全光纖電流互感器光源控制

吳韜+李曉+方兵+崔新友

摘 要： 隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，全光纖電流互感器日益成為研究重點(diǎn)，其穩(wěn)定性問(wèn)題也逐漸受到人們關(guān)注。通過(guò)研究全光纖電流互感器中的光源穩(wěn)定性問(wèn)題，針對(duì)影響其穩(wěn)定性的溫度和驅(qū)動(dòng)電流這2個(gè)主要因素設(shè)計(jì)了不同的解決方案。在溫度控制方面，提出2種溫控電路設(shè)計(jì)方案，最后根據(jù)實(shí)際需求采用數(shù)字式溫控電路。在驅(qū)動(dòng)電流控制方面，基于傳統(tǒng)控制方案，設(shè)計(jì)了一種基于光源光功率調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的方案，并對(duì)兩者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新的方案提高了互感器光源的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 互感器； 光源； 溫控電路； 驅(qū)動(dòng)電流

中圖分類號(hào)： TN709?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）20?0142?04

Light source control of fiber?optical current transducer

WU Tao1， LI Xiao2， FANG Bing2， CUI Xinyou2

（1. Wuhan Research Institute of Post &Telecommunications， Wuhan 430074， China；2. Wuhan FiberHome FuHua Electric Power Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China）

Abstract： With the deepening development of the smart electric grid construction， fiber?optical current transducer （FOCT） has become the research focus， and its stability has been concerned gradually. The light source stability of FOCT is studied emphatically in this article. The different solutions were designed according to the two main factors of temperature and drive current affecting on the stability. In the aspect of temperature control， two design schemes of temperature control circuit are put forward. Finally， the digital temperature control circuit was adopted according to the actual demands. In the aspect of drive current control， based on the traditional scheme， the scheme of adjusting the drive current according to light source and light power was designed. The two schemes were verified in experiments. The experimental results show that the new scheme can improve the light source reliability and stability of the transducer.

Keywords： transducer； light source； temperature control circuit； drive current

全光纖電流互感器（Fiber Optical Current Transducer，F(xiàn)OCT）擁有傳統(tǒng)電磁式電流互感器和有源型電子式電流互感器所沒(méi)有的諸多優(yōu)良特性，目前已成為國(guó)際上電子式互感器產(chǎn)品研發(fā)的主流方向，其穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題也受到相關(guān)技術(shù)人員的重視。若想讓全光纖互感器能夠穩(wěn)定且精確地測(cè)量電流，互感器系統(tǒng)光源必須能夠輸出穩(wěn)定的光信號(hào)。

基于此，本文主要研究全光纖互感器中光源的驅(qū)動(dòng)控制方式。首先概述全光纖互感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分別針對(duì)影響光源光功率的兩個(gè)因素即溫度和驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。首先對(duì)光源的數(shù)字式和模擬式溫度控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和對(duì)比，比較兩者優(yōu)劣和取舍，再對(duì)兩種具體光源驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行論述和研究，分析其穩(wěn)定性和精確度，最后分別對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定最佳的驅(qū)動(dòng)控制方案。

1 全光纖電流互感器基本原理

全光纖電流互感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由SLED光源、光纖耦合器、光纖偏振器、相位調(diào)制器、光纖延時(shí)環(huán)、[λ4]光纖波片、傳感光纖環(huán)、金屬反射膜、探測(cè)器以及電信號(hào)處理與控制單元組成[1]。其中光纖偏振器的輸出端與相位調(diào)制器輸入端軸向成45°熔接。

SLED光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖耦合器分光，輸出光經(jīng)過(guò)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(jìn)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(jìn)行調(diào)制，從調(diào)制器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)保偏光纖延時(shí)環(huán)后進(jìn)入傳感環(huán)。經(jīng)過(guò)[λ4]波片后，兩個(gè)正交的線偏振光分別被轉(zhuǎn)化為左旋和右旋圓偏振光進(jìn)入到傳感光纖中。在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，由于法拉第效應(yīng)圓偏振光的相位會(huì)發(fā)生變化。它們?cè)诜瓷淠ざ嗣嫣幏瓷浜?，偏振模式互換再次穿過(guò)傳感光纖，導(dǎo)致相位差加倍，獲得的相位差[Δ?]=4NVI，其中N為傳感線圈匝數(shù)，V為光纖傳感頭維德?tīng)柍?shù)，I為被測(cè)電流。反射的兩束光通過(guò)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(guò)干涉光的強(qiáng)度提取法拉第相移來(lái)達(dá)到檢測(cè)電流的目的，最終獲得光的干涉強(qiáng)度可表示為：[S=12LS0[1+cos（φM+Δφ）]] （1）endprint

