【正文】 多問題值得研究和改進(jìn)，其中有全光纖型電流互感器的固有雙折射難以處理。全光纖互感器自被提出近30年來，一直圍繞這固有雙折射和溫度穩(wěn)定性的問題進(jìn)行研究。西州電力流域管理局在1987年第二次安裝的光學(xué)計量系統(tǒng)是在其所屬的Moccassin電站完成的,與1986年相比,擴(kuò)展為三相計量。1991年6月,ABB電力Tamp。1996年,日本日立公司電力工業(yè)系統(tǒng)研究開發(fā)小組,使用了塊狀玻璃OCS,用于400MW抽水蓄能電站,額定電流8000A。歐洲方面,英國利物浦大學(xué)電機(jī)系也在進(jìn)行混合式光電電流互感器的研究,德國著名的傳感器公司也在和德國大學(xué)聯(lián)合開發(fā)無源式和有源式光電電流互感器。3M公司在1996年開發(fā)出用于138kV的全光纖電流測量模塊,據(jù)稱可用于500kV電壓等級。南開大學(xué)在利用干涉原理測電壓和利用布拉格光柵測電流也做了深入研究，燕山大學(xué)曾在國內(nèi)首次提出利用差分式Sagnac干涉原理測高壓母線電流，并在原機(jī)械工業(yè)部基金贊助下完成了樣機(jī)的試制。1991年清華大學(xué)和中國電力科學(xué)研究院共同研制的110kV的OCT通過國家鑒定并掛網(wǎng)試運行。偏振光是指光波電矢量方向按一定的規(guī)律變化，矢量端點在空間有規(guī)則的軌跡的光。 (21) 式 （22） 式中，ω—光的角頻率；λ—光波長；，分別為Y，Z方向上的最大振幅；，分別為X,Y分量的相位。 安培定律講了電流與該電流產(chǎn)生的磁場的一圈環(huán)路積分之間的關(guān)系 (24)式中，是導(dǎo)線的根數(shù)，I是每根導(dǎo)線通過的電流強(qiáng)度，假設(shè)只有一根導(dǎo)線，對于環(huán)繞N圈的光纖的閉合回路，法拉第效應(yīng)表示為， (25)再結(jié)合安培定律有 (26)由此可知，通過光纖的線偏光振動平面的偏轉(zhuǎn)角的大小，與光纖環(huán)路的匝數(shù)及通過導(dǎo)線的電流強(qiáng)度成正比。起偏器的方向相對于雙折射光纖的雙折射軸x和y成45度角。通過反射，偏振方向轉(zhuǎn)換，例如左旋變右旋反之亦然。作為偏振交換的結(jié)果，光路徑上的干擾相互抵消為0。(1)輻射的幾何特性。中心波長應(yīng)選在光纖的低損耗傳輸窗口，使傳輸損耗最小，光譜寬度由帶寬決定。光源的電源對光的輸出有影響，是多方面的。光源的性能直接影響到光纖傳感器的質(zhì)量，常用的光源有白熾燈，激光器，半導(dǎo)體光源，適合用作光源的是半導(dǎo)體光源，半導(dǎo)體光源利用PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)換為光能的器件，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，效率高，壽命長的特點，與光纖兼容性很好，半導(dǎo)體光源分為半導(dǎo)體發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光二極管，半導(dǎo)體激光二極管存在著一些缺點，如溫度特性較差，工作一段時間后會退化影響穩(wěn)定性和壽命，易損壞，壽命短，價格比較高，而發(fā)光二極管的壽命較長，而且輸出光功率電流特性線性非常好，使用簡單。在光纖電流互感器中偏振光在保偏光纖中傳輸受雙折射的影響，會產(chǎn)生相位延遲，當(dāng)入射光為線偏振光時，偏振光的偏振態(tài)變化為；線偏振光橢圓偏振光圓偏振光橢圓偏振光線偏振光。因為包括λ/4在內(nèi)的光纖傳感環(huán)是放在室外的，溫度變化較大而且處在高壓區(qū)，不能采取恒溫措施，如果隨著溫度的變化相位延遲也較大[21]，那么系統(tǒng)的精度會受影響，因此選擇溫度特性較好的幾何雙折射光纖λ/4波片以提高系統(tǒng)的精度。 