郭金剛, 司 磊, 袁志軍, 林海丹, 石海鵬, 敖 明

(1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010000；2. 北京航天時代光電科技有限公司， 北京市 100094； 3. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 吉林省長春市 130000)

0 引言

基于法拉第磁光效應(yīng)原理的光纖電流互感器(fiber optical current transformer，F(xiàn)OCT)具有絕緣簡單、體積小、無鐵磁飽和、動態(tài)范圍大及測量、保護(hù)一體化等優(yōu)點(diǎn)，在新一代智能化變電站中逐步得到推廣[1-9〗。

FOCT的可靠性是用戶關(guān)注重點(diǎn)[10〗，其可靠性是智能電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。實(shí)際運(yùn)行中，光路是其可靠性薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)場出現(xiàn)的質(zhì)量問題中光路故障占大多數(shù)，因此如何全面、有效地診斷光路故障并給出告警信息，成為FOCT的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)，也是其智能化程度的一種體現(xiàn)。

目前關(guān)于FOCT光路故障自診斷技術(shù)的報道和研究不多，文獻(xiàn)[11〗對FOCT光路、CPU、采集電路進(jìn)行故障診斷分類，但并未給出具體的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[12〗采取Allan方差理論，基于輸出數(shù)據(jù)分析噪聲，根據(jù)噪聲判斷故障，因此易受信號源波動影響，診斷及時性不足。傳統(tǒng)光路在線故障檢測中，采取在光路中插入功率檢測模塊的方法進(jìn)行故障判斷[13〗，該方法會增加光路復(fù)雜程度，降低可靠性，并且只能檢測光信號強(qiáng)弱，無法判斷光信號有效性。

因此，本文提出一種FOCT光路全面故障診斷算法。在閉環(huán)調(diào)制解調(diào)方法基礎(chǔ)上，人為引入調(diào)制誤差量δ，在不增加光路復(fù)雜程度情況下，能夠解調(diào)出光路有效干涉光強(qiáng)信號，并通過光路故障診斷試驗，驗證光路故障診斷告警功能的及時性、準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)光路故障全面診斷告警方法和途徑。

1 FOCT結(jié)構(gòu)與原理

FOCT原理[14-17〗如圖1所示，光源在驅(qū)動電路作用下，發(fā)出的光經(jīng)過耦合器1進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件。光經(jīng)過Y波導(dǎo)器件起偏后，輸出兩束線偏振光進(jìn)入耦合器2，其中Y波導(dǎo)尾纖與耦合器2尾纖一端0°熔接，另一端90°熔接。兩束線偏振光進(jìn)入延遲線后，分別沿保偏光纖快軸和慢軸傳播，在經(jīng)過λ/4波片后，兩束線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚龍A偏振光，進(jìn)入敏感光纖傳播，圓偏振光傳播到反射鏡被反射后左旋變右旋，右旋變左旋，并再次反射入敏感光纖，F(xiàn)araday效應(yīng)加倍。

圖1 FOCT原理Fig.1 Principle of fiber optical current transformer

產(chǎn)生的相位差φf為[18〗：

φf=4NVA

(1)

式中：N為敏感光纖繞制圈數(shù)；V為光纖維爾德常數(shù)；A為被測電流大小。

兩束圓偏振光返回λ/4波片再次轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，并在光纖快慢軸傳播路徑互換，最后回到Y(jié)波導(dǎo)集成光學(xué)器件發(fā)生干涉，干涉光到達(dá)探測器，探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由AD采樣，并根據(jù)所施加調(diào)制信號，對數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)，輸出電流信號、調(diào)制誤差信號，同時產(chǎn)生調(diào)制信號、反饋階梯波，最后將調(diào)制信號、階梯波、調(diào)制誤差信號疊加后共同反饋施加到Y(jié)波導(dǎo)器件上，完成數(shù)字閉環(huán)控制。

FOCT光路互易性良好，干涉光的相位差僅由電流產(chǎn)生的磁場引起。干涉光信號最終經(jīng)探測器轉(zhuǎn)化輸出電信號，可以表示為[19〗：

Sn=κ(In+I0+I0cos(φ(t)+φf))

