光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

陶邦勝

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

當(dāng)前，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，就現(xiàn)代科技發(fā)展水平而言，已經(jīng)為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了良好的技術(shù)儲(chǔ)備。建立高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制、需求側(cè)響應(yīng)都依賴(lài)于高速雙向通信系統(tǒng)的支持，因此高速雙向通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。建設(shè)高速、高可靠的通信系統(tǒng)首選采用光纖通信。先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)和高級(jí)智能儀表遍布發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等各個(gè)環(huán)節(jié)，為電網(wǎng)的調(diào)度、運(yùn)行和規(guī)劃部門(mén)提供大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，幫助運(yùn)行人員準(zhǔn)確把握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到更高的供電可靠性和更好的資產(chǎn)管理，尤其是對(duì)于大量分布式能源的管理，更需要通過(guò)高級(jí)智能儀表，精確地掌握和預(yù)測(cè)分布式能源的狀態(tài)信息。在電力系統(tǒng)傳感測(cè)量方面現(xiàn)在廣泛使用光學(xué)技術(shù)。另外，智能電網(wǎng)是新能源技術(shù)革命的重要組成部分，智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)從屬于新能源技術(shù)革命的。新能源技術(shù)革命核心使命可以概括為節(jié)能、減排，它涉及多領(lǐng)域多學(xué)科多行業(yè)技術(shù)，其中也包括光學(xué)技術(shù)[1，2]。

1 光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)綜合通信方面的應(yīng)用

光學(xué)技術(shù)在通信方面的應(yīng)用，就是通過(guò)由光纖提供的大容量、長(zhǎng)距離、高可靠的鏈路傳輸手段，利用先進(jìn)的電子或光子交換技術(shù)，引入控制和管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)網(wǎng)，以及針對(duì)資源與業(yè)務(wù)的靈活配置。

1.1 電力骨干網(wǎng)通信

目前電力骨干網(wǎng)光纖通信采用的技術(shù)以同步數(shù)字體系（SDH）/MSTP技術(shù)為主，但是將來(lái)會(huì)逐步過(guò)渡到更先進(jìn)、更可靠、更高容量的光傳送網(wǎng)（OTN）/DWDM/自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）。

SDH屬于第一代光網(wǎng)絡(luò)，OTN是第二代光網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，SDH和OTN技術(shù)將互為補(bǔ)充、共存發(fā)展。無(wú)論SDH還是OTN，都是典型的傳送網(wǎng)技術(shù)。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)包含傳送和管理兩個(gè)層面。傳送平面可以為用戶(hù)提供雙向和單向的信息流傳送，并對(duì)業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如故障和信號(hào)質(zhì)量等；管理平面主要執(zhí)行對(duì)傳送平面進(jìn)行配置以及故障和性能檢測(cè)的功能。配置管理主要采用集中管理和靜態(tài)處理的方式，需要人工來(lái)參與，網(wǎng)絡(luò)靈活性和動(dòng)態(tài)性都非常欠缺。隨著業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)和新服務(wù)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理方式的不足越來(lái)越明顯，以ASON為代表的智能光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。

ASON最大進(jìn)步就是在傳送和管理平面的基礎(chǔ)上，增加了控制平面，原來(lái)歸屬管理平面的功能被轉(zhuǎn)移到控制平面，并采用分布式的控制機(jī)制代替過(guò)去單一的集中式管理模式，首次在光層引入動(dòng)態(tài)交換的慨念，從而將交換、傳輸、數(shù)據(jù)真正綜合起來(lái)[3]。

