应用于智能电网的光纤电流传感网络

黄霖,李瑾,梁鉴,卢淇琦

（南宁供电局，广西南宁，530029）

0 引言

随着我国经济的快速发展，建设具有清洁、经济、自愈等优点的智能电网已成为我国电网发展的一个重要新方向。智能电网利用嵌入式处理技术自动化控制技术、传感检测技术、分析决策技术和信息通信技术，将电网的内部信息集成到电力系统的分析决策和生产实践流程中，实现电网的各项信息指标可观测化[1]。随着电力系统对电流测量要求的不断提高，传统的电磁式电流传感器已逐渐暴露出一系列的缺陷，如绝缘结构复杂、抗电磁干扰能力差、铁磁谐振、易磁饱和、测量动态范围小和有油易燃易爆炸等。这些缺陷导致传统的电磁式电流传感器已难以满足智能电网的测量需求。随着电压等级的提高和IEC 60044-8-200标准的提出，这些问题愈显突出，制造成本也愈加昂贵，需要寻找新的解决方案[2]。

新型的光纤电流传感器结构简单、抗电磁干扰、造价低，在高压等级条件下绝缘成本增加极少，同时具有很宽的动态范围可以同时实现实时测量和继电保护的双项需求[3]；它还有效地避免了传统的电磁式电流传感器因充油而存在潜在的易燃、易爆炸等危险因素，同时不存在开路导致的高压危险，故具有极高的安全性；除此之外，光纤电流传感器更加符合电力计量数字化及自动化发展的要求。因此新型的光纤电流传感器已经逐渐显示出传统的电磁式电流传感器无法比拟的优势。

当前的电流传感器基本都是以单点传感的状态来进行工作的，这一点与传统的传感器并无不同，另外一种方法是可以实现一定距离内的准分布式电流传感方案[4]。

基于智能电网的检测需求，网络需要的是一个多点的电流传感系统，其中的传感元件可以是任何类型的，通过一个相应的通信系统被整合成为一个完整的传感网络。结合光纤传感技术自身的优越性能和光纤通信系统的成熟，研究人员提出为整个智能电网创建一个匹配的传感网络，限于篇幅和研究范围所限，本篇综述将不会对电网部分展开讨论，主要叙述光纤传感技术的原理、传感网络的实现以及国内外在这方面的最新研究进展。

1 光纤电流传感器的实现方式

光纤电流传感（fiber optic current sensing）有多种实现方式，目前比较主流的有以下几种：基于法拉第效应（Faraday effect）[5]，基于磁滞收缩效应[6]，基于填充磁性流体[7]。当然，除此之外还有其他的方案，本文仅列出当前比较主流且具有较大前景的研究方向。几种方案不尽相同，互有利弊，需要在实际问题中具体分析具体研究。

1.1 基于法拉第效应

法拉第效应简单来讲就是当磁场方向沿着光纤放置的轴向方向时，磁场会对光纤中传播光的圆偏振产生影响，圆偏振光的相位漂移由一个公式表述[8]：

图1 法拉第效应示意图[8]

其中V是光纤的费尔德常数，常数越大，则圆偏振光总的偏转角度越大。H是磁场强度，L是磁场中光纤的总长度。由公式和图1可以看出，基于法拉第效应制作的光纤电流传感器必须保持磁场方向与光纤放置方向相同。为了生成圆偏振光，需要将光源产生的光通过一个起偏器先得到线偏振光，然后通过一个四分之一波片将线偏振光转化成为圆偏振光。光路如下图2所示[9]：

图2 典型法拉第效应传感光路[9]

通过引入法拉第旋转镜（Faraday mirror）和Sagnac环路结构，可以降低系统复杂度，同时提高偏转角度的倍数，为了方便检测端通过检测X，Y方向的光强来判断偏转角度，最好在起偏器后面接上一个45°熔接点，目的是产生初始线偏振角度为45°的偏振光，因此在X,Y方向上的初始光强相同。实验系统如图3所示：

图3 改进型光路[4]

法拉第磁光效应电流传感器包括全光纤电流传感器和块状玻璃光学电流传感器两种。全光纤电流传感器，其光路简单，便于加工，但其输出灵敏度受外界温度、光纤本身的双折射及入射偏振面的影响极大。截止目前，基于法拉第磁光效应的全光纤电流传感器在实际应用中还受到多种因素的制约，主要是光纤线性双折射问题和环境温度的影响问题。光纤的线性双折射引起的偏振扰动会严重影响偏振模的法拉第旋转，使法拉第效应湮没其中。线双折射对温度、压力等因素十分敏感，使系统易受环境因素变化的扰动，降低了系统的稳定性和可靠性。因此，光纤中的线性双折射、温度引起的精度问题和传感探头老化问题一直是此类电流传感器实用化的最大障碍。