(2)

式中：κ為探測器光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；In為噪聲光強(qiáng)；I0為干涉光強(qiáng)；φ(t)為所加調(diào)制信號。

2 光路告警方法分析

從式(2)中可以看出，探測器輸出信號包含交流量與直流量，其中交流量為：

Sn,ac=κI0cos(φ(t)+φf)

(3)

交流量包含由被測電流產(chǎn)生磁場所引起的相位信息，其強(qiáng)度隨被測電流的大小變化，用來解調(diào)被測電流大小及調(diào)制誤差量。

直流量為：

Sn,dc=κ(In+I0)

(4)

直流中包含有噪聲光強(qiáng)In和干涉光強(qiáng)I0：In代表光路中偏振串音、背向反射等非干涉光強(qiáng)；I0代表載有電流引起相位差信息的有效干涉光強(qiáng)。通常情況下，I0遠(yuǎn)大于In，因此直流量可以反映光路中光源功率衰減、光學(xué)器件插入損耗劣化、光纜斷裂等引起的光路整體損耗變化情況[20〗。

Sn,dc大小用來作為光路故障告警信號，能夠診斷出光路故障。但這種方法并不全面，當(dāng)耦合器1內(nèi)部耦合臂斷裂或輸出端光纖斷裂時，端面將光源光強(qiáng)直接反射回探測器，此時光路有效干涉光強(qiáng)I0減小，而非干涉光強(qiáng)In增大，整體表現(xiàn)為Sn,dc增大或不變，此時以Sn,dc為光路告警值，將會出現(xiàn)故障漏診情況。

全面診斷出光路故障，應(yīng)以有效干涉光強(qiáng)I0為光路故障診斷信號，I0的大小反映了整個光路的信噪情況、傳感信息、偏振劣化等全部故障情況。有效干涉光強(qiáng)I0不能直接測量得到，需要從交流部分通過特定的調(diào)制解調(diào)方法計算得到。

3 有效干涉光強(qiáng)調(diào)制解調(diào)方法

3.1 調(diào)制方法

在方波調(diào)制解調(diào)[21〗基礎(chǔ)上，人為周期性引入誤差量，周期為2τ，其中τ為光路本征周期，調(diào)制波形如附錄A圖A1所示。

根據(jù)方波調(diào)制原理，并考慮Y波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)制誤差，在未引入人為誤差周期內(nèi)施加至Y波導(dǎo)的調(diào)制電壓引起兩干涉光產(chǎn)生的相位差為：

φ(t)=

(5)

式中：ε為Y波導(dǎo)調(diào)制誤差[22〗；φ0為π/2;n=0，1，…。

在施加人為調(diào)制誤差量周期內(nèi)，施加至Y波導(dǎo)的調(diào)制電壓引起的兩干涉光產(chǎn)生的相位差為：

(6)

3.2 解調(diào)算法

探測器將干涉光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，隔直后僅交流部分Sn,ac通過。由于Sn,ac為微弱信號，在進(jìn)行噪聲抑制并信號放大后由AD進(jìn)行采樣。具體調(diào)制方法如附錄A圖A2所示。數(shù)據(jù)解調(diào)控制AD采樣時序，在調(diào)制波正、負(fù)周期上各采n個點(diǎn)，進(jìn)行求和并平均。

根據(jù)式(3)、式(5)，在不施加人為調(diào)制誤差量δ時，調(diào)制波形正、負(fù)周期采樣均值K10和K20分別為：

(7)

(8)

式中：α為AD轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)式(3)、式(6)，在施加人為調(diào)制誤差量δ時，調(diào)制波形正、負(fù)周期采樣均值K11和K21分別為：

(9)

(10)

將cos函數(shù)化簡為sin函數(shù)，由于δ，ε，φf均為極小量，取sinθ≈θ[23〗，并對式(7)至式(10)進(jìn)行化簡，得到

(11)

(12)

(13)

(14)

根據(jù)式(11)、式(12)，在不施加人為調(diào)制誤差量周期，進(jìn)行φf及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差量解調(diào)。計算Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號ε為：

