一种基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置的制作方法

1.本发明涉及光学电流传感技术领域，具体地说，涉及一种基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置。


背景技术：

2.光学电流测量装置具有光电隔离、数字输出、测量范围宽、带宽大，交直流均可测、不存在磁饱和等优势，近些年来，在智能电网、高压直流输电、舰船综合电力系统的领域得到越来越来越多的应用。
3.常规光学电流测量装置在工程运行中暴露出一系列严重缺点如下：保偏光纤现场熔接繁琐而且熔接损耗存在偏差、施工现场敏感环重新熔接后光学电流测量装置需要重新标定、光学电流测量装置长期运行后光源衰减导致电流测量指标性能下降甚至不可用。
4.在电力系统、智能电网建设需求牵引之下，基于法拉第磁光效应(faraday magnetooptical effect)及安培环路定理的光学电流测量装置在近些年取得了较大的技术突破，并在新建智能化变电站中大量运行。然而该原理的电流测量装置一次侧敏感环和电气单元之间通过保偏光纤连接，保偏光纤熔接质量、光源光功率的波动直接改变测量装置前馈通道增益，对于无增益控制的系统将会导致测量性能指标下降甚至不可用。
5.工程应用中，为了保证系统光功率的稳定，通常光纤电流测量装置采用恒流源及温控电路实现光源光功率的稳定输出，然而该方案仅能保证光源驱动电流不变，当光源随着工作时间的增长，不可避免的发生衰减，进而导致输出光功率输出下降，系统前向通道增益减小。为了解决此问题，有些测量装置系统设计时候将光源光功率通过探测器反馈到系统中，从而实现光源输出光功率的稳定输出，该方案虽然可实现光功率的稳定输出，但是对于系统最终干涉的光强度依然是不能保证稳定的，而且光路变得更为复杂，可靠性降低。
6.因此，本发明提供了一种基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置。


