基于LabView的光纖電流互感器一體化測試系統設計

劉憲爽,肖文波,吳華明 ,肖永生,黃麗貞

(1.江西省光電檢測技術工程實驗室、南昌航空大學測試與光電工程學院，南昌 330063;2.南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063)

基于LabView的光纖電流互感器一體化測試系統設計

劉憲爽1,肖文波1,吳華明1,肖永生2,黃麗貞2

(1.江西省光電檢測技術工程實驗室、南昌航空大學測試與光電工程學院，南昌 330063;2.南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063)

光纖電流互感器日益成為電力系統中最重要的設備，在實用化研究中，光纖電流互感器的檢測精度是重要的指標之一，而被測電流的諧波和光纖電流互感器內部的噪聲往往影響其測量的準確性;因此對光纖電流互感器諧波的檢測以及對其解調算法實用性的驗證非常重要;為進一步的諧波治理提供依據及驗證解調算法能否有效運用問題，在詳細分析現有的諧波檢測理論和兩種解調算法原理的基礎上，設計了一種基于虛擬儀器LabView的光纖電流互感器諧波檢測及解調算法測試一體化系統，在快速檢測電流各次諧波電平的同時解調出被測電流的信息并對比驗證兩種解調算法的可行性與優越性，驗證結果表明第二種解調算法的精度明顯優越于第一種解調算法，更能適用于光纖電流互感器的信號解調。

光纖電流互感器; 諧波檢測; 解調算法驗證; 一體化系統; 虛擬儀器

0 引言

光纖電流互感器(fiber-optical current transformer，FOCT)因其結構簡單、絕緣性能好、無鐵磁飽和、動態范圍廣等優點，正逐步取代傳統電磁式電流互感器，成為電器設備行業設計的主流。光纖電流互感器在結構和材料滿足最佳的條件下其性能的優劣程度主要取決于其解調算法的優越性與實用性。因FOCT的被測電流信號在50Hz及10次以下諧波的離散頻率點，諧波會引起FOCT在測量暫態電流時發生比較大的畸變，且諧波含量的大小直接影響供電、用電系統設備的安全[1]。因此對FOCT被測電流信號諧波的檢測具有非常重要的意義。目前，國內對光纖電流互感器的研究大多是對其光路結構和光學材料的改進，缺乏對解調算法的研究與驗證[2]。到目前為止，據我們所知諧波檢測與解調算法測試的一體化系統很少見諸報道。據此，本文基于LabView開發平臺，設計了一套光纖電流互感器諧波檢測與解調算法測試的一體化平臺，在驗證對比兩種光纖電流互感器新型解調算法的可行性與優越性的同時對其被測電流的諧波進行檢測，為進一步的諧波治理以及解調算法的實際應用提供依據。

1 FOCT解調算法與諧波檢測原理

1.1 FOCT基本原理

圖1為基于Sagnic反射式全光纖電流互感器原理圖。其中，光電探測器接收到的信號經過信號調理之后輸入到信號處理單元，經解調、數字控制之后加到相位調制器解調，使之產生與電流導致的Faraday相移大小相等、方向相反的反饋補償相移，通過測量該反饋補償相移的大小，就可以獲取FOCT被測電流的信息[3]。

圖1 基于Sagnic反射式全光纖電流互感器系統結構圖

圖1中光電探測器輸出的信號I為：

I=KI0[1+cos(Φs)]

(1)

其中:I0是初始光強，Φs是相移。

當帶有被測電流信息的光信號經過光電探測器轉換成電信號時，由于信號遠小于光電探測器內部噪聲，故很容易淹沒在噪聲中，所以需要解調算法進行信號提取[4]。

1.2 解調算法原理

假設調制頻率為fm，則由相位調制器引起的相位差為：

ΔΦm(t)=a*cos(2πfmt)

(2)

其中:a為調制深度。

那么式(1)可以寫為:

I=KI0{1+cos[Φs+ΔΦm(t)]}

(3)

由被測電流引起的相干光的相位差為：

Φs=Asin(2πfct)

(4)

