光學(xué)電流傳感器的開(kāi)環(huán)機(jī)理及應(yīng)用

光學(xué)電流傳感器的開(kāi)環(huán)機(jī)理及應(yīng)用

1獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論光學(xué)電源傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)能源系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于光學(xué)電流傳感器(OpticalCurrentTransducer,OCT)具有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特性,在外界因素的影響下其測(cè)量精度始終達(dá)不到實(shí)際要求,而且OCT本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)類似于電磁式電流傳感器的閉環(huán)系統(tǒng),因此要提高光學(xué)電流傳感器的測(cè)量精度,只能從外部引入新的獨(dú)立變量,以消除環(huán)境溫度等外因的影響。自適應(yīng)技術(shù)主要用于研究結(jié)構(gòu)可變或可以調(diào)整的系統(tǒng),使系統(tǒng)通過(guò)與外界環(huán)境的接觸來(lái)改善自身處理信號(hào)的能力,自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化,無(wú)需詳細(xì)知道信號(hào)的結(jié)構(gòu)及其實(shí)際知識(shí),無(wú)需精確設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。將自適應(yīng)技術(shù)與光學(xué)電流傳感技術(shù)相結(jié)合可有效提高OCT的測(cè)量精度。為此,本文提出了獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論。利用該理論設(shè)計(jì)的傳感器具有前饋特性,與電磁式電流互感器的閉環(huán)系統(tǒng)一樣,通過(guò)反饋得到精確的系統(tǒng)響應(yīng),從而抵抗外界干擾,實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。2光學(xué)電流傳感器的閉環(huán)特性獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論的基本思想是:構(gòu)造兩組或兩組以上的獨(dú)立輸出量,通過(guò)對(duì)這些獨(dú)立輸出量進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)算獲得與干擾(包括溫度干擾)無(wú)關(guān)的測(cè)量輸出結(jié)果,根據(jù)該理論設(shè)計(jì)的OCT的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該理論的作用是通過(guò)處理光學(xué)電流傳感器及與其輸入、輸出或傳感特性有關(guān)的新的獨(dú)立變量來(lái)提高測(cè)量精度。顯然,新的獨(dú)立變量必須從光學(xué)電流傳感器外部引入,且與光學(xué)電流傳感器的輸出信號(hào)相關(guān),但又不能完全一致。圖1所示方框圖可看作一個(gè)具有多個(gè)輸入、單個(gè)輸出的濾波器,該濾波器具有可調(diào)節(jié)的參數(shù),其可調(diào)節(jié)特性由被斜箭頭穿過(guò)的方框表示,參數(shù)的調(diào)節(jié)由自適應(yīng)算法完成,而自適應(yīng)算法又是由光學(xué)電流傳感器的輸出量和其它獨(dú)立變量經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后的誤差信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。對(duì)比電磁式電流互感器的閉環(huán)特性方框圖和圖1可知,前者直接利用反饋過(guò)程中的誤差信號(hào)使系統(tǒng)誤差最小,由誤差信號(hào)構(gòu)成系統(tǒng)的輸出信號(hào);而后者的誤差信號(hào)用來(lái)在反饋過(guò)程中控制系統(tǒng)參數(shù),而且該誤差信號(hào)并不直接形成系統(tǒng)的最終輸出。前者具有反饋特性,后者具有前饋特性。3立量與光電獨(dú)立量傳感器由獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論可知,該理論的核心之一就是選擇獨(dú)立變量,由此出現(xiàn)了兩種不同的獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論的應(yīng)用形式一一光路獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)傳感器和光電獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)傳感器,兩者的獨(dú)立變量分別選擇獨(dú)立光路和電流互感器。光路獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。將輸入線性偏振光P0分解為兩束光:線性偏振光0P1和經(jīng)1/4波片后的圓偏振光0P2。兩束光經(jīng)過(guò)光學(xué)傳感器后成為兩組獨(dú)立的電流信號(hào):與雙折射角δ和法拉第旋光角?有關(guān)的電流I11(δ,?)和與雙折射角δ有關(guān)的電流I12(δ)。經(jīng)自適應(yīng)運(yùn)算處理后可以得到與雙折射無(wú)關(guān)的高精度測(cè)量輸出。4自適應(yīng)校正系數(shù)的計(jì)算光電獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論是從光學(xué)電流傳感器與穩(wěn)態(tài)電流參考模型互補(bǔ)的角度出發(fā)尋找和建立輸出獨(dú)立量之間的關(guān)系。利用該理論設(shè)計(jì)的新型光學(xué)電流傳感器稱為光電獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感器,簡(jiǎn)稱為AOCT(AdaptiveOpticalCurrentTransducer)。AOCT由光學(xué)電流傳感器和穩(wěn)態(tài)電流參考模型組成,光學(xué)電流傳感器和穩(wěn)態(tài)參考模型同時(shí)測(cè)量被測(cè)電流(穩(wěn)態(tài)電流參考模型的作用是提供基波電流量測(cè)量),由此得到兩組相互獨(dú)立的電流信號(hào):與雙折射角δ和法拉第旋光角?