线性双折射主要有固有双折射、应力双折射和温度引起的双折射等，温度除了产生双折射以外，还会影响介质的费尔德常数、折射率等，它们相互影响，关系随机而且复杂。所以，在设计全光纤电流传感器时，如何抑制线性双折射就尤为重要，一般采用可采用以下几种方法：1.新光纤材料[10]；2.新光纤结构[11]；3.新光纤处理技术[12]；4.新型传感探头的结构设计[13]。

在上述几种方向中，我们认为后两种方法在工程实现上有较大的使用价值，而前两种研究方向在科研上是具有重大意义的，通过光纤设计层面的技术提升来从根本上设计出满足需求的新型光纤。图2，图3中对于光纤的需求主要是系统中传输线偏振光所需的高双折射光纤（high-birefringence fiber，Hibi）和传感区域所需的低双折射光纤（low-birefringence fiber，Lobi fiber）。后者尤为重要，需要一直线性双折射同时保持圆偏振光。从目前的技术层面出发，多数的解决方法是通过对光纤进行旋转（spun fiber）来制作低双折射光纤，期望能够从根本上，从光纤设计层面上解决问题。可能的方向有设计新的光纤结构和改变尺寸如微纳光纤（micro-fiber）。

1.2 基于磁致收缩效应

处在外磁场中的铁磁体被磁化后，其长度以及体积会发生变化，这种现象称之为磁致伸缩效应。基于磁致伸缩效应的光纤电流传感器起初用三种方式制作传感头[14]：1.在由磁致伸缩材料制成的圆柱体圆周上绕以光纤；2.直接将磁致伸缩材料粘贴在光纤上；3.在光纤表面上镀上一层均匀的磁致伸缩材料金属膜，并结合相应的解调技术实现对电流的测量。

比较典型的实现方式主要是基于光纤布拉格光栅（fiberbragg grating，FBG）[15]和磁致收缩材料的电流传感。FBG电流传感原理为宽带光源发出的光从FBG一端入射，由于折射率的周期变化，使纤芯中向前和向后传输的光波耦合,当满足布拉格条件，即

从左至右的参数分别为入射光中心波长（布拉格波长），光纤光栅栅区的纤芯有效折射率以及FBG的栅格周期。把光纤光栅粘贴在磁致伸缩材料上,则可以利用电流产生的磁场对磁致伸缩材料的作用调制光纤光栅,通过对布拉格波长漂移的测量,确定电流大小[2]。

简单的来讲，可以把它理解为将FBG作为一个传感中介，通过FBG来检测磁致收缩材料本身的变化（周期的变化），继而来检测外界磁场/电流的强度。FBG原理图见图4，简单的传感探头示意图如图5所示：

图4 FBG示意图

图5 FBG磁致收缩效应传感[2]

基于磁致收缩效应和FBG的传感系统可以通过改善材料性质、光栅特性以及探头的设计来进一步提升性能，可以作为一种可选择的电流传感方法。通过在电网网络内放置多个FBG传感器，并且为其搭建相应的通信系统，则可以将其视作一个准分布式的光学电流传感网络。

1.3 基于特种光纤结构以及其填充来实现传感

特种光纤的结构和性能都不同于普通光纤，有些体现在结构设计新颖，有些则是材料性质不同于一般光纤，还有的光纤则会兼具这两种特点。一种主要的特种光纤叫做光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）[16]。PCF被用作电流传感元件的优势在于其特殊的结构导致对于弯曲和温度的变化不敏感性。对于磁场的传感则是通过空芯光子晶体光纤的选择性填充来实现[17]，图6是一种光子晶体光纤的典型端面结构。

图6 一种典型的PCF端面结构[17]

PCF中填充的是磁性流体介质（magnetic fluid，MF），其显著特性表现为折射率会随着磁场强度的变化而发生改变，并且不同型号的MF流体其特性不尽相同，可以根据需求进行选择（文中提及型号为ferrotec公司的EMG系列产品）。借助磁性流体的性质，可以发现随着磁场的变化，检测端得到的光谱波谷会发生漂移，在一定的磁场强度范围内（0—300Oe），波长漂移程度和磁场强度变化体现出非常好的线性关系[18]。由此可以通过分析检测端的光谱来对磁场强度/电流强度进行分析，图7是填充后光谱的漂移曲线。

图7 PCF填充MF之后得到的光谱漂移[18]

除简易的光子晶体光纤填充之外，目前出现的新型传感结构包括有对光纤F-P腔进行磁性流体填充，光子晶体光纤进行拉锥（taper）再进一步填充磁性流体介质来实现对磁场的传感[19]，拉锥填充如图所示：

