光学电流传感器测量电网接地故障信号的研究

薛　松，徐晓冬，姜　德，陈　锦

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.广西师范大学 电子工程学院，广西 桂林 541004)



光学电流传感器测量电网接地故障信号的研究

薛松1，徐晓冬1，姜德1，陈锦2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.广西师范大学 电子工程学院，广西 桂林 541004)

摘要针对光学电流传感器测量电网故障信号的选线方式，以测量中压电网单相接地的故障电流为例，提出了一种对地故障信号检测的可行方案。文中通过利用LabVIEW与Matlab混合编程的方式，模拟了电网接地的故障电流，运用小波算法将测量的故障信号去除噪声，并分析了去噪信号的各谐波分量，以供五次谐波选线。经过仿真验证，证明了去噪后的故障信号真实可靠，分析出的谐波频率所占比重也真实地反映了故障信号的成分。

关键词光学电流传感器；故障选线；信号去噪；谐波分析

在我国，中低压电网中性点一般不接消弧线圈或接地小电流方式接地，一旦某一相发生故障接地，很难判断选线。利用电磁电流互感器测出的故障电流信噪比高，无法准确测量。但光学电流传感器(Optical Current Transform，OCT)能够代替电磁式的传感器[1-2]，以减少电磁干扰的影响。对于检测零序电流而言，OCT的测量确实避免现场磁场的干扰，但OCT内部的噪声信号却始终存在，再加上零序电流的产生也伴随着谐波的叠加，所以OCT测量出的依然是带有噪声的谐波叠加的零序电流。因此在充分利用OCT优势的同时，也需要积极关注其测量出来的信号成分，进行去噪后再进行五次谐波分析，得到的选线结果真实有效。

1光学电流传感器

光学电流传感器以法拉第磁光效应为基础，通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生磁场的作用而发生旋转的角度来确定电流的大小。

1.1结构及工作原理

光学电流传感器如图1的实验装置所示：(1)带有光纤的准直器；(2)起偏器；(3)磁光材料；(4)电流母板；(5)反光镜；(6)透镜；(7)光电探测器；(8)计算机。其光路的描述主要是激光发生器产生光信号通过带有光纤的准直器，依次经过起偏器起偏、磁光材料，入射到反光镜，进入到透镜，最后入射到光电探测器，由计算机进行相关分析。其中，磁光材料紧靠电流母板，与之保持同一高度。根据法拉第磁光效应，出射的线偏振光与入射的线偏振面之间产生法拉第旋转角α[3]，即

α=V∫LHdl

(1)

其中，V为磁光材料的Verdet常数；H为待测电流的电磁强度；L为与磁场作用的通过磁光材料的有效长度；l为积分矢量。

由安倍定理可知

(2)

根据式(2)可知，只要测出旋转角α，即可测出电流i。

但运用到实际应用上的光学电流互感器按顺序将1、2、3、6相结合，组成传感头，这样大幅减少了光路的损耗，提高了测量精度。

图1　光学电流传感器的实验装置

1.2光学电流传感器的噪声问题

当被测电流较小时，法拉第旋转角微小，信噪比较低，OCT测量信号被噪声严重污染，无法正确反映被测电流。

1.2.1传感器的外部噪声

对于中低压电网，外部噪声主要是指电力线噪声、电气设备噪声、空间的射频噪声、地电位差噪声等。然而这些外部的噪声应该属于在建设电网应该考虑到的问题，会有相应的措施减少噪声。

1.2.2传感器的内部噪声

针对传感器测量信号，更关注的是其自身内部所具有的噪声干扰。内部噪声主要是光电转换器的散粒噪声、暗电流噪声、1/f噪声等。电子系统中的热噪声、散粒噪声主要为均匀白噪声；1/f噪声主要服从高斯白噪声分布。对于一般的光电转换器电子部件主要为光电二极管，其中导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生随机涨落的电压称为热噪声；由光生载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声为散粒噪声；1/f噪声取方差0.04，标准差为0.2。其中，热噪声与散粒噪声的合成信号与所测电流峰值的性噪比SNR为278[4]，即

(3)

其中，Ip为热噪声与散粒噪声的电流信号幅值；IN为被测电流幅值；SNR为性噪比。

2电网接地故障零序电流检测

小电流接地系统发生单相接地虽可短时运行，但易形成异地两点相间短路。所以及时故障选线尤为重要。如图2所示，光学电流传感器测量单相接地故障电流。

图2　光学电流传感器测量零序电流

五次谐波选线是应用于小电流接地系统单相接地故障的一种自动选线方法，当产生单相接地时，零线上故障电流的五次谐波幅值会比正常情况高。本论文主要利用直流偏移量、基波和五次谐波的信号叠加，同时混合噪声，最终经过谐波分析，可完整得出基波与谐波的幅值，与正常信号分解出来的谐波幅值进行对比。对于正常的电流周期信号，在此可设置为

i(t)=i0+i1+i5

(4)

