CN110988603A - 一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法及***，涉及输电线路故障诊断领域，该方法包括在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。本发明能够明显提升区间定位判断速度。

Description

一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法及***

技术领域

本发明涉及输电线路故障诊断领域，具体涉及一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法及***。

背景技术

差动保护技术是电网线路安全运行的重要保障，当前，在架空、电缆、混合输电线路上，均要求发生故障后能够快速判断故障区段并断开故障区间，以保护电网设备免受进一步损坏，因此差动保护技术得到了广泛应用。

差动保护技术中，一种是利用电磁式电流互感器结合传输可靠的光纤作为信道，形成传统的光纤电流保护方案，但该方案由于终端需要供电，仅适用于变电站间线路保护，通用性较差；一种是使用全光纤电流互感器作为监测终端，形成光纤传感的差动保护方案(可参见专利CN103715650B)，该方案虽然可避免终端供电问题，但该方案存在成本过高，信号强度变化大且易受噪声干扰，终端存在***风险等问题，实用化存在较大难度；还有一种是基于光纤光栅的电流传感技术(可参见专利CN109031048A)，其通过电流自带磁场作用于磁敏感材料形成力转换，再作用到光纤光栅上形成伸缩效应，通过光栅波长测量的过程反解形成电流传感，可用于故障电流测量与定位。但是，其电流解调速度与可靠性尚不满足线路故障保护动作的需求，因此，上述现有的方案很难实现对混合线路的保护级故障区间定位。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法及***，能够明显提升区间定位判断速度。

为达到以上目的，本发明提供的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，包括以下步骤：

在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；

采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；

线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。

在上述技术方案的基础上，

所述光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连；

所述解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。

在上述技术方案的基础上，述基于所采集的反射光谱数据绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线，具体步骤包括：

取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

在上述技术方案的基础上，

所述线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；

所述第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；

所述第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。

在上述技术方案的基础上，

所述第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；

所述第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。

本发明提供的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，包括：

安装模块，其用于在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；

采集模块，其用于采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

绘制模块，其用于基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；

判断模块，其用于在线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。

在上述技术方案的基础上，

所述光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连；

所述解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。

在上述技术方案的基础上，所述基于所采集的反射光谱数据绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线，具体过程包括：

取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

在上述技术方案的基础上，

所述线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；

所述第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；

所述第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。

在上述技术方案的基础上，

所述第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；

所述第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：基于反射光谱数据进行差动保护，避免处理磁场力到光栅形变的传感过程中由于非线性造成的数据扭曲及其标定、修正等流程，明显提升区间定位判断速度，同时提高方法的稳定性、可靠性。同时，使用光纤光栅传感器用于差动保护，传感器无源，由于传感器的波分复用，传感器可共用光纤通道，特别适用于复杂的电缆-架空混合线路条件。与基于法拉第效应的光纤电流互感器相比，基于波长解调的信号强度稳定，且传感器成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法的流程图；

图2为本发明实施例中光纤光栅电流传感器的安装结构示意图；

图3为本发明实例中所绘制波形曲线示意图；

图4为本发明实施例中实例中最大相关系数曲线示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，基于反射光谱数据来对电缆是否发生故障进行判断，有效提升电缆区间故障定位判断速度。本发明实施例相应地还提供了一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***。以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，包括以下步骤：

S1：在线路待监测区间的单线路单相两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱。

本发明实施例中，线路待监测区间中的一根单线路单相两端为一个目标单元，在目标单元的两端各安装一个光纤光栅电流传感器，不同相别不同线路的故障监测与区间判断分别独立处理。光纤光栅电流传感器采用磁场力技术，包括但不限于磁致伸缩效应、磁铁吸引效应，通过引起光栅伸缩，对光栅发射宽频或扫频激光，光栅反射波长反映了光栅的伸缩状态，各种效应的响应频率可达kHz以上，因此可以对工频电流进行传感。

S2：采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

本发明实施例中，光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连，参见图2所示，为本发明的硬件结构示意图，机房位于变电站处，且机房中设有主机，纵联差动保护逻辑安装在主机中，通过读入解调仪实时数据进行处理，判断故障区间，输出线路保护所需信息。

解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。在传感器端无需经过任何转换，光栅反射信号传回调仪进行批量解调，各光栅占据不同波段，解调同时取得两端传感器反射光谱数据，实现线路双端信号同步。光纤光栅电流传感器测量电缆的工频电流反射光谱，得到光栅反射信号，对光栅反射信号进行解调，即可得到反射光谱数据。

S3：基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线。该步骤具体为：

S301：取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

S302：在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

S4：线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。当电缆区间无故障时，该区间双端电流相等，形成固定间隔的双反射峰曲线，当电缆区间发生故障时，该区间双端电流不相等，使得反射光谱峰位间隔发生变化。

线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。整条输电电缆是由多个电缆区间组成，每个电缆区间中的单线路单相两端均安装有光纤光栅电流传感器，当绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔，则说明当前单线路单相两端光纤光栅电流传感器间的电缆线路未发生故障，为其它单线路单相两端光纤光栅电流传感器间的电缆线路发生故障，以此来判断每个电缆区间是否发生线路故障。