式中，fc為被測電流的頻率。

將式(4)代入式(3)有：

I=KI0{1+cos[Asin(2πfct)+a*cos(2πfmt)]}

(5)

對上式進行分解，然后按照第一類Bessel函數展開，可以得到：

I=KI0{1+cosΦs[J0(a)-2J2(a)cos(4πfmt)+

2J4(a)cos(8πfmt)-…]-sinΦs[2J1(a)cos(2πfmt)-

2J3(a)cos(6πfmt)+…]}

(6)

式中，Jn(x)為n階第一類Bessel函數。

上式可表示為調制信號多次諧波的疊加，若測量出基波信號的幅值V1，則根據：

V1=-2KI0J1(a)sinΦs

(7)

即可計算出Φs，而Φs反映的就是當前被測電流的值。進而從上式可得：

(8)

顯然，上式結果與光強I0和調制深度a有關，而干涉光強和調制深度均隨外界環境的變化而緩慢變化，導致測量的誤差比較大。

以上算法，我們把它稱之為第一種解調算法。

文獻[5]提出的算法消除了干涉光強和調制深度對測量結果的影響。

對被測電流信號中的基波、二次諧波和四次諧波的進行處理，即：

V1=-2KI0J1(a)sinΦs

V2=-2KI0J2(a)cosΦs

V4=2KI0J4(a)cosΦs

(9)

對上式進行相除運算有：

(10)

從而可得被測電流引起的相位差Φs：

(11)

又因Φs=4VNI(V是韋德爾常數，N是光纖電流匝數，I是被測電流)，這樣就可以得到被測電流I。

我們將這種算法稱之為第二種解調算法。

惡性病變共有10例，主要分布在胸部與腹部，CT檢查顯示病灶區域密度不均勻，有點狀鈣化病灶存在，病變周圍組織出現受壓，增強掃描檢查顯示病灶區域有不均勻強化。MRI檢查顯示頸部為T1WI、T2WI高信號，增強掃描不存在強化。

1.3 諧波檢測原理

LabView提供了很多FFT快速諧波檢測的函數，但簡單利用FFT進行諧波分析時存在頻譜泄露和柵欄效應現象，檢測的準確度不高[6]。針對FFT算法的不足，國內外學者提出了將矩形窗、Hanning窗、Blackman-Harris窗、Nuttall窗等運用到FFT諧波分析中，這些算法的共同處理方法是使窗函數旁瓣幅值盡可能小且衰減速度盡可能快，但是這些算法在提高諧波分析精度的同時也增加了算法的復雜度。另外，信號的動態分析效果也會受到窗函數固定性能的制約。本文的一體化測試系統設計了一組可調的窗函數，可以充分對比所加各種窗函數的諧波檢測精度，根據信號的性質，靈活的選擇窗函數。

2 一體化測試系統設計

根據以上原理，我們設計了基于LabView的一體化測試系統，該系統由3個模塊組成，即仿真信號設置模塊、諧波檢測模塊和解調測試模塊。

2.1 仿真信號設置模塊

該模塊主要作用是模擬光纖電流互感器的輸出信號，其中，諧波檢測模塊仿真的輸出信號由被測電流基波及10次以下諧波和白噪聲疊加而成，其中噪聲可以設置為Uniform、Gaussian、Periodic和inverse f等類型。因FOCT輸出數據中包含了探測器散粒噪聲、光源相對強度噪聲、電路噪聲和環境噪聲，這些噪聲是時變的，相互耦合且沒有準確的統計特性[7]。故簡單的疊加白噪聲信號不能嚴格的驗證解調算法的有效性，本文根據FOCT實際工作的噪聲特性編寫了功率譜密度函數不平坦的有色噪聲子程序，再疊加基波及10次以下諧波和白噪聲，組成解調測試模塊FOCT的仿真信號，從中解調出被測電流的幅值和相位信息。

2.2 諧波檢測模塊

該模塊我們可以設置窗函數的類型，包括矩形窗、Hanning窗、Kaiser窗、高斯窗、Blackman窗、4階B-Harris窗等。通過對比來分析每種窗函數下的諧波檢測精度。圖2為該模塊對應的前面板。

