【正文】 調(diào)制隨機(jī)共振 .......................................... 11 相關(guān)檢測法 ............................................ 11 小波分析 .............................................. 12 希爾伯特黃變換 ........................................ 13 混沌理論 .............................................. 13 二維相干技術(shù) .......................................... 13 取樣積分與數(shù)字式平均法 ................................ 13 鎖定放大器 ............................................ 14 自適應(yīng)噪聲抵消法 ...................................... 14 調(diào)制解調(diào)法 ........................................... 15 信號檢測方法的比較 .......................................... 15 本章小結(jié) .................................................... 16 第 4 章 直流電流檢測的仿真分析 ...................................... 17 檢測原理及過程 .............................................. 17 基于 LAbVIEW 的信號檢測仿真 .................................. 19 虛擬儀器 LabVIEW....................................... 19 仿真過程分析 .......................................... 20 本章小結(jié) .................................................... 23 第 5 章 總結(jié)與展望 .................................................. 24 全文總結(jié) .................................................... 24 工作展望 ................................................... 24 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................ 26 致 謝 ........................................................... 28 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 選題背景和意義 1954 年世界上首個高壓直流輸電系統(tǒng)在瑞典投入運(yùn)行，從那時開始，高壓直流輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用?；魻柣ジ衅饔?于直流測量時，不會發(fā)生飽和現(xiàn)象但是其受外界溫度影響較大，并且需要外加電源及接入平衡電流。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無涯電子式電流互感器中的法拉第磁光效應(yīng)光學(xué)電流互感器，與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，且有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）沒有暫態(tài)磁飽和現(xiàn)象，動態(tài)測量范圍大 （ 2）能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)故障快速響應(yīng) （ 3）絕緣性能優(yōu)良 （ 4）且 有很寬的頻率響應(yīng)范圍 （ 5）適應(yīng)智能化電網(wǎng)的發(fā)展 法拉第光學(xué)電流互感器與有源電子式電流互感器相比較，由于基本身的傳感結(jié)構(gòu)為光學(xué)材料，并且無需外接電源供電，因此，其功率不受電源的影響，同時具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。進(jìn)入 90年代，對于光學(xué)電流互感器的相關(guān)研究表現(xiàn)出多類型、 多用途以及便于化的新特點(diǎn)，并且取得了破布的成果。 我國對光學(xué)電流互感器的研究赴較晚，相關(guān)研究從 70 年代末才開始出現(xiàn)。 20xx 年 6 月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)將其所研制的光學(xué)電流互感器成功地在上海的 500KV 等級超市壓線路上投入運(yùn)行。光電檢測系統(tǒng)包括光信號的變換、傳輸及處理三個部分。這些噪聲集中在 1kHz 以下的頻帶內(nèi)。 交檢測器在無輸入的情況下運(yùn)行一段時間后，可以得到光電檢測器暗電流噪聲的電壓幅值變化，如圖所示： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 25 暗電流噪聲幅值變化 由此圖可知，光電檢測器在沒有輸入時，其內(nèi)部的二極管暗電流經(jīng)去處器的放大作用，最終形成 57~62mV 的暗電流噪聲。而法拉第偏轉(zhuǎn)角不能直接測得，因此，實(shí)際中常利用馬呂斯定律，通過測量偏振光光強(qiáng)來對其進(jìn)行測量。這里，設(shè) 0J對就的轉(zhuǎn)換電壓為 0U 。此時，如果頻帶選取的足夠高的話，信號頻帶與噪聲頻帶可以明顯的區(qū)分開來。光學(xué)變換依據(jù)可以分為時域調(diào)制、空域調(diào)制和光學(xué)參量調(diào)制三種。因為光信號不能直接進(jìn)行調(diào)制，因此這一功能是通過對光源進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn) 的。其會對偏振光的光路產(chǎn)生影響，從而使偏振光光路為一直線。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第 3 章 信號檢測方法研究 方法研究 經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，信號檢測技術(shù)主要包括鎖定放大、取樣積分、相關(guān)檢測、自適應(yīng)噪聲抵消、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、混沌理論、 Duffing 振子、調(diào)制隨機(jī)共振、自適應(yīng)隨機(jī)共振、二維相干技術(shù)、希爾伯特黃等。