专利名称：光学电流传感系统及电流测量方法
技术领域：
本发明涉及光学电流传感技术，特别是一种光学电流传感系统及电流测量方法。
背景技术：
电流传感器或互感器是冶金、化工、电力、电网等领域中用于检测电流的重要设备。在智能电网中，需要布置大量的电流检测点作为智能电网的眼睛。因此，传感器的性能、成本、安装便捷等多方面因素与智能电网建设、运行密切相关。目前，已经报道了大量基于罗氏线圈方案电子式电流互感器和法拉第效应的光纤电流互感器。罗氏线圈方案的电子式电流互感器的采集模块必须放置在高压侧或邻近位置，这就容易受到外场的电磁干扰，从而导致互感器失灵。此外，这种电流互感器在安装时，通常 需要将导体断开。基于法拉第效应的全光纤电流互感器主要利用安培环路定律和法拉第磁光效应来测量导体的电流。该方案性能优异，可以彻底解决罗氏线圈存在的致命问题。但是其技术复杂，成本较高，适合高压以及特高压应用。此外，该产品被预先封装在封闭的环状金属结构体内，安装时必须断开被测导体，应用不够灵活，在中低压领域应用受到限制。然而，智能电网建设和老式变电站改造过程中，电流导线是不能轻易断开的。可以看出，现有的罗氏线圈方案或基于法拉第磁光效应的全光纤电流互感器，由于不能够在现场进行便捷式安装，且成本较高，在中低压电网领域的应用受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够进行无需断开导体的便捷式安装且成本低廉的光学电流传感系统，以及相应的对流经导体的电流进行测量的方法。根据本发明的一个方面，提供了一种光学电流传感系统，用于对流经导体的电流进行测量，该系统包括传感单元、双向收发单元和数据处理单元。传感单元安装在被测导体上，包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器。双向收发单元包括光源和分路单元。分路单元用于将光源发出的光分成第一路光和第二路光。第一路光从传感单元的第一准直器入射，第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号；第二路光从传感单元的第二准直器入射，第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号。数据处理单元用于对第一数据信号和第二数据信号进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。优选地，双向收发单元还包括用于将光源发出的光束均匀化的消偏器。在一个实施例中，分路单兀可以包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一探测器和第二探测器，其中第一分束器将光源发出并经过消偏器的光分成第一路光和第二路光，其中第一路光经由第二分束器入射到传感单元的第一准直器，从第二准直器出射，并将携带了电流信息的第一数据信号经由第三分束器输入到第一探测器；第二路光经由第三分束器入射到传感单元的第二准直器，从第一准直器出射，并将携带了电流信息的第二数据信号经由第二分束器输入第二探测器。 在一个实施例中，数据处理单元可以包括两个第一 AD采集器，分别从携带了电流信息的第一数据信号中采集到数据信号；两个第二 AD采集器，分别从携带了电流信息的第二数据信号中采集到数据信号；以及计算单元，从每个AD采集器采集到的数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到表征流经导体的电流的数据。在一个实施例中，计算单元可以进一步将从两个第一 AD采集器采集到数据信号中之一计算得到的表征流经导体的电流的数 据与从两个第二 AD采集器采集到的数据信号中之一计算得到的表征流经导体的电流的数据相减，以消除测量结果中磁光材料的残余双折射引起的误差。根据本发明的另一方面，提供了一种利用传感单元对流经导体的电流进行测量的方法。该传感单元安装在导体上，并且包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器。该方法包括将光源发出的光分为第一路光和第二路光；将所述第一路光沿第一方向流经所述传感单元，以得到携带了电流信息的第一数据信号；将所述第二路光沿与所述第一方向相反的第二方向流经所述传感单元，以得到携带了电流信息的第二数据信号；基于所述第一数据信号和所述第二数据信号进行计算，以得到表征流经导体的电流的数据。