專利名稱：一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)電壓互感器，尤其涉及一種用于基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法及裝置。
背景技術(shù)：
動態(tài)性能研究是光學(xué)電壓互感器研究的一項重要內(nèi)容，國家標(biāo)準(zhǔn)IEC 60044-8對光學(xué)電壓互感器的動態(tài)性能做了明確要求在高壓測量中要求電壓互感器應(yīng)該至少具有幾KHz的頻率響應(yīng)特性和幾毫秒的響應(yīng)時間，用于某些用途例如行波保護繼電器，需要的測量頻率高達數(shù)百kHz。根據(jù)現(xiàn)有文獻資料顯示，目前國內(nèi)外已有的基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器實驗樣機帶寬最高為40kHz,目前國內(nèi)外已有的基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器產(chǎn)品帶寬最高為10kHz，與國家標(biāo)準(zhǔn)的要求還存在一定的差距。因此，研究和改善光學(xué) 電壓互感器的動態(tài)性能具有重要的科學(xué)價值和實用意義。頻率特性以及階躍響應(yīng)上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量均是衡量光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能的重要指標(biāo)，然而對光學(xué)電壓互感器進行頻率特性測試卻比較困難，因為這不僅需要外接設(shè)備提供頻率可調(diào)的高頻交流電壓信號作為正弦激勵信號，而且需要配套的設(shè)備來高速采集互感器的輸出響應(yīng)信號并分析處理?，F(xiàn)有技術(shù)中通過信號發(fā)生器和變壓器實現(xiàn)高頻交流電壓信號，再通過鎖相放大器和示波器實現(xiàn)頻率特性測試，這給頻率特性測試及研究工作帶來很大困難，不利于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能的研究。另一方面，光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)中內(nèi)部模塊高頻動態(tài)模型的建立是研究和改善系統(tǒng)動態(tài)性能的依據(jù)。而現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)控制過程都在FPGA中進行，并且閉環(huán)狀態(tài)變量以微秒級快速變化，很難實時監(jiān)測系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)?，F(xiàn)有技術(shù)中對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)內(nèi)部模塊的模型建立往往通過理論推導(dǎo)的方式，很難逼近真實信號檢測單元的動態(tài)模型，不利于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究工作的開展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法及裝置。所述裝置無需任何外加設(shè)備，利用自身硬件就能夠提供頻率可調(diào)的正弦激勵信號，實現(xiàn)光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性測試，以及提供階躍輸入信號實現(xiàn)閉環(huán)階躍響應(yīng)性能測試。并且所述用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置具有高速數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的能力，速度可達納秒量級，能夠?qū)崟r提取及監(jiān)測光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的閉環(huán)狀態(tài)變量。并且，本發(fā)明還提供了一種建立光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊的高頻動態(tài)模型的方法?？梢姡景l(fā)明提供的技術(shù)方案為光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能的提高提供了一種有利的輔助研究平臺。