光學技術在智能電網中的應用

陶邦勝

（國網電力科學研究院，江蘇南京210003）

當前，國家電網公司提出了建設統一堅強智能電網的發展目標，就現代科技發展水平而言，已經為智能電網的發展提供了良好的技術儲備。建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎，智能電網的數據獲取、保護和控制、需求側響應都依賴于高速雙向通信系統的支持，因此高速雙向通信系統是邁向智能電網的第一步。建設高速、高可靠的通信系統首選采用光纖通信。先進的傳感測量技術和高級智能儀表遍布發電、輸電、變電、配電、用電等各個環節，為電網的調度、運行和規劃部門提供大量的電網數據信息，幫助運行人員準確把握電網的運行狀態，從而達到更高的供電可靠性和更好的資產管理，尤其是對于大量分布式能源的管理，更需要通過高級智能儀表，精確地掌握和預測分布式能源的狀態信息。在電力系統傳感測量方面現在廣泛使用光學技術。另外，智能電網是新能源技術革命的重要組成部分，智能電網的發展戰略應從屬于新能源技術革命的。新能源技術革命核心使命可以概括為節能、減排，它涉及多領域多學科多行業技術，其中也包括光學技術[1，2]。

1 光學技術在智能電網綜合通信方面的應用

光學技術在通信方面的應用，就是通過由光纖提供的大容量、長距離、高可靠的鏈路傳輸手段，利用先進的電子或光子交換技術，引入控制和管理機制，實現多節點間的聯網，以及針對資源與業務的靈活配置。

1.1 電力骨干網通信

目前電力骨干網光纖通信采用的技術以同步數字體系（SDH）/MSTP技術為主，但是將來會逐步過渡到更先進、更可靠、更高容量的光傳送網（OTN）/DWDM/自動交換光網絡（ASON）。

SDH屬于第一代光網絡，OTN是第二代光網絡。在未來較長一段時間內，SDH和OTN技術將互為補充、共存發展。無論SDH還是OTN，都是典型的傳送網技術。傳統的光網絡包含傳送和管理兩個層面。傳送平面可以為用戶提供雙向和單向的信息流傳送，并對業務的狀態信息進行監測，如故障和信號質量等；管理平面主要執行對傳送平面進行配置以及故障和性能檢測的功能。配置管理主要采用集中管理和靜態處理的方式，需要人工來參與，網絡靈活性和動態性都非常欠缺。隨著業務的增長和新服務的發展，這種傳統網絡管理方式的不足越來越明顯，以ASON為代表的智能光網絡應運而生。

ASON最大進步就是在傳送和管理平面的基礎上，增加了控制平面，原來歸屬管理平面的功能被轉移到控制平面，并采用分布式的控制機制代替過去單一的集中式管理模式，首次在光層引入動態交換的慨念，從而將交換、傳輸、數據真正綜合起來[3]。

1.2 配網及用電網通信

在電力系統35kV及10kV線路中，一般沒有架設地線，無法沿線路架設光纜復合地線（OPGW），一種新的解決方案，即光纖復合架空相線（OPPC）正得到推廣應用。OPPC是電力通信系統的一種新型特種光纜，該光纜將光纖單元復合在相線中，具有傳輸電能和進行通信的雙重功能。OPPC的架設基本上同OPGW類似，也是依據電力部門架空線安裝安全管理規程和操作技術。OPPC雖然也是導線，但由于內含光纖，其結構與鋼芯鋁絞線等導線有較大的差別，對架設機有一些特殊的要求，基本上融合了導線和OPGW兩種產品的施工特點。但OPPC的接續涉及到光纖接續和光電分離技術，對接續技術、高壓絕緣有嚴格要求[4]。

無源光網絡（xPON）是一種純介質網絡，是指在局端OLT和用戶端ONU之間是光分配網絡(ODN)，沒有任何有源電子設備。xPON作為新一代光接入技術，在抗干擾性、帶寬特性、接入距離、維護管理等方面均具有巨大優勢，越來越多地應用在配用電通信上，普遍看好的xPON技術有以太無源光網絡（EPON）和千兆位無源光網絡（GPON），兩種技術的基本組網和構架完全相同，均是由局端OLT、用戶端ONU/ONT和無源ODN組網。從產業鏈發展、技術成熟度、芯片成熟度、設備成本等方面比較，GPON市場進展大大慢于EPON，現階段以EPON技術為主，同時兼顧未來向GPON演進的能力。目前EPON的產業鏈已逐漸形成。

