基于光纖通信技術的電力系統遠程監測與控制研究

付 暉

（長江科學院巖土重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引言

電力系統遠程監測與控制需實時收集電網運行數據才能有效監控和控制電網。目前，電力系統遠程監測與控制已取得顯著進展，但在數據傳輸的穩定性、實時性和安全性方面仍存在一些不足。傳統的銅纜通信系統存在信號衰減、噪聲干擾和帶寬限制等問題，難以滿足日益增長的電力數據傳輸需求[1]。光纖通信具有超高的帶寬、低衰減特性和強大的抗電磁干擾能力，是解決現存問題的絕佳方式。光纖能支持遠距離和大容量數據傳輸，信號穩定性遠超傳統銅纜，有效提升了電力系統遠程監測與控制的效率。因此，文章主要探究光纖通信技術在電力系統遠程監測與控制中的應用，旨在為電力行業的技術革新和智能化升級提供參考。

1 基于光纖通信技術的電力系統結構

基于光纖通信技術的電力系統結構中，智能電子設備（Intelligent Electronic Devices，IED）與傳感陣列（Sensor Array，SA）構成系統感知層。IED 是多功能設備，負責收集SA 所監測到的電流、電壓和頻率等參數，待初步處理后，通過模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，再將數字信號注入高速高容量的光纖通信網絡[2]。光纖通信的高帶寬特性允許數據以極低的衰減率傳輸，從而減少傳統電線固有的信號損耗和電磁干擾。網絡的數據處理和傳輸過程應用網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術，靈活分配網絡資源?？刂乒芾硐到y（Control Management System，CMS）、配置接口系統（Configuration Interface System，CIS）和網絡安全功能（Network Security Function，NSF）構成系統管理層[3]。CMS 負責處理IED 數據，并根據預設算法和控制策略生成控制命令。CIS 提供用戶接口，以便運維人員配置和管理整個電力監控系統。NSF 提供數據加密、身份認證和訪問控制等安全機制，確保監控系統控制指令的安全性?；诠饫w通信技術的電力系統結構如圖1所示。

圖1 基于光纖通信技術的電力系統結構

2 遠程監測與控制方法的優化

2.1 傳統遠程監測控制方法

傳統電力系統監測控制主要依賴基礎的電氣測量技術、模擬信號傳輸和基本的通信協議[4]。傳統方法先測量電力系統的基本電力參數，通過傳感器實時測量電壓U和電流I，因此功率P為

式中：φ為電壓和電流的相位差。

傳統電力系統檢測控制以監控功率P為主，計算后將相關參數傳輸給系統，通過傳統方式模擬信號在物理介質中的傳輸。遠距離傳輸的信號衰減為

式中：A0為原始信號強度；α為介質的衰減系數；l為傳輸距離。

傳輸后系統接收的信號強度S反映信號衰減和環境噪聲N多重影響的結果。信號強度S的計算公式為

傳統方法使用濾波器處理噪聲影響，引入濾波器傳遞函數H(f)。將處理后的信號表示為S′，計算公式為

接收、傳輸和處理后的信號經系統處理后可得出控制信號u(t)，計算公式為

式中：e(t)為目標值和實際值之間的偏差；Kp為比例；Ki為積分；Kd為微分增益。

可見，傳統電力系統遠程監測與控制方法存在的主要問題是過于依賴銅制電線，導致信號傳輸過程極易受信號衰減與環境噪聲影響，從而出現數據失真情況，降低了數據準確性和遠程監測與控制的精準度。

2.2 光纖通信技術遠程監測與控制方法

基于光纖通信技術的電力系統遠程監測與控制方法以光纖為信號傳輸的主要介質。光纖通信具有高帶寬、低衰減特性，可有效解決傳統方法信號衰減與環境噪聲問題[5]。監測獲取的電信號會被光調制器轉換為光信號，調制公式為

