光纤电流互感器光路故障自诊断告警算法

郭金刚, 司 磊, 袁志军, 林海丹, 石海鹏, 敖 明

(1. 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院， 内蒙古自治区呼和浩特市 010000；2. 北京航天时代光电科技有限公司， 北京市 100094； 3. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院， 吉林省长春市 130000)

0 引言

基于法拉第磁光效应原理的光纤电流互感器(fiber optical current transformer，FOCT)具有绝缘简单、体积小、无铁磁饱和、动态范围大及测量、保护一体化等优点，在新一代智能化变电站中逐步得到推广[1-9〗。

FOCT的可靠性是用户关注重点[10〗，其可靠性是智能电网安全运行的基础。实际运行中，光路是其可靠性薄弱环节，现场出现的质量问题中光路故障占大多数，因此如何全面、有效地诊断光路故障并给出告警信息，成为FOCT的关键技术和研究重点，也是其智能化程度的一种体现。

目前关于FOCT光路故障自诊断技术的报道和研究不多，文献[11〗对FOCT光路、CPU、采集电路进行故障诊断分类，但并未给出具体的实现方法。文献[12〗采取Allan方差理论，基于输出数据分析噪声，根据噪声判断故障，因此易受信号源波动影响，诊断及时性不足。传统光路在线故障检测中，采取在光路中插入功率检测模块的方法进行故障判断[13〗，该方法会增加光路复杂程度，降低可靠性，并且只能检测光信号强弱，无法判断光信号有效性。

因此，本文提出一种FOCT光路全面故障诊断算法。在闭环调制解调方法基础上，人为引入调制误差量δ，在不增加光路复杂程度情况下，能够解调出光路有效干涉光强信号，并通过光路故障诊断试验，验证光路故障诊断告警功能的及时性、准确性，实现光路故障全面诊断告警方法和途径。

1 FOCT结构与原理

FOCT原理[14-17〗如图1所示，光源在驱动电路作用下，发出的光经过耦合器1进入Y波导集成光学器件。光经过Y波导器件起偏后，输出两束线偏振光进入耦合器2，其中Y波导尾纤与耦合器2尾纤一端0°熔接，另一端90°熔接。两束线偏振光进入延迟线后，分别沿保偏光纤快轴和慢轴传播，在经过λ/4波片后，两束线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，进入敏感光纤传播，圆偏振光传播到反射镜被反射后左旋变右旋，右旋变左旋，并再次反射入敏感光纤，Faraday效应加倍。

图1 FOCT原理Fig.1 Principle of fiber optical current transformer

产生的相位差φf为[18〗：

φf=4NVA

(1)

式中：N为敏感光纤绕制圈数；V为光纤维尔德常数；A为被测电流大小。

两束圆偏振光返回λ/4波片再次转变为线偏振光，并在光纤快慢轴传播路径互换，最后回到Y波导集成光学器件发生干涉，干涉光到达探测器，探测器将光信号转化为电信号，由AD采样，并根据所施加调制信号，对数字信号进行解调，输出电流信号、调制误差信号，同时产生调制信号、反馈阶梯波，最后将调制信号、阶梯波、调制误差信号叠加后共同反馈施加到Y波导器件上，完成数字闭环控制。

FOCT光路互易性良好，干涉光的相位差仅由电流产生的磁场引起。干涉光信号最终经探测器转化输出电信号，可以表示为[19〗：

Sn=κ(In+I0+I0cos(φ(t)+φf))

(2)

式中：κ为探测器光电转换系数；In为噪声光强；I0为干涉光强；φ(t)为所加调制信号。

2 光路告警方法分析

从式(2)中可以看出，探测器输出信号包含交流量与直流量，其中交流量为：

Sn,ac=κI0cos(φ(t)+φf)

(3)

交流量包含由被测电流产生磁场所引起的相位信息，其强度随被测电流的大小变化，用来解调被测电流大小及调制误差量。

直流量为：

Sn,dc=κ(In+I0)

(4)

直流中包含有噪声光强In和干涉光强I0：In代表光路中偏振串音、背向反射等非干涉光强；I0代表载有电流引起相位差信息的有效干涉光强。通常情况下，I0远大于In，因此直流量可以反映光路中光源功率衰减、光学器件插入损耗劣化、光缆断裂等引起的光路整体损耗变化情况[20〗。

