全光纖電流互感器光源控制

吳韜+李曉+方兵+崔新友

摘 要： 隨著智能電網建設的不斷深入，全光纖電流互感器日益成為研究重點，其穩定性問題也逐漸受到人們關注。通過研究全光纖電流互感器中的光源穩定性問題，針對影響其穩定性的溫度和驅動電流這2個主要因素設計了不同的解決方案。在溫度控制方面，提出2種溫控電路設計方案，最后根據實際需求采用數字式溫控電路。在驅動電流控制方面，基于傳統控制方案，設計了一種基于光源光功率調節驅動電流的方案，并對兩者進行了實驗論證。實驗結果表明新的方案提高了互感器光源的可靠性和穩定性。

關鍵詞： 互感器； 光源； 溫控電路； 驅動電流

中圖分類號： TN709?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，FOCT）擁有傳統電磁式電流互感器和有源型電子式電流互感器所沒有的諸多優良特性，目前已成為國際上電子式互感器產品研發的主流方向，其穩定性和可靠性問題也受到相關技術人員的重視。若想讓全光纖互感器能夠穩定且精確地測量電流，互感器系統光源必須能夠輸出穩定的光信號。

基于此，本文主要研究全光纖互感器中光源的驅動控制方式。首先概述全光纖互感器的基本結構和工作原理，分別針對影響光源光功率的兩個因素即溫度和驅動電流進行控制調節。首先對光源的數字式和模擬式溫度控制電路進行設計和對比，比較兩者優劣和取舍，再對兩種具體光源驅動方式進行論述和研究，分析其穩定性和精確度，最后分別對兩種驅動方式進行實驗，分析實驗數據，確定最佳的驅動控制方案。

1 全光纖電流互感器基本原理

全光纖電流互感器的系統結構如圖1所示。其主要由SLED光源、光纖耦合器、光纖偏振器、相位調制器、光纖延時環、[λ4]光纖波片、傳感光纖環、金屬反射膜、探測器以及電信號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制器輸入端軸向成45°熔接。

SLED光源發出的光信號經過一個光纖耦合器分光，輸出光經過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制器的軸向成45°角進入調制器，形成兩束正交偏振光，兩者相位差可由調制器進行調制，從調制器發出的光經過一個保偏光纖延時環后進入傳感環。經過[λ4]波片后，兩個正交的線偏振光分別被轉化為左旋和右旋圓偏振光進入到傳感光纖中。在電流產生的磁場作用下，由于法拉第效應圓偏振光的相位會發生變化。它們在反射膜端面處反射后，偏振模式互換再次穿過傳感光纖，導致相位差加倍，獲得的相位差[Δ?]=4NVI，其中N為傳感線圈匝數，V為光纖傳感頭維德爾常數，I為被測電流。反射的兩束光通過λ/4光纖波片后，恢復為線偏振光在光纖偏振器處發生干涉，通過干涉光的強度提取法拉第相移來達到檢測電流的目的，最終獲得光的干涉強度可表示為：[S=12LS0[1+cos（φM+Δφ）]] （1）endprint

式中：L為光路線路損耗；[S0]為光源發光效率；[φM]為調制器調制信號。電氣信號處理控制單元主要功能有探測干涉信號、解調電流信號、產生并控制調制器信號以及處理輸出信號等[2]。光源處有專門的光源控制電路，通過互連排線實時地將光源各種狀態信息傳入信號處理控制單元，并上傳至后端上位機方便監控和查看。

圖1 全光纖電流互感器系統結構圖

2 光源模塊溫度控制電路設計

SLED模塊光源對工作溫度敏感，溫度變化會引起發光功率變化和中心波長漂移，造成傳輸光信號不穩定，進而對傳感性能產生較大的影響。因此穩定控制SLED模塊的驅動電流以及管芯溫度是至關重要的[3]。