光電探測器是以很重要的部分，特的性能指標(biāo)直接影響著傳感器的性能，光電探測器的作用是將光纖傳來的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的原理為光電效應(yīng)，就是物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的現(xiàn)象，光子打在物質(zhì)表面上光子的能量被電子吸收之后改變了電子的運動規(guī)律，電子發(fā)生了躍遷運動，處于低能級的電子受激勵后克服阻力脫離物質(zhì)表面發(fā)生的光電效應(yīng)為外光電效應(yīng)，也有物質(zhì)在受激勵后本身的電阻發(fā)生改變稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 偏振器在光路中起起偏和檢偏的作用，用來產(chǎn)生和檢測線偏振光，偏振器的性能主要取決于消光比，最大孔徑，以及光的吸收性，選偏振器應(yīng)選擇通光孔徑大于光束的直徑，而且具有高消比和透過率。 當(dāng)兩束沿Y方向的偏振光進(jìn)入相位調(diào)制器后，其中的一路經(jīng)過首先通過λ/4波片后變?yōu)閳A偏振光，再由旋光器將圓偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了45176。另一路光直接通過90176。的相位差。這兩束光再次通過λ/4波片后，恢復(fù)為線偏振光，并且X方向入射的線偏振光變成了Y方向的線偏振光，而Y方向入射的線偏振光變成了X方向的線偏振光。焊接后重新變?yōu)檠豗方向的線偏振光。然后經(jīng)過偏振器后，X和Y方向的偏振光分別只剩下與起偏器相同方向的分量，它們進(jìn)行干涉后使得由于法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的光波相位的變化轉(zhuǎn)變成為光強(qiáng)度變化的信息，而這個信息就表示了被測電流的大小。 光源驅(qū)動電路的設(shè)計圖為光源的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路中利用穩(wěn)壓管Dz在反向工作狀態(tài)時的穩(wěn)壓特性來穩(wěn)定運算放大器的反相輸入端電壓，圖中Ra主要用來為穩(wěn)壓管分壓，F(xiàn)ry是運放的平衡電阻，Rh,Rc及可調(diào)電阻Rb和二極管D組成了一個溫度漂移的補(bǔ)償電路，該電路利用二極管PN結(jié)正向壓降的負(fù)溫度系數(shù)(約2mv/℃)，來補(bǔ)償驅(qū)動電路的溫度漂移，由電工學(xué)知識可得： (216)由式(216)可以看出，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使Uo與Uz成線性關(guān)系，當(dāng)Uo恒定時，三極管的集電極就會產(chǎn)生恒定的電流，從而是LED穩(wěn)定的發(fā)光，在實際的應(yīng)用過程中，環(huán)境的溫度變化會影響運算放大器的輸出電流和三極管集電極電流變大，導(dǎo)致LED發(fā)光變強(qiáng)，由于電路采用了溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度升高時，式(216)中I2變小使輸出電壓Uo變小，這樣就減小了溫度變化對電路的影響，使LED發(fā)光對溫度的變化不敏感，可通過調(diào)節(jié)Rb來控制補(bǔ)償?shù)某潭?。?章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)式互感器數(shù)字接口的一個部分，主要對傳感元件輸出的電流，電壓信號同步采樣并對型號編碼成光信號進(jìn)行傳輸。常用的低通濾波器有巴特沃斯濾波器，車比雪夫濾波器，貝塞爾濾波器。 圖32 濾波電路 濾波電路的傳遞函數(shù)為： (31) (32) (33) (34) 令 則 (35)由二階巴特沃斯多項式 (36)可得 R4=0,同時令R3等于無窮，即R3開路得到單位增益的低通濾波器，由于50HZ的干擾信號較強(qiáng)，故采用電通濾波器濾除30HZ以上的信號，這樣就能消除30HZ以上信號的干擾，所以有濾波范圍可得C1=，C2=，可解得R1=7860Ω,R2=14648Ω,對電阻取標(biāo)稱值，所以濾波器的參數(shù)為C1=，C2=,R1=7860Ω,R2=14648Ω. 積分電路 模擬積分器主要有高性能的運算放大器構(gòu)建，常用的積分器電路。改進(jìn)積分器的傳遞函數(shù) (311) 由傳遞函數(shù)可以看出，電路的幅頻特性特點是幅值變化與頻率成反比，電路對低頻信號的放大是工頻信號的很多倍，因此易受低頻信號的影響。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況靈活選取電路元件參數(shù)。3. 精度 分為絕對精度和相對精度。