电光电压换能器信号处理系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电光电压换能器（electro-optical voltage transducer(〃EOVT")) 系统，用于测量诸如电传输系统中的高电压。
【背景技术】
[0002] EOVT系统是已知的。这样的系统的一个示例在第4, 904, 931号美国专利（"' 931 专利"）中进行了描述。
[0003] 现在参考图1到3,其与'931专利中的图6到8相应，示出被安装在绝缘柱201中 的传感器1的实际实施例，绝缘柱201被切除以示出传感器的安装，其可被用在' 931专利 中描述的系统中。上支承管203被连接到传输线（未示出），并且下支承管205被连接到 地。两个管都是导电的，并且通过安装由导电透明材料（诸如奈塞玻璃（NESA glass))构 成的垫207,而提供传感器1的端部分别与传输线和地之间的接触。晶体209和偏光器211 和213被制作为具有圆形截面。
[0004] 图2中更清楚地示出第二偏光器213,两个圆柱形的准直器215被安装在圆柱形 的偏光器的一个平的端面上，并且矩形的1/8波片217和219抵着相对端安装。在图3中 单独示出将从第二偏光器213接收的光束聚焦在光纤电缆221上的准直器215。每个准直 器215由低折射率玻璃（诸如熔融石英）的两个部分223和225、以及高折射率玻璃（诸如 SF59) 227的一个部分形成。选择227的曲面的半径、227的厚度以及225的长度，使得进入 223的一束平行光被聚焦在光纤221的末端，并且来自该束边缘的光穿透该光纤。更特别 地，选择这些参数使得该束光的半径除以透镜的焦距等于或大于光纤的数值孔径除以低折 射率玻璃的折射率。
[0005] 在传感器1的另一末端处的准直器被相似地设计，但是在相反的方向操作以将从 光纤电缆接收的光转换成穿过第一偏光器211的一束平行光。这个形式的准直器是必要 的，因为为了经受操作期间以及特别地脉冲测试期间的高电气应力，绝缘体201被油或加 压的六氟化硫（SF6)填充，并且因此光学系统不能够具有任何玻璃气体界面。
[0006] 在' 931专利中描述的系统处理来自传感器1的输出信号，以提供输出用于在该专 利的图2中示出的输出设备79上展示，输出设备79可以具有数字读出或者是记录器。因 此' 931专利的系统的输出可以仅用于计量。
【发明内容】
[0007] 一种用于在电传输线上测量高电压的系统，包括：
[0008] 电光电压换能器传感器，被连接在电传输线和地之间，用于响应于所述被测量的 高电压而提供正弦（SIN)光强信号和余弦（COS)光强信号；以及
[0009] 信号处理器，操作在第一状态中用于数字地处理所述正弦和所述余弦光强信号的 样本，以在所述传输线上提供所述高电压的表示，其可以被用于计量、继电和瞬变捕捉中的 一项或多项。
【附图说明】
[0010] 图1示出现有技术的用于在高电压电力传输系统中测量线到地电压的具有脱离 部分的等距视图。
[0011] 图2示出图1的子组件的放大。
[0012] 图3示出是图2的子组件的一部分的部件的纵截面。
[0013] 图4示出用于目前EOVT信号处理系统的一个实施例。
[0014] 图5示出EOVT传感器输入电压信号的归一化绘图。
[0015] 图6示出图4中系统中数字信号处理器中的软件架构的流程图。
[0016] 图7示出用于控制图4的系统中信号处理的总体操作的状态机算法的气泡图。
[0017] 图8示出正弦强度信号的绘图，正弦强度信号具有归一化参数和等于预先确定的 振幅的高电压输入信号振幅。
[0018] 图9示出正弦强度信号，正弦强度信号具有与如图8中相同的归一化参数以及等 于预先确定的振幅的高电压输入信号振幅，该预先确定的振幅不同于图8中预先确定的振 幅。
[0019] 图10示出正弦强度信号，正弦强度信号具有与如图8中相同的归一化参数以及等 于预先确定的振幅的高电压输入信号振幅，该预先确定的振幅不同于图8和9中预先确定 的振幅。
【具体实施方式】
[0020] 图4的框图示出用于目前EOVT信号处理系统10的一个实施例。系统10产生跨 EOVT传感器12 (其具有锗酸铋（"BG0"）晶体）被施加的高电压信号的准确的重构。该传 感器包括具有两个输出的光学组件，正弦光强信号12a和余弦光强信号12b。
[0021] 系统10也包括由数字信号处理器（DSP) 14以及接口和转换电路组成的信号处理 电子装置，接口和转换电路由在图4中共同地被标示为15的两个检测器、在图4中共同地 被标示为16的两个防失真滤波器、D/A转换器42a和42b、分别为高速正弦和余弦比较器 28a和28b、瞬变格雷码计数器（Gray code counter) 30、瞬变D/A转换器32和输出D/A转 换器34构成。
