應用于智能電網的光纖電流傳感網絡

黃霖,李瑾,梁鑒,盧淇琦

（南寧供電局，廣西南寧，530029）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，建設具有清潔、經濟、自愈等優點的智能電網已成為我國電網發展的一個重要新方向。智能電網利用嵌入式處理技術自動化控制技術、傳感檢測技術、分析決策技術和信息通信技術，將電網的內部信息集成到電力系統的分析決策和生產實踐流程中，實現電網的各項信息指標可觀測化[1]。隨著電力系統對電流測量要求的不斷提高，傳統的電磁式電流傳感器已逐漸暴露出一系列的缺陷，如絕緣結構復雜、抗電磁干擾能力差、鐵磁諧振、易磁飽和、測量動態范圍小和有油易燃易爆炸等。這些缺陷導致傳統的電磁式電流傳感器已難以滿足智能電網的測量需求。隨著電壓等級的提高和IEC 60044-8-200標準的提出，這些問題愈顯突出，制造成本也愈加昂貴，需要尋找新的解決方案[2]。

新型的光纖電流傳感器結構簡單、抗電磁干擾、造價低，在高壓等級條件下絕緣成本增加極少，同時具有很寬的動態范圍可以同時實現實時測量和繼電保護的雙項需求[3]；它還有效地避免了傳統的電磁式電流傳感器因充油而存在潛在的易燃、易爆炸等危險因素，同時不存在開路導致的高壓危險，故具有極高的安全性；除此之外，光纖電流傳感器更加符合電力計量數字化及自動化發展的要求。因此新型的光纖電流傳感器已經逐漸顯示出傳統的電磁式電流傳感器無法比擬的優勢。

當前的電流傳感器基本都是以單點傳感的狀態來進行工作的，這一點與傳統的傳感器并無不同，另外一種方法是可以實現一定距離內的準分布式電流傳感方案[4]。

基于智能電網的檢測需求，網絡需要的是一個多點的電流傳感系統，其中的傳感元件可以是任何類型的，通過一個相應的通信系統被整合成為一個完整的傳感網絡。結合光纖傳感技術自身的優越性能和光纖通信系統的成熟，研究人員提出為整個智能電網創建一個匹配的傳感網絡，限于篇幅和研究范圍所限，本篇綜述將不會對電網部分展開討論，主要敘述光纖傳感技術的原理、傳感網絡的實現以及國內外在這方面的最新研究進展。

1 光纖電流傳感器的實現方式

光纖電流傳感（fiber optic current sensing）有多種實現方式，目前比較主流的有以下幾種：基于法拉第效應（Faraday effect）[5]，基于磁滯收縮效應[6]，基于填充磁性流體[7]。當然，除此之外還有其他的方案，本文僅列出當前比較主流且具有較大前景的研究方向。幾種方案不盡相同，互有利弊，需要在實際問題中具體分析具體研究。

1.1 基于法拉第效應

法拉第效應簡單來講就是當磁場方向沿著光纖放置的軸向方向時，磁場會對光纖中傳播光的圓偏振產生影響，圓偏振光的相位漂移由一個公式表述[8]：

圖1 法拉第效應示意圖[8]

其中V是光纖的費爾德常數，常數越大，則圓偏振光總的偏轉角度越大。H是磁場強度，L是磁場中光纖的總長度。由公式和圖1可以看出，基于法拉第效應制作的光纖電流傳感器必須保持磁場方向與光纖放置方向相同。為了生成圓偏振光，需要將光源產生的光通過一個起偏器先得到線偏振光，然后通過一個四分之一波片將線偏振光轉化成為圓偏振光。光路如下圖2所示[9]：

圖2 典型法拉第效應傳感光路[9]

通過引入法拉第旋轉鏡（Faraday mirror）和Sagnac環路結構，可以降低系統復雜度，同時提高偏轉角度的倍數，為了方便檢測端通過檢測X，Y方向的光強來判斷偏轉角度，最好在起偏器后面接上一個45°熔接點，目的是產生初始線偏振角度為45°的偏振光，因此在X,Y方向上的初始光強相同。實驗系統如圖3所示：

圖3 改進型光路[4]

法拉第磁光效應電流傳感器包括全光纖電流傳感器和塊狀玻璃光學電流傳感器兩種。全光纖電流傳感器，其光路簡單，便于加工，但其輸出靈敏度受外界溫度、光纖本身的雙折射及入射偏振面的影響極大。截止目前，基于法拉第磁光效應的全光纖電流傳感器在實際應用中還受到多種因素的制約，主要是光纖線性雙折射問題和環境溫度的影響問題。光纖的線性雙折射引起的偏振擾動會嚴重影響偏振模的法拉第旋轉，使法拉第效應湮沒其中。線雙折射對溫度、壓力等因素十分敏感，使系統易受環境因素變化的擾動，降低了系統的穩定性和可靠性。因此，光纖中的線性雙折射、溫度引起的精度問題和傳感探頭老化問題一直是此類電流傳感器實用化的最大障礙。