在一个实施例中，基于所述第一数据信号和所述第二数据信号进行计算可以包括从第一数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到第一表征流经导体的电流的数据；从第二数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到第二表征流经导体的电流的数据。在一个实施例中，还可以进一步将所述第一表征流经导体的电流的数据与所述第二表征流经导体的电流的数据相减，以消除测量结果中磁光材料的残余双折射引起的误差。根据本发明的再一方面，提供了一种光学电流传感系统。该系统包括安装在被测导体上的多个传感单元，每个传感单元包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器；针对每个传感单元设置的双向收发单元，每个双向收发单元包括光源；和分路单元，用于将所述光源发出的光分成第一路光和第二路光，第一路光从传感单元的第一准直器入射，从传感单元的第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号，第二路光从传感单元的第二准直器入射，从传感单元的第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号；以及针对每个传感单元设置的数据处理单元，用于对第一数据信号和第二数据信号进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。优选地，上述多个传感单元各自封装在非金属壳体中，并通过卡具环绕导体均匀固定。根据本发明的实施例的光学电流传感系统成本低廉，且可以在无需断开导体的情况下在现场便捷地安装。
图I是根据本发明实施例的光学电流传感系统的示意图。
图2是根据本发明实施例的传感单元及其封装结构示意图。图3是信号处理部分的逻辑连接示意图。图4A和图4B分别示出单个传感单元安装的正视图和立体图。图5A和图5B分别示出三个传感单元安装的正视图和立体图。图6A和图6B分别示出四个传感单元安装的正视图和立体图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 本发明实施例提供一种光学电流传感系统，用于对两路对称的光信号进行解算，从而获得通过导体的电流大小，并且输出完全独立的两组测量数据，供后端系统或装置使用。现在参照图I和图2对根据本发明实施例的光学电流传感系统进行具体描述。其中，图I是根据本发明实施例的光学电流传感系统的示意图，图2是根据本发明实施例的传感单元及其封装结构示意图。参见图I和图2，根据本发明实施例的光学电流传感系统包括传感单元、双向收发单元和数据处理单元。传感单兀包括第一准直器41、第一偏振器51、磁光晶体6、第二偏振器52、第二准直器42。这些部件按照所描述的顺序光学准直地排布。磁光晶体6可以为TTG晶体、TB晶体等石英惨杂材料制成的具有磁光效应的晶体。第一偏振器51和第二偏振器52分别放置在磁光晶体6的两侧，并且偏振方向优选成45度角，以保证光功率随偏转角度变化的灵敏度最大，且线性度最佳。第一准直器41和第二准直器42分别放置在第一偏振器51的与磁光晶体相对的一侧和第二偏振器52的与磁光晶体相对的一侧。传感单元的光路上的各个部件可以通过粘接的方式或者空间准直的方式构成，以保证各个部件的光轴在同一直线上，从而提高光路的通光效率和稳定性。例如，第一准直器41可以与第一偏振器51耦合或粘接，第二准直器42可以与第二偏振器器52耦合或粘接。传感单元的光路可以放置在非金属底座或者支架上，以使得各个光学部件固定。传感单元的光路可以封闭在一个带有卡具的非金属外壳内，用以方便灵活地安装在被测导体上。传感单元紧贴安装在被测导体上，用于感应导体流过电流所产生磁场的大小与方向，从而使出射的光携带电流信息。传感单元的外壳与被测导体接触的面可以呈凹状，以更加紧凑地抱紧被测导体，使得测量精度更高。传感单元的外壳材料优选硬度高、可塑性好的非金属材料，用于解决绝缘和环流的问题。双向收发单元包括光源和分路单元。光源I用于产生光束,该光束具有一定的谱宽,优选为30nm以上，以便抑制由于光路中存在的反射而形成残余干涉信号的干扰。举例来说，该光源可以是发光二极管(LED)或超辐射发光二极管(SLD)。分路单兀用于将光源发出的光分成第一路光和第二路光，第一路光从传感单兀的第一准直器入射，从传感单元的第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号，第二路光从传感单元的第二准直器入射，从传感单元的第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号。分路单元包括第一分束器31、第二分束器32、第三分束器33、第一光电探测器71、第二光电探测器72。第一分束器31可以为2X2分束器,并且具有输入端、第一输出端、第二输出端和空端，用于将从输入端入射的光束分成两束。第二分束器32和第三分束器33可以为2X2分束器，并且均具有输入端、输出端、返回端和孔端，用于将从输入端入射的光束从输出端输出到传感单元的第一准直器41或第二准直器42，同时，返回的光信号从输出端反向入射后从返回端输出，并进入光电探测器71或72。第一、第二、第三分束器的空端可以例如通过浸入匹配液等措施进行消除反射处理。这里的分束器也可称为耦合器。
