Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов
Полезная модель относится к волоконно-оптической информационно-измерительной технике, а именно к оптическим системам измерения напряжения или напряженности электрического поля, использующим несколько датчиков, и может быть применена в электроэнергетике и измерительной технике высоких напряжений.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в упрощении, снижении стоимости и повышении точности измерительной системы вследствие сокращения количества оптико-электронных измерительных модулей и уменьшения числа используемых волокон в магистральных кабелях, соединяющих измерительные модули и датчики системы измерения напряжения. Повышение точности обеспечивается за счет применения датчиков электрического поля с двумя оптическими выходами, имеющими взаимно ортогональные состояния поляризации.
Поставленная задача решается за счет того, что оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов, содержащая последовательно соединенные источник оптического излучения, оптический узел разветвления, совокупность N оптических датчиков напряжения или напряженности электрического поля, оптико-электронный измерительный модуль, отличается тем, что каждый оптический датчик содержит один вход и, по крайней мере, один оптический выход, подключенный к N-му входу, по крайней мере, первого оптического узла объединения, выход которого подключен к, по крайней мере, одному детектору, причем выход детектора соединен с, по крайней мере, одним входом оптико-электронного измерительного модуля, а вход каждого из N оптических датчиков подключен к N-му выходу оптического узла разветвления, формирующим из импульсов источника оптического излучения, разнесенные во времени выходные импульсы опроса оптических датчиков. Кроме того, оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов отличается тем, что каждый из N оптических датчиков содержит второй оптический выход, подключенный к N-му входу второго оптического узла объединения, выход которого подключен ко второму детектору, причем выход второго детектора соединен со вторым входом оптико-электронного измерительного модуля.
Применение таких решений, приводит к повышению точности и, по меньшей мере, к 2-х кратному сокращению числа оптико-электронных измерительных модулей и длины оптических волокон, используемых в измерительной системе, что приводит к упрощению и снижению стоимости измерительной системы.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к волоконно-оптической информационно-измерительной технике, а именно к оптическим системам измерения напряжения или напряженности электрического поля, использующим несколько датчиков, и может быть применена в электроэнергетике и измерительной технике высоких напряжений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Системы для измерения напряжения на линиях высокого напряжения, как правило, строятся с использованием индуктивных и емкостных или трансформаторов напряжения. В тоже время, измерение высокого напряжения может быть выполнено с применением одного или нескольких оптических датчиков электрического поля. Преимущества использование таких датчиков в высоковольтной энергетике известны. К ним относятся бесконтактный способ измерения, т.е. высокая степень гальванической изоляции, отсутствие влияния датчиков на режимы работы высоковольтных линий, высокое быстродействие. На передаваемые от оптических датчиков по волоконно-оптическим линиям связи данные, не оказывают влияние внешние электромагнитные поля, исключаются проблемы, связанные с контурами заземления, отсутствуют побочные электромагнитные излучения и перекрестные помехи между каналами.
Как известно, в трехфазных сетях высокого напряжения для измерений используются три отдельностоящие изоляционные колонны со встроенными внутри трансформаторами напряжения. При замене трансформаторов напряжения на оптические датчики существенно сокращаются массогабаритные характеристики измерительного оборудования и упрощаются решения, связанные с высоковольтной изоляцией.
Как правило, для каждого датчика электрического поля требуется удаленно расположенный оптико-электронный измерительный модуль, принимающий оптические сигналы от соответствующего датчика и формирующий сигналы об измеряемом напряжении.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля и напряжения (патент на полезную модель 
71441, МПК G01R 13/40, приоритет от 30.07.2010), содержащее источник излучения и фотоприемник, оптически связанные с электрооптической ячейкой Поккельса, поляризатором и анализатором, причем, в качестве источника излучения использован лазерный диод, а на выходе анализатора последовательно размещены фотодиод, усилитель ток-напряжение, микроконтроллер, содержащий порты ввода-вывода, память, аналого-цифровой преобразователь, устройство записи и жидкокристаллический индикатор.
Недостатком такого устройства является необходимость в подаче высокого напряжения на металлизированные электроды ячейки Поккельса, что препятствует применению данного решения на линиях передач высокого напряжения.
Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптическая система мультиплексирования измерительных каналов (патент на полезную модель 86744, МПК G01N 21/55, приоритет от 01.06.2009), содержащая источник излучения, светоделитель излучения, сопряженный с источником излучения, волоконно-оптический датчик, содержащий чувствительный элемент в виде волоконного световода, фотоприемник, регистрирующий мощность оптического излучения датчика, блок обработки информации, причем, в качестве чувствительного элемента использован одномодовый волоконный световод, выполненный в виде петли заданного радиуса, сопряженный с анализатором, расположенным между чувствительным элементом и фотоприемником, при этом оси чувствительности петель ориентированы в 3-х измерительных каналах взаимно ортогонально, а суммарное число измерительных каналов в волоконно-оптической системе равно 3n, где n - число измеряемых параметров, в качестве источника излучения использован гелий-неоновый (He-Ne) лазер.
Недостатком такой волоконно-оптической системы является повышенная сложность, вследствие необходимости использования большого количества измерительных входов в блоке обработки информации.
Имеются и другие пути сокращения оптических волокон и уменьшения количества измерительных модулей, например, за счет каскадирования при прохождении оптического сигнала опроса последовательно через несколько датчиков электрического поля. Однако, такая компоновка измерительной системы является сложной задачей и имеет различные недостатки и ограничения.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в минимизации используемых компонентов, т.е. упрощении, снижении стоимости и повышении точности измерительной системы вследствие сокращения количества оптико-электронных измерительных модулей и уменьшения числа используемых волокон в магистральных кабелях, соединяющих измерительные модули и датчики системы измерения напряжения. Повышение точности обеспечивается за счет применения датчиков электрического поля с двумя оптическими выходами, имеющими взаимно ортогональные состояния поляризации.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается за счет того, что оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов, содержащая последовательно соединенные источник оптического излучения, оптический узел разветвления, совокупность N оптических датчиков напряжения или напряженности электрического поля, оптико-электронный измерительный модуль, отличается тем, что каждый оптический датчик содержит один вход и, по крайней мере, один оптический выход, подключенный к N-му входу, по крайней мере, первого оптического узла объединения, выход которого подключен к, по крайней мере, одному детектору, причем выход детектора соединен с, по крайней мере, одним входом оптико-электронного измерительного модуля, а вход каждого из N оптических датчиков подключен к N-му выходу оптического узла разветвления, формирующим из импульсов источника оптического излучения, разнесенные во времени выходные импульсы опроса оптических датчиков.
Формирование источником излучения оптических импульсов с определенной длительностью и коэффициентом заполнения, а также использование узла объединения оптических импульсов, приходящих от N датчиков электрического поля, позволяет упростить измерительную систему за счет уменьшения количества необходимых оптико-электронных измерительных модулей и сокращения числа используемых волокон в магистральных кабелях, соединяющих измерительные модули с датчиками.
Использование последовательно соединенных, первого и второго оптических разветвителей, с определенными коэффициентами ответвления, позволит сформировать равные по интенсивности и разнесенные во времени импульсы опроса датчиков, что обеспечивает возможность использования однотипных датчиков электрического поля и, соответственно, упрощает систему.
Использование последовательно соединенных, по крайней мере, первого разветвителя, первой волоконно-оптической линии задержки, второго оптического разветвителя, второй волоконно-оптической линии задержки и т.д. позволит уменьшить суммарную длину линий задержки и. таким образом, привести к упрощению измерительной системы.
Применение датчиков электрического поля с двумя оптическими выходами, имеющими взаимно ортогональные состояния поляризации, обеспечит повышение точности за счет выполнения расширенной обработки принимаемой измерительной информации по двум каналам и введения поправок в измеряемую величину напряжения с учетом вычисляемой температуры и изменений параметров компонентов системы в процессе их длительной эксплуатации.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема оптической системы измерения напряжения с временным разделением каналов.
На фиг.2 показан вариант функциональной схемы, в которой оптический узел разветвления выполнен в виде двух оптических разветвителей и двух волоконно-оптических линий задержки различной длины.
На фиг.3 изображена функциональная схема с оптическим узлом разветвления, выполненным в виде двух оптических разветвителей и двух волоконно-оптических линий задержки равной длины.
На фиг.4 представлена функциональная схема системы измерения, в которой используются датчики электрического поля с двумя оптическими выходами.
В состав оптической системы измерения напряжения с временным разделением каналов, изображенной на фиг.1 входит электронный блок 1, удаленно расположенный в помещении диспетчерской и измерительный преобразователь 2, размещенный в отдельностоящей изоляционной колонне.
Электронный блок 1 содержит в своем составе источник оптического излучения 3, контроллер питания источник излучения 4, детектор 5 и оптико-электронный измерительный модуль 6. Блок 1 предназначен для генерирования импульсных оптических сигналов, направляемых по оптическому волокну 7 к колонне 2, а также приема оптических сигналов, поступающих по оптическому волокну 8 от колонны 2 и формированию выходного сигнала 9, пропорционального измеряемому напряжению. Оптические волокна 7 и 8 представляют собой магистральный оптический кабель 10, прокладываемый между электронным блоком 1, расположенным в помещении диспетчерской и измерительным преобразователем 2.
