【正文】 一定的互相關增益，能達到較好的檢測效果，在實際應用中常被采用。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。 （ 2）介紹了光學電流互感器的基本原理，針對直流光學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。其是由通過行測電流的導線環(huán)繞磁光材料構成的。依據(jù)頻譜遷移測量的基本原理，法拉第直流光學測量系統(tǒng)可以分為三大部分：光學調(diào)制部分、光路系統(tǒng)和信號解調(diào)部分。信號濾波之后，應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系。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。因此，可以使用光電檢測器將光強信息轉(zhuǎn)換為對應的電信息。法拉第 效應如圖所示： 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 由法拉第效應可知， 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對應的積分矢量。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。 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。 查閱相關文獻，了解直流電流測量方法，以及光學測量電流技術； 總結現(xiàn)有直流電流測量方法，詳細分析采用調(diào)制解調(diào)技術實現(xiàn)的光學直流電流測量技術； 建立基于調(diào)制解調(diào)的直流光學電流測量系統(tǒng)的 LABVIEW 計算模型，并在LABVIEW 進行仿真計算； 撰寫論文。 20xx 年，華北電力大學與哈爾濱工業(yè)大學研制出自適應光學電流互感器，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。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電華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 流互感器。其中以美國、日本為代表，許多發(fā)達國家都進行了光學電流互感器的實際掛網(wǎng)運行。與此同時，供電電源的是有限的，因此高壓側傳感電路的功耗不能過大。 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。其次，分析和比較了微弱信號檢測的各種方法，針對直流輸電系統(tǒng)電流測量的要求，確定采用調(diào)制解調(diào)方法對直流輸電線路上的直流電流進行測量，采用相關檢測方法測量直流輸電線路的諧波電 流。而上世紀 70 年代以來的電力電子技術的發(fā)展以及電力系統(tǒng)的需求，對高壓直流輸電技術的發(fā)展與應用直到了巨大的推動作用。 電磁式直流電流互感器需要外加電源，絕緣結構較為復雜，容易發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象，體積及重量隨電壓等級升高而增大，這些不足制約了電磁式直流互感器發(fā)展。 由于法拉第光學電流互感器能夠有效的克服傳統(tǒng)電磁式電流互感器以及有源電子式電流互感器的不足，因此，對用于直流測量的法拉第光學電流互感器的實用化是十分必要的。而從 90 年代起，對于光學測量的研究已經(jīng)逐漸涉及到從高壓到特高壓的高壓輸電方面。我國第一臺光學電流互感器成品是由四平電業(yè)局和沈陽變壓器廠合作研制開發(fā)的 110KV 等級的光學電流互感器。這也標志著世界最高電壓等級光學電流互感器的相關關鍵技術，已被我國掌握了。 光學系統(tǒng) 光電檢測器 電路系統(tǒng) 光信號 電信號 圖 21 光電檢測系統(tǒng)組成 其中，光電檢測器是利用光電效應把光信息轉(zhuǎn)換為電信息的光電器件，是光電系統(tǒng)中的重要組成部分。其中，相比較于其他幾種噪聲，電流噪聲的影響最大。而當待測電流變化大小的級為安培時，光電 檢測器對應輸出電壓幅值變化的數(shù)量級為毫伏級。