用于特高压直流输电工程的全光纤电流互感器分析

01   导读

特高压技术作为我国原创、世界领先、具有自主知识产权的重大创新，破解了远距离、大容量、低损耗输电世界难题，是构建特大型互联电网、实现清洁能源在全国范围高效优化配置的核心技术。直流电流互感器（CT）是特高压直流换流站的关键设备之一，其主要作用是测量直流电流并将测量结果传至直流控制保护设备。直流电流互感器的测量精度、动态范围、暂态特性及绝缘可靠性等性能指标直接关系到特高压换流站的运行质量。在实际运行中，全光纤CT易受温度、振动、干扰、光路损耗等多种因素的影响，光源、光纤、光电探测器、调制器等光电元件在室外长期的高低温、湿热等环境的作用下容易发生老化，进而造成测量准确度下降甚至故障。

为提升换流站中全光纤CT的运行稳定性，从2019年以来，华中科技大学光电学院夏历教授课题组和国网公司开展了深入合作，从互感器关键部件的物理特性、现场故障特征统计特性出发，通过现场故障情况收集、实验室故障模拟等手段，对全光纤CT故障的影响因素及故障机理进行分析验证。与此同时，针对现有互感方案中复杂的光偏振态演变及影响问题，提出了高效可行的理论分析方法。研究工作还包括探索了在同一光路下电流和环境参量同时检测的可行性，总结了有效的互感器误差补偿方法，展示了几种全光纤电流检测新方案。

课题组近年来的研究工作为增强FOCT挂网运行的抗干扰能力、扩大FOCT的可探测范围奠定了良好的理论设计基础，并且在该方向的研究成果荣获2021年湖北省科技进步三等奖和2021年中国电力科学研究院有限公司科学技术进步二等奖（项目名称：高可靠性光纤电流互感器国产化与实用化关键技术及工程应用），以及2023年度电力科技创新奖（成果名称：高耐候高可靠性光纤电流互感器关键技术及应用），有望推动光纤电流传感器成为真正意义上的“电力系统的护航者”。

 02   研究背景

随着我国经济建设的迅猛发展，传统的交流电网送电距离有限，不能完全满足电能输送需求。为将西部丰富的水电资源向东部负荷中心输送，我国已建成多条特高压直流输电线路。另一方面，为实现“碳达峰、碳中和”的目标，大量风电、光伏接入电网，促使高压柔性直流输电技术迅猛发展。国家电网公司正通过特高压直流输电和高压柔性直流输电技术引领中国能源互联网建设，以能源零碳革命引领全社会加速脱碳。

特高压直流输电系统的稳定运行很大程度上取决于换流站配置的直流控制保护及监视系统，而直流控制保护及监视系统又依赖于换流站测量设备在系统稳态和暂态条件下的准确度及可靠性。2012年在苏州站首次在直流工程中使用全光纤CT，近几年随着全光纤CT在新建工程中大量使用，其配置量也逐年上升，截止目前，国网公司各换流站共配置全光纤CT超过2000台，在全部类型直流电流互感器中的占比超过30%。相对于交流系统，换流站内短路故障、直流线路接地故障、交流系统故障、滤波器、电容器组投切操作等直流系统中的电磁环境更加复杂，容易对全光纤CT的弱电系统产生的电磁干扰，严重影响换流站的安全稳定运行。以2020年统计为例，国网下辖换流站全光纤CT共发生故障43次，导致直流闭锁1次，临停1次。全光纤CT故障已成为影响直流系统可靠稳定运行的重要因素之一。

为提高换流站中全光纤CT的运行稳定性，需深入分析其工作原理，给出导致其出现故障的深层机理及故障现象；围绕其故障机理及故障现象特征，从互感器关键部件的物理特性、现场故障特征统计特性出发，通过现场故障情况收集、实验室故障模拟等手段，对全光纤CT故障的影响因素及故障机理进行分析验证，针对不同影响因素造成全光纤CT测量故障的机理特性，给出提升其运行可靠性的有效措施，确保换流站内直流测量设备的安全稳定运行。  

03   课题组近年来主要研究成果

3.1 FOCT中的偏振演变分析方法

a. 提出旋转光纤Mueller矩阵模型：

采用微元法的思想提出了旋转光纤Mueller矩阵模型，为旋转光纤在FOCS中的应用提供了理论基础和设计指导。



图2 利用微分元法研究了旋转光纤和向列液晶

图源: Optics Communications (2021).

b. 利用等效介电张量对双折射模型进行优化：

采用计算数值仿真，引入压缩因子，快速高效分析旋转光纤中的偏振演化状况，模拟环境因素对于传感光纤保圆效果影响。

表1 等效仿真和直接仿真对比

表源: Optics Communications (2021).

3.2 双参量同时检测技术

a. 交/直流双参量同时解调：

电力传输线中的电流往往包含着直流与交流分量，这些电流数据对电力传输状态的检测尤为关键。利用光纤布拉格光栅（FBG）与磁致伸缩材料，结合创新的解调算法，可以实现对待测电流的直流分量和交流分量同时测量。

图3 FBG-GMM 传感器示意图

图源: Applied Optics (2021).

b. 电流和环境振动同时检测技术：

通过共用FOCT光路中的主要光学器件，降低成本，实现布设环境下振动信息的实时监测，可以提高电流检测准确性，提升智能电网运行可靠性。 



图4 光纤电流-振动测量系统。插图为两个单元的偏振变化过程

图源: Optics & Laser Technology (2023).

3.3 互感器误差补偿方法

a. 提出一种基于神经网络的微弱电流传感误差补偿方法：

将特高压系统中的额定电流3000A的商用FOCT直接运用到微弱电流测试中，当环境温度从-30 ℃变化到70 ℃时，FOCT可以进行低至0.1 A的微弱电流传感，输出误差通过神经网络训练稳定地控制在±0.2%之间，这对扩大FOCT的可探测范围和拓展FOCT的适用领域具有重要意义。



图5 不同电流有效值下测量数据经滤波器处理的结果

图源: Optics & Laser Technology (2022).

b. 提出一种基于反向传播神经网络的短时电流解调方法：

该解调方法可以高分辨率地确定短时间序列弱电流的幅值和准确性，大大减少噪声对测量的影响，为提高FOCT在快速动态测量中的检测性能提供了一种有效的途径。



图6 短时电流解调方法的架构图

图源: Optics & Laser Technology (2022).

3.4 电流互感新方案

a. 自补偿型光纤电流传感器：

在实际电网应用中，温度变化、环境振动等不可控因素会使传感器光纤中椭圆双折射误差、偏振串音误差、维尔德常数波动误差等频繁、随机地出现。该工作中通过正交补偿的方案，提出了一种同时消除多种干扰影响的自补偿型光纤电流传感器。

 

图7 自补偿型光纤电流传感器原理图

图源: Journal of Lightwave Technology (2021).

b. 全光纤相移衰荡电流感知技术：

该方案具有以下特点：非偏振系统、抗环境干扰、成本降低、灵敏度高，适用于远至数公里量级电流无源监测应用场景。



图8 PS-FLRD系统。插图: 法拉第旋转角度引起的光强变化

图源: Optics Letters (2023).

c. 用于全光纤电流传感的差分自乘法解调算法：

该解调算法利用锁相放大器生成的一、三阶信号取代传统一、二阶，在光路结构不变基础上，屏蔽调制深度的变化影响，提升了相位解调稳定性和抗干扰能力。



图9 DSM 解调算法示意图

图源: Optics & Laser Technology (2024).

审核编辑：刘清