而相關(guān)檢測相當(dāng)于一個跟蹤濾波器，沒有這方面的限制。它不僅繼承和發(fā)展了窗口傅立葉變換的化思想，而且克服了窗口大小 不隨頻率變化，缺乏離散正交基的缺點(diǎn)。具體來說，間歇性混沌是指系統(tǒng)從有序向混沌或混沌向有序轉(zhuǎn)化時，在非平衡、非線性條件下，當(dāng)某些參數(shù)的變化達(dá)到某一臨界閾值時，系統(tǒng)的時間行為在周期運(yùn)動和混濁運(yùn)動兩者之間振蕩，有關(guān)參數(shù)繼續(xù)變化時，整個系統(tǒng)由間歇性混沌發(fā)展成混沌。 鎖定放大器掏噪聲有三個基本出發(fā)點(diǎn)： （ 1）用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進(jìn)行放大，以避開 1/f 噪聲的不利影響 （ 2）利用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以同時利用頻率和進(jìn)行檢測，噪聲與信號同頻又同相的概率很低 （ 3）用低通小小器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲，低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。比較上述常用的微弱信號檢測方法，得到以下結(jié)論： （ 1）鎖定放大器實(shí)質(zhì)上是相關(guān)檢測原理的一個特例，其技術(shù)已經(jīng)相對成熟，輸入信號必須為交流信號，利用 LPF 的窄帶化來提高其信噪比，主要測量幅度較小的直流信號或慢變信號，只能檢測淹沒在噪聲中的正統(tǒng)信號的幅度和相位，而對于噪聲中的脈沖波形， LIA 的低通濾波器會濾除其高頻分量，導(dǎo)致波形畸變，但在電力系統(tǒng)中，頻率可基本上 認(rèn)為是書籍的，所測的電流為交流信號，提取出準(zhǔn)確的幅度和相伴即可得到準(zhǔn)確的波形，所以可以采用該方法進(jìn)行微弱信號檢測，但其電路相對比較復(fù)雜，而且 LPF 的時間常數(shù)越大，等交噪聲帶寬越窄， SNIR越大，所需要的測量時間也越長，可以考慮采用其他的改進(jìn)措施對其進(jìn)行改進(jìn)。 （ 6）混沌系統(tǒng)、隨機(jī)共振方法和二維相干技術(shù)最近研究比較多，但其理論還不是很完善，尤 其是隨機(jī)共振方法只有當(dāng)系統(tǒng)非線性，信號與噪聲達(dá)到某種匹配時背景噪聲才會增加微弱信號傳輸，以提高輸出信噪比。其中調(diào)制解調(diào)的方法在用于直流電流測量時，結(jié)合第二章的信噪分析，可對直流信號進(jìn)行頻譜遷移， 避開噪聲的頻譜范圍，然后對濾波信號進(jìn)行解調(diào)，即可得到直流電流，較之其他方法簡便易行，故本文選用調(diào)制解調(diào)法用于直流電流的測量，采用相關(guān)檢測法實(shí)現(xiàn)對諧波的檢測。其中，馬呂斯定律的描述是：一束光強(qiáng)為 0J 的線偏振光，透過檢偏器以后，透射光的強(qiáng)度為 210cosJJ ?? ，式中 ? 為線偏振光的光振動方向與檢偏器透振方向間的夾角。則可得輸出 3 0 01() 2s t J VJ i?? （ 47） 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 由式（ 47）可知，輸出為一直流， 其中 3()st和 0J 可測得， V 為一常數(shù)，根據(jù)選用的材料不同而不同。 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(jìn)行仿真，仿真程序和前面板如圖 4 44所示。 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(zhǔn)。 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(jìn)行了仿真。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(jìn)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(jìn)行噪聲濾除，需要采用微弱信號檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對直流電流和諧波電流的準(zhǔn)確測量。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(jìn)行詳細(xì)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(shí)現(xiàn)直流光學(xué)電流互感器的實(shí)用化。和他們共度的時光將 是我最美好的回憶。在此向李老師表示崇高的敬意和深深的感謝。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(hù)設(shè)備的國產(chǎn)化顯得越來越重要。本文針對直流光學(xué)電流互感器的信號檢測展開研究。 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(dá)到 %的測量精度，如圖 46 所示。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。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。 取調(diào)制信號 ( ) 1 sins t t??? ，調(diào)制頻率 f=40kHz，遠(yuǎn)離噪聲的頻帶。 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。針對直流輸電線路直流側(cè)的諧波電流及噪聲特點(diǎn)，用相關(guān)檢測法對諧波進(jìn)行檢測可以有效消除噪聲。 （ 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(diǎn)，可有效區(qū)別信號中的突變部分和信號中的噪聲部分。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(jìn)行調(diào)制，將被測信號進(jìn)行頻譜遷移，然后再用與調(diào)制信號同頻的信號進(jìn)行解調(diào)得到測量信號。然后對于這些間隔的信號進(jìn)行取樣，并 將處于相同位置的取樣進(jìn)行積分或平均。 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)。 互相關(guān)檢測可保留原函數(shù)的部分相位信息，可以獲得