本發(fā)明提供的用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光學(xué)電壓互感器閉環(huán)檢測電路中FPGA，并且閉環(huán)檢測電路的AD、DA轉(zhuǎn)換器與板卡NI7813R之間的FPGA設(shè)置了隔離裝置連接通訊，板卡NI7813R上FPGA通過PCI總線連接計算機；所述的板卡NI7813R包含一塊FPGA和40M時基；所述NI7813R上的FPGA包含160條數(shù)字輸入/輸出線DIO，還包括信號檢測單元、信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II和信號求和單元；所述的信號檢測單元用于接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號，還用于將AD數(shù)據(jù)解調(diào)、閉環(huán)控制、產(chǎn)生互感器輸出模塊的輸出信號以及產(chǎn)生階梯波和方波信號，并與信號發(fā)生單元I或信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號一起，在信號求和單元進行相加，最后通過DIO和隔離裝置，進入D/A轉(zhuǎn)換器；所述的信號檢測單元包括接收模塊I、接收模塊II、解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊、階梯波發(fā)生模塊、方波發(fā)生模塊；所述的信號檢測單元中各功能模塊的輸出數(shù)據(jù)以及所述的信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號都時間同步傳送給計算機；所述計算機包括操作界面、信號采集模塊 和數(shù)據(jù)處理模塊，所述的操作界面用于功能測試的選擇以及對信號發(fā)生單元I和信號發(fā)生單元II中參數(shù)賦值；所述信號采集模塊用于實時顯示和存儲信號檢測單元中各功能模塊的輸出數(shù)據(jù)以及所述的信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號；數(shù)據(jù)處理模塊用于對信號采集模塊中的數(shù)據(jù)進行處理，得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)頻率特性曲線、階躍響應(yīng)曲線以及光學(xué)電壓互感器內(nèi)部模塊的頻率特性曲線及高頻動態(tài)模型。本發(fā)明還提供一種基于所述的測試裝置的測試方法，所述的測試方法可以通過信號發(fā)生單元I產(chǎn)生頻率可調(diào)的數(shù)字正弦激勵信號I，對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性進行測試；可以通過信號發(fā)生單元I產(chǎn)生數(shù)字階躍信號，對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)過程進行測試；可以通過信號發(fā)生單元II產(chǎn)生特定頻率的數(shù)字斜波激勵信號II，測試光電探測器和前放濾波電路的頻率特性，數(shù)據(jù)處理模塊基于所測得頻率特性通過模型辨識的方法建立光電探測器和前放濾波電路的高頻動態(tài)模型；以上不同功能的測試方法可通過計算機的操作界面很方便的選擇實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)無需外加電子設(shè)備就能方便的測試光學(xué)電壓互感器的動態(tài)性能，如頻率響應(yīng)特性和階躍響應(yīng)性能。(2)本發(fā)明提供的測試裝置具有高速數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的能力，可以實現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)變量的顯示和存儲，實時監(jiān)測系統(tǒng)閉環(huán)工作狀態(tài)。(3)本發(fā)明提供的測試方法和裝置，可以測量光學(xué)電壓互感器內(nèi)部功能模塊的頻率特性，建立模塊的高頻動態(tài)模型，為光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究奠定基礎(chǔ)。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的詳細(xì)的信號檢測單元結(jié)構(gòu)框圖；圖4a、圖4b為本發(fā)明提供用于光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)頻率特性測試的數(shù)字正弦激勵信號I ;圖5a、圖5b為本發(fā)明提供用于光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)階躍響應(yīng)測試的數(shù)字階躍信號;圖6a、圖6b、圖6c為本發(fā)明提供用于探測器和前放濾波電路頻率特性測試的數(shù)字斜波激勵信號II及；數(shù)字余弦激勵信號產(chǎn)生的示意圖7為利用本發(fā)明所述測試方法及裝置所得的光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性曲線；圖8為利用本發(fā)明所述測試方法及裝置所得的光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線；圖9為利用本發(fā)明所述測試方法及裝置對探測器和前放濾波模塊頻率特性測試結(jié)果;圖10為利用本發(fā)明所述測試方法及裝置實現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)變量實時顯示的結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。