以下结合一实例来对本发明实施例的基于光纤光栅的数字差动区间保护方法进行具体说明。

假设电缆区间为10km，假设光纤衰减率为0.25dB，则远端光纤光栅电流传感器相对近端光纤光栅电流传感器的光强衰减了5dB，近、远端两光纤光栅电流传感器光栅分别占据1540-1542nm以及1542-1544nm工作区段，传感器封装好后的中心波长分别为1541nm、1543nm。C波段宽频激光入射，两端传感器光栅反射信号同步经解调仪获得反射光谱。

以10km长度为例子是考虑到实际电缆长度极少超出10km，此种情形代表了接近最恶劣的信号传输衰减情况。以光栅封装好的无环境干扰反射波长为中心，分别向两端延伸1nm作为光纤光栅电流传感器的工作波段区间，各传感器工作区间应无重叠。

在无电流的情况下测得的电缆区间光谱可作为初始参考曲线L0(λ)，其中λ为波长标号，其一般特征为具有两个谱峰，分别来自两光纤光栅电流传感器的反射，见图3中线段0；通电后，电缆线路多数时间均处于正常运行状态，双端电流在同一时刻的大小一致，磁场力传感响应后的波长移位仍一致(见图3中线段1)，与无电流下的曲线相比相当于平行移位，因此正常运行状态下任意时刻的光谱均可作为参考曲线L0(λ)，这是不考虑温度影响时的理想状态。

在有温度变化影响的自然条件下，考虑温度变化的速率极少有超过每分钟1摄氏度的情况(常见气温变化一分钟小于0.1摄氏度)，1摄氏度的温度变化引起光栅波长变化在0.01nm左右，换算1s内能引起的波长变化在0.0002m以内，接近解调仪波长分辨极限。线路发生故障时，通常在0.1s内跳闸，并在1s左右的时间内重合闸，因此不正常状态持续的时间可认为1s，且引起的波长变化在0.1nm以上。因此，故障引起的波长变化速率远远大于温度引起的变化速率，考虑故障前后过程时段内可认为双端光纤光栅电流传感器的温度环境短时固定不变。

线路发生故障时有两种情形：当故障点位于监测电缆区间外，则两端监测电流理论上仍相等，经过磁场力响应后形成的光谱类似于图3中线段1(各峰相对中心波长的偏移幅度可能更大)；当故障点位于电缆区间内时，由于高压输电线路一般为双端电源供电，故障时均向故障点流入电流，使得两监测点监测到的电流反向，工频存在接近180度的相位差，因此同一时刻双端光纤光栅电流传感器光栅反射波长相对其中心波长向不同方向进行移位，如图3中线段2所示。

故一个不需要先解调电流后再进行区间定位的方法：

(1)以每个工频周波时长20ms内的光谱区段数据为目标曲线集合Ht(λ)，t为时间记号，当线路两端传感器中心波长及工作区段为上述设置时，固定取波长1540-1544nm为该线路区间故障判断的目标区段光谱。如果某线路电缆同一相的两端传感器工作波长区段不相邻，直接取其对应波段同宽度数据拼接即可。分别考虑可靠性或响应速度需求，目标曲线集合的时间长度不限于一个工频周波，当需要提升可靠性时，可加长目标时间长度至多个周波，当需要加快响应速度时，可降低至半个周波。

(2)对每个时刻的光谱序列Ht(λ)，在一系列的移位情况下与参考曲线L0(λ)进行相关系数计算。移位的方式是轮转式，例如向左移动到头部的数据下一次移动时按头尾相接的规则移动到尾部，每次移动一个数据点，移动范围为单个传感器的工作区段，如2nm，分别向左移动1nm到向右移动1nm，间隔以解调分辨率为准。相关系数序列Ct(m)＝Corr{L0(λ),Rotate[Ht(λ),m]}，m为移位标号，Corr表示相关系数，Rotatevia表示旋转，并取得序列中的最大值Ctmax＝Max{Ct(m)}。

在无故障状态或者区间外故障时，由于双端电流的一致性，其光谱曲线相对于参考曲线仅发生了一定的平行移动，因此经过移位遍历后总有两曲线几乎重叠的条件达成，计算的相关系数最大值理论上接近1，与所选时刻无关；而区间内故障时，由于两端电流的方向不一致，光谱峰移动方向相反，在电流较大的时刻两曲线的差异明显，经过移位遍历后相关系数一般离1有明显差距，而电流过零时刻则如同无故障状态下相关系数可以接近1，因此区间内故障时其相关系数曲线还可体现出周期性变化。

(3)对上述周波内所有时刻分别进行上述计算取得周期内最大相关系数曲线Cmax(t)，在无故障(图4中线段A)、区间内故障(图4中线段B)这两种典型条件下的Cmax(t)特征如4所示。