1.3 數字化變電站站內通信

數字化變電站技術是變電站自動化發展中具有里程碑意義的一次變革，對變電站自動化系統將產生深遠的影響。數字化變電站3個主要特征就是“一次設備智能化，二次設備網絡化，符合IEC61850標準”，即數字化變電站內的信息全部做到數字化，信息傳遞實現網絡化，通信模型達到標準化，各種設備和功能共享統一的信息平臺。數字化變電站內普遍使用工業光纖以太網交換機，利用光電技術，光纖以太網（IEEE 802.3z）正在成為一個公用的載體服務和廉價的互連方法。這一技術在加上多協議標記交換（MPLS）時用于幫助進入數字融合，可以簡化需要使用昂貴的數字交叉連接系統。

2 光學技術在智能電網傳感測量方面的應用

光學傳感測量技術有其獨特的優點，在智能電網建設中將會得到廣泛應用，如光學電流互感器（OCT）、光學電壓互感器（OVT）、其他光纖測量技術等，下面分別介紹。

2.1 OCT

OCT是以法拉第磁光效應為基礎、以光纖為介質的新興電力計量裝置。它通過測量光波在通過磁光材料時其偏振面由于電流產生的磁場作用而發生旋轉的角度來確定被測電流的大小。與傳統的電磁感應式電流互感器相比，在高電壓大電流測量的應用中采用OCT具有明顯的優越性：（1）不含油，無爆炸危險；（2）與高壓線路完全隔離，滿足絕緣要求，運行安全可靠；（3）不含鐵心，無磁飽和、鐵磁共振和磁滯現象；（4）不含交流線圈，不存在輸出線圈開路危險，可以測量直流，動態范圍大；（5）無源，無需供能；（6）響應頻域寬；（7）一側次、二側次間傳感信號由光纜連接，且具有很強的抗電磁干攏能力，便于遙感和遙測；（8）無需斷開一次電源，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化水平，具有測量準確化、傳輸光纖化和輸出數字化等優點的OCT將成為堅強智能電網的理想互感器。

2.2 OVT

OVT測量原理是根據Pockels效應實現，所謂Pockels效應是指某些透明光學介質（如BGO晶體）在外電場作用下，其折射率線性地隨外電場而改變的效應。在外加電場E作用下，BGO晶體由各向同性變成各向異性的雙折射晶體。當線偏振光投射到雙折射晶體的端面，入射光束就會變成與初相角相同、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，產生相干干涉，從而將相位調制光變成振幅調制光，將相位差的測量轉化為光強的測量，最后獲得被測電壓值。與傳統的電磁式電壓互感器和電容分壓電壓互感器相比較，OVT的突出優點是：（1）高壓信號通過光纖傳輸到二次設備，使得其絕緣結構大大簡化；（2）頻率響應寬，不存在磁飽和鐵磁諧振現象，提高系統保護可靠性；（3）可同時實現電壓測量和繼電保護兩種功能；（4）可適應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要，輸出數字信號，而且能實現在線檢測和故障診斷。

由于OVT具有上述眾多突出的優點，基于光電子技術的數字式OVT在智能電網建設中有著十分廣闊的應用前景。

2.3 組合式光學電流電壓測量系統

組合式光學電流電壓測量系統是指將OCT和OVT的傳感頭用一根光纖復合絕緣子來支撐，這樣的組合測量系統可完成對高壓傳輸線的電流和電壓的同時測量，并進而獲得功率、能量等重要參量。與傳統的獨立式絕緣支撐結構相比，組合式結構由于少了一個高壓絕緣子，因而可大大節省設備費用，另外還具有尺寸小、結構簡單、占地少等優點。由于電壓等級越高，絕緣子越昂貴，因而組合式光學電流電壓測量系統在500kV等高電壓等級的電站中取代傳統的電磁感應式電流互感器和電壓互感器更具有實際意義，在特高壓系統中具有良好的發展前景[6]。

