基于光纖通信技術(shù)的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制研究

付 暉

（長(zhǎng)江科學(xué)院巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

0 引言

電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制需實(shí)時(shí)收集電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)才能有效監(jiān)控和控制電網(wǎng)。目前，電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制已取得顯著進(jìn)展，但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和安全性方面仍存在一些不足。傳統(tǒng)的銅纜通信系統(tǒng)存在信號(hào)衰減、噪聲干擾和帶寬限制等問題，難以滿足日益增長(zhǎng)的電力數(shù)據(jù)傳輸需求[1]。光纖通信具有超高的帶寬、低衰減特性和強(qiáng)大的抗電磁干擾能力，是解決現(xiàn)存問題的絕佳方式。光纖能支持遠(yuǎn)距離和大容量數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)穩(wěn)定性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)銅纜，有效提升了電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的效率。因此，文章主要探究光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用，旨在為電力行業(yè)的技術(shù)革新和智能化升級(jí)提供參考。

1 基于光纖通信技術(shù)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于光纖通信技術(shù)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Devices，IED）與傳感陣列（Sensor Array，SA）構(gòu)成系統(tǒng)感知層。IED 是多功能設(shè)備，負(fù)責(zé)收集SA 所監(jiān)測(cè)到的電流、電壓和頻率等參數(shù)，待初步處理后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)注入高速高容量的光纖通信網(wǎng)絡(luò)[2]。光纖通信的高帶寬特性允許數(shù)據(jù)以極低的衰減率傳輸，從而減少傳統(tǒng)電線固有的信號(hào)損耗和電磁干擾。網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和傳輸過程應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)，靈活分配網(wǎng)絡(luò)資源?？刂乒芾硐到y(tǒng)（Control Management System，CMS）、配置接口系統(tǒng)（Configuration Interface System，CIS）和網(wǎng)絡(luò)安全功能（Network Security Function，NSF）構(gòu)成系統(tǒng)管理層[3]。CMS 負(fù)責(zé)處理IED 數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)算法和控制策略生成控制命令。CIS 提供用戶接口，以便運(yùn)維人員配置和管理整個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)。NSF 提供數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和訪問控制等安全機(jī)制，確保監(jiān)控系統(tǒng)控制指令的安全性?；诠饫w通信技術(shù)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于光纖通信技術(shù)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制方法的優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制主要依賴基礎(chǔ)的電氣測(cè)量技術(shù)、模擬信號(hào)傳輸和基本的通信協(xié)議[4]。傳統(tǒng)方法先測(cè)量電力系統(tǒng)的基本電力參數(shù)，通過傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(tǒng)電力系統(tǒng)檢測(cè)控制以監(jiān)控功率P為主，計(jì)算后將相關(guān)參數(shù)傳輸給系統(tǒng)，通過傳統(tǒng)方式模擬信號(hào)在物理介質(zhì)中的傳輸。遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)衰減為

式中：A0為原始信號(hào)強(qiáng)度；α為介質(zhì)的衰減系數(shù)；l為傳輸距離。

傳輸后系統(tǒng)接收的信號(hào)強(qiáng)度S反映信號(hào)衰減和環(huán)境噪聲N多重影響的結(jié)果。信號(hào)強(qiáng)度S的計(jì)算公式為

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

接收、傳輸和處理后的信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)處理后可得出控制信號(hào)u(t)，計(jì)算公式為

式中：e(t)為目標(biāo)值和實(shí)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(tǒng)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制方法存在的主要問題是過于依賴銅制電線，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程極易受信號(hào)衰減與環(huán)境噪聲影響，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真情況，降低了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的精準(zhǔn)度。

2.2 光纖通信技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制方法

基于光纖通信技術(shù)的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制方法以光纖為信號(hào)傳輸?shù)闹饕橘|(zhì)。光纖通信具有高帶寬、低衰減特性，可有效解決傳統(tǒng)方法信號(hào)衰減與環(huán)境噪聲問題[5]。監(jiān)測(cè)獲取的電信號(hào)會(huì)被光調(diào)制器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，調(diào)制公式為

式中：I0為光強(qiáng)度峰值；f為頻率；φ為初始相位。

通過光纖將電信號(hào)編碼到光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率和相位中。光信號(hào)在光纖的衰減公式為

