用于特高壓直流輸電工程的全光纖電流互感器分析

01導讀

特高壓技術作為我國原創、世界領先、具有自主知識產權的重大創新，破解了遠距離、大容量、低損耗輸電世界難題，是構建特大型互聯電網、實現清潔能源在全國范圍高效優化配置的核心技術。直流電流互感器（CT）是特高壓直流換流站的關鍵設備之一，其主要作用是測量直流電流并將測量結果傳至直流控制保護設備。直流電流互感器的測量精度、動態范圍、暫態特性及絕緣可靠性等性能指標直接關系到特高壓換流站的運行質量。在實際運行中，全光纖CT易受溫度、振動、干擾、光路損耗等多種因素的影響，光源、光纖、光電探測器、調制器等光電元件在室外長期的高低溫、濕熱等環境的作用下容易發生老化，進而造成測量準確度下降甚至故障。

為提升換流站中全光纖CT的運行穩定性，從2019年以來，華中科技大學光電學院夏歷教授課題組和國網公司開展了深入合作，從互感器關鍵部件的物理特性、現場故障特征統計特性出發，通過現場故障情況收集、實驗室故障模擬等手段，對全光纖CT故障的影響因素及故障機理進行分析驗證。與此同時，針對現有互感方案中復雜的光偏振態演變及影響問題，提出了高效可行的理論分析方法。研究工作還包括探索了在同一光路下電流和環境參量同時檢測的可行性，總結了有效的互感器誤差補償方法，展示了幾種全光纖電流檢測新方案。

課題組近年來的研究工作為增強FOCT掛網運行的抗干擾能力、擴大FOCT的可探測范圍奠定了良好的理論設計基礎，并且在該方向的研究成果榮獲2021年湖北省科技進步三等獎和2021年中國電力科學研究院有限公司科學技術進步二等獎（項目名稱：高可靠性光纖電流互感器國產化與實用化關鍵技術及工程應用），以及2023年度電力科技創新獎（成果名稱：高耐候高可靠性光纖電流互感器關鍵技術及應用），有望推動光纖電流傳感器成為真正意義上的“電力系統的護航者”。

02研究背景

隨著我國經濟建設的迅猛發展，傳統的交流電網送電距離有限，不能完全滿足電能輸送需求。為將西部豐富的水電資源向東部負荷中心輸送，我國已建成多條特高壓直流輸電線路。另一方面，為實現“碳達峰、碳中和”的目標，大量風電、光伏接入電網，促使高壓柔性直流輸電技術迅猛發展。國家電網公司正通過特高壓直流輸電和高壓柔性直流輸電技術引領中國能源互聯網建設，以能源零碳革命引領全社會加速脫碳。

特高壓直流輸電系統的穩定運行很大程度上取決于換流站配置的直流控制保護及監視系統，而直流控制保護及監視系統又依賴于換流站測量設備在系統穩態和暫態條件下的準確度及可靠性。2012年在蘇州站首次在直流工程中使用全光纖CT，近幾年隨著全光纖CT在新建工程中大量使用，其配置量也逐年上升，截止目前，國網公司各換流站共配置全光纖CT超過2000臺，在全部類型直流電流互感器中的占比超過30%。相對于交流系統，換流站內短路故障、直流線路接地故障、交流系統故障、濾波器、電容器組投切操作等直流系統中的電磁環境更加復雜，容易對全光纖CT的弱電系統產生的電磁干擾，嚴重影響換流站的安全穩定運行。以2020年統計為例，國網下轄換流站全光纖CT共發生故障43次，導致直流閉鎖1次，臨停1次。全光纖CT故障已成為影響直流系統可靠穩定運行的重要因素之一。

為提高換流站中全光纖CT的運行穩定性，需深入分析其工作原理，給出導致其出現故障的深層機理及故障現象；圍繞其故障機理及故障現象特征，從互感器關鍵部件的物理特性、現場故障特征統計特性出發，通過現場故障情況收集、實驗室故障模擬等手段，對全光纖CT故障的影響因素及故障機理進行分析驗證，針對不同影響因素造成全光纖CT測量故障的機理特性，給出提升其運行可靠性的有效措施，確保換流站內直流測量設備的安全穩定運行。

