电流互感器作为高压电网检测首要设备，不只为电能的计量供给参数，并且是为继电保护供给动作的依据。跟着国家智能电网和特高压电网的开展，传统电磁式电流互感器逐步暴露出其丧命缺点，例如高电压等级时绝缘极为困难、更高电压下易磁饱满导致丈量精度下降等。相比之下，光纤电流互感器具有抗电磁干扰才能强、绝缘牢靠、丈量精度高、结构简略和体积细巧等许多长处，是当时研讨热门。作为光纤电流互感器的中心部件，其检测和操控电路对电流检测精度和规模具有十分重要的影响。
现在检测和操控电路完结首要有两种计划，一种是以数字信号处理芯片(DSP)为中心，因为DSP的速度越来越快，使得DSP成为许多数据处理和信号检测计划的首选，但在时序操控方面是其瓶颈，因为时序操控精度和速度直接影响光纤电流互感器的检测精度，所以该计划操控精度进步有限;另一种是以现场可编程门阵列(FPGA)和DSP为中心器材，结合两者的长处，使用FPGA来完结体系时序操控，DSP完结各种数字信号处理算法，尽管能够取得十分高的操控精度，但体系结构相对杂乱，牢靠性下降。跟着FPGA技能的开展，FPGA不只被用来进行精细时序操控，并且能够完结杂乱数字信号处理功用。本文使用FPGA来完结精细时序操控的一起，完结十分杂乱的信号处理算法，并以FPGA为中心器材完结光纤电流互感器信号检测和操控电路规划，使用该电路操控光纤电流互感器传感头进行电流测验和标定。实验结果标明，体系操控精度到达0.2 S级丈量准确度的要求。
1 全光纤电流互感器信号检测与操控原理
全光纤电流传感技能是使用法拉第效应来完结电流检测的，当一束线偏振光通过处于磁场中的物质时，该偏振光的振荡面会发生必定的旋转，然后可通过对此旋转角的丈量来取得磁场及发生磁场的电流的信息，其间振荡面的旋转角可由式(1)得出：
式中：Φ为磁致法拉第偏转角;V为光纤的Verdet常数;H为磁场强度;l为光与磁场之间相互作用的间隔。
法拉第效应的实质为磁致圆双折射，其解说是：线偏振光能够分解为两束旋向相反的圆偏振光(左旋和右旋)，外加磁场使得物质对这两柬正交圆偏振光的折射率发生不同，导致它们在物质中的传达速度不再共同，这两束圆偏振光在传达一段间隔后会发生必定相位差△Φs,使对应的线偏振光的偏振面发生旋转，通过丈量该相位差就能够取得磁场及发生磁场的电流信息，一起已证明该相位差△Φs和法拉第旋转角Φ之间的联系为△Φs=2Φ。
若光路盘绕通电导体闭合，且当磁场H仅由穿过传感光纤圈的导体中的电流，发生时，可使用式(1)和安培环路规律得：
△Φs=2VNnI (2)
式中：△Φs为磁致法拉第相位差;V为光纤的Verdet常数;N为光束盘绕导体的次数;n为传感光纤圈中导体的根数;I为单根导体上通过的电流。
由此可看出，两束正交圆偏振光受法拉第效应后发生的相位差巨细与光束盘绕导体的次数和穿过传感光纤圈的总电流巨细成正比。因为光束绕导体的次数已知，所以只需测出△Φs,即可核算出待测电流的巨细。
2 信号检测与操控电路完结
信号检测与操控电路的整体框图如图1所示。光纤传感头将带着有相位差信息的光信号输入到光电探测器(相位差与光电探测器输出信号起伏成正比)，光电探测器输出的电压信号首要进行隔直处理，再通过扩大和滤波后，经A/D(模数转化器)转化为数字信号，然后送入依据FPGA的数字信号处理单元。在FPGA内进行数据解调、积分和滤波处理，并由阶梯波生成算法核算出阶梯波台阶高度，之后该阶梯波与固定周期调制方波在时序操控单元操控下叠加，再经FPGA操控的D/A(数模转化器)转化后构成模仿电压波形，驱动相位调制器，至此完结体系的一次闭环反应。此外，阶梯波台阶高度数据经数字滤波后由异步串行收发器(UART)传输到操控核算机，因为该阶梯台阶高度与待测电流巨细有关，上层软件通过简略处理就能够得出被测电流巨细。整个体系的时序操控由FPGA内完结，且要求方波调制、A/D收集、数字阶梯波反应、数据输出等的时序操控具有严厉的同步联系。
图1 信号检测与操控电路框图
2.1 前置扩大及滤波电路