光學電流測量系統(tǒng)的光源發(fā)出初始光強為 J0 的自然光，經(jīng)起偏器、磁光材料，檢偏器的作用后，出射偏振光光強為： 0`21 cosJJ ?? （ 24） 為了能等到更為準確的測量值，應使出射偏振光的光強最大?？傻? 00( ) (1 2 )V t U N V i X? ? ? （ 28） 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 式中， X 為光電檢測器中的低頻噪聲，其值與光強無關。再使用濾波的方法，即可濾除光電檢測器中 的低頻干擾，并且得到只含有待測直流信息的高頻電壓信號。其特點如下：時域調(diào)制中，載波隨著時間的信息變化而變化；空域調(diào)制的載波，隨著空間位置變化，而后隨信息變化而變化；光學參量調(diào)制的載波是按光學參量與信息變化而變化。在本設計中，通過采用交流調(diào)制信號源來實現(xiàn)對光源的調(diào)制，從而輸出交流調(diào)制光信號。 圖 29 螺線管聚磁光路結構 螺旋管聚磁光路由于只有一個光學元件，并且沒有保偏棱鏡，因此，減少了折射所造成的誤差，消除了光傳感中的靜態(tài)工作點為零現(xiàn)象，降低了溫度對光學件的干擾，提高了測量靈敏度及搞電磁干擾能力。 調(diào)制隨機共振 基于隨機共振的微弱信號檢測技術是新近發(fā)展起來的一種新的信號處理技術，與各種抑噪方法相比，它不是消除噪聲，而是充分利用噪聲來增強弱信號，以提高信噪比達到識別弱信號，其過程框圖如圖 31所示 解 調(diào)被 測 信號 S ( t )噪 聲N ( t )調(diào) 制非 線 性 雙 穩(wěn) 系統(tǒng)輸 出信 號載 波 信 號 V ( t )載 波 振 蕩 器圖 31 調(diào)制隨機共振過程框圖 這種方法能有效降低信號檢測下限，且易于硬件實現(xiàn)，可大幅度降低檢測成本，因而具有巨大的應用潛力。 信號的相關性用相關函數(shù)來表示，它代表線性相關的試題，是隨機過程在兩個不同時間相關性的一個重要 統(tǒng)計參量。小波變換在分析低頻信號時其時間窗很大，而分析高頻信號時其時間窗較小，這恰符合實際問題中高頻信號持續(xù)時間短，低頻信號持續(xù)時間長的自然規(guī)律。 二維相干技術 相干技術利用數(shù)學方法突出信號的相似 性，進而檢測微弱信號、反映異常特征的一項新技術。 自適應噪聲抵消屬于自適應信號處理的領域，它是以干擾噪聲為處理對象，利用噪聲與被測信號不相關的特點，自適 應地調(diào)整濾波器的傳輸特性，盡可能的掏和衰減干擾噪聲，以提高信號檢測或信號傳遞的信噪比。 （ 2）取樣積分與數(shù)字式平均法需要多次采樣后進行平均運算才能達到較高的輸出信噪比，主要是處理淹沒在噪聲中的周期或脈沖波型，對于非周期的慢變信號，需要調(diào)制或斬波賦予其一定的周期后再進行處理。利用混沌系統(tǒng)對于初始條件具有第三性的特點，可以用于電力系統(tǒng)的電流信號檢測，但目前才剛剛赴。 本章小結 本章總結了幾種信號檢測方法的特點，在結這些檢測方法進行分析對比后確定采用調(diào)制解調(diào)方法對直流輸電線路上的直流電流進行測量，采用相關檢測法測量直流輸電線路的諧波電流。 為了使檢偏器出射偏振光的光強獲得最大，通常將起、檢偏器夾角設定為45 ，則根據(jù)馬呂斯定律 21 0 01c o s ( 4 5 ) (1 s in 2 )2J J J??? ? ? ? （ 41） 其中 0J 是進入起偏器的入射光的光強（單位為 W? ）， 1 J 是由檢偏器輸出的華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 出射光的光強（單位為 W? ） . 由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，只有幾度，式（ 41）可以轉(zhuǎn)換為 101 (1 2 )2JJ ??? （ 42） 將式（ 22）代入到式（ 42）可得出射光的輸出光強為 101 (1 2 )2 iJ J V?? （ 43） 其中， V 是 Faraday 材料的菲德爾常數(shù)， i 為被測直流電流值?？芍绷餍盘柵c 3()st存在線性關系，通過這種關系即可求得直流 i 。 由第二章所設計的直流光學電流互感器的傳感部件可知，為了提高光學電流互感器的運行穩(wěn)定性，采用了直通式光學傳感結構，但由此帶來 的問題就是輸入到光電探測器的信號的信噪比降低。