第 29 卷 第 30 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.30 Oct. 25, 2009
42 2009 年 10 月 25 日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号:0258-8013 (2009) 30-0042-05 中图分类号:TM 452 文献标志码:A 学科分类号:470⋅40
数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法
张朝阳,张春熹,王夏霄,马宗峰,刘晴晴
(北京航空航天大学仪器科学及光学工程学院,北京市 海淀区 100083)
Signal Processing System for Digital Closed-loop Fiber Optic Current Sensor
ZHANG Chao-yang, ZHANG Chun-xi, WANG Xia-xiao, MA Zong-feng, LIU Qing-qing
(School of Instrument Science and Opto-electronicis Engineering, Beihang University, Haidian District, Beijing 100083, China)
ABSTRACT: The rationale of all fiber-optic current sensor
(A-FOCS) was presented. According to characteristic of
interference signal, square wave modulation technique was
applied to enhance the sensitivity of A-FOCS, and correlative
demodulation scheme was proposed to distill phase difference
information. By introducing a digital ramp feedback technology,
a non-reciprocal phase shifting between the two polarization
beams was created to counteract Faraday Effect phase. In this
way, closed-loop scheme was realized. Also, a treble frequency
modulation technique was presented to heighten detection
velocity and aggrandize bandwidth. According to experimental
results, the sensor achieved accuracy within ±0.25% at −40~
60 , which approached to the IEC standard class 0.2℃ s
(±0.2%). The bandwidth exceeded 6 kHz. Resolving power
was less than 0.5 A. The results showed the feasibility of the
closed-loop scheme.
KEY WORDS: fiber-optic current sensor; Faraday effect;
correlation demodulation; closed-loop system; treble frequency;
bandwidth
摘要:介绍了全光纤电流互感器(all fiber-optic current sensor,
A-FOCS)的工作原理。针对输出信号特点,应用方波调制提
高系统响应灵敏度,相关解调提取相位信息。在此基础上,
引入阶梯波反馈技术,在 2 束相干偏振光间叠加一个与法拉
第(Faraday)相移大小相等、方向相反的非互易相位差,实现
闭环检测。提出三倍频方波调制方法,提高检测速度、增大
闭环系统检测带宽。测试结果表明,闭环系统在−40~+60 ℃
范围内标度因数变化小于±0.25%,接近 IEC
0.2 s 级
(±0.2%);系统带宽大于 6 kHz;分辨能力小于 0.5 A。试验结
果证明了信号处理方法的正确性。
关键词:光纤电流互感器;法拉第效应;相关解调;闭环系
统;三倍频;带宽
0 引言
随着继电保护、电气设备自动化程度和电力系
统绝缘等级的提高,基于电磁感应的传统电流互感
器,由于其原理性的缺陷,已经越来越难以满足电
力系统发展的需要[1-5]。在这种背景下,应用光纤光
学技术的光电式电流互感器(optic current sensor,
OCS)研究逐渐取得了世界范围内的重视,得到了快
速发展。按照高压区传感
是否需要供能,可以
