光伏電站光纖環(huán)網(wǎng)損耗優(yōu)化方法

黃鵬程王 瑛

1上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

2上海交通大學(xué)

0 引言

經(jīng)多年研究，光伏發(fā)電已成為較成熟的新能源發(fā)電技術(shù)，且光伏電站的大型化和并網(wǎng)化已成為今后發(fā)展方向及研究重點(diǎn)[1]。隨著國(guó)家環(huán)境和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，光伏領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，裝機(jī)容量不斷增大，其中，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)作為光伏電站的一部分，在整個(gè)安全生產(chǎn)中十分重要[2]。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)需將集控指令及信號(hào)進(jìn)行傳輸，而光纖由于具有損耗低、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。

我國(guó)大型光伏電站大多建立在太陽(yáng)能資源豐富的西北地區(qū)，電站距離用電中心較遠(yuǎn)[4]，需采用光纖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。大型光伏場(chǎng)及光伏電站通常占地面積較大，地形較為復(fù)雜，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，造成傳輸過(guò)程中由于通信光纖衰減存在信號(hào)損耗問(wèn)題。通信光纖衰減是指光纖在傳播中每米長(zhǎng)度的衰減[5]。光纖衰減將直接影響通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，從而影響信號(hào)可傳輸?shù)木嚯x。

本文以某典型的100 MW光伏電站為例，對(duì)光伏場(chǎng)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行方案比選，提出了幾種適用范圍廣的光纖環(huán)網(wǎng)損耗優(yōu)化方案，以解決光纖衰減問(wèn)題。

1 光伏場(chǎng)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該100 MW光伏場(chǎng)有40臺(tái)2.5 MVA箱變，每臺(tái)箱變配置1臺(tái)測(cè)控裝置，40臺(tái)箱變測(cè)控裝置共同組成A、B、C、D 4個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)將信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)方110 kV光伏匯集站監(jiān)控中心，即每10臺(tái)箱變（25 MW）陣列組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)。光伏場(chǎng)內(nèi)的匯流箱、逆變器和其他智能測(cè)控裝置分別接入規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置RS485端口,每個(gè)兆瓦單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)光纖接入遠(yuǎn)端110 kV光伏匯集站內(nèi)二次設(shè)備室監(jiān)控中心的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。其中，光伏場(chǎng)內(nèi)規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備均集成布置于箱變測(cè)控內(nèi)，如圖1所示。

不同光伏場(chǎng)的配置略有不同，但幾乎所有光伏場(chǎng)的保護(hù)、測(cè)控等通信都采用光纖環(huán)網(wǎng)，不同項(xiàng)目可根據(jù)自身情況與本文項(xiàng)目進(jìn)行比較。

圖1 光伏場(chǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

2 光伏場(chǎng)內(nèi)光纖衰減測(cè)試結(jié)果

本項(xiàng)目采用JW3402A型光功率計(jì)及OTDR2型光時(shí)域反射儀，對(duì)箱變測(cè)控裝置、箱變低壓柜光纖接線盒、110 kV光伏匯集站光伏監(jiān)控屏的上級(jí)光纖接線盒、光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行了光強(qiáng)度、光功率、光傳輸距離等測(cè)試。首先按常規(guī)光纖通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試，如圖2所示。當(dāng)光纖路徑超過(guò)一定距離后，藍(lán)線回路可正常通信，紅線回路則發(fā)生障礙。

經(jīng)測(cè)試得出以下結(jié)論：圖2中的紅線回路每經(jīng)過(guò)一次箱變光纖接線盒（內(nèi)含2處光纖熔接點(diǎn)、2個(gè)法蘭頭及1根雙頭尾纖），光功率平均衰減-2 dB。藍(lán)線回路，雖然光功率每經(jīng)過(guò)一次箱變光纖接線盒也會(huì)發(fā)生衰減，但經(jīng)過(guò)箱變測(cè)控裝置后可恢復(fù)至原強(qiáng)度。測(cè)試得出箱變測(cè)控裝置光口輸出信號(hào)平均功率為-7 dB，當(dāng)光功率＜-25 dB時(shí)，位于110 kV光伏集控站的監(jiān)控中心無(wú)法采集到該信號(hào)。

如本項(xiàng)目取樣：19#箱變接收20#箱變的光信號(hào)功率為-10.6 dB，19#箱變發(fā)送至20#箱變的光信號(hào)功率恢復(fù)為-6.7 dB；33#箱變接收38#箱變的光信號(hào)功率為-9 dB，33#箱變發(fā)送至39#箱變的光信號(hào)功率恢復(fù)為-7 dB。

綜上所述，我們可通過(guò)代數(shù)函數(shù)計(jì)算出單模光纜傳輸距離。假定目標(biāo)衰減值為16 dB，光纜（采用G.652光纖）每公里衰減值為0.36 dB，光纖接頭（采用熱熔接方式）損耗系數(shù)取0.06 dB/個(gè)，負(fù)載預(yù)留量按工程經(jīng)驗(yàn)取3 dB。

設(shè)X=箱變數(shù)量，N=法蘭數(shù)量，M=尾纖數(shù)量，P=熔接點(diǎn)數(shù)量，A為光纜衰減，L為光纜傳輸最遠(yuǎn)距離，則光伏衰減及光纜傳輸最遠(yuǎn)距離計(jì)算公式為：

