全光纤电流互感器状态评估方法的研究

全光纤电流互感器状态评估方法的研究

吴焕1，许晓峰1，张武洋2,王天2

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.国网辽宁省电力有限公司

电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

摘要：介绍了全光纤电流互感器原理，归纳了其主要技术参数及影响其稳定运行的潜在因素。将全光纤电流互感器的运行状态划分为四种，运用模糊综合评判法建立了一种状态评估模型，并通过工程实例证明了该方法准确可行，为后续研究奠定了基础。

关键词：全光纤电流互感器；智能变电站；状态评估；模糊理论

收稿日期：2015-06-30 2014-12-31

作者简介：吴焕(1988-)，男，辽宁抚顺人，硕士研究生。

通讯作者：许晓峰(1960-)，男，辽宁康平人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统在线监测与状态评估、无功功率补偿等方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.010

中图分类号：TM452

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0338-05

Abstract：This paper introduced the principle of AFOCT,induced the main technical parameters and potential factors that affect the stability of AFOCT,and categorized the operating state of AFOCT into fine,warning,abnormal,and serious state.According to the Fuzzy theory,a state evaluation model has been built.Moreover,the correctness and feasibility of this method is verified by engineering examples,which laid the foundation for the follow-up study.

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51435009)；中国博士后科学基金特别资助项目(2015T80798)；辽宁省教育厅科技项目(L2014517)；辽宁省教育厅科技项目(L2015372)

大容量、超高压、远距离是现代电力系统的发展方向，为了满足现代发展的需要，必须对互感器技术进行升级。国家电网在“十二五”发展规划中，明确提出将完成光纤电流互感器的研制工作，并且国家投巨资以促进智能电网的发展。与传统电流互感器相比，全光纤电流互感器在各方面都具有明显的优势，它绝缘性能好，不会发生磁饱和、磁谐振问题，抗电磁干扰能力强，尺寸小，并且其输出信号为数字量，可方便与合并单元进行通信，符合现代电力系统数字化的要求。

电流互感器作为监视、评判电力系统运行状态的重要数据来源，其运行可靠性和数据真实反映能力是衡量其运行性能的重要指标。全光纤电流互感器目前已应用于国内电力系统中,但由于运行时间短,而且挂网数量有限,目前有关全光纤电流互感器的实际运行数据和生产厂家提供的相应的可靠性方面的具体资料尚显不足,所以关于全光纤电流互感器在工程应用中的可靠性检测方法与状态评估策略的理论研究就显得十分重要。

1全光纤电流互感器原理

全光纤电流互感器属于无源型电子式电流互感器，在敏感单元一侧无需供能，其理论基础是法拉第磁光效应和安培环路定理。偏振光在磁场中的传感材料内传输时，其偏振方向会因磁场发生旋转，这个旋转角叫Faraday旋光角。磁场正比于一次电流，而Faraday旋光角正比于磁场，因此通过光的干涉可以测量Faraday旋光角从而求得一次电流。

全光纤式电流互感器采用干涉检测方法，通过检测受法拉第效应作用的两束偏振光的相位差变化来检测电流，而不是直接检测光的偏振面的旋转角度。由安培环路定则得知，环外任何磁场对传感光纤环的磁场闭环矢量积分为零，这确保了围绕一次导体的测量光纤不产生测量干扰，只测到环内电流，原理如图1所示。

图1　全光纤电流互感器原理

2全光纤电流互感器的状态评估

全光纤电流互感器的状态评估是指结合各种离线的和在线的检测方法对全光纤电流互感器进行动态考核，根据测得的能够反映互感器运行状态的物理量、数字量或化学量进行分析，从而判断全光纤电流互感器正处于何种运行状态。

2.1状态信息的分析与确定

对电流互感器进行状态诊断时需要依据大量信息，这些信息统称为状态信息。电流互感器的状态信息有预试数据、运行数据、设备状态监测数据和设备历史数据等。由于运行时间短且挂网数量有限,目前有关全光纤电流互感器的实际运行数据十分紧缺，需要结合全光纤电流互感器的结构特点及运行原理进行多种形式的实地检测。表1为对全光纤电流互感器进行状态诊断时采用的状态信息量。

多数全光纤电流互感器在安装时都不配备专用的制冷设备，采集电路模块长期工作在高温下很容易发生故障。在实际工程中，全光纤电流互感器的振动主要是由断路器分合闸操作产生的，监测断路器分合闸的瞬时电流能有效评判全光纤电流互感器在振动影响下的运行状态。VFTO主要是由于GIS中隔离开关分、合闸操作等原因引起的，测试时全光纤电流互感器采集卡安装在GIS本体上，VFTO有可能对其产生影响或使其损坏。在系统运行工况下测量不带电间隔线路电流，考核全光纤电流互感器在电磁干扰下的运行状态。测量绝缘电阻有助于发现绝缘受潮、外绝缘表面脏污、贯穿性裂纹或其他严重的绝缘故障。局部放电试验可以有效发现互感器主绝缘中潜在的缺陷。

表1　全光纤电流互感器的状态信息量

2.2全光纤电流互感器的状态分类

将全光纤电流互感器的运行划分为正常、注意、异常、严重4种状态。正常状态表示测试期间全光纤电流互感器运行状态良好，发生故障的可能性极低；注意状态是指个别状态量显示设备可靠性下降，但可继续运行，发生故障的可能性低；异常状态下，全光纤电流互感器的测试数据会与正常状态时的有偏差，同时一些状态量也显示设备内部可能有异常现象，互感器可继续运行，但发生故障的可能性增大；严重状态表示全光纤电流互感器整体运行状态欠佳，多数状态量异常，设备可能存在故障，这时检修人员需要根据状态评估的结果，结合设备的运行工况、原理性缺陷等因素来制定相应的检修策略。