(4)通过计算每周波最大相关系数曲线的最小值Dmin＝Min{Cmax(t)}，可设定判据如下：Dmin≤D0时判断为区间内故障。D0的选取与噪声程度、双端距离有关，在本实例中，噪声强度被设置为10％相对随机波动，外加强度0.2的绝对随机波动，远超常见的噪声水平，双端距离10km接近于最恶劣的传输衰减。据此计算得区间外故障Dmin＝0.88，无故障时Dmin＝0.99，区分度十分明显。本例中D0可选取为0.95，一方面容许更大的噪声条件下正常运行状态不会被误判为区间故障，另一方面允许在更长的传输距离下信号衰减造成的区间内故障时相关系数升高不会被误判为正常状态。

对于相关系数计算以及后面结合的最小值判据，是一个较优方案，实际运用中不局限于此，多种特征匹配方法均可使用，例如：最小距离、最小二乘、最小绝对差等算法。各自计算后再根据特征量差异性具体拟定判据即可，同样也可利用前述周期性特征差异制订判据。

需要注意的是，光纤光栅在绝对值的测量中主要受到温度的影响需要有一个温度补偿过程，本发明中由于本质目的是区分双端测得电流是否发生相对变化，并考虑到温度缓变的特点，可以把双端温度的相对变化包含到参考曲线中，仍旧保障了双端相对变化的测量而不进行绝对的温度补偿操作。

在参考曲线的选择过程中，只要本次周波内算得Dmin正常，则将第一个时间的光谱序列Ht(λ)定义为新的参考曲线L0(λ)，此时两端各自不同的温度变化导致的微弱差异包含在新的参考光谱中，避免了积累误差，且其细微变化并不引起区间内故障的误判。Dmin正常可设置较严苛的判据，例如Dmin>D1>D0，D1在上例中可选取为0.97，偶尔因故障无法更新参考曲线并不会导致参考曲线明显偏离实际正常情况，而同时保障了参考曲线不会取到代表不稳定的异常状态，其含义是参考曲线总代表正常状态下双端传感器反射光谱。对于线路发生长时间的停电后恢复的情形，参考曲线设置还原为初始值。

如果本周波计算故障区间判断处于临界状态D1≥Dmin>D0，可能发生了某种***不平衡状态或线路发生了故障但本轮时间内只采集了小于半周的故障状态，多计算一个周波后可明确是区间内故障还是***不平衡状态，两种情形下均不更新参考曲线。

本发明实施例的基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，基于反射光谱数据进行差动保护，避免处理磁场力到光栅形变的传感过程中由于非线性造成的数据扭曲及其标定、修正等流程，并避开由监测光谱寻峰或拟合确定中心波长的有可能失效的解调过程，明显提升区间定位判断速度，同时提高方法的稳定性、可靠性。同时，使用光纤光栅传感器用于差动保护，传感器无源，由于传感器的波分复用，传感器可共用光纤通道，特别适用于复杂的电缆-架空混合线路条件。与基于法拉第效应的光纤电流互感器相比，基于波长解调的信号强度稳定，且传感器成本较低。

本发明实施例提供的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，包括：

安装模块，其用于在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；

采集模块，其用于采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

绘制模块，其用于基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；

判断模块，其用于在线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。

光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连；解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。

基于所采集的反射光谱数据绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线，具体过程包括：

取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；

采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；

线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，其特征在于：

所述光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连；

所述解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，其特征在于，所述基于所采集的反射光谱数据绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线，具体步骤包括：

取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，其特征在于：

所述线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；

所述第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；

所述第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。

5.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护方法，其特征在于：

所述第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；

所述第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。

6.一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，其特征在于，包括：

安装模块，其用于在线路待监测区间两端均安装光纤光栅电流传感器，用于实时测量线路的工频电流反射光谱；

采集模块，其用于采集线路正常工作状态下光纤光栅电流传感器的反射光谱数据；

绘制模块，其用于基于所采集的反射光谱数据组合绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线；

判断模块，其用于在线路工作过程中实时采集光纤光栅电流传感器的反射光谱数据，并绘制波形曲线，将绘制的波形曲线与参考曲线进行比对以判断待监测区间内是否发生故障。

7.如权利要求6所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，其特征在于：

所述光纤光栅电流传感器通过通信光纤与机房中的解调仪相连；

所述解调仪对两光纤光栅电流传感器生成的光栅反射信号进行同步解调后，得到待监测区间两端各自的反射光谱数据。

8.如权利要求6所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，其特征在于，所述基于所采集的反射光谱数据绘制波形曲线，线路无故障工作状态下的波形曲线作为参考曲线，具体过程包括：

取得两个光纤光栅电流传感器各自固定波段的同一时刻反射光谱数据，拼接作为数据处理目标；

在线路无故障工作状态下，对数据处理目标绘制波形曲线作为参考曲线，所述参考曲线为具有双反射峰的曲线，且双反射峰间呈固定间隔。

9.如权利要求6所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，其特征在于：

所述线路发生的故障包括第一故障情形和第二故障情形；

所述第一故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间内；

所述第二故障情形为故障点位于两光纤光栅电流传感器间的线路待监测区间外。

10.如权利要求9所述的一种基于光纤光栅的数字差动区间保护***，其特征在于：

所述第一故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔在工频一周波时间内不断变化；

所述第二故障情形下绘制的波形曲线的双反射峰间的间隔，等于参考曲线反射峰间的间隔。

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