基于預(yù)制光纜的智能變電站戶外組網(wǎng)方案

丁騰波，李慧

(浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市310012)

0 引言

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于打造堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，分3個(gè)階段推進(jìn)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的建設(shè)，其中第2階段即2011—2015年為全面建設(shè)階段，加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)。智能變電站作為“智能電網(wǎng)”的核心節(jié)點(diǎn)，目前已經(jīng)進(jìn)入全面建設(shè)的階段［1-3］。

在此背景下，人們對(duì)智能變電站關(guān)注的焦點(diǎn)逐漸從整體建設(shè)模式轉(zhuǎn)向了具體細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，如組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)、設(shè)備整合等，以更加有效地發(fā)揮智能變電站的優(yōu)勢(shì)。智能變電站最明顯的優(yōu)點(diǎn)是以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的模擬信號(hào)、電纜連接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)、光纖連接，實(shí)現(xiàn)繼保、數(shù)據(jù)管理等功能。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建設(shè)模式帶來(lái)的最直觀變化是大量智能化且高度整合的二次設(shè)備替代了傳統(tǒng)的二次設(shè)備，大量通信光纜替代了傳統(tǒng)的二次控制電纜。因此，在經(jīng)歷前期大量的摸索、試驗(yàn)階段后，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)智能變電站的定義和建設(shè)模式制定了系統(tǒng)性的指導(dǎo)意見(jiàn)［4-5］。

網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架的出現(xiàn)使得大量二次組網(wǎng)光纜替代了傳統(tǒng)的二次控制電纜，現(xiàn)在隨著各地智能變電站的大規(guī)模建設(shè)，通信光纜已經(jīng)成為智能變電站的主要傳輸介質(zhì)［6］。

本文針對(duì)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)戶外組網(wǎng)光纜的需求進(jìn)行分析，提出一種應(yīng)用于智能變電站戶外聯(lián)接的新型網(wǎng)絡(luò)解決方案，將有效避免傳統(tǒng)光纜聯(lián)接方式帶來(lái)的諸多弊端，在保證通信安全可靠的前提下，降低施工難度，縮短施工周期。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 光纜聯(lián)接現(xiàn)狀

目前智能變電站內(nèi)的光纜聯(lián)接模式仍然沿用傳統(tǒng)變電站的聯(lián)接方式，即光纜熔接。首先將光纜接入戶外智能終端控制柜，然后在柜內(nèi)安裝光纜配線單元或終端盒，通過(guò)熔接的方式將光纜的纖芯與尾纖聯(lián)接起來(lái)，再通過(guò)法蘭盤與設(shè)備引出的尾纖互聯(lián)［7-8］，具體聯(lián)接方式如圖1～2所示。

這種傳統(tǒng)光纜聯(lián)接方式源于常規(guī)變電站，一般用于二次設(shè)備跨室的聯(lián)接。如繼電器室的保護(hù)信息收集柜、遠(yuǎn)方電能量數(shù)據(jù)終端到主機(jī)房的數(shù)據(jù)接入設(shè)備。由于應(yīng)用的需求較少，因此這種聯(lián)接方式并沒(méi)有給業(yè)主和施工單位帶來(lái)較大的影響。

1.2 問(wèn)題分析

智能變電站的大規(guī)模建設(shè)導(dǎo)致每個(gè)新建站都面臨同樣的問(wèn)題，即面對(duì)規(guī)模巨大的戶外通信光纜，能否繼續(xù)采用傳統(tǒng)的熔接方式。在缺少新型解決方案的現(xiàn)狀下，許多在建或已投產(chǎn)的智能變電站仍然采用了傳統(tǒng)的熔接方案，而這種熔接方案所帶來(lái)的弊端也日漸顯現(xiàn)，主要有以下幾點(diǎn):

(1)光纜通過(guò)熔接方式聯(lián)接，熔接工作都在現(xiàn)場(chǎng)完成，需配置專用熔接機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大，影響施工進(jìn)度;

(2)光纜在戶外以熔接方式聯(lián)結(jié)，防護(hù)等級(jí)低。光纜在柜內(nèi)有小段裸露纖芯，若受到機(jī)械應(yīng)力可能折斷，引起通信故障，對(duì)智能變電站的運(yùn)行安全帶來(lái)不利影響。

