【正文】 ，但發(fā)展迅速。 利用待測電流磁場進行直流電流測量的測量裝置，常用的有電磁式直流電流互感器、霍爾傳感器、直流比較儀、電子式直流電流互感器。 電子式電流互感器，在正常使用時，其二次側(cè)輸出與一次側(cè)電流成正比，并且連接正確時的相伴差與書籍的相伴角近似相等。與此同時，供電電源的是有限的，因此高壓側(cè)傳感電路的功耗不能過大。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 上世紀 60 年代起，國外開始了將光學(xué)技術(shù)用于電流測量的研究，對光學(xué)電流互感器的研究也自此興起。其中以美國、日本為代表，許多發(fā)達國家都進行了光學(xué)電流互感器的實際掛網(wǎng)運行。各個公司開發(fā)出大量的光學(xué)電流互感器產(chǎn)品，這些都表明對于光學(xué)電流互感器的研究進入到將其實用化和產(chǎn)品化的應(yīng)用階段。從 20xx 年開始，針對鋁電解工業(yè)， ABB 公司研制出用于強直電流測量的光學(xué)電華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 流互感器。并在 80年代，由四平電業(yè)局進行了掛網(wǎng)試驗運行，而未滿一年即退出運行。 20xx 年，華北電力大學(xué)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出自適應(yīng)光學(xué)電流互感器，并在河北沙窩變電站進行了掛網(wǎng)運行，其簷電流測量準確度達到 級。 到目前為止，國內(nèi)對于用于直流測量的光學(xué)電流互感器研究還是比較落后的。 查閱相關(guān)文獻，了解直流電流測量方法，以及光學(xué)測量電流技術(shù)； 總結(jié)現(xiàn)有直流電流測量方法，詳細分析采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)的光學(xué)直流電流測量技術(shù)； 建立基于調(diào)制解調(diào)的直流光學(xué)電流測量系統(tǒng)的 LABVIEW 計算模型，并在LABVIEW 進行仿真計算； 撰寫論文。同時，光電檢測器也是光電檢測系統(tǒng)中噪聲的主要來，即直流光學(xué)測量系統(tǒng)的噪聲主要為光電檢測器中的噪 聲。 光伏探測常用有如下幾種：光電池、光電二極管、光電三極管、 PIN 管、雪崩二極管等。光電二極管的理想電流輸出為光電流，然而實際中，當(dāng)光量為 0時，仍會有電流輸出。該實驗 接線 如圖所示： 光電檢測器 NI6251 LabVIEW 程序 圖 23 光電檢測器噪聲檢測實驗 接線圖 當(dāng)光電檢測器無輸入時，暗電流噪聲頻譜圖如下： 圖 24 暗電流噪聲頻譜圖 從上圖可以看出，暗電流噪聲的頻帶主要集中在 以下。因此，可見暗電流噪聲對光電檢測器輸出影響很大，從而降低了光學(xué)測量系統(tǒng)的測量精度。法拉第 效應(yīng)如圖所示： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 由法拉第效應(yīng)可知， 法拉第偏轉(zhuǎn) 角公式為： LV Hdl?? ? （ 21） 其中， V 為 所用 磁光材料對應(yīng)的維爾德常數(shù)為： H 為由待測電流產(chǎn)生的磁場強度； L 為入射偏振光在外加磁場作用下，通過磁光材料的有效長； l 為 L對應(yīng)的積分矢量。實際中，設(shè)置起偏器與檢偏器的夾角為 /4? 。因此，可以使用光電檢測器將光強信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信息?；诖耸郊扒拔闹袑υ肼暤姆治隹芍郎y直流量與噪聲頻帶會發(fā)生重疊現(xiàn)象。通過將信號頻帶進行遷移，進而消除光電檢測器中信噪頻帶重疊現(xiàn)象。由于此部分主要通過對淘汰進行調(diào)制，來發(fā)言中，因此該步驟稱之為光學(xué)調(diào)制。信號濾波之后，應(yīng)對基采用合適的解調(diào)方法，從信號中提取所含的待測電流信息，即得到輸出信號與行測直流值間的線性關(guān)系。其中，華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 光學(xué)參量調(diào)制是將所設(shè)定信號調(diào)制到光載波上。依據(jù)頻譜遷移測量的基本原理，法拉第直流光學(xué)測量系統(tǒng)可以分為三大部分：光學(xué)調(diào)制部分、光路系統(tǒng)和信號解調(diào)部分。 由光學(xué)調(diào)制部分所產(chǎn)生的調(diào)制光信號，經(jīng)光纖傳輸，接入到光路系統(tǒng)中。其是由通過行測電流的導(dǎo)線環(huán)繞磁光材料構(gòu)成的。 由光路系統(tǒng)的光電檢測器輸出的電壓信號經(jīng)導(dǎo)線連接，輸入到信號解調(diào)部分由頻譜遷移測量法的原理可知，解調(diào)部分主要是對信號實現(xiàn)濾波和解調(diào)處理。 （ 2）介紹了光學(xué)電流互感器的基本原理，針對直流光學(xué)電流互感器中所存在的低頻信噪重疊現(xiàn)象，提出了頻譜遷移測量法，并對該方法具體原理進行了詳細說明，給出具體公式及原理圖。 