電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究

周 航

（四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610000）

0 引 言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用占比也在不斷增大。相對(duì)于傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)是基于輸電過程所產(chǎn)生的，其融入的智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等要素相對(duì)更多，有助于推動(dòng)通信工程的進(jìn)一步發(fā)展，不僅能夠提高通信的便利度，而且也能夠同時(shí)解決網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的用電問題?；诖?，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入探究電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

1 電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)概述

電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信領(lǐng)域中較為先進(jìn)的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，其通常用于電網(wǎng)調(diào)度和保護(hù)等方面。當(dāng)前主流的兩種電力光纖分別為光纖復(fù)合架空地線和自承式光纜兩種，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常隨高壓線路架設(shè)工作同步進(jìn)行[1]。

由于電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要組成部分，因此在通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，其合理性是首要關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。為確保其設(shè)計(jì)過程的合理性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程中通常需要遵循以下幾點(diǎn)原則。一是先進(jìn)性原則，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)引入行業(yè)內(nèi)較為先進(jìn)的技術(shù)，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)；二是綜合性原則，在規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中要始終結(jié)合工程的實(shí)際情況，合理設(shè)置參數(shù)和設(shè)備選型等，確保網(wǎng)絡(luò)合乎要求；三是經(jīng)濟(jì)性原則，在確保通信網(wǎng)絡(luò)滿足需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)本著資源節(jié)約的理念方法展開設(shè)計(jì)，以提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益[2,3]。

2 電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作需要關(guān)注的要點(diǎn)

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面

在電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即選擇網(wǎng)絡(luò)連接的具體形式是技術(shù)人員首要關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。在目前的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中，星型、環(huán)型、總線型以及樹型等均為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。由于各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用特點(diǎn)上存在著較大差異，因此在具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中通常需要對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比選?？紤]到當(dāng)前業(yè)務(wù)對(duì)于信息傳輸效率和安全性的要求，通常優(yōu)先選擇如圖1所示的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以利用其簡(jiǎn)潔和多傳輸節(jié)點(diǎn)的特性[4]。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 通信設(shè)備選型方面

電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的過程，涉及大量的硬件設(shè)備，這些硬件設(shè)備的參數(shù)也直接決定了電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)效果，因此對(duì)硬件設(shè)備的選型尤為重要。具體來看，設(shè)備的選型主要是結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際需求進(jìn)行選擇，在選擇過程中還需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面的內(nèi)容。一是注重通信接口，其接口的信息傳輸頻率應(yīng)當(dāng)保持同步，以實(shí)現(xiàn)信息的高效傳輸；二是在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，設(shè)備的性能應(yīng)當(dāng)具有一定的冗余度，在確保資金的要求下綜合考慮傳輸網(wǎng)絡(luò)的后期發(fā)展需要，盡量選擇容量可擴(kuò)大、有升級(jí)空間且配置比較靈活的硬件設(shè)備[5]。

2.3 電力光纖網(wǎng)絡(luò)電纜的選擇方面

從以往的研究經(jīng)驗(yàn)來看，材質(zhì)不同的電纜決定著電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果的差異。就目前的兩種主流電力光纖網(wǎng)絡(luò)電纜而言，光纖復(fù)合架空地線具有更高的穩(wěn)定性，主要是因?yàn)檫@種光纖材料的外層通常使用金屬材料，在應(yīng)用過程中不易受到侵蝕或降解，但其布置難度相對(duì)較高；而自承式光纜的優(yōu)勢(shì)則在于布置施工環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，能夠很大程度上降低外界環(huán)境因素對(duì)施工進(jìn)度造成的影響。由此不難看出，電力光纖網(wǎng)絡(luò)電纜的選擇并不存在絕對(duì)的優(yōu)劣，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇，從而保障電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行[6]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳輸管理方面

當(dāng)前的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作仍然具有一定的提升空間，為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳輸管理工作的質(zhì)量，針對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行提升則較為關(guān)鍵。首先是考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和傳輸管理方面的統(tǒng)一化，針對(duì)當(dāng)前各地電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)存在較多差異的情況，建立統(tǒng)一的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以解決后續(xù)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工作難題。其次是考慮引入更多的信息化和智能化技術(shù)，以提升電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的智能化水平，解決以往人工操作環(huán)節(jié)存在的效率和準(zhǔn)確性不足等問題。最后是要在電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中注重冗余設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是提升電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)整體的容錯(cuò)率和自愈能力，確保在出現(xiàn)問題時(shí)能夠?qū)⒇?fù)面影響降到最低[7]。