圖2 諧波檢測模塊前面板

該模塊主要完成諧波失真分析，包括測定基波和所有諧波的幅值電平，返回基波頻率以及總的諧波失真度(THD)。我們可以在該前面板中觀察FFT變換后的頻譜、檢測的信號波形、檢測的信號頻譜以及諧波失真度和諧波含有率等信息。

(12)

式中，U1為基波電壓有效值，U2，U3，…，Un為各次諧波分量的電壓有效值。程序中還通過下式可求出了各次諧波電壓含有率(HRUn):

(13)

式中，U1為基波電壓有效值，，Un為第n次諧波電壓有效值。

2.3 解調測試模塊

在圖2的前面板中點擊“解調測試”選項，就可以對“傳感光纖匝數N”、“線圈匝數H”和“韋德爾常數V”等常用參數進行設定，通過對這幾個參數的設定和調整，我們可以得出最佳的測試效果。

通過該模塊我們驗證對比上述兩種解調算法的有效性和準確度。下面將對這兩種解調算法的設計思路簡要說明如下。

首先對仿真信號進行FFT變換，提取變換后的一、二、三、四諧波進行比值運算處理，然后將所有運算結果存儲到Excel中。第一種解調算法通過設置常用參數的值和評估J2/J1的值，經過數學運算得到被測信號基波的幅值和相位；第二種解調算法利用程序調用存放在Excel表格上的數據進行處理，再根據預設的子數組(常數值、閾值)進行方程運算得出調制深度，然后再根據返回的調制深度和J2/J1的值進行貝塞爾函數展開，再作數學運算處理，這樣就得到被測電流基波的幅值和相位。另外，存放在EXCEL中的數據也可用于測試數據的紀錄和回放。

第二種解調算法程序數學運算過程如下：

Φs=4NVI

通過以上兩式得到被測電流I：

式中，N代表光纖匝數；V代表韋德爾常數；Φs為被測電流引起的相干光的相位差；V1和V2分別代表基波和二次諧波的幅值；J1(a)和J2(a)分別為第一階貝塞爾函數和第二階貝塞爾函數。

3 仿真結果分析

根據FOCT測量的電流信息，考慮到第10次諧波。本文設置的仿真信號如表1所示。

表1 仿真信號的基波和諧波成分

根據采樣定理，通過前面板將采樣頻率設為1 000 Hz，采樣點數為500點。

3.1 諧波檢測結果分析

對于諧波檢測模塊，選擇3種不同的窗函數(矩形窗、Hanning窗、Blackman窗和Kaiser窗)，得到各次諧波電平的測量結果如表2所示。

表2 不同窗函數下諧波檢測結果對比

表2中，An(n=0,2,…,10)，代表各次諧波幅值，f0表示基波頻率。由表2中的數據可知，基于Kaiser窗的FFT算法檢測精度更高，這說明相比與矩形窗、Hanning窗和Blackman窗，Kaiser窗更能抑制頻譜泄露。因此本文對仿真信號選擇加Kaiser窗的FFT算法對光纖電流互感器進行諧波檢測。

噪聲存在時，信號諧波分量間泄露量會發生變化，影響信號諧波參數估計的準確性[8]。本文對在高斯白噪聲和均勻白噪聲兩種噪聲類型的影響下的諧波參數進行仿真實驗。兩種噪聲影響下的基波幅值的相對誤差分布曲線如圖3所示。

圖3 兩種噪聲類型影響下基波幅值相對誤差

由圖3可知，兩種類型的白噪聲影響下的基波幅值相對誤差都隨著噪聲強度的增大而增大。我們由此得出的結論是噪聲的強度對光纖電流互感器的諧波檢測的參數影響很大，所以在諧波檢測時必須要考慮到噪聲的影響。

下面對本系統檢測的各次諧波電平進行分析。將噪聲設置為均勻白噪聲，幅值為5.5。對各次諧波取10次計算結果進行分析，得到各次諧波電平相對誤差如圖4所示。

圖4 各次諧波的相對誤差

從圖4中可以看出，各次諧波10次相對誤差計算結果的最大值在20%以內，平均值在10%以內，表明本文設計的諧波檢測算法在噪聲的影響下能快速檢測到各次諧波電平且準確度也能滿足光纖電流互感器諧波檢測的要求。