2.4 其他光纖測量技術

目前，電力系統主要利用光時域反射計（OTDR）進行光纖的檢測。基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術從整體上主要有基于布里淵光時域反射（BOTDR）、基于布里淵光時域分析（BOTDA）和基于布里淵光頻域分析（BOTDA）3種方案。而BOTDR方案結構簡單，使用方便，特別適合于工程應用[7]。在電力系統光纖通信網中，OPGW和全介質自承式光纜（ADSS）占主要地位，它們經受著復雜的環境，其中影響光纜性能的氣設備內部溫度。寬帶光源輸入，經過光纖光柵后，在布拉格波長的窄帶光譜被反射到光纖的輸入端，其余的波長透射通過。當把光纖光柵封裝在絕緣外殼內部時，外界環境溫度經過殼體傳導到光纖光柵，使其波長發生變化。通過精確測量反射信號的波長，可以實現對溫度的檢測。監測電力系統高壓帶電設備的各種連接點（如隔離開關觸頭、母線之間的連接點等）、電纜和變壓器繞組的溫度是保證堅強智能電網安全運行的重要內容，也是這些設備狀態檢修的重要依據[8]。

3 光學技術在新能源技術方面的應用

智能電網從本質上講是人類應對能源危機的一種愿景和策略。以風能、太陽能等可再生能源直接替代常規化石燃料，不僅能效可以實現百分百，而且直接污染物排放趨為零。新能源技術應用屬于最直接的發電環節節能減排技術。激光核聚變研究是從上個世紀就開始的光學和激光技術在開發能源方面的先導和典范，目前工程化還有很大距離，光學在新能源開發中的重點應該放在太陽能方面。

太陽能電池就是太陽能利用很重要的一個方面。太陽能電池類似于光電探測器，是一種光電轉換器件。為了提高光電轉換效率，在減少太陽能電池光照面的反射、解決電池在光子吸收前的光傳導損失、以及光吸收后產生的光生載流子在內部復合和表面復合的損失，現在已有多種技術途徑。從事光學薄膜、光電器件、集成光學器件的專業人員，對太陽能電池的材料、結構和制作工藝等改進和創新方面大有可為。當前先進的微納光學技術已經實現了多項突破，取得了重大的研究成果，并成功應用于新型電池中。微納結構電池能夠更高效的吸收、存儲太陽能，并且實現了電池的微型化[9]。

到目前為止，對太陽能的利用盡管進行了不少探索和研究，但離人們充分利用太陽能的目標還很遠。圍繞降低成本、提高能量轉換效率和生產效率、以及尋找太陽能利用新途徑等方面，還有許多技術障礙需要克服，一些重大問題需要組織不同專業的人員進行攻關。

4 結束語

光學技術的發展日新月異。激光引發核聚變有可能成為下一世紀的新能源；光信息處理的功能正在不斷開發，特別是正在開發研制中的光子計算機，它所具有的潛在優點一旦變成現實，則對未來信息領域的影響是很深遠的。研究智能電網，一定要加強對基礎科學和前沿科學的研究，包括對光學技術的研究。信息與通信技術是堅強智能電網建設的基礎支撐技術，光學技術是推動今后信息時代發展的主要動力，它在今后的信息時代將占有越來越重要的地位，必將對堅強智能電網的建設和發展產生深刻的影響。

[1] 肖世杰.構建中國智能電網技術思考[J].電力系統自動化，2009，33（9）：1-4.

[2] 施婕，艾芊.智能電網實現的若干關鍵技術問題研究[J].電力系統保護與控制,2009,37(19)：1-4.

[3] 張杰，徐云斌.自動交換光網絡ASON[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4] 李建惠.光纖復合相線光纜OPPC的技術特點及應用[J].貴州電力技術，2009(2)：46-48.

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

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

[7] 周學軍，王紅霞，趙四新.BOTDR在海底光纜監測中的應用[J].光纖與電纜及其應用技術，2006（4）.

[8] 金振東，許箴，金峰，等.國內高壓帶電設備測溫方式綜述及分析[J].電力設備，2007，8(12)：57-61.

[9] 于榮金.光學與太陽能[J].光學學報，2009，29（7）：1751-1755.