Sn,dc大小用来作为光路故障告警信号，能够诊断出光路故障。但这种方法并不全面，当耦合器1内部耦合臂断裂或输出端光纤断裂时，端面将光源光强直接反射回探测器，此时光路有效干涉光强I0减小，而非干涉光强In增大，整体表现为Sn,dc增大或不变，此时以Sn,dc为光路告警值，将会出现故障漏诊情况。

全面诊断出光路故障，应以有效干涉光强I0为光路故障诊断信号，I0的大小反映了整个光路的信噪情况、传感信息、偏振劣化等全部故障情况。有效干涉光强I0不能直接测量得到，需要从交流部分通过特定的调制解调方法计算得到。

3 有效干涉光强调制解调方法

3.1 调制方法

在方波调制解调[21〗基础上，人为周期性引入误差量，周期为2τ，其中τ为光路本征周期，调制波形如附录A图A1所示。

根据方波调制原理，并考虑Y波导调制器的调制误差，在未引入人为误差周期内施加至Y波导的调制电压引起两干涉光产生的相位差为：

φ(t)=

(5)

式中：ε为Y波导调制误差[22〗；φ0为π/2;n=0，1，…。

在施加人为调制误差量周期内，施加至Y波导的调制电压引起的两干涉光产生的相位差为：

(6)

3.2 解调算法

探测器将干涉光强信号转化为电信号，隔直后仅交流部分Sn,ac通过。由于Sn,ac为微弱信号，在进行噪声抑制并信号放大后由AD进行采样。具体调制方法如附录A图A2所示。数据解调控制AD采样时序，在调制波正、负周期上各采n个点，进行求和并平均。

根据式(3)、式(5)，在不施加人为调制误差量δ时，调制波形正、负周期采样均值K10和K20分别为：

(7)

(8)

式中：α为AD转换系数。

根据式(3)、式(6)，在施加人为调制误差量δ时，调制波形正、负周期采样均值K11和K21分别为：

(9)

(10)

将cos函数化简为sin函数，由于δ，ε，φf均为极小量，取sinθ≈θ[23〗，并对式(7)至式(10)进行化简，得到

(11)

(12)

(13)

(14)

根据式(11)、式(12)，在不施加人为调制误差量周期，进行φf及Y波导调制误差量解调。计算Y波导调制误差信号ε为：

(15)

计算电流信号φf为：

(16)

根据式(13)、式(14)，在施加人为调制误差量周期，进行φf及Y波导调制误差量解调。计算Y波导调制误差信号ε为：

(17)

计算电流信号φf为：

(18)

根据式(11)、式(13)、式(15)，计算有效干涉光强I0为：

(19)

根据上述理论推导，人为调制误差量δ的引入，并不影响原来电流信号及Y波导调制误差信号ε的解调。干涉光强I0解调出来后，可以作为光路告警信号，监控光路状态，提供光路故障信息。

3.3 光路故障告警诊断方法

干涉光强I0包含电流大小变化信息，同时反映互易光路整体状态。光路状态的优劣必将会在干涉光强中显现出来，并对解调电流准确性产生影响。因此以干涉光强大小与电流准确性来对应，能够准确进行光路故障诊断。

有效干涉光强I0解调后，以光纤电流互感器调试正常工作时的有效干涉光强为基准量，并设置光路故障告警阈值参数Ith。当有效干涉光强I0降低到一定程度，导致FOCT出现比差、角差超出GBT20840.8标准0.2级要求时，对应有效干涉光强为Ifa，以大于Ifa数值量20%为故障告警阈值Ith。

当I0>Ith时，FOCT处于正常工作状态，当I0≤Ith时，输出故障告警信号，见附录A图A3。

4 试验验证及结果

4.1 FOCT常温与高低温准确度测试

在室温条件下，对采用该光路故障诊断告警方法的光纤电流互感器进行比差、角差准确度测试。被测FOCT额定电流为1 kA，分别在5%，20%，100%，120%额定电流下测试并与标准互感器进行校验[24〗，每10个周期校验一次，校验结果如图2(a)(b)所示。结果表明FOCT满足GBT20840.8标准0.2级准确度要求，光路故障诊断告警方法同样不影响FOCT常温准确度及线性度。

