郭金剛, 司 磊, 袁志軍, 林海丹, 石海鵬, 敖 明

(1. 國(guó)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(shí)代光電科技有限公司， 北京市 100094； 3. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 吉林省長(zhǎng)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(jiǎn)單、體積小、無(wú)鐵磁飽和、動(dòng)態(tài)范圍大及測(cè)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(chǎng)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)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(bào)道和研究不多，文獻(xiàn)[11〗對(duì)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(hào)源波動(dòng)影響，診斷及時(shí)性不足。傳統(tǒng)光路在線故障檢測(cè)中，采取在光路中插入功率檢測(cè)模塊的方法進(jìn)行故障判斷[13〗，該方法會(huì)增加光路復(fù)雜程度，降低可靠性，并且只能檢測(cè)光信號(hào)強(qiáng)弱，無(wú)法判斷光信號(hào)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(hào)，并通過(guò)光路故障診斷試驗(yàn)，驗(yàn)證光路故障診斷告警功能的及時(shí)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(dòng)電路作用下，發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器1進(jìn)入Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件。光經(jīng)過(guò)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(guò)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(shuō)為[18〗：

φf(shuō)=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(cè)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(cè)器，探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由AD采樣，并根據(jù)所施加調(diào)制信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出電流信號(hào)、調(diào)制誤差信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)、反饋階梯波，最后將調(diào)制信號(hào)、階梯波、調(diào)制誤差信號(hào)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(chǎng)引起。干涉光信號(hào)最終經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)化輸出電信號(hào)，可以表示為[19〗：

Sn=κ(In+I0+I0cos(φ(t)+φf(shuō)))

(2)

式中：κ為探測(cè)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(hào)。

2 光路告警方法分析

從式(2)中可以看出，探測(cè)器輸出信號(hào)包含交流量與直流量，其中交流量為：

Sn,ac=κI0cos(φ(t)+φf(shuō))

(3)

交流量包含由被測(cè)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)所引起的相位信息，其強(qiáng)度隨被測(cè)電流的大小變化，用來(lái)解調(diào)被測(cè)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(lái)作為光路故障告警信號(hào)，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(shí)，端面將光源光強(qiáng)直接反射回探測(cè)器，此時(shí)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(shí)以Sn,dc為光路告警值，將會(huì)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(hào)，I0的大小反映了整個(gè)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(cè)量得到，需要從交流部分通過(guò)特定的調(diào)制解調(diào)方法計(jì)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(cè)器將干涉光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，隔直后僅交流部分Sn,ac通過(guò)。由于Sn,ac為微弱信號(hào)，在進(jìn)行噪聲抑制并信號(hào)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(shí)序，在調(diào)制波正、負(fù)周期上各采n個(gè)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(shí)，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(shí)，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(jiǎn)為sin函數(shù)，由于δ，ε，φf(shuō)均為極小量，取sinθ≈θ[23〗，并對(duì)式(7)至式(10)進(jìn)行化簡(jiǎn)，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(shuō)及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差量解調(diào)。計(jì)算Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號(hào)ε為：

(15)

計(jì)算電流信號(hào)φf(shuō)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(shuō)及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差量解調(diào)。計(jì)算Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號(hào)ε為：

(17)

計(jì)算電流信號(hào)φf(shuō)為：

(18)

根據(jù)式(11)、式(13)、式(15)，計(jì)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(lái)電流信號(hào)及Y波導(dǎo)調(diào)制誤差信號(hào)ε的解調(diào)。干涉光強(qiáng)I0解調(diào)出來(lái)后，可以作為光路告警信號(hào)，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(shí)反映互易光路整體狀態(tài)。光路狀態(tài)的優(yōu)劣必將會(huì)在干涉光強(qiáng)中顯現(xiàn)出來(lái)，并對(duì)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(lái)對(duì)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(shí)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(jí)要求時(shí)，對(duì)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(shí)，F(xiàn)OCT處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)I0≤Ith時(shí)，輸出故障告警信號(hào)，見(jiàn)附錄A圖A3。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

4.1 FOCT常溫與高低溫準(zhǔn)確度測(cè)試

在室溫條件下，對(duì)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(cè)試。被測(cè)FOCT額定電流為1 kA，分別在5%，20%，100%，120%額定電流下測(cè)試并與標(biāo)準(zhǔn)互感器進(jìn)行校驗(yàn)[24〗，每10個(gè)周期校驗(yàn)一次，校驗(yàn)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(jí)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(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of room temperature accuracy and temperature stability of FOCT

在-40 ℃～+70 ℃范圍對(duì)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(cè)試，選擇在-40，-10，20，45，70 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電流為1 kA，測(cè)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(jí)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(yàn)

利用光源輸出功率大小來(lái)模擬FOCT光路損耗變化，進(jìn)行光路損耗故障模擬實(shí)驗(yàn)。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(yàn)，同時(shí)緩慢調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)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(guò)程中測(cè)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(shí)再通過(guò)耦合器1空頭檢測(cè)光源功率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表1中干涉光強(qiáng)I0是解調(diào)數(shù)字量，并無(wú)量綱，按照解調(diào)數(shù)字量大小與互感器比差、角差校驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比，干涉光強(qiáng)I0數(shù)字量為102時(shí)對(duì)應(yīng)Ifa，數(shù)字量為143附近時(shí)對(duì)應(yīng)Ith。從結(jié)果可以看出，告警方法能夠及時(shí)診斷光路損耗故障，測(cè)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(yàn)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(yàn)

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

4.4 光路偏態(tài)劣化故障告警試驗(yàn)

通過(guò)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(lái)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(cè)試有效干涉光強(qiáng)I0大小、測(cè)試光路告警情況及探測(cè)器返回電壓。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(yàn)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(yàn)

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(cè)器，在不同情況下測(cè)試探測(cè)器返回電壓、干涉光強(qiáng)大小及告警信息，結(jié)果見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果表明，耦合器1輸出端尾纖斷裂有可能引起探測(cè)器電壓變化并不明顯，也即到達(dá)探測(cè)器的直流光強(qiáng)并沒(méi)有明顯減弱，但故障已經(jīng)形成，此時(shí)若以達(dá)到探測(cè)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(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of fault alarm for pigtail fracture on coupler 1 output end

5 結(jié)語(yǔ)

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(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)有效干涉光強(qiáng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)FOCT光路故障的監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)光路緩慢衰減故障、瞬時(shí)故障[26〗均能及時(shí)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(duì)光路故障進(jìn)行提前預(yù)警，在產(chǎn)品尚未出現(xiàn)故障時(shí)，給出維修信息，對(duì)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(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。