直流光学电流互感器的信号处理技术研究Word格式文档下载.docx

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电磁式直流电流互感器需要外加电源，绝缘结构较为复杂，容易发生铁芯饱和现象，体积及重量随电压等级升高而增大，这些不足制约了电磁式直流互感器发展。

电子式电流互感器，在正常使用时，其二次侧输出与一次侧电流成正比，并且连接正确时的相伴差与书籍的相伴角近似相等。

电子式电流互感器根据高压侧是否有电子线路以及是否需要电源供电，可以分为有源电子式电流互感器和无涯电子式电流互感器两类。

有源直流电子流毒石器高压侧传感头采用电子线路，因此需要设置可靠的电源对其进行供电。

然而如果高压侧供电电源不稳定，将会极大地影响互感器的测量准确度。

与此同时，供电电源的是有限的，因此高压侧传感电路的功耗不能过大。

此外，由于传感装置位于高压线路附近，因此，当线路中流经加拿大电流时产生的电磁辐射，将会对传感装置电路产生电磁干扰，从而影响互感器的可靠性与稳定性。

无涯电子式电流互感器中的法拉第磁光效应光学电流互感器，与传统电磁式电流互感器相比，且有以下优点：

（1）没有暂态磁饱和现象，动态测量范围大

（2）能够对电力系统故障快速响应

（3）绝缘性能优良

（4）且有很宽的频率响应范围

（5）适应智能化电网的发展

法拉第光学电流互感器与有源电子式电流互感器相比较，由于基本身的传感结构为光学材料，并且无需外接电源供电，因此，其功率不受电源的影响，同时具有很强的抗电磁干扰能力。