技术实现要素：

7.本发明需要解决的技术问题是：如何在保证不改变现有测量装置的硬件方案基础上，解决光学电流测量装置在系统光源光功率衰减及现场施工中光纤熔接等造成的系统控制增益变化后导致的测量装置同步一致性(角差)等性能指标的劣化的问题，提升产品的可靠性。
8.为解决上述问题，本发明提供了一种基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置，所述装置包含依次连接的光源、第一光纤耦合器、光波导、第二光纤耦合器、延迟环以及敏感环，所述装置还包含：
9.光电探测器，其与所述第一光纤耦合器连接；
10.系统增益自适应控制器，其第一端与所述光电探测器连接，第二端与所述光波导连接，所述系统增益自适应控制器具备双闭环控制功能以及系统增益自适应控制功能。
11.根据本发明的一个实施例，所述光源与所述第一光纤耦合器的第一输入端熔接。
12.根据本发明的一个实施例，所述光电探测器与所述第一光纤耦合器的第二输入端熔接。
13.根据本发明的一个实施例，所述光波导的输入端与所述第一光纤耦合器的第一输出端熔接。
14.根据本发明的一个实施例，所述光波导的第一输出端与所述第二光纤耦合器的第一输入端熔接，所述光波导的第二输出端与所述第二光纤耦合器的第二输入端熔接。
15.根据本发明的一个实施例，所述延迟环以及所述敏感环依次连接在所述第二光纤耦合器的第一输出端。
16.根据本发明的一个实施例，所述系统增益自适应控制器包含反馈增益模块，其包含：数模转换单元、功放单元以及反馈相位调制单元。
17.根据本发明的一个实施例，所述系统增益自适应控制器包含向前通道增益模块，所述向前通道增益模块包含增益系数单元，其用于测量前向通道增益，以通过调节增益系数实现光学电流测量装置的向前通道增益的自适应控制。
18.根据本发明的一个实施例，所述向前通道增益模块包含：光电转换单元、跨阻抗单元、前放单元、模数转换单元以及数字解调单元。
19.根据本发明的一个实施例，所述系统增益自适应控制器包含反馈系数模块，其与所述反馈增益模块配合实现光学电流测量装置的反馈通道增益调节。
20.本发明提供的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置在保证实现双闭环控制系统的功能及不增加额外部件的同时，实现了光学电流测量装置系统增益的自适应控制，解决了现有光学电流测量装置系统前向通道增益不可控，导致产品鲁棒性差，工程应用不可靠等问题；也解决了现有技术中为了实现系统增益的控制需要增加其他光学器件、工艺实现难度大、产品可靠性降低等问题。
21.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
22.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
23.图1显示了根据本发明的一个实施例的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置结构框图；
24.图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置结构框图；
25.图3显示了根据本发明的一个实施例的系统增益自适应控制器结构框图；以及
26.图4显示了根据本发明的另一个实施例的系统增益自适应控制器结构框图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细。
28.图1显示了根据本发明的一个实施例的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置结构框图。
29.如图1所示，光学电流测量装置包含光源101、第一光纤耦合器102、光波导103、第二光纤耦合器104、延迟环105、敏感环106、光电探测器107以及系统增益自适应控制器108。
30.具体来说，如图1所示，光源101、第一光纤耦合器102、光波导103、第二光纤耦合器104、延迟环105以及敏感环106依次连接。光电探测器107与第一光纤耦合器102连接。
31.如图1所示，系统增益自适应控制器108的第一端与光电探测器107连接，第二端与光波导103连接，系统增益自适应控制器108具备双闭环控制功能以及系统增益自适应控制功能。
32.具体来说，光源101与第一光纤耦合器102的第一输入端熔接。在一个实施例中，光源101与第一光纤耦合器102的第一输入端0度熔接。
33.具体来说，光电探测器107与第一光纤耦合器102的第二输入端熔接。在一个实施例中，光电探测器107与第一光纤耦合器102的第二输入端0度熔接。
34.具体来说，光波导103的输入端与第一光纤耦合器102的第一输出端熔接。光波导103的第一输出端与第二光纤耦合器104的第一输入端熔接，光波导103的第二输出端与第二光纤耦合器104的第二输入端熔接。
35.在一个实施例中，光波导103的输入端与第一光纤耦合器102的第一输出端0度熔接，光波导103的第一输出端与第二光纤耦合器104的第一输入端90度熔接，光波导103的第二输出端与第二光纤耦合器104的第二输入端0度熔接。
36.具体来说，延迟环105以及敏感环106依次连接在第二光纤耦合器104的第一输出端。在一个实施例中，延迟环105以及敏感环106与第二光纤耦合器104的第一输出端0度熔接。
37.在一个实施例中，系统增益自适应控制器108包含反馈增益模块，其包含：数模转换单元、功放单元以及反馈相位调制单元。
38.在一个实施例中，系统增益自适应控制器108包含向前通道增益模块，向前通道增益模块包含增益系数单元，其用于测量前向通道增益，以通过调节增益系数实现光学电流测量装置的向前通道增益的自适应控制。
39.进一步地，向前通道增益模块包含：光电转换单元、跨阻抗单元、前放单元、模数转换单元以及数字解调单元。
40.在一个实施例中，系统增益自适应控制器108包含反馈系数模块，其与反馈增益模块配合实现光学电流测量装置的反馈通道增益调节。
41.本发明提供的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置在保证实现双闭环控制系统的功能及不增加额外部件的同时，实现了光学电流测量装置系统增益的自适应控制，解决了现有光学电流测量装置系统前向通道增益不可控，导致产品鲁棒性差，工程应用不可靠等问题；也解决了现有技术中为了实现系统增益的控制需要增加其他光学器件、工艺实现难度大、产品可靠性降低等问题。
42.图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于系统增益自适应控制的光学电流测量装置结构框图。
