技术领域
[0001] 本发明属于光电仪器领域，具体涉及一种全光纤电流互感器解调防误处理方法、装置及系统。
相关背景技术
[0002] 电流互感器作为电力系统一次传感设备，对于反应电力系统一次设备状态具有决定性作用。继电保护设备和调度控制均需要获取电流数据，为此，要求电流互感器能够稳定可靠地运行。
[0003] 现有技术中的全光纤电流互感器(Fiber‑optic current transformer)多采用闭环方波调制解调方案。如公告号为CN100340860C的中国发明专利《光纤电流互感器及其互感器的闭环检测装置》和文献《数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法》(中国电机工程学报[J]，2009,29(30):42～46)，均介绍了闭环方波调制解调方案，也即采用方波调制技术使相位调制器给电流互感器引入±π/2的偏置，使电流互感器工作在线性区，提高互感器的响应灵敏度；同时采用阶梯波反馈调制产生反馈补偿相移φR，与Faraday相移φF大小相等、方向相反，从而电流互感器始终工作在线性度最好的零相位附近区域，采用闭环方波调制解调方案可以减小输出非线性误差和增大动态测量范围。
[0004] 随着全光纤电流互感器的现场应用增多，仅包含±π/2相位偏置的传统调制解调方案无法有效识别光路存在反射端面断裂、调制器响应异常等光强水平变化不明显的异常情况。这些异常情况会导致解调电流输出错误数据，存在造成继电保护误动的风险。
具体实施方式
[0082] 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的保护范围。
[0083] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0084] 实施例1
[0085] 图1是本实施例提供的一种全光纤电流互感器的结构示意图，所述全光纤电流互感器包括采集单元2、传输光纤5和光纤传感环3。
[0086] 信号处理器29的驱动电路驱动光源21发光。光源21发出的光达到耦合器22的第一端，耦合器22将光导出到其第三端；光经过耦合器22后进入起偏器23，产生线偏光。线偏光被分成两束入射正交线偏光，经过相位调制器24和延时光纤25以及传输光纤5，达到光纤传感环3中的λ/4波片31的一端，光纤传感环3的λ/4波片31的另一端输出两正交圆偏光。两正交圆偏光沿光纤传感环3的传感光纤32传输，由于法拉第磁光效应，在传感光纤32中，两正交圆偏光一个传播速度变快，另一个传播速度变慢，从而产生相位差。两正交圆偏光在传感光纤32的末端被反射镜4反射后，由于反射镜的作用，两正交圆偏光的偏振模式互换，左旋圆偏光变成右旋圆偏光，右旋圆偏光变成左旋圆偏光，并沿原路返回。
[0087] 两返回正交圆偏光返回时一次电流的磁场方向不变，而两返回正交圆偏振光的传播方向改变且偏振态变化，所以法拉第效应产生的相位差会加倍。再次经过光纤传感环3的λ/4波片31后变成两返回正交线偏光，且相对前进过程中偏振方向互换。两返回正交线偏光返回时依次经过传输光纤5和相位调制器24后变成合束偏振光，所述合束偏振光达到起偏器23。起偏器23返回的干涉光信号到耦合器22的第三端后，通过耦合器22的第三端返回到光电探测器26。
[0088] 光电探测器26对所述干涉光信号进行光电转换，输出电信号。信号处理电路29接收并解调处理该电信号，确定位于光纤传感环3中的一次导体1中的被测电流。
[0089] 对全光纤电流互感器进行理论分析可知，若加载到相位调制器24上的调制信号为φ(t)，则全光纤电流互感器中的光电探测器26的输出光强表达式为：
[0090]
[0091] 其中， 为法拉第(Faraday)相移， V为光纤的维尔德常数，N为互感器的光纤传感环圈数，I为一次导体通流电流，P0为全光纤电流互感器光强，τ为偏振光在光纤延时线和光纤传感环的传输时间
[0092] τ＝2nL/C (2)
[0093] 其中L为延时光纤和光纤传感环的光纤总长度(也即全光纤电流互感器的光路长度)，C为真空中的光速，n为光纤的折射率。
[0094] 采集单元2所采用的解调防误处理方法的流程如图2所示，采集单元2首先计算解调电流(即一次导体通流电流)、全光纤电流互感器光强和相位偏置，当光强异常时，直接清零解调电流，品质置无效；当光强正常时，判断相位偏置，此时光强作为相位偏置的判断门槛，当相位偏置异常时，清零解调电流，品质置无效；当相位偏置正常时，输出解调电流，品质置有效。
[0095] 具体地：当采用开环调制时，所述解调防误处理方法具体包括以下步骤：
[0096] 当方波调制信号φ(t)的调制周期T＝2(τ±Δτ)与全光纤电流互感器的本征周期Ti＝2τ不相等时，每个调制周期存在两段时长为 的无调制区域，如图3(b)所示。当一次导体中有一次导体通流电流时，全光纤电流互感器的光电探测器26的输出信号P(t)如图4所示。