由于法拉第光学电流互感器能够有效的克服传统电磁式电流互感器以及有源电子式电流互感器的不足，因此，对用于直流测量的法拉第光学电流互感器的实用化是十分必要的。

1.2国内外研究现状

上世纪60年代起，国外开始了将光学技术用于电流测量的研究，对光学电流互感器的研究也自此兴起。

而70年代初的光纤技术的兴起，对光学电流互感器的进一步研究起到了推动作用。

到70年代末，对光学电流互感器的研究仅集中在理论方面，并且由于测量精度及温度稳定差等方面的问题，因此，该阶段的研究仅处于实验模拟阶段。

自80年代开始至90年代，随着对传感结构性能、绝缘水平及数据处理系统等技术的研究取得重要突破光学电流互感器的研究进入了实用化研究阶段。

其中以美国、日本为代表，许多发达国家都进行了光学电流互感器的实际挂网运行。

从1981年起，日本五大电气公司开始集中对光学电流互感器进行研究。

进入90年代，对于光学电流互感器的相关研究表现出多类型、多用途以及便于化的新特点，并且取得了破布的成果。

而从90年代起，对于光学测量的研究已经逐渐涉及到从高压到特高压的高压输电方面。

各个公司开发出大量的光学电流互感器产品，这些都表明对于光学电流互感器的研究进入到将其实用化和产品化的应用阶段。

自21世纪起，由于对光传感技术进入新的研究阶段，并取得了一定的进展，从而也推动了OCT相关产品的研发进步。

从2000年到2001年，各电压等级光学电压电流互感器开始先后在美国加拿大等地的变电站和发电厂挂网运行。

2000年，230KV电厂等级的全光纤光学电流互感器由北美的NXTPHASE公司研制成功。

从2004年开始，针对铝电解工业，ABB公司研制出用于强直电流测量的光学电流互感器。

这标志着OCT开始用于越来越多的工业领域。

我国对光学电流互感器的研究赴较晚，相关研究从70年代末才开始出现。

我国第一台光学电流互感器成品是由四平电业局和沈阳变压器厂合作研制开发的110KV等级的光学电流互感器。

并在80年代，由四平电业局进行了挂网试验运行，而未满一年即退出运行。

自上世纪90年代起，我国对光学电流互感器的研究进入了新的阶段，多家倍感单位及公司都进行了OCT的挂网运行。

1991年，由中国电力科学研究院和清华大学共同开发的110KV等级光学电流互感器，通过了鉴定并且进行了挂网试运行。

1993年，华中科技大学先后将所研制的110KV独立式单相光学电流互感器、光学电压互感器，在广东省大泽变电站进行了挂网运行；

而后又于1998年将独立式三相光学电流互感器、光学电压互感器挂网于三江变电站。

2003年，华北电力大学与哈尔滨工业大学研制出自适应光学电流互感器，并在河北沙窝变电站进行了挂网运行，其簷电流测量准确度达到0.2级。

2006年，南瑞公司所研发的全光纤电流互感器获得了入网许可，并且于2008年，在淮北的大唐电厂110KV电压等级交流系统上，成功地进行了我国首次全光纤光学电流互感器的挂网运行。

2009年6月，哈尔滨工业大学将其所研制的光学电流互感器成功地在上海的500KV等级超市压线路上投入运行。

这也标志着世界最高电压等级光学电流互感器的相关关键技术，已被我国掌握了。

到目前为止，国内对于用于直流测量的光学电流互感器研究还是比较落后的。

无论是在理论上还是在实用化研究上，都需要进一步的投入与发展，以此推动光学直流电流互感器的实用化、产品化。

1.3设计（论文）的主要研究内容及预期目标

尽管基于法拉第磁光效应的直流光学电流互感器具有很大的优势和广阔的发展前景，但在实用化道路上依然存在一些问题，主要问题之一就是直流光学电流互感器的信号检测时，强噪声和噪声与信号频段相重叠，使用传统的滤波器无法消除其中的噪声，从而无法得到高精度的输出。

