián)合可得:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=󰀂VNIc(3)圖1󰀁Faraday效應原理圖由(3)式可知,被測電流Ic和振動面的偏轉(zhuǎn)量󰀁存在線性關系,通過測量線偏振光振動面的偏

8、轉(zhuǎn)角度,可間接測量出導體中的電流值。然而以目前的技術水平,偏轉(zhuǎn)角󰀁難以直接被測得,因此,通常情況下是采用檢偏器,將其轉(zhuǎn)化為攜帶󰀁信息的出射光強信號的大小變化來檢測。2󰀁雙光路檢測方法圖1中法拉第元件的作用是改變線偏振光的方位角,其輸入和輸出均為線偏振光。其中,輸入偏振光由起偏器產(chǎn)生,輸出偏振光通過光強來反映偏振光方位角。假設線偏振光的振動面旋轉(zhuǎn)了󰀁角, 為起偏器與檢偏器的夾角(為保證磁光傳感器工作在最靈敏狀態(tài),一般固定在45#),用P0表示輸入光強,則由馬呂斯(Malus)定律可得輸出光強P為:󰀁󰀁

9、󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁P=AP0cos(!+󰀁)=式中:A為光路中的光強衰減系數(shù),2AP0-AP0sin2󰀁22(4)AP0為測得的光強信號的直流分量Z,AP0sin2󰀁是光強信號的22交流分量J,將Z除以J得到sin2󰀁可同時消除A和P0對測量結(jié)果的影響,從而得到偏轉(zhuǎn)角󰀁的大小,即成功解調(diào)出電網(wǎng)電流信息。為了有效抑制共模干擾,對微弱的交流量進行放大,提高系統(tǒng)的測量精度,采用雙光路檢測方法6󰀁7,即使兩束線偏振光以相反的光路走向進入

10、OCT,它們分別調(diào)制了電流大小信息,振動面的旋轉(zhuǎn)角大小相等,但方向相反,因此亦稱為相向差分雙光路檢測法。其工作原理如圖2所示。雙光路檢測方法的工作流程為:由光源發(fā)生器3發(fā)出的光被耦合到光纖中,經(jīng)過分光耦合器7分成等值的兩部分從不同的光纖輸出;通過光纖環(huán)路器4a、4b后分別從光學電流互感器6的兩端進入,從另外兩端測得輸出信號。由于兩路光強信號以相反方向通過光學電流互感器6,相位相差180#,兩路光強大小分別如下兩式所示:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁P1=A1P0cos(45#+󰀁)=

11、2圖2󰀁雙光路檢測原理圖A1P0-A1P0sin2󰀁=Z1-J1(5)222󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁P2=A2P0cos(45#-󰀁)=A2P0+A2P0sin2󰀁=Z2+J2(6)22式中:P1、P2分別為兩個光強探測器測到的光強信號;Z1、Z2,J1、J2分別為兩路光強信號的直流分量和交流分量;A1、A2為兩信號的放大倍數(shù)。為了得到正比于被測電流的式子,做如下處理:2122112121=P2+P1(Z2+J2)+(Z1-J1)

12、(Z2+Z1)+(J2-J1)假設放大倍數(shù)a1、a2相等,則(7)式變?yōu)?121󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁=sin2󰀁Ic󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(7)(8)第5期廖小松等:一種基于光學電流互感器的自動增益均衡化方法747這樣,就得到與被測電流Ic成線性比例的信號,該信號不受光源強度變化的影響,只與被測電流有關,且交流分量放大了一倍,有效抑制了來自光路和電路的共模干擾。然而,這樣

13、的處理方式要求兩個光電探測器(photondiobe,PD)的靈敏度和其他參數(shù)必須高度匹配,且要用兩套增益、帶寬均相同的放大器,對于器件的選擇要求非常嚴格。3󰀁自動增益均衡化模塊設計從理論上講,運用單光源雙光路補償原理的數(shù)據(jù)處理方案可以完全消除光源波動對準確度的影響。但是實際運行中不可能存在參數(shù)完全一致的器件,且傳輸過程中可能存在如耦合、光纖彎曲、傳輸?shù)雀鞣N損耗,且這些損耗隨著時間和環(huán)境的變化還會有小的動態(tài)波動。當被測電流不變時,傳感頭輸出的電壓信號也會有幅值上的變化,而這些因素導致的測量誤差往往很容易被忽略。由式(5)和式(6)中得出的兩路光強信號1和2,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換預放大后