3 電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)的相關(guān)策略

3.1 項(xiàng)目概況

某沿海城市開發(fā)區(qū)現(xiàn)有兩座220 kV變電站和5座110 kV變電站，變電站總?cè)萘考s為1 230 MVA，每年為當(dāng)?shù)靥峁?0億kW·h以上的電能供應(yīng)。近年來，隨著當(dāng)?shù)爻鞘薪ㄔO(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，該地區(qū)的用電量持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)變電站的負(fù)荷率也逐步升高，部分變電站的負(fù)荷率已經(jīng)接近83%，同時(shí)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的變電站存在著分布不均的問題。考慮到以上問題，該地區(qū)有關(guān)部門研究后決定在變電站密度較低的區(qū)域新建一座110 kV變電站，基于該變電站與其他電力模塊之間的通信問題，技術(shù)人員首先研究其電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

3.2 設(shè)備器件選型

3.2.1 光纖設(shè)備選型

在整體規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中，技術(shù)人員通過研究當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)分布后決定，新建兩條24芯光纖復(fù)合架空地線光纜，將本次新建的變電站接入到當(dāng)?shù)氐墓饫w通道網(wǎng)絡(luò)中。在此基礎(chǔ)上，在有關(guān)的各變電站內(nèi)配置相應(yīng)的光傳輸設(shè)備、接入設(shè)備以及數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備，以此組織本變電站至整體電網(wǎng)的光纖通信通道和數(shù)據(jù)網(wǎng)通道。

針對(duì)光纖復(fù)合架空地線光纜的選型，技術(shù)人員綜合考慮了光纜的熱穩(wěn)定特性、機(jī)械特性、防雷特性等多方面的要求，最終確定選用G625B型光纖，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 G625B型光纖的主要參數(shù)

在此基礎(chǔ)上，同時(shí)搭配G652型非金屬普通光纜沿變電站內(nèi)電纜管溝走廊進(jìn)行敷設(shè)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況，該普通光纜穿直徑28 mm聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）管進(jìn)行敷設(shè)。

3.2.2 主要設(shè)備選型

為滿足該變電站各類信息的高效可靠傳輸，在本次設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員在該變電站內(nèi)配置了兩套傳輸速率為155 Mb/s的光端機(jī)，并為其配置了相應(yīng)的光纖配線架（Optical Distribution Frame，ODF）、數(shù)字配線架（Digital Distribution Frame，DDF）、音頻配線架（Voice Distribution Frame，VDF）單元以及脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）綜合接入設(shè)備。同時(shí)，在該變電站上、下行方向的兩個(gè)變電站中，為已配置的光端機(jī)上各增加一塊光板。在此基礎(chǔ)上，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫裕瑸樽冸娬九渲镁容^高的時(shí)鐘。

另外，為確保對(duì)該通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的有效管理，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性，在本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中引入數(shù)據(jù)認(rèn)證模式，采用兩次認(rèn)證的方式進(jìn)行，其具體流程如下。（1）用戶發(fā)出認(rèn)證請(qǐng)求，系統(tǒng)根據(jù)用戶的密鑰進(jìn)行加密和上傳，若用戶尚未設(shè)置密鑰則由系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)認(rèn)證隨機(jī)數(shù)；（2）對(duì)密鑰進(jìn)行解密和驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過則返回物理網(wǎng)關(guān)設(shè)備模型和認(rèn)證成功的信息。

3.3 通信機(jī)房的布置

在設(shè)備選型完成后，技術(shù)人員開始進(jìn)行通信機(jī)房的布置，具體布置分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。（1）新建一個(gè)通信控制機(jī)房，為新增的通信設(shè)備安裝4個(gè)屏位，其中3個(gè)屏位用于通信設(shè)備工作情況的分析，另外一個(gè)屏位為冗余設(shè)計(jì)，兼顧后期拓展的需要；（2）對(duì)供電電源進(jìn)行設(shè)置，為新增的通信設(shè)備配置一套直流配電屏（含柜），每路220 V交流電源進(jìn)線分5路220 V交流出現(xiàn)，每路48 V直流電源進(jìn)線分10路48 V直流出線；（3）為新增的通信控制機(jī)房增設(shè)防雷接地措施，主要是針對(duì)新增通信設(shè)備的機(jī)殼和接地端子部位就近與環(huán)形接地母線（應(yīng)用面積為30 mm2的多股銅導(dǎo)線）相連，以實(shí)現(xiàn)較為可靠的接地，同時(shí)在48 V直流電源負(fù)極輸入端的設(shè)備側(cè)增設(shè)一個(gè)壓敏電阻；（4）主控室和傳達(dá)室安裝固定電話設(shè)備，以考慮特殊情況下的通信需要。

