研究背景
電壓的測量在電力工業中起著極為重要的作用，它為電力系統提供用於計量、控制和繼電保護所必需的信息。目前，世界各國的電壓測量仍然主要依靠傳統的電磁式電壓互感器 PT(Potential Transformer)，這種感測器要求在高、低壓端之間提供複雜昂貴的電氣絕緣，並且隨著輸配電網朝著高電壓、大容量方向發展，高電壓等級的 PT 變得越來越笨重，價格越來越昂貴，給運輸和安裝帶來很大困難，同時 PT 本身存在的磁飽和、鐵磁諧振、動態範圍小、頻帶窄、易燃易爆、易受干擾，PT 的次級短路危及周圍設備及操作人員的生命安全等一系列難以克服問題，這就促使人們研製高性能的互感器及其系統。光纖感測器具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕等諸多優點，在國外已有光學電壓互感器掛網運行 [3,4] ，國內也有此類研究工作 ，但理論和實踐證明，它們也存在許多問題，如光纖固有雙折射、集成光波導的不對稱性等，都嚴重影響互感器的精確度和可靠性。
基本原理及感測頭結構
全光纖電壓互感器全光纖電壓互感器採用全光纖方案 , 以石英晶體的逆壓電效應和橢圓芯保偏光纖中 LP01 模和 LPe11 模之間的模間干涉原理來實現高電壓的測量。如圖 1 所示 , 感測頭初步結構由 4 塊鋁質電極和 3 塊圓柱型石英晶體組成 , 橢圓芯保偏光纖等張力纏繞在石英晶體上 ( 圖中未畫出)。
當互感器工作時 , 石英晶體的兩端產生電勢差 , 根據晶體的逆壓電效應 , 晶體的圓周會產生應變 , 從而導致纏繞在上面的光纖也產生相應的應變 , 這種應變在雙模光纖中將調製出一個光學相位差 , 只要能測得這個相位差就可以確定被測電壓或電場。由於對相位差的測量較困難 , 因此可以通過干涉法 , 將相位差轉化為光強的變化來進行間接測量。感測頭的基本結構如圖1所示。
感測頭的設計
全光纖電壓互感器感測頭是互感器的關鍵部件，其性能直接關係到測量系統的質量。為消除感測光纖中的固有雙折射，必須採用適當的組裝和退火措施。圖 2 給出了電壓互感器感測頭裝配圖 ( 局部 ) 。系統中共有三支石英晶體 ，其間用金屬電極分開。為便於討論，本圖僅繪出一支晶體。每支石英晶體的直徑為 30mm ，長度為 120mm ，金屬導體的膨脹係數與晶體的膨脹係數接近。系統中每支晶體各承受三分之一的電壓，同時在空氣絕緣條件下，能承受 480kV 雷電衝擊電壓而不損壞，每個石英晶體上均勻地、等間距地纏繞大約 10m 、 24 匝雙模感測光纖，纏繞之前，在光纖上塗敷一層 3~5µm 厚的聚醯亞胺薄膜，以保證壓電晶體產生的應變全部傳到雙模光纖中，並且隔離溫度的影響以保持光纖的長期穩定性。傳光單模光纖約為 20m 長。
信號採集系統
全光纖電壓互感器光纖電壓互感器信號採集系統如右圖所示， 選用NI7813R 智慧型數據採集卡，板卡上包含 FPGA 模組，通過 68 針接線連線埠與信號調理電路板相連，通過 PCI 插槽插入到採集計算機中。
對採集系統所得信號檢測過程分析如下：
⑴FPGA生成數字方波信號， 轉化為模擬方波後加在相位調製器上對光路信號進行調製。
⑵ 光路輸出的已調信號經過光電探測器（ PIN ）轉化為電信號送入信號調理電路板，經電路板上的放大、濾波、 A/D 轉換、隔離送入數據採集卡。
⑶FPGA 對 A/D 進行採樣控制，並把採集的數位訊號進行解調處理。
⑷FPGA 把解調的數字輸出轉化為模擬信號，經相位調製器反饋給光路，實現閉環控制。
⑸ 在採集主機上顯示、記錄數字輸出的值。
這樣， 通過 FPGA VI （ FPGA 上實現的程式）和HOST VI （採集主機上實現的程式）的編寫，就可實現信號的採集與處理。
FPGA VI
軟體上使用 LabVIEW FPGA在計算機上設計FPGA VI ， 經編譯轉化為 HDL 語言後， 下載到 FPGA上，完成對 FPGA 的配置。 在 FPGA 上主要包括三個模組的設計：
全光纖電壓互感器⑴ 各控制時序的生成模組。在基準頻率的基礎上，通過相應的算法實現 A/D 採樣時鐘信號、調製方波信號、解調方波信號、 D/A 時鐘信號、數字解調時序控制等。
⑵ 信號解調模組。利用相關檢測原理，對 A/D 採樣輸入的信號進行解調。
⑶ 數字階梯波反饋模組。
由解調數據運算生成數字階梯波。時序是整個閉環算法的核心， 因此對時序的生成與時序之間的關係要準確把握，利用 LabVIEW 在主機上進行時序仿真，然後再移植到 FPGA 上實現，這種模式可以大大提高工作效率 , 仿真圖如右圖所示。
採集卡上的 FPGA 對應有有 160 個 DIO ， 分為 4個 connector 接口，每個接口有 40 個 DIO。 使用接口0 connector0 (DIO0-DIO39) 和接口 1 connector2(DIO02-DIO39 2) 定義所需連線埠。 接口 0 用於連線採集卡和信號調理電路，接口 1 主要分配採樣控制信號，調製信號，解調信號以及一些中間過程信號，這些 DIO 連線埠可以連線到接線端子盒上， 通過示波器查看信號是否正常，從而更加方便的進行調試。