圖2 常規(guī)光纖通信拓?fù)涫疽鈭D

其中N=2+X×4，M=2+X×2，P=X×4，X取10

L=（目標(biāo)衰減值-負(fù)載預(yù)留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-11.2）/0.36=5 km

按上述計(jì)算可知，常規(guī)光伏電站光纜信號(hào)傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離約為5 km。

3 通信光纖持續(xù)性衰減的優(yōu)化方法

根據(jù)光纖通信特性及上述測(cè)試結(jié)果，本文提出如下三種光纖優(yōu)化方案，以達(dá)到減小衰減、提高信號(hào)輸送距離的效果。

3.1 跳線改接法

以圖3為例，對(duì)2#箱變光纖接線盒的跳線進(jìn)行改接。

具體做法為：原紅線回路中用于跳線直連的雙頭尾纖改為跳線直接接入箱變測(cè)控裝置后至110 kV匯集站，原藍(lán)線回路中接入2#箱變測(cè)控的雙頭尾纖改為跳線直連，此后每隔一臺(tái)箱變光纖就接入箱變測(cè)控裝置或交換機(jī)。

由于跳接改接方式每隔一臺(tái)箱變光纖就接入箱變測(cè)控裝置或交換機(jī)，故X=2。代入公式即A=N×0.2+M×0.1+P×0.06，其 中N=2+X×4，M=2+X×2，P=X×4，X取2。

L=（目標(biāo)衰減值-負(fù)載預(yù)留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-3.08）/0.36=27.5 km

由此可見(jiàn)，通過(guò)跳線改接法，信息傳輸距離提升了5.5倍。

3.2 增設(shè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)法

圖3 跳線改接光纖通信拓?fù)涫疽鈭D

圖4 增加光伏環(huán)網(wǎng)光纖通信拓?fù)涫疽鈭D

以圖4增設(shè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)為例，在2#箱變低壓柜內(nèi)增設(shè)1臺(tái)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，將2#箱變光纖接線盒紅線回路中原用于跳線直連的雙頭尾纖改為跳線接入交換機(jī)，藍(lán)線回路不變。

本方案箱變測(cè)控裝置和方案3.1相同，都具有恢復(fù)信號(hào)強(qiáng)度的功能，按此方案執(zhí)行后，信息傳輸距離也可提升5.5倍。

3.3 光纖直熔法

以圖2常規(guī)光纖通信拓?fù)涫疽鈭D為例，取消紅線回路中用于跳線直連的雙頭尾纖，改為光纖直熔。由于每經(jīng)過(guò)一次箱變光纖接線盒后，光功率平均衰減2 dB，改為光纖直熔后，僅1處熔接點(diǎn)，無(wú)法蘭頭和雙頭尾纖，代入公式即A=N×0.2+M×0.1+P×0.06，其中N=4，M=4，P=2+X×2，X取10，L=（目標(biāo)衰減值-負(fù)載預(yù)留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-2.52）/0.36=29.1 km

由此可見(jiàn)，通過(guò)光纖直熔法，信息傳輸距離提升了5.8倍，即接口變少可減少光功率的衰減。

4 技術(shù)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工作量和安全性，列出表1三種方案的技術(shù)對(duì)比。

表1 三種方案技術(shù)對(duì)比

如表1所示，各個(gè)方案都有優(yōu)缺點(diǎn)，具體應(yīng)用需結(jié)合實(shí)際工程。方案一跳線改接：現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)及施工周期欠佳，但今后改造靈活，帶電作業(yè)安全性高，且基本不增加工程成本。方案二增設(shè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)：成本較高且有一定的危險(xiǎn)，施工難度及施工周期均適中。方案三光纖直熔：帶電作業(yè)危險(xiǎn)級(jí)別較高，且后期改造困難，整個(gè)施工工作量及施工周期優(yōu)于方案一。

建議在選擇方案時(shí)，首先考慮帶電作業(yè)的安全性，同時(shí)考慮項(xiàng)目成本，在施工周期許可的情況下，推薦采用方案一。如工程資金充足或總耗資巨大，增加光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)在總成本中占據(jù)較少，且工期較緊張、帶電作業(yè)安全性在可接受的范圍內(nèi)，推薦采用方案二。方案三適用于后期無(wú)改造，無(wú)帶電作業(yè)，需通信設(shè)備較少的工程。

5 其他注意事項(xiàng)及總結(jié)

在實(shí)際工程中，減少光纖衰減、提高信號(hào)傳輸距離的方法除了從技術(shù)上對(duì)光纖環(huán)網(wǎng)接線方式進(jìn)行優(yōu)化外，還可在設(shè)計(jì)、施工、采購(gòu)過(guò)程中對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行控制。

在設(shè)計(jì)與采購(gòu)過(guò)程中，應(yīng)盡量選用質(zhì)量過(guò)關(guān)的同一廠家、同一型號(hào)及同一批次的光纖、光傳輸設(shè)備，以保證光纖銜接的一致性。在施工過(guò)程中，光纖及光傳輸設(shè)備的工作人員應(yīng)經(jīng)過(guò)上崗培訓(xùn)，以保證施工工藝及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。當(dāng)不可避免需截?cái)喙饫w時(shí)，截?cái)嗝鎽?yīng)平整、光滑、清潔。在設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)過(guò)程中，光纖的路徑宜選擇最適合、最短的鋪設(shè)路線和方案。施工完成后，應(yīng)對(duì)光纖進(jìn)行外觀檢查，排除破損、熔接接口不可靠等故障，并利用專有設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，排查其他故障隱患。