第一光电探测器71和第二光电探测器72可以配合放大电路，将携带交直流的光强信号转化为两个电压信号Vl和V2 (即第一数据信号和第二数据信号)，分别输送给数据处理单元。双向收发单元优选可以包括消偏器2。消偏器用于将光源发出的光束的偏振随机化，也就是说，从消偏器出射的宽带光束在各个方向上的能量均匀，以保证光束在传输过程中具有足够小的偏振相关损耗，并保证光束在光缆中传输时由应力等外界干扰引起的功率涨落最小。举例来说，消偏器2可以为Loyt光纤消偏器。双向收发单元与传感单元之间可以通过光缆连接。具体来说，双向收发单元的第二分束器32的输出端与传感单元的第一准直器通过光缆连接，双向收发单元的第三分束器32的输出端与传感单元的第二准直器通过光缆连接。这里的光缆可以为普通单模光纤。数据处理单元用于对第一数据信号Vl和第二数据信号V2进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。数据处理单元包括四个AD采集器81、82、83、84以及计算单元9。举例来说，计算单元可以为现场可编程门阵列(FPGA)或者数字信号处理器(DSP)等。下面结合附图I和2对利用贴近被测导体布置的传感单元测量导体的电流的具体过程进行详细描述。光源I发出的光进入消偏器2,获得各个方向能量均勻的光束。由消偏器出射的光束进入第一分束器31的输入端，第一分束器31将光分成两束，例如均等的两束。下面将分别描述这两束光的行进路径。从第一分束器31的第一输出端出射的光进入第二分束器32的输入端。从第二分束器32的输出端出射的光通过光缆进入传感单元的第一准直器41。经过第一准直器41准直的光经由第一偏振器51转换为线偏振光,并进入磁光晶体6。在电流产生的磁场作用下，磁光晶体6内传输的线偏振光会发生偏转，偏转角度e工=VLB = K1I,其中，V是维尔德常数，L是磁光晶体的长度，L可以选取与导体直径相当的长度，B是磁场强度，K为比例因子。因此，从磁光晶体6出射的偏振光携带了电流信息，并进入第二光学偏振器52。由于第二偏振器52与第一偏振器51的偏振方向成45度角，因此光功率传递函数为P =
P0 *sin(45° + 9 i) o由于9 i很小，因此光功率传递函数可以写成P = A 4(1 + 0 )利
02 1
用第二偏振器52将电流或磁场引起的偏振角度信息转换为光功率变化信息。从第二偏振器52出射的光束经过第二准直器42后进入第二分束器33的输出端，并在第二分束器33的返回端输出，进入第一光电探测器71。第一光电探测器71与放大电路(未不出)配合,将携带交直流信息的光强信号转换为电压信号VI。这里，光强信号与电压信号具有线性对应关系。从第一分束器31的第二输出端出射的光进入第三分束器33的输入端,从第三分束器33的输出端出射的光通过连接光缆进入传感单元6的第二准直器42。经过第二准直器准直的光通过第二偏振器52转换为线偏振光,并进入磁光晶体6。在电流产生的磁场作用下，磁光晶体6内传输的线偏振光会发生偏转，偏转角度02 = VLB =-K2I,这里，02与0 符号相反。从磁光晶体6出射的偏振光携带了电流信息，并进入第一光学偏振器51。在第一光学偏振器51与第二光学偏振器52的偏振方向相差45°的情况下,其传递函数为
P=P0. sin (45° +02)，由于e2很小，因此传递函数可以写成尸=A .￥(1 +色)。利用第