В каждой измерительном преобразователе 2 содержится, по крайней мере, один датчик электрического поля 11, оптический узел разветвления 12 и оптический узел объединения 13. В представленных вариантах выполнения оптической системы измерения напряжения, используется три датчика электрического поля 11 - ДНП1, ДНП2 и ДНП3. В зависимости от области применения, в колонне может быть установлено большее или меньшее количество датчиков 11. В качестве датчиков могут использоваться ячейки Поккельса или датчики, функционирующие на основе обратного пьезоэлектрического эффекта (интерферометр) Маха-Зендера.
В предлагаемой полезной модели для передачи оптических сигналов от электронного блока 1 в помещения диспетчерской к каждому из датчиков ДНП могут использоваться всевозможные типы одномодовых или многомодовых волокон. Следует отметить, что выбор типа волокна, как и выбор типа узла разветвителя и узла объединения, является вопросом проектного решения, в зависимости от типа применяемых датчиков, стоимости и допустимых потерь в оптических компонентах. В предлагаемых вариантах осуществления, источник оптического излучения, как правило, физически располагается в помещении диспетчерской с ограниченным температурным интервалом, и поэтому тип источника излучения может быть выбран из широкого спектра компонентов.
Оптико-электронный измерительный модуль 6 принимает и обрабатывает электрический сигнал, поступающий от оптических детекторов/преобразователей 5. В качестве детекторов 5 могут быть использованы Ge/Si фотодиоды и фототранзисторы со встроенными слоями квантовых точек или фотоприемные устройства на основе кремниевых фотодиодов.
Измерительный преобразователь 2 содержит оптический узел разветвления 12, состоящий из одного 1х3 оптического разветвителя 20 и двух волоконно-оптических линий задержки 23 и 25. Оптический разветвитель 20 имеет входной порт для подключения оптического волокна 7, приходящего от измерительного модуля 6, и три выходных порта, к которым подключаются оптические волокна 14, 22, 24, окончания двух последних из которых соединяются с входами линий задержек 23 и 25. Оптическое волокно 14 и выходы линий задержек 23 и 25 через оптические волокна 15, 16 подключаются к соответствующим входам датчиков ДНП1, ДНП2 и ДНП3. Сигналы с выходов оптических датчиков направляются через оптические волокна 17, 18, 19 к входным портам оптического узла объединения 13, выходной порт которого, через волокно 8 подключен к входу оптико-электронного измерительного модуля 6.
Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов работает следующим образом. Источник оптического излучения 3 под управлением контроллера питания 4 генерирует первичный оптический импульс с определенной длительностью и коэффициентом заполнения. Этот оптический импульс направляется через одномодовое волокно 7 к оптическому разветвителю 20, в котором мощность первичного оптического импульса в равных долях делится, и направляется через три одномодовых волокна к трем оптическим датчикам электрического поля.
Результирующая задержка при распространении оптического импульса от источника излучения до соответствующих входов датчиков ДНП1, ДНП2 и ДНП3 определяется соответственно суммой задержек в волоконно-оптической линии 7, волоконно-оптических линиях задержек 23, 25 и задержек в оптических волокнах 14, 22, 24. Следует отметить, что самый простой способ формирования различных по времени задержек при распространении оптических сигналов от разветвителя до датчиков заключается в выполнении оптических волокон 14, 22, 24 в виде отрезков оптических волокон различной длины.
Разнесенные во времени оптические выходные сигналы блока объединения 13, соответствующие каждому из датчиков 11, направляются через оптическое волокно 8, и при воздействии на детектор 5, формируют соответствующие электрические сигналы на его выходе. В свою очередь, выходные сигналы детектора могут быть оцифрованы для последующей цифровой обработки в оптико-электронном измерительном модуле 6.
Учитывая, что информация от этих трех датчиков поступает согласно времени задержки, поступающие данные от датчиков, могут быть алгоритмически объединены в соответствии с заранее выбранным алгоритмом коррекции или взвешивающей функцией и представлены на выходе измерительного модуля в аналоговом или цифровом представлении.
На фиг.2 представлен вариант функциональной схемы, в которой оптический узел разветвления выполнен в виде двух последовательно соединенных 1х2 оптических разветвителей 21а и 21b и двух волоконно-оптических линий задержки 23, 25 различной длины, например 600 метров и 1200 метров соответственно. По сравнению с 1х3 разветвителем этот вариант выполнения более прост и дешевле, и может быть наиболее оптимальным для многих областей применения в зависимости от требований к экономической эффективности.