如圖I所示為現(xiàn)有技術(shù)中基于Pockels效應(yīng)光學(xué)電壓互感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖， 由光路和閉環(huán)檢測電路組成。光路部分包括光源、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器和傳感單元，閉環(huán)檢測電路包括光電探測器、前放濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、D/A轉(zhuǎn)換器和D/A驅(qū)動電路。光源發(fā)出的光依次經(jīng)過環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器后到達傳感單元。由于Pockels效應(yīng)，傳感單元將待測電壓信號轉(zhuǎn)換為攜帶非互異相位差A(yù)於的光信號，所述光信號通過傳感單元中反射膜的作用返回至相位調(diào)制器和起偏器，并在起偏器處發(fā)生干涉。干涉光強表達式為
1
I = - al0 {I-CosfAfJs +^(/)- <p(t - t)]}(I)
2其中a為光路總損耗，I0為入射光強，_)與樹/ r)分別為t時刻與t- T時刻經(jīng)過相位調(diào)制器的調(diào)制相位，T為光在傳感單元傳輸?shù)臅r間。采用方波調(diào)制和階梯波反饋方案時,_)-— -r) = A(pt, ±71/2反饋階梯波的臺階高度。干涉光強信號由耦合器耦合進入光電探測器，光電探測器檢測到干涉光強信號并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過前放濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換器后送入FPGA。FPGA的作用為對輸入的閉環(huán)誤差信號+Aft進行解調(diào)，解調(diào)結(jié)果送入FPGA的閉環(huán)控制算法中。在現(xiàn)有光學(xué)電壓互感器中，閉環(huán)控制算法一般采用積分控制，即對解調(diào)結(jié)果進行累積積分，得到待測電壓值。將積分結(jié)果乘以反饋系數(shù)后得到反饋階梯波的臺階高度，將臺階高度累加產(chǎn)生反饋階梯波。同時產(chǎn)生調(diào)制方波。調(diào)制方波和反饋階梯波通過D/A轉(zhuǎn)換器及D/A驅(qū)動電路后施加到相位調(diào)制器上轉(zhuǎn)化為調(diào)制相位。反饋階梯波的臺階高度與Pockels相移Aft大小相等，方向相反，則光學(xué)電壓互感器工作在閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)有技術(shù)中，光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)閉環(huán)誤差信號的解調(diào)和閉環(huán)反饋等都在閉環(huán)檢測電路的FPGA中進行，F(xiàn)PGA中的數(shù)據(jù)一般通過串口與計算機連接來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲。FPGA中的閉環(huán)周期為微秒級，但由于串口無法高速實時傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致不能實時提取系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)變量、監(jiān)測系統(tǒng)閉環(huán)工作狀態(tài)。并且利用現(xiàn)有技術(shù)對光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)進行頻率特性測試比較困難，難以獲取測試時所需的高頻交流電壓，難以高速采集互感器的高頻響應(yīng)輸出信號。本發(fā)明設(shè)計了一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，該測試裝置對原有光學(xué)電壓互感器進行了改進，利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光學(xué)電壓互感器閉環(huán)檢測電路中FPGA，并且在閉環(huán)檢測電路的AD、DA轉(zhuǎn)換器與板卡NI7813R的FPGA之間設(shè)置了隔離裝置連接通訊。板卡NI7813R上FPGA中的數(shù)據(jù)可以通過PCI總線高速實時的傳送到計算機。所述測試裝置不僅能夠?qū)⑾到y(tǒng)中閉環(huán)狀態(tài)變量通過板卡NI7813R實時傳送到計算機進行顯示和存儲，而且能夠測量光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的動態(tài)特性，以及能夠建立系統(tǒng)中內(nèi)部模塊的高頻動態(tài)模型。所述用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置由隔離裝置、板卡NI7813R和計算機組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。信號隔離裝置采用磁耦隔離方式減少閉環(huán)檢測電路與板卡NI7813R之間傳輸信號的噪聲。所述信號隔離裝置由磁耦隔離芯片和電纜線接口組成。