【正文】 號和噪聲、噪聲和噪聲之間互相獨立，它們的相關函數(shù)為零，于是式（ 32）可寫為 1( ) l im [ ( ) ( ) ] ( )2 T s r s rTTR V t V t d t R tT?????? ? ?? （ 33） 式（ 33）表明，對兩個混有噪聲的 功率有限信號進行相乘和積分處理（相關檢測）后，可將信號從噪聲中檢測出來，噪聲被抑制。 利用信號在時間上相關這一特性，可以把深埋在噪聲中的周期信號提取出來，這就是相關檢測。 本章小結 （ 1）分析了直流光學電流互感器中光電檢測器的噪聲主要成為為暗電流噪聲， 進一步明確了影響互感器測量的主要為低頻暗電流噪聲，及其對測量的影響。 本設計中的光路系統(tǒng)所采用的光路結構為自適應光學電流互感器的螺旋管聚磁光路結構。 法拉第直流光學測量系統(tǒng)的設計 針對光電檢測器的信噪重疊現(xiàn)象，根據(jù)本文所提出頻譜遷移測量法，在前人設計的基礎上，本文設計了一種基于頻譜遷移測量的法拉第直流光學測量系統(tǒng)。在該步驟中，由于混合中低頻成分主要是由光電檢測器的噪聲產生的，因此，需要選通過濾波的方法，將混合信號中的低頻噪聲成分濾除。 本文所提出的頻譜遷移測量法，主要利用調制解調方法對直流光學測量系統(tǒng)信號進行變換。這就將對法拉第偏轉角的求解轉化為對光強的分析 。出射偏振光與入微偏振光之間的夾角為法拉第偏轉角Θ。 檢測暗電流噪聲時，將光電檢測器通過數(shù)據(jù)采集卡接入到計算機中，利用LabVIEW 軟件進行輔助分析。因此，光伏探測器在實際中得到廣泛應用。為此，本文對提高直流光學電流互感器的輸出信號比展開研究。 1993 年，華中科技大學先后將所研制的 110KV 獨立式單相光學電流互感器、光學電壓互感器，在廣東省大澤變電站進行了掛網(wǎng)運行；而后又于 1998 年將獨立式三相光學電流互感器、光學電壓互感器掛網(wǎng)于三江變電站。 20xx年， 230KV 電廠等級的全光纖光學電流互感器由北美的 NXTPHASE 公司研制成功。 自 80 年代開始至 90 年代，隨著對傳感結構性能、絕緣水平及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等技術的研究取得重要突破光學電流互感器的研究進入了實用化研究階段。然而如果高壓側供電電源不穩(wěn)定，將會極大地影響互感器的測量準確度。 目前，常用的直流電流測量有兩類方法：一類是通過對待測電流在書籍電阻上形成的電壓進行測量，進而確定電流的大?。涣硪活愂抢脤Υ郎y電流形成的磁場相關量進行量度，進而實現(xiàn)電流的測量。本文首先設計了直流光學電流互感器的結構，對其在測量過程中引入的內部噪聲及其信噪特性進行了理論分析和試驗，驗證了其存在噪聲與信號頻帶相重疊的問題。我國的高壓直流輸電直流輸電技術應用起步晚，但發(fā)展迅速。 電子式電流互感器，在正常使用時，其二次側輸出與一次側電流成正比，并且連接正確時的相伴差與書籍的相伴角近似相等。 國內外研究現(xiàn)狀 上世紀 60 年代起，國外開始了將光學技術用于電流測量的研究，對光學電流互感器的研究也自此興起。各個公司開發(fā)出大量的光學電流互感器產品，這些都表明對于光學電流互感器的研究進入到將其實用化和產品化的應用階段。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。 到目前為止，國內對于用于直流測量的光學電流互感器研究還是比較落后的。同時，光電檢測器也是光電檢測系統(tǒng)中噪聲的主要來，即直流光學測量系統(tǒng)的噪聲主要為光電檢測器中的噪 聲。光電二極管的理想電流輸出為光電流，然而實際中，當光量為 0時，仍會有電流輸出。因此，可見暗電流噪聲對光電檢測器輸出影響很大，從而降低了光學測量系統(tǒng)的測量精度。實際中，設置起偏器與檢偏器的夾角為 /4? ?；诖耸郊扒拔闹袑υ肼暤姆治隹芍?，待測直流量與噪聲頻帶會發(fā)生重疊現(xiàn)象。由于此部分主要通過對淘汰進行調制，來發(fā)言中，因此該步驟稱之為光學調制。其中，華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 光學參量調制是將所設定信號調制到光載波上。 由光學調制部分所產生的調制光信號，經(jīng)光纖傳輸，接入到光路系統(tǒng)中。 由光路系統(tǒng)的光電檢測器輸出的電壓信號經(jīng)導線連接，輸入到信號解調部分由頻譜遷移測量法的原理可知，解調部分主要是對信號實現(xiàn)濾波和解調處理。 相關檢測法 在電子學系統(tǒng)中，采用低噪聲放大技術，選取適應的濾波器限制系統(tǒng)帶寬，以掏內部噪聲和外部干擾，保證系統(tǒng)的信噪比大大改善，當信號較微弱時，也能得到信噪比大于 1的結果。 從本質上說，相關檢測技術是基于信號和噪聲的統(tǒng)計特性進行檢測的，相關華北電力大學本科畢業(yè)設計（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。 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外研究中已取得一定的 成果。相干技術方法分為三代：第一代算法是基于互相關的一種算法，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構的一種算法。 自適應噪聲抵消不需要預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)自適應地調整到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應噪聲抵消在通信、雷達、聲納、生物醫(yī)學工程等領域得到了廣泛的應用。取樣積分適用于恢復高頻信號，數(shù)字式平均法更適用于低頻和中頻信號。 （ 7）調制解調法能夠對直流信號進行頻譜遷移，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，再通過解調來還原初始信號，適合于直流電流的測量。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（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。 