基于多参数温变控制的闭合光路的光学电压传感方法研究

Aiming at the bottle problem of temperature sensitivity in the application of optical voltage sensor, this project focuses on the analysis of the novel optical voltage sensing method based on the multiparameter temperature-control of closed optical path, so that we can solve the crucial technological problems that emerge in the progress from experimental stage to practical stage. First, we propose a novel closed optical path scheme which can eliminate the temperature error by reciprocal property and redouble the Pockels phase. Thus, the capacity of resisting disturbance can be enhanced in the voltage-sensing principle. Second, we analyze the principle of key optical parameters’ variation with temperature inducing the deterioration of reciprocity. And investigate the quantitative relationship between the optical parameter and temperature error, which can provide theoretical guidance for the optimization of voltage-sensing optical path and analysis of optical parameter variation with temperature. Finally, we analyze the control algorithm with multiple independent loops in order to control the key optical parameters respectively and guarantee the variations with temperature as small as possible, while the main closed-loop control algorithm is investigated to suppress the optical parameter vibration. By distributed network control method, we want to realize the temperature robust for AC and DC optical voltage sensing method. This project can provide theoretical basis and technological base for the realization of high dynamic and high precision optical voltage sensor, and enhance the application of optical voltage sensing technology in the complex temperature environment of smart grid.

本项目针对光学电压传感器目前面临的温度敏感问题，重点研究基于多参数温变控制的闭合光路的新型光学电压传感方法，拟解决光学电压传感技术由实验向应用中遇到的关键科学问题。首先，提出了具有互易性的温度误差相互抵消且双Pockels效应的新型闭合光路传感方案，从电压敏感机理上提高系统的抗干扰能力；其次，研究该新型传感器由于关键光学参数随温度变化导致其互易性退化的机理，并量化分析光学参数与温度误差之间的关系，为敏感电压的光路方案优化及光学参数温变控制研究提供理论指导；最后，研究多独立回路控制算法分别控制各关键光学参数使其尽量小的随温度波动，并构建主闭环控制算法抑制光学参数波动，通过分布式网络控制算法最终实现交、直流光学电压传感方法的温度鲁棒性。本项目的成功研究，将为高精度、高性能光学电压传感器的实现提供理论依据和技术基础，对于推进光学电压传感技术在复杂温变环境的智能电网中的应用具有重要价值。

针对光学电压传感器目前面临的温度敏感问题，本项目研究了基于多参数温变控制的闭合光路的光学电压传感方法以实现高动态与温度鲁棒的光学电压传感器，推进光学电压传感技术在复杂温变环境的智能电网中的应用。. 首先，分析了双Pockels效应光学电压传感器的光路传感原理，并研究了该电压传感器由于光学参数随温度变化导致其互易性退化的机理，进而建立了光学参数与温度误差之间的量化模型，得到了传感单元中影响检测精度的光学参数的设计指标和影响温度稳定性的主要因素，为敏感电压的光路方案的优化及光学参数温变控制的研究提供理论指导。然后，基于双Pockels效应闭合光路的光学电压传感机理的研究结果，完成了光学电压传感器的误差分析综合辅助设计平台研究，建立了以最大程度上保证其互易性的光学电压传感的闭合光路设计方法，并完成了光学电压传感器的结构设计及制作。最后，根据光学参数与传感器温度性能指标之间的量化关系，研究了关键光学参数的多独立回路控制算法，使关键光学参数尽量小的随温度波动，并考虑光学参数不确定性与光路噪声通过分布式网络控制算法研究了主闭环控制算法从而抑制了光学参数波动，最终实现了光学电压传感方法的高动态、高精度、高温度鲁棒性的指标要求。 .完成了该新型光学电压传感器试验样机的研制，并进行了静态、动态和温度性能的试验验证。试验测试结果表明该新型光学电压传感器试验样机完全满足电子式电压传感器标准IEC 60044-7的0.2级要求，静态测试精度达到±0.1%，全温精度达到±0.2%，闭环控制带宽提高到了24.5KHz，动态响应上升时间缩短到25.2μs，13次谐波测量精度误差为1.57%，相位误差为4.24°，完成了研究目标并达到了设计要求。本项目共发表（含收录）科技论文7篇，其中SCI收录5篇，EI收录2篇。获国家发明专利8项，其中5项已授权。