(3)光纜通過(guò)熔接、法蘭盤連接，接點(diǎn)多，故障隱患增加，安全風(fēng)險(xiǎn)增加。

(4)現(xiàn)場(chǎng)熔接效果因施工單位工藝水平不同而參差不齊，影響美觀。

(5)普通光纜及聯(lián)結(jié)件在戶外高溫環(huán)境下容易發(fā)生變形，影響光纜特性和使用壽命。

(6)尾纜在光纜配線單元的法蘭以水平角度插拔，易對(duì)設(shè)備和人身產(chǎn)生傷害。

顯然，這種傳統(tǒng)的光纜熔接方式已經(jīng)不能滿足智能變電站的發(fā)展需求，存在安全隱患。

2 新型網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案

本文提出的新型網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案能夠克服傳統(tǒng)光纜熔接所存在的缺點(diǎn)，提供一種使用戶外預(yù)制光纜時(shí)滿足工藝和使用要求的智能變電站通信方案。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案包括預(yù)制光纜接頭支架以及預(yù)制光纜安裝引接方式，預(yù)制光纜接頭支架安裝在戶外智能終端(控制)柜以及與其聯(lián)接的室內(nèi)屏柜內(nèi)，預(yù)制光纜通過(guò)接頭與柜內(nèi)設(shè)備引出的尾纖相聯(lián)。

2.1 需求分析

智能變電站過(guò)程層組網(wǎng)光纜的使用條件較多，不同的組網(wǎng)、設(shè)備配置、組屏等方案，都將對(duì)智能變電站對(duì)組網(wǎng)光纜的需求產(chǎn)生影響。

(1)組網(wǎng)方案:目前常見(jiàn)的過(guò)程層組網(wǎng)方案是將采樣值網(wǎng)絡(luò)和 GOOSE網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng)［9-10］，或者將 IEC 61588同步對(duì)時(shí)整合在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，一般全站按電壓等級(jí)冗余配置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的合并，使得需要接入過(guò)程層的各種網(wǎng)絡(luò)裝置通過(guò)一根光纜便可解決通信問(wèn)題。

(2)二次設(shè)備整合:隨著智能變電站相對(duì)傳統(tǒng)變電站整體架構(gòu)的改變，全站組網(wǎng)的普及以及二次設(shè)備的硬件發(fā)展，二次設(shè)備的優(yōu)化整合是目前智能變電站發(fā)展的新趨勢(shì)［11］，如采用保護(hù)測(cè)控一體化裝置、智能終端/合并單元一體化裝置、故障錄波及報(bào)文分析裝置等。通過(guò)二次設(shè)備的優(yōu)化整合，可以減少過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中的二次設(shè)備，從而節(jié)省了大量的光纜。

(3)二次設(shè)備布置:不同的二次設(shè)備布置形式將直接影響過(guò)程層光纜的分布。比如就地設(shè)置智能控制柜，將保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備集體下置，間隔類設(shè)備按所屬間隔就近布置，公用設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置在就地匯聚點(diǎn)。這樣可以從物理位置上縮減設(shè)備間的距離，從而減少了光纜的使用量。

(4)交換機(jī)組屏:不同的交換機(jī)組屏方式將影響組網(wǎng)光纜的匯聚方式［12-13］，如交換機(jī)集中組屏，可以提高交換機(jī)的利用效率，但也會(huì)導(dǎo)致光纜的集中匯聚。面向間隔或間隔組的交換機(jī)配置方式雖然增加了交換機(jī)的數(shù)量，但避免了光纜的過(guò)度集中，清晰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)便于故障的排查。

(5)跳閘及采樣方式:不同的跳閘、采樣方式也將對(duì)光纜的使用產(chǎn)生影響，如直采直跳或網(wǎng)采網(wǎng)跳等方式。顯然直采直跳方式對(duì)光纜的需求量較大，但比網(wǎng)采網(wǎng)跳方式更加安全可靠。

