有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源电子式互感器的供能激光器在线寿命直接监测方法，包括如下步骤：(1)判断激光器工作状态；(2)获取激光器工作状态下的工作电流值；(3)异常点处理；(4)低通滤波处理；(5)建立关联模型；(6)评估激光器老化寿命。本发明通过实时采集获取被监测供能激光器所在的合并单元的供电电源的电流值，并结合合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间的关联模型，以实现对供能激光器正常老化寿命的直接在线监测，填补了电子式电流互感器正常老化寿命在线监测【技术领域】的空白，具有可靠性高，且对环境适用性强，便于移植的优点。
【专利说明】有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能电网设备在线状态监测领域，更具体地，涉及一种有源电子式互 感器的供能激光器老化寿命在线监测方法。
【背景技术】
[0002] 随着数字化变电站的发展，电子式互感器被越来越广泛地应用。依照国际电工委 员会的标准，电子式互感器可W分为有源式和无源式两种。有源式是指传感头部分采用传 统的传感原理，仅利用光纤传输数据的电子式互感器，由于光纤只能够传输数字信号，所W 势必要设计相应的电子电路W满足高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转 换需求，因而也就带来了电路的供能问题，该是有源电子式互感器研究中的难点和关键技 术。
[0003] 对于上述的供能问题，在目前有源电子式互感器方案中应用最广的是采用由CT 供能和激光器供能组成的复合供能技术，如图1所示，有源电子式互感器主要由传感元件 1、取能元件2、高压侧电路4、供能电路5等组成。合并单元12用于接收有源电子式互感器 的信号，并进行处理，发送给后续的测量装置10和继电保护装置11，其内部供能激光器作 为互感器供能电源的一部分，可对互感器进行供能。有源电子式互感器有两个供能来源；CT 供能电路5和光电池6。当一次母线3电流较大时，由取能元件2从母线3上取能，经过供 能电路5整流、滤波、稳压等进行处理后，提供给高压侧电路4所必需的电源。当一次母线 3电流较小时，采用激光供能方式，由大功率激光管8通过光纤7将光能传送至高压侧的光 电池6,由光电池将光能量转换为电能量，再经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。该种 方法既可W避免CT供能的死区问题，也可W降低大功率激光器工作的时间，延长其寿命。
[0004] 在采用了激光供能的有源电子式互感器应用方案中，由于供能的重要性，对供能 激光器状态性能的可靠监测就显得十分重要，尤其是对供能激光器寿命的监测。而对激光 器寿命的监测，又分为故障寿命监测和老化寿命监测。
[0005] 目前，对供能激光器故障寿命监测方面的研究较多，大都是将激光器实际情况下 的工作状态与正常工作条件下的工作状态进行比较，W此判断供能激光器是否出现故障。 而对供能激光器老化寿命监测方面的研究较少，尚缺乏对环境适用性强、可靠性高的监测 方法，现有的技术方案不能直接对激光器老化寿命进行评估，而至多只是间接评估，寿命预 巧IJ，从而对供能激光器的检修也只能采取故障检修或定期检修，该与用寿命直接评估技术 实现状态检修相比，可靠性低，经济性差。因此迫切需要一种能够对激光器老化寿命进行直 接监测的技术来实现更为可靠的激光器状态检修。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术对合并单元内部供能激光器的老化寿命不能进行在线直接监 测的不足，本发明提供了一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法，该 方法可直接在线监测激光器的正常老化寿命，实现了激光器的状态检修。
[0007] 为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供了一种有源电子式互感器的供能 激光器老化寿命在线监测方法，该方法包括如下步骤：
[0008] (1)判断供能激光器工作状态
[0009] 实时采集得到合并单元供电电源的电流值Ii,判断供能激光器工作状态；若 1片。> I?tt，则供能激光器开启；若1片。<1--，则供能激光器关闭，此状态下利用实时采集 的供电电源的电流值Ii循环更新I。直至供能激光器开启，其中，I。为供能激光器关闭时合 并单元供电电源的电流值，Ii为包含n个合并单元供电电源电流值的数据列{Ii、VI。}， 其中，i = 1，2，wn，i为采样点数；供能激光器状态切换引起的电流变化阔值1?^1 =激光 器功率/供电电源电压；