2.3全光纤电流互感器的状态评估流程

通常来说，电流互感器的运行状态与预警结果并不是一一对应的，即一种状态可能引发多种预警，而一种预警也可能对应着多种状态，这就为设备的状态评判增加了难度。因此全光纤电流互感器的状态评估是一个基于专家系统的不断丰富经验的过程。流程图如图2所示。

图2　全光纤电流互感器状态评估流程

3全光纤电流互感器状态评估算法

3.1模糊综合评判原理

模糊综合评判法是根据模糊映射和模糊变换原理，构造因素集、评判集、权重系数及隶属度函数，对影响事物的多个因素进行量化，按照最大隶属度原则对评判对象进行综合评价的方法。

假设经过测试得到某全光纤电流互感器的故障预警样本A=(a1,a2,…,am)，同时得到此样本中各分量元素ai对故障预警的隶属度，将各元素转换成隶属度构成一个新的向量，即故障预警模糊向量：

A=(a1,a2,…,am)

(1)

假设该预警样本由原因bj产生，同时得到bj对各种故障的隶属度，将各元素转换成隶属度构成一个新的向量，即故障原因模糊向量：

B=(b1,b2,…，bn)

(2)

那么根据模糊判别理论，B与A的模糊关系为：

B=A·R

(3)

式(3)中的符号·是模糊算子，

(4)

其中0≤rij≤1,1≤i≤m,1≤j≤n。

R是m×n矩阵，被称为评价矩阵，是由经验丰富的专家库生成，表示因素集U与评价集V的模糊关系。R的行是故障预警元素，列是故障原因元素，矩阵元素rij表示第i种预警对第j种原因的隶属度。rij的值越大，表示该预警对故障的发生起的预判作用越大，因此故障发生的概率就越大。当rij为零时表示预警对故障的发生不起预判作用。

3.2建立状态评估模型

根据全光纤电流互感器的结构特点和运行原理，选取具有代表性的工作参数和运行数据作为全光纤电流互感器的状态评估因素，形成一个因素集：

U={u1,u2,…,um}

(5)

选取的评估因素有：

1)电气测试参数：断路器分合闸瞬时电流、隔离开关拉合瞬时电流、不带电间隔线路电流、励磁涌流波形、三相短路电流、绝缘电阻、局部放电量；

2)运行环境：采集电路模块温度、数据处理芯片温度、电源模块温度、光纤通信接口状态；

3)其他因素：设备型号、运行历史记录、检修记录。

在建立了评估因素集后，将全光纤电流互感器的运行分为“正常”、“注意”、“异常”、“严重”4种状态，以此建立各评估因素的判断集V：

V={正常，注意，异常，严重}={v1，v2，v3，v4}

(6)

3.3评估流程及结果的处理

对权重集A和评价矩阵R采用加权平均型的模糊综合评判算法进行计算，即

(7)

得到了一组评估结果bj，(j=1，2，…，p)，这时需对这组评估结果进行筛选，以确定最终的评估结果。筛选的依据是最大隶属度原则，即取与最大评估结果:

bmax=max{bj,(j=1,2,……,p)}

(8)

相对应的评价矩阵列元素rk作为最终的状态评估结果。模糊评判流程如图3所示。

图3　模糊综合评判流程

4工程实例分析

对国内某220 kV智能变电站进行综合巡检，通过分析其2014年的例行试验数据和运行记录，判断其运行状态为“严重”，存在缺陷或故障。为了寻找可能的故障原因，利用获取的具有代表性的工作参数和运行数据作为状态信息数据对全光纤电流互感器进行故障诊断，具体步骤如下:

1)选取具有代表性的工作参数和运行数据作为全光纤电流互感器的状态评估因素，计算状态评价矩阵R，如表2所示。

表2　全光纤电流互感器的状态评价矩阵

2)确定全光纤电流互感器状态信息的主观权重和客观权重。综合权重是主观和客观权重的平均值，计算结果如表3所示。

表3　状态信息的组合赋权

3)计算各个故障原因的故障概率，所求结果如表4所示。

表4　全光纤电流互感器故障原因及其概率

由计算结果得知，根据最大隶属度原则，散热故障是最有可能的故障原因。对全光纤电流互感器散热系统进行排查，发现采集电路区域散热系统失灵，导致采集电路模块温度过高发生故障，与本文建立的评估模型所得到的结论基本吻合，验证了所提方法的准确性与实效性。

5结语

相比传统电流互感器，全光纤电流互感器在各方面都具有明显的优势，但由于结构特点和工作原理上的区别，全光纤电流互感器的状态评估及状态检修方法也与常规电流互感器的不同。确定了全光纤电流互感器进行状态评估所需的状态信息，运用模糊综合评判法建立了状态评估模型，并通过工程实例验证了这种状态评估方法是行之有效的。但是，由于运行时间短且挂网数量有限，目前关于全光纤电流互感器的状态评估有很多方面还处在研究阶段，需要进一步探索。

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Research on State Evaluation of All-Fiber Optic Current Transformer

WU Huan1，XU Xiao-feng1，ZHANG Wu-yang2，WANG Tian2

(1.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136; 2.Electric Power Research Institute of

State Grid Liaoning Electric Power Co.,Shenyang 110006,Liaoning Province)

Key words： AFOCT;Intelligent substation;State evaluation;Fuzzy theory

(责任编辑佟金锴校对张凯)