光纖通信在電力系統繼電保護中的應用

李繼斌，王博鋒

（國網陜西省電力有限公司漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

1 光纖通信在電力系統繼電保護中的應用方式

1.1 光纖電流差動保護

光纖電流差動保護是一種利用光纖通信技術實現的繼電保護方式，可以有效保護電力系統中的輸電線路、變壓器、母線等設備，提升電力系統的可靠性和安全性。光纖電流差動保護的原理是：在被保護設備的兩端分別安裝電流互感器和光纖通信終端，將兩端的電流信號通過光纖傳輸到對方的終端，然后進行比較和判斷，如果兩端的電流差異超過設定的閾值，就認為發生故障，并發送保護信號，切斷故障部分[1]。

1.2 光纖閉鎖式保護

光纖電流差動保護是一種利用光纖通信技術實現的繼電保護方式，主要用于輸電線路、變壓器、母線等電力設備的故障檢測和隔離。光纖電流差動保護的基本原理是：在被保護設備的兩端分別安裝電流互感器和光纖通信終端，通過光纖通信鏈路實時交換兩端的電流信息，根據電流差動原理判斷是否發生故障，如果發生故障，則發送跳閘信號給斷路器，切斷故障部分[2]。

1.3 其他光纖通信保護方式

除光纖電流差動保護和光纖閉鎖式保護外，還有其他的光纖通信保護方式，如光纖同步保護、光纖距離保護等。光纖同步保護和光纖距離保護的對比如表1 所示。

表1 光纖同步保護和光纖距離保護的對比

光纖同步保護是利用光纖通信實現電力系統中不同地點的繼電保護設備之間的時間同步。時間同步是繼電保護的重要條件之一，可以提高保護的準確性和靈敏度，避免誤動作和拒動作。光纖同步保護具有高精度、高可靠性、高安全性以及低成本等優點，適用于需要精確時間同步的電力系統場景，如電力市場交易、電能質量監測、故障錄波分析等[3]。

光纖距離保護利用光纖通信實現電力系統中不同地點的繼電保護設備之間的信息交換。信息交換是繼電保護的重要功能之一，可以提升保護的速斷性和選擇性，實現遠方故障的快速切除。光纖距離保護具有高帶寬、高速率、高靈活性以及低損耗等優點，適用于需要快速信息交換的電力系統場景，如輸電線路、變壓器、母線等。

2 光纖通信在電力系統繼電保護中應用的技術難點和解決方案

2.1 時延問題

光纖通信的時延指光信號在光纖中傳輸的時間，由光纖的長度、折射率、色散等因素決定。光纖通信時延的計算公式為

式中：T為時延；L為光纖的長度；vg為光信號在光纖中的群速度。

群速度的計算公式為

式中：c為真空中的光速；ng為光纖的群折射率。群折射率計算公式為

式中：n為光纖的相位折射率；λ為光信號的波長。

傳輸速率計算公式為

式中：R為光纖的傳輸速率；B為光纖的帶寬；M為光信號的調制方式；P為光信號的功率；N為通信波長。

時延會導致繼電保護的動作時間延遲，影響保護的速斷性和選擇性。例如，對于光纖電流差動保護，如果兩端的時延不一致，會造成差動電流的相位差，導致誤動作或拒動作。因此，需要對時延進行補償或校正，使兩端的時延相等或在允許范圍內。為縮短光纖通信的時延，可以采用：第一，優化傳輸參數，如波長、功率、調制方式等，減少色散和衰減等非線性效應；第二，采用無中繼技術，如全光網絡、無源光網絡等，減少中繼節點和轉換設備；第三，采用短距離或直接連接方式，如光口直連技術，減少光纖的長度和彎曲[4]。

2.2 誤碼問題

光纖通信的誤碼指在光纖傳輸過程中，由于各種原因導致的信號失真或干擾，使得接收端信號與發送端信號不一致的現象。誤碼會影響繼電保護的正確性和可靠性，可能導致保護信號的丟失、延遲、錯誤或重復，從而引起保護的誤動作或拒動作，甚至造成電力系統的事故。因此，降低光纖通信的誤碼率是提高繼電保護性能的重要目標。導致光纖通信誤碼的主要原因是光纖本身的缺陷或老化。光纖的彎曲、斷裂、松動、污染以及老化等，會導致光信號出現衰減、色散、反射或耦合等現象。

為降低光纖通信的誤碼率，可以采取相應措施。例如，優化傳輸參數，根據不同的繼電保護場景和需求，選擇合適的光源、光探測器、光纖類型、傳輸距離、傳輸速率以及傳輸協議等參數，使得光信號與光纖通信系統達到最佳匹配。同時，可以采用高效編碼，如曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼、4B/5B 編碼等，強化光信號的抗干擾能力和檢錯能力，解決直流分量和時鐘偏移等問題。