1.2 配網(wǎng)及用電網(wǎng)通信

在電力系統(tǒng)35kV及10kV線路中，一般沒(méi)有架設(shè)地線，無(wú)法沿線路架設(shè)光纜復(fù)合地線（OPGW），一種新的解決方案，即光纖復(fù)合架空相線（OPPC）正得到推廣應(yīng)用。OPPC是電力通信系統(tǒng)的一種新型特種光纜，該光纜將光纖單元復(fù)合在相線中，具有傳輸電能和進(jìn)行通信的雙重功能。OPPC的架設(shè)基本上同OPGW類(lèi)似，也是依據(jù)電力部門(mén)架空線安裝安全管理規(guī)程和操作技術(shù)。OPPC雖然也是導(dǎo)線，但由于內(nèi)含光纖，其結(jié)構(gòu)與鋼芯鋁絞線等導(dǎo)線有較大的差別，對(duì)架設(shè)機(jī)有一些特殊的要求，基本上融合了導(dǎo)線和OPGW兩種產(chǎn)品的施工特點(diǎn)。但OPPC的接續(xù)涉及到光纖接續(xù)和光電分離技術(shù)，對(duì)接續(xù)技術(shù)、高壓絕緣有嚴(yán)格要求[4]。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（xPON）是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，是指在局端OLT和用戶(hù)端ONU之間是光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)，沒(méi)有任何有源電子設(shè)備。xPON作為新一代光接入技術(shù)，在抗干擾性、帶寬特性、接入距離、維護(hù)管理等方面均具有巨大優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用在配用電通信上，普遍看好的xPON技術(shù)有以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和千兆位無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（GPON），兩種技術(shù)的基本組網(wǎng)和構(gòu)架完全相同，均是由局端OLT、用戶(hù)端ONU/ONT和無(wú)源ODN組網(wǎng)。從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、技術(shù)成熟度、芯片成熟度、設(shè)備成本等方面比較，GPON市場(chǎng)進(jìn)展大大慢于EPON，現(xiàn)階段以EPON技術(shù)為主，同時(shí)兼顧未來(lái)向GPON演進(jìn)的能力。目前EPON的產(chǎn)業(yè)鏈已逐漸形成。

1.3 數(shù)字化變電站站內(nèi)通信

數(shù)字化變電站技術(shù)是變電站自動(dòng)化發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字化變電站3個(gè)主要特征就是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”，即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。數(shù)字化變電站內(nèi)普遍使用工業(yè)光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，利用光電技術(shù)，光纖以太網(wǎng)（IEEE 802.3z）正在成為一個(gè)公用的載體服務(wù)和廉價(jià)的互連方法。這一技術(shù)在加上多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）時(shí)用于幫助進(jìn)入數(shù)字融合，可以簡(jiǎn)化需要使用昂貴的數(shù)字交叉連接系統(tǒng)。

2 光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)傳感測(cè)量方面的應(yīng)用

光學(xué)傳感測(cè)量技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在智能電網(wǎng)建設(shè)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，如光學(xué)電流互感器（OCT）、光學(xué)電壓互感器（OVT）、其他光纖測(cè)量技術(shù)等，下面分別介紹。

2.1 OCT

OCT是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置。它通過(guò)測(cè)量光波在通過(guò)磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)確定被測(cè)電流的大小。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器相比，在高電壓大電流測(cè)量的應(yīng)用中采用OCT具有明顯的優(yōu)越性：（1）不含油，無(wú)爆炸危險(xiǎn)；（2）與高壓線路完全隔離，滿(mǎn)足絕緣要求，運(yùn)行安全可靠；（3）不含鐵心，無(wú)磁飽和、鐵磁共振和磁滯現(xiàn)象；（4）不含交流線圈，不存在輸出線圈開(kāi)路危險(xiǎn)，可以測(cè)量直流，動(dòng)態(tài)范圍大；（5）無(wú)源，無(wú)需供能；（6）響應(yīng)頻域?qū)?；?）一側(cè)次、二側(cè)次間傳感信號(hào)由光纜連接，且具有很強(qiáng)的抗電磁干攏能力，便于遙感和遙測(cè)；（8）無(wú)需斷開(kāi)一次電源，可在線維修；（9）體積小、重量輕、易安裝等[5]。

為了提高變電站綜合自動(dòng)化水平，具有測(cè)量準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)的OCT將成為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的理想互感器。