(15)

計算電流信號φf為：

(16)

根據(jù)式(13)、式(14)，在施加人為調(diào)制誤差量周期，進(jìn)行φf及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差量解調(diào)。計算Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號ε為：

(17)

計算電流信號φf為：

(18)

根據(jù)式(11)、式(13)、式(15)，計算有效干涉光強(qiáng)I0為：

(19)

根據(jù)上述理論推導(dǎo)，人為調(diào)制誤差量δ的引入，并不影響原來電流信號及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號ε的解調(diào)。干涉光強(qiáng)I0解調(diào)出來后，可以作為光路告警信號，監(jiān)控光路狀態(tài)，提供光路故障信息。

3.3 光路故障告警診斷方法

干涉光強(qiáng)I0包含電流大小變化信息，同時反映互易光路整體狀態(tài)。光路狀態(tài)的優(yōu)劣必將會在干涉光強(qiáng)中顯現(xiàn)出來，并對解調(diào)電流準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此以干涉光強(qiáng)大小與電流準(zhǔn)確性來對應(yīng)，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行光路故障診斷。

有效干涉光強(qiáng)I0解調(diào)后，以光纖電流互感器調(diào)試正常工作時的有效干涉光強(qiáng)為基準(zhǔn)量，并設(shè)置光路故障告警閾值參數(shù)Ith。當(dāng)有效干涉光強(qiáng)I0降低到一定程度，導(dǎo)致FOCT出現(xiàn)比差、角差超出GBT20840.8標(biāo)準(zhǔn)0.2級要求時，對應(yīng)有效干涉光強(qiáng)為Ifa，以大于Ifa數(shù)值量20%為故障告警閾值Ith。

當(dāng)I0>Ith時，F(xiàn)OCT處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)I0≤Ith時，輸出故障告警信號，見附錄A圖A3。

4 試驗驗證及結(jié)果

4.1 FOCT常溫與高低溫準(zhǔn)確度測試

在室溫條件下，對采用該光路故障診斷告警方法的光纖電流互感器進(jìn)行比差、角差準(zhǔn)確度測試。被測FOCT額定電流為1 kA，分別在5%，20%，100%，120%額定電流下測試并與標(biāo)準(zhǔn)互感器進(jìn)行校驗[24〗，每10個周期校驗一次，校驗結(jié)果如圖2(a)(b)所示。結(jié)果表明FOCT滿足GBT20840.8標(biāo)準(zhǔn)0.2級準(zhǔn)確度要求，光路故障診斷告警方法同樣不影響FOCT常溫準(zhǔn)確度及線性度。

圖2 常溫準(zhǔn)確度及溫度穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.2 Test results of room temperature accuracy and temperature stability of FOCT

在-40 ℃～+70 ℃范圍對FOCT產(chǎn)品進(jìn)行溫度建模補(bǔ)償后，采用光路故障診斷方法進(jìn)行穩(wěn)定性測試，選擇在-40，-10，20，45，70 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行測試，測試電流為1 kA，測試結(jié)果如圖2(c)(d)所示。從圖中可以看出，全溫范圍內(nèi)互感器比差在±0.1%范圍內(nèi)，角差在±5′范圍內(nèi)，滿足GBT20840.8標(biāo)準(zhǔn)0.2級準(zhǔn)確度要求，光路故障診斷告警方法不影響FOCT產(chǎn)品溫度模型和溫度穩(wěn)定性。