ADS5102是一種低功耗CMOS工藝的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，10位并行輸出總線提供三態(tài)輸出，ADS5102具有靈敏的供電系統(tǒng)，提供了一個省電模式，可以將功耗降低到336181。3. 。W。 圖39 ADS5102與FPGA的連接圖 組幀編碼模塊設(shè)計 組幀編碼模塊主要功能是對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀和編碼，即產(chǎn)生CRC校驗碼，對數(shù)據(jù)幀加上相應(yīng)的起始和終止位，進(jìn)行曼徹斯特編碼，CRC是線性分組碼的一種，編碼解碼方法簡單，檢錯糾錯能力強(qiáng)，是在嚴(yán)密的代數(shù)理論基礎(chǔ)上建立起來的，CRC檢錯過程可是在發(fā)送端，根據(jù)要發(fā)送的A位二進(jìn)制碼序列，根據(jù)一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的B位監(jiān)督碼，附在原始信息后邊，成了一個新的二進(jìn)制碼序列供A+B位，在發(fā)送出去；在接收端根據(jù)信息碼和監(jiān)督嗎之間遵循的規(guī)則進(jìn)行校驗，確定傳輸是否出錯。碼元1 是在前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平。 圖310 CRC碼生成圖為了提高傳輸效率，采用了常見的CRC8，圖中R0R7構(gòu)成了CRC寄存器是一個8位移位寄存器組，用來儲存8位CRC校驗碼，運算控制開關(guān)g1….g7的位置與生成多項式的系數(shù)相關(guān)，系數(shù)1的開關(guān)接通反饋之路，否則接地，編碼解碼前需要清零CRC寄存器。光信號的傳輸距離與發(fā)送器的驅(qū)動電流有關(guān)，HFBR是使用的發(fā)光二極管完成的電光轉(zhuǎn)換，只要縮短導(dǎo)通時間就能降低發(fā)送功耗，也能延長發(fā)光器件的使用壽命。 圖312 光接收電路 同步采樣IEC6185091規(guī)定了合并單元的時鐘要求[15]。 同步信號2的產(chǎn)生 合并單元有檢測同步信號1的合理性的功能，根據(jù)IEC600448合并單元正確識別同步信號1有兩個依據(jù)：1）相鄰脈沖上升沿間隔為1s，當(dāng)相鄰脈沖上升沿時間間隔大于10μs的時候判定同步信號1輸入異常。 同步信號異常時的動作 合并單元在檢測同步信號1的時候如果發(fā)現(xiàn)丟失或異常，會立即通知二次側(cè)設(shè)備及高壓數(shù)據(jù)采集器，使二次設(shè)備繼續(xù)實時跟蹤同步信號1判斷其是否恢復(fù)正常，若發(fā)現(xiàn)已恢復(fù)正常會及時發(fā)送恢復(fù)正常標(biāo)致信號。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在對數(shù)字接口的設(shè)計中，物理層應(yīng)采用曼碼編碼方案，并通過基于光纖或銅纜的傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)物理連接。(1) 物理層合并單元到二次設(shè)備的輸出可以有數(shù)字光信號和電信號，對應(yīng)的傳輸介質(zhì)也有光纖或銅線兩種。數(shù)字光輸出和數(shù)字電輸出在鏈路層和應(yīng)用層的規(guī)定上是完全一致的，不同的只是物理層的傳輸介質(zhì)。這類幀的優(yōu)點是數(shù)據(jù)完整性好，可用于高速多支路同步數(shù)據(jù)鏈。傳輸規(guī)則：規(guī)則1—行空位是二進(jìn)制1。規(guī)則4—校驗序列建立一個多項式生成碼：X16+X13+X12+X11+X10+X8+X6+X5+X2+1規(guī)則5—接收器檢驗信號品質(zhì)，起始符，各校驗序列和幀長度。從表中可以看到，每幀數(shù)據(jù)由2個狀態(tài)字，每個狀態(tài)字占用2個字節(jié)。 圖41 曼碼編碼原理圖上升沿為高電平，下降沿為低電平，曼碼傳輸能夠有效的提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 SA:源地址，可以自己定義，但在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)為唯一的標(biāo)志，48位。 