★ 国能（连江）港电有限公司 丁俊凯

关键词：光纤复用技术；智能电网；继电保护

光纤复用技术通过波分复用（Wav el en gth Division Multiplexing，WDM）与时间分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术的协同应用，不仅能够实现多业务共纤传输，还能够通过动态带宽分配优化资源利用率，从智能电网的实际需求出发，结合光纤通信技术优势，设计适应新型电力系统的继电保护架构，并通过实验验证其性能优势，为构建高可靠性的智能电网通信体系提供技术支持。

1   电气继电保护原理与智能电网需求

1.1   电气继电保护的基本原理

1.1.1   传统继电保护系统组成

传统继电保护系统由测量元件、逻辑判断元件、执行元件三部分构成，其核心在于通过物理量监测与逻辑处理实现故障隔离。通过串联式结构将三部分功能集成于保护装置中，信号传输依赖铜缆或无线通信技术，其带宽和抗干扰能力直接影响系统响应效率。传统架构的硬件耦合度高，难以适应动态变化的电网需求，且通信链路的可靠性对保护动作的准确性构成潜在风险。

1.1.2   保护动作逻辑

继电保护的动作逻辑将故障特征识别作为核心，其原理是通过阈值比较以及时间延迟控制实现选择性保护。当测量值超过整定值时， 系统启动延时计时器，若在设定时间内故障未消除，则触发跳闸指令，具体如图1所示。

图1 继电保护配置图

在逻辑实现方面，保护装置需要通过硬件电路或软件算法完成信号处理与决策判断，其复杂度直接影响系统响应速度与稳定性。传统逻辑架构的刚性整定方式难以适应智能电网的动态调控需求，亟需引入更灵活的通信与计算能力以提升适应性。

1.2   光纤复用技术

1.2.1   光纤通信系统基本架构

光纤通信系统由光源、光调制模块、光纤传输介质、光检测器及信号处理单元构成，其核心在于通过光信号的调制与解调实现数据传输。光源将电信号转换为光信号，通过光调制技术将信息加载至光载波上。光纤作为传输介质，利用全反射原理在玻璃或塑料纤芯中实现光信号的长距离低损耗传输。光检测器接收光信号后， 通过光电转换将光信号还原为电信号，最终由信号处理单元完成数据恢复与纠错。系统设计需兼顾光源稳定性、光纤色散控制及检测器灵敏度，以确保信号完整性。

1.2.2   WDM与TDM技术对比

WDM与TDM是光纤通信中两种核心复用方式，其核心差异在于信道划分维度与资源调度逻辑。前者通过将不同波长的光信号叠加在同一光纤中传输，利用波长作为独立信道标识， 实现多路信号并行传输。WDM原理图如图2所示。

图2 WDM原理图

然而，WDM对光源波长稳定性、光滤波器精度及色散补偿技术要求较高，系统复杂度与成本随之增加。相比之下， TDM技术通过在时间轴上划分周期性时隙，将多路信号按时序交替传输，实现信道共享。其优势在于时隙分配灵活，可适应突发性业务需求，且对硬件设备的波长精度要求较低。但TDM的带宽利用率受限于时隙分配效率，且时序同步精度直接影响信号完整性。具体实践中， 将上述两项技术结合使用，WDM解决横向波长资源分配问题， TDM优化纵向时隙调度，从而在多业务承载场景中实现带宽与时序的协同优化。 WDM-TDM带宽与时序协同优化流程图如图3所示。

图3 WDM-TDM带宽与时序协同优化流程图

2   基于光纤复用技术的智能电网继电保护方法设计

2.1   保护系统架构设计

2.1.1   分层式网络拓扑结构

该研究中，采用分层式网络拓扑结构，通过逻辑分层与功能解耦的方式，提升智能电网继电保护系统的可扩展性。该架构分为核心层、汇聚层、接入层。其中，核心层负责全局信息汇聚与策略决策， 通过WDM技术实现多业务共纤传输，汇聚层承担区域故障信息聚合与路由优化功能，采用动态带宽分配算法平衡多节点通信需求，接入层直接连接保护装置与测量终端，通过点对多点架构实现信号采集与指令下发。