2.2 預(yù)制光纜的選擇

通過(guò)對(duì)組網(wǎng)光纜的需求分析，可以發(fā)現(xiàn)影響光纜需求的因素較多。以浙江電網(wǎng)為例，目前在建的220 kV智能變電站采用采樣值、GOOSE共網(wǎng)的組網(wǎng)方式較多。根據(jù)近期國(guó)調(diào)、省調(diào)的“三不允許”原則，即保護(hù)與測(cè)控不合一、合并單元與智能終端不合一、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析與故障錄波不合一，目前智能變電站均采用獨(dú)立的保護(hù)、測(cè)控裝置。

因此，根據(jù)浙江電網(wǎng)的實(shí)際配置情況，目前在建的智能變電站主要遵循以下原則:

(1)過(guò)程層按電壓等級(jí)組雙網(wǎng)。

(2)二次設(shè)備未整合，保護(hù)、測(cè)控獨(dú)立配置。

(3)二次設(shè)備未下放(全戶內(nèi)GIS方案除外)，布置在繼保室內(nèi)。

(4)交換機(jī)集中組屏和按間隔組屏同時(shí)存在。

(5)跳閘和采樣方式采用直采直跳。

(6)二次設(shè)備對(duì)時(shí)采用B碼點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)。

在這種配置模式下，二次設(shè)備之間通過(guò)4芯(2用2備)光纜聯(lián)接，主要用于保護(hù)設(shè)備和智能終端、保護(hù)設(shè)備和合并單元之間的直采直跳，以及就地設(shè)備的對(duì)時(shí)光纜。預(yù)制光纜組件(4芯)作為一種預(yù)制光纜，比較適用于目前的智能變電站建設(shè)模式。

預(yù)制光纜組件是應(yīng)用于室外惡劣環(huán)境下的聯(lián)接工具，具備優(yōu)秀的光學(xué)、機(jī)械、燃燒、防災(zāi)、環(huán)保性能。光纜組件由戶外預(yù)制光纜組件A和B組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中組件A用于戶外聯(lián)接，類似傳統(tǒng)的熔接光纜;組件B用于屏柜內(nèi)部聯(lián)接，類似傳統(tǒng)的屏內(nèi)跳線。

圖3 預(yù)制光纜組件Fig.3 Component of prefab optical fiber cable

2.3 聯(lián)接方式

預(yù)制光纜采用公母頭對(duì)接方式，把光纖套筒預(yù)制在光纖連接器內(nèi)。預(yù)制光纜節(jié)省安裝空間，插入損耗小，外殼采用金屬結(jié)構(gòu)，可防沖擊防跌落，堅(jiān)固可靠，能直接用于戶外安裝，達(dá)到防塵防水IP68的最高等級(jí)要求。

針對(duì)預(yù)制光纜的特點(diǎn)，本文提出一種光纜接頭支架安裝在屏柜內(nèi)用于光纜的聯(lián)接固定。光纜接頭支架用不銹鋼制作，以45°安裝在柜體下部，支架預(yù)留用于安裝接頭的孔洞和螺絲孔。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光纜接頭支架結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of bracket for optical fiber cable

3 實(shí)施案例與效果分析

3.1 實(shí)施案例

本文提出的基于預(yù)制光纜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案已在云會(huì)變電站、東關(guān)變電站獲得了實(shí)際工程應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同需求，一般采用屏柜側(cè)面或屏柜底部進(jìn)行安裝連接，如圖5所示。

由于預(yù)制光纜采用成品光纜，因此對(duì)長(zhǎng)度估算的精度要求比熔接光纜高，否則將產(chǎn)生較多的冗余光纜。

在已經(jīng)投產(chǎn)的云會(huì)變電站、東關(guān)變電站中，由于預(yù)制光纜是作為技術(shù)更新在施工過(guò)程中途加入，為避免光纜施工長(zhǎng)度估算的準(zhǔn)確性問(wèn)題，采用的是單端預(yù)制方式。

圖5 預(yù)制光纜接應(yīng)用案例Fig.5 Application case of prefab optical fiber cable connection

在應(yīng)用預(yù)制光纜時(shí)，戶外側(cè)使用預(yù)制接頭即聯(lián)接組件進(jìn)行連接，而戶內(nèi)側(cè)則因防塵防水等級(jí)要求不高、光纜較為集中，采用現(xiàn)場(chǎng)熔接的方案。由于對(duì)預(yù)制光纜的熔接位置進(jìn)行了合理選擇，使得預(yù)制光纜既能在戶外發(fā)揮其防護(hù)等級(jí)高、安裝施工方便等優(yōu)勢(shì)，又能在現(xiàn)場(chǎng)施工中按實(shí)際要求截取長(zhǎng)度，兼顧了預(yù)制光纜應(yīng)用中的可靠性和施工安裝中的可操作性。