式中：I0為光強度峰值；f為頻率；φ為初始相位。

通過光纖將電信號編碼到光信號的強度、頻率和相位中。光信號在光纖的衰減公式為

式中：α′為光纖的衰減系數。

在長距離傳輸中，光信號的衰減低于傳統監控方法中的電信號強度。在接收端，光信號經過光檢測器轉換為電信號R(t)，受到的噪聲影響為N′(t)，計算公式為

新方法采用數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）恢復接收信號并分析誤差。誤差函數E(t)可評估信號恢復的準確性，計算公式為

與傳統方法相比，基于光纖通信技術的方法誤差由更精確的信號(t)計算獲得，可提高控制系統的穩定性。與銅制電線相比，光纖的信號衰減系數較低，即使在長距離傳輸中信號也能保持較高的完整性和準確性。由于光纖是非電導體，幾乎免疫電磁干擾，在減少噪聲干擾方面具有顯著優勢，可減少由于信號質量不佳導致的錯誤判斷和控制失誤問題，保障電力系統的安全性與精準性。

3 實驗測試

3.1 實驗準備

為對比傳統電力監測系統與基于光纖通信技術的新型電力監測系統（簡稱光纖系統），設計一系列系統功能測試實驗。實驗設備包括基本性能相同的傳統系統和光纖系統，每個系統均配置等量的電流傳感器和電壓傳感器。在實驗室進行實驗，溫度控制在25 ℃左右，濕度控制在50%以內，同時保證2 種系統的環境一致。實驗以系統歷史實測數據為例，篩選出3 858 條歷史數據作為初始數據，并對比傳統系統與光纖系統的性能差別。實驗主要對比信噪比、帶寬利用率、響應時間、數據準確性、故障檢測時間以及系統穩定性6 項指標。信噪比通過同一電力線路上的傳感器測量，使用信號分析器收集2 個系統的信號數據，記錄固定時間內信號與背景噪聲比值，并將信噪比均值作為最終的信噪比結果。帶寬利用率借助網絡流量分析工具監控2 個系統在數據傳輸過程中的帶寬消耗，對比系統的最大帶寬容量得出帶寬利用率。響應時間測量從傳感器采集數據開始到控制命令執行結束，用計時器記錄整個過程的時間長度。數據準確性測試在控制信號源的情況下將準確的測試信號注入2個系統，對比系統輸出信號與標準信號，并計算誤差率。故障檢測時間測量通過模擬器引入電力系統的故障數據，記錄從故障發生到系統檢測并報警的時間，判斷系統對突發事件的反應能力。系統穩定性評估需持續運行2 個系統，記錄系統從受干擾狀態恢復到正常運行狀態的時間及表現。

3.2 實驗結果

實驗測試結果如表1 所示。

表1 實驗測試結果

由結果可知，基于光纖通信技術的系統在各個指標上都優于傳統系統。在信噪比、帶寬利用率和響應時間方面，光纖系統優勢顯著，且數據準確性更高、故障檢測時間更短、系統穩定性更強?？梢?，光纖通信技術在電力系統監測和控制方面具有顯著優勢。

4 結 論

文章全面分析光纖通信技術在電力系統遠程監測與控制中的應用價值，并通過實驗證實光纖通信在提高數據傳輸效率、減少信號衰減、增強系統穩定性以及提升數據準確性方面具有巨大潛力。實驗結果表明，基于光纖通信技術的系統在信噪比、帶寬利用率、響應時間、數據準確性、故障檢測時間以及系統穩定性等關鍵性能指標上均優于傳統電力監測系統。這一結果充分證明光纖通信技術在電力系統監測與控制應用中具有顯著優勢，可為電力系統的現代化升級提供有力的技術支持。為推動光纖通信技術在電力系統中的應用，電力系統工作人員應深入了解光纖通信原理，加強系統設計、實施和維護方面的技術培訓，積極探索光纖通信技術與電力系統智能化、網絡化的深度融合，實現電力資源的高效利用，更好地保障電力系統運行的安全性。