01導(dǎo)讀

特高壓技術(shù)作為我國原創(chuàng)、世界領(lǐng)先、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大創(chuàng)新，破解了遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電世界難題，是構(gòu)建特大型互聯(lián)電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)清潔能源在全國范圍高效優(yōu)化配置的核心技術(shù)。直流電流互感器（CT）是特高壓直流換流站的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要作用是測(cè)量直流電流并將測(cè)量結(jié)果傳至直流控制保護(hù)設(shè)備。直流電流互感器的測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)范圍、暫態(tài)特性及絕緣可靠性等性能指標(biāo)直接關(guān)系到特高壓換流站的運(yùn)行質(zhì)量。在實(shí)際運(yùn)行中，全光纖CT易受溫度、振動(dòng)、干擾、光路損耗等多種因素的影響，光源、光纖、光電探測(cè)器、調(diào)制器等光電元件在室外長期的高低溫、濕熱等環(huán)境的作用下容易發(fā)生老化，進(jìn)而造成測(cè)量準(zhǔn)確度下降甚至故障。

為提升換流站中全光纖CT的運(yùn)行穩(wěn)定性，從2019年以來，華中科技大學(xué)光電學(xué)院夏歷教授課題組和國網(wǎng)公司開展了深入合作，從互感器關(guān)鍵部件的物理特性、現(xiàn)場(chǎng)故障特征統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)，通過現(xiàn)場(chǎng)故障情況收集、實(shí)驗(yàn)室故障模擬等手段，對(duì)全光纖CT故障的影響因素及故障機(jī)理進(jìn)行分析驗(yàn)證。與此同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)有互感方案中復(fù)雜的光偏振態(tài)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(huán)境參量同時(shí)檢測(cè)的可行性，總結(jié)了有效的互感器誤差補(bǔ)償方法，展示了幾種全光纖電流檢測(cè)新方案。

課題組近年來的研究工作為增強(qiáng)FOCT掛網(wǎng)運(yùn)行的抗干擾能力、擴(kuò)大FOCT的可探測(cè)范圍奠定了良好的理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并且在該方向的研究成果榮獲2021年湖北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)和2021年中國電力科學(xué)研究院有限公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)（項(xiàng)目名稱：高可靠性光纖電流互感器國產(chǎn)化與實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用），以及2023年度電力科技創(chuàng)新獎(jiǎng)（成果名稱：高耐候高可靠性光纖電流互感器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用），有望推動(dòng)光纖電流傳感器成為真正意義上的“電力系統(tǒng)的護(hù)航者”。

02研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)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(fù)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(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，大量風(fēng)電、光伏接入電網(wǎng)，促使高壓柔性直流輸電技術(shù)迅猛發(fā)展。國家電網(wǎng)公司正通過特高壓直流輸電和高壓柔性直流輸電技術(shù)引領(lǐng)中國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，以能源零碳革命引領(lǐng)全社會(huì)加速脫碳。

特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行很大程度上取決于換流站配置的直流控制保護(hù)及監(jiān)視系統(tǒng)，而直流控制保護(hù)及監(jiān)視系統(tǒng)又依賴于換流站測(cè)量設(shè)備在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)條件下的準(zhǔn)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(wǎng)公司各換流站共配置全光纖CT超過2000臺(tái)，在全部類型直流電流互感器中的占比超過30%。相對(duì)于交流系統(tǒng)，換流站內(nèi)短路故障、直流線路接地故障、交流系統(tǒng)故障、濾波器、電容器組投切操作等直流系統(tǒng)中的電磁環(huán)境更加復(fù)雜，容易對(duì)全光纖CT的弱電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，嚴(yán)重影響換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以2020年統(tǒng)計(jì)為例，國網(wǎng)下轄換流站全光纖CT共發(fā)生故障43次，導(dǎo)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(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。

為提高換流站中全光纖CT的運(yùn)行穩(wěn)定性，需深入分析其工作原理，給出導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的深層機(jī)理及故障現(xiàn)象；圍繞其故障機(jī)理及故障現(xiàn)象特征，從互感器關(guān)鍵部件的物理特性、現(xiàn)場(chǎng)故障特征統(tǒng)計(jì)特性出發(fā)，通過現(xiàn)場(chǎng)故障情況收集、實(shí)驗(yàn)室故障模擬等手段，對(duì)全光纖CT故障的影響因素及故障機(jī)理進(jìn)行分析驗(yàn)證，針對(duì)不同影響因素造成全光纖CT測(cè)量故障的機(jī)理特性，給出提升其運(yùn)行可靠性的有效措施，確保換流站內(nèi)直流測(cè)量設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)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(zhuǎn)光纖Mueller矩陣模型：