一偏振器51将电流或磁场引起的偏振角度信息转换为光功率变化信息。从第 一偏振器51出射的光束经过第一准直器41后进入第二分束器32的输出端，并在第二分束器32的返回端输出，进入第二光电探测器72。第二光电探测器72与放大电路配合，将第二光电探测器72探测到的携带了交直流信息的光强信号转换为电压信号V2。可见，根据本发明上述实施例的光学电流传感系统提供了两路不相关的数据，可供后端设备使用，比如保护双重化设计等应用。以下参考附图3具体描述根据本发明实施例的数据处理。图3是信号处理部分的逻辑连接示意图。数据处理单元通过AD采集器ADll和AD12从电压信号Vl采集数据，通过AD采集器AD21和AD22从电压信号V2采集数据。每个AD采集器采集到的数据均含有直流和交流分量。直流分量与传输功率、光路和电路增益有关。交流分量除受法拉第偏转角度的影响外，还与传输功率、光路和电路增益有关。传输功率、光路和电路增益的漂移是无法避免的。为了消除这种漂移引入的测量误差，根据本发明的一个示例，计算单元从每个采集器中提取出直流分量和交流分量，从而得到AClU DClI, AC12、DC12，AC21、DC21，AC22、DC22。通过数字算法获得法拉第偏转角对应的数据S1=Dii=AciizDcii,其中s i是法拉第旋转角对应的数字量，acii是计算单元提取出的交流分量，DCll是计算单元提取出的直流分量。同理，可以获得S/=D12=AC12/DC12、82=D21=AC21/DC21、82’ =D22=AC22/DC22。 对于磁光材料而言，传输的偏振光的旋转角度由磁场改变，此外也可以受到磁光材料残余双折射的改变，但后者是缓慢的。获得的法拉第偏转角对应的数据与实际由磁光晶体引起的偏转角之间的关系为3工=(9 !+ e ) , S2= 02+e,其中，e是磁光材料残余双折射误差。由于92与9工符号相反，因此，将二者相减可以得到S = S1-S2= O1-O2=(KJK2) * I0也就是说，磁光材料残余双折射引起的误差可以通过将这两个数据相减而得以消除。同样地，可以得到S ' = (K ' !+K2 M-K根据本发明实施例的信号处理系统和算法既能够获得稳定准确的测量信号，又符合智能变电站设计所要求的双重化、双数据输出的准则。在上述实施例中，使用了一个传感单元，该传感单元通过卡具被紧贴固定到被测导体，如图4A和图4B所示。在其它实施例中，可以在被测导体周围等分固定多个传感单元，用以消除临近电流或者磁场的干扰，从而可以达到更高的测量准确度。例如，可以在被测导体周围等分固定三个传感单元，如图5A和图5B所示。再例如，可以在被测导体周围等分固定四个传感单元，如图6A和图6B所示。假设在被测导体周围对称紧贴安装n个传感单元，针对每个传感单元都有一套以上结合图I所描述的电流传感系统获得的一个电流值，可以对各个传感单元获得的数据进
行加权平均计算，即, = jl>(l) + 7(2) + — + /(")，从而有效地降低临近磁场和电流的干扰，
获得更加准确的测量结果。这里的n优选为f 4个。如果n过大则不利于安装，且成本会急剧增加。根据本发明的实施例，采用了具有磁光晶体的传感单元，传感单元紧贴固定到被测导体上，通过两根光缆与双向收发单元连接。双向收发单元以及数据处理单元可以放置 在距离导体较远的地方。通过检测返回的光信号并完成计算可以获取准确的电流值。因此这种光学电流传感系统测量准确、成本低廉，且可以在无需断开导体的情况下在现场便捷地安装，可以适用于例如中低压电网领域，比如电网系统的开关柜、中低压母线等引用领域。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种光学电流传感系统，用于对流经导体的电流进行测量，该系统包括 传感单元，安装在导体上，包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器； 双向收发单元，包括 光源；和 分路单元，用于将所述光源发出的光分成第一路光和第二路光，所述第一路光从所述传感单元的第一准直器入射，从所述传感单元的第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号，所述第二路光从所述传感单元的第二准直器入射，从所述传感单元的第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号；以及 数据处理单元，用于对第一数据信号和第二数据信号进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。
2.根据权利要求I所述的光学电流传感系统，其中所述双向收发单元还包括用于将所述光源发出的光束均勻化的消偏器。
