本發(fā)明涉及具有非線性校正處理功能的光纖光柵電流互感器，屬于電流互感器校正技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電流互感器在電能計(jì)量和電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中起著越來越重要的作用。長期以來，高壓電網(wǎng)的電流檢測(cè)一直由電磁式電流互感器來完成，但傳統(tǒng)的電磁式電流互感器在新一代智能化電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷中暴露出了易磁飽和、易鐵磁諧振、頻帶窄、有油易爆等局限性。光學(xué)電流互感器的出現(xiàn)解決了電磁兼容和電絕緣問題，然而基于法拉第效應(yīng)的全光纖電流互感器容易受到線性雙折射及周圍環(huán)境溫度的影響。近年來，基于光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)與超磁滯伸縮材料GMM的光學(xué)電流互感器成為科研人員的研究熱點(diǎn)。

光纖光柵電流互感器的研究始于2005年，國內(nèi)學(xué)者開展了直流磁場(chǎng)的光纖光柵電流互感器研究工作，利用光譜儀測(cè)得FBG在直流磁場(chǎng)作用下的中心波長變化。有關(guān)文獻(xiàn)提出了將FBG-GMM傳感器放置在硅鋼片導(dǎo)磁回路里，應(yīng)用寬帶光源ASE的線性邊帶解調(diào)FBG，實(shí)現(xiàn)了工頻電流的在線檢測(cè)。國外研究人員研究了不同解調(diào)方法的光纖光柵電流互感器及電壓互感器和溫度與電流同時(shí)測(cè)量的光纖光柵電流互感器，綜上所述，關(guān)于FBG-GMM體系的電流互感器的研究多集中通過改善FBG解調(diào)方法提高電流互感器特性對(duì)電流互感器測(cè)量精度的影響，上述研究均未考慮GMM材料的磁滯特性造成電流互感器幅度誤差和相位誤差問題，因此對(duì)GMM-FBG電流互感器進(jìn)行磁滯特性補(bǔ)償是有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有光纖光柵電流互感器沒有考慮超磁滯伸縮材料的磁滯特性而造成的電流互感器非線性問題，產(chǎn)生相位誤差，從而造成其測(cè)量精度低的問題，提供了一種具有非線性校正處理功能的光纖光柵電流互感器。

本發(fā)明所述具有非線性校正處理功能的光纖光柵電流互感器，它包括電流傳感單元、FBG解調(diào)單元、3dB耦合器和光電放大器，它還包括非線性校正單元和顯示器，

電流傳感單元將采集的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，經(jīng)過3dB耦合器將光信號(hào)傳遞到FBG解調(diào)單元解調(diào)后獲得當(dāng)前光信號(hào)，當(dāng)前光信號(hào)再經(jīng)光電放大器轉(zhuǎn)換為待校正電流電信號(hào)，該待校正電流電信號(hào)作為非線性校正單元的輸入信號(hào)；

非線性校正單元包括A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片和D/A轉(zhuǎn)換器；FPGA芯片包括FIR低通濾波模塊、FIFO暫存模塊和NIOS II處理器，

待校正電流電信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為待校正電流數(shù)字信號(hào)，待校正電流數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR低通濾波模塊濾除噪聲干擾后，存儲(chǔ)到FIFO暫存模塊，NIOS II處理器的并行輸入輸出端用于讀取FIFO暫存模塊中存儲(chǔ)的待校正電流數(shù)字信號(hào)，NIOS II處理器采用參數(shù)可變曲線擬合的數(shù)學(xué)模型對(duì)讀取的待校正電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性校正處理，獲得待測(cè)電流信號(hào)校正值，該待測(cè)電流信號(hào)校正值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換獲得待測(cè)電流信號(hào)模擬校正值，該待測(cè)電流信號(hào)模擬校正值通過顯示器進(jìn)行顯示。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明針對(duì)GMM材料的磁滯特性提出，采用參數(shù)可變曲線擬合法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流互感器輸出信號(hào)的非線性校正，補(bǔ)償了GMM材料的磁滯特性對(duì)電流互感器的影響，減小了電流互感器的幅度誤差和相位誤差，提高了電流互感器的測(cè)量精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述具有非線性校正處理功能的光纖光柵電流互感器的原理框圖；