式中：L為光路線路損耗；[S0]為光源發(fā)光效率；[φM]為調(diào)制器調(diào)制信號(hào)。電氣信號(hào)處理控制單元主要功能有探測(cè)干涉信號(hào)、解調(diào)電流信號(hào)、產(chǎn)生并控制調(diào)制器信號(hào)以及處理輸出信號(hào)等[2]。光源處有專門的光源控制電路，通過(guò)互連排線實(shí)時(shí)地將光源各種狀態(tài)信息傳入信號(hào)處理控制單元，并上傳至后端上位機(jī)方便監(jiān)控和查看。

圖1 全光纖電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 光源模塊溫度控制電路設(shè)計(jì)

SLED模塊光源對(duì)工作溫度敏感，溫度變化會(huì)引起發(fā)光功率變化和中心波長(zhǎng)漂移，造成傳輸光信號(hào)不穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)傳感性能產(chǎn)生較大的影響。因此穩(wěn)定控制SLED模塊的驅(qū)動(dòng)電流以及管芯溫度是至關(guān)重要的[3]。

在設(shè)計(jì)相關(guān)溫度控制電路時(shí)，嘗試了2種設(shè)計(jì)方案：

（1） 第一種是數(shù)字式控制電路，其基本原理如下：采用TI的 DSP芯片作為電路的主控制單元，收集光源狀態(tài)信息并根據(jù)狀態(tài)來(lái)控制光源。利用SLED模塊內(nèi)部集成的熱敏電阻作為溫度傳感器，將被控的環(huán)境溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后將此電壓信號(hào)與設(shè)定的目標(biāo)溫度所對(duì)應(yīng)電壓值進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生誤差信號(hào)，其目標(biāo)溫度點(diǎn)可通過(guò)改變接入運(yùn)放的標(biāo)準(zhǔn)電壓值來(lái)進(jìn)行設(shè)置，此信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)積分放大，再通過(guò)一個(gè)脈寬調(diào)制線性放大器輸出信號(hào)推動(dòng)三極功率管，由此產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)控制回路[4]，SLED模塊溫度過(guò)高時(shí)，TEC控制電路控制制冷芯片加熱，SLED模塊溫度過(guò)低時(shí)，TEC控制電路控制制冷芯片制冷，始終確保SLED模塊工作在目標(biāo)溫度值下這個(gè)過(guò)程是不間斷地進(jìn)行著，此即為TEC部分的閉環(huán)控制模塊，具體電路如圖2所示。TEC控制電路產(chǎn)生的制冷電流控制信號(hào)IN+l由二極管電路進(jìn)行保護(hù)，防止制冷/加熱電流過(guò)大損害制冷芯片。制冷電流控制信號(hào)IN+l經(jīng)TI的DRV系列驅(qū)動(dòng)芯片轉(zhuǎn)化為電流對(duì)制冷芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該方案的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崟r(shí)上傳光源狀態(tài)信息，方便后續(xù)對(duì)光源進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖2 TEC閉環(huán)控制電路

（2） 另一種設(shè)計(jì)方案為模擬式電路。相對(duì)于數(shù)字式而言，主要的區(qū)別在于沒(méi)有數(shù)字芯片作為主控制單元，恒定的驅(qū)動(dòng)電流源也不再是由DSP芯片提供，而是交由標(biāo)準(zhǔn)電源芯片提供。另外不再采用TEC的閉環(huán)控制電路，而是將熱敏電阻轉(zhuǎn)換電壓值經(jīng)放大轉(zhuǎn)換后直接與SLED模塊的TEC管腳相連，省略了閉環(huán)反饋控制部分，做到了直接溫度調(diào)控。這樣做的好處是減少了回環(huán)過(guò)程中相關(guān)信號(hào)的時(shí)延，減少了溫度反饋的滯后時(shí)間，從而能夠?qū)崟r(shí)控制光源光信號(hào)，使其保持穩(wěn)定。但模擬式方案的缺陷在于沒(méi)有主控制部分收集相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此該電路不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳光源信號(hào)的狀態(tài)，從而不能及時(shí)排查系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題?；谶@些方面的考量，本系統(tǒng)最終選擇數(shù)字式光源控制電路。