在設計相關溫度控制電路時，嘗試了2種設計方案：

（1） 第一種是數字式控制電路，其基本原理如下：采用TI的 DSP芯片作為電路的主控制單元，收集光源狀態信息并根據狀態來控制光源。利用SLED模塊內部集成的熱敏電阻作為溫度傳感器，將被控的環境溫度信號轉換為電壓信號，然后將此電壓信號與設定的目標溫度所對應電壓值進行對比，產生誤差信號，其目標溫度點可通過改變接入運放的標準電壓值來進行設置，此信號經過后續積分放大，再通過一個脈寬調制線性放大器輸出信號推動三極功率管，由此產生了一個閉環控制回路[4]，SLED模塊溫度過高時，TEC控制電路控制制冷芯片加熱，SLED模塊溫度過低時，TEC控制電路控制制冷芯片制冷，始終確保SLED模塊工作在目標溫度值下這個過程是不間斷地進行著，此即為TEC部分的閉環控制模塊，具體電路如圖2所示。TEC控制電路產生的制冷電流控制信號IN+l由二極管電路進行保護，防止制冷/加熱電流過大損害制冷芯片。制冷電流控制信號IN+l經TI的DRV系列驅動芯片轉化為電流對制冷芯片進行驅動。該方案的優勢在于能夠實時上傳光源狀態信息，方便后續對光源進行相應的控制。

圖2 TEC閉環控制電路

（2） 另一種設計方案為模擬式電路。相對于數字式而言，主要的區別在于沒有數字芯片作為主控制單元，恒定的驅動電流源也不再是由DSP芯片提供，而是交由標準電源芯片提供。另外不再采用TEC的閉環控制電路，而是將熱敏電阻轉換電壓值經放大轉換后直接與SLED模塊的TEC管腳相連，省略了閉環反饋控制部分，做到了直接溫度調控。這樣做的好處是減少了回環過程中相關信號的時延，減少了溫度反饋的滯后時間，從而能夠實時控制光源光信號，使其保持穩定。但模擬式方案的缺陷在于沒有主控制部分收集相關狀態數據，因此該電路不能實時監測并上傳光源信號的狀態，從而不能及時排查系統運行過程中可能出現的問題。基于這些方面的考量，本系統最終選擇數字式光源控制電路。

3 光源模塊驅動電流控制

由激光二極管相關發光原理可知，在驅動電流和溫度變化時，SLED的輸出功率會發生變化。溫控部分電路解決后，就需要控制光源驅動電流值。由光源技術手冊可知，在恒溫狀態下，驅動電流的改變會影響到光功率從而影響后續的測量。

在數字式光源溫度控制電路的基礎上，開始采用傳統“恒流源?溫控”方案，即給光源一個恒定驅動電流，其值大小由DSP自帶D/A模塊設定，本系統在DSP程序中設置值為100，即能得到100 mA的工作電流。這樣便能夠保證光源恒流驅動，溫度控制則交由前面章節所述的溫控反饋調節電路來進行調控。

該方案將易于控制的驅動電流保持恒定，將多變難以穩定溫度通過相關控制電路進行動態調控，從而保證光功率維持不變。在隨后進行的相關實驗中，發現此方案的確在一定程度上保證了光源的穩定性[3，5]。但之后在試驗中模擬環境溫度突變的極端環境時，發現SLED光源光功率恢復穩定的時間過長。后續進行對比實驗后發現主要原因是集成的熱敏電阻測得溫度變化后，后面的反饋調節光源溫度過程存在滯后效應，不能很快地將光源結溫調回去，從而對互感器的快速校正有很大影響[6?7]。由光源技術手冊中光功率和驅動電流曲線關系可知，當驅動電流超過20 mA后，其與SLED光功率呈線性關系。因而后面在傳統方案基礎上，又重新構思了另外一種方案，即不管環境溫度變化，根據光源光功率值變化情況，通過實時控制調節DSP程序中設定的驅動電流值來促使光功率回歸穩定。由于光源光功率無法通過電路元器件實時測量，因此在光源控制電路中設計了一個光電采集模塊，通過在電路中放置一個光電探測器將不易測量的光源光功率值轉換成可被監測的電壓值，將模擬電壓值傳入DSP自帶A/D模塊中，即可根據對比傳入的電壓值與標準光功率下的電壓值變化來調節程序中的驅動電流值。