14、得到交直流混合的電壓信號1和2。根據(jù)雙光路檢測法的特點,為了準確提取出電網(wǎng)電流信號,需要將兩路信號進行差分放大,消除直流分量,得到的交流分量為被測電流信號的有效值。此處采用差模輸入、放大和單模輸出的差分放大法,其工作原理如圖3所示。由于系統(tǒng)硬件原因,分光耦合器的分光比不可能達到50%50,一般來講,最大參數(shù)失衡可達49%51;另外,由于光纖彎曲導致兩路光信號在線路中的衰減而圖3󰀁差分放大法示意圖引起的雙光路不平衡也相當明顯。因此,A1、A2不可能完全相等,使得解調(diào)出來的被測電流值將不準確。采用DSP軟件的方法,通過調(diào)節(jié)數(shù)控電阻來實現(xiàn)放大或縮小單路光強,達到配平A1、A2系數(shù)的目

15、的,保證兩路信號直流量的增益均衡,使得剩余直流量Z2-Z1幾乎為零,保證了解調(diào)出的被測電流值的準確性。(這與是否常溫無關)增益均衡化硬件電路見圖4。系統(tǒng)要求該數(shù)控電阻能在系統(tǒng)初始化時迅速達到穩(wěn)態(tài),即在一定范圍能實現(xiàn)粗調(diào),在穩(wěn)態(tài)時能實現(xiàn)相對步進值達到0.1%的細調(diào),這是由于傳感頭的比差為0.1%,如果數(shù)控電阻相對步進值超過0.1%將會增加電路上的誤差。另外,要在兼顧價格的情況下使得數(shù)控電阻的溫漂系數(shù)盡可能小。不同類型的數(shù)控電阻其溫漂等級、步進值、價格都相差很多;為兼顧系統(tǒng)要求,選擇SPI控制的256抽頭10k電阻AD5207,其每次步進增加的阻值為39.06(10k/256),其溫漂只有35&a

16、mp;10-6/。為了獲得更好的調(diào)節(jié)曲線,將其與一個10k的固定電阻串聯(lián),其控制流程圖如圖5所示。748󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁浙󰀁江󰀁理󰀁工󰀁大󰀁學󰀁學󰀁報2010年󰀁第27卷󰀁󰀁對于兩路光電轉(zhuǎn)換后的交直流混合

17、電壓信號,若將整數(shù)個周期(本系統(tǒng)取兩個周期)內(nèi)取相應周波點數(shù)相加,由于對稱性,則交流分量變?yōu)榱?剩下的直流分量除以點數(shù)即可得到兩個周期內(nèi)的直流量平均值temp1,與Vref基準電壓比較,判斷兩路信號的temp值是否在Vref的允許誤差范圍內(nèi),若是則認為不必要均衡,結(jié)束程序;否則將根據(jù)下式求出期望電阻值R期望:1,2ref󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁R實際=R期望據(jù),對AD5207直接操作,實現(xiàn)均衡目的。(9)圖5󰀁增益均衡流程圖由于AD5207有256抽頭,將R期望轉(zhuǎn)換為0255的

18、相應數(shù)字控制量,通過DSP的SPI口發(fā)送控制數(shù)4󰀁基于增益均衡的OCT校驗平臺為了檢驗該自動增益均衡方法的效果,可通過OCT系統(tǒng)的整體測量精度來進行反映。根據(jù)圖6所示的OCT信號流程框圖,差分放大后得到的交流分量,一路進入AD采樣后送入DSP,另一路則經(jīng)過零比較和低頻高精度鎖相環(huán)模塊,實時跟蹤被測電流信號的過零點信息并將其發(fā)送給DSP,確保ADC采樣的起始點始終處于被測信號的零相位。實驗中,DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片;并以ADI公司的ADS1178作為采樣芯片,它可實現(xiàn)8路通道同時采樣、且轉(zhuǎn)換精度可達16位。系統(tǒng)采用了基于Labview的OCT精度校驗平臺

19、,圖7為其結(jié)構框圖。工作流程為:將待測光學電流互感器OCTX和標準電流互感器CTN串接于同一電流回路中,由高功率標準穩(wěn)定電流源給出標準信號,并由升流器模擬出電網(wǎng)上的大電流,分別經(jīng)過OCTX和CTN進行測試,并將測試結(jié)果送入上位機的Labview軟件進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)IEC60044󰀁8標準,只需對穩(wěn)態(tài)比值誤差(簡稱比差)和相位誤差(簡稱相差)兩個指標進行測試。比差的定義為#=OCTX測得的一次電流有效值,IN值,N為CTN測得的相位值8圖6󰀁OCT信號測量系統(tǒng)框圖XN&100%,IX為IN為CTN測得的一次電流有效值。相差的定義為E=X-N,X為OCTX