为此，本文对提高直流光学电流互感器的输出信号比展开研究。

查阅相关文献，了解直流电流测量方法，以及光学测量电流技术；

总结现有直流电流测量方法，详细分析采用调制解调技术实现的光学直流电流测量技术；

建立基于调制解调的直流光学电流测量系统的LABVIEW计算模型，并在LABVIEW进行仿真计算；

撰写论文。

第2章频谱迁移测量法的研究

2.1光电检测器及其噪声分析

直流光学电流测量系统的主要组成部分为光电检测系统。

光电检测系统包括光信号的变换、传输及处理三个部分。

光学系统光电检测器电路系统

光信号电信号

图2-1光电检测系统组成

其中，光电检测器是利用光电效应把光信息转换为电信息的光电器件，是光电系统中的重要组成部分。

同时，光电检测器也是光电检测系统中噪声的主要来，即直流光学测量系统的噪声主要为光电检测器中的噪声。

常用的光电检测器分为光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、热电探测器、光电成像器件。

利用光伏效应制成的光伏探测器的特点如下：

其光伏效应只产生于结区附近的光：

能够无需外加电压将光信号转换成电信号，具有良好的频率响应特性，响应速度快。

因此，光伏探测器在实际中得到广泛应用。

光伏探测常用有如下几种：

光电池、光电二极管、光电三极管、PIN管、雪崩二极管等。

本文采用的光电检测器为PIN光电二极管光伏探测器，其电路图如下：

图2-2PIN光电二极管光伏探测器电路图

PIN光电二极管光伏探测器产生的噪声主要为散粒噪声、暗电流噪声、热噪声、1/f噪声。

这些噪声集中在1kHz以下的频带内。

其中，相比较于其他几种噪声，电流噪声的影响最大。

光电二极管的理想电流输出为光电流，然而实际中，当光量为0时，仍会有电流输出。

此输出电流即为暗电流。

暗电流经过放大器放大后，为暗电流噪声。

检测暗电流噪声时，将光电检测器通过数据采集卡接入到计算机中，利用LabVIEW软件进行辅助分析。

该实验接线如图所示：

光电检测器NI-6251LabVIEW程序

图2-3光电检测器噪声检测实验接线图

当光电检测器无输入时，暗电流噪声频谱图如下：

图2-4暗电流噪声频谱图

从上图可以看出，暗电流噪声的频带主要集中在0.5Hz以下。

因此，当进行直流测量时，光电检测器输入的直流测量值与暗电流噪声相重叠，影响了测量精度。

交检测器在无输入的情况下运行一段时间后，可以得到光电检测器暗电流噪声的电压幅值变化，如图所示：

图2-5暗电流噪声幅值变化

由此图可知，光电检测器在没有输入时，其内部的二极管暗电流经去处器的放大作用，最终形成57~62mV的暗电流噪声。

而当待测电流变化大小的级为安培时，光电检测器对应输出电压幅值变化的数量级为毫伏级。

因此，可见暗电流噪声对光电检测器输出影响很大，从而降低了光学测量系统的测量精度。

2.2频谱迁移测量法

2.2.1光学电流互感器的基本原理

本文所设计的直流光学电流系统租用法拉第效应对待测电流进行测量。

法拉第效应：

入射线偏振光途径磁光材料时，在外加磁场的作用下，偏振面会发生偏转。

出射偏振光与入微偏振光之间的夹角为法拉第偏转角Θ。

法拉第效应如图所示：

由法拉第效应可知，法拉第偏转角公式为：

（2-1）

其中，V为所用磁光材料对应的维尔德常数为：

H为由待测电流产生的磁场强度；

L为入射偏振光在外加磁场作用下，通过磁光材料的有效长；

l为L对应的积分矢量。

将待测电流围绕磁光材料形成的电流回路后，由环路律，有

（2-2）

由上述两式可得

（2-3）

可见，由于N、V为常数，Θ与i成正比，测得法拉第偏转角即可求得待测电流。

而法拉第偏转角不能直接测得，因此，实际中常利用马吕斯定律，通过测量偏振光光强来对其进行测量。

光学电流测量系统的光源发出初始光强为J0的自然光，经起偏器、磁光材料，检偏器的作用后，出射偏振光光强为：

（2-4）

为了能等到更为准确的测量值，应使出射偏振光的光强最大。

实际中，设置起偏器与检偏器的夹角为

。

从而有

（2-5）

在实际测量中，法拉第偏转角很小，一般只有几度；

同时，令

由此式2-5可化简为

（2-6）

结合2-3、2-6可得

（2-7）

基于上式，可知，待测电流只与入射和出射光强有关。

这就将对法拉第偏转角的求解转化为对光强的分析。

因此，可以使用光电检测器将光强信息转换为对应的电信息。

利用本文的光伏探测器，可以得到光强相应的电压值。

这里，设

对就的转换电压为

可得

（2-8）

式中，X为光电检测器中的低频噪声，其值与光强无关。

基于此式及前文中对噪声的分析可知，待测直流量与噪声频带会发生重叠现象。

此现象将会导致信噪比降低，严重影响测量的精度。

针对此信噪重叠现象，本文采用频谱迁移的方法进行处理，使得问题能够得以解决。