有關(guān)的電流以及與雙折射角和法拉第旋光角無(wú)關(guān)的基波電流,經(jīng)過(guò)自適應(yīng)運(yùn)算處理后,可以得到與溫度漂移無(wú)關(guān)的高精度測(cè)量輸出。AOCT的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。AOCT的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)單表示為式中i為被測(cè)一次電流;θ為光學(xué)電流傳感器的法拉第旋光角,k(T)是比例系數(shù),它是溫度T的函數(shù)。以某一時(shí)間點(diǎn)為例,設(shè)該時(shí)間點(diǎn)前的光學(xué)電流傳感器的比例系數(shù)為k-(T),該時(shí)間點(diǎn)后的比例系數(shù)為k+(T),由于環(huán)境溫度對(duì)OCT測(cè)量精度的影響是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程,因此可以認(rèn)為在該時(shí)間點(diǎn)前后的短時(shí)間內(nèi)兩個(gè)比例系數(shù)是相等的,即假如在該時(shí)間點(diǎn)前獲得的比例系數(shù)使AOCT具有較高的測(cè)量精度,那么在此后的一段短時(shí)間內(nèi)用該比例系數(shù)來(lái)代替當(dāng)時(shí)的比例系數(shù),則可在這段時(shí)間內(nèi)使光學(xué)電流傳感器具有較高的測(cè)量精度。被測(cè)電流中不僅包含頻率為50Hz的基頻電流,還包含其它成分的電流,故式(1)可表示為式中i(f1)表示頻率為50Hz的基頻電流,i(f3)、i(f5)、i(fN)分別表示3次、5次及N次諧波電流。各種電流成分所作用的光學(xué)傳感系統(tǒng)始終相同,而且外界對(duì)光學(xué)傳感系統(tǒng)的影響也不會(huì)由于電流成分的不同而有所變化。因此,式(3)可以寫(xiě)成以下形式:式中θ(f1)為基頻電流所對(duì)應(yīng)的法拉第旋光角;θ(f3)、θ(f5)、θ(fN)分別為3次、5次及N次諧波電流所對(duì)應(yīng)的法拉第旋光角?？梢?jiàn),光學(xué)電流傳感器的比例系數(shù)與頻率無(wú)關(guān)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流參考模型的基波電流量測(cè)量,應(yīng)用Kalman濾波和自適應(yīng)技術(shù)對(duì)光學(xué)電流傳感器輸出的基波電流量測(cè)量進(jìn)行校正,消除外界因素對(duì)光學(xué)電流傳感器測(cè)量精度的影響,計(jì)算得到自適應(yīng)校正系數(shù)。此時(shí)獲得的自適應(yīng)校正系數(shù)不僅應(yīng)用于此后一段短時(shí)間內(nèi)的基波電流測(cè)量,而且還應(yīng)用于諧波電流測(cè)量,經(jīng)過(guò)橫向?yàn)V波器組來(lái)使用自適應(yīng)校正系數(shù),使AOCT的穩(wěn)態(tài)電流(包括基波和諧波電流)測(cè)量精度達(dá)到參考模型的基波測(cè)量精度。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)立即停止計(jì)算新的校正參數(shù),采用故障前一時(shí)刻經(jīng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的自適應(yīng)校正系數(shù),并通過(guò)橫向?yàn)V波器組將其直接輸出。同樣,由于故障前后的自適應(yīng)校正系數(shù)不變,因此故障后AOCT的暫態(tài)測(cè)量精度可達(dá)到參考模型穩(wěn)態(tài)精度的水平。由于故障后的校正參數(shù)并不是以故障后參考模型的輸出為基礎(chǔ)計(jì)算的,因此故障后由飽和等引起的參考模型的輸出誤差不會(huì)對(duì)AOCT的暫態(tài)精度產(chǎn)生影響。在電力系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)過(guò)程向暫態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)變的瞬間,被測(cè)電流中會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn),應(yīng)用實(shí)時(shí)小波分析和突變量檢測(cè)可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)變時(shí)刻,以閉鎖計(jì)算校正參數(shù)的自適應(yīng)算法。5光學(xué)電流傳感器測(cè)試為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的AOCT的測(cè)量精度,本文搭建了一套標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通道組件均經(jīng)過(guò)了國(guó)家權(quán)威檢測(cè)部門(mén)的鑒定,其綜合誤差小于4/10000,滿足檢測(cè)AOCT測(cè)量精度的要求,能夠完成對(duì)0.2級(jí)光學(xué)電流傳感器的檢測(cè)。將被測(cè)試的AOCT接入測(cè)試系統(tǒng),并將AOCT置于溫度控制箱中,通過(guò)溫度控制箱來(lái)調(diào)整AOCT的工作環(huán)境溫度,通過(guò)大電流發(fā)生器來(lái)調(diào)節(jié)AOCT與高精度電流傳感器串聯(lián)回路中的電流Ip的大小。圖5~7分別是環(huán)境溫度為-40℃、20℃、60℃時(shí)的AOCT的比差和角差曲線,各曲線圖中分別標(biāo)出了0.2級(jí)電流互感器的比差和角差允許誤差限值曲線。可見(jiàn),AOCT在各種溫度下的比差和角差均在0.2級(jí)的允許誤差限值內(nèi)。6光學(xué)電流傳感器(1)為了提高光學(xué)電流傳感器的測(cè)量精度,本文提出了一種全新的光學(xué)電流傳感理論一一量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感理論,利用該理論設(shè)計(jì)了光路獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感器和光電獨(dú)立量自適應(yīng)光學(xué)電流傳感器,并制作了樣機(jī)。所設(shè)計(jì)的光學(xué)電流傳感器能夠自