圖2是電流傳感單元的輸入電流為150A時(shí)的相位誤差圖；圖中實(shí)線為實(shí)際輸入電流值，虛線為測(cè)量獲得的待校正電流值；

圖3是輸入電流為150A時(shí)的傳遞函數(shù)圖；

圖4是輸入電流為150A時(shí)的傳遞函數(shù)擬合效果圖；圖中P為測(cè)量值對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線，Q為擬合獲得的傳遞函數(shù)曲線；

圖5是電流傳感單元的輸入電流為150A時(shí)的校正后相位誤差圖；圖中實(shí)線為實(shí)際輸入電流值，虛線為校正后的電流值；

圖6是電流傳感單元的輸入電流為150A時(shí)的校正后傳遞函數(shù)圖；

圖7是通過顯示器獲得的沒有進(jìn)行相位校正的輸入電流曲線a與解調(diào)輸出曲線b的相位對(duì)比圖；

圖8是通過顯示器獲得的完成相位校正的輸入電流曲線a與解調(diào)輸出曲線b的相位對(duì)比圖；通過圖7可以看到a和b的相位誤差較大，圖8中的a和b相位誤差減?。粓D7和圖8中，輸入電流信號(hào)為300A/格；解調(diào)輸出信號(hào)為2V/格。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：下面結(jié)合圖1至圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述具有非線性校正處理功能的光纖光柵電流互感器，它包括電流傳感單元1、FBG解調(diào)單元2、3dB耦合器3和光電放大器6，其特征在于，它還包括非線性校正單元4和顯示器5，

電流傳感單元1將采集的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，經(jīng)過3dB耦合器3將光信號(hào)傳遞到FBG解調(diào)單元2解調(diào)后獲得當(dāng)前光信號(hào)，當(dāng)前光信號(hào)再經(jīng)光電放大器6轉(zhuǎn)換為待校正電流電信號(hào)，該待校正電流電信號(hào)作為非線性校正單元4的輸入信號(hào)；

非線性校正單元4包括A/D轉(zhuǎn)換器4-2、FPGA芯片4-3和D/A轉(zhuǎn)換器4-1；FPGA芯片4-3包括FIR低通濾波模塊4-31、FIFO暫存模塊4-32和NIOS II處理器4-33，

待校正電流電信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器4-2轉(zhuǎn)換為待校正電流數(shù)字信號(hào)，待校正電流數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR低通濾波模塊4-31濾除噪聲干擾后，存儲(chǔ)到FIFO暫存模塊4-32，NIOS II處理器4-33的并行輸入輸出端用于讀取FIFO暫存模塊4-32中存儲(chǔ)的待校正電流數(shù)字信號(hào)，NIOS II處理器4-33采用參數(shù)可變曲線擬合的數(shù)學(xué)模型對(duì)讀取的待校正電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性校正處理，獲得待測(cè)電流信號(hào)校正值，該待測(cè)電流信號(hào)校正值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器4-1轉(zhuǎn)換獲得待測(cè)電流信號(hào)模擬校正值，該待測(cè)電流信號(hào)模擬校正值通過顯示器5進(jìn)行顯示。

NIOS II處理器4-33采用參數(shù)可變曲線擬合的數(shù)學(xué)模型對(duì)讀取的待校正電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行非線性校正處理，獲得待測(cè)電流信號(hào)校正值的過程為：

采集二十組數(shù)據(jù)(x_i,y_i)，i＝1，2，3，……，20，x_i為電流傳感單元1的輸入電流數(shù)據(jù)組，y_i為FIFO暫存模塊4-32存儲(chǔ)的待校正電流數(shù)字信號(hào)組成的輸出數(shù)據(jù)組，每一組數(shù)據(jù)(x_i,y_i)對(duì)應(yīng)一條傳遞函數(shù)曲線；選擇擬合階次為三次，利用最小二乘曲線擬合法分別擬合出每條傳遞函數(shù)的上半部分表達(dá)式和下半部分表達(dá)式，傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

x_i＝a_iQy_i³+b_iQy_i²+c_iQy_i+d_iQ，式中Q為T或B； (1)