線性雙折射主要有固有雙折射、應力雙折射和溫度引起的雙折射等，溫度除了產生雙折射以外，還會影響介質的費爾德常數、折射率等，它們相互影響，關系隨機而且復雜。所以，在設計全光纖電流傳感器時，如何抑制線性雙折射就尤為重要，一般采用可采用以下幾種方法：1.新光纖材料[10]；2.新光纖結構[11]；3.新光纖處理技術[12]；4.新型傳感探頭的結構設計[13]。

在上述幾種方向中，我們認為后兩種方法在工程實現上有較大的使用價值，而前兩種研究方向在科研上是具有重大意義的，通過光纖設計層面的技術提升來從根本上設計出滿足需求的新型光纖。圖2，圖3中對于光纖的需求主要是系統中傳輸線偏振光所需的高雙折射光纖（high-birefringence fiber，Hibi）和傳感區域所需的低雙折射光纖（low-birefringence fiber，Lobi fiber）。后者尤為重要，需要一直線性雙折射同時保持圓偏振光。從目前的技術層面出發，多數的解決方法是通過對光纖進行旋轉（spun fiber）來制作低雙折射光纖，期望能夠從根本上，從光纖設計層面上解決問題?？赡艿姆较蛴性O計新的光纖結構和改變尺寸如微納光纖（micro-fiber）。

1.2 基于磁致收縮效應

處在外磁場中的鐵磁體被磁化后，其長度以及體積會發生變化，這種現象稱之為磁致伸縮效應。基于磁致伸縮效應的光纖電流傳感器起初用三種方式制作傳感頭[14]：1.在由磁致伸縮材料制成的圓柱體圓周上繞以光纖；2.直接將磁致伸縮材料粘貼在光纖上；3.在光纖表面上鍍上一層均勻的磁致伸縮材料金屬膜，并結合相應的解調技術實現對電流的測量。

比較典型的實現方式主要是基于光纖布拉格光柵（fiberbragg grating，FBG）[15]和磁致收縮材料的電流傳感。FBG電流傳感原理為寬帶光源發出的光從FBG一端入射，由于折射率的周期變化，使纖芯中向前和向后傳輸的光波耦合,當滿足布拉格條件，即

從左至右的參數分別為入射光中心波長（布拉格波長），光纖光柵柵區的纖芯有效折射率以及FBG的柵格周期。把光纖光柵粘貼在磁致伸縮材料上,則可以利用電流產生的磁場對磁致伸縮材料的作用調制光纖光柵,通過對布拉格波長漂移的測量,確定電流大小[2]。

簡單的來講，可以把它理解為將FBG作為一個傳感中介，通過FBG來檢測磁致收縮材料本身的變化（周期的變化），繼而來檢測外界磁場/電流的強度。FBG原理圖見圖4，簡單的傳感探頭示意圖如圖5所示：

圖4 FBG示意圖

圖5 FBG磁致收縮效應傳感[2]

基于磁致收縮效應和FBG的傳感系統可以通過改善材料性質、光柵特性以及探頭的設計來進一步提升性能，可以作為一種可選擇的電流傳感方法。通過在電網網絡內放置多個FBG傳感器，并且為其搭建相應的通信系統，則可以將其視作一個準分布式的光學電流傳感網絡。

1.3 基于特種光纖結構以及其填充來實現傳感

特種光纖的結構和性能都不同于普通光纖，有些體現在結構設計新穎，有些則是材料性質不同于一般光纖，還有的光纖則會兼具這兩種特點。一種主要的特種光纖叫做光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）[16]。PCF被用作電流傳感元件的優勢在于其特殊的結構導致對于彎曲和溫度的變化不敏感性。對于磁場的傳感則是通過空芯光子晶體光纖的選擇性填充來實現[17]，圖6是一種光子晶體光纖的典型端面結構。

圖6 一種典型的PCF端面結構[17]

PCF中填充的是磁性流體介質（magnetic fluid，MF），其顯著特性表現為折射率會隨著磁場強度的變化而發生改變，并且不同型號的MF流體其特性不盡相同，可以根據需求進行選擇（文中提及型號為ferrotec公司的EMG系列產品）。借助磁性流體的性質，可以發現隨著磁場的變化，檢測端得到的光譜波谷會發生漂移，在一定的磁場強度范圍內（0—300Oe），波長漂移程度和磁場強度變化體現出非常好的線性關系[18]。由此可以通過分析檢測端的光譜來對磁場強度/電流強度進行分析，圖7是填充后光譜的漂移曲線。

圖7 PCF填充MF之后得到的光譜漂移[18]

除簡易的光子晶體光纖填充之外，目前出現的新型傳感結構包括有對光纖F-P腔進行磁性流體填充，光子晶體光纖進行拉錐（taper）再進一步填充磁性流體介質來實現對磁場的傳感[19]，拉錐填充如圖所示：

圖8 光纖拉錐填充[19]

