王堅，金燕云

（武漢供電設(shè)計院，湖北武漢 430074）

全光纖電流互感器是電子式電流互感器的主要研究方向和推廣方向，是介于傳統(tǒng)電磁電流和有源電子電流之間的一種多光導(dǎo)光電流互感器。傳感器系統(tǒng)信號處理模塊設(shè)計的重點是全光纖電流互感器系統(tǒng)。由于系統(tǒng)對光強信號干擾小，信號提取困難；光信號強度值與檢測到的電流值之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，如何進行反饋調(diào)制是一個難點[1]。

基于以上研究的重難點問題，文中設(shè)計并驗證了全光纖電流互感器的處理模塊與電信號控制。光電轉(zhuǎn)換電路是通過對干涉光信號進行隔離偏置、差分轉(zhuǎn)換、濾波放大、AD 轉(zhuǎn)換等操作來實現(xiàn)對電信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)計了信號調(diào)制驅(qū)動電路，對放大濾波產(chǎn)生階梯波和方波、調(diào)制信號到數(shù)模轉(zhuǎn)換；同時利用FPGA 內(nèi)的控制算法控制DAC 芯片實現(xiàn)對DAC 參考電壓的調(diào)整。最后，將電路開發(fā)并應(yīng)用到系統(tǒng)中，驗證了系統(tǒng)的可行性。

1 全光纖電流互感器基本原理

全光纖電流互感器主要由傳感光纖環(huán)、SLED 光源、耦合器、偏振器、探測器、光纖延時環(huán)、相位調(diào)制器以及電氣信號處理與控制單元組成[1-2]。全光纖電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 全光纖電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其工作原理是：SLED 光源發(fā)出的光信號經(jīng)過一個光纖耦合器進行分光，輸出光經(jīng)過光纖偏振器得到線偏振光，然后，其偏振方向與雙折射相位調(diào)制器的軸向成45°角進入調(diào)制器，形成兩束正交偏振光，兩者相位差可由調(diào)制器進行調(diào)制，從調(diào)制器發(fā)出的光經(jīng)過一個光纖延時環(huán)后進入傳感環(huán)。經(jīng)過λ/4 波片后，兩個正交的線偏振光分別被轉(zhuǎn)化為左旋和右旋圓偏振光進入傳感光纖中。在電流產(chǎn)生的磁場作用下，由于法拉第效應(yīng)圓偏振光的相位會發(fā)生變化[3]。其在反射膜端面處反射后，偏振模式互換再次穿過傳感光纖，導(dǎo)致相位差加倍，獲得的相位差Δφ=4NVI，其中N為傳感線圈匝數(shù)，V為光纖傳感頭維德爾常數(shù)，I為被測電流。反射的兩束光通過λ/4光纖波片后，恢復(fù)為線偏振光，在光纖偏振器處發(fā)生干涉，通過干涉光的強度提取法拉第相移來達到檢測電流的目的，最終獲得的光干涉強度可表示為：

其中，φM為調(diào)制器的調(diào)制信號，S0是光源的發(fā)光效率，L是光路的線路損耗。

2 電信號處理控制模塊設(shè)計

由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，電信號處理對系統(tǒng)精度有重要影響，是整個系統(tǒng)的核心模塊。電信號處理控制模塊的功能主要是測量干涉光的信號、調(diào)制電流信號、產(chǎn)生反饋調(diào)制信號并處理輸出信號等。首先在傳感前端預(yù)處理電路中對光信號進行預(yù)處理，通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號通過隔離偏置、放大濾波后，通過差分放大轉(zhuǎn)化為差分信號，經(jīng)高速AD 采集芯片、FPGA 進行信號的采集及后續(xù)處理；在FPGA 芯片中，完成電流信息提取、調(diào)制信號生成以及測量信號輸出等工作。電信號處理控制模塊原理框圖如圖2 所示。

圖2 電信號處理控制模塊原理框圖

根據(jù)該原理框圖，將電信號處理控制模塊分為兩部分進行設(shè)計，一部分是前端信號采集電路，另一部分是調(diào)制控制電路。

3 光信號探測與采集電路

前端采集處理電路設(shè)計如圖3 所示，pin-FET采集干涉光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，pin 實際輸出為負偏壓工作狀態(tài)的電壓信號，在沒有光信號輸入時，pin 實際輸出信號為-1.6 V 左右。由式（1）可知，輸出信號存在一個較大的偏置信號，該信號光源功率與光路損耗相關(guān)，且不攜帶測量電流的相關(guān)信息，不論被測試電流是直流還是交流，均會被調(diào)制為交流信號。為了更好地數(shù)字化檢測信號，在電路中對信號進行了直流隔離處理。同時基于差分放大芯片，將信號進行轉(zhuǎn)差分信號處理、放大濾波處理。