公式（1） 中，B_i代表第i个节点分配的带宽， 单位为Gbps， W_i代表节点i的业务优先级权重，反映业务类型的优先级，权重越高分配优先级越高。 d_i代表节点i的实时带宽需求，单位为Gbps， N代表汇聚层中需要动态分配带宽的节点总数， j代表求和索引变量， W_J代表节点j的业务优先级权重， d_J代表节点j的实时带宽需求， B_total代表汇聚层总可用带宽，单位为Gbps，P_i代表节点i的业务紧急度，P_max代表系统预设的紧急度阈值，超过该值的业务将触发带宽抢占机制， 代表所有节点的平均紧急度，B_reserve代表预留带宽，单位为Gbps，α代表优先级调整系数。具体实践过程中，该算法通过分层式网络拓扑结构实现带宽的智能分配，其核心机制分为三个层面，优先级加权分配通过第一项 完成基础带宽划分， 高优先级业务因权重wi较大而获得更多资源，确保关键业务的带宽需求优先满足。在此基础上，紧急度补偿机制通过第二项进一步优化分配策略，当某节点业务紧急度pi超过预设阈值P_max 时，系统将通过预留带宽B_reserve触发抢占式分配，优先保障高紧急度业务的实时性需求。通过调节α系数，算法在优先级与需求之间实现动态平衡，避免单一维度分配导致的资源浪费。最终，该公式部署于汇聚层，基于实时监测的d_i与P_i参数动态计算Bi，并通过波长路由表与时隙调度算法将带宽分配结果映射至WDM波长信道，确保核心层全局决策与接入层终端通信的带宽需求同步，从而在多业务并发场景下实现网络资源的高效利用，具体如表1所示。

表1 动态带宽分配算法参数及结果

此外，在进行分层设计时，通过冗余链路规划增强网络自愈能力，当某一层级发生故障时，上层可通过拓扑重构维持通信连通性。分层架构通过协议分层隔离降低系统复杂度，使不同层级可独立优化。核心层采用高精度时钟同步机制保障跨区域保护动作的时序一致性，而接入层则通过轻量化协议实现低时延数据交互。

2.1.2   光纤通道与保护装置接口设计

光纤通道与保护装置接口设计过程中，兼顾物理层兼容性与协议层实时性。物理层采用多波长复用技术，通过波长间隔划分独立信道，利用可调谐激光器实现动态波长分配。接口模块集成光电转换单元，通过强度调制-直接检测或者相干检测技术提升信号传输效率。具体实践中，为了适应多业务承载需求，接口支持WDM-TDM混合模式，通过波长路由与时隙调度算法实现带宽动态分配。采用GOOSE协议实现保护信号的快速广播，通过以太网帧封装与优先级标记保障关键数据的传输优先级。

2.2   保护流程与通信协议

2.2.1   故障检测与信号传输流程

智能电网继电保护的故障检测与信号传输流程始于分布式测量终端对电压、电流、频率等电气量的高频采样，采样数据通过光纤通道以1Gbps速率传输至保护决策单元。保护算法模块采用多尺度特征提取技术，通过小波变换与差分方程联合分析，识别故障特征示意图如图4所示。

图4 识别故障特征示意图

当检测到异常时，触发多级事件优先级机制，先进行本地保护逻辑判断，如果故障需跨节点协同处理，则通过广域通信网络广播故障标识符。信号传输路径采用分层路由策略，核心层通过WDM实现跨区域数据汇聚，接入层则通过TDM保障单节点指令下发的实时性。整个流程通过时钟同步协议确保各节点时序一致性，同时利用差分相位键控调制技术提升信号抗色散能力。智能电网故障检测与信号传输流程图如图5所示。

图5 智能电网故障检测与信号传输流程图

2.2.2   基于光纤的快速通信协议设计

在设计快速通信协议过程中，需要在低时延、高可靠性、多协议兼容性之间实现平衡。协议架构采用分层设计，物理层通过相干检测技术，结合正交频分复用调制提升频谱效率。数据链路层通过GOOSE帧结构实现保护信号的快速广播，帧头嵌入动态优先级标记。网络层引入时敏网络技术，通过时间敏感通道严格划分时隙。

2.3   方法关键技术实现

2.3.1   光纤接入与复用技术

2.3.1.1   多业务承载与带宽优化

光纤接入系统将继电保护信号、遥测数据、视频监控等业务映射至不同波长或时隙。其中， WDM技术通过波长间隔划分独立信道，支持单纤多业务并发传输， TDM技术则通过时隙分配优化突发性业务的带宽利用率。带宽优化策略采用动态资源分配算法，根据业务优先级实时调整信道分配权重，通过多协议标签交换实现业务流的差异化调度。

