论文部分内容阅读
摘 要：在分析全光纤电流互感器误差模型的基础上，提出基于加权最小均方误差准则的调制相位扰动补偿方案。通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位。搭建实验系统对测试数据进行分析，实验结果表明：通过补偿能减小因实际制作中光纤非匹配性、非对称性带来的耦合器相位的微小偏移误差，从而提高全光纤电流互感器性能。分析两台样机在高低温箱内进行多日重复性测试的数据，在经过调制相位补偿后，两台样机多日内全温的归一化变化率在±0.2%以内，且重复性比较好，通过进一步优化，可满足0.2 s级继电保护系统的使用要求。
关键词：全光纤电流互感器；最小均方误差；相位偏置；调制相位补偿
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）12-0116-05
0 引 言
电流互感器是电力系统中一种不可或缺的电力设备，用于对电流进行测量，后端合并单元控制台根据测量的结果对电力进行有效分配，实现继电保护和对系统的监控[1]。电磁式电流互感器是目前广泛应用的一种传统电流互感器，但由于其具有磁滞效应与磁饱和问题使得测量动态范围较小。并且电磁式电流互感器有油、易燃易爆、绝缘困难，存在很大的安全隐患。因此，电磁式电流互感器已不能满足现代工业的需求[2-3]。
全光纤电流互感器（fiber optical current transducer，FOCT）是采用磁光晶体的法拉弟效应，通过非导体传感的一种测量方法[4]。全光纤电流互感器具有体积小、质量轻、安全性高、测量精度高等优点，从20世纪60年代至今已经取得了长足的发展。然而，在实际工程应用中，全光纤电流互感器仍然面临一些工艺方面的问题，如1/4波片制作误差和传感光纤双折射都对测量精度产生影响，外界环境的温度变化和振动扰动对测量精度也会造成误差[5-6]。对此，文献[7]提出采用法拉第旋转器抑制外界振动在传感头引起的噪声；文献[8-9]利用1/4波片的温度效应和维尔德常数变化相互抵消的方法减弱温度对测量精度的影响。文献[10]利用LabVIEW虚拟仪器软件进行数字信号处理技术设计对温度的补偿。文献[11]基于最小二乘法补偿温度误差。目前大多数研究主要针对如何提高传感头稳定性及系统测量精度，但关于相位调制引入外界噪声的补偿方法仍未见报道。
全光纤电流互感器能有效地对电网中高压大电流电能输送进行检测，提高检测抗干扰能力与测量精度；但是，这些都是假设光纤系统以及空间信号和传播环境特性在理想情况下得到的。在实际应用系统中，法拉第效应引起的相移十分微弱，相位调制系统常会存在一些误差：如在光源耦合过程中，由于手工操作或者仪器精度不够等因素使得光源耦合位置存在误差，以及光纤在使用过程中的受损程度等都会引起系统失配误差，使得在理想条件下理论分析所得到的效果难以实现[12-14]，全光纤电流互感器对这些失配误差极为敏感。因此相位调制成为解调电流相关相移的必要手段。
本文对全光纤电流互感器灵敏度进行分析，并针对非平稳环境因素造成的全光纤电流互感器系统中存在的各种误差，提出基于最小均方误差准则的相位调制补偿方法，计算机仿真验证提出的稳健算法能有效提高全光纤电流互感器测量系统的稳健性。
4 计算机仿真
普通的单模光纤由于受工艺和环境的影响，会存在一定的线双折射，而且是随机分布和随机变化的。考虑光信号进入单模光纤，光纤折射率n1=1.466，包层折射率n2=1.458。其光信号相对于采样频率fs的频率带宽为Ω=[0.24 0.36]，且归一化采样频率fs=1。将光信号频率带宽Ω离散化成K=9个子频率窄带，期望光信号入射方向θ为椭圆轴向方向夹角，设入射方向为θ=0°，在角度区域？专=[-90° 90°]上进行优化设计。将角度区域？专以角度间隔3°进行离散化，得到N=61个离散角度。根据给出的调制相位扰动补偿方法，在整个离散角度点上对加权函数进行迭代，设定初始加权函数为F（θm）=1（m=1，2，…，M）。要求经过相位调制后光信号能量趋近给定的期望信号能量Ed（θ）=cos2θ，其他相位能量在-40 dB以下。设定耦合相位[-12° 12°]，选定迭代增益Km=1，设计能容忍的误差最大值为ε=0.000 5，经过120次迭代得到如图2所示的优化相位图。
从图中可以看出，各子频率光束拟合在一起不随频率的变化而改变，得到整个信号带宽范围内的频率不变相关相位。为了测试全光纤电流互感器在存在光的偏振态不稳定时，相位补偿效果，搭建了测试系统，其结构如图3所示。