3.4 傳輸技術(shù)的選擇

為提升本次電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，采用終端直接傳輸技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種技術(shù)是當(dāng)前電力光纖通信中的一種關(guān)鍵技術(shù)，能夠直接支撐不同終端間的數(shù)據(jù)傳輸，有效降低了不必要環(huán)節(jié)的應(yīng)用以及通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的通信壓力。

在此基礎(chǔ)上，考慮到本次通信網(wǎng)絡(luò)涉及到中長(zhǎng)距離的信息傳輸，在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置若干個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來保證信息傳輸質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的中繼傳輸示意

在確定需要引入的中繼節(jié)點(diǎn)后，技術(shù)人員將對(duì)該通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)中繼段間的距離進(jìn)行計(jì)算，考慮到信號(hào)在傳輸過程中的衰減，因此分析最不利因素下的中繼段長(zhǎng)度，計(jì)算公式為

式中：ε取0.306；B為傳輸速率，Mb/s；D為光纖色散系數(shù)，取20 ps/nm.km；?λ為光源的均方根譜寬，取0.75 nm。根據(jù)代入以上已知條件，所求得的L值即為最不利因素下的中繼段長(zhǎng)度。結(jié)合本次實(shí)際情況，計(jì)算得到中繼段長(zhǎng)度為25.9 km，光纜線路的實(shí)際長(zhǎng)度小于中繼段長(zhǎng)度，滿足傳輸要求。

3.5 光纖通信網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

在確定基本的設(shè)備選型和通信機(jī)房配置方案后，設(shè)計(jì)人員開始著手進(jìn)行本項(xiàng)目中光纖通信網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施工作，具體來看，本環(huán)節(jié)的工作主要分為以下幾個(gè)部分。

（1）對(duì)電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的整體路徑進(jìn)行規(guī)劃。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查后確定其主要路徑為：重建變電站引出通信光纖，沿著當(dāng)?shù)啬壳罢谝?guī)劃的幾條主干道路進(jìn)行敷設(shè)，并最終引至上行和下行方向的兩個(gè)既有變電站中。針對(duì)涉及到的3個(gè)變電站，由于存在不適宜設(shè)置星型結(jié)構(gòu)的客觀條件，因此通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)，使用一條光纖來連接各個(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并將頭部和尾部閉環(huán)連接，以形成一個(gè)完整的閉合回路。

（2）對(duì)光纜的布置進(jìn)行設(shè)置。在光纜布置環(huán)節(jié)，除了在施工圖紙中明確預(yù)留的地點(diǎn)及長(zhǎng)度外，通信機(jī)房?jī)?nèi)預(yù)留20 m光纜，此部分預(yù)留的光纜則盤圈綁扎在機(jī)房的槽內(nèi)，同時(shí)將爬梯和走線架上的光纜綁扎牢固，控制光纜在垂直上升段各個(gè)綁扎點(diǎn)的間隔在0.8 m左右。另外，從門形架引下及埋地輻射的光纜采用φ32/28 mm的PVC塑料管及規(guī)格為φ40 mm的鍍鋅鋼管保護(hù)，并在電纜溝和豎井內(nèi)采用規(guī)格為φ32/28 mm的PVC塑料管進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)對(duì)鍍鋅鋼管采取固定措施，每隔1.5 m使用一個(gè)下抱箍進(jìn)行固定。

（3）對(duì)光纜敷設(shè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，為確保多段光纜能夠同步進(jìn)行布置，設(shè)計(jì)人員組織施工人員展開密切合作，為各個(gè)施工區(qū)間配備無(wú)線電話，確保施工人員在光纜敷設(shè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作協(xié)調(diào)一致。在各區(qū)間的光纜敷設(shè)環(huán)節(jié)完成后，先對(duì)各個(gè)區(qū)間進(jìn)行測(cè)試和檢查，之后再進(jìn)行各個(gè)區(qū)間光纜的接續(xù)。

4 結(jié) 論

在近年來的電力通信工作領(lǐng)域中，電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于整體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備等多方面的要求仍在逐步提高。為確保電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)能夠滿足實(shí)際要求，在今后的工作中就需要結(jié)合實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)模式的分析，抓住技術(shù)要點(diǎn)，積極采取針對(duì)性措施解決既有工作中存在的問題，從而促進(jìn)我國(guó)電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量發(fā)展。