圖3 前端采集處理電路

通常情況下，將調(diào)制頻率設(shè)定在500 kHz 時，能夠較好地濾除信號中的高頻白噪聲，且不會對測量造成失真[4]。圖4 所示波形也較好地驗證了上述觀點，由波形可見電信號高頻噪聲被較好地濾除。輸出信號在通過LTC 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號傳遞給FPGA 進行處理。梳狀譜之間的平坦處即為有效信號，采樣時需注意區(qū)間的選取。

圖4 輸出電信號波形

4 調(diào)制驅(qū)動設(shè)計

經(jīng)過前端電路初步濾波放大的電信號需進入FPGA 中解調(diào)并生成調(diào)制信號。由式（1）可知，φM為相位差，是調(diào)制信號在單個光路傳輸周期中的相位差，Δφ也是相位差，該值為電流產(chǎn)生的相位差。檢測到的光電信號強度與被檢測電流為余弦關(guān)系，由于信號強度與電流是非線性關(guān)系，系統(tǒng)測量的靈敏度與線性度均受限，因此，有必要對測量系統(tǒng)進行偏置點平移[5-6]，并通過反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的線性度最佳且敏感度最好。通過給φM施加±π/2 的信號，可實現(xiàn)系統(tǒng)線性度最佳且敏感度最好的要求。令φ1=Δφ，則有：

π/2 調(diào)制時，信號強度為：

-π/2 調(diào)制時，信號強度為：

若再給φM疊加一個反饋量為上一個處理周期檢測的法拉第相位差，則測得信號分別為：

ΔφI為法拉第相位差的變化，該變化是系統(tǒng)連續(xù)兩個處理周期內(nèi)所測量電流變化引起的。兩式相減可得：

相應(yīng)的測試電流計算公式為：

根據(jù)以上分析，F(xiàn)PGA 中通過計算得到調(diào)制方波和階梯波，如圖5所示電路輸出并加到相位調(diào)試器上。

圖5 調(diào)試信號產(chǎn)生電路

階梯波高度為前后兩次采集值的差。

調(diào)制電路通過調(diào)制信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換來輸出差分電流信號，差分電流信號被高精度電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，調(diào)制信號由差分放大芯片進行放大濾波，最后得到的調(diào)制信號波形如圖6 所示。

圖6 輸出調(diào)制信號波形

VREF在第二個閉環(huán)中根據(jù)半波電壓波動情況實時調(diào)整。采用LTC65 芯片生成一個2.5 V 的電壓串行DAC 做參考電壓，然后通過FPGA 實現(xiàn)DAC 的參考電壓調(diào)制，通過控制DAC 的參考電壓，而實現(xiàn)對調(diào)制通道的補償。如圖7 所示，VREF范圍為-Vref～Vref（Vref=2.5 V，即U24Pin1 輸入）

圖7 參考電壓產(chǎn)生電路

5 實驗驗證

針對全光纖電流互感器本身的線性度、精度、溫度性能搭建測試平臺?；ジ衅鳒y得的電流值轉(zhuǎn)換為以光為載體的數(shù)字量傳輸?shù)胶喜卧?，進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)互感器校驗儀中的校驗程序。同時，標(biāo)準(zhǔn)電流互感器測量的電流值經(jīng)過校驗儀中的采集卡轉(zhuǎn)化后發(fā)送給校驗程序。函數(shù)發(fā)生器每一秒鐘發(fā)生一次脈沖，同時刻分別對全光纖互感器與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器進行采樣，采樣多個點計算有效值，并進行比對，從而校驗全光纖電流互感器所測得電流的幅值與相位的誤差[7]。其中傳感器的測量數(shù)據(jù)率為10 K，經(jīng)合并單元采樣為4 K 后發(fā)送給校驗儀。測量幅度的誤差定義為比差，描述為：

式中，Iref為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的測量參考值，IFOCS為全光纖電流互感器的測量值，kref為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的等效比例系數(shù)，kFOCS為全光纖電流互感器的等效比例系數(shù)。

相位差為：

式中，φFOCS是IFOCS值的相位值，φref是跟Iref在同時刻的相位值[8-9]。

測試平臺在不同電流值下，針對信號處理方案進行測量，查看互感器系統(tǒng)精度情況。額定電流為600 A，分別測量并記錄保護通道和測量通道在5%、20%、80%、100%額定電流下的比差和相差值，結(jié)果如表1 所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

由表1 中的數(shù)據(jù)可見，該設(shè)計的互感器系統(tǒng)比差、相差變化幅度較小，滿足0.2 級的精度要求[10]。

6 結(jié)論

文中研究了全光纖電流互感器電信號處理單元，實現(xiàn)了反饋調(diào)制兩部分和信號采集，為了確定完整的信號處理方案分別設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路[11-20]。最后對該設(shè)計進行了測試，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，有效地避免了噪聲對系統(tǒng)精度的影響，提高了系統(tǒng)的線性度和靈敏度。