图3中合并单元发出两路触发信号，一路触发待测全光纤电流互感器输出信号，另一路触发基准信号。两路信号通过合并单元进入上位机进行误差分析。在室温下，校准信号和输出信号中的交流信号由示波器测量，输出信号中的直流信号由数字万用表测量，读取不同输入电流时交流信号与直流信号的响应值，测量结果如图4所示。
从图4可以看出，全光纤电流互感器在进行了调制相位扰动补偿后，在小信号时，系统的线性度得到提高。
两台样机在高低温箱内进行多日重复性测试，在经过调制相位补偿后，两台样机多日内全温的归一化变化率可达到±0.2%以内，且重复性比较好，通过进一步优化，完全有可能满足0.2 s级继电保护系统的使用要求。
5 结束语
电流互感器肩负着提供电能计量参数和提供继电保护以及测量控制的动作依据等重要使命，而传统电磁互感器的技术局限性越来越明显，弊端也越来越突出，因此光纤电流互感器成为主要的研究和发展方向。当光在光纖中传播时，由于各种原因将引起光的偏振态不稳定，使得全光纤电流互感器在实际应用中性能降低，本文在分析全光纤电流互感器误差模型基础上，基于加权最小均方误差准则提出了调制相位扰动补偿方案。通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，并搭建了实验系统对测试数据进行分析，取得了较好的实验结果，两台样机多日内全温的归一化变化率可达到±0.2%以内，且重复性比较好，通过进一步优化，可满足0.2 s级继电保护系统的使用要求。 参考文献
[1] 王政平，王玥坤，孙帅. 全光纤电子电流互感器技术探讨[J]. 光学与光电技术，2012，10（2）：15-19.
[2] 姬更新，赵新明，刘勇，等. 电磁式电流互感器的误差特性及使用维护[J]. 工业计量，2011（2）：155-157.
[3] 鄭涛，陈佩璐. 计及直流偏磁的电流互感器传变特性对差动保护的影响[J]. 电力系统自动化，2012，36（20）：89-93.
[4] 周军，肖恺，李平，等. 全光纤电流互感器技术综述[J]. 信息通信，2015（5）：20-22.
[5] 王晓琪，汪本进. 全光纤电流互感器偏振误差分析[J]. 电测与仪表，2015（7）：19-23.
[6] 王夏霄，王野，王熙辰，等. 全光纤电流互感器动态特性实验研究[J]. 电力系统保护与控制，2014（3）：9-14.
[7] 王玥坤，王政平. 法拉第旋光器温度特性对无源解调全光纤电流互感器的影响[J]. 电网技术，2013，37（1）：206-210.
[8] SASAKI K， TAKAHASHI M， HIRATA Y. Temperature-insensitive sagnac-type optical current transformer[J]. Journal of Lightwave Technolog，2015，33（12）：2463-2467.
[9] 陈春艳，陈哲，余健辉，等. 全光纤电流互感器中光纤λ/4波片容差分析[J]. 仪表技术与传感器，2012（5）：12-14.
[10] LIU Y P， YOU S H， WAN Q F， et al. Optical electrical current transformer error measuring system based on virtual instrument[C]∥The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments. IEEE，2007：278-282.
[11] LI Y Y， YANG X J， XU J T， et al. Temperature compensation in full optical fiber current transformer using signal processing[C]∥Sixth International Symposium on Computational Intelligence and Design. IEEE，2013：227-230.
[12] 罗云瀚，夏丽佳，余健辉，等. 全光纤电流互感器的调制相位扰动补偿[J]. 纳米技术与精密工程，2014，12（1）：1-6.
[13] 程嵩，张国庆，郭志忠，等. 全光纤电流互感器受导体偏心影响的机理[J]. 电力系统自动化，2015（13）：137-143.