图8 光纤拉锥填充[19]

这些特种光纤包括特种结构都是借助磁性流体来实现对于电流的传感，在这一方面的工作仍然有很多东西值得挖掘。在传感性能优良的同时也存在一些缺点，比如填充和拉锥过程的批量重复性问题，以及磁性流体本身的稳定性，尽管目前仍然存在一些问题，但仍然不失为一种值得考虑的实现方法。

2 智能电网传感技术的实现

通过分析电网的实际工作状况，可以发现关键的检测参数主要包括电流，温度以及结构健康检测等。本节主要讲述电网中电流传感网络的实现，基于现有的技术，温度的监测可以通过布里渊和拉曼做到分布式的传感，结构健康监测更多的突破点则在于智能材料和光纤光栅FBG[20]，但是对于电流的分布式传感，迄今为止，只能实现短距离内的准分布式传感。

分布式传感代表技术是利用光纤的布里渊散射来获取加在光纤上的外部环境参量。布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时互相作用而产生的光散射过程，其能够在相当长的距离上探测温度和应力的变化情况，因为布里渊频移与光纤模式的有效折射率有关，所以一旦石英的折射率随局部环境的变化而变化，那么频移也将随之改变。温度和应力都能改变石英的折射率，因而只要检测光纤中布里渊频移的变化，即可得到温度和应力在光纤铺设沿线上的分布情况。理论和实验研究表明，光纤中布里渊散射光的频移是温度和应变的函数，并在一定条件下光纤上每点的布里渊频移与该处光纤所感知的外界的温度和应变成线性关系。对于1.55um的普通单模光纤，布里渊频移量约为11GHz，此频移量与光纤所受应力和温度有关，1MHz的频移对应着20µε或者1℃的温差。此外，因为光纤具有一定的长度，且布里渊散射是产生在光纤中的每一个微观点的，所以如何确定我们探测到的后向布里渊散射在光纤中发生的位置就需要通过光时域反射计的方法来实现。激光器发射出一系列的激光脉冲进入光纤中，当脉冲光在光纤中传输时，由布里渊散射产生的后向散射光可以在发送端被探测到，利用探测到的后向布里渊散射光信号与发射光脉冲信号的时间差⊿t，并且光信号在光纤中传播的速度Vg是常数，因此可以确定此散射光信号产生点距离激光脉冲入射点的距离为Z=（Vg×⊿t）/2。通过这种方法我们可以在整根连续的光纤上，以距离的连续函数形式得到光纤中各点的温度和应变数据。

结合电网的实际需求，分布式的传感不具有迫切的实用价值反而会增加技术难度和系统的复杂度，在多数情况下系统只需要了解网络中关键节点的电流状况既可以监控整个电网的工作情况，所以在电网的节点放置多个传感器来实现准分布式传感的电流传感网络是足够满足需求且具有实际意义的。准分布式的光纤电流传感目前较为成熟的是多点FBG传感技术但并不局限于此，其他形式的准分布式光纤电流传感在实现上都是类似的，需要解决的是为这些分散在各处的传感器搭建一个合适的传感通信网络。

上面已经简单介绍过三种类型的电流传感实现方式，也是现今世界上较为主流的解决方案。其中以第一种和第二种在工程实现上具有优势，而第三种方式则胜在新颖性以及创新潜力。目前，基于法拉第效应制作的光纤电流传感器相对较为常见，其中以ABB[21]，Nxtphase等公司的产品为典型，国内则是以中国电科院领衔。下图所示为ABB公司的电流互感器，通过将环状的传感器放置在电缆上，再结合外围设备可以实现对于电流的单点传感。

图9 ABB电流互感器[21]

结合实际需求和当前业界的技术水平,可以为多点式的传感网络设计出相应的通信系统。在这里可以借鉴物联网中无线传感网络的概念，通过为每个电流传感器匹配一个对应的无线通信模块，在此基础上完善网络拓扑结构和数据链路交换以及上层的控制模块，则可以实现通信功能和实时的监控。

光纤传感的网络化可以通过光纤传感与通信技术及计算机技术的融合。使用单片机、DSP 芯片以及虚拟仪器等方式，实现数据处理、控制与信号处理；通过多层次的计算功能，如现代谱分析、时频分析、遗传算法等，实现各种智能化功能[22]。使传感由传统的仅仅进行信号形式转换的单个或多个敏感元件扩展为集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能系统，再结合光网络和软件技术，可以搭建一个结构完整、功能完善的传感体系。

3 结论

本篇综述主要叙述了光纤传感技术的原理、传感网络的实现以及国内外在这方面的最新研究进展。结合光纤传感技术自身的优越性能和光纤通信系统的成熟，智能电网可以搭建一个结构完整、功能完善的传感体系。

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