相關(guān)檢測法 在電子學(xué)系統(tǒng)中，采用低噪聲放大技術(shù)，選取適應(yīng)的濾波器限制系統(tǒng)帶寬，以掏內(nèi)部噪聲和外部干擾，保證系統(tǒng)的信噪比大大改善，當(dāng)信號較微弱時，也能得到信噪比大于 1的結(jié)果。從原則上看，用通頻帶很窄的濾波器也可以從噪聲中提取信號，但濾波器的中心頻率必須調(diào)在信號頻率上。 從本質(zhì)上說，相關(guān)檢測技術(shù)是基于信號和噪聲的統(tǒng)計特性進行檢測的，相關(guān)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 函數(shù)是兩個時域信號（有時是空間域）相似性的一種試題。 互相關(guān)檢測可保留原函數(shù)的部分相位信息，可以獲得一定的互相關(guān)增益，能達到較好的檢測效果，在實際應(yīng)用中常被采用。 小波分析能有效地提高輸出信噪比，同時也適用其他非平衡信號的降噪，小波應(yīng)用于降噪重建與數(shù)據(jù)壓縮、奇異點出降噪等方面在國內(nèi)外研究中已取得一定的 成果。 混沌檢測是與現(xiàn)在有的各種檢測方法完全不同的信號處理方法，它主要是用于混沌系 統(tǒng)對初值條件的極度敏感性，當(dāng)將被檢測信號注入混沌系統(tǒng)后，就可以此混沌系統(tǒng)的動力學(xué)行為發(fā)生很大變化，根據(jù)這種變化，通過適應(yīng)信號處理，從而測出被檢信號的各種參數(shù)。相干技術(shù)方法分為三代：第一代算法是基于互相關(guān)的一種算法，這種算法在信噪比較高的情況下對信號有較好的分辨能力，但抗噪能力較差，第二代算法是基于相似的算法，與第一代算法相比是計算相干性較好的算法，且分辨率較高，但資料品質(zhì)對相干處理的效果仍有一定的影響，第三代算法是基于特征結(jié)構(gòu)的一種算法。然后對于這些間隔的信號進行取樣，并 將處于相同位置的取樣進行積分或平均。 自適應(yīng)噪聲抵消不需要預(yù)告知道干擾噪聲的統(tǒng)計特性，它能在逐次迭代的過程中將自身的工作狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應(yīng)噪聲抵消在通信、雷達、聲納、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。調(diào)制解調(diào)有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相三種形式，當(dāng)被測信號與噪聲頻帶重疊時，為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，即進行調(diào)制，將被測信號進行頻譜遷移，然后再用與調(diào)制信號同頻的信號進行解調(diào)得到測量信號。取樣積分適用于恢復(fù)高頻信號，數(shù)字式平均法更適用于低頻和中頻信號。 （ 5）小波分析檢測微弱信號對非平穩(wěn)信號的噪聲降低具有無可比擬的優(yōu)點，可有效區(qū)別信號中的突變部分和信號中的噪聲部分。 （ 7）調(diào)制解調(diào)法能夠?qū)χ绷餍盘栠M行頻譜遷移，將信號頻率遷行色匆匆到遠離噪聲的頻帶之外，用傳統(tǒng)的濾波器就可以除去噪聲，再通過解調(diào)來還原初始信號，適合于直流電流的測量。針對直流輸電線路直流側(cè)的諧波電流及噪聲特點，用相關(guān)檢測法對諧波進行檢測可以有效消除噪聲。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 第 4 章 直流電流檢測的仿真分析 檢測原理及過程 在測量系統(tǒng)中，除了傳感器輸出的測量信號外，還含有各種噪聲，而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分 享出來是測量系統(tǒng)的一項重要任務(wù)。 基于調(diào)制解調(diào)法設(shè)計的直流電流檢測系統(tǒng)框圖如圖 41所示： 圖 41 基于調(diào)制解調(diào)的直流電流測量系統(tǒng) 本文所設(shè)計的直流光學(xué)電流互感器是基于法拉第磁光效應(yīng)的，一束偏振光沿電流所產(chǎn)生的磁場方向通過 Faraday 材料時，其偏振面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn) 角與被測電流成正比。 由第二章所設(shè)計的直流光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)圖 27 及式（ 43）可知，光電探測器能夠線性的將光強信號（ W? ）轉(zhuǎn)換為電壓信號（ V），即該電壓信號與被測直流電流 i 成線性關(guān)系，但與此同時，也引入了光電探測器的內(nèi)部噪聲。 取調(diào)制信號 ( ) 1 sins t t??? ，調(diào)制頻率 f=40kHz，遠離噪聲的頻帶。 可以看出，通過運用調(diào)制解調(diào)方法對被測電流進行頻譜遷移，可以除去系統(tǒng)中存在的噪聲，獲得被測信號。使用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建 32們的編譯程序，從而使常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務(wù)得以高速執(zhí)行。