[发明专利]高精度光学电压互感器的信号检测方法及其检测电路

说明书

技术领域

本发明属于光学电压互感器技术领域，涉及高精度光学电压互感器的信号检测技术及硬件电路实现方法。

背景技术

为了提高闭环光学电压互感器在工程实践中的应用性能，需要对影响其检测精度及动态性能指标的因素进行分析并抑制。相较于开环系统，光强波动对闭环系统精度的影响尽管减小了，但光强是闭环系统的前向通道增益的一部分，光强的波动仍会导致闭环系统前向通道的增益变化，从而影响光学电压互感器的动态性能。并且，由于闭环光学电压互感器采用了方波调制及阶梯波反馈技术，导致光学电压互感器的闭环误差信号是一个包含各种噪声的微弱信号，因此如何在各种噪声中高精度的提取出闭环误差信号对于光学电压互感器检测精度指标非常重要。

基于Pockels效应的光学电压互感器，在光纤偏振器处发生相干干涉。Pockels相移大小的最终表达式可由下式表达：

式（1）中λ表示超发光二极管SLD发出光的光波长，l和d分别表示光通过锗酸铋晶体的长度和加在晶体两端的电场宽度，n₀是晶体的初始折射率，γ₄₁是晶体的电光系数，U是外加电压大小。

方波调制及阶梯波反馈通过集成光学相位调制器作用到光学电压互感器系统中。入射光经过方波调制及相位斜坡反馈之后，光电探测器检测到的干涉光强表达式为：

式（2）中t为时间，P₀和R分别表示光电探测器的输入光功率及增益，表示反馈相位即一个数字阶梯波的台阶高度，表示的是幅值为周期为2τ的调制相位，τ表示的是光通过及返回光学相位调制器的间隔时间，是与被测电压成比例的Pockels相移，定义为闭环误差，f_b(t)表示幅值为±1的调制方波，周期与相同。通常τ值很小，可以用一个高频载波实现调制方波信号f_b(t)，其角频率为ω₀，ω₀满足ω₀＝π/τ。

反馈相位与Pockels相移作用相抵消，因此有由于因此，闭环光学电压互感器可以简化为一个线性系统，即尽管采用方波调制及阶梯波反馈闭环检测方案提高了光学电压互感器系统的几个重要性能，但仍有一些不足需要改进。光电探测器的输出干涉光强信号含有大量的白噪声，并且本身是一个微弱信号，因此从中高精度的提取出闭环误差信号是很困难的。此外，输入光功率P₀存在随温度的漂移，而引起光学电压互感器闭环系统前向通道的增益浮动，进而影响光学电压互感器的动态性能。

现有技术中用于光学电压互感器的闭环信号检测电路如图1所示，所述的信号检测电路包括光电探测器、前置放大器、A/D转换器、信号处理单元、调制及反馈执行单元，干涉光强信号经光电探测器转换成电压信号，该电压信号经前置放大器环节的处理，前置放大器的输出经A/D转换器采样之后，A/D转换器的输出信号送入信号处理单元，进行数字信号处理，输出最终的测量值。所述的已有的前置放大器为一宽带的带通滤波器，无法抑制宽频谱的各项白噪声以实现高精度提取闭环误差信号。所述现有的信号处理单元中的闭环控制算法为简单的积分算法，这样的积分算法不能抑制光功率波动对光学电压互感器动态性能的影响；并且这样的积分算法不能满足指数稳定性条件的快速跟踪输入信号的变换，动态响应性能差，不能满足电力系统高压高频测量的要求，例如在难以满足开关冲击电压、闪电脉冲电压等方面的应用。

发明内容

为了抑制白噪声对光学电压互感器闭环检测精度的影响，本发明分析了光强变化及噪声对闭环光学电压互感器的性能指标的影响及建立了数学模型，设计了一种带有窄带滤波功能的信号检测电路，以抑制噪声高精度提取闭环误差信号。并给出了该窄带滤波检测电路的设计方法及步骤。基于该信号检测电路，本发明提出了一种鲁棒控制算法抑制光强波动对光学电压互感器动态性能的影响并实现了指数稳定性的快响应及宽带宽。

本发明提供了一种用以提取闭环误差信号的检测电路还包含一种信号检测方法，所述的信号检测方法包括如下步骤：

第一步，假设闭环误差信号的角频率为ω₁，用指数函数多项式的形式表示sinω₁t，则有其中t表示时间，j是单位虚数，则有下式：

式（3）中，t为时间，v_p(t)为光电探测器检测到的干涉光强，R、P₀分别表示光电探测器的增益及输入光功率，f_b(t)表示幅值为±1的调制方波，周期与相同；