基于光纤通信技术的电力系统远程监测与控制研究

付 晖

（长江科学院岩土重点实验室，湖北 武汉 430010）

0 引言

电力系统远程监测与控制需实时收集电网运行数据才能有效监控和控制电网。目前，电力系统远程监测与控制已取得显著进展，但在数据传输的稳定性、实时性和安全性方面仍存在一些不足。传统的铜缆通信系统存在信号衰减、噪声干扰和带宽限制等问题，难以满足日益增长的电力数据传输需求[1]。光纤通信具有超高的带宽、低衰减特性和强大的抗电磁干扰能力，是解决现存问题的绝佳方式。光纤能支持远距离和大容量数据传输，信号稳定性远超传统铜缆，有效提升了电力系统远程监测与控制的效率。因此，文章主要探究光纤通信技术在电力系统远程监测与控制中的应用，旨在为电力行业的技术革新和智能化升级提供参考。

1 基于光纤通信技术的电力系统结构

基于光纤通信技术的电力系统结构中，智能电子设备（Intelligent Electronic Devices，IED）与传感阵列（Sensor Array，SA）构成系统感知层。IED 是多功能设备，负责收集SA 所监测到的电流、电压和频率等参数，待初步处理后，通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号注入高速高容量的光纤通信网络[2]。光纤通信的高带宽特性允许数据以极低的衰减率传输，从而减少传统电线固有的信号损耗和电磁干扰。网络的数据处理和传输过程应用网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术，灵活分配网络资源。控制管理系统（Control Management System，CMS）、配置接口系统（Configuration Interface System，CIS）和网络安全功能（Network Security Function，NSF）构成系统管理层[3]。CMS 负责处理IED 数据，并根据预设算法和控制策略生成控制命令。CIS 提供用户接口，以便运维人员配置和管理整个电力监控系统。NSF 提供数据加密、身份认证和访问控制等安全机制，确保监控系统控制指令的安全性。基于光纤通信技术的电力系统结构如图1所示。

图1 基于光纤通信技术的电力系统结构

2 远程监测与控制方法的优化

2.1 传统远程监测控制方法

传统电力系统监测控制主要依赖基础的电气测量技术、模拟信号传输和基本的通信协议[4]。传统方法先测量电力系统的基本电力参数，通过传感器实时测量电压U和电流I，因此功率P为

式中：φ为电压和电流的相位差。

传统电力系统检测控制以监控功率P为主，计算后将相关参数传输给系统，通过传统方式模拟信号在物理介质中的传输。远距离传输的信号衰减为

式中：A0为原始信号强度；α为介质的衰减系数；l为传输距离。

传输后系统接收的信号强度S反映信号衰减和环境噪声N多重影响的结果。信号强度S的计算公式为

传统方法使用滤波器处理噪声影响，引入滤波器传递函数H(f)。将处理后的信号表示为S′，计算公式为

接收、传输和处理后的信号经系统处理后可得出控制信号u(t)，计算公式为

式中：e(t)为目标值和实际值之间的偏差；Kp为比例；Ki为积分；Kd为微分增益。

可见，传统电力系统远程监测与控制方法存在的主要问题是过于依赖铜制电线，导致信号传输过程极易受信号衰减与环境噪声影响，从而出现数据失真情况，降低了数据准确性和远程监测与控制的精准度。

2.2 光纤通信技术远程监测与控制方法

基于光纤通信技术的电力系统远程监测与控制方法以光纤为信号传输的主要介质。光纤通信具有高带宽、低衰减特性，可有效解决传统方法信号衰减与环境噪声问题[5]。监测获取的电信号会被光调制器转换为光信号，调制公式为

式中：I0为光强度峰值；f为频率；φ为初始相位。

通过光纤将电信号编码到光信号的强度、频率和相位中。光信号在光纤的衰减公式为

式中：α′为光纤的衰减系数。

在长距离传输中，光信号的衰减低于传统监控方法中的电信号强度。在接收端，光信号经过光检测器转换为电信号R(t)，受到的噪声影响为N′(t)，计算公式为

新方法采用数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）恢复接收信号并分析误差。误差函数E(t)可评估信号恢复的准确性，计算公式为

与传统方法相比，基于光纤通信技术的方法误差由更精确的信号(t)计算获得，可提高控制系统的稳定性。与铜制电线相比，光纤的信号衰减系数较低，即使在长距离传输中信号也能保持较高的完整性和准确性。由于光纤是非电导体，几乎免疫电磁干扰，在减少噪声干扰方面具有显著优势，可减少由于信号质量不佳导致的错误判断和控制失误问题，保障电力系统的安全性与精准性。

3 实验测试

3.1 实验准备

为对比传统电力监测系统与基于光纤通信技术的新型电力监测系统（简称光纤系统），设计一系列系统功能测试实验。实验设备包括基本性能相同的传统系统和光纤系统，每个系统均配置等量的电流传感器和电压传感器。在实验室进行实验，温度控制在25 ℃左右，湿度控制在50%以内，同时保证2 种系统的环境一致。实验以系统历史实测数据为例，筛选出3 858 条历史数据作为初始数据，并对比传统系统与光纤系统的性能差别。实验主要对比信噪比、带宽利用率、响应时间、数据准确性、故障检测时间以及系统稳定性6 项指标。信噪比通过同一电力线路上的传感器测量，使用信号分析器收集2 个系统的信号数据，记录固定时间内信号与背景噪声比值，并将信噪比均值作为最终的信噪比结果。带宽利用率借助网络流量分析工具监控2 个系统在数据传输过程中的带宽消耗，对比系统的最大带宽容量得出带宽利用率。响应时间测量从传感器采集数据开始到控制命令执行结束，用计时器记录整个过程的时间长度。数据准确性测试在控制信号源的情况下将准确的测试信号注入2个系统，对比系统输出信号与标准信号，并计算误差率。故障检测时间测量通过模拟器引入电力系统的故障数据，记录从故障发生到系统检测并报警的时间，判断系统对突发事件的反应能力。系统稳定性评估需持续运行2 个系统，记录系统从受干扰状态恢复到正常运行状态的时间及表现。

3.2 实验结果

实验测试结果如表1 所示。

表1 实验测试结果

由结果可知，基于光纤通信技术的系统在各个指标上都优于传统系统。在信噪比、带宽利用率和响应时间方面，光纤系统优势显著，且数据准确性更高、故障检测时间更短、系统稳定性更强。可见，光纤通信技术在电力系统监测和控制方面具有显著优势。

4 结 论

文章全面分析光纤通信技术在电力系统远程监测与控制中的应用价值，并通过实验证实光纤通信在提高数据传输效率、减少信号衰减、增强系统稳定性以及提升数据准确性方面具有巨大潜力。实验结果表明，基于光纤通信技术的系统在信噪比、带宽利用率、响应时间、数据准确性、故障检测时间以及系统稳定性等关键性能指标上均优于传统电力监测系统。这一结果充分证明光纤通信技术在电力系统监测与控制应用中具有显著优势，可为电力系统的现代化升级提供有力的技术支持。为推动光纤通信技术在电力系统中的应用，电力系统工作人员应深入了解光纤通信原理，加强系统设计、实施和维护方面的技术培训，积极探索光纤通信技术与电力系统智能化、网络化的深度融合，实现电力资源的高效利用，更好地保障电力系统运行的安全性。