3.根据权利要求2所述的光学电流传感系统，其中所述分路单元包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一探测器和第二探测器， 其中所述第一分束器将所述光源发出并经过所述消偏器的光分成所述第一路光和所述第二路光，其中所述第一路光经由所述第二分束器入射到所述传感单元的第一准直器，从所述第二准直器出射，并将携带了电流信息的第一数据信号经由所述第三分束器输入到所述第一探测器；所述第二路光经由所述第三分束器入射到所述传感单元的第二准直器，从所述第一准直器出射，并将携带了电流信息的第二数据信号经由所述第二分束器输入到所述第二探测器。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的光学电流传感系统，其中所述数据处理单元包括 两个第一 AD采集器，分别从携带了电流信息的第一数据信号中采集到数据信号； 两个第二 AD采集器，分别从携带了电流信息的第二数据信号中采集到数据信号；以及计算单元，从每个AD采集器采集到的数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到表征流经导体的电流的数据。
5.根据权利要求4所述的光学电流传感系统，其中所述计算单元进一步将从所述两个第一 AD采集器采集到数据信号中之一计算得到的表征流经导体的电流的数据与从所述两个第二 AD采集器采集到的数据信号中之一计算得到的表征流经导体的电流的数据相减，以消除测量结果中磁光材料的残余双折射引起的误差。
6.一种利用传感单元对流经导体的电流进行测量的方法，所述传感单元安装在导体上，并且包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器，所述方法包括 将光源发出的光分为第一路光和第二路光； 将所述第一路光沿第一方向流经所述传感单元，以得到携带了电流信息的第一数据信号; 将所述第二路光沿与所述第一方向相反的第二方向流经所述传感单元，以得到携带了电流信息的第二数据信号；基于所述第一数据信号和所述第二数据信号进行计算，以得到表征流经导体的电流的数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中基于所述第一数据信号和所述第二数据信号进行计算包括 从所述第一数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到第一表征流经导体的电流的数据； 从所述第二数据信号中提取出直流分量和交流分量，并将交流分量与直流分量相除，得到第二表征流经导体的电流的数据。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括 将所述第一表征流经导体的电流的数据与所述第二表征流经导体的电流的数据相减，以消除测量结果中磁光材料的残余双折射引起的误差。
9.一种光学电流传感系统，包括 安装在导体上的多个传感单元，每个传感单元包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器； 针对每个传感单元设置的双向收发单元,每个双向收发单元包括 光源；和 分路单元，用于将所述光源发出的光分成第一路光和第二路光，所述第一路光从所述传感单元的第一准直器入射，从所述传感单元的第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号，所述第二路光从所述传感单元的第二准直器入射，从所述传感单元的第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号；以及 针对每个传感单元设置的数据处理单元，用于对第一数据信号和第二数据信号进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。
10.根据权利要求9所述的光学电流传感系统，其中所述多个传感单元各自封装在非金属壳体中，并通过卡具环绕导体均匀固定。
全文摘要
本发明公开了光学电流传感系统和电流测量方法。该光学电流传感系统包括传感单元、双向收发单元和数据处理单元。传感单元安装在被测导体上，包括顺序排布且光学准直的第一准直器、第一偏振器、磁光晶体、第二偏振器、第二准直器。双向收发单元包括光源和分路单元，分路单元用于将光源发出的光分成两路，一路从第一准直器入射，从第二准直器出射，并获得携带了电流信息的第一数据信号，另一路从第二准直器入射，从第一准直器出射，并获得携带了电流信息的第二数据信号。数据处理单元用于对第一数据信号和第二数据信号进行处理，以获得表征流经导体的电流的数据。
文档编号G01R19/00GK102830258SQ201210305440
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者栗晋升, 张霄霆 申请人:易能(中国)电力科技有限公司