根據光電探測器技術手冊，其響應度1.01 mA/mW，即采集電流I=1.01P，P為光源光功率。采集電流經后面的積分運放放大，得到輸出電壓V=20 000 I。當V的值相對發生變化時即可認為光功率在改變，DSP收到采集電壓值之后與標準電壓值比對，若變化則在程序中對設定驅動電流值進行微調，直到采集電壓值趨近標準值為止。這種方案較傳統方案而言，最大限度避免了溫度調節的滯后效應，通過改變驅動電流值來保持光電探測器的電壓值不變，從而確保SLED光功率盡快回穩，不再依賴于光源模塊溫度的穩定，加強了互感器系統的穩定性。

4 實驗測試

對于上一節所述2種方案來說，其主要差別在于DSP中的控制程序有所不同，因而在實驗時先對舊程序的系統進行測試，再將修改后的程序燒錄，進行試驗。

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

圖3 測試平臺原理圖

互感器測得的電流值轉換為以光為載體的數字量傳輸到合并單元中，進行通信協議轉換后發送給標準互感器校驗儀中的校驗程序。同時，標準電流互感器測量的電流值經過校驗儀中的采集卡轉化后發送給校驗程序。函數發生器每1 s發生1次脈沖，同時刻分別對全光纖互感器與標準電流互感器采樣多個點計算的有效值進行比對，從而校驗全光纖電流互感器所測電流的幅值與相位的誤差。其中傳感器的測量數據率為10 000次/s，經合并單元從采樣為4 000次/s后發送給校驗儀。測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量值；[Iref]為標準電流互感器測量的參考值；[kFOCS]為全光纖電流互感器的變比（等效比例系數）；[kref]標準電流互感器的變比。

相位差表述為：

[φ=φFOCS-φref] （3）

式中：[φFOCS]是[IFOCS]值的相位值；[φref]是同[Iref]一個時刻的相位值[8?9]。

本次測試也是基于此平臺，但考慮文章所述范圍，這次主要針對溫度特性，即模擬溫度變化環境，分別針對2種方案進行測量，比較二者精度情況。因此需要將光源控制部分放入可調控的溫、濕度環境控制室內對其進行大溫度范圍性能測試，根據國標規定，環境控制室溫度設定范圍為-40～70 ℃，互感器系統其他部分則保持常溫不變。 實驗過程如下：先從室內常溫逐步升溫到70 ℃，再將溫度降回室溫，然后將溫度從室溫降至-40 ℃，在校驗儀上每秒采樣1個記錄點，記錄實時比差變化。2種方案比差變化對比如圖4所示。在圖4中，橫坐標為記錄的點數，圖表分別為改進前后的比差和對應的環境溫度變化。通過對比2種方案的比差變化，可以明顯發現，兩者測量采樣相同數目的點，相對傳統控制方案而言，改進后的方案采集點更加集中，比差變化幅度更小，曲線更加平穩，并且所有測量點比差均滿足國標0.2 s的精度要求[10]，證明該方案對光源穩定性的控制更好，更有利于互感器系統的可靠性。

圖4 兩種方案比差變化對比圖

5 結 語

本文通過對全光纖電流互感器的光源模塊控制進行研究，針對影響光功率穩定的兩個因素，分別探討并設計了光源溫度反饋調節電路和光源驅動電流反饋調節方案，對不同方案進行比對選擇，通過實驗來判別方案的優劣。實驗結果表明，通過實時調節驅動電流來穩定光源光功率的方案精度更高且穩定性更好。最后，確定了最終光源控制方案，采用數字式溫度調節電路，利用動態調節驅動電流保持光源穩定。

參考文獻

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