【正文】 。和他們共度的時(shí)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。李老師對(duì)學(xué)生在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，在生活上關(guān)心愛護(hù)，這些都令我銘記在心，李老師的博學(xué)多聞和寬廣的胸襟令我終生難忘。 3 在考慮外界溫度影響的前提下，對(duì)本文提出的理論和設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上研究當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)提高直流光學(xué)電流互感器的測(cè)量性能的方法。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(duì)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(cè) 量系統(tǒng)，對(duì)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。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(cè)和保護(hù)設(shè)備的國產(chǎn)化顯得越來越重要。 工作展望 基于法拉第磁光效應(yīng)的高壓直流光學(xué)電流互感器從理論上不僅能夠測(cè)量直流電流，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的測(cè)量。 3 針對(duì)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(cè)量展開了研究，設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)了測(cè)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(duì)直流光學(xué)電流互感器在測(cè)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(yàn)，驗(yàn)證了其存在噪聲與信號(hào)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(hào)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流和諧波電流的準(zhǔn)確測(cè)量。本文針對(duì)直流光學(xué)電流互感器的信號(hào)檢測(cè)展開研究。而基于法拉第磁光效應(yīng)的直流光學(xué)電流互感器以其種種優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速，必將取代傳統(tǒng)的電流互感器。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 5 章 總結(jié)與展望 全文總結(jié) 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(cè)量與保護(hù)的最基本單元，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到直流輸電設(shè)備的安全以及運(yùn)行的穩(wěn)定性。 本章小結(jié) 本章針對(duì)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(cè)量展開研究，設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)了測(cè)量過程的相應(yīng)公式，并在 LabVIEW 環(huán)境下進(jìn)行了仿真。 當(dāng)輸入信號(hào)從 （ .） 開始增加時(shí)，由于信號(hào)增加而噪聲不變，輸出信噪比可以超過 54dB，達(dá)到 %的測(cè)量精度，如圖 46 所示。 當(dāng)輸入信號(hào)為 （ .） 時(shí)，未采用調(diào)制解調(diào)法時(shí)，信噪 比達(dá)到 27dB，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理后，輸出信噪比達(dá)到 54dB，測(cè)量精度達(dá)到 %。 經(jīng)過測(cè)量，得到噪聲有效值在 （ .）左右，針對(duì)直流光學(xué)電流互感器弱信號(hào)強(qiáng)噪聲的特點(diǎn)，選擇了高通濾波器截止頻率在 30kHZ時(shí) （ .）間的十個(gè)輸入電 流值對(duì)輸 入 信噪比和 輸出信噪比 進(jìn)行測(cè)量 ，信噪比20 log ( / )snSN R V V? ，其中 sV 和 nV 分別為信號(hào)及噪聲電壓的有效值，得到的信噪比曲線如圖 45 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(shí)，修正后的直流值與輸入直流值的誤差維持在 級(jí)以內(nèi)，滿足國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)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(cè)器所帶來的內(nèi)部噪聲。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(diào)制信號(hào)及解調(diào)信號(hào)用信號(hào)發(fā)生器生成，高通濾波及低通濾波功能由濾波器模塊實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，信噪比最嚴(yán)重時(shí)可達(dá)到 20dB。 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(jì)（論文） 20 用 LabVIEW 對(duì)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(cè)量過程進(jìn)行仿真，仿真程序和前面板如圖 4 44所示。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(cè)試等任務(wù)得以高速執(zhí)行。 LabVIEW 是建立在 Windows 基礎(chǔ)上的圖形融會(huì)貫通虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，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(xué)易懂，省時(shí)省力，可以節(jié)省大量系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，而且模型化功能強(qiáng)，許多數(shù)字信號(hào)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。 可以看出，通過運(yùn)用調(diào)制解調(diào)方法對(duì)被測(cè)電流進(jìn)行頻譜遷移，可以除去系統(tǒng)中存在的噪聲，獲得被測(cè)信號(hào)。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(jì)（論文） 19 由式（ 47）可知，輸出為一直流， 其中 3()st和 0J 可測(cè)得， V 為一常數(shù)，根據(jù)選用的材料不同而不同。 取調(diào)制信號(hào) ( ) 1 sins t t??? ，調(diào)制頻率 f=40kHz，遠(yuǎn)離噪聲的頻帶。 鑒于信號(hào)與噪聲的頻段相重疊的特點(diǎn)，無法直接用傳統(tǒng)的濾波器來濾除噪聲。 由第二章所設(shè)計(jì)的直流光學(xué)電流互感器的結(jié)構(gòu)圖 27 及式（ 43）可知，光電探測(cè)器能夠線性的將光強(qiáng)信號(hào)（ W? ）轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（ V），即該電壓信號(hào)與被測(cè)直流電流 i 成線性關(guān)系，但與此同時(shí)，也引入了光電探測(cè)器的內(nèi)部噪聲。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(dòng)方向與檢偏器透振方向間的夾角。 基于調(diào)制解調(diào)法設(shè)計(jì)的直流電流檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng) 本文所設(shè)計(jì)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(shí)，其偏振面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn) 角與被測(cè)電流成正比。所謂調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一信號(hào)的控制下發(fā)生變化的過程，輸出信號(hào)為已調(diào)制波。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第 4 章 直流電流檢測(cè)的仿真分析 檢測(cè)原理及過程 在測(cè)量系統(tǒng)中，除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還含有各種噪聲，而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分 享出來是測(cè)量系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)。