基于预制光缆的智能变电站户外组网方案

2013-02-13丁腾波李慧

电力建设 2013年2期

丁腾波，李慧

(浙江省电力设计院，杭州市310012)

0 引言

根据国家电网公司关于打造坚强智能电网的发展规划，分3个阶段推进“坚强智能电网”的建设，其中第2阶段即2011—2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设。智能变电站作为“智能电网”的核心节点，目前已经进入全面建设的阶段［1-3］。

在此背景下，人们对智能变电站关注的焦点逐渐从整体建设模式转向了具体细节的实现上，如组网实现、设备整合等，以更加有效地发挥智能变电站的优势。智能变电站最明显的优点是以高速网络通信平台为基础，通过对数字信息进行标准化，实现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，将传统的模拟信号、电缆连接转变为数字信号、光纤连接，实现继保、数据管理等功能。这种网络架构的建设模式带来的最直观变化是大量智能化且高度整合的二次设备替代了传统的二次设备，大量通信光缆替代了传统的二次控制电缆。因此，在经历前期大量的摸索、试验阶段后，国家电网公司对智能变电站的定义和建设模式制定了系统性的指导意见［4-5］。

网络化构架的出现使得大量二次组网光缆替代了传统的二次控制电缆，现在随着各地智能变电站的大规模建设，通信光缆已经成为智能变电站的主要传输介质［6］。

本文针对智能变电站的网络架构特点，对户外组网光缆的需求进行分析，提出一种应用于智能变电站户外联接的新型网络解决方案，将有效避免传统光缆联接方式带来的诸多弊端，在保证通信安全可靠的前提下，降低施工难度，缩短施工周期。

1 现状调查

1.1 光缆联接现状

目前智能变电站内的光缆联接模式仍然沿用传统变电站的联接方式，即光缆熔接。首先将光缆接入户外智能终端控制柜，然后在柜内安装光缆配线单元或终端盒，通过熔接的方式将光缆的纤芯与尾纤联接起来，再通过法兰盘与设备引出的尾纤互联［7-8］，具体联接方式如图1～2所示。

这种传统光缆联接方式源于常规变电站，一般用于二次设备跨室的联接。如继电器室的保护信息收集柜、远方电能量数据终端到主机房的数据接入设备。由于应用的需求较少，因此这种联接方式并没有给业主和施工单位带来较大的影响。

1.2 问题分析

智能变电站的大规模建设导致每个新建站都面临同样的问题，即面对规模巨大的户外通信光缆，能否继续采用传统的熔接方式。在缺少新型解决方案的现状下，许多在建或已投产的智能变电站仍然采用了传统的熔接方案，而这种熔接方案所带来的弊端也日渐显现，主要有以下几点:

(1)光缆通过熔接方式联接，熔接工作都在现场完成，需配置专用熔接机械，现场安装工作量大，影响施工进度;

(2)光缆在户外以熔接方式联结，防护等级低。光缆在柜内有小段裸露纤芯，若受到机械应力可能折断，引起通信故障，对智能变电站的运行安全带来不利影响。

(3)光缆通过熔接、法兰盘连接，接点多，故障隐患增加，安全风险增加。

(4)现场熔接效果因施工单位工艺水平不同而参差不齐，影响美观。

(5)普通光缆及联结件在户外高温环境下容易发生变形，影响光缆特性和使用寿命。

(6)尾缆在光缆配线单元的法兰以水平角度插拔，易对设备和人身产生伤害。

显然，这种传统的光缆熔接方式已经不能满足智能变电站的发展需求，存在安全隐患。

2 新型网络联接方案

本文提出的新型网络联接方案能够克服传统光缆熔接所存在的缺点，提供一种使用户外预制光缆时满足工艺和使用要求的智能变电站通信方案。

本文提出的网络联接方案包括预制光缆接头支架以及预制光缆安装引接方式，预制光缆接头支架安装在户外智能终端(控制)柜以及与其联接的室内屏柜内，预制光缆通过接头与柜内设备引出的尾纤相联。

2.1 需求分析

智能变电站过程层组网光缆的使用条件较多，不同的组网、设备配置、组屏等方案，都将对智能变电站对组网光缆的需求产生影响。

(1)组网方案:目前常见的过程层组网方案是将采样值网络和 GOOSE网络共网［9-10］，或者将 IEC 61588同步对时整合在过程层网络中，一般全站按电压等级冗余配置，通过网络的合并，使得需要接入过程层的各种网络装置通过一根光缆便可解决通信问题。

(2)二次设备整合:随着智能变电站相对传统变电站整体架构的改变，全站组网的普及以及二次设备的硬件发展，二次设备的优化整合是目前智能变电站发展的新趋势［11］，如采用保护测控一体化装置、智能终端/合并单元一体化装置、故障录波及报文分析装置等。通过二次设备的优化整合，可以减少过程层网络中的二次设备，从而节省了大量的光缆。