При условии, приблизительно равной мощности оптического излучения, поступающей на входы трех оптических датчиков, первый разветвитель 21а должен иметь коэффициенты передачи по первому и второму порту 33% и 67% соответственно, причем 33% мощности оптического сигнала направляется к датчику ДНП1 и 67% мощности направляется ко второму разветвителю 21b. Коэффициенты передачи выходных портов разветвителя 21b должны в этом случае составлять 50/50%.
На фиг.3 показан вариант функциональной схемы, в котором по сравнению с вариантом, изображенным на фиг.2, выходной порт разветвителя 21а подключен к входу разветвителя 21b через линию задержки 23. При этом длина линии задержки 25 выбирается равной длине линию задержки 23 и может, например, составлять 600 метров. Такое решение позволяет использовать однотипные линии задержки и, таким образом, упрощает измерительную систему.
На фиг.4 представлена функциональная схема системы измерения, в которой используются датчики электрического поля с двумя оптическими выходами, на каждом из которых формируются оптические сигналы с взаимно ортогональной поляризацией. Как хорошо известно, использование датчиков с двумя выходами позволяет выполнить расширенную обработку информации, поступающей с этих датчиков и повысить точность измерительной системы за счет уменьшения влияния таких воздействий на датчики, как температура, вибрация или изменение мощности источника оптического излучения.
При таком построении функциональной схемы системы измерения напряжения появляется дополнительный блок объединения 28, детектор 26 и, соединяющее оптико-электронный блок с измерительным преобразователем 2, оптическое волокно 27. Сигналы со вторых выходов оптических датчиков направляются через оптические волокна 29, 30, 31 к входным портам оптического узла объединения 28, выходной порт которого, через волокно 27 подключен к второму входу оптико-электронного измерительного модуля 6.
Следует отметить, что датчики электрического поля могут иметь более двух выходов, поэтому количество детекторов, узлов объединения и оптических волокон между оптико-электронным блоком и измерительным преобразователем, будет зависеть от типа и числа оптических датчиков.
1. Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов, содержащая последовательно соединенные источник оптического излучения, оптический узел разветвления, совокупность N оптических датчиков напряжения или напряженности электрического поля, оптико-электронный измерительный модуль, отличающаяся тем, что каждый оптический датчик содержит один вход и, по крайней мере, один оптический выход, подключенный к N-му входу, по крайней мере, первого оптического узла объединения, выход которого подключен к, по крайней мере, одному детектору, причем выход детектора соединен с, по крайней мере, одним входом оптико-электронного измерительного модуля, а вход каждого из N оптических датчиков подключен к N-му выходу оптического узла разветвления, формирующего из импульсов источника оптического излучения разнесенные во времени выходные импульсы опроса оптических датчиков.
2. Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов по п.1, отличающаяся тем, что оптический узел разветвления содержит, по крайней мере, первый оптический разветвитель, на вход которого поступают импульсные сигналы от источника оптического излучения, а на совокупности выходов формируются импульсные вторичные оптические сигналы, причем первый выход первого оптического разветвителя подключен к входу первого из N оптических датчиков через первую волоконно-оптическую линию задержки, второй выход первого оптического разветвителя подключен к входу второго из N оптических датчиков через вторую волоконно-оптическую линию задержки длиной большей, чем длина первой волоконно-оптической линии задержки, третий выход первого оптического разветвителя подключен к входу третьего из N оптических датчиков через третью волоконно-оптическую линию задержки с длиной большей, чем длина второй волоконно-оптической линии задержки.
3. Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов по п.2, отличающаяся тем, что первый выход первого оптического разветвителя подключен к входу первого из N оптических датчиков, второй выход первого оптического разветвителя подключен к входу второго оптического разветвителя, первый выход второго оптического разветвителя подключен к входу второго из N оптических датчиков через вторую волоконно-оптическую линию задержки известной длины, а второй выход второго оптического разветвителя подключен к входу третьего из N оптических датчиков через третью волоконно-оптическую линию задержки известной длины, чтобы получить определенную задержку в появлении оптических импульсов на входах второго и третьего оптического датчика относительно оптического импульса на входе первого оптического датчика.
4. Оптическая система измерения напряжения с временным разделением каналов по п.1, отличающаяся тем, что каждый из N оптических датчиков содержит второй оптический выход, подключенный к N-му входу второго оптического узла объединения, выход которого подключен ко второму детектору, причем выход второго детектора соединен со вторым входом оптико-электронного измерительного модуля.