磁耦隔離芯片一側(cè)與電纜線接口連接，另一側(cè)與光學(xué)電壓互感器檢測電路中的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器相連。電纜線接口通過電纜線與板卡NI7813R上FPGA的數(shù)字輸入輸出線(DIO)連接。所述的板卡NI7813R包含一塊FPGA(型號為XC2V3000)和40M時基。所述NI7813R上的FPGA包含160條數(shù)字輸入/輸出線DI0。本發(fā)明中對板卡NI7813R上的FPGA進行改 進，增加了信號檢測單元、信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II和信號求和單元。所述信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II、信號求和單元和信號檢測單元均設(shè)置于FPGA上。所述160條數(shù)字輸入/輸出線(DIO)都嵌入在FPGA上，用于與AD、DA相連接。所述板卡NI7813R通過計算機的PCI插槽與計算機連接。所述計算機可以是各種類型的計算機、筆記本、手提電腦和工控機，并包括操作界面、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。所述操作界面、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)置于計算機上。以下將對本發(fā)明提供的信號檢測單元、信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II、信號求和單元、操作界面、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊分別進行功能實現(xiàn)描述。信號檢測單元所述信號檢測單元包括接收模塊I、接收模塊II、解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊、階梯波發(fā)生模塊、方波發(fā)生模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。所述接收模塊I能夠接收和存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并送入板卡NI7813R上FPGA中的解調(diào)模塊。于此同時，接收模塊I的輸出數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C。接收模塊I輸入端與DIO相連接，輸出端與解調(diào)模塊以及計算機相連。所述接收模塊II能夠接收和存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機上的信號采集模塊中實時的顯示和存儲。接收模塊II輸入端與DIO相連接，輸出數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C。解調(diào)模塊用于實現(xiàn)閉環(huán)誤差信號的解調(diào)，其輸入端與接收模塊I相連，用于采集接收模塊I中A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)并實現(xiàn)閉環(huán)誤差信號的解調(diào)，其輸出端與閉環(huán)控制算法模塊相連。并且解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)能夠通過PCI總線傳輸給計算機。閉環(huán)控制算法模塊輸入端與解調(diào)模塊相連，輸出端與互感器輸出模塊和階梯波發(fā)生模塊相連接，其中閉環(huán)控制可由積分器實現(xiàn)。所述互感器輸出模塊的數(shù)據(jù)可以通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C。所述階梯波發(fā)生模塊和方波發(fā)生模塊的輸出端均與信號求和單元相連。所述解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊以及互感器輸出模塊的輸出信號組成了光學(xué)電壓互感器的閉環(huán)狀態(tài)變量。解調(diào)模塊接收到的數(shù)據(jù)實質(zhì)上為被調(diào)制了的閉環(huán)誤差信號，因此該解調(diào)模塊主要通過對數(shù)據(jù)按照調(diào)制方波的正負(fù)半周期進行采點，將正半周期數(shù)據(jù)之和減去負(fù)半周期數(shù)據(jù)之和，實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)過程，得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的閉環(huán)誤差，送入閉環(huán)控制算法模塊。如果閉環(huán)控制算法模塊為積分器則對閉環(huán)誤差信號進行累加積分后產(chǎn)生輸出信號，閉環(huán)控制算法模塊的輸出信號分別送入階梯波發(fā)生模塊和互感器輸出模塊?；ジ衅鬏敵瞿K將接收數(shù)據(jù)進行平滑濾波后得到了光學(xué)電壓互感器的輸出。階梯波發(fā)生模塊將閉環(huán)控制算法模塊的輸出信號乘以反饋系數(shù)后得到階梯波的臺階高度，并將該階梯波的臺階高度進行累加得到階梯波。