(3)二次设备布置:不同的二次设备布置形式将直接影响过程层光缆的分布。比如就地设置智能控制柜，将保护、测控等二次设备集体下置，间隔类设备按所属间隔就近布置，公用设备统一设置在就地汇聚点。这样可以从物理位置上缩减设备间的距离，从而减少了光缆的使用量。

(4)交换机组屏:不同的交换机组屏方式将影响组网光缆的汇聚方式［12-13］，如交换机集中组屏，可以提高交换机的利用效率，但也会导致光缆的集中汇聚。面向间隔或间隔组的交换机配置方式虽然增加了交换机的数量，但避免了光缆的过度集中，清晰的网络结构便于故障的排查。

(5)跳闸及采样方式:不同的跳闸、采样方式也将对光缆的使用产生影响，如直采直跳或网采网跳等方式。显然直采直跳方式对光缆的需求量较大，但比网采网跳方式更加安全可靠。

2.2 预制光缆的选择

通过对组网光缆的需求分析，可以发现影响光缆需求的因素较多。以浙江电网为例，目前在建的220 kV智能变电站采用采样值、GOOSE共网的组网方式较多。根据近期国调、省调的“三不允许”原则，即保护与测控不合一、合并单元与智能终端不合一、网络报文分析与故障录波不合一，目前智能变电站均采用独立的保护、测控装置。

因此，根据浙江电网的实际配置情况，目前在建的智能变电站主要遵循以下原则:

(1)过程层按电压等级组双网。

(2)二次设备未整合，保护、测控独立配置。

(3)二次设备未下放(全户内GIS方案除外)，布置在继保室内。

(4)交换机集中组屏和按间隔组屏同时存在。

(5)跳闸和采样方式采用直采直跳。

(6)二次设备对时采用B码点对点对时。

在这种配置模式下，二次设备之间通过4芯(2用2备)光缆联接，主要用于保护设备和智能终端、保护设备和合并单元之间的直采直跳，以及就地设备的对时光缆。预制光缆组件(4芯)作为一种预制光缆，比较适用于目前的智能变电站建设模式。

预制光缆组件是应用于室外恶劣环境下的联接工具，具备优秀的光学、机械、燃烧、防灾、环保性能。光缆组件由户外预制光缆组件A和B组成，结构如图3所示。其中组件A用于户外联接，类似传统的熔接光缆;组件B用于屏柜内部联接，类似传统的屏内跳线。

图3 预制光缆组件Fig.3 Component of prefab optical fiber cable

2.3 联接方式

预制光缆采用公母头对接方式，把光纤套筒预制在光纤连接器内。预制光缆节省安装空间，插入损耗小，外壳采用金属结构，可防冲击防跌落，坚固可靠，能直接用于户外安装，达到防尘防水IP68的最高等级要求。

针对预制光缆的特点，本文提出一种光缆接头支架安装在屏柜内用于光缆的联接固定。光缆接头支架用不锈钢制作，以45°安装在柜体下部，支架预留用于安装接头的孔洞和螺丝孔。具体结构如图4所示。

图4 光缆接头支架结构Fig.4 Structure of bracket for optical fiber cable

3 实施案例与效果分析

3.1 实施案例

本文提出的基于预制光缆的网络联接方案已在云会变电站、东关变电站获得了实际工程应用。

根据应用场合的不同需求，一般采用屏柜侧面或屏柜底部进行安装连接，如图5所示。

由于预制光缆采用成品光缆，因此对长度估算的精度要求比熔接光缆高，否则将产生较多的冗余光缆。

在已经投产的云会变电站、东关变电站中，由于预制光缆是作为技术更新在施工过程中途加入，为避免光缆施工长度估算的准确性问题，采用的是单端预制方式。

图5 预制光缆接应用案例Fig.5 Application case of prefab optical fiber cable connection

在应用预制光缆时，户外侧使用预制接头即联接组件进行连接，而户内侧则因防尘防水等级要求不高、光缆较为集中，采用现场熔接的方案。由于对预制光缆的熔接位置进行了合理选择，使得预制光缆既能在户外发挥其防护等级高、安装施工方便等优势，又能在现场施工中按实际要求截取长度，兼顾了预制光缆应用中的可靠性和施工安装中的可操作性。

在武胜变电站、牧东变电站等工程中，设计阶段就考虑了预制光缆的使用，提供了全面而又精确的光缆清单，结合施工现场的长度复核，有效解决了光缆长度估算的精度问题。因此，智能终端柜和继保室的二次设备柜均采用预制光缆组件进行插拔式联接。