2.2.2频谱迁移测量法原理

本文所提出的频谱迁移测量法，主要利用调制解调方法对直流光学测量系统信号进行变换。

通过将信号频带进行迁移，进而消除光电检测器中信噪频带重叠现象。

直流光学电流互感器用于直流测量时，由于直流电流频率为0Hz，根据式2-7，对入射光强进行频谱迁移，使出射光强频率得到提高，从而经光电转换得到高频电压信号。

此时，如果频带选取的足够高的话，信号频带与噪声频带可以明显的区分开来。

再使用滤波的方法，即可滤除光电检测器中的低频干扰，并且得到只含有待测直流信息的高频电压信号。

由于此部分主要通过对淘汰进行调制，来发言中，因此该步骤称之为光学调制。

对光电检测输出的交直流混合电压信号，需要采用相应的信号处理方法来获取含有行测电流信息的信号。

这一步骤称这为信号的解调。

在该步骤中，由于混合中低频成分主要是由光电检测器的噪声产生的，因此，需要选通过滤波的方法，将混合信号中的低频噪声成分滤除。

信号滤波之后，应对基采用合适的解调方法，从信号中提取所含的待测电流信息，即得到输出信号与行测直流值间的线性关系。

频谱迁移测量法的原理框图如下图所示：

为了消除低频噪声的影响，需要对光信号本身进行变换处理。

光学变换依据可以分为时域调制、空域调制和光学参量调制三种。

其特点如下：

时域调制中，载波随着时间的信息变化而变化；

空域调制的载波，随着空间位置变化，而后随信息变化而变化；

光学参量调制的载波是按光学参量与信息变化而变化。

其中，光学参量调制是将所设定信号调制到光载波上。

通过调制器的作用，，使得光载波的某些特征参量，比如相伴，振幅，频率等，将会随着调制信号的变化而变化。

频谱迁移测量法中的光学调制正是采用光学参量调制中的直接频率调制的方法，采用调制电路来直接产生调制交流光信号。

2.3法拉第直流光学测量系统的设计

针对光电检测器的信噪重叠现象，根据本文所提出频谱迁移测量法，在前人设计的基础上，本文设计了一种基于频谱迁移测量的法拉第直流光学测量系统。

依据频谱迁移测量的基本原理，法拉第直流光学测量系统可以分为三大部分：

光学调制部分、光路系统和信号解调部分。

法拉第直流光学电流测量系统的原理框图如下：

图2-8法拉第直流光学电流测量系统原理图

其中，光学调制部分的主要功能是对光学信号进行调制。

因为光信号不能直接进行调制，因此这一功能是通过对光源进行调制而实现的。

在本设计中，通过采用交流调制信号源来实现对光源的调制，从而输出交流调制光信号。

由光学调制部分所产生的调制光信号，经光纤传输，接入到光路系统中。

光路系统是一个狭义上的法拉第光学电流互感器。

其主要利用法拉第磁光效应，将待测电流信息转换为光信号信息，并通过光电转换将其最终转变为电压信号进行输出。

本设计中的光路系统所采用的光路结构为自适应光学电流互感器的螺旋管聚磁光路结构。

其是由通过行测电流的导线环绕磁光材料构成的。

螺旋管聚磁光路的基本原理为：

将被测电流通往到螺旋管中，会产生聚磁作用，使得电流的磁场集中于平等于螺旋管轴线方向。

其会对偏振光的光路产生影响，从而使偏振光光路为一直线。

图2-9螺线管聚磁光路结构

螺旋管聚磁光路由于只有一个光学元件，并且没有保偏棱镜，因此，减少了折射所造成的误差，消除了光传感中的静态工作点为零现象，降低了温度对光学件的干扰，提高了测量灵敏度及搞电磁干扰能力。

由光路系统的光电检测器输出的电压信号经导线连接，输入到信号解调部分由频谱迁移测量法的原理可知，解调部分主要是对信号实现滤波和解调处理。

这些处理可以采用硬件或软件的方法进行实现，本设计主要采用编程的方法对其进行实现。

通过解调处理，可以得到法拉第直流光学电流测量系统的测量方程，即输出量与电流值的关系。

2.4本章小结

（1）分析了直流光学电流互感器中光电检测器的噪声主要成为为暗电流噪声，进一步明确了影响互感器测量的主要为低频暗电流噪声，及其对测量的影响。

（2）介绍了光学电流互感器的基本原理，针对直流光学电流互感器中所存在的低频信噪重叠现象，提出了频谱迁移测量法，并对该方法具体原理进行了详细说明，给出具体公式及原理图。

（3）设计了法拉第直流光学电流测量系统，并给出了其原理框图，将该系统进行了划分，并对其各部分组成及功能进行了说明，为其各部分的具体功能实现提供了原理依据。

第3章信号检测方法研究

3.1方法研究

经过多年的研究和实践，信号检测技术主要包括锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消、人工神经网络、小波变换、混沌理论、Duffing振子、调制随机共振、自适应随机共振、二维相干技术、希尔伯特黄等。

3.1.1调制随机共振

基于随机共振的微弱信号检测技术是新近发展起来的一种新的信号处理技术，与各种抑噪方法相比，它不是消除噪声，而是充分利用噪声来增强弱信号，以提高信噪比达到识别弱信号，其过程框图如图3-1所示

