電光電壓換能器信號處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電光電壓換能器（electro-optical voltage transducer(〃EOVT")) 系統(tǒng)，用于測量諸如電傳輸系統(tǒng)中的高電壓。
【背景技術(shù)】
[0002] EOVT系統(tǒng)是已知的。這樣的系統(tǒng)的一個示例在第4, 904, 931號美國專利（"' 931 專利"）中進行了描述。
[0003] 現(xiàn)在參考圖1到3,其與'931專利中的圖6到8相應(yīng)，示出被安裝在絕緣柱201中 的傳感器1的實際實施例，絕緣柱201被切除以示出傳感器的安裝，其可被用在' 931專利 中描述的系統(tǒng)中。上支承管203被連接到傳輸線（未示出），并且下支承管205被連接到 地。兩個管都是導(dǎo)電的，并且通過安裝由導(dǎo)電透明材料（諸如奈塞玻璃（NESA glass))構(gòu) 成的墊207,而提供傳感器1的端部分別與傳輸線和地之間的接觸。晶體209和偏光器211 和213被制作為具有圓形截面。
[0004] 圖2中更清楚地示出第二偏光器213,兩個圓柱形的準(zhǔn)直器215被安裝在圓柱形 的偏光器的一個平的端面上，并且矩形的1/8波片217和219抵著相對端安裝。在圖3中 單獨示出將從第二偏光器213接收的光束聚焦在光纖電纜221上的準(zhǔn)直器215。每個準(zhǔn)直 器215由低折射率玻璃（諸如熔融石英）的兩個部分223和225、以及高折射率玻璃（諸如 SF59) 227的一個部分形成。選擇227的曲面的半徑、227的厚度以及225的長度，使得進入 223的一束平行光被聚焦在光纖221的末端，并且來自該束邊緣的光穿透該光纖。更特別 地，選擇這些參數(shù)使得該束光的半徑除以透鏡的焦距等于或大于光纖的數(shù)值孔徑除以低折 射率玻璃的折射率。
[0005] 在傳感器1的另一末端處的準(zhǔn)直器被相似地設(shè)計，但是在相反的方向操作以將從 光纖電纜接收的光轉(zhuǎn)換成穿過第一偏光器211的一束平行光。這個形式的準(zhǔn)直器是必要 的，因為為了經(jīng)受操作期間以及特別地脈沖測試期間的高電氣應(yīng)力，絕緣體201被油或加 壓的六氟化硫（SF6)填充，并且因此光學(xué)系統(tǒng)不能夠具有任何玻璃氣體界面。
[0006] 在' 931專利中描述的系統(tǒng)處理來自傳感器1的輸出信號，以提供輸出用于在該專 利的圖2中示出的輸出設(shè)備79上展示，輸出設(shè)備79可以具有數(shù)字讀出或者是記錄器。因 此' 931專利的系統(tǒng)的輸出可以僅用于計量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 一種用于在電傳輸線上測量高電壓的系統(tǒng)，包括：
[0008] 電光電壓換能器傳感器，被連接在電傳輸線和地之間，用于響應(yīng)于所述被測量的 高電壓而提供正弦（SIN)光強信號和余弦（COS)光強信號；以及
[0009] 信號處理器，操作在第一狀態(tài)中用于數(shù)字地處理所述正弦和所述余弦光強信號的 樣本，以在所述傳輸線上提供所述高電壓的表示，其可以被用于計量、繼電和瞬變捕捉中的 一項或多項。
【附圖說明】
[0010] 圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的用于在高電壓電力傳輸系統(tǒng)中測量線到地電壓的具有脫離 部分的等距視圖。
[0011] 圖2示出圖1的子組件的放大。
[0012] 圖3示出是圖2的子組件的一部分的部件的縱截面。
[0013] 圖4示出用于目前EOVT信號處理系統(tǒng)的一個實施例。
[0014] 圖5示出EOVT傳感器輸入電壓信號的歸一化繪圖。