[14] WANG H X， GUAN Y P. Study on Long-term operation stability of fiber optical current transformer based on faraday effect[C]∥International Conference on Intelligent Transportation Big Data & Smart City，2015：768-770.
[15] 王娜，万全，邵霞，等. 全光纤电流互感器的建模与仿真技术研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2011，38（10）：44-49.
（编辑：莫婕）
关键词：全光纤电流互感器；最小均方误差；相位偏置；调制相位补偿
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）12-0116-05
0 引 言
电流互感器是电力系统中一种不可或缺的电力设备，用于对电流进行测量，后端合并单元控制台根据测量的结果对电力进行有效分配，实现继电保护和对系统的监控[1]。电磁式电流互感器是目前广泛应用的一种传统电流互感器，但由于其具有磁滞效应与磁饱和问题使得测量动态范围较小。并且电磁式电流互感器有油、易燃易爆、绝缘困难，存在很大的安全隐患。因此，电磁式电流互感器已不能满足现代工业的需求[2-3]。
全光纤电流互感器（fiber optical current transducer，FOCT）是采用磁光晶体的法拉弟效应，通过非导体传感的一种测量方法[4]。全光纤电流互感器具有体积小、质量轻、安全性高、测量精度高等优点，从20世纪60年代至今已经取得了长足的发展。然而，在实际工程应用中，全光纤电流互感器仍然面临一些工艺方面的问题，如1/4波片制作误差和传感光纤双折射都对测量精度产生影响，外界环境的温度变化和振动扰动对测量精度也会造成误差[5-6]。对此，文献[7]提出采用法拉第旋转器抑制外界振动在传感头引起的噪声；文献[8-9]利用1/4波片的温度效应和维尔德常数变化相互抵消的方法减弱温度对测量精度的影响。文献[10]利用LabVIEW虚拟仪器软件进行数字信号处理技术设计对温度的补偿。文献[11]基于最小二乘法补偿温度误差。目前大多数研究主要针对如何提高传感头稳定性及系统测量精度，但关于相位调制引入外界噪声的补偿方法仍未见报道。
全光纤电流互感器能有效地对电网中高压大电流电能输送进行检测，提高检测抗干扰能力与测量精度；但是，这些都是假设光纤系统以及空间信号和传播环境特性在理想情况下得到的。在实际应用系统中，法拉第效应引起的相移十分微弱，相位调制系统常会存在一些误差：如在光源耦合过程中，由于手工操作或者仪器精度不够等因素使得光源耦合位置存在误差，以及光纤在使用过程中的受损程度等都会引起系统失配误差，使得在理想条件下理论分析所得到的效果难以实现[12-14]，全光纤电流互感器对这些失配误差极为敏感。因此相位调制成为解调电流相关相移的必要手段。
本文对全光纤电流互感器灵敏度进行分析，并针对非平稳环境因素造成的全光纤电流互感器系统中存在的各种误差，提出基于最小均方误差准则的相位调制补偿方法，计算机仿真验证提出的稳健算法能有效提高全光纤电流互感器测量系统的稳健性。
4 计算机仿真
普通的单模光纤由于受工艺和环境的影响，会存在一定的线双折射，而且是随机分布和随机变化的。考虑光信号进入单模光纤，光纤折射率n1=1.466，包层折射率n2=1.458。其光信号相对于采样频率fs的频率带宽为Ω=[0.24 0.36]，且归一化采样频率fs=1。将光信号频率带宽Ω离散化成K=9个子频率窄带，期望光信号入射方向θ为椭圆轴向方向夹角，设入射方向为θ=0°，在角度区域？专=[-90° 90°]上进行优化设计。将角度区域？专以角度间隔3°进行离散化，得到N=61个离散角度。根据给出的调制相位扰动补偿方法，在整个离散角度点上对加权函数进行迭代，设定初始加权函数为F（θm）=1（m=1，2，…，M）。要求经过相位调制后光信号能量趋近给定的期望信号能量Ed（θ）=cos2θ，其他相位能量在-40 dB以下。设定耦合相位[-12° 12°]，选定迭代增益Km=1，设计能容忍的误差最大值为ε=0.000 5，经过120次迭代得到如图2所示的优化相位图。
从图中可以看出，各子频率光束拟合在一起不随频率的变化而改变，得到整个信号带宽范围内的频率不变相关相位。为了测试全光纤电流互感器在存在光的偏振态不稳定时，相位补偿效果，搭建了测试系统，其结构如图3所示。
图3中合并单元发出两路触发信号，一路触发待测全光纤电流互感器输出信号，另一路触发基准信号。两路信号通过合并单元进入上位机进行误差分析。在室温下，校准信号和输出信号中的交流信号由示波器测量，输出信号中的直流信号由数字万用表测量，读取不同输入电流时交流信号与直流信号的响应值，测量结果如图4所示。