式中：α′為光纖的衰減系數(shù)。

在長(zhǎng)距離傳輸中，光信號(hào)的衰減低于傳統(tǒng)監(jiān)控方法中的電信號(hào)強(qiáng)度。在接收端，光信號(hào)經(jīng)過光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)R(t)，受到的噪聲影響為N′(t)，計(jì)算公式為

新方法采用數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）恢復(fù)接收信號(hào)并分析誤差。誤差函數(shù)E(t)可評(píng)估信號(hào)恢復(fù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算公式為

與傳統(tǒng)方法相比，基于光纖通信技術(shù)的方法誤差由更精確的信號(hào)(t)計(jì)算獲得，可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與銅制電線相比，光纖的信號(hào)衰減系數(shù)較低，即使在長(zhǎng)距離傳輸中信號(hào)也能保持較高的完整性和準(zhǔn)確性。由于光纖是非電導(dǎo)體，幾乎免疫電磁干擾，在減少噪聲干擾方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可減少由于信號(hào)質(zhì)量不佳導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷和控制失誤問題，保障電力系統(tǒng)的安全性與精準(zhǔn)性。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為對(duì)比傳統(tǒng)電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與基于光纖通信技術(shù)的新型電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱光纖系統(tǒng)），設(shè)計(jì)一系列系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括基本性能相同的傳統(tǒng)系統(tǒng)和光纖系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)均配置等量的電流傳感器和電壓傳感器。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，溫度控制在25 ℃左右，濕度控制在50%以內(nèi)，同時(shí)保證2 種系統(tǒng)的環(huán)境一致。實(shí)驗(yàn)以系統(tǒng)歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，篩選出3 858 條歷史數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)，并對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)的性能差別。實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比信噪比、帶寬利用率、響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、故障檢測(cè)時(shí)間以及系統(tǒng)穩(wěn)定性6 項(xiàng)指標(biāo)。信噪比通過同一電力線路上的傳感器測(cè)量，使用信號(hào)分析器收集2 個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)據(jù)，記錄固定時(shí)間內(nèi)信號(hào)與背景噪聲比值，并將信噪比均值作為最終的信噪比結(jié)果。帶寬利用率借助網(wǎng)絡(luò)流量分析工具監(jiān)控2 個(gè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的帶寬消耗，對(duì)比系統(tǒng)的最大帶寬容量得出帶寬利用率。響應(yīng)時(shí)間測(cè)量從傳感器采集數(shù)據(jù)開始到控制命令執(zhí)行結(jié)束，用計(jì)時(shí)器記錄整個(gè)過程的時(shí)間長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試在控制信號(hào)源的情況下將準(zhǔn)確的測(cè)試信號(hào)注入2個(gè)系統(tǒng)，對(duì)比系統(tǒng)輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并計(jì)算誤差率。故障檢測(cè)時(shí)間測(cè)量通過模擬器引入電力系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，記錄從故障發(fā)生到系統(tǒng)檢測(cè)并報(bào)警的時(shí)間，判斷系統(tǒng)對(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)能力。系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估需持續(xù)運(yùn)行2 個(gè)系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)從受干擾狀態(tài)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間及表現(xiàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由結(jié)果可知，基于光纖通信技術(shù)的系統(tǒng)在各個(gè)指標(biāo)上都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。在信噪比、帶寬利用率和響應(yīng)時(shí)間方面，光纖系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)顯著，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高、故障檢測(cè)時(shí)間更短、系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)。可見，光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

文章全面分析光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用價(jià)值，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)光纖通信在提高數(shù)據(jù)傳輸效率、減少信號(hào)衰減、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面具有巨大潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于光纖通信技術(shù)的系統(tǒng)在信噪比、帶寬利用率、響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、故障檢測(cè)時(shí)間以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這一結(jié)果充分證明光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級(jí)提供有力的技術(shù)支持。為推動(dòng)光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力系統(tǒng)工作人員應(yīng)深入了解光纖通信原理，加強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)方面的技術(shù)培訓(xùn)，積極探索光纖通信技術(shù)與電力系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的深度融合，實(shí)現(xiàn)電力資源的高效利用，更好地保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。