所述階梯波送到到信號求和單元，與信號求和單元其他的輸入數(shù)據(jù)如方波一起相加求和后通過DIO和隔離裝置一起送入D/A轉(zhuǎn)換器。利用時序控制，將所述信號檢測單元的各功能模塊的輸出數(shù)據(jù)通過PCI總線同步傳輸?shù)接嬎銠C，并在計算機上的信號采集模塊中實時的顯示和存儲，實現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)變量的實時顯示。 信號發(fā)生單元I信號發(fā)生單元I的功能為產(chǎn)生信號以實現(xiàn)頻率特性與階躍響應(yīng)等閉環(huán)動態(tài)性能測試。信號發(fā)生單元I的輸入端通過PCI總線與計算機相連接通信，輸出端與信號求和單元連接。信號發(fā)生單元I產(chǎn)生光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)進行頻率特性測試時所需的測試信號，如數(shù)字正弦激勵信號I以及階躍響應(yīng)測試時所需的數(shù)字階躍信號。所述數(shù)字正弦激勵信號I是由臺階組成，其臺階高度AV1U)呈周期性數(shù)字正弦變化，如圖4中(a)所示。將臺階高度AVJt)與AV1U-O進行相加求和就能得到L(t) = A V1U)+ A V1U-O即所述數(shù)字正弦激勵信號I，V1U)如圖4中(b)所示。所述數(shù)字階躍信號V/ (t)由臺階組成，其臺階高度AV/ (t)在h時刻以前為0，h時刻以后為固定值，如圖5所示。將臺階高度AV/⑴與A V/ (t- T )進行相加求和就能得到V/ (t) = A V1' (t) + A V1' (t- O即可產(chǎn)生所述光學(xué)電壓互感器等效輸入的數(shù)字階躍信號。數(shù)字階躍信號V (t)的最大值設(shè)置為215，如果對臺階高度進行累加求和得到的值超過215則減去215后繼續(xù)累加。所述信號發(fā)生單元I產(chǎn)生的數(shù)字測試信號送給信號求和單元，并在信號求和單元與階梯波及方波模塊的輸出信號相加后，將通過DIO和隔離裝置后依次傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器、D/A驅(qū)動電路和相位調(diào)制器。由公式(I)可知，相位調(diào)制器將數(shù)字信號的臺階高度變化量轉(zhuǎn)換為調(diào)制相位差。根據(jù)電壓互感器閉環(huán)工作原理可得，臺階高度變化引起的相位差能夠代替電壓互感器外加電壓產(chǎn)生的相位差，因此所述數(shù)字階躍信號能夠作為光學(xué)電壓互感器階躍響應(yīng)測試時的激勵信號，所述數(shù)字正弦激勵信號I可以作為光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)頻率特性測試的正弦激勵信號。正弦激勵信號的頻率可表示為(2) m-m其中T為光在光學(xué)電壓互感器的光學(xué)傳感單元中的渡越時間，n為臺階高度持續(xù)時間的調(diào)整參數(shù)，其值為正整數(shù)，最小取值為1，nT即為每個臺階高度的持續(xù)時間，m為組成一個周期的數(shù)字正弦曲線所需要的臺階個數(shù)。通過調(diào)整m和n的值，即可改變測試所需的正弦激勵信號的頻率。計算機中操作界面可以隨時設(shè)定m和n的值，并通過PCI總線將m和n的值傳輸?shù)桨蹇∟I7813R的DIO進而傳輸?shù)叫盘柊l(fā)生單元I。的值可高達幾十至幾百kHz，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的高頻動態(tài)性能測試。信號發(fā)生單元II信號發(fā)生單元II的功能為產(chǎn)生信號實現(xiàn)光學(xué)電壓互感器內(nèi)部模塊頻率特性測試，為了閉環(huán)系統(tǒng)中各功能模塊高頻動態(tài)模型的建立奠定基礎(chǔ)。信號發(fā)生單元II的輸入端通過PCI總線和計算機相連接，其輸出端與信號求和單元相連。信號發(fā)生單元II產(chǎn)生光學(xué)電壓互感器內(nèi)部模塊頻率特性測試時所需要的數(shù)字斜波激勵信號II。如果被測試的光學(xué)電壓互感器內(nèi)部前向通道模塊為探測器和前放濾波電路，則數(shù)字斜波激勵信號II具有如圖6中(a)所示形式，即數(shù)字斜波激勵信號II的臺階高度AV2(t)每次變化量為相同的值h，將臺階高度AV2(t)與AV2(t-i)進行相加求和就能得 到所述數(shù)字斜波激勵信號II即V2 (t) = AV2(t) + AV2(t-0。臺階高度AV2(t)的最大值設(shè)置為216，如果超過216則將臺階高度值減去216后繼續(xù)變化。數(shù)字斜波激勵信號II的最大值也設(shè)置為216，如果對臺階高度進行累加求和得到的值超過216則減去216后繼續(xù)累加臺階 高度得到數(shù)字斜波激勵信號II，如圖6中(b)所示。所述數(shù)字斜波激勵信號II通過信號求和單元(此時階梯波模塊與方波模塊的輸出為0)、DI0和隔離裝置依次傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器、D/A驅(qū)動電路和相位調(diào)制器。數(shù)字斜波激勵信號II (即V2 (t))經(jīng)過相位調(diào)制器的調(diào)制環(huán)節(jié)將斜波的臺階高度AV2(t)轉(zhuǎn)換為調(diào)制相位