根據(jù)本文的設(shè)計經(jīng)驗，信噪比最嚴重時可達到 20dB。設(shè) y kx b??，式中 y 為輸出直流， x 為輸入直流， k為系數(shù)， b 為常數(shù)，則對于 不同的截止頻率下輸出與輸入直流值之間的關(guān)系如表41 所示，高通濾波器截止頻率的選定主要取決于光電探測器所帶來的內(nèi)部噪聲。 經(jīng)過測量，得到噪聲有效值在 （ .）左右，針對直流光學(xué)電流互感器弱信號強噪聲的特點，選擇了高通濾波器截止頻率在 30kHZ時 （ .）間的十個輸入電 流值對輸 入 信噪比和 輸出信噪比 進行測量 ，信噪比20 log ( / )snSN R V V? ，其中 sV 和 nV 分別為信號及噪聲電壓的有效值，得到的信噪比曲線如圖 45 所示。 當(dāng)輸入信號從 （ .） 開始增加時，由于信號增加而噪聲不變，輸出信噪比可以超過 54dB，達到 %的測量精度，如圖 46 所示。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 5 章 總結(jié)與展望 全文總結(jié) 現(xiàn)階段，高壓直流輸電已在我國得到了快速發(fā)展，直流電流互感器是直流系統(tǒng)中測量與保護的最基本單元，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到直流輸電設(shè)備的安全以及運行的穩(wěn)定性。本文針對直流光學(xué)電流互感器的信號檢測展開研究。 3 針對基于調(diào)制解調(diào)法的直流光學(xué)電流互感器的直流電 流測量展開了研究，設(shè)計了測量系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)了測量過程的相應(yīng)公式，并在 LabVIEW 環(huán)境下進行了仿真。隨著我國高壓直流輸電事業(yè)如火如荼的開展，相關(guān)的直流檢測和保護設(shè)備的國產(chǎn)化顯得越來越重要。 3 在考慮外界溫度影響的前提下，對本文提出的理論和設(shè)計的測量系統(tǒng)進行驗證，并在此基礎(chǔ)上研究當(dāng)環(huán)境溫度變化時提高直流光學(xué)電流互感器的測量性能的方法。在此向李老師表示崇高的敬意和深深的感謝。 。和他們共度的時光將 是我最美好的回憶。李老師對學(xué)生在學(xué)業(yè)上嚴格要求，在生活上關(guān)心愛護，這些都令我銘記在心，李老師的博學(xué)多聞和寬廣的胸襟令我終生難忘。在本文研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還有如下內(nèi)容有待深入： 1 針對基于調(diào)制解調(diào)法的直流光學(xué)電流互感器的直流電流測 量系統(tǒng)，對影響誤差的各種因素進行詳細的分析，在此基礎(chǔ)上，研究提高直流光學(xué)電流互感器的精度的措施，最終實現(xiàn)直流光學(xué)電流互感器的實用化。 工作展望 基于法拉第磁光效應(yīng)的高壓直流光學(xué)電流互感器從理論上不僅能夠測量直流電流，還能實現(xiàn)對諧波電流的測量。通過對直流光學(xué)電流互感器在測量過程中引入的內(nèi)部噪聲及其信噪特性進行理論 分析和試驗，驗證了其存在噪聲與信號頻帶相重疊的問題，無法用傳統(tǒng)的器方法進行噪聲濾除，需要采用微弱信號檢測技術(shù)實現(xiàn)對直流電流和諧波電流的準確測量。而基于法拉第磁光效應(yīng)的直流光學(xué)電流互感器以其種種優(yōu)點發(fā)展迅速，必將取代傳統(tǒng)的電流互感器。 本章小結(jié) 本章針對基于調(diào)制解調(diào)法的直流光學(xué)電流互感器的直流電流測量展開研究，設(shè)計了測量系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)了測量過程的相應(yīng)公式，并在 LabVIEW 環(huán)境下進行了仿真。 當(dāng)輸入信號為 （ .） 時，未采用調(diào)制解調(diào)法時，信噪 比達到 27dB，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)信號處理后，輸出信噪比達到 54dB，測量精度達到 %。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高通濾波器的截止頻率選取不同的值時，修正后的直流值與輸入直流值的誤差維持在 級以內(nèi)，滿足國家規(guī)定的標(biāo)準。噪聲的類型包括高斯白噪聲和 1/f 噪聲，這些噪聲均可由LabVIEW 模擬給出，調(diào)制信號及解調(diào)信號用信號發(fā)生器生成，高通濾波及低通濾波功能由濾波器模塊實現(xiàn)。 圖 42 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 用 LabVIEW 對基于調(diào)制解調(diào)法的直流光學(xué)電流互感器的直流電流測量過程進行仿真，仿真程序和前面板如圖 4 44所示。 LabVIEW 是建立在 Windows 基礎(chǔ)上的圖形融會貫通虛擬儀器開發(fā)平臺，它采用圖形化語言（ G語言）編程，界面形象直觀，操作簡單，并且編程易學(xué)易懂，省時省力