[0015] 圖6示出圖4中系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器中的軟件架構(gòu)的流程圖。
[0016] 圖7示出用于控制圖4的系統(tǒng)中信號處理的總體操作的狀態(tài)機算法的氣泡圖。
[0017] 圖8示出正弦強度信號的繪圖，正弦強度信號具有歸一化參數(shù)和等于預(yù)先確定的 振幅的高電壓輸入信號振幅。
[0018] 圖9示出正弦強度信號，正弦強度信號具有與如圖8中相同的歸一化參數(shù)以及等 于預(yù)先確定的振幅的高電壓輸入信號振幅，該預(yù)先確定的振幅不同于圖8中預(yù)先確定的振 幅。
[0019] 圖10示出正弦強度信號，正弦強度信號具有與如圖8中相同的歸一化參數(shù)以及等 于預(yù)先確定的振幅的高電壓輸入信號振幅，該預(yù)先確定的振幅不同于圖8和9中預(yù)先確定 的振幅。
【具體實施方式】
[0020] 圖4的框圖示出用于目前EOVT信號處理系統(tǒng)10的一個實施例。系統(tǒng)10產(chǎn)生跨 EOVT傳感器12 (其具有鍺酸鉍（"BG0"）晶體）被施加的高電壓信號的準(zhǔn)確的重構(gòu)。該傳 感器包括具有兩個輸出的光學(xué)組件，正弦光強信號12a和余弦光強信號12b。
[0021] 系統(tǒng)10也包括由數(shù)字信號處理器（DSP) 14以及接口和轉(zhuǎn)換電路組成的信號處理 電子裝置，接口和轉(zhuǎn)換電路由在圖4中共同地被標(biāo)示為15的兩個檢測器、在圖4中共同地 被標(biāo)示為16的兩個防失真濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器42a和42b、分別為高速正弦和余弦比較器 28a和28b、瞬變格雷碼計數(shù)器（Gray code counter) 30、瞬變D/A轉(zhuǎn)換器32和輸出D/A轉(zhuǎn) 換器34構(gòu)成。
[0022] 信號處理電子裝置在輸出光強信號12a和12b上操作，并且提供準(zhǔn)確的重構(gòu)，也即 高電壓輸入信號18的顯示，以被用于發(fā)生在電傳輸線上的瞬變的計量、繼電和記錄的一項 或多項。眾所周知，計量是電量使用的測量，而繼電是當(dāng)檢測到故障時繼電保護的操作。
[0023] 系統(tǒng)10輸出兩個重構(gòu)的模擬信號20和22。信號20為電表（revenue meter)提 供經(jīng)縮放的精確的低電平電壓和繼電保護。信號22為高電壓瞬變記錄提供經(jīng)縮放的低電 平電壓。
[0024] 以下對產(chǎn)生被重構(gòu)的信號的硬件架構(gòu)、DSP軟件架構(gòu)和DSP算法進行描述。
[0025] 硬件架構(gòu)
[0026] 傳感器輸入信號
[0027] 2毫瓦（mW)光纖耦合電源、840納米（nm)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)二極管 24將輸入光信號提供到傳感器12。VCSEL 24具有波長溫度系數(shù)，如果該波長溫度系數(shù)未 補償，其將在重構(gòu)中產(chǎn)生誤差?？拷黇CSEL 24的溫度傳感器26將VCSEL溫度信號提供到 DSP 14,并且以下描述的算法會使用這個信號以補償VCSEL波長溫度系數(shù)。
[0028] 傳感器輸出信號
[0029] EOVT傳感器12產(chǎn)生兩個光強信號12a和12b，其被轉(zhuǎn)換為低電平電信號S和C，被 定義如下：
[0030] S(Vin(t)) = E+F · sin(Ji · Vin(t)/Vh)
[0031] C (Vin (t)) = G+H-cos ( π · Vin (t)/Vh)
