[发明专利]抑制光学电压互感器非线性特性的交直流电压检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光学电压互感器技术领域，具体涉及一种抑制光学电压互感器非线性特性的交直流电压检测方法及检测装置。

背景技术

光学电压互感器利用闭环检测方法及方波调制技术，使得系统工作在零相位点，其优点在于获得了高灵敏度，良好的线性及宽的动态范围。

闭环光学电压互感器采用了方波调制及阶梯波反馈技术，在很大程度上抑制了光功率波动的影响，并扩大了系统的动态范围。但系统仍是一个非线性系统，其非线性影响光学电压互感器性能，且光学电压互感器易受外部环境的扰动影响。

如图1所示现有技术中的光学电压互感器原理图，光学电压互感器闭环检测电路包括光源1、环形器2、偏振器3、相位调制器4、保偏延迟光缆5、法拉第旋光器6、BGO晶体7、光电探测器8和信号处理电路9，所述的环形器2为三端口器件，第一端口为光源1入口，第二端口连接偏振器3的输入口，第三端口连接光电探测器8的输入端，光电探测器8的输出连接信号处理电路9，信号处理电路9为相位调制器4提供调制电压。所述的偏振器3连接相位调制器4，并且连接点45°熔接；相位调制器4与旋光器6之间通过保偏延迟光缆5连接，所述的旋光器6中的BGO晶体7端点具有反射膜10，用以反射光。

通过偏振器3的线偏光经过45°熔接角，分成两束正交的线偏振光，该两束正交的偏振光通过集成相位调制器4，出射光经由保偏光纤延迟5，两束光入射进法拉第旋光器6，两正交线偏振模式旋转45°，入射到BGO晶体7中，被测电压以Pockels相移的方式作用到两偏振正交模式的光中，两正交偏振光通过反射膜的反射，沿入射的光路返回，经相位调制器4作用，最后在偏振器3处两束光干涉，其中干涉的相位是Pockels相移的两倍。两束正交偏振模式的光每次经过非互易的法拉第旋光器6，均会旋转45°，由于光路中非互易法拉第准直旋光器的引入，除BGO晶体7外，两正交偏振模式经过相同的光程，构成准互易反射式光路，减小了因外部扰动及设备的缺陷不足导致的检测误差。

光学电压互感器的闭环误差信号是微弱的非线性信号，并且易受系统扰动影响。光学电压互感器在测量高压的实用测量中，其物理器件的非线性及存在的噪声是造成系统性能恶化的主要因素。

发明内容

本发明提出了一种抑制光学电压互感器非线性特性的交直流电压检测方法及检测装置，以提高基于Pockels效应的光学电压互感器在测量交直流电压时的精度及非线性抑制能力。

所述的抑制光学电压互感器非线性特性的交直流电压检测方法，包括如下步骤：

第一步，对光电探测器输出干涉光强v_out(t)进行预处理，对非线性闭环误差信号进行方波调制，将非线性闭环误差信号的频率迁移到高频区，以避开1/f噪声中低频噪声的不利影响；采用带通滤波器保证不失真的提取出非线性闭环误差信号并同时滤除光电探测器的输出干涉光强中的白噪声；其中的f代表频率；

第二步，将带通滤波器的输出信号v_bf(t)转换成数字信号v_bf(k)，并由一个与所述数字信号v_bf(k)同频率同相位的数字方波信号f_b(t)解调，解调后的输出信号v_d(k)中含有非线性闭环误差信号成分，但同时也包含了不需要的高频信号；

第三步，数字低通滤波器对解调后的输出信号v_d(k)进行低通滤波，以滤除所述解调后的输出信号v_d(k)的高频部分，同时进一步提高信噪比；此时数字低通滤波器的输出信号v(k)中的非线性闭环误差信号为数字信号

第四步，根据数字低通滤波器的输出信号v(k)，建立系统状态方程；

第五步，对系统状态方程进行稳定性控制，当光学电压互感器系统非线性闭环误差信号在(-π,π)范围内，所述的稳定性控制能够使得非线性闭环误差以指数特性的衰减速度恢复到零平衡点，抑制了非线性对光学电压互感器系统闭环性能的影响，拓展了直流电压的动态测量范围以及交流电压测量的频带宽度，提高了光学电压互感器系统的动态响应特性。

本发明的优点在于：

(1)在对交直流电压进行测量时，本发明设计的带通滤波器的通频带范围均能够保证不失真的提取出非线性闭环误差信号，同时抑制绝大多数的白噪声，提高了期望频率信号的信噪比。

(2)采用本发明提供的抑制光学电压互感器非线性特性的方法，针对光学电压互感器非线性闭环误差信号，其范围在(-π,π)时，光学电压互感器系统能够获得指数稳定性及规定的噪声抑制水平。