图2 常温准确度及温度稳定性测试结果Fig.2 Test results of room temperature accuracy and temperature stability of FOCT

在-40 ℃～+70 ℃范围对FOCT产品进行温度建模补偿后，采用光路故障诊断方法进行稳定性测试，选择在-40，-10，20，45，70 ℃温度点进行测试，测试电流为1 kA，测试结果如图2(c)(d)所示。从图中可以看出，全温范围内互感器比差在±0.1%范围内，角差在±5′范围内，满足GBT20840.8标准0.2级准确度要求，光路故障诊断告警方法不影响FOCT产品温度模型和温度稳定性。

4.2 光路衰减故障告警试验

利用光源输出功率大小来模拟FOCT光路损耗变化，进行光路损耗故障模拟实验。具体方法是在FOCT正常工作状态下，输入额定1 kA电流并进行校验，同时缓慢调节光源驱动电流，控制光源输出功率逐渐降低[25〗，模拟光路损耗逐渐增加，直至FOCT比差、角差输出超差，在此过程中测试FOCT解调输出干涉光强I0数字量、告警状态信息，同时再通过耦合器1空头检测光源功率，测试结果见表1。表1中干涉光强I0是解调数字量，并无量纲，按照解调数字量大小与互感器比差、角差校验情况进行对比，干涉光强I0数字量为102时对应Ifa，数字量为143附近时对应Ith。从结果可以看出，告警方法能够及时诊断光路损耗故障，测试结果与附录A图A3预期吻合。

表1 光路衰减故障告警试验结果Table 1 Test results of fault alarm for optical path attenuation

4.3 光路瞬间损坏告警试验

结合实际运行需要，进行FOCT光路瞬间损坏情况测试。在瞬间损坏的情况下，测试有效干涉光强数字量大小及判断告警信息，验证光路故障诊断告警方法的准确性、及时性。实验分别进行光缆剪断、光源驱动电路失效、探测器失效实验，查看故障告警情况。测试结果见附录A表A1。测试结果表明，该方法能够准确进行光路瞬时故障告警并及时给出告警信息。

4.4 光路偏态劣化故障告警试验

通过FOCT光路中各器件、部组件之间保偏光纤的熔接点的熔接角度变化，来模拟光路及光学器件偏振串音劣化情况，在不同的熔接角度下测试有效干涉光强I0大小、测试光路告警情况及探测器返回电压。测试结果见表2。结果表明，所述方法能够诊断出熔接角度引起的偏振串扰造成的光路故障。

表2 光路偏振态劣化告警实验Table 2 Alarm test of light path polarization deterioration

4.5 耦合器1尾纤断裂故障告警试验

人为造成FOCT光路耦合器1与Y波导连接尾纤以不同的方式断裂，在此情况下光纤断面将光源输出光反射回探测器，在不同情况下测试探测器返回电压、干涉光强大小及告警信息，结果见表3。测试结果表明，耦合器1输出端尾纤断裂有可能引起探测器电压变化并不明显，也即到达探测器的直流光强并没有明显减弱，但故障已经形成，此时若以达到探测器光强的直流量为故障告警依据，将出现光路故障漏诊断情况，但采用干涉光强I0作为故障告警诊断方式能够有效诊断该故障模式，并给出告警信息。

表3 耦合器1输出端尾纤断裂故障告警测试结果Table 3 Test results of fault alarm for pigtail fracture on coupler 1 output end

5 结语

本文给出了光纤电流互感器光路告警的方法并进行了实验验证。通过对有效干涉光强的检测，实现FOCT光路故障的监控。实验结果表明，干效光强全面反映了光路各种故障，能够及时有效地进行光路故障诊断告警，避免故障漏诊情况发生。干涉光强对光路缓慢衰减故障、瞬时故障[26〗均能及时诊断，实际应用中可以利用干涉光强变化快慢及大小情况，对光路故障进行提前预警，在产品尚未出现故障时，给出维修信息，对电力系统的可靠性提供信息支持。

需要指出的是，干涉光强虽然能够诊断出光路损耗增加、偏振态劣化、光学器件损坏、光纤断裂等故障模式，但并不能判断上述故障模式类型和故障位置。如何区分故障类型、确定故障位置及提高FOCT智能化程度，将是下一步研究的内容和方向。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。