[0022] 信号处理电子装置在输出光强信号12a和12b上操作，并且提供准确的重构，也即 高电压输入信号18的显示，以被用于发生在电传输线上的瞬变的计量、继电和记录的一项 或多项。众所周知，计量是电量使用的测量，而继电是当检测到故障时继电保护的操作。
[0023] 系统10输出两个重构的模拟信号20和22。信号20为电表（revenue meter)提 供经缩放的精确的低电平电压和继电保护。信号22为高电压瞬变记录提供经缩放的低电 平电压。
[0024] 以下对产生被重构的信号的硬件架构、DSP软件架构和DSP算法进行描述。
[0025] 硬件架构
[0026] 传感器输入信号
[0027] 2毫瓦（mW)光纤耦合电源、840纳米（nm)垂直腔面发射激光器（VCSEL)二极管 24将输入光信号提供到传感器12。VCSEL 24具有波长温度系数，如果该波长温度系数未 补偿，其将在重构中产生误差。靠近VCSEL 24的温度传感器26将VCSEL温度信号提供到 DSP 14,并且以下描述的算法会使用这个信号以补偿VCSEL波长温度系数。
[0028] 传感器输出信号
[0029] EOVT传感器12产生两个光强信号12a和12b，其被转换为低电平电信号S和C，被 定义如下：
[0030] S(Vin(t)) = E+F · sin(Ji · Vin(t)/Vh)
[0031] C (Vin (t)) = G+H-cos ( π · Vin (t)/Vh)
[0032] 正的、准静态的参数E、F、G和H具有取决于传感器BGO晶体特性的值。由于S和 C代表随时间变化的强度，因此F总是小于或等于E，而H总是小于或等于G。参数Vh代表 BGO晶体半波电压，大约50000V。变量Vin (t)是时间的函数，代表高电压输入信号18,并且 在正常状况下具有带60Hz频率和比Vh大的多的振幅的零偏移正弦波形。
[0033] 图5示出具有等于Vh的振幅（波形A)的EOVT传感器输入电压信号18、以及传感 器正弦（波形B)和余弦（波形C)光强输出信号12a和12b的归一化（即V h= 1，E = F = G = H= 1)绘图。对于具有大于或等于Vh的振幅的电压信号，传感器信号12a和12b两者 会达到它们各自的最大和最小值。对于具有小于V h的振幅的电压信号，这两个传感器信号 的一个或两者不会达到其最小和/或最大值。
[0034] 如果Vin(t) 18具有大于或等于Vh的振幅，则参数E、F、G和H可以被计算如下：
[0035] 找到正弦信号的最大和最小值，分别为Smax和Smin。
[0036] Smax = E+F 并且 Smin = E - F0
[0037] E= (Smax+Smin)/2
[0038] F= (Smax-Smin)/2
[0039] 找到余弦信号的最大和最小值，分别为Cmax和Cmin。
[0040] Cmax = G+H 并且 Cmin = G-H。
[0041] G= (Cmax+Cmin)/2
[0042] H= (Cmax-Cmin)/2 [0043] 检测器
[0044] 检测器15将正弦和余弦光强信号12a和12b转换为与DSP A/D转换器14、以及 图4中共同地被标示为28的高速正弦和余弦比较器兼容的低电平模拟电压。每个检测器 包括两级20MHz带宽由PIN二极管（未示出）驱动的转阻放大器，PIN二极管将光（光强） 转换为电流。这个带宽能够捕捉高速输入电压瞬变，包括800KV额定的前端基本脉冲电平 (basic impulse level ( "BIL"））波形（2050KV)，如 IEC71-1 中定义的那样。
[0045] 针对800kV系统的BIL测试波形产生2050kV峰值瞬变，具有1. 2微秒 (microsecond)上升时间和50微秒衰减到峰值的50%。使用BIL波形的标准定义，在BIL 波形中从30%到90%点（前端的线性区域以及最坏状况的转换速率状况）的电压转换速 率近似地等于在0. 72微秒中的1078kV，或者1497kV/微秒，并且产生突发的
[0046] 17. IMHz正弦和余弦强度信号12a和12b。
[0047] 防失真滤波器
[0048] DSP 14在500kHz处对每个正弦和余弦光强信号进行采样。为了防止在奈奎斯特 采样频率（250kHz)以上的噪声失真，具有141kHz截止频率的两极低通巴特沃斯有源滤波 器16在DSP采样之前对每个强度信号滤波。
[0049] 数字信号处理器
[0050] DSP 14,其为Analog Devices (亚德诺半导体技术有限公司）的BF506F，执行如下 描述的信号处理算法。DSP 14包括一组丰富的集成外围，包括双的3/6通道12位A/D转换 器14b、格雷码（或正交）可配置计数器14a、计时器、串行端口以及并行端口接口。
[0051] 高速比较器
[0052] 每个强度信号驱动高速比较器28a和28b，高速比较器28a和28b由来自相应的D/ A转换器42a和42b的D/A信号偏移，D/A信号代表DSP计算的其平均值的估计（对于正弦 和余弦强度，分别为E和G)。比