用 LabVIEW 中的信號檢測模塊對不同頻率下的輸入、輸出噪聲電壓有效值進行了測量，測量結果顯示，經(jīng)低通濾波器后輸出噪聲幅值明顯減小。仿真結果證明，所設計的測量系統(tǒng)能夠有效消除系統(tǒng)中的噪聲，輸出信噪比有了明顯改善，表明測量精度滿足 級標準。 2 分析和比較了微弱信號檢測的各種方法，包括調(diào)制隨機共振、相關檢測、小波分析、希爾伯特黃、混沌理論、二維相干技術、取樣積分與數(shù)字式平均法、鎖定放大器、自適應噪聲抵消法、調(diào)制解調(diào)法等，針對直流輸電系統(tǒng)電流測量的要求，確定采用調(diào)制解調(diào)方法對直流輸電線路上的直流電流進行測量，采用相關檢測方法測量直流輸電線路的諧波電流。 2 實現(xiàn)交流調(diào)制電流源，進一步提高交流調(diào)制電流源的穩(wěn)定性和可靠性。 最后感謝我的父母和親人是他們含辛茹苦供我讀書，對我的學業(yè)一如既往的支持和鼓勵，他們的付出我將用一生來報答。當我遇到困難時李老師的指導和教誨讓我有勇氣和信心戰(zhàn)勝學習中的難題。但是在其實用化道路上依然存在一些問題，比如溫度對傳感頭的影響，使得測量 精度不準確的問題，以及長期運行穩(wěn)定性的問題。但是直流光學電流互感器在實用化的道路上依然存在一些問題。 當輸入信號從 （ .） 到 （ .） 變化時，輸出信噪比就快速減小，達到 25dB，測量精度達到 %，而未采用調(diào)制解調(diào)法時，信噪比達到 47dB。 根據(jù)仿真結果，當高通濾波器選擇不同的截止頻率時，輸出直流值與輸入直流值呈現(xiàn)不同的純屬關系。 為逼真的模擬傳統(tǒng)儀器的工作方式， LabVIEW 提供了豐富的控件，如各種旋鈕、開關、儀表盤、模擬數(shù)字示波器等，并可根據(jù)實際需要定制控件： LabVIEW完整地集成了與 GPIB、 RS23 RS485 和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊；LabVIEW 還具有內(nèi)置程序為，提供了大量的連接機制，通過 DLLs、共享庫、ActivieX 等途徑實現(xiàn)與外界程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接，將其自身無法或不易實現(xiàn)的任務能夠通過更適于完成此類任務的外部程序代碼來實現(xiàn)，從而增加了LabVIEW 的整體功能。在這種情況下，我們采用調(diào)制解調(diào)的方法對直流信號進行頻譜遷移，將其頻率遷移到噪聲的頻帶之外，用高通濾波器濾除低頻噪聲，然后對通過的直流信號進行解調(diào)，解調(diào)后的信號用低通濾波器濾除其調(diào)頻成分，輸出部 分為一直流。從已調(diào)制波中恢復出 調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)，然后再用與調(diào)制信號同頻的信號進行相乘得到測量信號。通過正交矢量型相關檢測及數(shù)字信號處理，可得到信號的幅值和相伴。 （ 4）自適應噪聲抵消法不需要預告知道干擾噪聲的統(tǒng)計特性，能在 逐次迭華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 代過程中將自身的工作狀態(tài)自適應地調(diào)到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，但是自適應濾波器為獲得最優(yōu)濾波性能所采用的算法仍需進行改進才能滿足電力系統(tǒng)測量要求。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 調(diào)制解調(diào)法 在測控系統(tǒng)中，進入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲，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離來測控電路的一項重要任務。為了恢復淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號，必須把每個信號周期分成苦干個時間間隔，間隔的大小取決于恢復信號所要求的精度。希爾伯特黃變換在較高頻率、短時非平穩(wěn)信號的時頻分析處理中優(yōu)于傳統(tǒng)信號處理方法。由于噪聲的頻率和相位都是隨機量，可以認為信