智能變電站光纖基礎(chǔ)知識及組網(wǎng)介紹

安徽送變電工程公司調(diào)試所

摘要：隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)國家戰(zhàn)略的推進，作為智能電網(wǎng)重要物理基礎(chǔ)的智能變電站建設(shè)也越來越重要。智能變電站相對于普通變電站不同的地方在于其采用現(xiàn)行先進并且可靠的設(shè)備，并且由于其大量減少了站內(nèi)電纜的數(shù)量，本文將就智能變電站光纖知識以及站內(nèi)組網(wǎng)進行探討。

關(guān)鍵字：智能變電站；光纖；差動保護；組網(wǎng)

一、智能變電站光纖的概況

智能變電站主要包括智能高壓設(shè)備和變電站統(tǒng)一信息平臺兩部分。智能高壓設(shè)備主要包括智能變壓器、智能高壓開關(guān)設(shè)備、電子式互感器等。智能變壓器與控制系統(tǒng)依靠通信光纖相連，可及時掌握變壓器狀態(tài)參數(shù)和運行數(shù)據(jù)。變電站統(tǒng)一信息平臺功能有兩個，一是系統(tǒng)橫向信息共享，主要表現(xiàn)為管理系統(tǒng)中各種上層應(yīng)用對信息獲得的統(tǒng)一化；二是系統(tǒng)縱向信息的標準化，主要表現(xiàn)為各層對其上層應(yīng)用支撐的透明化。

智能變電站是發(fā)電廠與用戶的紐帶，同時通過和相鄰變電站配合實現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)度。在智能變電站中，線路兩側(cè)數(shù)據(jù)同步問題是線路光纖差動保護裝置設(shè)計和實現(xiàn)的主要難點。由于線路兩側(cè)采樣時刻的差異，造成了線路兩側(cè)的數(shù)據(jù)是不同步的，即原始的兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)或者傳送的電流向量不是同一時刻的量，要按基爾霍夫電流定律來計算兩側(cè)的差流，傳統(tǒng)的同步方法有以下幾種方法：采樣時刻調(diào)整法、數(shù)據(jù)調(diào)整法、時鐘校正法、參考相量法以及GPS同步法等。

光纖通信系統(tǒng)的基本組成：光發(fā)送機，光接受機，光纖，光纖的分類：按折射率分布分類：階躍光纖和漸變光纖按傳播模式分類：單模光纖和多模光纖階躍光纖和漸變光纖：在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，其折射率分布分別是均勻的，其值分別為n1 與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。

纖芯位于光纖中心，直徑 2a 為 5～75μm，作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，直徑 2b 為 100～150μm，作用是將光波限制在纖芯中。纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅（SiO2）制成，但為了使光波

在纖芯中傳送，應(yīng)對材料進行不同摻雜，使包層材料折射率 n2 比纖芯材料折射率n1 小，即光纖導(dǎo)光的條件是 n1>n2。一次涂敷層是為了保護裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為 30～150μm。套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。

單模和多模光纖：光是一種頻率極高（3×1014 赫茲）的電磁波，當它在波導(dǎo)──光纖中傳播時，根據(jù)波動光學(xué)理論和電磁場理論，需要用麥克斯韋式方程組來解決其傳播方面的問題。而通過繁瑣地求解麥氏方程組之后就會發(fā)現(xiàn)，當光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳播，光纖只允許一種模式在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題。當光纖的幾何尺寸遠遠大于光波波長時，光纖中會存在著幾十種乃至幾百種傳播模式，這樣的光纖叫做多模光纖。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度與相位，因此經(jīng)過長距離的傳輸之后會產(chǎn)生時延導(dǎo)致光脈沖變寬。模式色散會使多模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此多模光纖僅適用于較小容量的光纖通信。通過漸變光纖減少模式色散，增加容量。單模光纖相比于多模光纖可支持更長傳輸距離，在 100MBPS 的以太網(wǎng)以至這行的 1G 千兆網(wǎng)，單模光纖都可支持超過 5000m 的傳輸距離。

光纖連接器：俗稱活接頭，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備間、設(shè)備與儀表間、設(shè)備與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性固定連接。按外形結(jié)構(gòu)分為：FC、SC、ST、SMA、MU、LC等。

跳接線式插頭：是指光纖兩端都裝上連接頭，實現(xiàn)光路的跳接式連接，簡稱跳線。

二、智能變電站組網(wǎng)配置

基于IEC 61850的智能變電站中，通信網(wǎng)絡(luò)是站內(nèi)各種智能設(shè)備聯(lián)系的紐帶，成為SAS的核心。如何確保智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)可靠、實時地運行，變電站通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)計、建設(shè)變得尤為重要。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)在不影響信息傳輸可靠性的基礎(chǔ)上使傳輸效率得到提高。目前變電站一般設(shè)置為三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)：

（1）面向間隔，為總線建設(shè)原則為每個間隔都有其相應(yīng)的總線段，保護和控制裝置從多個間隔來獲取數(shù)據(jù)，這個方案的優(yōu)點是站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)清晰，方便后期對變電站進行維護和管理，但是建設(shè)此變電站需要大量的交換機和路由器，成本較高。

（2）面向位置，方式二和方式一的結(jié)構(gòu)比較相似，不同的是每一個間隔總線不再是只連接一個間隔，而是連接多個間隔，不同間隔總線的數(shù)據(jù)通過連接不同總線的路由器來傳輸。

（3）單一總線，方式三是全站只有一個通信總線，站內(nèi)所有的設(shè)備都連接在一個獨一的通信總線上，此類組網(wǎng)方式對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率具有較高的要求，面對現(xiàn)有的技術(shù)水平，這類組網(wǎng)的方式適合于負載比較輕且電壓等級不高的變電站。

（4）面向功能，方式四的組網(wǎng)方式是以功能為導(dǎo)向的，因此，總線段是根據(jù)保護的區(qū)域來設(shè)立的。這種組網(wǎng)方式可以把在路由器中交換數(shù)據(jù)的量控制在最少的程度。

2、以太網(wǎng)有星形、環(huán)形和總線型3種基本拓撲結(jié)構(gòu)

（1）總線型結(jié)構(gòu)有較好的擴展性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，但是傳輸速度較慢，可靠性較差，維護起來較麻煩；環(huán)形網(wǎng)絡(luò)具有較好的冗余性，當網(wǎng)絡(luò)中一臺交換機損壞時，不影響整個網(wǎng)絡(luò)的工作，因此有較高的可靠性，并且其使用的交換機數(shù)量也較少，但是擴展性較差，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，而星形組網(wǎng)方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。

（2）基于全站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可分為星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形網(wǎng)，這種組網(wǎng)方式的不足之處在于站控層設(shè)備可直接獲得過程層MU和IED的數(shù)據(jù)。但存在安全隱患。

（3）全站唯一單環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，依靠生成樹協(xié)議，構(gòu)建一個無環(huán)路的信息傳輸路徑，這種組網(wǎng)方式缺點是在網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)难訒r具有不確定性，雙星型網(wǎng)絡(luò)比單個的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的可靠性要高。

結(jié)語

智能變電站將計算機網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)、自動控制、通信技術(shù)等多門交差學(xué)科有機的融合，目前我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某晒?，我們還需要不斷總結(jié)現(xiàn)在的經(jīng)驗完善現(xiàn)有技術(shù)，更好的保證電力網(wǎng)絡(luò)的安全效率。

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