其中，i=a1cos(w1t+φ1)，i5=a5cos(5w1t+φ5)，w1为角频率；φ1和φ5为相位延迟。

在中低压电网的电缆出线，单相接地故障电流<1 的情况时常出现[1]。在本文中，a1选取为1 A，取工频50 Hz，则w1=2πf=100π。在33 kV电网供电时，a5<15%a1，a5取0.15。如图3为偏移0.5 A的基波与五次谐波合成信号。

图3　偏移基波与五次谐波合成信号

3OCT检测电网接地故障信号方案

基于故障零序电流检测使用五次谐波选线，所以本文模拟OCT采集信号的谐波成分包含五次谐波。故最终信号为内部噪声、直流偏移量、基波和五次谐波的信号叠加。先对整体信号进行去噪，过滤内部总噪声，其次进行谐波分析，得出基波与五次谐波的幅值，进而判断五次谐波的幅值与正常情况相比是否过大，得出故障电流的判断。如图4所示为含噪故障电流优化过程。

图4　含噪故障电流优化示意图

3.1去噪方法的选择

针对锁相放大器与自适应滤波的去噪方法，本文提出小波分析的方法去噪[5]。近年来，小波理论得到了快速地发展，且由于其具备良好的时频特性，实际应用也广泛。本文使用db5小波基函数对信号进行5层分解，对分解的第5层到第1层的低频系数进行重构得到近似信号。

3.2谐波分析

针对OCT测量故障电流的结果，故障选线方案不尽相同。五次谐波分析比其他方法简单易操作，但由于噪声的存在，加之谐波分量弱，所以谐波提取较为困难[6-7]。本文由于先进行去噪再谐波分析可得到良好的结果，故选用五次谐波分析。

3.3故障信号去噪与谐波分析仿真

本次仿真主要基于LabVIEW[8]与Matlab的混合

编程的仿真。其中，图5所示为程序面板设计。为了比较五次谐波，故障信号主要由偏移的余弦基波、五次谐波及噪声信号组成。复合信号为光学电流传感器所测得的小电流信号，再经过小波滤波后去除噪声得到近似基波与谐波合成信号，再根据谐波失真分析得到信号的谐波分量频谱。

图5　故障信号去噪与谐波分析程序

如图6所示，主要为各个信号的波形图。五次谐波的参数设置：频率250 Hz，为基波频率的5倍；幅值0.15 A；相位120°，与基波相位相差30°。噪声的幅值参数按照噪声分析的情况设置。波形图主要包括基波与谐波的合成信号、含有噪声的信号、去噪的信号及谐波分量的频谱。从仿真结果可看出，去噪信号与含噪信号相比，少了许多高频毛刺波形，波形近似于基波与谐波合成波，达到了预期效果。

图6　信号波形图

根据谐波分量的频谱，利用波形图导出的数据如表1所示，可得出偏移直流量(0次)幅值为0.497 A，基波(1次)幅值为1.02 A，五次谐波(5次)为0.106 A，五次谐波的比重较大。当接地信号有故障时，五次谐波的幅值比正常大。在实际应用中，此方法可测出五次谐波的幅值与正常幅值进行比较，利于故障选线。

通过直接测量带有噪声信号的谐波分量的频谱，本文可发现除了偏移分量与基波幅值正常，其五次谐波分量的值与其他谐波分量均为μA级，无明显比重区分，几乎无法正确得出判断，再次证明了需要先去噪后测谐波方案的正确性。

表1　去噪信号与含噪信号的各谐波幅值

4结束语

本文主要针对光学电流传感器检测电网单相接地故障电流，提出一种对信号降噪谐波分析的方案。首先对光学电流传感器的结构与原理进行了介绍，分析其内部噪声的存在。其次，对于故障电流检测选取了五次谐波的选线模式。最终仿真模拟了故障小电流的成分，利用小波算法去噪，再使用谐波分析得出五次谐波的幅值，可进行故障选线判断。经过上述理论分析与实际仿真，较好的得出五次谐波选线的正确判断，为光学电流传感器检测中压电网单相接地故障的信号分析提供了一种可行方案。

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Optical Current Sensor for Measuring Grounding Fault Signal in Power Grid

XUE Song1, XU Xiaodong1, JIANG De1, CHEN Jin2

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for

Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. School of Eelectronic Eengineering, Guangxi

Normal University, Guilin 541004, China)

AbstractA feasible method for detecting fault signals with optical current sensors in power networks is proposed with the single-phase grounding fault current in medium-voltage power grid as an example. The mixed programming with Labview and Matlab is adopted to simulate the grounding fault current, with wavelet denoising the measured fault signals. An analysis of harmonic component of denoising signals is made, which indicates that the selection of fault line based on fifth harmonic is done correctly. Simulation and design show that the denoising fault signals are real and reliable, and that the analysis of proportion of harmonic frequency is the real reflect of the fault signal component as well.

Keywordsoptical current transformer; selection of fault line; signals denoising; analysis of harmonic component

收稿日期:2015- 11- 06

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61205076)

作者简介:薛松(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：光学电流传感器与电流检测。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.029

中图分类号TP212.1+4；TM712

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-098-04