差#且
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，其特征在于所述裝置無需任何外加設(shè)備，利用自身硬件提供頻率可調(diào)的正弦激勵信號，實現(xiàn)光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性測試，以及提供階躍輸入信號實現(xiàn)閉環(huán)階躍響應(yīng)性能測試；并且所述用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置具有高速數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的能力，可監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)變量及測試系統(tǒng)內(nèi)部高頻動態(tài)模型的功能； 所述的測試裝置為利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光學(xué)電壓互感器閉環(huán)檢測電路中FPGA，并且原閉環(huán)檢測電路的AD、DA轉(zhuǎn)換器與板卡NI7813R的FPGA之間設(shè)置了隔離裝置連接通訊，板卡NI7813R上FPGA通過PCI總線連接計算機；所述的板卡NI7813R包含一塊FPGA和40M時基；所述NI7813R上的FPGA包含160條數(shù)字輸入/輸出線DIO，還包括信號檢測單元、信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II和信號求和單元；所述的信號檢測單元用于接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號，還用于將AD數(shù)據(jù)解調(diào)、閉環(huán)控制、產(chǎn)生互感器輸出模塊的輸出信號以及產(chǎn)生階梯波和方波信號，并與信號發(fā)生單元I或信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號一起，在信號求和單元處進行相加后，最后通過DIO和隔離裝置，進入D/A轉(zhuǎn)換器；所述的信號檢測單元的輸出數(shù)據(jù)以及所述的信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號都時間同步傳送給計算機；所述計算機包括操作界面、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，所述的操作界面用于功能測試的選擇以及對信號發(fā)生單元I和信號發(fā)生單元II中參數(shù)賦值；所述信號采集模塊用于實時顯示和存儲信號檢測單元中各功能模塊的輸出數(shù)據(jù)以及所述的信號發(fā)生單元I、信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的信號；數(shù)據(jù)處理模塊用于對信號采集模塊中的數(shù)據(jù)進行處理，得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)頻率特性曲線、階躍響應(yīng)曲線以及光學(xué)電壓互感器內(nèi)部功能模塊的高頻動態(tài)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，其特征在于所述隔離裝置由磁耦隔離芯片和電纜線接口組成，磁耦隔離芯片一側(cè)與電纜線接口連接，另一側(cè)與光學(xué)電壓互感器檢測電路中的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器相連；電纜線接口通過電纜線與板卡NI7813R上FPGA的數(shù)字輸入輸出線DIO連接；所述測試裝置中板卡NI7813R上FPGA通過PCI總線與計算機連接；所述計算機上包括操作界面、信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，其特征在于所述信號檢測單元包括接收模塊I、接收模塊II、解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊、階梯波發(fā)生模塊和方波發(fā)生模塊；所述接收模塊I能夠接收和存儲A/D數(shù)據(jù)并送入FPGA中的解調(diào)模塊；解調(diào)模塊用于實現(xiàn)閉環(huán)誤差信號的解調(diào)，其輸出端與閉環(huán)控制算法模塊相連；閉環(huán)控制算法模塊輸入端與解調(diào)模塊相連，輸出端與互感器輸出模塊和階梯波發(fā)生模塊相連接；所述接收模塊II能夠接收和存儲A/D數(shù)據(jù)；所述信號檢測單元的各功能模塊的輸出數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C，并在計算機上的信號采集模塊中實時的顯示和存儲。