从图4可以看出，全光纤电流互感器在进行了调制相位扰动补偿后，在小信号时，系统的线性度得到提高。
两台样机在高低温箱内进行多日重复性测试，在经过调制相位补偿后，两台样机多日内全温的归一化变化率可达到±0.2%以内，且重复性比较好，通过进一步优化，完全有可能满足0.2 s级继电保护系统的使用要求。
5 结束语
电流互感器肩负着提供电能计量参数和提供继电保护以及测量控制的动作依据等重要使命，而传统电磁互感器的技术局限性越来越明显，弊端也越来越突出，因此光纤电流互感器成为主要的研究和发展方向。当光在光纖中传播时，由于各种原因将引起光的偏振态不稳定，使得全光纤电流互感器在实际应用中性能降低，本文在分析全光纤电流互感器误差模型基础上，基于加权最小均方误差准则提出了调制相位扰动补偿方案。通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，并搭建了实验系统对测试数据进行分析，取得了较好的实验结果，两台样机多日内全温的归一化变化率可达到±0.2%以内，且重复性比较好，通过进一步优化，可满足0.2 s级继电保护系统的使用要求。 参考文献
[1] 王政平，王玥坤，孙帅. 全光纤电子电流互感器技术探讨[J]. 光学与光电技术，2012，10（2）：15-19.
[2] 姬更新，赵新明，刘勇，等. 电磁式电流互感器的误差特性及使用维护[J]. 工业计量，2011（2）：155-157.
[3] 鄭涛，陈佩璐. 计及直流偏磁的电流互感器传变特性对差动保护的影响[J]. 电力系统自动化，2012，36（20）：89-93.
[4] 周军，肖恺，李平，等. 全光纤电流互感器技术综述[J]. 信息通信，2015（5）：20-22.
[5] 王晓琪，汪本进. 全光纤电流互感器偏振误差分析[J]. 电测与仪表，2015（7）：19-23.
[6] 王夏霄，王野，王熙辰，等. 全光纤电流互感器动态特性实验研究[J]. 电力系统保护与控制，2014（3）：9-14.
[7] 王玥坤，王政平. 法拉第旋光器温度特性对无源解调全光纤电流互感器的影响[J]. 电网技术，2013，37（1）：206-210.
[8] SASAKI K， TAKAHASHI M， HIRATA Y. Temperature-insensitive sagnac-type optical current transformer[J]. Journal of Lightwave Technolog，2015，33（12）：2463-2467.
[9] 陈春艳，陈哲，余健辉，等. 全光纤电流互感器中光纤λ/4波片容差分析[J]. 仪表技术与传感器，2012（5）：12-14.
[10] LIU Y P， YOU S H， WAN Q F， et al. Optical electrical current transformer error measuring system based on virtual instrument[C]∥The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments. IEEE，2007：278-282.
[11] LI Y Y， YANG X J， XU J T， et al. Temperature compensation in full optical fiber current transformer using signal processing[C]∥Sixth International Symposium on Computational Intelligence and Design. IEEE，2013：227-230.
[12] 罗云瀚，夏丽佳，余健辉，等. 全光纤电流互感器的调制相位扰动补偿[J]. 纳米技术与精密工程，2014，12（1）：1-6.
[13] 程嵩，张国庆，郭志忠，等. 全光纤电流互感器受导体偏心影响的机理[J]. 电力系统自动化，2015（13）：137-143.
[14] WANG H X， GUAN Y P. Study on Long-term operation stability of fiber optical current transformer based on faraday effect[C]∥International Conference on Intelligent Transportation Big Data & Smart City，2015：768-770.
[15] 王娜，万全，邵霞，等. 全光纤电流互感器的建模与仿真技术研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2011，38（10）：44-49.
（编辑：莫婕）