其中調(diào)制解調(diào)的方法在用于直流電流測(cè)量時(shí)，結(jié)合第二章的信噪分析，可對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行頻譜遷移， 避開噪聲的頻譜范圍，然后對(duì)濾波信號(hào)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(cè)量，采用相關(guān)檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的檢測(cè)。針對(duì)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(cè)法對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)可以有效消除噪聲。通過正交矢量型相關(guān)檢測(cè)及數(shù)字信號(hào)處理，可得到信號(hào)的幅值和相位信息。 （ 7）調(diào)制解調(diào)法能夠?qū)χ绷餍盘?hào)進(jìn)行頻譜遷移，將信號(hào)頻率遷行色匆匆到遠(yuǎn)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(diào)來還原初始信號(hào)，適合于直流電流的測(cè)量。 （ 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(hào)與噪聲達(dá)到某種匹配時(shí)背景噪聲才會(huì)增加微弱信號(hào)傳輸，以提高輸出信噪比。 （ 5）小波分析檢測(cè)微弱信號(hào)對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的噪聲降低具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，可有效區(qū)別信號(hào)中的突變部分和信號(hào)中的噪聲部分。 （ 3）希爾伯特黃非常適于檢測(cè)現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在的大量頻率隨時(shí)間變換的非線性非平穩(wěn)信號(hào)，具有很高的信噪比，但其需要進(jìn)行多次 3次樣條插值，費(fèi)時(shí)較長，實(shí)時(shí)性較差，不能很好的滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量要求。取樣積分適用于恢復(fù)高頻信號(hào)，數(shù)字式平均法更適用于低頻和中頻信號(hào)。比較上述常用的微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)原理的一個(gè)特例，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，輸入信號(hào)必須為交流信號(hào)，利用 LPF 的窄帶化來提高其信噪比，主要測(cè)量幅度較小的直流信號(hào)或慢變信號(hào)，只能檢測(cè)淹沒在噪聲中的正統(tǒng)信號(hào)的幅度和相位，而對(duì)于噪聲中的脈沖波形， LIA 的低通濾波器會(huì)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(cè)的電流為交流信號(hào)，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(hào)檢測(cè)，但其電路相對(duì)比較復(fù)雜，而且 LPF 的時(shí)間常數(shù)越大，等交噪聲帶寬越窄， SNIR越大，所需要的測(cè)量時(shí)間也越長，可以考慮采用其他的改進(jìn)措施對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。調(diào)制解調(diào)有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相三種形式，當(dāng)被測(cè)信號(hào)與噪聲頻帶重疊時(shí)，為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，即進(jìn)行調(diào)制，將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜遷移，然后再用與調(diào)制信號(hào)同頻的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到測(cè)量信號(hào)。自適應(yīng)濾波所采用的最優(yōu)準(zhǔn)則有最小均方差準(zhǔn)則，最小二乘準(zhǔn)則，最大信噪比準(zhǔn)則，統(tǒng)計(jì)檢測(cè) 準(zhǔn)則以及其他一些最優(yōu)準(zhǔn)則，其中應(yīng)用最廣泛的準(zhǔn)則是最小方差準(zhǔn)則。 自適應(yīng)噪聲抵消不需要預(yù)告知道干擾噪聲的統(tǒng)計(jì)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(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應(yīng)噪聲抵消在通信、雷達(dá)、聲納、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 鎖定放大器掏噪聲有三個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)： （ 1）用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)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(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過程，可以同時(shí)利用頻率和進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)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。然后對(duì)于這些間隔的信號(hào)進(jìn)行取樣，并 將處于相同位置的取樣進(jìn)行積分或平均。脈沖波形或 脈動(dòng)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(jí)的低通濾波器會(huì)濾除這些高頻分量，導(dǎo)致脈沖波形的畸變，對(duì)于這類信華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 號(hào)的測(cè)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。相干技術(shù)方法分為三代：第一代算法是基于互相關(guān)的一種算法，這種算法在信噪比較高的情況下對(duì)信號(hào)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(jì)算相干性較好的算法，且分辨率較高，但資料品質(zhì)對(duì)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(jié)構(gòu)的一種算法。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(shí)，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(shí)，系統(tǒng)的時(shí)間行為在周期運(yùn)動(dòng)和混濁運(yùn)動(dòng)兩者之間振蕩，有關(guān)參數(shù)繼續(xù)變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由間歇性混沌發(fā)展成混沌。 混沌檢測(cè)是與現(xiàn)在有的各種檢測(cè)方法完全不同的信號(hào)處理方法，它主要是用于混沌系 統(tǒng)對(duì)初值條件的極度敏感性，當(dāng)將被檢測(cè)信號(hào)注入混沌系統(tǒng)后，就可以此混沌系統(tǒng)的動(dòng)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(hào)處理，從而測(cè)出被檢信號(hào)的各種參數(shù)。 對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別，人們已經(jīng)對(duì)基于傅里葉變換的方法進(jìn)行了許多研究，在穩(wěn)態(tài)信號(hào)檢測(cè)方面取得了滿意的結(jié)果，但在瞬態(tài)突變微弱信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別中卻不理想。 小波分析能有效地提高輸出信噪比，同時(shí)也適用其他非平衡信號(hào)的降噪，小波應(yīng)用于降噪重建與數(shù)據(jù)壓縮、奇異點(diǎn)出降噪等方面在國內(nèi)外研究中已取得一定的 成果。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)。 互相關(guān)檢測(cè)可保留原函數(shù)的部分相位信息，可以獲得一定的互相關(guān)增益，能達(dá)到較好的檢測(cè)效果，在實(shí)際應(yīng)用中常被采用。 如果 1()ft和 2()ft?? 為兩個(gè)功率有限信號(hào)，則可定義他們的互相關(guān)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(cè)信號(hào) ()sVt及參考信號(hào) ()r