20、測得的相位。圖7󰀁基于LabVIEW的OCT校驗系統(tǒng)結(jié)構5󰀁實驗結(jié)果根據(jù)IEC61580有關規(guī)定,OCT產(chǎn)品的計量輸出準確級󰀁󰀁󰀁󰀁表1󰀁0.2級對應的誤差限值需達到0.2級,即在其額定頻率下的比差和相差應不超過表1所列值9。實驗方法:在常溫25條件下,調(diào)節(jié)高功率穩(wěn)定電流源,額定電流值/%電流比值誤差/(%相位誤差/()50.7530200.35151000.2101200.210使升流器輸出5%的額定電流,由Labview記錄顯示待檢OCT和標準電流互感器的測試結(jié)果。再依次調(diào)節(jié)電流

21、至20%、100%、120%,每個測試點取10次具有代表性的數(shù)據(jù),直至這4個測試點的實驗數(shù)據(jù)全部保存,做數(shù)據(jù)分析時從excel表格中導出。實驗中采用的標準電流互感器參數(shù)如表2所示。實驗結(jié)果表明,在常溫條件下,該OCT系統(tǒng)在額定電流的5%、20%、100%、120%所對應的50A、,第5期廖小松等:一種基于光學電流互感器的自動增益均衡化方法74910次測試值取平均值,得到表3所示的穩(wěn)態(tài)比差和相差測試結(jié)果,該結(jié)果進一步說明了本文提出的自動增益均衡化方法能夠準確地解調(diào)出被測電流有效值。󰀁󰀁表2󰀁標準電流互感器參數(shù)󰀁󰀁&#

22、983041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁表3󰀁測試結(jié)果規(guī)格型號HL󰀁S31額定電流百分數(shù)額定電流級別誤差生產(chǎn)廠家武漢漢測電氣有限公司520100󰀁額定變比1000A/1V額定頻率/Hz50比值誤差/%-0.05286-0.181-0.1182測量電流范圍/A020001000A0.2相位誤差/()-1.360.394-0.279精度等級0.01級1200.02441.1476󰀁結(jié)󰀁論針對當前OCT產(chǎn)

23、品化面臨的關鍵問題之一,即計量準確度達不到IEC標準要求,采用雙光路檢測方法,提出一種軟硬件相結(jié)合的自動增益均衡化方法,利用DSP對數(shù)控電阻的實時控制,實現(xiàn)兩路光強信號直流量的自動增益均衡,保證被測電流信號解調(diào)的準確性。通過基于Labview的OCT精度校驗平臺,對OCT系統(tǒng)的測量精度進行測試和分析。在常溫條件下的實驗結(jié)果表明,該自動增益均衡化方法能夠準確地解調(diào)出被測電流有效值,為OCT的產(chǎn)品化和實用化發(fā)展提供了重要的參考價值。有待進一步研究的問題有:尋找更合適的數(shù)控電阻,以步進值和溫漂等參數(shù)來衡量;對于系統(tǒng)受溫度影響而導致的測量誤差有待進一步考慮。參考文獻:1曾慶禹.變電站自動化技術的未來發(fā)

24、展J.電力系統(tǒng)自動化,2000,25(1):1󰀁5.2楊曉靜,奚后瑋,吳在軍.變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)字化趨勢J.江蘇電機工程,2006,25(3):48󰀁50.3李紅斌,張明明,劉延冰,等.幾種不同類型電子式電流互感器的研究與比較J.高電壓技術,2004,30(1):4󰀁9.4張志鵬,GamblingWA.光纖傳感器原理M.北京:中國計量出版社,1991:148󰀁153.5江智偉,林勇鋒,李福興,等.全光纖電流傳感器的原理及應用J.華東電力,2006,34(8):78󰀁81.6李󰀁煒.基于自適應技術的

25、組合式光學電流互感器的研究D.北京:華北電力大學,2002.7TakahashiM.OpticalcurrentsensorforDCmeasurementC/TransmissionandDistributionConferenceandExhibition2002,AsiaPacific.IEEE/PES,2002:6󰀁10.8尚秋峰.光學電流互感器實用化方法的研究D.北京:華北電力大學,2004.9GB/T20840.8󰀁2007,互感器第8部分:電子式電流互感器S.AnAutomaticGainEqualizingMethodBasedonOpticalCurrentTransducerLIAOXiao󰀁song,YUANYan󰀁hong,SHIWei