4.2 光路衰減故障告警試驗

利用光源輸出功率大小來模擬FOCT光路損耗變化，進(jìn)行光路損耗故障模擬實(shí)驗。具體方法是在FOCT正常工作狀態(tài)下，輸入額定1 kA電流并進(jìn)行校驗，同時緩慢調(diào)節(jié)光源驅(qū)動電流，控制光源輸出功率逐漸降低[25〗，模擬光路損耗逐漸增加，直至FOCT比差、角差輸出超差，在此過程中測試FOCT解調(diào)輸出干涉光強(qiáng)I0數(shù)字量、告警狀態(tài)信息，同時再通過耦合器1空頭檢測光源功率，測試結(jié)果見表1。表1中干涉光強(qiáng)I0是解調(diào)數(shù)字量，并無量綱，按照解調(diào)數(shù)字量大小與互感器比差、角差校驗情況進(jìn)行對比，干涉光強(qiáng)I0數(shù)字量為102時對應(yīng)Ifa，數(shù)字量為143附近時對應(yīng)Ith。從結(jié)果可以看出，告警方法能夠及時診斷光路損耗故障，測試結(jié)果與附錄A圖A3預(yù)期吻合。

表1 光路衰減故障告警試驗結(jié)果Table 1 Test results of fault alarm for optical path attenuation

4.3 光路瞬間損壞告警試驗

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行需要，進(jìn)行FOCT光路瞬間損壞情況測試。在瞬間損壞的情況下，測試有效干涉光強(qiáng)數(shù)字量大小及判斷告警信息，驗證光路故障診斷告警方法的準(zhǔn)確性、及時性。實(shí)驗分別進(jìn)行光纜剪斷、光源驅(qū)動電路失效、探測器失效實(shí)驗，查看故障告警情況。測試結(jié)果見附錄A表A1。測試結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確進(jìn)行光路瞬時故障告警并及時給出告警信息。

4.4 光路偏態(tài)劣化故障告警試驗

通過FOCT光路中各器件、部組件之間保偏光纖的熔接點(diǎn)的熔接角度變化，來模擬光路及光學(xué)器件偏振串音劣化情況，在不同的熔接角度下測試有效干涉光強(qiáng)I0大小、測試光路告警情況及探測器返回電壓。測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，所述方法能夠診斷出熔接角度引起的偏振串?dāng)_造成的光路故障。

表2 光路偏振態(tài)劣化告警實(shí)驗Table 2 Alarm test of light path polarization deterioration

4.5 耦合器1尾纖斷裂故障告警試驗

人為造成FOCT光路耦合器1與Y波導(dǎo)連接尾纖以不同的方式斷裂，在此情況下光纖斷面將光源輸出光反射回探測器，在不同情況下測試探測器返回電壓、干涉光強(qiáng)大小及告警信息，結(jié)果見表3。測試結(jié)果表明，耦合器1輸出端尾纖斷裂有可能引起探測器電壓變化并不明顯，也即到達(dá)探測器的直流光強(qiáng)并沒有明顯減弱，但故障已經(jīng)形成，此時若以達(dá)到探測器光強(qiáng)的直流量為故障告警依據(jù)，將出現(xiàn)光路故障漏診斷情況，但采用干涉光強(qiáng)I0作為故障告警診斷方式能夠有效診斷該故障模式，并給出告警信息。

表3 耦合器1輸出端尾纖斷裂故障告警測試結(jié)果Table 3 Test results of fault alarm for pigtail fracture on coupler 1 output end

5 結(jié)語

本文給出了光纖電流互感器光路告警的方法并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。通過對有效干涉光強(qiáng)的檢測，實(shí)現(xiàn)FOCT光路故障的監(jiān)控。實(shí)驗結(jié)果表明，干效光強(qiáng)全面反映了光路各種故障，能夠及時有效地進(jìn)行光路故障診斷告警，避免故障漏診情況發(fā)生。干涉光強(qiáng)對光路緩慢衰減故障、瞬時故障[26〗均能及時診斷，實(shí)際應(yīng)用中可以利用干涉光強(qiáng)變化快慢及大小情況，對光路故障進(jìn)行提前預(yù)警，在產(chǎn)品尚未出現(xiàn)故障時，給出維修信息，對電力系統(tǒng)的可靠性提供信息支持。

需要指出的是，干涉光強(qiáng)雖然能夠診斷出光路損耗增加、偏振態(tài)劣化、光學(xué)器件損壞、光纖斷裂等故障模式，但并不能判斷上述故障模式類型和故障位置。如何區(qū)分故障類型、確定故障位置及提高FOCT智能化程度，將是下一步研究的內(nèi)容和方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。