因为光电探测器输出信号比较弱，并且含有较高频率的噪声信息，需求对其进行扩大和滤波处理后才干进行后续的A/D转化量化为数字信号。因而前置扩大及滤波电路对有用信号的扩大和对噪声按捺才能会影响后续丈量精度。前置扩大电路选用差分运放AD8130,该芯片具有十分高的共模按捺比，特别适用于弱小信号扩大中需求低噪声、低谐波失真和高共模按捺比的使用中。光电探测器输出的沟通有用方波信号频率为200 kHz左右，为保证该方波信号无失真通过后端滤波电路，滤波电路的高频截止频率有必要以不丢失20倍的方波基频信号的谐波规划，一起为防止高频噪声进入后端采样量化模块，高频截止带宽不能太宽，本规划中选用4 MHz带宽的π型滤波器完结前端滤波。
2.2 数据收集电路
为保证0.2S级(即千分之二)丈量准确度，A/D转化位数需求到达10位以上。此外，为保证对200 kHz方波信号每个周期凹凸电平采样次数，然后能够通过累加求均匀来进步采样精度，需求在每个周期内方波凹凸电平别离进行20次以上采样后求均匀，这就要求模数转化器采样率大于8 MS/s.规划中保存必定余量选用量化位数14位、采样率20 MS/s的模数转化器 AD9248.该芯片选用多级的带有输出过错纠正逻辑的差分流水线结构，集成了两个高性能采样坚持扩大器和一个基准电压源，只需求供给操控时钟，其转化数据在7个时钟之后主动出现在数据端口，用于精细时序操控场合十分便利。
2.3 FPGA操控电路
FPGA是光纤电流互感器操控电路完结信号检测与闭环操控的中心。如图1所示，其首要功用是担任生成整个操控体系的操控时序;完结A/D收集操控及数据读取、存储;对收集到的数字信号按预订的解谐和积分算法进行处理，将处理后的数据在发送到阶梯波生成算法的一起，经滤波处理之后传到UART串口操控模块，完结与核算机的数据通讯;此外还要将阶梯波生成算法发生的数据与方波数据叠加后操控D/A转化器输出相应的模仿信号。FPGA操控时序如图2所示，电路上电复位后， FPGA程序加载并对外围A/D、D/A及其他程控电路及接口初始化;FPGA内部时序操控模块发生周期5 μs的调制方波，该调制方波通过D/A操控接口输出到D/A发生相同周期的模仿方波信号并操控后端光调制器上发生±π/2的相移，保证前端光纤传感部分的相位检测灵敏度最高;模数转化器前端输入信号是含有相位差信息的沟通讯号，该信号的凹凸电平差值与相位差成正比，通过检测该信号的凹凸电平差值就能够直接取得当时相位差值，然后依据前面所述理论取得对应电流巨细，该信号周期与方波周期共同。
FPGA通过时序操控单元操控A/D转化器在每个方波周期内对该信号高电平和低电平别离进行屡次采样求均匀后相减，取得该信号的解调信息即相位信息。因为前端光纤传感部分的相位差为0时标明完结一次闭环操控，因而，上述解调出的相位信息需求通过阶梯波生成算法将相位差信息转化为阶梯波台阶数据，再通过后端200 kHz固定方波和数字阶梯波叠加生成模块将该台阶数据与方波数据累加输出到D/A转化器，D/A转化器输出模仿信号驱动操控相位调制器发生抵消上述检测到的相位差信息，构成一次闭环操控。该处规划时应规划阶梯波累加判别程序，当阶梯波累加数据值超越驱动相位调制器发生2π相移时，应该减去相位调制器发生2π相移所对应值后再累加。因为该阶梯波台阶的高度反映了被测电流引起的相位差值，所以该值与被测电流也成线性联系，可将该值经数字滑润滤波后由FPGA内部规划的UART通讯接口传输到上层操控界面用于核算当时被测电流的巨细。
图2 FPGA闭环操控时序图
2.4 数模转化及驱动电路
该部分功用是把200 kHz固定方波和数字阶梯波叠加生成模块所输出的数字信号转变为模仿电压信号，通过功率驱动部分的扩大和起伏调理操控相位调制器(在D/A满量程输出时，发生的模仿电压值为相位操控器半波电压的两倍)，然后在光纤传感环中发生一个附加的反应相移，抵消掉本次闭环操控周期内检测到的相位差。D/A挑选首要考虑模仿信号输出树立时刻、增益差错、输出线性度以及分辨率几个目标。D/A输出信号树立时刻不只对闭环操控带宽具有重要影响，并且当其树立时刻较长时，会对输出阶梯波台阶的前、后沿影响很大，导致模数转化器前端输入信号的尖峰脉冲拉长，而有用采样时刻窗口变短，因而树立时刻越短越好。D/A的增益差错和输出线性度决议了输出模仿信号的差错和线性度，而模仿信号的差错和线性度施加在相位调制器上后或直接影响反应相位的操控差错，因而需挑选增益差错和输出线性度小的模数转化器。D/A的分辨率直接决议相位操控的
