● 摘要
数字闭环光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应和Ampere全电流定律的新一代高压大电流计量仪器，相对于传统的电磁感应式电流互感器，它采用反射式全光纤光路方案，具有绝缘结构简单、没有铁芯，不存在磁滞饱和的危险、测量动态范围大、响应时间短，系统带宽宽、对环境变化的干扰不敏感，以及输出为数字量，有利于数字化变电站的建设等突出优点，是国际上光学电流互感器研究的主流方案。本论文主要针对互感器动态性能的分析与改善开展研究。论文循着动态要求、影响因素、机理分析和改善措施的主线，依据计算机控制系统和数字信号处理理论的基本原理，按照原理分析、系统建模、仿真计算、实验验证、性能优化、设计实现的研究顺序，对数字闭环光纤电流互感器动态特性进行了详细的分析和讨论。 论文主要开展了如下工作： 一、数字闭环光纤电流互感器原理研究。从互感器光路传输传感原理和微弱信号检测电路原理两个方面，介绍了数字闭环光纤电流互感器的实现方案。用Jones矩阵表示光路各功能器件，推导得出两束偏振光干涉输出的结果；参考光纤陀螺技术，引入一种基于相关检测理论的微弱信号检测方法，并最终导出数字闭环光纤电流互感器系统的输入输出关系式。 二、数字闭环光纤电流互感器系统建模。把互感器系统看作一个完整的数字控制系统，分别根据各器件或组成部分的具体物理模型和工作原理，采用小偏差线性化的方法，忽略和动态特性无关的次要因素，得到最简化的针对主要特性的描述表达式，最终根据物理连接关系求得整个系统的离散传递函数，从而建立起数字闭环光纤电流互感器的完整动态模型。 三、数字闭环光纤电流互感器动态性能的主要影响因素分析，及其系统动态特性仿真。分光路系统和信号检测电路两个部分，分别研究影响互感器动态特性的主要因素，并且根据闭环系统离散传递函数，仿真分析数字闭环光纤电流互感器的动态性能。 四、基于锁定放大器的数字闭环光纤电流互感器动态性能测试方法研究。为了验证理论分析的正确性，以及基于实际测试互感器－3dB频带宽度、相位差，和相位误差的需要，根据光纤电流互感器的输入和模拟输出均是电信息的特点，借助信号发生器设计一种基于锁定放大器的互感器动态特性测试方法，实测互感器系统的时域和频域响应。 五、针对系统动态性能改善的数字闭环光纤电流互感器闭环环路数字控制器优化设计研究。互感器的动态特性主要受其信号检测单元数字控制器和系统硬件延迟的影响。提出引入PID数字控制器和采用奇次倍频调制解调方案，以减小互感器纯延迟、改善系统动态性能，验证了优化措施的有效性。 六、互感器系统抗混淆数字输出滤波器设计。对应抑制待测电流中高频谐波分量的实际需要，分析了简单平滑滤波器、单级低通滤波器的不足，并根据多抽样率数字信号处理理论设计光纤电流互感器数字输出滤波器。研究设计的多级抽取滤波器的滤波效果和算法复杂程度。七、参照IEC60044-8标准中有关电流互感器频率响应和谐波准确度的有关要求，实验研究数字闭环光纤电流互感器动态性能。实验内容包括：互感器数字输出信号噪声比、工频电流测量准确度、谐波测量准确度、－3dB频带宽度测量、相位差测量准确度等等，系统测试了所设计的数字闭环光纤电流互感器样机动态性能指标。