[0032] 正的、準(zhǔn)靜態(tài)的參數(shù)E、F、G和H具有取決于傳感器BGO晶體特性的值。由于S和 C代表隨時間變化的強度，因此F總是小于或等于E，而H總是小于或等于G。參數(shù)Vh代表 BGO晶體半波電壓，大約50000V。變量Vin (t)是時間的函數(shù)，代表高電壓輸入信號18,并且 在正常狀況下具有帶60Hz頻率和比Vh大的多的振幅的零偏移正弦波形。
[0033] 圖5示出具有等于Vh的振幅（波形A)的EOVT傳感器輸入電壓信號18、以及傳感 器正弦（波形B)和余弦（波形C)光強輸出信號12a和12b的歸一化（即V h= 1，E = F = G = H= 1)繪圖。對于具有大于或等于Vh的振幅的電壓信號，傳感器信號12a和12b兩者 會達到它們各自的最大和最小值。對于具有小于V h的振幅的電壓信號，這兩個傳感器信號 的一個或兩者不會達到其最小和/或最大值。
[0034] 如果Vin(t) 18具有大于或等于Vh的振幅，則參數(shù)E、F、G和H可以被計算如下：
[0035] 找到正弦信號的最大和最小值，分別為Smax和Smin。
[0036] Smax = E+F 并且 Smin = E - F0
[0037] E= (Smax+Smin)/2
[0038] F= (Smax-Smin)/2
[0039] 找到余弦信號的最大和最小值，分別為Cmax和Cmin。
[0040] Cmax = G+H 并且 Cmin = G-H。
[0041] G= (Cmax+Cmin)/2
[0042] H= (Cmax-Cmin)/2 [0043] 檢測器
[0044] 檢測器15將正弦和余弦光強信號12a和12b轉(zhuǎn)換為與DSP A/D轉(zhuǎn)換器14、以及 圖4中共同地被標(biāo)示為28的高速正弦和余弦比較器兼容的低電平模擬電壓。每個檢測器 包括兩級20MHz帶寬由PIN二極管（未示出）驅(qū)動的轉(zhuǎn)阻放大器，PIN二極管將光（光強） 轉(zhuǎn)換為電流。這個帶寬能夠捕捉高速輸入電壓瞬變，包括800KV額定的前端基本脈沖電平 (basic impulse level ( "BIL"））波形（2050KV)，如 IEC71-1 中定義的那樣。
[0045] 針對800kV系統(tǒng)的BIL測試波形產(chǎn)生2050kV峰值瞬變，具有1. 2微秒 (microsecond)上升時間和50微秒衰減到峰值的50%。使用BIL波形的標(biāo)準(zhǔn)定義，在BIL 波形中從30%到90%點（前端的線性區(qū)域以及最壞狀況的轉(zhuǎn)換速率狀況）的電壓轉(zhuǎn)換速 率近似地等于在0. 72微秒中的1078kV，或者1497kV/微秒，并且產(chǎn)生突發(fā)的
[0046] 17. IMHz正弦和余弦強度信號12a和12b。
[0047] 防失真濾波器
[0048] DSP 14在500kHz處對每個正弦和余弦光強信號進行采樣。為了防止在奈奎斯特 采樣頻率（250kHz)以上的噪聲失真，具有141kHz截止頻率的兩極低通巴特沃斯有源濾波 器16在DSP采樣之前對每個強度信號濾波。
[0049] 數(shù)字信號處理器
[0050] DSP 14,其為Analog Devices (亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司）的BF506F，執(zhí)行如下 描述的信號處理算法。DSP 14包括一組豐富的集成外圍，包括雙的3/6通道12位A/D轉(zhuǎn)換 器14b、格雷碼（或正交）可配置計數(shù)器14a、計時器、串行端口以及并行端口接口。
[0051] 高速比較器
[0052] 每個強度信號驅(qū)動高速比較器28a和28b，高速比較器28a和28b由來自相應(yīng)的D/ A轉(zhuǎn)換器42a和42b的D/A信號偏移，D/A信號代表DSP計算的其平均值的估計（對于正弦 和余弦強度，分別為E和G)。比