[0097] 各无调制区域对应光电探测器36的输出信号为无调制高电平，参与解调防误逻辑运算。
[0098] 由图4和式(1)可知，光电探测器36的输出信号P(t)有三部分：
[0099] 无调制高电平Ptop：
[0100] Ptop＝P0(1+cos(4VNI)) (3)
[0101] 持续时间为 每周期出现2次，图中t1和t3时间段；
[0102] 高电平Ph：
[0103]
[0104] 持续时间为(T‑τ)，每周期出现1次，图中t4时间段；
[0105] 低电平Pl：
[0106]
[0107] 持续时间为(T‑τ)，每周期出现1次，图中t2时间段；
[0108] 由Ph和Pl的表达式可知：
[0109]
[0110]
[0111] 通过式(6)可以解析一次导体通流电流(即解调电流)，通过式(7)可以监视全光纤电流互感器光强。当全光纤电流互感器光强过低或者过高时，如光路断线、光源损坏等异常情况，会造成电流信号反应出的全光纤电流互感器光强变化信号过小或者超出AD量程范围，均会导致无法正确解析一次导体通流电流，即若全光纤电流互感器光强异常，则闭锁解调。因此通过监视全光纤电流互感器光强处于合理区间内，则保证解析出的一次导体通流电流正常。
[0112] 除了全光纤电流互感器光强异常会导致无法解调一次导体通流电流外，引入的±π/2相位偏置调制如果异常，如相位调制器工作异常，也会导致一次导体通流电流变化无法反映到全光纤电流互感器光强变化，从而导致无法正确解调一次导体通流电流。通过无调制高电平Ptop与高电平Ph及低电平Pl的差值，可以监视调制相位偏置是否正常。
[0113]
[0114]
[0115] 对式(8)和(9)的绝对值取最大值Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)，当 时，该最大值最小为P0。因此通过判断P0的大小以及Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)的大小可以监视光强水平及调制相位偏置是否在正常范围。即：
[0116] 若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，且相位偏置值处于正常范围，即Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)≥P0，则输出所述一次导体通流电流；
[0117] 若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，但相位偏置值超出正常范围，即Max(Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)
[0118] 若全光纤电流互感器光强超出正常范围，则置零所述一次导体通流电流；若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，则输出所述一次导体通流电流。
[0119] 当采用闭环调制时，所述解调防误处理具体方法如下：
[0120] 为减小大电流对应的法拉第相移 较大时引入的非线性问题，全光纤电流互感器的信号处理器29还会产生一个阶梯波调制信号，并施加到相位调制器24上进行反馈相位调制，实现闭环控制。阶梯波调制信号如图5所示，其持续时间为 台阶高度为 为了实现与上述开环调制时的解调防误处理相同的效果，阶梯波调制信号的相位与方波调制信号的相位相差 这样相位调制器24最终产生的补偿相移如图6所示，一个调制周期T中，经过相位调制器的光信号包括顺次的第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、第五部分和第六部分；
[0121] 第一部分的相位表达式为：
[0122]
[0123] 第一部分的时长为 为图中t1；
[0124] 第二部分的相位表达式为：
[0125]
[0126] 第二部分的时长为 为图中t2时间段；
[0127] 第三部分的相位表达式为：
[0128]
[0129] 第三部分的时长为 为图中t3时间段；
[0130] 第四部分的相位表达式为：
[0131]
[0132] 第四部分的时长为 为图中t4时间段；
[0133] 第五部分的相位表达式为：
[0134]
[0135] 第五部分的时长为 为图中t5时间段；
[0136] 第六部分的相位表达式为：
[0137]
[0138] 第六部分的时长为 为图中t6时间段；
[0139] 令台阶高度为 等于法拉第相移 加在相位调制器上的阶梯波调制信号将给两束正交线偏振光之间引入的反馈补偿相移 反馈补偿相移 抵消法拉第相移 使得第一部分和第四部分对应无调制区域，第三部分对应 相位调制区域，第六部分对应 相位调制区域。
[0140] 当 时，加在相位调制器上的相位调制阶梯波将给两束正交线偏振光之间引入的反馈补偿相移 将会抵消法拉第相移 此时全光纤电流互感器的光电探测器输出信号高低电平，t3时间段光强变为：