由第二章所設計的直流光學電流互感器的結構圖 27 及式（ 43）可知，光電探測器能夠線性的將光強信號（ W? ）轉換為電壓信號（ V），即該電壓信號與被測直流電流 i 成線性關系，但與此同時，也引入了光電探測器的內部噪聲。 可以看出，通過運用調制解調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。根據(jù)本文的設計經(jīng)驗，信噪比最嚴重時可達到 20dB。 經(jīng)過測量，得到噪聲有效值在 （ .）左右，針對直流光學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。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 24 第 5 章 總結與展望 全文總結 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)劣直接關系到直流輸電設備的安全以及運行的穩(wěn)定性。 3 針對基于調制解調法的直流光學電流互感器的直流電 流測量展開了研究，設計了測量系統(tǒng)框圖，推導了測量過程的相應公式，并在 LabVIEW 環(huán)境下進行了仿真。 3 在考慮外界溫度影響的前提下，對本文提出的理論和設計的測量系統(tǒng)進行驗證，并在此基礎上研究當環(huán)境溫度變化時提高直流光學電流互感器的測量性能的方法。 。李老師對學生在學業(yè)上嚴格要求，在生活上關心愛護，這些都令我銘記在心，李老師的博學多聞和寬廣的胸襟令我終生難忘。 工作展望 基于法拉第磁光效應的高壓直流光學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。而基于法拉第磁光效應的直流光學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。 當輸入信號為 （ .） 時，未采用調制解調法時，信噪 比達到 27dB，經(jīng)過調制解調信號處理后，輸出信噪比達到 54dB，測量精度達到 %。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，調制信號及解調信號用信號發(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)。 LabVIEW 是建立在 Windows 基礎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，并且編程易學易懂，省時省力，可以節(jié)省大量系統(tǒng)的開發(fā)時間，而且模型化功能強，許多數(shù)字信號處理的算法被集成為圖形化 模塊，用戶只需掌握該模塊的輸入輸出的接口功能即可。 鑒于信號與噪聲的頻段相重疊的特點，無法直接用傳統(tǒng)的濾波器來濾除噪聲。所謂調制就是使一個信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下發(fā)生變化的過程，輸出信號為已調制波。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位信息。 （ 3）希爾伯特黃非常適于檢測現(xiàn)實生活中普遍存在的大量頻率隨時間變換的非線性非平穩(wěn)信號，具有很高的信噪比，但其需要進行多次 3次樣條插值，費時較長，實時性較差，不能很好的滿足電力系統(tǒng)實時測量要求。自適應濾波所采用的最優(yōu)準則有最小均方差準則，最小二乘準則，最大信噪比準則，統(tǒng)計檢測 準則以及其他一些最優(yōu)準則，其中應用最廣泛的準則是最小方差準則。脈沖波形或 脈動小型的快速上升沿和下降沿包含豐富的高次諧波分量，鎖定放大器輸出級的低通濾波器會濾除這些高頻分量，導致脈沖波形的畸變，對于這類信華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 號的測量，必須使用其他有效的方法，取樣積分與數(shù)字式平均就是這樣的方法。 對于振動信號的檢測與識別，人們已經(jīng)對基于傅里葉變換的方法進行了許多研究，在穩(wěn)態(tài)信號檢測方面取得了滿意的結果，但在瞬態(tài)突變微弱信號的檢測與識別中卻不理想。 如果 1()ft和 2()ft?? 為兩個功率有限信號，則可定義他們的互相關函數(shù) 121( ) l im ( ) ( )2 TTTR f t f t d tT???????? （ 31） 令 11( ) ( ) ( )sf t V t n t??、 21( ) ( ) ( )rf t V t n t? ? ?? ? ? ? ?其中 1()nt和 2()nt分別代表與待測信號 ()sVt及參考信號 ()rVt混在一起的噪聲，則式（ 31）可寫成 ? ?? ?? ?122 1 1 21( ) l i m ( ) ( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( ) ( )TsrTTs r s rR V t n t V t n t d tTR t R t R t R t? ? ????? ? ? ? ?? ? ? ??（ 32） 式中 ()srR? 、 2()sR? 、 1()sR? 、 12()R? 分別是參考信號與待測信號、待測信號與噪聲、參考信號與噪聲及噪聲之間的相關函數(shù)。經(jīng)過分析 青蛙，信號和噪聲在時間特性上是有差別的，在統(tǒng)計學中，信 號和噪聲兩種函數(shù)在統(tǒng)計特性上是可以區(qū)分的，從而為把淹沒于噪聲中的信號提取出來提供了基礎。通過解 調處理，可以得到法拉第直流光學電流測量系統(tǒng)的測量方程，即輸出量與電流值的關系。其主要利用法拉第磁光效應，將待測電流信息轉換為光信號信息，并通過光電轉換將其最終轉變?yōu)殡妷盒盘栠M行輸出。頻譜遷移測量法中的光學調制正是采用光學參量調制中的直接頻率調制的方法，采用調制電路來 直接產生調制交流光信號。這一步驟稱這為信號的解調。 針對此信噪重疊現(xiàn)象，本文采用頻譜遷移的方法進行處理，使得問題能夠得以解決。 由此式 25 可化簡為 01 (1 2 )JJ ??? （ 26） 結合 2 26 可得 01 (1 2 )J J NV