03 課題組近年來主要研究成果

3.1 FOCT中的偏振演變分析方法

a.提出旋轉光纖Mueller矩陣模型：

采用微元法的思想提出了旋轉光纖Mueller矩陣模型，為旋轉光纖在FOCS中的應用提供了理論基礎和設計指導。



圖2利用微分元法研究了旋轉光纖和向列液晶

圖源: Optics Communications(2021).

b. 利用等效介電張量對雙折射模型進行優化：

采用計算數值仿真，引入壓縮因子，快速高效分析旋轉光纖中的偏振演化狀況，模擬環境因素對于傳感光纖保圓效果影響。

表1等效仿真和直接仿真對比

表源: Optics Communications(2021).

3.2 雙參量同時檢測技術

a.交/直流雙參量同時解調：

電力傳輸線中的電流往往包含著直流與交流分量，這些電流數據對電力傳輸狀態的檢測尤為關鍵。利用光纖布拉格光柵（FBG）與磁致伸縮材料，結合創新的解調算法，可以實現對待測電流的直流分量和交流分量同時測量。

圖3FBG-GMM 傳感器示意圖

圖源: Applied Optics(2021).

b.電流和環境振動同時檢測技術：

通過共用FOCT光路中的主要光學器件，降低成本，實現布設環境下振動信息的實時監測，可以提高電流檢測準確性，提升智能電網運行可靠性。



圖4光纖電流-振動測量系統。插圖為兩個單元的偏振變化過程

圖源: Optics & Laser Technology(2023).

3.3互感器誤差補償方法

a. 提出一種基于神經網絡的微弱電流傳感誤差補償方法：

將特高壓系統中的額定電流3000A的商用FOCT直接運用到微弱電流測試中，當環境溫度從-30 ℃變化到70 ℃時，FOCT可以進行低至0.1 A的微弱電流傳感，輸出誤差通過神經網絡訓練穩定地控制在±0.2%之間，這對擴大FOCT的可探測范圍和拓展FOCT的適用領域具有重要意義。



圖5不同電流有效值下測量數據經濾波器處理的結果

圖源: Optics & Laser Technology(2022).

b. 提出一種基于反向傳播神經網絡的短時電流解調方法：

該解調方法可以高分辨率地確定短時間序列弱電流的幅值和準確性，大大減少噪聲對測量的影響，為提高FOCT在快速動態測量中的檢測性能提供了一種有效的途徑。



圖6短時電流解調方法的架構圖

圖源: Optics & Laser Technology(2022).

3.4 電流互感新方案

a.自補償型光纖電流傳感器：

在實際電網應用中，溫度變化、環境振動等不可控因素會使傳感器光纖中橢圓雙折射誤差、偏振串音誤差、維爾德常數波動誤差等頻繁、隨機地出現。該工作中通過正交補償的方案，提出了一種同時消除多種干擾影響的自補償型光纖電流傳感器。



圖7自補償型光纖電流傳感器原理圖

圖源: Journal of Lightwave Technology(2021).

b. 全光纖相移衰蕩電流感知技術：

該方案具有以下特點：非偏振系統、抗環境干擾、成本降低、靈敏度高，適用于遠至數公里量級電流無源監測應用場景。



圖8PS-FLRD系統。插圖: 法拉第旋轉角度引起的光強變化

圖源: Optics Letters(2023).

c. 用于全光纖電流傳感的差分自乘法解調算法：

該解調算法利用鎖相放大器生成的一、三階信號取代傳統一、二階，在光路結構不變基礎上，屏蔽調制深度的變化影響，提升了相位解調穩定性和抗干擾能力。



圖9DSM 解調算法示意圖

圖源: Optics & Laser Technology(2024).

審核編輯：劉清