采用微元法的思想提出了旋轉(zhuǎn)光纖Mueller矩陣模型，為旋轉(zhuǎn)光纖在FOCS中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。



圖2利用微分元法研究了旋轉(zhuǎn)光纖和向列液晶

圖源: Optics Communications(2021).

b. 利用等效介電張量對(duì)雙折射模型進(jìn)行優(yōu)化：

采用計(jì)算數(shù)值仿真，引入壓縮因子，快速高效分析旋轉(zhuǎn)光纖中的偏振演化狀況，模擬環(huán)境因素對(duì)于傳感光纖保圓效果影響。

表1等效仿真和直接仿真對(duì)比

表源: Optics Communications(2021).

3.2 雙參量同時(shí)檢測(cè)技術(shù)

a.交/直流雙參量同時(shí)解調(diào)：

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(shù)據(jù)對(duì)電力傳輸狀態(tài)的檢測(cè)尤為關(guān)鍵。利用光纖布拉格光柵（FBG）與磁致伸縮材料，結(jié)合創(chuàng)新的解調(diào)算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電流的直流分量和交流分量同時(shí)測(cè)量。

圖3FBG-GMM 傳感器示意圖

圖源: Applied Optics(2021).

b.電流和環(huán)境振動(dòng)同時(shí)檢測(cè)技術(shù)：

通過共用FOCT光路中的主要光學(xué)器件，降低成本，實(shí)現(xiàn)布設(shè)環(huán)境下振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提高電流檢測(cè)準(zhǔn)確性，提升智能電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。



圖4光纖電流-振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。插圖為兩個(gè)單元的偏振變化過程

圖源: Optics & Laser Technology(2023).

3.3互感器誤差補(bǔ)償方法

a. 提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微弱電流傳感誤差補(bǔ)償方法：

將特高壓系統(tǒng)中的額定電流3000A的商用FOCT直接運(yùn)用到微弱電流測(cè)試中，當(dāng)環(huán)境溫度從-30 ℃變化到70 ℃時(shí)，F(xiàn)OCT可以進(jìn)行低至0.1 A的微弱電流傳感，輸出誤差通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練穩(wěn)定地控制在±0.2%之間，這對(duì)擴(kuò)大FOCT的可探測(cè)范圍和拓展FOCT的適用領(lǐng)域具有重要意義。



圖5不同電流有效值下測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)濾波器處理的結(jié)果

圖源: Optics & Laser Technology(2022).

b. 提出一種基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短時(shí)電流解調(diào)方法：

該解調(diào)方法可以高分辨率地確定短時(shí)間序列弱電流的幅值和準(zhǔn)確性，大大減少噪聲對(duì)測(cè)量的影響，為提高FOCT在快速動(dòng)態(tài)測(cè)量中的檢測(cè)性能提供了一種有效的途徑。



圖6短時(shí)電流解調(diào)方法的架構(gòu)圖

圖源: Optics & Laser Technology(2022).

3.4 電流互感新方案

a.自補(bǔ)償型光纖電流傳感器：

在實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用中，溫度變化、環(huán)境振動(dòng)等不可控因素會(huì)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(shù)波動(dòng)誤差等頻繁、隨機(jī)地出現(xiàn)。該工作中通過正交補(bǔ)償?shù)姆桨福岢隽艘环N同時(shí)消除多種干擾影響的自補(bǔ)償型光纖電流傳感器。



圖7自補(bǔ)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(shù)：

該方案具有以下特點(diǎn)：非偏振系統(tǒng)、抗環(huán)境干擾、成本降低、靈敏度高，適用于遠(yuǎn)至數(shù)公里量級(jí)電流無源監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景。



圖8PS-FLRD系統(tǒng)。插圖: 法拉第旋轉(zhuǎn)角度引起的光強(qiáng)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(diào)算法：

該解調(diào)算法利用鎖相放大器生成的一、三階信號(hào)取代傳統(tǒng)一、二階，在光路結(jié)構(gòu)不變基礎(chǔ)上，屏蔽調(diào)制深度的變化影響，提升了相位解調(diào)穩(wěn)定性和抗干擾能力。



圖9DSM 解調(diào)算法示意圖

圖源: Optics & Laser Technology(2024).

審核編輯：劉清