這些特種光纖包括特種結構都是借助磁性流體來實現對于電流的傳感，在這一方面的工作仍然有很多東西值得挖掘。在傳感性能優良的同時也存在一些缺點，比如填充和拉錐過程的批量重復性問題，以及磁性流體本身的穩定性，盡管目前仍然存在一些問題，但仍然不失為一種值得考慮的實現方法。

2 智能電網傳感技術的實現

通過分析電網的實際工作狀況，可以發現關鍵的檢測參數主要包括電流，溫度以及結構健康檢測等。本節主要講述電網中電流傳感網絡的實現，基于現有的技術，溫度的監測可以通過布里淵和拉曼做到分布式的傳感，結構健康監測更多的突破點則在于智能材料和光纖光柵FBG[20]，但是對于電流的分布式傳感，迄今為止，只能實現短距離內的準分布式傳感。

分布式傳感代表技術是利用光纖的布里淵散射來獲取加在光纖上的外部環境參量。布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時互相作用而產生的光散射過程，其能夠在相當長的距離上探測溫度和應力的變化情況，因為布里淵頻移與光纖模式的有效折射率有關，所以一旦石英的折射率隨局部環境的變化而變化，那么頻移也將隨之改變。溫度和應力都能改變石英的折射率，因而只要檢測光纖中布里淵頻移的變化，即可得到溫度和應力在光纖鋪設沿線上的分布情況。理論和實驗研究表明，光纖中布里淵散射光的頻移是溫度和應變的函數，并在一定條件下光纖上每點的布里淵頻移與該處光纖所感知的外界的溫度和應變成線性關系。對于1.55um的普通單模光纖，布里淵頻移量約為11GHz，此頻移量與光纖所受應力和溫度有關，1MHz的頻移對應著20με或者1℃的溫差。此外，因為光纖具有一定的長度，且布里淵散射是產生在光纖中的每一個微觀點的，所以如何確定我們探測到的后向布里淵散射在光纖中發生的位置就需要通過光時域反射計的方法來實現。激光器發射出一系列的激光脈沖進入光纖中，當脈沖光在光纖中傳輸時，由布里淵散射產生的后向散射光可以在發送端被探測到，利用探測到的后向布里淵散射光信號與發射光脈沖信號的時間差⊿t，并且光信號在光纖中傳播的速度Vg是常數，因此可以確定此散射光信號產生點距離激光脈沖入射點的距離為Z=（Vg×⊿t）/2。通過這種方法我們可以在整根連續的光纖上，以距離的連續函數形式得到光纖中各點的溫度和應變數據。

結合電網的實際需求，分布式的傳感不具有迫切的實用價值反而會增加技術難度和系統的復雜度，在多數情況下系統只需要了解網絡中關鍵節點的電流狀況既可以監控整個電網的工作情況，所以在電網的節點放置多個傳感器來實現準分布式傳感的電流傳感網絡是足夠滿足需求且具有實際意義的。準分布式的光纖電流傳感目前較為成熟的是多點FBG傳感技術但并不局限于此，其他形式的準分布式光纖電流傳感在實現上都是類似的，需要解決的是為這些分散在各處的傳感器搭建一個合適的傳感通信網絡。

上面已經簡單介紹過三種類型的電流傳感實現方式，也是現今世界上較為主流的解決方案。其中以第一種和第二種在工程實現上具有優勢，而第三種方式則勝在新穎性以及創新潛力。目前，基于法拉第效應制作的光纖電流傳感器相對較為常見，其中以ABB[21]，Nxtphase等公司的產品為典型，國內則是以中國電科院領銜。下圖所示為ABB公司的電流互感器，通過將環狀的傳感器放置在電纜上，再結合外圍設備可以實現對于電流的單點傳感。

圖9 ABB電流互感器[21]

結合實際需求和當前業界的技術水平,可以為多點式的傳感網絡設計出相應的通信系統。在這里可以借鑒物聯網中無線傳感網絡的概念，通過為每個電流傳感器匹配一個對應的無線通信模塊，在此基礎上完善網絡拓撲結構和數據鏈路交換以及上層的控制模塊，則可以實現通信功能和實時的監控。

光纖傳感的網絡化可以通過光纖傳感與通信技術及計算機技術的融合。使用單片機、DSP 芯片以及虛擬儀器等方式，實現數據處理、控制與信號處理；通過多層次的計算功能，如現代譜分析、時頻分析、遺傳算法等，實現各種智能化功能[22]。使傳感由傳統的僅僅進行信號形式轉換的單個或多個敏感元件擴展為集信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體的多功能系統，再結合光網絡和軟件技術，可以搭建一個結構完整、功能完善的傳感體系。

3 結論

本篇綜述主要敘述了光纖傳感技術的原理、傳感網絡的實現以及國內外在這方面的最新研究進展。結合光纖傳感技術自身的優越性能和光纖通信系統的成熟，智能電網可以搭建一個結構完整、功能完善的傳感體系。

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