根據(jù)傳遞函數(shù)表達(dá)式得到其上半部分?jǐn)M合系數(shù)的集合為a_T(a_1T,a_2T,……a_20T)、b_T(b_1T,b_2T,……b_20T)、c_T(c_1T,c_2T,……c_20T)和d_T(d_1T,d_2T,……d_20T)，下半部分?jǐn)M合系數(shù)的集合為a_B(a_1B,a_2B,……a_20B)、b_B(b_1B,b_2B,……b_20B)、c_B(c_1B,c_2B,……c_20B)和d_B(d_1B,d_2B,……d_20B)；式中下標(biāo)T表示傳遞函數(shù)的上半部分表達(dá)式的參量，下標(biāo)B表示傳遞函數(shù)的下半部分表達(dá)式的參量；

再計(jì)算獲得與每一組數(shù)據(jù)(x_i,y_i)對(duì)應(yīng)的FBG解調(diào)單元2的當(dāng)前光纖光柵波長峰值λ_i的集合為(λ₁,λ₂,……λ₂₀)；

應(yīng)用最小二乘曲線擬合法求解獲得傳遞函數(shù)上半部分?jǐn)M合系數(shù)與當(dāng)前光纖光柵波長峰值λ_i的函數(shù)關(guān)系：

a_T＝a_aTλ_i³+b_aTλ_i²+c_aTλ_i+d_aT；

b_T＝a_bTλ_i³+b_bTλ_i²+c_bTλ_i+d_bT；

c_T＝a_cTλ_i³+b_cTλ_i²+c_cTλ_i+d_cT；

d_T＝a_dTλ_i³+b_dTλ_i²+c_dTλ_i+d_dT； (2)

式中a_aT、b_aT、c_aT和d_aT為a_T與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_bT、b_bT、c_bT和d_bT為b_T與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_cT、b_cT、c_cT和d_cT為c_T與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_dT、b_dT、c_dT和d_dT為d_T與峰值λ_i的擬合系數(shù)；

再獲得傳遞函數(shù)下半部分?jǐn)M合系數(shù)與當(dāng)前光纖光柵波長峰值λ_i的函數(shù)關(guān)系：

a_B＝a_aBλ_i³+b_aBλ_i²+c_aBλ_i+d_aB；

b_B＝a_bBλ_i³+b_bBλ_i²+c_bBλ_i+d_bB；

c_B＝a_cBλ_i³+b_cBλ_i²+c_cBλ_i+d_cB；

d_B＝a_dBλ_i³+b_dBλ_i²+c_dBλ_i+d_dB； (3)

式中a_aB、b_aB、c_aB和d_aB為a_B與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_bB、b_bB、c_bB和d_bB為b_B與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_cB、b_cB、c_cB和d_cB為c_B與峰值λ_i的擬合系數(shù)；a_dB、b_dB、c_dB和d_dB為d_B與峰值λ_i的擬合系數(shù)；

然后再應(yīng)用最小二乘曲線擬合法，根據(jù)獲得的a_T、b_T、c_T、d_T、a_B、b_B、c_B和d_B，及采集獲得的待校正電流數(shù)字信號(hào)y_i，采用下述公式(4)獲得待測(cè)電流信號(hào)校正值x_i′：

x_i′＝a_Ty_i³+b_Ty_i²+c_Ty_i+d_T，dy/dt≥0，

x_i′＝a_By_i³+b_By_i²+c_By_i+d_B，dy/dt<0； (4)

將待測(cè)電流信號(hào)校正值x_i′與電流傳感單元1的相應(yīng)輸入電流x_i做傳遞函數(shù)曲線，獲得與待校正電流數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)圖，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)待校正電流數(shù)字信號(hào)y_i相位誤差的校正；針對(duì)任意待校正電流數(shù)字信號(hào)y，再通過傳遞函數(shù)圖獲得相應(yīng)的待測(cè)電流信號(hào)校正值。