把 OCS 分为有源型和无源型 2 种;按照传感机理
和传感头的具体结构,又可把 OCS 分为全光纤型、
光学玻璃型、混合型、磁场传感型等[1-5]。本文讨论
的是一种基于法拉第(Faraday)磁光效应原理的无源
型全光纤电流互感器(all fiber-optic current sensor,
A-FOCS),它采用光纤作为传感介质,不存在铁磁
共振和磁致饱和的隐患,同时具有频带宽、动态范
围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性
能好以及制造和维护成本低等一系列优点[6-12]。
文中给出 A-FOCS 的基本原理和结构,分析了
光路输出信号特点,并针对这种淹没于强噪声中的
微弱信号,介绍了基于方波调制、相关解调和阶梯
波反馈的闭环信号处理方法。分析了三倍频方波调
制解调优化
,并最终给出一种基于 FPGA+DSP
的信号处理系统硬件实现途径。
1 全光纤电流互感器原理简介
A-FOCS 原理[13-17]如图 1 所示,光源发出的光
经过起偏器后,分成 2 束正交的线偏振光,沿着保
偏光纤的 2 个模式传输至传感头。在 1/4 波片处,2
束线偏光分别被转换为左旋和右旋圆偏光,进入传
感光纤。
在传感光纤中,由于导线内电流产生磁场的
Faraday 磁光效应作用,2 束圆偏光的传输速度不
同,从而产生 Faraday 相差。当 2 束圆偏光传输到
传感光纤末端时,发生镜面反射,2 束光在模式互
第 30 期 张朝阳等: 数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法 43
光源
前放
延迟光缆相位调制器
耦合器
起偏器
导线
输出
反射镜
光电
转换
1/4 波片
信号处理单元
(DSP+FPGA)A/D
45°
D/A
45°
图 1 A-FOCS 原理图
Fig. 1 Component of A-FOCS
换(左旋变右旋,右旋变左旋)后沿原光路返回,
Faraday 效应加倍,并且在 1/4 波片处再次转变为 2
束模式正交的线偏光(模式也互换了)。最终,携带
Faraday 效应相位信息的 2 束光在起偏器处发生干
涉,然后由 3 dB 耦合器耦合进光电探测器,进行后
续信号处理。
可以看出,2 束偏振光始终在同一根光纤的 2
个正交模式上传输,所以 A-FOCS 的光路系统具有
很强的抗干扰能力;同时,由于发生干涉的 2 束偏
振光都经过了相同的传输路径和模式变化,只是在
顺序上刚好相反。因此,光路系统还具有良好的互
易性,干涉结果只携带了 Faraday 磁光效应产生的
相位信息。最终,经过探测器实现光电转换后的信
号表达式为
d p 0 F0.5 (1 cos )S K LI φ= + (1)
式中:Kp 为探测器的光电转换系数;L 为光路损耗;
I0 为光源输出光强;φF = 4 NVI 为磁光 Faraday 相位
差(其中,N 为传感光纤匝数;V 为传感光纤 Verdet
常数;I 为导线中传输电流值)。
2 信号处理系统原理
2.1 方波调制
分析 A-FOCS 系统光学器件基本参数[12]可知,
探测器的输出电压是微伏级的微弱信息,而噪声一
般是毫伏量级,因此必须应用微弱信号检测的方法
提取信号。同时从式(1)可以看出,探测器输出信号
Sd 是相位差φF的余弦函数。由于余弦函数在零相位
时斜率为零,对微小相位差反应不灵敏,所以从
式(1)中直接提取相位信息φF比较困难,同时不能分
辨相差的符号。
如图 2 所示,应用方波调制技术使相差信息产
生±π/2 偏置,使系统工作在较灵敏的区域,提高互
感器的响应灵敏度;同时通过调制,在频域上将输
出信号频谱由低频区迁移到高频,避开低频区的 1/f
噪声,减少了低频噪声的影响[17]。这时,式(1)变为
d p 0 F p 0 F0.5 [1 cos( )] 0.5 (1 sin )2
S K LI K LIφ φπ= + ± = ± (2)
可见,方波调制后的探测器输出信号是一个叠
加在直流 0.5KpLI0 上的幅值为 0.5KpLI0sinφF的方波
信号,方波幅值反映了 Faraday 相移大小。
t=0 I≠0
t Faraday 相移φF
tφ
P P
2ππ−2π −π
图 2 方波调制原理
Fig. 2 Square-wave modulation principle
2.2 相关解调
由于 Sd 是淹没于强噪声中的弱信息,利用信号
和噪声不相关的特点,应用相关解调技术提取信
号、抑制噪声[18-20]。具体方法如图 3 所示。对于
式(2)描述的方波输出结果,在正、负半周期上各取
n 个点,分别求和后相减,得到解调结果:
0 F 0 F0.5 (1 sin ) 0.5 (1 sin )nALI nALI∆ φ φ= + − − =
0 F 0sin sin(4 )nALI nALI NVIφ = (3)
在实际系统中,传感光纤匝数 N=4、Verdet 常
数 V 约为 1.03×10−6,所以当电流幅值在一定范围内
时,sin(NVI) ≈ NVI,即解调结果“∆”与相位差信
息φF或电流幅值 I 呈近似线性关系。