3.2 解調算法測試結果分析

通過多次試驗，將傳感光纖匝數N、線圈匝數H和韋德爾常數V分別設置為10、180和0.105時可達到最佳測試效果。第一種解調算法J2/J1的結果設定為0.02。取10次計算結果，解調出的基波電流幅值和相位角分別如表3和表4所示。

表3 兩種解調算法解調出電流幅值10次結果

從表3中的數據可知，第一種解調算法測量的電流值的10次結果相對誤差的平均值為3.47%；第二種解調算法測量的電流值的10次結果相對誤差的平均值為1.14%。因此可以得出結論，第二種解調算法解調出的電流值的準確度要明顯優于第一種解調算法。

表4 兩種解調算法解調出電流相位角10次結果

從表4中的數據可知，第一種解調算法測量的相位角10次結果相對誤差的平均值為7.74%；第二種解調算法測量的相位角10次結果相對誤差的平均值為2.53%。所以，第二種解調算法解調出的相位角的準確度要明顯優于第一種解調算法。

由此我們可以得出結論：第二種解調算法的性能要優于第一種解調算法。因為第二種解調算法消除了光強I0和調制深度a的影響，因此解調算法精度更高，這與理論推導相符。

4 結論

本文詳細介紹了反射式全光纖電流互感器的基本原理、兩種解調算法的原理和諧波檢測方法。通過基于LabView的平臺，設計了基于LabView的FOCT的諧波檢測及驗證兩種解調算法有效性的一體化測試系統。通過對結果分析，我們可知，該系統能夠在同一個電流情況下進行諧波檢測以及對兩種解調算法進行對比驗證，并將有關數據自動存入Excel表格。通過本文設計的諧波檢測方法，可以較快速較準確的獲得FOCT被測電流信號各次諧波的幅值、基頻、諧波失真度以及諧波含有率等信息，為進一步的諧波治理提供了理論依據。通過對兩種解調算法的比較，能夠驗證第一種解調算法受干涉光強和調制深度影響較大，故其解調的電流幅值和相位角的相對誤差比較大；而第二種解調算法可以有效消除干涉光強和調制深度對測量結果的影響，其準確度與可靠性明顯提高。本文的測試系統為FOCT的測量精度提供了參考方案。

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Design of Integrated Testing System for Optical Fiber Current Transformer Based on LabView

Liu Xianshuang1, Xiao Wenbo1, Wu Huaming1，Xiao Yongsheng2, Huang Lizhen2

(1.Jiangxi Engineering Laboratory for Optoelectronics Testing Technology, School of Measuring and Optical Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063，China; 2.School of Information Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063，China)

Optical fiber current transformer has become one of the most important equipment in power system, in the practical research, the detection accuracy of optical fiber current transformer is one of the important indexes, and the accuracy of the measured noise and internal harmonic optical fiber current transformer current often affecting the measurement. So it is very important to detect the harmonic of the optical fiber current transformer and to verify the practicability of the demodulation algorithm. Based on the detailed analysis of the existing harmonic detection theory and two kinds of demodulation algorithm, we design a detection and demodulation algorithm of optical fiber current transformer harmonic test system based on LabView integration, in the rapid detection of harmonic current and harmonic distortion level at the same time the demodulated information and comparing the measured current to verify the feasibility and superiority of two demodulation algorithm, the verification results show that the second kinds of demodulation algorithm accuracy is superior to the first demodulation algorithm, more suitable for signal demodulation of fiber optic current transformer.

fiber-optical current transformer; LabView; demodulation algorithm; harmonic detection; integrated system

2016-12-29；

2017-02-06。

國家自然科學基金(11264031)；江西省青年科學基金重大項目(20143ACB21011)。

劉憲爽(1990-)，男，山東人，碩士研究生，主要從事光纖電流互感器的信號處理方向的研究。

吳華明(1975-)，男，江西人，博士，講師，主要從事微納光電器件設計及光纖傳感及材料分析計算方向的研究。

1671-4598(2017)07-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.010

TH7

A