HOST VI
使用 LabVIEW 在計算機上設計 HOST 主機 VI ，HOST VI 是對信號的解調結果、數字輸出等進行顯示、記錄、分析的主機功能模組。 因為主機採用的是 DMA的方式對記憶體進行直接訪問， 所以 FPGA 上的解調結果、數字輸出等數據能快速地導入到主機程式中，完成數據的實時顯示，與此同時，這些數據將被記錄到指定的檔案中去。 LabVIEW 對數據的讀寫操作以及波形顯示是非常方便和直觀的，而且利用 LabVIEW 提供的多種信號處理工具，可以實現數據統計分析、時 / 頻域分析、數字濾波、曲線擬合等多種操作。
乙太網接口的硬體實現
全光纖電壓互感器實現乙太網接口的硬體連線，要用到合併單元，合併單元是電子式互感器與變電站二次設備通訊協定實現的硬體設備， 是連線高壓側數據採集系統和二次設備的橋樑。高壓側數據採集系統將轉換完成的電流、電壓信息通過光纖傳送到低壓側的合併單元， 合併單元按照標準規定的格式傳送給二次保護、測控設備。利用合併單元， 在光纖電壓互感器信號採集系統上搭建的乙太網接口硬體連線圖如右圖所示。
合併單元的 SYN 同 步光信號經光電轉換轉化為數字 信 號 送 入NI7813R 采 集卡的 DIO 口；採集卡在收到同步信號後，把採集到的光纖互感器的信號處理成合併單元通信協定要求的數據格式，經電光轉換送入合併單元，在合併單元中經以下三個模組處理。
⑴基於現場可程式門陣列（FPGA）技術的數據還原模組 在合併單元給多路 A/D 轉換器傳送同步轉換信號之後， 將接收採集通道的輸出數據並對其有效性進行校驗， 同時將有效數據經過正確排序之後傳送給DSP 進行相應的處理。
⑵基於數位訊號處理（DSP）技術的數據處理模組數據處理模組利用 DSP 處理器對接收的數據信號進行相關的數字濾波設計，並且對信號進行相位補償，同時給數據包打上正確的時標。
⑶基於 IEC 61850-9-1 標準的數據輸出模組 該模組用於將各路採樣值數據進行組幀並傳送給保護測控設備。
合併單元的輸出即是標準乙太網輸出。 合併單元與數據採集卡之間數位訊號的交換都是通過光纖進行傳輸的，採用光纖作為傳輸介質，這使得傳輸信號的抗干擾能力得到很大提高。
乙太網接口的軟體實現
全光纖電壓互感器數據採集卡通過數字 I/O 與合併單元進行通信， 數據採集卡在收到合併單元傳送的同步脈衝信號 SYN 後，將數據傳送到合併單元。 按照通信的協定要求， 採集卡數字輸出的格式是以 DH 、 DL 、STATUS 、 CRC 的順序進行發數， 各代碼幀結構一樣，即再對 SYN 、 D H 、 D L 、 STATUS 、 CRC 五個代碼幀進行詳細分解，均為： st(1bit)+data(8bits)+dm(1bit)+sp(1bit) 。 其中， st 為起始位， dm為辨別標誌位， sp 為停止位， data為數據位，並且在發數的時候數據位應該是低位在前，高位在後。以此為依據，要在採集卡上的 FPGA 上實現各模組程式設計，設計流程圖如右圖所示，各模組功能如下。
⑴異步檢測 MU信號 每完成一次數據採集，合併單元都會產生一個復位信號， 並傳送給採集卡一個SYN 信號， 該模組完成對復位信號和 SYN 信號的檢測，從而生成開始採集的標誌位。
⑵時鐘分頻模組 包括數據的接收時鐘和傳送時鐘，在採集卡上設定一個與合併器 25MHz 頻率相同的基準頻率，以此為基準，延遲 16 個周期後 32 分頻，作為同步碼接收校驗的時鐘； 另外直接對基準時鐘進行32 分頻，作為數據傳送的控制時鐘。
⑶同步碼校驗模組 逐位檢測合併單元發來的八位信號，比較是否與同步碼 8′hA5 相同，生成標誌位。
⑷CRC校驗模組 採用校驗多項式為 x 8 + x 2 + x +1，則對應的二進制數為 100000111 ，由採集的 16 位數據作為高 16 位， 以 8′hA5 作為低 8 位組成一個 32 位的被除數，這和傳統的 CRC 校驗 [5] 相類似，也相當於把被校驗的數據左移了 8 位。用模二除法的法則把這個 32 位的被除數除以 100000111 ， 所得餘數即為 CRC 校驗碼。
⑸串列數據傳送模組 採集卡在收到同步碼信號後，經過同步碼檢測、同步碼校驗和 CRC 校驗，數字輸出便以 D H 、 D L 、 STATUS 、 CRC 的順序串列發數，採樣時間設定為 208.3μs, 則按照合併器 50Hz 的同步碼頻率，每個周波 20ms ， 採樣點數為 20ms/208.3μs=96 點 / 周波，每秒的採樣點數為 4800 個點。
套用前景
光學電壓互感器是近年來發展起來的一種新型的電壓測量設備 , 它是利用光電子技術和光纖感測技術來實現電力系統電壓的測量 , 因而能夠克服傳統電磁式電壓互感器和電容分壓式電壓互感器暴露出來的一系列嚴重缺點 , 如 : 絕緣結構日趨複雜 , 體積越來越大 , 造價越來越高等等 , 因而備受國內外學者和工程技術人員的廣泛關注和深入研究 , 具有十分廣闊的套用前景。