2.2 OVT

OVT測(cè)量原理是根據(jù)Pockels效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，所謂Pockels效應(yīng)是指某些透明光學(xué)介質(zhì)（如BGO晶體）在外電場(chǎng)作用下，其折射率線性地隨外電場(chǎng)而改變的效應(yīng)。在外加電場(chǎng)E作用下，BGO晶體由各向同性變成各向異性的雙折射晶體。當(dāng)線偏振光投射到雙折射晶體的端面，入射光束就會(huì)變成與初相角相同、而電位移矢量相互垂直的兩束光，由于它在所在晶體中的傳播速度不同，出射時(shí)有一定的相位差，采用檢偏器將相互垂直的兩出射光束變成偏振相同的相干光，產(chǎn)生相干干涉，從而將相位調(diào)制光變成振幅調(diào)制光，將相位差的測(cè)量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的測(cè)量，最后獲得被測(cè)電壓值。與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器和電容分壓電壓互感器相比較，OVT的突出優(yōu)點(diǎn)是：（1）高壓信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化；（2）頻率響應(yīng)寬，不存在磁飽和鐵磁諧振現(xiàn)象，提高系統(tǒng)保護(hù)可靠性；（3）可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量和繼電保護(hù)兩種功能；（4）可適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，輸出數(shù)字信號(hào)，而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和故障診斷。

由于OVT具有上述眾多突出的優(yōu)點(diǎn)，基于光電子技術(shù)的數(shù)字式OVT在智能電網(wǎng)建設(shè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 組合式光學(xué)電流電壓測(cè)量系統(tǒng)

組合式光學(xué)電流電壓測(cè)量系統(tǒng)是指將OCT和OVT的傳感頭用一根光纖復(fù)合絕緣子來(lái)支撐，這樣的組合測(cè)量系統(tǒng)可完成對(duì)高壓傳輸線的電流和電壓的同時(shí)測(cè)量，并進(jìn)而獲得功率、能量等重要參量。與傳統(tǒng)的獨(dú)立式絕緣支撐結(jié)構(gòu)相比，組合式結(jié)構(gòu)由于少了一個(gè)高壓絕緣子，因而可大大節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，另外還具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地少等優(yōu)點(diǎn)。由于電壓等級(jí)越高，絕緣子越昂貴，因而組合式光學(xué)電流電壓測(cè)量系統(tǒng)在500kV等高電壓等級(jí)的電站中取代傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器和電壓互感器更具有實(shí)際意義，在特高壓系統(tǒng)中具有良好的發(fā)展前景[6]。

2.4 其他光纖測(cè)量技術(shù)

目前，電力系統(tǒng)主要利用光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）進(jìn)行光纖的檢測(cè)?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)從整體上主要有基于布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）、基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）和基于布里淵光頻域分析（BOTDA）3種方案。而B(niǎo)OTDR方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，特別適合于工程應(yīng)用[7]。在電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)中，OPGW和全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）占主要地位，它們經(jīng)受著復(fù)雜的環(huán)境，其中影響光纜性能的氣設(shè)備內(nèi)部溫度。寬帶光源輸入，經(jīng)過(guò)光纖光柵后，在布拉格波長(zhǎng)的窄帶光譜被反射到光纖的輸入端，其余的波長(zhǎng)透射通過(guò)。當(dāng)把光纖光柵封裝在絕緣外殼內(nèi)部時(shí)，外界環(huán)境溫度經(jīng)過(guò)殼體傳導(dǎo)到光纖光柵，使其波長(zhǎng)發(fā)生變化。通過(guò)精確測(cè)量反射信號(hào)的波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備的各種連接點(diǎn)（如隔離開(kāi)關(guān)觸頭、母線之間的連接點(diǎn)等）、電纜和變壓器繞組的溫度是保證堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要內(nèi)容，也是這些設(shè)備狀態(tài)檢修的重要依據(jù)[8]。

