光纤通信在电力系统继电保护中的应用

李继斌，王博锋

（国网陕西省电力有限公司汉中供电公司，陕西 汉中 723000）

1 光纤通信在电力系统继电保护中的应用方式

1.1 光纤电流差动保护

光纤电流差动保护是一种利用光纤通信技术实现的继电保护方式，可以有效保护电力系统中的输电线路、变压器、母线等设备，提升电力系统的可靠性和安全性。光纤电流差动保护的原理是：在被保护设备的两端分别安装电流互感器和光纤通信终端，将两端的电流信号通过光纤传输到对方的终端，然后进行比较和判断，如果两端的电流差异超过设定的阈值，就认为发生故障，并发送保护信号，切断故障部分[1]。

1.2 光纤闭锁式保护

光纤电流差动保护是一种利用光纤通信技术实现的继电保护方式，主要用于输电线路、变压器、母线等电力设备的故障检测和隔离。光纤电流差动保护的基本原理是：在被保护设备的两端分别安装电流互感器和光纤通信终端，通过光纤通信链路实时交换两端的电流信息，根据电流差动原理判断是否发生故障，如果发生故障，则发送跳闸信号给断路器，切断故障部分[2]。

1.3 其他光纤通信保护方式

除光纤电流差动保护和光纤闭锁式保护外，还有其他的光纤通信保护方式，如光纤同步保护、光纤距离保护等。光纤同步保护和光纤距离保护的对比如表1 所示。

表1 光纤同步保护和光纤距离保护的对比

光纤同步保护是利用光纤通信实现电力系统中不同地点的继电保护设备之间的时间同步。时间同步是继电保护的重要条件之一，可以提高保护的准确性和灵敏度，避免误动作和拒动作。光纤同步保护具有高精度、高可靠性、高安全性以及低成本等优点，适用于需要精确时间同步的电力系统场景，如电力市场交易、电能质量监测、故障录波分析等[3]。

光纤距离保护利用光纤通信实现电力系统中不同地点的继电保护设备之间的信息交换。信息交换是继电保护的重要功能之一，可以提升保护的速断性和选择性，实现远方故障的快速切除。光纤距离保护具有高带宽、高速率、高灵活性以及低损耗等优点，适用于需要快速信息交换的电力系统场景，如输电线路、变压器、母线等。

2 光纤通信在电力系统继电保护中应用的技术难点和解决方案

2.1 时延问题

光纤通信的时延指光信号在光纤中传输的时间，由光纤的长度、折射率、色散等因素决定。光纤通信时延的计算公式为

式中：T为时延；L为光纤的长度；vg为光信号在光纤中的群速度。

群速度的计算公式为

式中：c为真空中的光速；ng为光纤的群折射率。群折射率计算公式为

式中：n为光纤的相位折射率；λ为光信号的波长。

传输速率计算公式为

式中：R为光纤的传输速率；B为光纤的带宽；M为光信号的调制方式；P为光信号的功率；N为通信波长。

时延会导致继电保护的动作时间延迟，影响保护的速断性和选择性。例如，对于光纤电流差动保护，如果两端的时延不一致，会造成差动电流的相位差，导致误动作或拒动作。因此，需要对时延进行补偿或校正，使两端的时延相等或在允许范围内。为缩短光纤通信的时延，可以采用：第一，优化传输参数，如波长、功率、调制方式等，减少色散和衰减等非线性效应；第二，采用无中继技术，如全光网络、无源光网络等，减少中继节点和转换设备；第三，采用短距离或直接连接方式，如光口直连技术，减少光纤的长度和弯曲[4]。

2.2 误码问题

光纤通信的误码指在光纤传输过程中，由于各种原因导致的信号失真或干扰，使得接收端信号与发送端信号不一致的现象。误码会影响继电保护的正确性和可靠性，可能导致保护信号的丢失、延迟、错误或重复，从而引起保护的误动作或拒动作，甚至造成电力系统的事故。因此，降低光纤通信的误码率是提高继电保护性能的重要目标。导致光纤通信误码的主要原因是光纤本身的缺陷或老化。光纤的弯曲、断裂、松动、污染以及老化等，会导致光信号出现衰减、色散、反射或耦合等现象。

为降低光纤通信的误码率，可以采取相应措施。例如，优化传输参数，根据不同的继电保护场景和需求，选择合适的光源、光探测器、光纤类型、传输距离、传输速率以及传输协议等参数，使得光信号与光纤通信系统达到最佳匹配。同时，可以采用高效编码，如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、4B/5B 编码等，强化光信号的抗干扰能力和检错能力，解决直流分量和时钟偏移等问题。