3 光源模塊驅(qū)動(dòng)電流控制

由激光二極管相關(guān)發(fā)光原理可知，在驅(qū)動(dòng)電流和溫度變化時(shí)，SLED的輸出功率會(huì)發(fā)生變化。溫控部分電路解決后，就需要控制光源驅(qū)動(dòng)電流值。由光源技術(shù)手冊(cè)可知，在恒溫狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電流的改變會(huì)影響到光功率從而影響后續(xù)的測(cè)量。

在數(shù)字式光源溫度控制電路的基礎(chǔ)上，開(kāi)始采用傳統(tǒng)“恒流源?溫控”方案，即給光源一個(gè)恒定驅(qū)動(dòng)電流，其值大小由DSP自帶D/A模塊設(shè)定，本系統(tǒng)在DSP程序中設(shè)置值為100，即能得到100 mA的工作電流。這樣便能夠保證光源恒流驅(qū)動(dòng)，溫度控制則交由前面章節(jié)所述的溫控反饋調(diào)節(jié)電路來(lái)進(jìn)行調(diào)控。

該方案將易于控制的驅(qū)動(dòng)電流保持恒定，將多變難以穩(wěn)定溫度通過(guò)相關(guān)控制電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而保證光功率維持不變。在隨后進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)此方案的確在一定程度上保證了光源的穩(wěn)定性[3，5]。但之后在試驗(yàn)中模擬環(huán)境溫度突變的極端環(huán)境時(shí)，發(fā)現(xiàn)SLED光源光功率恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。后續(xù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)主要原因是集成的熱敏電阻測(cè)得溫度變化后，后面的反饋調(diào)節(jié)光源溫度過(guò)程存在滯后效應(yīng)，不能很快地將光源結(jié)溫調(diào)回去，從而對(duì)互感器的快速校正有很大影響[6?7]。由光源技術(shù)手冊(cè)中光功率和驅(qū)動(dòng)電流曲線關(guān)系可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)20 mA后，其與SLED光功率呈線性關(guān)系。因而后面在傳統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，又重新構(gòu)思了另外一種方案，即不管環(huán)境溫度變化，根據(jù)光源光功率值變化情況，通過(guò)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)DSP程序中設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電流值來(lái)促使光功率回歸穩(wěn)定。由于光源光功率無(wú)法通過(guò)電路元器件實(shí)時(shí)測(cè)量，因此在光源控制電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)光電采集模塊，通過(guò)在電路中放置一個(gè)光電探測(cè)器將不易測(cè)量的光源光功率值轉(zhuǎn)換成可被監(jiān)測(cè)的電壓值，將模擬電壓值傳入DSP自帶A/D模塊中，即可根據(jù)對(duì)比傳入的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)光功率下的電壓值變化來(lái)調(diào)節(jié)程序中的驅(qū)動(dòng)電流值。

根據(jù)光電探測(cè)器技術(shù)手冊(cè)，其響應(yīng)度1.01 mA/mW，即采集電流I=1.01P，P為光源光功率。采集電流經(jīng)后面的積分運(yùn)放放大，得到輸出電壓V=20 000 I。當(dāng)V的值相對(duì)發(fā)生變化時(shí)即可認(rèn)為光功率在改變，DSP收到采集電壓值之后與標(biāo)準(zhǔn)電壓值比對(duì)，若變化則在程序中對(duì)設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流值進(jìn)行微調(diào)，直到采集電壓值趨近標(biāo)準(zhǔn)值為止。這種方案較傳統(tǒng)方案而言，最大限度避免了溫度調(diào)節(jié)的滯后效應(yīng)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電流值來(lái)保持光電探測(cè)器的電壓值不變，從而確保SLED光功率盡快回穩(wěn)，不再依賴于光源模塊溫度的穩(wěn)定，加強(qiáng)了互感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)于上一節(jié)所述2種方案來(lái)說(shuō)，其主要差別在于DSP中的控制程序有所不同，因而在實(shí)驗(yàn)時(shí)先對(duì)舊程序的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，再將修改后的程序燒錄，進(jìn)行試驗(yàn)。