PDU:協(xié)議數(shù)據(jù)單元，64位。 合并單元的通信變電站自動化系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)交換量非常大，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的間隔層和過程層需要交換的數(shù)據(jù)有互感器的電流，電壓采樣實時數(shù)據(jù)，對設(shè)備的控制命令，對設(shè)備的監(jiān)測和診斷數(shù)據(jù)等，這兩層之間的數(shù)據(jù)通信頻繁，每次傳送的報文短，而通信量大，而且對實時性要求很嚴(yán)格。此數(shù)據(jù)通信位于開關(guān)附近，故對其抗干擾性要求很高，需保證數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸給保護(hù)等設(shè)備。合并單元的功能要求：(1) 能夠?qū)崟r接收從高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的采樣數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。要實現(xiàn)IEC6185091中所定義的合并單元功能[6]，首先應(yīng)清楚標(biāo)準(zhǔn)對電流，電壓采樣值信息的報文性能要求。電流、電壓采樣值信息是變電站原始數(shù)據(jù)報文類型的信息，對于此報文的不同性能分類，其信息性能要求差異也比較大，如對于保護(hù)的性能級P1，要求其采樣率為480點/s,同步采樣準(zhǔn)確度是177。s。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信息是由一串碼元傳遞的，這些碼元通常具有相同的持續(xù)時間。實際工作中是采用計數(shù)器算法。因此還需要確定收到的連續(xù)碼流是上述第一種情況還是第二種情況。 CRC校驗電路 處理模塊接收到的數(shù)據(jù)由兩部分組成，前部分使系統(tǒng)的采集結(jié)果，后部分是附加的前一部分的CRC校驗碼，處理模塊按照與采集模塊相同的算法對前部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行再次運算，并于CRC校驗碼進(jìn)行比較，比較結(jié)果由校驗電路寫入校驗標(biāo)志寄存器中，當(dāng)傳輸正確時向其中寫入0，傳輸錯誤時寫入1，系統(tǒng)初始化時寫入0作為默認(rèn)值，DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，首先檢驗校驗標(biāo)志位，判斷數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)選擇進(jìn)入何種數(shù)據(jù)流程。 圖43 同步信號1的產(chǎn)生圖中，F(xiàn)PGA芯片所接的頻率將其進(jìn)行分頻后才能得到周期為1s的頻率信號，同時同步信號1好要求脈沖寬度大于10μs脈沖間隔大于500ms，從而確定高電平脈沖寬度是范圍是多少個周期。有效頻段內(nèi)的幅值誤差，在設(shè)計濾波器和確定變比系數(shù)等參數(shù)時能夠考慮到，所以相位誤差相對幅值誤差而言影響較大，因此必須對信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而給數(shù)據(jù)包打上正確的時標(biāo)。 數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器有著模擬濾波器不可比擬的優(yōu)點：1）精度高 模擬電路很難達(dá)到103以上而數(shù)字濾波器可以達(dá)到105，2）靈活性大 數(shù)字濾波器的主要性能與乘法器的個系數(shù)有關(guān)，而這些系數(shù)是存放在系數(shù)存儲器中的，只要改變存儲器中的系數(shù)就能得到不同的系統(tǒng)，方便很多[3]，3）可靠性高 因為數(shù)字系統(tǒng)只有兩個電平信號0和1，受噪聲影響小。這里采用的是FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器的結(jié)構(gòu)圖。(4) FIR濾波器可采用FFT算法實現(xiàn),從而提高運算效