图3-1调制随机共振过程框图

这种方法能有效降低信号检测下限，且易于硬件实现，可大幅度降低检测成本，因而具有巨大的应用潜力。

3.1.2相关检测法

在电子学系统中，采用低噪声放大技术，选取适应的滤波器限制系统带宽，以掏内部噪声和外部干扰，保证系统的信噪比大大改善，当信号较微弱时，也能得到信噪比大于1的结果。

但当信号非常微弱，比噪声小几个数量级甚至完全被噪声深深淹没时，上述方法就不会有效。

经过分析青蛙，信号和噪声在时间特性上是有差别的，在统计学中，信号和噪声两种函数在统计特性上是可以区分的，从而为把淹没于噪声中的信号提取出来提供了基础。

利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋在噪声中的周期信号提取出来，这就是相关检测。

从原则上看，用通频带很窄的滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器的中心频率必须调在信号频率上。

对于周期不固定或者不能做到频率绝对恒定的信号，滤波器的通频带不能过窄，因此信噪比不的改善不可能太大。

而相关检测相当于一个跟踪滤波器，没有这方面的限制。

信号的相关性用相关函数来表示，它代表线性相关的试题，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。

从本质上说，相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，相关函数是两个时域信号（有时是空间域）相似性的一种试题。

相关检测是一种利用确定性信号的相关性和噪声的随机性这一差异来达到去除噪声的目的，它分为自相关检测和互相关检测，本文主要采用互相关检测。

如果

和

为两个功率有限信号，则可定义他们的互相关函数

（3-1）

令

、

其中

分别代表与待测信号

及参考信号

混在一起的噪声，则式（3-1）可写成

（3-2）

式中

分别是参考信号与待测信号、待测信号与噪声、参考信号与噪声及噪声之间的相关函数。

由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为信号和噪声、噪声和噪声之间互相独立，它们的相关函数为零，于是式（3-2）可写为

（3-3）

式（3-3）表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（相关检测）后，可将信号从噪声中检测出来，噪声被抑制。

互相关检测可保留原函数的部分相位信息，可以获得一定的互相关增益，能达到较好的检测效果，在实际应用中常被采用。

3.1.3小波分析

小波变换理论采用在二维平面上分析信号，发现在合适的惊讶下原来是非平衡的跳变信号会呈现出同噪声截然不同的特性，是一种变分辨率的时域分析方法。

它不仅继承和发展了窗口傅立叶变换的化思想，而且克服了窗口大小不随频率变化，缺乏离散正交基的缺点。

小波变换在分析低频信号时其时间窗很大，而分析高频信号时其时间窗较小，这恰符合实际问题中高频信号持续时间短，低频信号持续时间长的自然规律。

小波分析能有效地提高输出信噪比，同时也适用其他非平衡信号的降噪，小波应用于降噪重建与数据压缩、奇异点出降噪等方面在国内外研究中已取得一定的成果。

3.1.4希尔伯特黄变换

希尔伯特黄变换（HHT）是一种新的非平衡信号处理方法，其本质是对非平衡信号进行简化处理，将信号中不同尺度的波动或趋势逐级分解开来，然后再进行时频处理。

对于振动信号的检测与识别，人们已经对基于傅里叶变换的方法进行了许多研究，在稳态信号检测方面取得了满意的结果，但在瞬态突变微弱信号的检测与识别中却不理想。

希尔伯特黄变换在较高频率、短时非平稳信号的时频分析处理中优于传统信号处理方法。

3.1.5混沌理论

混沌检测是与现在有的各种检测方法完全不同的信号处理方法，它主要是用于混沌系统对初值条件的极度敏感性，当将被检测信号注入混沌系统后，就可以此混沌系统的动力学行为发生很大变化，根据这种变化，通过适应信号处理，从而测出被检信号的各种参数。

目前，常用的检测微弱信号的混沌模型为间歇混沌模型——Duffing振子。

具体来说，间歇性混沌是指系统从有序向混沌或混沌向有序转化时，在非平衡、非线性条件下，当某些参数的变