43.具体来说，光源101采用超辐射发光二极管(sld)，第一光纤耦合器102以及第二光
纤耦合器104采用2*2型双入双出保偏耦合器，光波导103采用y型分支波导。
44.在一个实施例中，光源101与第一光纤耦合器102的第一输入端(a1端)0度熔接，光电探测器107与第一光纤耦合器102的第二输入端(a2端)0度熔接，光波导103的输入端与第一光纤耦合器102的第一输出端(a3端)0度熔接，第一光纤耦合器102的第二输出端(a4端)为空头端。
45.另外，光波导103的第一输出端(y1端)与第二光纤耦合器104的第一输入端(b1端)90度熔接，光波导103的第二输出端(y2端)与第二光纤耦合器104的第二输入端(b2端)0度熔接，第二光纤耦合器104的第一输出端(b3端)与光纤环(包含延迟环105以及敏感环106)0度熔接，第二光纤耦合器104的第二输出端(b4端)为空头端。
46.图3显示了根据本发明的一个实施例的系统增益自适应控制器结构框图。
47.如图3所示，系统增益自适应控制器108包含向前通道增益模块301、反馈增益模块302以及反馈系数模块303。
48.具体来说，向前通道增益模块301能够测量前向通道增益，以通过调节增益系数实现光学电流测量装置的向前通道增益的自适应控制。反馈增益模块302能够通过双闭环控制实现光学电流测量装置的反馈增益控制。反馈系数模块303与反馈增益模块302配合实现光学电流测量装置的反馈通道增益调节。
49.图4显示了根据本发明的另一个实施例的系统增益自适应控制器结构框图。
50.如图4所示，电流i输入系统增益自适应控制器108，首先经过电流敏感探测器401(k0)将电流信号转换为电压信号。
51.具体来说，如图4所示，向前通道增益模块301(g’)包含光电转换单元402(k1)、跨阻抗单元403(k2)、前放单元404(k3)、模数转换单元405(k4)、数字解调单元406(k5)以及积分单元407。
52.具体来说，如图4所示，向前通道增益模块301还包含增益系数单元408，其用于测量前向通道增益，以通过调节增益系数kz实现光学电流测量装置的向前通道增益的自适应控制。
53.具体来说，如图4所示，反馈增益模块302(m’)包含：数模转换单元409(k6)、功放单元410(k7)以及反馈相位调制单元411(k8)。
54.具体来说，如图4所示，系统增益自适应控制器108还包含反馈系数模块303，其与反馈增益模块302配合实现光学电流测量装置的反馈通道增益调节。进一步地，反馈系数模块303通过反馈系数kf实现光学电流测量装置的反馈通道增益调节。
55.现有技术中，基于常规双闭环控制的光学电路测量装置系统等效传递函数可等效为下式(1)：
[0056][0057]
其中，g为系统前向通道增益，m为系统反馈通道增益，τc′
为系统的时间常数，另外，
[0058]
本发明有别于现有技术的常规双闭环控制的光学电路测量装置，现有技术中的光
学电路测量装置在应用一段时间之后，会产生光源光功率衰减及现场施工中光纤熔接等造成的系统控制增益变化后导致的测量装置同步一致性(角差)等性能指标的劣化的问题。
[0059]
本发明的向前通道增益模块301包含增益系数单元408，能够在光源光功率发生衰减以及系统控制增益变化后进行系统增益的自适应调节，能够很好的解决现有技术的问题。
[0060]
本发明中，向前通道增益为g’＝gk，系统的传递函数相较于现有技术形态不变，通过向前通道增益控制，可以实现g’保持恒定不变，加上反馈增益控制，系统总体增益g’m’也可以保持不变，从而严格控制了系统的阻尼比、共振频率、响应时间及其稳定性。
[0061]
本发明的系统增益自适应控制器108较现有技术的双闭环控制器相比，增加了对光学电流测量装置控制系统增益的自适应控制，采用前馈、反馈、串级控制结合复杂控制方法，基于麻省理工mit自适应控制方法及局部参数最优设计理论，在向前通道增益准确实时检测的技术基础上，施加快速前馈控制。
[0062]
总结来说，通过前馈控制增益系数单元408实现光学电流测量装置的增益自适应控制，解决了光学电流测量装置在光源衰减、现场光纤铺设熔接损耗变大等工况导致的系统前向通道增益下降导致的测量装置角差或同步一致性等指标严重超差，提高了测量装置系统的鲁棒性和环境适应性。
[0063]
另外，通过本发明提供的系统增益自适应控制器108，可以实现对反馈增益和向前通道增益的分别控制，实现光学电流测量装置的优化。具体来说：
[0064]
(1)通过系统增益自适应控制器108调节系统总体增益g’m’，使得时间常数满足单位阶跃响应时间短的要求，进而满足新型快速断路器响应时间要求。
[0065]
(2)通过系统增益自适应控制器108的第二闭环反馈，可以对反馈通道增益稳定控制，实现光纤电流测量装置标度因数稳定控制。
[0066]
(3)系统增益自适应控制器108通过反馈、前馈复杂控制技术，对系统整体增益进行控制，实现系统总体增益g’m’恒定，从而进一步实现响应时间稳定的要求。
[0067]
(4)系统增益自适应控制器108通过设计最佳的系统阻尼，并通过系统总体增益g’m’控制系统的阻尼不变，防止系统过冲及振荡，从而实现控制系统稳定性要求。
[0068]
综上，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0069]
(1)本发明的系统增益自适应控制器108可实现在不增加额外光电探测器等器件情况下实现光学电流测量装置光路有效干涉光功率的测量，采用前馈、反馈、串级控制结合复杂控制方法，基于麻省理工mit自适应控制方法及局部参数最优设计理论，在向前通道增益准确实时检测的技术基础上，施加快速前馈控制。实现系统增益的实时监控及反馈增益系数的自动调整，提升了系统的鲁棒性和适应性；
[0070]
(2)本发明采用的系统增益自适应控制器108较现有技术中的常规双闭环控制器解决了光学电流测量装置向前通道的光路、电路的增益波动，从而改善了光学电流测量装置高低温环境下的精度等性能指标；
[0071]
(3)一般来说，光学电流测量装置在光纤现场敷设弯折及熔接导致系统光路损耗发生较大变化，系统增益下降，导致测量系统响应时间增加，进而导致角差及同步一致性指
标严重超标。本发明采用的系统增益自适应控制器108可监测测量系统增益，通过前馈反馈控制很好的解决上述问题，大幅提升了光学电流测量装置的环境适应性和可靠性。
[0072]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0073]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0074]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。