本實(shí)施方式中，電流傳感單元1包括導(dǎo)磁回路、GMM-FBG傳感探頭、調(diào)壓器；FBG解調(diào)單元2包括可調(diào)諧DFB激光器，即分布式反饋激光器、溫控電路及激光器驅(qū)動(dòng)電路、光電探測(cè)器等，解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)及溫度補(bǔ)償功能。

FBG-GMM傳感探頭是通過環(huán)氧樹脂將FBG均勻的粘貼在GMM材料上做成的，利用FBG對(duì)應(yīng)變敏感和GMM材料對(duì)磁場(chǎng)敏感來實(shí)現(xiàn)電流傳感。導(dǎo)磁回路由多層鐵氧體片疊加而成，其目的是為了減少渦流損耗。被測(cè)工頻交流信號(hào)經(jīng)過變壓器變壓后通過繞組W1加載到磁路中，偏置磁場(chǎng)由加載到繞組W2上的直流穩(wěn)壓源提供，偏置磁場(chǎng)的作用是使GMM材料工作在單極性狀態(tài)，防止產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。DFB激光器在溫控電路和驅(qū)動(dòng)電路的作用下發(fā)出窄帶激光，窄帶激光經(jīng)3dB耦合器入射到FBG上，被FBG反射回來的光信號(hào)經(jīng)3dB耦合器送到光電放大器，光電放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集和FPGA片上系統(tǒng)進(jìn)行非線性數(shù)據(jù)處理，最后將校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，完成電流互感器的實(shí)時(shí)非線性校正。

光纖光柵電流互感器由磁路傳感系統(tǒng)和光電檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成。電流互感器磁路系統(tǒng)由鐵氧體材料搭建而成，鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率約為2000，GMM選用相對(duì)磁導(dǎo)率為5～8的鋱鏑鐵Terfenol-D，被測(cè)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)被鐵氧體約束并引導(dǎo)進(jìn)入GMM-FBG。運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析，鐵氧體能夠約束磁力線的40％通過GMM棒，相比螺線管結(jié)構(gòu)和赫姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)，能夠更加有效的引導(dǎo)磁力線進(jìn)入GMM棒。光電放大器6的輸出信號(hào)由直流分量和交流分量疊加而成，直流分量的大小決定于激光器入射到光柵邊帶的位置，用以確定正交工作點(diǎn)，交流分量即為解調(diào)的被測(cè)電流信號(hào)。

非線性校正系統(tǒng)主要以FPGA為核心處理單元，并通過FPGA控制A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。利用A/D數(shù)據(jù)采集模塊采集光電放大器的輸出信號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)送入FIR低通濾波模塊中，濾除噪聲干擾。由于數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理不同步，故將濾波后的數(shù)據(jù)暫存到FIFO模塊中，再通過FPGA內(nèi)部嵌入的NIOS II處理器的并行輸入輸出端讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，最后利用NIOS II中的參數(shù)可變曲線擬合的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器中，通過顯示器件顯示出來。

由于電流互感器的傳遞函數(shù)為多值函數(shù)，因此在數(shù)據(jù)校正的過程中把電流互感器的傳遞函數(shù)分為上下兩個(gè)部分進(jìn)行求取。傳遞函數(shù)上部分對(duì)應(yīng)的是信號(hào)的遞增區(qū)間，下部分對(duì)應(yīng)的也是信號(hào)的遞增區(qū)間，但凹凸特性不一致，則校正數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)公式(4)確定是上半部分曲線還是下半部分曲線。

當(dāng)已知電流互感器輸出電流對(duì)應(yīng)的FBG的峰值λ，就可以根據(jù)公式(2)，(3)得到傳遞函數(shù)的上半部分和下半部分的傳遞函數(shù)系數(shù)，再由公式(4)進(jìn)而求得任意一組數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)。當(dāng)獲取電流互感器的輸出數(shù)據(jù)y時(shí)，根據(jù)獲得的傳遞函數(shù)求取對(duì)應(yīng)的輸入電流x，實(shí)現(xiàn)相位誤差的校正。最后建立電流互感器的非線性校正數(shù)學(xué)模型，并將模型移植到FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校正處理。