公式（2）中，R_i代表第i个业务流分配的资源， P_i代表业务流i的优先级权重， D_i代表业务流i的实时资源需求，P_j代表第j个业务流的优先级权重，D_j代表第j个业务流的实时资源需求， R_tatal代表总可用资源。具体实践中，根据业务流的优先级权重P_i与实时需求D_i的乘积占比进行资源划分。在此基础上，资源动态平衡机制通过实时监测D_i 的变化动态调整分配比例，当某业务流需求激增时，其资源占比自动增加以满足突发需求，当需求下降时，多余资源可被其他业务流动态回收利用，从而避免资源浪费。同时，算法与MPLS差异化调度技术深度融合，通过标签交换路径的优先级划分实现业务流的差异化传输，最终在MPLS网络中形成分层化的资源分配与服务质量保障体系，具体如表2所示。

表2 动态资源分配算法数据

2.3.1.2   光纤链路自适应补偿技术

该研究中，光纤链路集成光谱分析模块与可调谐色散补偿器，通过反馈控制算法动态补偿色散漂移。对于非线性效应，采用数字相干接收技术结合数字信号处理算法，通过预均衡与后均衡联合优化抑制四波混频与受激拉曼散射，通过分布式光纤传感实时获取环境扰动数据，通过这种方式在复杂运行环境下保障光信号的稳定性与传输质量。

2.3.2   动态带宽分配与管理技术

2.3.2.1   QoS保障机制设计

在设计QoS保障机制过程中，将继电保护信号划分为硬实时类，赋予最高优先级并预留固定带宽，将遥测数据与视频监控归类为软实时类，采用动态带宽分配策略。该机制优先级标记与MPLS流量工程联合实现业务流分类，结合加权循环调度算法与令牌桶整形器控制业务流速率。

2.3.2.2   基于流量预测的资源调度算法

资源调度算法采用时间序列预测模型对业务流量进行短期预测，结合马尔可夫决策过程优化带宽分配策略。      （3）

At代表在时间步t的最优带宽分配动作， γ代表折扣因子，用于平衡当前与未来奖励的重要性，值越大表示越重视长期收益，R(st+k,at+k)代表在状态st+k下采取动作at+k的即时奖励。具体实践中，系统使用时间序列模型对历史流量数据进行训练，构成状态向量st，在此基础上，状态st被输入马尔可夫决策过程，通过贝尔曼方程求解最优策略， 随后， 通过公式（3）计算未来若干步内的累积折扣奖励，选择使总奖励最大化的目标动作，并将该动作应用到实际网络中，通过这种方式动态调整带宽分配策略，具体如表3所示。

表3 基于流量预测的资源调度算法参数及结果

3   结论

本文围绕光纤复用技术在智能电网继电保护中的应用进行深入分析，通过分层网络架构设计、多业务承载机制与自适应补偿技术的协同优化，构建了高可靠性、低时延的继电保护解决方案。该研究融合WDM与TDM技术，结合动态带宽分配算法与光纤链路自适应补偿机制，实现了多业务并发场景下的资源高效利用与信号稳定性保障。

作者简介：

丁俊凯（1981-），男，福建龙岩人，工程师，本科，现就职于国能（连江）港电有限公司，研究方向为电厂电气专业技术管理与电力设备可靠性。

参考文献：

[1] 白琳. 基于智能电网的电气继电保护光纤复用技术[J]. 电气技术与经济, 2025, (07) : 170 - 172 + 177.

[2] 项秋实, 周泽鑫, 马敬珉, 等. 基于WDM的技术应用与设计分析[J]. 信息记录材料, 2024, 25 (01) : 66 - 68.

[3] 艾永俊, 卢坤, 韦照艳. 继电保护光纤复用技术应用探究[J]. 云南电力技术, 2023, 51 (06) : 49 - 53.

[4] 程坤, 张文涛, 黄稳柱, 等. 高分辨率光纤时分复用静态应变传感技术[J]. 中国激光, 2023, 50 (05) : 135 - 142.

[5] 李韦萍, 王凯辉, 桑博涵, 等. 双信道WDM光纤无线集成太赫兹传输系统[J]. 电子学报, 2022, 50 (10) : 2311 - 2317.

摘自《自动化博览》2026年9月刊