2τ 调制方波
干涉输出
解调信息
t
t
P
图 3 信号的相关解调
Fig. 3 Correlation demodulation of the signal
但是,当测量电流比较大时,由于解调结果是
φF的正弦函数,必然存在输入输出的非线性问
,
并且随着输入电流增加,测量误差变大。可以采取
对输出值进行修正的方法解决非线性问题[7-8],但是
这项工作非常复杂。另外,由于正弦信号的周期性,
此时互感器的测量范围也是非常有限的。
44 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷
2.3 闭环实现(阶梯波反馈)
为了减小系统输出非线性误差和增大动态测
量范围,借鉴数字闭环光纤陀螺技术,提出光纤电
流互感器的闭环检测方案[19]:在相向传输的 2 束光
之间引入一个与 Faraday 相移φF大小相等、方向相
反的反馈补偿相移φR,用来抵消 Faraday 效应相移。
加入反馈相移φR后,探测器处输出信息为
d p 0 F R0.5 [1 sin( )]S K LI φ φ= ± + (4)
由于φF+φR≈0,所以此时互感器系统始终工作
在线性度最好的零相位附近区域,因此测量灵敏度
最高;同时由于实现闭环检测,也扩大了系统的测
量范围。这时系统的解调结果变为
p 0 F R p 0 F Rsin( ) ( )nK P nK P∆ φ φ φ φ= + ≈ + (5)
采用阶梯波反馈调制产生反馈相位差φR。对
式(5)所述的解调结果作累加积分,形成数字阶梯波
的台阶高度 Sout,Sout 一方面经过 D/A 转换及其辅助
电路形成模拟阶梯波后驱动相位调制器,以在 2 束
光间引入补偿相差φR,同时 Sout 作为 A-FOCS 的数
字输出,反映互感器输入电流的大小和方向。
设经过 D/A 转换形成的模拟阶梯波为
R R R( ) ( ) ( )V t V t V t τ∆ = − − ,其值域为(−∞, +∞),则在 2
束线偏光间产生的附加相移为
R fp R fp R( ) ( )K V t K V tφ τ= − − =
fp R R fp R[ ( ) ( )] ( )K V t V t K V tτ− − = ∆ (6)
式中:τ 为光束在光纤延迟线中的渡越时间;Kfp
为相位调制器调制系数。式(6)说明,阶梯波调制产
生的相位差与阶梯波台阶高度成正比。
但是显然,值域范围在(−∞, +∞)上不断上升的
阶梯波是不可能实现的。由于干涉输出信号以 2π为
周期,所以在本闭环方案中,采用如图 4 所示的值
域范围为(0, 2π)的阶梯波来取代值域为(−∞,+∞)
的阶梯波,即当阶梯波调制相位 fp R ( )K V t =2π时,自
动复位[20]。这项技术在数字电路中很容易实现,
t
τ
FW BW
2π
t
φF
φ (t)
φ (t)
φF
0
0
−2π+φJ
图 4 阶梯波反馈相位关系
Fig. 4 Phase shift of the ramp feedback modulation
且采用这种方法理论上不会对系统精度产生影响。
2.4 三倍频调制解调方法
在电力系统中,对电力设备的相位延迟有严格
要求,因此应尽可能减小 A-FOCS 系统输入输出相
位差。在样机原有调制解调方案中,调制方波的频
率和信号解调频率相等,都是 f=1/2τ。其中,f 为系
统的本征频率;τ为光在光纤延迟线中的传输时间。
为了减小解调周期,提高检测速度,提出三倍频调
制方法。具体做法是:把调制方波频率扩大为原来
3 倍,则解调周期相应地由原来的τ变成了τ /3。这
样,有效地提高了信号检测速度,由此增大系统带
宽,减小相位延迟。
3 信号处理系统的硬件实现
信号处理系统以 FPGA(EP1K50QC208-3)和
DSP(TMS320VC33)为核心,采用 FPGA 生成中断
信号和建立各个时序;利用锁相环产生基准时钟,
在 FPGA 中进行分频,分别得到 A/D 时钟、采样脉
冲、D/A 时钟、调制方波和解调方波等;发挥 DSP
的高速运算特点,在 DSP 中进行数据处理。FPGA
合 DSP 之间采用中断方式实现通讯。
检测系统构成如图 5 所示。光电探测器的输出
信号经过 A/D 转换后送 FPGA 解调,解调结果发往
DSP,在 DSP 中对数据进行积分和滤波处理,之后
再把处理结果数据送回 FPGA,进行数字输出和模
拟输出;同时,以数字输出作为阶梯波台阶高度,
累加生成数字阶梯波。最终,数字阶梯波与在 FPGA
中设置生成的调制方波叠加,经 D/A 转换后驱动相
位调制器,得到反馈调制相移φR 和偏置调制相移
±π/2。
A/D光电转换
D/A
相位调制器
模拟输出D/A
数字输出
FPGA
(Ep1k50
qc208-3) DSP
(TMS320
Vc33)
图 5 信号处理系统硬件构成
Fig. 5 Hardware components of signal processing system
4 试验结果
4.1 常温运行稳定性实验
室温条件下,对 A-FOCS 样机作稳态测量误差