參數(shù)可變曲線擬合方法實(shí)驗(yàn)：

光纖光柵電流互感器的輸入電流小于80A時(shí)，GMM材料的磁滯特性不明顯，此時(shí)無需對(duì)電流互感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相位校正。隨著被測(cè)電流的增大，相位誤差明顯增加，因此對(duì)大電流測(cè)試系統(tǒng)，建立非線性校正模型是解決FBG-GMM電流互感器相位誤差的關(guān)鍵。

當(dāng)被測(cè)電流為150A時(shí)，相位誤差如圖2所示，對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線如圖3所示，從圖3可以看出輸入與輸出呈非線性關(guān)系。利用參數(shù)可變曲線擬合算法，對(duì)曲線的上下部分分別擬合，擬合效果圖如圖4所示，可以看出通過該算法擬合的傳遞函數(shù)曲線Q與實(shí)際傳遞函數(shù)曲線P基本吻合。校正后的測(cè)量電流與實(shí)際電流如圖5所示，實(shí)線為被測(cè)電流，虛線為校正后電流互感器輸出電流，從圖5中可以看出校正后的輸出電流與輸入電流相位誤差明顯減小。校正后電流互感器的傳遞函數(shù)曲線如圖6所示，從圖6與圖3對(duì)比可以看出，校正后的電流互感器線性度較好。此校正方法減小了相位誤差。由圖5和圖2對(duì)比可知，經(jīng)過校正模型后的電流互感器相位誤差明顯減小。對(duì)于電流互感器的任意輸出，經(jīng)過移植了此算法的FPGA處理，可以大大減小電流互感器的相位誤差。具體校正過程：首先以150A的電流為例，根據(jù)獲得的被測(cè)輸出數(shù)據(jù)y_i及此時(shí)對(duì)應(yīng)的λ_i，然后根據(jù)公式(2)和(3)計(jì)算出相應(yīng)的系數(shù)，再根據(jù)公式(4)分別計(jì)算出上半部分及下半部分對(duì)應(yīng)的x_i′，x_i′即為校正后的數(shù)據(jù)，校正后的電流與實(shí)際電流如圖4所示，從圖4中可以看出校正后的輸出電流與輸入電流相位誤差明顯減小。將校正電流x_i′與此時(shí)實(shí)際輸入的電流數(shù)據(jù)x_i做傳遞函數(shù)曲線，即得到如圖5所示的傳遞函數(shù)圖。從圖5與圖2對(duì)比可以看出，校正后的電流互感器線性度較好。

當(dāng)輸入電流為150A時(shí)，如圖7所示，1通道是輸入電流信號(hào)，2通道是測(cè)量信號(hào)，從圖中可以看出電流互感器的輸入電流與測(cè)量電流有一定的相位誤差，經(jīng)計(jì)算相位誤差為3.6°。將光電放大的輸出信號(hào)經(jīng)過非線性校正系統(tǒng)處理系統(tǒng)，示波器探頭的位置不變，將示波器探頭接到FPGA處理單元的輸出端，如圖8所示，輸入a與輸出b相位差明顯減小，經(jīng)計(jì)算相位誤差減小到45′。

下面以求取傳遞函數(shù)的上半部分曲線的參數(shù)a_T為例進(jìn)行說明，參數(shù)a_iT與λ_i的數(shù)值表如表1所示：

表1

用表格中的數(shù)據(jù)擬合出a_iT與λ_i的函數(shù)關(guān)系；

同理可以求出其他參數(shù)b_T，c_T，d_T，a_B，b_B，c_B，d_B，進(jìn)而獲得傳遞函數(shù)上半部分曲線和下半部分曲線。則校正數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)公式(4)確定是上半部分曲線還是下半部分曲線。從公式(2)、(3)可以看出，已知電流互感器輸出電流y和對(duì)應(yīng)的FBG的峰峰值λ，就可以得到傳遞函數(shù)的上半部分和下半部分的傳遞函數(shù)系數(shù)，再由公式(4)進(jìn)而求得任意一組數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)。當(dāng)獲取電流互感器的輸出數(shù)據(jù)y時(shí)，根據(jù)獲得的傳遞函數(shù)求取對(duì)應(yīng)的輸入電流x，實(shí)現(xiàn)相位誤差的校正。