在武勝變電站、牧東變電站等工程中，設(shè)計(jì)階段就考慮了預(yù)制光纜的使用，提供了全面而又精確的光纜清單，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)度復(fù)核，有效解決了光纜長(zhǎng)度估算的精度問(wèn)題。因此，智能終端柜和繼保室的二次設(shè)備柜均采用預(yù)制光纜組件進(jìn)行插拔式聯(lián)接。

3.2 技術(shù)比較

基于預(yù)制光纜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案已在實(shí)際工程中投運(yùn)，并獲得了良好的應(yīng)用效果。與傳統(tǒng)的熔接光纜相比，預(yù)制光纜具備一系列優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

3.3 經(jīng)濟(jì)比較

以典型的220 kV智能變電站為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。該變電站本期規(guī)模為2臺(tái)主變，4回220 kV出線，4回110 kV出線，220 kV主接線為雙母線接線，110 kV主接線為單母線分段接線。

戶外光纜采用預(yù)制光纜聯(lián)接的費(fèi)用估算見(jiàn)表2，采用傳統(tǒng)熔接光纜的費(fèi)用估算見(jiàn)表3。

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3.4 工程量比較

使用可預(yù)制光纜以減少現(xiàn)場(chǎng)工程量，節(jié)省施工時(shí)間和人力成本。

預(yù)制光纜:由于屏內(nèi)的跳線和聯(lián)接裝置已在出廠階段完成，現(xiàn)場(chǎng)只需完成光纜的插入。每個(gè)接頭平均耗時(shí)約10 s，若算上屏內(nèi)的光纜整理時(shí)間，平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)耗時(shí)1 min，總共96根雙端預(yù)制光纜，192個(gè)節(jié)點(diǎn)耗時(shí)約3.2 h。該項(xiàng)工作對(duì)操作人員沒(méi)有特殊要求。

熔接光纜:由于需要現(xiàn)場(chǎng)熔接，每根光纜都需要遵循一整套熔接程序［7］。以智能變電站常用的4芯光纜為例，由操作熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的工人來(lái)完成，平均每芯需要耗時(shí)10 min，總共784芯需要熔接，耗時(shí)約131 h。

由此可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)光纜熔接需要花費(fèi)的時(shí)間約是預(yù)制光纜的41倍。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于預(yù)制光纜的新型網(wǎng)絡(luò)方案，并開(kāi)發(fā)出相配套的光纜接頭支架，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該解決方案可以大幅度縮短施工周期，提高智能變電站的可靠性和抗故障能力。

［1］丁道齊，祁維武.中國(guó)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn):挑戰(zhàn)、問(wèn)題和行動(dòng)［J］.中國(guó)電力，2011，44(11):1-7.

［2］何大愚.用智能電網(wǎng)降低電壓以減少電耗［J］.中國(guó)電力，2011，44(9):31-32.

［3］中山元，顧立強(qiáng).日本智能電網(wǎng)的動(dòng)向［J］.中國(guó)電力，2011，44(1):41-44.

［4］Q/GDW 393—2009 110(66)kV～220 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］Q/GDW 394—2009 330 kV～750 kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］曹楠，李剛，王冬青.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方式的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(5):38-42.

［7］趙燃.淺析光纜熔接技術(shù)［J］.科技資訊，2012(4):78-81.

［8］齊新杰.淺析風(fēng)電通信工程中的光纜熔接［J］.電力與能源，2011(27):755-756.

［9］蘇麟，孫純軍，褚農(nóng).智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案研究［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(7):21-24.

［10］曹津屏，李偉，秦應(yīng)力，等.數(shù)字化變電站過(guò)程層的通信技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(6):12-17.

［11］王銳，曹麗璐，楊東海，等.數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(6):15-19.

［12］高東學(xué)，智全中，朱麗均，等.智能變電站保護(hù)配置方案研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(1):1-4.

［13］易永輝，王雷濤，陶永健.智能變電站過(guò)程層應(yīng)用技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(11):12-16.