实验。大约 30 天内每隔 3 天测试一组数据。每次
测试时,分别对互感器输入 150,300,450,600,
第 30 期 张朝阳等: 数字闭环全光纤电流互感器信号处理方法 45
750,900 A 等不同值的直流电流,测得互感器样机
相应输出,然后对应输入输出以最小二乘方法拟合
求得互感器变比。测试结果如图 6 所示,结果表明
样机的测量误差小于±0.1%。
1 3 5 7 9 11
实验序号
标
度
因
数
0.995
0.997
0.999
1.001
1.003
1.005
图 6 互感器室温测量变比误差
Fig. 6 Scale factor error of
A-FOCS at normal temperature
4.2 标度因数精度实验
结合实际应用的需要,在−40~60 ℃范围内测
试 A-FOCS 样机标度因数温度稳定性能。选择−40,
−20,0,20,40,60 ℃等 6 个温度点,在这些温度
点上分别对互感器通以 0,100,200,300,400,、
500,600 A 等不同值的直流电流,测得输出结果,
再对系统输入输出以最小二乘法拟合求出各温度
点上的标度因数值,结果如图 7 所示。从图中可以
看出,在−40~60 ℃范围内样机的标度因数变化小
于 0.25%。
40 20 0 20 40 60
t/℃
标
度
因
数
0.150
0.152
0.154
0.156
0.158
0.160
0.25%
图 7 系统标度因数的温度特性
Fig. 7 Scale factor error temperature performance
4.3 交流小电流分辨能力实验
对样机交流小电流分辨能力测试当中,分别对
导线通以有效值为 1,2,3,4,5 A 的交流电流,
测得相应数字输出结果,并应用互相关解算法,以
式(7)计算系统输出有效值 S:
2 2
1 1
{ [ ( ) ] [ ( ) ] }/
M M
i i
S S i S S i S M
= =
′ ′= − − −∑ ∑ (7)
式中:M=1 000 为系统输出采样频率,采样时间 1 s;
S(i)(i=1…M)为对应的系统数字输出;S 为 S(i)平均
值; ( )S i′ (i=1…M)为系统零电流输入时的数字输出
值; S ′为 ( )S i′ 平均值。
测试结果如表 1 所示。可以看出,系统对交流
小电流分辨能力小于 0.5 A。
表 1 系统对小值交流电流分辨能力测试结果
Tab. 1 AC resolving power experimental result of
the sensor
输入交流电流/A 输出计算结果/A
1 0.881 1
2 1.932 3
3 3.065 3
4 3.968 4
5 4.981 2
4.4 闭环系统带宽实验
通过正弦响应测试系统带宽。对导线分别通以
幅值一定、频率在 10~12 000 Hz 内变化的若干个交
流电流,对应测得 A-FOCS 系统输出结果有效值,
然后绘制系统的幅频特性曲线如图 8 所示。从图中
可以看出,当系统输出幅值衰减至低频时的 0.707
倍左右时,输入电流频率大于 6 kHz,说明 A-FOCS
系统带宽大于 6 kHz。
101 102 103 104
0.65
0.75
0.85
0.95
f/Hz
归
一
化
幅
值
图 8 系统幅频特性
Fig. 8 Magnitude-frequency characteristic
5 结论
本文对数字闭环全光纤电流传感器信号处理
方案进行了理论分析和实验验证,对三倍频调制解
调技术进行了初步探讨。通过方波调制,在提高
A-FOCS 系统响应灵敏度的同时,抑制了低频噪声;
应用相关解调技术,成功实现了对光电探测器输出
微弱信号的检测;应用阶梯波反馈调制技术实现闭
环检测,在扩大系统理论测量范围、提高响应灵敏
度的同时,提高了系统测量精度;三倍频调制的成
功应用有效提高了信号解调速度,原理上扩大了系
统带宽、减小了相位延迟。样机的实验结果表明,
46 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷
1 个月内样机室温测量变比变化小于±0.1%;互感器
系统在 −40~+60 ℃范围内标度因数变化小于
±0.25%,接近 IEC 标准 0.2s 级(±0.2%);对交流小
电流分辨能力小于 0.5A;系统带宽大于 6 kHz。实
验结果证明了所述信号处理方法的正确性。
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收稿日期:2009-09-08。
作者简介:
张朝阳(1981-),男,博士研究生,主要研究
方向为光纤传感技术,xybzcy@aspe.buaa.edu.cn;
张春熹(1965-),男,教授,主要研究方向为
光纤传感技术及惯性技术;
王夏霄(1977-),男,博士后,主要研究方向
为光纤传感技术;
马宗峰(1980-),男,博士研究生,主要研究
方向为光纤雷达技术;
刘晴晴(1983-),女,硕士研究生,主要研究
方向为信号处理及虚拟仪器仿真。
(责任编辑 王剑乔)
张朝阳