4.一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法，其特征在于對光學(xué)電壓互感器進行頻率特性測試，具體步驟如下 步驟一利用計算機中操作界面給定信號發(fā)生單元I產(chǎn)生的數(shù)字正弦激勵信號I的頻率； 步驟二 信號檢測單元產(chǎn)生階梯波和方波，信號發(fā)生單元I產(chǎn)生給定頻率的數(shù)字正弦激勵信號I，在信號求和單元將階梯波、方波和數(shù)字正弦激勵信號I相加后，同時傳送到D/A轉(zhuǎn)換器； 步驟三通過D/A轉(zhuǎn)換器的信號依次傳輸?shù)紻/A驅(qū)動電路和相位調(diào)制器，相位調(diào)制器將臺階高度轉(zhuǎn)換為相位信號后經(jīng)過光路的干涉環(huán)節(jié)到達光電探測器、前放濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和板卡NI7813R上的信號檢測單元； 步驟四利用信號檢測單元中的接收模塊I接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號，并將該輸出信號依次通過信號檢測單元中的解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊和階梯波發(fā)生模塊，階梯波發(fā)生模塊產(chǎn)生階梯波的臺階高度為系統(tǒng)的閉環(huán)反饋信號；與此同時，解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊和階梯波發(fā)生模塊各自的輸出信號，通過PCI總線高速傳輸?shù)接嬎銠C的信號采集模塊進行實時顯示和存儲，以便于觀察不同頻率正弦輸入時系統(tǒng)的閉環(huán)誤 差; 步驟五通過時序控制將信號發(fā)生單元I中的數(shù)字正弦激勵信號I與對應(yīng)的互感器輸出模塊中的系統(tǒng)輸出信號同步通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C。此時光學(xué)電壓互感器的輸出信號即為光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)輸出信號； 步驟六利用信號采集模塊將傳送到計算機的數(shù)字正弦激勵信號I和對應(yīng)的光學(xué)電壓互感器的輸出信號同步進行實時的顯示和存儲； 步驟七利用計算機操作界面改變步驟一中數(shù)字正弦激勵信號I的頻率，重復(fù)步驟二到步驟六； 步驟八將步驟六中存儲的不同頻率正弦激勵信號下的試驗數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性曲線。
5.一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法，其特征在于對光學(xué)電壓互感器進行階躍響應(yīng)測試，具體步驟如下 步驟一信號檢測單元中的階梯波發(fā)生模塊和方波發(fā)生模塊分別產(chǎn)生階梯波和方波，同時信號發(fā)生單元I產(chǎn)生數(shù)字階躍信號，信號求和單元將階梯波、方波和數(shù)字階躍信號相加后傳送到D/A轉(zhuǎn)換器； 步驟二 通過D/A轉(zhuǎn)換器后，信號依次傳輸?shù)紻/A驅(qū)動電路和相位調(diào)制器，相位調(diào)制器將臺階高度轉(zhuǎn)換為相位信號后經(jīng)過光路的干涉環(huán)節(jié)到達光電探測器、前放濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和板卡NI7813R上的信號檢測單元； 步驟三信號檢測單元中的接收模塊I接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號，并將該輸出信號依次通過信號檢測單元中的解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊和階梯波發(fā)生模塊；并且解調(diào)模塊、閉環(huán)控制算法模塊、互感器輸出模塊和階梯波發(fā)生模塊的輸出信號，通過PCI總線高速傳輸?shù)接嬎銠C的信號采集模塊進行實時顯示和存儲； 步驟四通過時序控制將信號發(fā)生單元I中的數(shù)字階躍信號與互感器輸出模塊中的系統(tǒng)輸出信號同步通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C；此時光學(xué)電壓互感器的輸出信號即為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)信號； 步驟五信號采集模塊將傳送到計算機的數(shù)字階躍信號和對應(yīng)的光學(xué)電壓互感器的輸出信號進行實時的顯示和存儲； 步驟六數(shù)據(jù)處理模塊處理信號采集模塊存儲的數(shù)據(jù)，得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。