2.3 故障定位问题

光纤通信链路发生故障时，快速准确地找出故障点的位置和原因，有助于及时恢复通信和保护功能。光纤通信的故障定位问题对继电保护的影响主要有2个方面。一方面，影响继电保护的可靠性和安全性。如果光纤通信链路发生故障，可能导致继电保护设备之间的信息交换中断或错误，从而影响继电保护的判断和动作，造成误动作或拒动作，甚至引发更大的事故。另一方面，影响继电保护的速断性和选择性。如果光纤通信链路发生故障，可能导致继电保护设备之间的信息交换延迟或丢失，从而影响继电保护的速断性和选择性，降低继电保护的效率和灵敏度。

为解决光纤通信的故障定位问题，可以采用光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）技术、光功率计（Optical Power Meter，OPM）技术以及其他辅助技术（见表2）[5]。

表2 多方法一览

2.3.1 OTDR 技术

OTDR 是一种将光纤本身作为传感器，通过向光纤发送脉冲光，并测量反射光的时间和强度来确定光纤各个点的损耗和反射特性的技术。分析OTDR 的测试结果可以确定光纤中的故障点的位置和类型，如断裂、弯曲、接头以及污染等。OTDR的优点是可以在线测试，无须切断光纤或干扰通信，而且可以测试长距离和复杂拓扑的光纤链路。OTDR 的缺点是需要专业的仪器和人员，而且对于微小或间歇性的故障不够灵敏。

2.3.2 OPM 技术

OPM 是一种利用光电转换原理，通过测量光纤输出端的光功率来判断光纤是否正常工作的技术。通过比较OPM 的测量结果与正常值或基准值之间的差异，可以判断光纤是否发生损耗或衰减等故障。OPM的优点是简单易用，无须专业的仪器和人员，而且可以实时监测光纤状态。OPM 的缺点是不能确定故障点的位置和类型，而且对于分支或环形结构的光纤链路可能不适用。

2.3.3 其他辅助技术

除OTDR 和OPM 外，还有一些其他辅助技术可以用于光纤通信的故障定位，如可视化检查、声音检测、温度检测等。这些技术可以根据不同情况和需求进行选择和组合，以改善光纤通信的故障定位效果。这些技术的优点是可以提供更多的信息和线索，而且可以与OTDR 和OPM 相互验证和补充；缺点是可能需要额外的设备和人力，而且可能受环境因素的干扰。

3 光纤通信在电力系统继电保护中的发展趋势

3.1 光纤通信与5G 通信的融合

5G 通信技术是一种新一代的移动通信技术，可以提供高达20 Gb/s的峰值速率，比4G通信快近100倍，支持高清视频、虚拟现实、云计算等多种应用。同时，5G 通信可以实现毫秒级的端到端时延，可以满足远程控制、自动驾驶、工业互联网等对实时性要求高的场景。在发展趋势层面，光纤通信可以为5G 通信提供高速、高带宽、高可靠性的传输介质和基础设施，实现电力系统内部和外部的数据交换和信息共享[6,7]。同时，光纤通信可以与5G 通信结合，实现电力系统中不同地点和不同设备之间的无线连接和无缝切换，提高继电保护的覆盖范围和移动性，具有重要推广意义。

3.2 光纤通信与智能化技术的结合

光纤通信与智能化技术的结合是电力系统继电保护的一个重要发展方向，可以提高继电保护的智能水平，实现更高效、更可靠、更安全的电力系统运行和管理。

3.2.1 人工智能技术

人工智能技术是利用计算机模拟人类的智能行为，如学习、推理、判断以及决策等，解决复杂的问题。人工智能技术可以与光纤通信结合，实现继电保护的自动化、智能化以及优化。例如，利用人工神经网络、支持向量机、模糊逻辑等方法，强化继电保护的故障识别和分类能力，减少误动作和拒动作；利用遗传算法、粒子群优化、蚁群算法等方法，优化继电保护的参数设置和调整，提升继电保护的灵敏度和选择性；利用专家系统、知识库、案例推理等方法，实现继电保护的故障诊断和处理，提升继电保护的可靠性和安全性。

3.2.2 物联网技术

物联网技术指通过互联网将各种物理设备连接起来，实现信息的交换和共享。物联网技术可以与光纤通信结合，实现继电保护的远程监控和控制。例如，利用传感器、射频识别、二维码等技术，可以实现继电保护设备的状态监测和数据采集；利用云计算、大数据、区块链等技术，可以实现继电保护数据的存储、分析以及共享；利用移动互联网、无线通信、卫星导航等技术，实现继电保护设备的远程控制和定位。

4 结 论

电力系统对维持社会的正常运转起决定作用，可以说电力系统在日常生活中无处不在。而光纤通信技术作为网络时代的重要产物，为人们的生活提供诸多便捷服务，文章研究光纤通信在电力系统继电保护中的应用方式、技术难点和解决方案、发展趋势，旨在为电力系统继电保护中光纤通信技术的应用和发展提供参考和借鉴。