3 光學(xué)技術(shù)在新能源技術(shù)方面的應(yīng)用

智能電網(wǎng)從本質(zhì)上講是人類(lèi)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的一種愿景和策略。以風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源直接替代常規(guī)化石燃料，不僅能效可以實(shí)現(xiàn)百分百，而且直接污染物排放趨為零。新能源技術(shù)應(yīng)用屬于最直接的發(fā)電環(huán)節(jié)節(jié)能減排技術(shù)。激光核聚變研究是從上個(gè)世紀(jì)就開(kāi)始的光學(xué)和激光技術(shù)在開(kāi)發(fā)能源方面的先導(dǎo)和典范，目前工程化還有很大距離，光學(xué)在新能源開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)應(yīng)該放在太陽(yáng)能方面。

太陽(yáng)能電池就是太陽(yáng)能利用很重要的一個(gè)方面。太陽(yáng)能電池類(lèi)似于光電探測(cè)器，是一種光電轉(zhuǎn)換器件。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，在減少太陽(yáng)能電池光照面的反射、解決電池在光子吸收前的光傳導(dǎo)損失、以及光吸收后產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)部復(fù)合和表面復(fù)合的損失，現(xiàn)在已有多種技術(shù)途徑。從事光學(xué)薄膜、光電器件、集成光學(xué)器件的專(zhuān)業(yè)人員，對(duì)太陽(yáng)能電池的材料、結(jié)構(gòu)和制作工藝等改進(jìn)和創(chuàng)新方面大有可為。當(dāng)前先進(jìn)的微納光學(xué)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破，取得了重大的研究成果，并成功應(yīng)用于新型電池中。微納結(jié)構(gòu)電池能夠更高效的吸收、存儲(chǔ)太陽(yáng)能，并且實(shí)現(xiàn)了電池的微型化[9]。

到目前為止，對(duì)太陽(yáng)能的利用盡管進(jìn)行了不少探索和研究，但離人們充分利用太陽(yáng)能的目標(biāo)還很遠(yuǎn)。圍繞降低成本、提高能量轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)效率、以及尋找太陽(yáng)能利用新途徑等方面，還有許多技術(shù)障礙需要克服，一些重大問(wèn)題需要組織不同專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行攻關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

光學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異。激光引發(fā)核聚變有可能成為下一世紀(jì)的新能源；光信息處理的功能正在不斷開(kāi)發(fā)，特別是正在開(kāi)發(fā)研制中的光子計(jì)算機(jī)，它所具有的潛在優(yōu)點(diǎn)一旦變成現(xiàn)實(shí)，則對(duì)未來(lái)信息領(lǐng)域的影響是很深遠(yuǎn)的。研究智能電網(wǎng)，一定要加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和前沿科學(xué)的研究，包括對(duì)光學(xué)技術(shù)的研究。信息與通信技術(shù)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，光學(xué)技術(shù)是推動(dòng)今后信息時(shí)代發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，它在今后的信息時(shí)代將占有越來(lái)越重要的地位，必將對(duì)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。

[1] 肖世杰.構(gòu)建中國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)思考[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（9）：1-4.

[2] 施婕，艾芊.智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(19)：1-4.

[3] 張杰，徐云斌.自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)ASON[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4] 李建惠.光纖復(fù)合相線光纜OPPC的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J].貴州電力技術(shù)，2009(2)：46-48.

[5] 王夏霄，張春熹，張朝陽(yáng)，等.一種新型全數(shù)字閉環(huán)光纖電流互感器方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006,30(16)：77-80.

[6] 李紅斌，張明明，葉齊政，等.500kV組合式光學(xué)電流電壓傳感器性能分析[J].高電壓技術(shù)，2003，29(11)：7-8.

[7] 周學(xué)軍，王紅霞，趙四新.BOTDR在海底光纜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2006（4）.

[8] 金振東，許箴，金峰，等.國(guó)內(nèi)高壓帶電設(shè)備測(cè)溫方式綜述及分析[J].電力設(shè)備，2007，8(12)：57-61.

[9] 于榮金.光學(xué)與太陽(yáng)能[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（7）：1751-1755.