智能变电站光纤基础知识及组网介绍

智能变电站光纤基础知识及组网介绍

黄吕轩

黄吕轩

安徽送变电工程公司调试所

摘要：随着全球范围内智能电网国家战略的推进，作为智能电网重要物理基础的智能变电站建设也越来越重要。智能变电站相对于普通变电站不同的地方在于其采用现行先进并且可靠的设备，并且由于其大量减少了站内电缆的数量，本文将就智能变电站光纤知识以及站内组网进行探讨。

关键字：智能变电站；光纤；差动保护；组网

一、智能变电站光纤的概况

智能变电站主要包括智能高压设备和变电站统一信息平台两部分。智能高压设备主要包括智能变压器、智能高压开关设备、电子式互感器等。智能变压器与控制系统依靠通信光纤相连，可及时掌握变压器状态参数和运行数据。变电站统一信息平台功能有两个，一是系统横向信息共享，主要表现为管理系统中各种上层应用对信息获得的统一化；二是系统纵向信息的标准化，主要表现为各层对其上层应用支撑的透明化。

智能变电站是发电厂与用户的纽带，同时通过和相邻变电站配合实现电网的调度。在智能变电站中，线路两侧数据同步问题是线路光纤差动保护装置设计和实现的主要难点。由于线路两侧采样时刻的差异，造成了线路两侧的数据是不同步的，即原始的两侧采样数据或者传送的电流向量不是同一时刻的量，要按基尔霍夫电流定律来计算两侧的差流，传统的同步方法有以下几种方法：采样时刻调整法、数据调整法、时钟校正法、参考相量法以及GPS同步法等。

光纤通信系统的基本组成：光发送机，光接受机，光纤，光纤的分类：按折射率分布分类：阶跃光纤和渐变光纤按传播模式分类：单模光纤和多模光纤阶跃光纤和渐变光纤：在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。

纤芯位于光纤中心，直径2a为5～75μm，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，直径2b为100～150μm，作用是将光波限制在纤芯中。纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波

在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1＞n2。一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30～150μm。套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。

单模和多模光纤：光是一种频率极高（3×1014赫兹）的电磁波，当它在波导──光纤中传播时，根据波动光学理论和电磁场理论，需要用麦克斯韦式方程组来解决其传播方面的问题。而通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题。当光纤的几何尺寸远远大于光波波长时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式，这样的光纤叫做多模光纤。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延导致光脉冲变宽。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。通过渐变光纤减少模式色散，增加容量。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100MBPS的以太网以至这行的1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。

光纤连接器：俗称活接头，主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接。按外形结构分为：FC、SC、ST、SMA、MU、LC等。

跳接线式插头：是指光纤两端都装上连接头，实现光路的跳接式连接，简称跳线。

二、智能变电站组网配置

基于IEC61850的智能变电站中，通信网络是站内各种智能设备联系的纽带，成为SAS的核心。如何确保智能变电站通信网络可靠、实时地运行，变电站通信网络的组网设计、建设变得尤为重要。通过优化网络结构，能够实现通信网络在不影响信息传输可靠性的基础上使传输效率得到提高。目前变电站一般设置为三层两网的结构：

(1)面向间隔，为总线建设原则为每个间隔都有其相应的总线段，保护和控制装置从多个间隔来获取数据，这个方案的优点是站内网络的结构清晰，方便后期对变电站进行维护和管理，但是建设此变电站需要大量的交换机和路由器，成本较高。

(2)面向位置，方式二和方式一的结构比较相似，不同的是每一个间隔总线不再是只连接一个间隔，而是连接多个间隔，不同间隔总线的数据通过连接不同总线的路由器来传输。

（3）单一总线，方式三是全站只有一个通信总线，站内所有的设备都连接在一个独一的通信总线上，此类组网方式对总线上传输的数据速率具有较高的要求，面对现有的技术水平，这类组网的方式适合于负载比较轻且电压等级不高的变电站。

（4）面向功能，方式四的组网方式是以功能为导向的，因此，总线段是根据保护的区域来设立的。这种组网方式可以把在路由器中交换数据的量控制在最少的程度。

2、以太网有星形、环形和总线型3种基本拓扑结构

（1）总线型结构有较好的扩展性，网络结构简单，但是传输速度较慢，可靠性较差，维护起来较麻烦；环形网络具有较好的冗余性，当网络中一台交换机损坏时，不影响整个网络的工作，因此有较高的可靠性，并且其使用的交换机数量也较少，但是扩展性较差，其网络结构也较复杂，而星形组网方式的网络结构简单，便于维护。

（2）基于全站统一网络的智能变电站通信网络拓扑结构可分为星形结构、环形网，这种组网方式的不足之处在于站控层设备可直接获得过程层MU和IED的数据。但存在安全隐患。

（3）全站唯一单环形网络中，依靠生成树协议，构建一个无环路的信息传输路径，这种组网方式缺点是在网络中信息传输的延时具有不确定性，双星型网络比单个的环形网络的可靠性要高。

结语

智能变电站将计算机网络、电力系统、自动控制、通信技术等多门交差学科有机的融合，目前我们取得了一定的成果，我们还需要不断总结现在的经验完善现有技术，更好的保证电力网络的安全效率。

参考文献：

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[2]敖非，李辉.林海智能变电站组网方案分析[J].湖南电力，2013，（z1）：68-71.

[3]何肖蒙.智能变电站组网方案设计与研究[D].武汉理工大学，2013.

[4]王璐.智能变电站过程层组网分析与应用[J].电力系统保护与控制，2012，40（2）：141-144，150.