6.一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的高頻動態(tài)模型建立方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一利用計算機中操作界面控制信號發(fā)生單元II產(chǎn)生不同頻率的數(shù)字斜波激勵信號II ; 步驟二 信號發(fā)生單元II產(chǎn)生的數(shù)字斜波激勵信號II，通過信號求和單元、DIO和隔離裝置傳送到D/A轉(zhuǎn)換器；此時進入信號求和單元的方波與階梯波均為0 ; 步驟三D/A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)紻/A驅(qū)動電路、相位調(diào)制器和光路的干涉環(huán)節(jié)，經(jīng)過相位調(diào)制器和干涉環(huán)節(jié)后將斜波的臺階高度轉(zhuǎn)換為余弦信號，相當(dāng)于給光電探測器一個余弦輸入，余弦信號從光電探測器輸出后經(jīng)過前放濾波電路，得到了余弦響應(yīng)信號A/D轉(zhuǎn)換器將余弦響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入板卡NI7813R上的信號檢測單元； 步驟四信號檢測單元中的接收模塊II接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號；通過時序控制將 接收模塊II的輸出信號和數(shù)字斜波激勵信號II同步高速傳輸?shù)接嬎銠C； 步驟五信號采集模塊將傳送到計算機的數(shù)字斜波激勵信號II轉(zhuǎn)換為數(shù)字斜波臺階高度的余弦函數(shù)，并且其與A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號進行同步顯示和存儲； 步驟六利用操作界面改變數(shù)字斜波激勵信號的頻率，重復(fù)步驟二到步驟五；即得到不同余弦激勵信號下的探測器和前放濾波電路的余弦響應(yīng)，探測器和前放濾波電路為光學(xué)電壓互感器閉環(huán)系統(tǒng)的前向通道模塊； 步驟七將步驟五中存儲的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，得到光電探測器和前放濾波電路的頻率特性曲線； 步驟八數(shù)據(jù)處理模塊將根據(jù)所得頻率特性通過模型辨識建立光電探測器和前放濾波電路的聞頻動態(tài)1旲型。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理模塊將信號采集模塊存儲的數(shù)據(jù)進行的數(shù)據(jù)處理包括頻率特性測試數(shù)據(jù)處理、階躍響應(yīng)測試數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)內(nèi)部模塊高頻動態(tài)模型測試處理；所述頻率特性測試處理，則為系統(tǒng)輸入信號數(shù)字正弦激勵信號I和光學(xué)電壓互感器正弦響應(yīng)信號兩路信號的處理先對數(shù)據(jù)進行趨勢項去除和穩(wěn)態(tài)截取等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，利用相關(guān)分析法或傅里葉變換，得到這兩路信號的幅值比和相位差，以不同頻率的數(shù)字正弦激勵信號下求得的幅值比和相位差為縱坐標(biāo)，以頻率為橫坐標(biāo)繪制曲線圖，即得到光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的頻率特性曲線；所述階躍響應(yīng)測試數(shù)據(jù)處理，則為系統(tǒng)輸入信號數(shù)字階躍信號和光學(xué)電壓互感器階躍響應(yīng)兩路信號的處理，由光學(xué)電壓互感器輸出信號的過渡過程及其相對數(shù)字階躍信號的時間延遲，即獲得光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；所述對系統(tǒng)前向通道模塊探測器和前放濾波電路的高頻動態(tài)模型，則為前放濾波電路的響應(yīng)輸出和數(shù)字余弦激勵信號兩路信號的處理，先利用數(shù)字斜波激勵信號II得到數(shù)字余弦激勵信號，再利用頻率特性測試數(shù)據(jù)處理的方法得到探測器和前放濾波電路的頻率特性曲線，最后通過模型辨識的方法建立光電探測器和前放濾波電路的高頻動態(tài)模型。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究的測試方法及裝置。本發(fā)明利用含有FPGA的板卡NI7813R取代原有光學(xué)電壓互感器閉環(huán)檢測電路中FPGA，并且原閉環(huán)檢測電路的AD、DA轉(zhuǎn)換器與板卡NI7813R的FPGA之間設(shè)置了隔離裝置連接通訊，板卡NI7813R上FPGA通過PCI總線連接計算機；所述的測試裝置具有高速數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的能力，可以在計算機上實現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)變量的顯示和存儲，實時監(jiān)測系統(tǒng)閉環(huán)工作狀態(tài)；無需任何外加設(shè)備，利用自身硬件提供頻率可調(diào)的正弦激勵信號和階躍輸入信號，實現(xiàn)光學(xué)電壓互感系統(tǒng)的頻率特性和閉環(huán)階躍響應(yīng)性能測試；并可以測量光學(xué)電壓互感器內(nèi)部功能模塊的頻率特性，建立模塊的高頻動態(tài)模型，為光學(xué)電壓互感器動態(tài)性能研究奠定基礎(chǔ)。
文檔編號G01R35/02GK102749606SQ20121020773
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者崔利陽, 張春熹, 李慧, 李立京, 畢蘭, 許文淵 申請人:北京航空航天大學(xué)