【正文】 的結(jié)果。 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。由于此部分主要通過對淘汰進(jìn)行調(diào)制，來發(fā)言中，因此該步驟稱之為光學(xué)調(diào)制。實(shí)際中，設(shè)置起偏器與檢偏器的夾角為 /4? 。光電二極管的理想電流輸出為光電流，然而實(shí)際中，當(dāng)光量為 0時，仍會有電流輸出。 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。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(jìn)入到將其實(shí)用化和產(chǎn)品化的應(yīng)用階段。 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。本文首先設(shè)計了直流光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)，對其在測量過程中引入的內(nèi)部噪聲及其信噪特性進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)，驗(yàn)證了其存在噪聲與信號頻帶相重疊的問題。然而如果高壓側(cè)供電電源不穩(wěn)定，將會極大地影響互感器的測量準(zhǔn)確度。 20xx年， 230KV 電廠等級的全光纖光學(xué)電流互感器由北美的 NXTPHASE 公司研制成功。為此，本文對提高直流光學(xué)電流互感器的輸出信號比展開研究。 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(jī)中，利用LabVIEW 軟件進(jìn)行輔助分析。這就將對法拉第偏轉(zhuǎn)角的求解轉(zhuǎn)化為對光強(qiáng)的分析 。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(chǎn)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。 本設(shè)計中的光路系統(tǒng)所采用的光路結(jié)構(gòu)為自適應(yīng)光學(xué)電流互感器的螺旋管聚磁光路結(jié)構(gòu)。 利用信號在時間上相關(guān)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(guān)檢測。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。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 調(diào)制解調(diào)法 在測控系統(tǒng)中，進(jìn)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(wù)。通過正交矢量型相關(guān)檢測及數(shù)字信號處理，可得到信號的幅值和相伴。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(jìn)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(jìn)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。 根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)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(guān)系。但是直流光學(xué)電流互感器在實(shí)用化的道路上依然存在一些問題。當(dāng)我遇到困難時李老師的指導(dǎo)和教誨讓我有勇氣和信心戰(zhàn)勝學(xué)習(xí)中的難題。 2 實(shí)現(xiàn)交流調(diào)制電流源，進(jìn)一步提高交流調(diào)制電流源的穩(wěn)定性和可靠性。仿真結(jié)果證明，所設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。 由第二章所設(shè)計的直流光學(xué)電流互感器的傳感部件可知，為了提高光學(xué)電流互感器的運(yùn)行穩(wěn)定性，采用了直通式光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，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。 為了使檢偏器出射偏振光的光強(qiáng)獲得最大，通常將起、檢偏器夾角設(shè)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(jìn)入起偏器的入射光的光強(qiáng)（單位為 W? ）， 1 J 是由檢偏器輸出的華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 出射光的光強(qiáng)（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(qiáng)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。利用混沌系統(tǒng)對于初始條件具有第三性的特點(diǎn)，可以用于電力系統(tǒng)的電流信號檢測，但目前才剛剛赴。 自適應(yīng)噪聲抵消屬于自適應(yīng)信號處理的領(lǐng)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(guān)的特點(diǎn)，自適 應(yīng)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。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(shí)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。 調(diào)制隨機(jī)共振 基于隨機(jī)共振的微弱信號檢測技術(shù)是新近發(fā)展起來的一種新的信號處理技術(shù)，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(qiáng)弱信號，以提高信噪比達(dá)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(jī)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(shí)現(xiàn)，可大幅度降低檢測成本，因而具有巨大的應(yīng)用潛力。在本設(shè)計中，通過采用交流調(diào)制信號源來實(shí)現(xiàn)對光源的調(diào)制，從而輸出交流調(diào)制光信號。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。光學(xué)電流測量系統(tǒng)的光源發(fā)出初始光強(qiáng)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(qiáng)為： 0`21 cosJJ ?? （ 24） 為了能等到更為準(zhǔn)確的測量值，應(yīng)使出射偏振光的光強(qiáng)最大。其中，相比較于其他幾種噪聲，電流噪聲的影響最大。這也標(biāo)志著世界最高電壓等級光學(xué)電流互感器的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，已被我國掌握了。而從 90 年代起，對于光學(xué)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。 電磁式直流電流互感器需要外加電源，絕緣結(jié)構(gòu)較為復(fù)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。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(jìn)行測量，采用相關(guān)檢測方法測量直流輸電線路的諧波電 流。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。從 20xx 年開始，針對鋁電解工業(yè)， ABB 公司研制出用于強(qiáng)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。 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，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(xì)分析采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)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(jìn)行仿真計算； 撰寫論文。該實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn) 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，可以使用光電檢測器將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信息。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。其是由通過行測電流的導(dǎo)線環(huán)繞磁光材料構(gòu)成的。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。 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)。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。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。 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。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。本文針對直流光學(xué)電流互感器的信號檢測展開研究。在此向李老師表示崇高的敬意和深深的感謝。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。 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。 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。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。 （ 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。 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。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)。 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。因?yàn)楣庑盘柌荒苤苯舆M(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。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。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。這些噪聲集中在 1kHz 以下的頻帶內(nèi)。 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。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?；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。再次，設(shè)計了直流光學(xué)電流互感器的直流電流測量系統(tǒng)，在 LabVIEW 環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并設(shè)計了直流檢測實(shí)驗(yàn)電路和信號檢測結(jié)構(gòu)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計的直流測量系統(tǒng)能夠滿足測量要求。此外，由于 傳感裝置位于高壓線路附近，因此，當(dāng)線路中流經(jīng)加拿大電流時產(chǎn)生的 電磁輻射，將