[0010] 在供能激光器关闭时，用Ii更新合并单元其他电路部分的供电电源电流值I。，可 W克服由合并单元其他电路部分的器件老化导致的功率增大对激光器电路部分功率监测 的影响。
[0011] (2)获取供能激光器驱动电源的供电电流值Iui
[0012] 依据Iui = li-I。得到供能激光器工作状态下激光器驱动电源的供电电流值Iiih, 即合并单元供电电源电流中对应的供应供能激光器驱动电源部分的电流值；
[001引 0)异常点处理
[0014] 对经步骤（2)得到的供能激光器驱动电源的供电电流值Iui作异点处理，得到供 能激光器驱动电源的供电电流值的有效数据列Uu/、…II。。' };
[0015] 通过对上述预处理后的电信号数据进行异常点处理，剔除其中的无效工作电流数 据值，排除由于受外界环境及电流偶发的异常波动对测量结果造成的干扰，减小粗大误差。 [00 1引 （4)低通滤波处理
[0017] 采用低通滤波器对所述有效数据列做滤波处理，滤除其中的高频噪声，得到供能 激光器驱动电源的供电电流值的平滑数据列Uui"、Iu2" -lu。" };
[0018] 由于激光器的寿命周期较长，而采样率较高，故有效的数据波形应是个缓变波形， 其频谱的主要成分为低频分量。故设计IIR数字低通滤波器，滤除高频噪声。
[0019] (5)建立关联模型
[0020] 根据供能激光器驱动电源供电电流的的上升比例为而=^-1 '依据关联模型 ^LDl 目。=a。，得到供能激光器工作电流的上升比例目。；
[0021] 在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立上述的关联模型，通过 直接测量合并单元供电电源电流来实现对激光器工作电流的间接测量，从而对激光器的寿 命进行监测。
[0022] (6)判断激光器是否处于老化寿命状态
[0023] 对上述步骤得到的激光器工作电流的上升比例目。进行逻辑判断；若目。大于 25 %，则表示供能激光器的正常工作寿命结束，执行报警操作，否则，表示供能激光器的正 常工作寿命未结束。
[0024] 作为进一步优选地，若供能激光器仍处于正常工作寿命状态，用实时采集的m个 新的合并单元电源电流Ii,加入原合并单元电流值数据列，同时去除原合并单元电流值数 据列的前m个数据，组成新的合并单元供电电源电流数据列{I 、I 、…I ，重复步 骤（I) - (5)直至检测到激光器处于老化寿命状态。
[00巧]作为进一步优选地，所述异点处理基于53H算法实现。
[0026] 作为进一步优选地，所述低通滤波器为IIR数字低通滤波器。
[0027] 总体而言，本发明在合并单元供电电源电流与供能激光器工作电流之间建立关联 模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对供能激光器工作电流的间接测量，从 而判断供能激光器的运行状态，进而实现对供能激光器正常老化寿命的直接在线监测，填 补了电子式电流互感器正常老化寿命直接在线监测的空白，具有可靠性高，环境适用性强， 且便于移植的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是有源电子式互感器复合供能原理图；
[0029] 图2是供能激光器输出光功率与其驱动电流的关系，其中，曲线a是激光器正常情 况下的P-I曲线，曲线b是激光器老化情况下的P-I曲线；
[0030] 图3是供能激光器驱动电源原理示意图；
[0031] 图4是本发明的有源电子式互感器的供能激光器老化寿命监测系统示意图；
[0032] 图5是有源电子式互感器的供能激光器老化寿命监测方法流程图。
[0033] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0034] 1-传感元件，2-取能元件，3-高压母线，4-高压侧电路，5-供能电路，6-光电池， 7-光纤，8-大功率激光器，9-低压侧电路，10-测量装置，11-继电保护装置，12-合并单元， 13-DC-DC电源，14-激光器驱动电源（恒流源），15-激光二极管，16-直流电源，17-电流传 感器，18-电压传感器，19-单片机系统，20-通信总线，21-计算机。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0036] 实现寿命直接评估的原理是：激光器的工作电流与其输出的光功率之间存在正相 关关系。如图2所示，其中曲线1是供能激光器正常情况下的P-I曲线，曲线2是供能激光 器老化情况下的P-I曲线。两者之间存在区别是因为，随着供能激光器的使用，由于光化学 反应导致谐振腔面劣化等因素，会使得供能激光器的光发射功率降低，阔值电流增加，效率 下降。故在恒光功率模式输出的情况下，随着供能激光器的使用，激光器的工作电流会慢慢 增大，而当电流过大时，会对供能激光器造成永久性的损坏。故在恒光功率输出的情况下， 通过在线监测供能激光器的工作电流实现直接在线监测激光器的寿命。