[0141]
[0142] t6时间段光强变为：
[0143]
[0144] 此时全光纤电流互感器的无调制高电平，即t1和t4时间段光强变为：
[0145] Ptop＝P0[1+cos(4VNΔI)] (16)
[0146] 式中，P0为全光纤电流互感器光强，V为维尔德常数，N为互感器传感环圈数，ΔI为一次导体通流电流的变化量。
[0147] 之后防误处理方法与开环调制时的防误处理方法相同，
[0148]
[0149]
[0150] 通过式(17)获得一次导体通流电流的变化量ΔI，对所述一次导体通流电流的变化量进行积分，得到一次导体通流电流；通过式(18)获得全光纤电流互感器光强P0，判断全光纤电流互感器光强P0是否超限，然后将全光纤电流互感器光强P0作为门槛判断相位偏置是否正常。
[0151]
[0152]
[0153] 对式(19)和(20)的绝对值取最大值Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)，当 时，该最大值最小为P0。因此通过判断P0的大小以及Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)的大小可以监视全光纤电流互感器光强及调制相位偏置是否在正常范围。
[0154] 若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，且相位偏置值处于正常范围，即Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)≥P0，则输出所述一次导体通流电流；
[0155] 若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，但相位偏置值超出正常范围，即Max(|Ptop‑Ph|,|Ptop‑Pl|)
[0156] 若全光纤电流互感器光强超出正常范围，则置零所述一次导体通流电流；若全光纤电流互感器光强未超出正常范围，则输出所述一次导体通流电流。
[0157] 如上实施例所述，通过不完全匹配调制解调方法，实现监视全光纤电流互感器光强及调制相位偏置是否在正常范围，从而防止由于光路断线、相位调制器异常、光路存在端面反射等情况导致解调电流异常，最终达到解调防误的目标，提升全光纤电流互感器的解调电流可靠性，减少由于全光纤电流互感器解调错误导致保护误动对电力全光纤电流互感器造成冲击。
[0158] 实施例2
[0159] 基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种全光纤电流互感器解调防误处理装置，包括：
[0160] 调制信号施加模块，用于基于不完全匹配调制解调方法，向全光纤电流互感器中的相位调制器加载调制信号，使得经过相位调制器的光信号存在无调制区域和 相位调制区域；
[0161] 计算模块，用于获取全光纤电流互感器中光电探测器的输出信号，基于所述输出信号计算出一次导体通流电流、全光纤电流互感器光强和相位偏置值；
[0162] 处理模块，用于依次判断所述全光纤电流互感器光强和相位偏置值是否处于正常范围，并根据判断结果输出或置零所述一次导体通流电流。
[0163] 其余部分均与实施例1相同。
[0164] 实施例3
[0165] 基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种全光纤电流互感器解调防误处理系统，包括存储介质和处理器；
[0166] 所述存储介质用于存储指令；
[0167] 所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述的方法。
[0168] 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、系统、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。
[0169] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、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。
[0170] 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。
[0171] 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。
[0172] 以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
[0173] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