2.3 故障定位問題

光纖通信鏈路發生故障時，快速準確地找出故障點的位置和原因，有助于及時恢復通信和保護功能。光纖通信的故障定位問題對繼電保護的影響主要有2個方面。一方面，影響繼電保護的可靠性和安全性。如果光纖通信鏈路發生故障，可能導致繼電保護設備之間的信息交換中斷或錯誤，從而影響繼電保護的判斷和動作，造成誤動作或拒動作，甚至引發更大的事故。另一方面，影響繼電保護的速斷性和選擇性。如果光纖通信鏈路發生故障，可能導致繼電保護設備之間的信息交換延遲或丟失，從而影響繼電保護的速斷性和選擇性，降低繼電保護的效率和靈敏度。

為解決光纖通信的故障定位問題，可以采用光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）技術、光功率計（Optical Power Meter，OPM）技術以及其他輔助技術（見表2）[5]。

表2 多方法一覽

2.3.1 OTDR 技術

OTDR 是一種將光纖本身作為傳感器，通過向光纖發送脈沖光，并測量反射光的時間和強度來確定光纖各個點的損耗和反射特性的技術。分析OTDR 的測試結果可以確定光纖中的故障點的位置和類型，如斷裂、彎曲、接頭以及污染等。OTDR的優點是可以在線測試，無須切斷光纖或干擾通信，而且可以測試長距離和復雜拓撲的光纖鏈路。OTDR 的缺點是需要專業的儀器和人員，而且對于微小或間歇性的故障不夠靈敏。

2.3.2 OPM 技術

OPM 是一種利用光電轉換原理，通過測量光纖輸出端的光功率來判斷光纖是否正常工作的技術。通過比較OPM 的測量結果與正常值或基準值之間的差異，可以判斷光纖是否發生損耗或衰減等故障。OPM的優點是簡單易用，無須專業的儀器和人員，而且可以實時監測光纖狀態。OPM 的缺點是不能確定故障點的位置和類型，而且對于分支或環形結構的光纖鏈路可能不適用。

2.3.3 其他輔助技術

除OTDR 和OPM 外，還有一些其他輔助技術可以用于光纖通信的故障定位，如可視化檢查、聲音檢測、溫度檢測等。這些技術可以根據不同情況和需求進行選擇和組合，以改善光纖通信的故障定位效果。這些技術的優點是可以提供更多的信息和線索，而且可以與OTDR 和OPM 相互驗證和補充；缺點是可能需要額外的設備和人力，而且可能受環境因素的干擾。

3 光纖通信在電力系統繼電保護中的發展趨勢

3.1 光纖通信與5G 通信的融合

5G 通信技術是一種新一代的移動通信技術，可以提供高達20 Gb/s的峰值速率，比4G通信快近100倍，支持高清視頻、虛擬現實、云計算等多種應用。同時，5G 通信可以實現毫秒級的端到端時延，可以滿足遠程控制、自動駕駛、工業互聯網等對實時性要求高的場景。在發展趨勢層面，光纖通信可以為5G 通信提供高速、高帶寬、高可靠性的傳輸介質和基礎設施，實現電力系統內部和外部的數據交換和信息共享[6,7]。同時，光纖通信可以與5G 通信結合，實現電力系統中不同地點和不同設備之間的無線連接和無縫切換，提高繼電保護的覆蓋范圍和移動性，具有重要推廣意義。

3.2 光纖通信與智能化技術的結合

光纖通信與智能化技術的結合是電力系統繼電保護的一個重要發展方向，可以提高繼電保護的智能水平，實現更高效、更可靠、更安全的電力系統運行和管理。

3.2.1 人工智能技術

人工智能技術是利用計算機模擬人類的智能行為，如學習、推理、判斷以及決策等，解決復雜的問題。人工智能技術可以與光纖通信結合，實現繼電保護的自動化、智能化以及優化。例如，利用人工神經網絡、支持向量機、模糊邏輯等方法，強化繼電保護的故障識別和分類能力，減少誤動作和拒動作；利用遺傳算法、粒子群優化、蟻群算法等方法，優化繼電保護的參數設置和調整，提升繼電保護的靈敏度和選擇性；利用專家系統、知識庫、案例推理等方法，實現繼電保護的故障診斷和處理，提升繼電保護的可靠性和安全性。

3.2.2 物聯網技術

物聯網技術指通過互聯網將各種物理設備連接起來，實現信息的交換和共享。物聯網技術可以與光纖通信結合，實現繼電保護的遠程監控和控制。例如，利用傳感器、射頻識別、二維碼等技術，可以實現繼電保護設備的狀態監測和數據采集；利用云計算、大數據、區塊鏈等技術，可以實現繼電保護數據的存儲、分析以及共享；利用移動互聯網、無線通信、衛星導航等技術，實現繼電保護設備的遠程控制和定位。

4 結 論

電力系統對維持社會的正常運轉起決定作用，可以說電力系統在日常生活中無處不在。而光纖通信技術作為網絡時代的重要產物，為人們的生活提供諸多便捷服務，文章研究光纖通信在電力系統繼電保護中的應用方式、技術難點和解決方案、發展趨勢，旨在為電力系統繼電保護中光纖通信技術的應用和發展提供參考和借鑒。