[0037] 通常，在工程上，并不容易直接获取激光器的工作电流。若激光器生产产家在激光 器工作回路串接有电流传感器，则可根据此传感器的数据进行上述分析。若激光器生产产 家在激光器内部未内嵌电流传感器，则可采用机理分析法在合并单元供电电源电流与供能 激光器工作电流之间建立上述的关联模型，通过直接测量合并单元供电电源电流来实现对 激光器工作电流的间接测量，从而对激光器的寿命进行监测。
[0038] 建立关联模型的依据：如图3所示为供能激光器驱动电路原理示意图。由于激光 二极管15的正向导通电压很稳定，故当供能激光器的工作电流增大X%时，激光器的电功 率也会增大X%。由于变电站220V供电电压和激光器负载比较稳定，故有DC-DC电源13与 激光器驱动电源（恒流源）14工作性能稳定，其功率转换效率不变，则供能激光器的电功率 增大X%时，合并单元供电电源提供给供能激光器电路部分的功率也会增大X%，由于站内 220V直流电压比较稳定，则供能激光器驱动电源的供电电流，即合并单元供电电源电流中 对应的供应供能激光器驱动电源部分的电流会增大X%。该样便可实现通过直接测量合并 单元供电电源电流来间接测量合并单元内部供能激光器的工作电流。
[0039] 寿命评判标准：标准《Optics and optical instrumments-Lasers and laser-related equipment -Lifetime of lasers》（ISO 17526-2003) W激光器的工作电 流作为寿命评判标准，其表达式为：
【权利要求】
1. 一种有源电子式互感器的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，该方法 包括如下步骤： (1) 判断供能激光器工作状态 实时采集得到合并单元供电电源的电流值Ii，判断供能激光器工作状态：若Ii-I。>I W11，则供能激光器开启；若I「I。〈IW11，则供能激光器关闭，此状态下利用实时米集的供电电 源的电流值Ii循环更新I。直至供能激光器开启，其中，I。为供能激光器关闭时合并单元供 电电源的电流值，Ii为包含η个合并单元供电电源电流值的数据列{IpIfI1J，其中，i= 1，2, ···!!，i为采样点数；供能激光器状态切换引起的电流变化阈值Iwe =激光器功率/供 电电源电压； (2) 获取供能激光器驱动电源的供电电流值Im 依据=Ii_I。得到供能激光器工作状态下激光器驱动电源的供电电流值Iuii ; (3) 异常点处理 对经步骤（2)得到的供能激光器驱动电源的供电电流值作异点处理，得到供能激 光器驱动电源的供电电流值的有效数据列{Ιωι'、Ιω2'···〗_'}; (4) 低通滤波处理 采用低通滤波器对所述有效数据列做滤波处理，滤除其中的高频噪声，得到供能激光 器驱动电源的供电电流值的平滑数据列Uuil"、Iui2" ···〗_"}; (5) 建立关系模型 根据供能激光器驱动电源供电电流的上升比例义=^-1建立关联模型βη=αη， 1LDl 得到供能激光器工作电流的上升比例βη; (6) 判断供能激光器是否处于老化寿命状态 对上述步骤得到的供能激光器工作电流的上升比例βη进行逻辑判断：若βη大于 25%，则表供能激光器的正常工作寿命结束，执行报警操作，否则，表供能激光器的正 常工作寿命未结束。
2. 如权利要求1所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，若供能激光 器仍处于正常工作寿命状态，用实时采集得到的m个新的合并单元电源电流值Ii，加入原合 并单元电流值数据列，同时去除原合并单元电流值数据列的前m个数据，组成新的合并单 元电流值数据列{I(m+1)、I(m+2)、重复步骤（1)-(5)直至检测到激光器处于老化寿 命状态。
3. 如权利要求1所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，所述异点处 理基于53H算法实现。
4. 如权利要求1或2所述的供能激光器老化寿命在线监测方法，其特征在于，所述低通 滤波器为IIR数字低通滤波器。
【文档编号】G01R31/00GK104237687SQ201410465646
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】李红斌, 祝金金 申请人:华中科技大学