針對(duì)全光纖電流互感器本身的精度、線性度、溫度性能的測(cè)試平臺(tái)的基本原理如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)原理圖

互感器測(cè)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校M(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)互感器校驗(yàn)儀中的校驗(yàn)程序。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電流互感器測(cè)量的電流值經(jīng)過(guò)校驗(yàn)儀中的采集卡轉(zhuǎn)化后發(fā)送給校驗(yàn)程序。函數(shù)發(fā)生器每1 s發(fā)生1次脈沖，同時(shí)刻分別對(duì)全光纖互感器與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器采樣多個(gè)點(diǎn)計(jì)算的有效值進(jìn)行比對(duì)，從而校驗(yàn)全光纖電流互感器所測(cè)電流的幅值與相位的誤差。其中傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)率為10 000次/s，經(jīng)合并單元從采樣為4 000次/s后發(fā)送給校驗(yàn)儀。測(cè)量幅度的誤差定義為比差，描述為：

[ε（%）=kFOCSIFOCS-krefIrefkrefIref×100] （2）

式中：[IFOCS]為全光纖電流互感器的測(cè)量值；[Iref]為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器測(cè)量的參考值；[kFOCS]為全光纖電流互感器的變比（等效比例系數(shù)）；[kref]標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的變比。

相位差表述為：

[φ=φFOCS-φref] （3）

式中：[φFOCS]是[IFOCS]值的相位值；[φref]是同[Iref]一個(gè)時(shí)刻的相位值[8?9]。

本次測(cè)試也是基于此平臺(tái)，但考慮文章所述范圍，這次主要針對(duì)溫度特性，即模擬溫度變化環(huán)境，分別針對(duì)2種方案進(jìn)行測(cè)量，比較二者精度情況。因此需要將光源控制部分放入可調(diào)控的溫、濕度環(huán)境控制室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行大溫度范圍性能測(cè)試，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，環(huán)境控制室溫度設(shè)定范圍為-40～70 ℃，互感器系統(tǒng)其他部分則保持常溫不變。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：先從室內(nèi)常溫逐步升溫到70 ℃，再將溫度降回室溫，然后將溫度從室溫降至-40 ℃，在校驗(yàn)儀上每秒采樣1個(gè)記錄點(diǎn)，記錄實(shí)時(shí)比差變化。2種方案比差變化對(duì)比如圖4所示。在圖4中，橫坐標(biāo)為記錄的點(diǎn)數(shù)，圖表分別為改進(jìn)前后的比差和對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度變化。通過(guò)對(duì)比2種方案的比差變化，可以明顯發(fā)現(xiàn)，兩者測(cè)量采樣相同數(shù)目的點(diǎn)，相對(duì)傳統(tǒng)控制方案而言，改進(jìn)后的方案采集點(diǎn)更加集中，比差變化幅度更小，曲線更加平穩(wěn)，并且所有測(cè)量點(diǎn)比差均滿足國(guó)標(biāo)0.2 s的精度要求[10]，證明該方案對(duì)光源穩(wěn)定性的控制更好，更有利于互感器系統(tǒng)的可靠性。

圖4 兩種方案比差變化對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)全光纖電流互感器的光源模塊控制進(jìn)行研究，針對(duì)影響光功率穩(wěn)定的兩個(gè)因素，分別探討并設(shè)計(jì)了光源溫度反饋調(diào)節(jié)電路和光源驅(qū)動(dòng)電流反饋調(diào)節(jié)方案，對(duì)不同方案進(jìn)行比對(duì)選擇，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)判別方案的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流來(lái)穩(wěn)定光源光功率的方案精度更高且穩(wěn)定性更好。最后，確定了最終光源控制方案，采用數(shù)字式溫度調(diào)節(jié)電路，利用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流保持光源穩(wěn)定。

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