基于預制光纜的智能變電站戶外組網(wǎng)方案

丁騰波，李慧

(浙江省電力設計院，杭州市310012)

0 引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司關于打造堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，分3個階段推進“堅強智能電網(wǎng)”的建設，其中第2階段即2011—2015年為全面建設階段，加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設。智能變電站作為“智能電網(wǎng)”的核心節(jié)點，目前已經(jīng)進入全面建設的階段［1-3］。

在此背景下，人們對智能變電站關注的焦點逐漸從整體建設模式轉(zhuǎn)向了具體細節(jié)的實現(xiàn)上，如組網(wǎng)實現(xiàn)、設備整合等，以更加有效地發(fā)揮智能變電站的優(yōu)勢。智能變電站最明顯的優(yōu)點是以高速網(wǎng)絡通信平臺為基礎，通過對數(shù)字信息進行標準化，實現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)為基礎，將傳統(tǒng)的模擬信號、電纜連接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號、光纖連接，實現(xiàn)繼保、數(shù)據(jù)管理等功能。這種網(wǎng)絡架構的建設模式帶來的最直觀變化是大量智能化且高度整合的二次設備替代了傳統(tǒng)的二次設備，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、試驗階段后，國家電網(wǎng)公司對智能變電站的定義和建設模式制定了系統(tǒng)性的指導意見［4-5］。

網(wǎng)絡化構架的出現(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，通信光纜已經(jīng)成為智能變電站的主要傳輸介質(zhì)［6］。

本文針對智能變電站的網(wǎng)絡架構特點，對戶外組網(wǎng)光纜的需求進行分析，提出一種應用于智能變電站戶外聯(lián)接的新型網(wǎng)絡解決方案，將有效避免傳統(tǒng)光纜聯(lián)接方式帶來的諸多弊端，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，通過熔接的方式將光纜的纖芯與尾纖聯(lián)接起來，再通過法蘭盤與設備引出的尾纖互聯(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，一般用于二次設備跨室的聯(lián)接。如繼電器室的保護信息收集柜、遠方電能量數(shù)據(jù)終端到主機房的數(shù)據(jù)接入設備。由于應用的需求較少，因此這種聯(lián)接方式并沒有給業(yè)主和施工單位帶來較大的影響。

1.2 問題分析

智能變電站的大規(guī)模建設導致每個新建站都面臨同樣的問題，即面對規(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的弊端也日漸顯現(xiàn)，主要有以下幾點:

(1)光纜通過熔接方式聯(lián)接，熔接工作都在現(xiàn)場完成，需配置專用熔接機械，現(xiàn)場安裝工作量大，影響施工進度;

(2)光纜在戶外以熔接方式聯(lián)結(jié)，防護等級低。光纜在柜內(nèi)有小段裸露纖芯，若受到機械應力可能折斷，引起通信故障，對智能變電站的運行安全帶來不利影響。

(3)光纜通過熔接、法蘭盤連接，接點多，故障隱患增加，安全風險增加。

(4)現(xiàn)場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，易對設備和人身產(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)絡聯(lián)接方案

本文提出的新型網(wǎng)絡聯(lián)接方案能夠克服傳統(tǒng)光纜熔接所存在的缺點，提供一種使用戶外預制光纜時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)絡聯(lián)接方案包括預制光纜接頭支架以及預制光纜安裝引接方式，預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)，預制光纜通過接頭與柜內(nèi)設備引出的尾纖相聯(lián)。

2.1 需求分析

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

(1)組網(wǎng)方案:目前常見的過程層組網(wǎng)方案是將采樣值網(wǎng)絡和 GOOSE網(wǎng)絡共網(wǎng)［9-10］，或者將 IEC 61588同步對時整合在過程層網(wǎng)絡中，一般全站按電壓等級冗余配置，通過網(wǎng)絡的合并，使得需要接入過程層的各種網(wǎng)絡裝置通過一根光纜便可解決通信問題。

(2)二次設備整合:隨著智能變電站相對傳統(tǒng)變電站整體架構的改變，全站組網(wǎng)的普及以及二次設備的硬件發(fā)展，二次設備的優(yōu)化整合是目前智能變電站發(fā)展的新趨勢［11］，如采用保護測控一體化裝置、智能終端/合并單元一體化裝置、故障錄波及報文分析裝置等。通過二次設備的優(yōu)化整合，可以減少過程層網(wǎng)絡中的二次設備，從而節(jié)省了大量的光纜。

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

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

(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 預制光纜的選擇

通過對組網(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)近期國調(diào)、省調(diào)的“三不允許”原則，即保護與測控不合一、合并單元與智能終端不合一、網(wǎng)絡報文分析與故障錄波不合一，目前智能變電站均采用獨立的保護、測控裝置。

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

(1)過程層按電壓等級組雙網(wǎng)。

(2)二次設備未整合，保護、測控獨立配置。

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

(4)交換機集中組屏和按間隔組屏同時存在。

(5)跳閘和采樣方式采用直采直跳。

(6)二次設備對時采用B碼點對點對時。

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

預制光纜組件是應用于室外惡劣環(huán)境下的聯(lián)接工具，具備優(yōu)秀的光學、機械、燃燒、防災、環(huán)保性能。光纜組件由戶外預制光纜組件A和B組成，結(jié)構如圖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 預制光纜組件Fig.3 Component of prefab optical fiber cable

2.3 聯(lián)接方式

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

針對預制光纜的特點，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，支架預留用于安裝接頭的孔洞和螺絲孔。具體結(jié)構如圖4所示。

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

3 實施案例與效果分析

3.1 實施案例

本文提出的基于預制光纜的網(wǎng)絡聯(lián)接方案已在云會變電站、東關變電站獲得了實際工程應用。

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

由于預制光纜采用成品光纜，因此對長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)的云會變電站、東關變電站中，由于預制光纜是作為技術更新在施工過程中途加入，為避免光纜施工長度估算的準確性問題，采用的是單端預制方式。

圖5 預制光纜接應用案例Fig.5 Application case of prefab optical fiber cable connection

在應用預制光纜時，戶外側(cè)使用預制接頭即聯(lián)接組件進行連接，而戶內(nèi)側(cè)則因防塵防水等級要求不高、光纜較為集中，采用現(xiàn)場熔接的方案。由于對預制光纜的熔接位置進行了合理選擇，使得預制光纜既能在戶外發(fā)揮其防護等級高、安裝施工方便等優(yōu)勢，又能在現(xiàn)場施工中按實際要求截取長度，兼顧了預制光纜應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，設計階段就考慮了預制光纜的使用，提供了全面而又精確的光纜清單，結(jié)合施工現(xiàn)場的長度復核，有效解決了光纜長度估算的精度問題。因此，智能終端柜和繼保室的二次設備柜均采用預制光纜組件進行插拔式聯(lián)接。

3.2 技術比較

基于預制光纜的網(wǎng)絡聯(lián)接方案已在實際工程中投運，并獲得了良好的應用效果。與傳統(tǒng)的熔接光纜相比，預制光纜具備一系列優(yōu)勢，如表1所示。

3.3 經(jīng)濟比較

以典型的220 kV智能變電站為例進行經(jīng)濟性分析。該變電站本期規(guī)模為2臺主變，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。

戶外光纜采用預制光纜聯(lián)接的費用估算見表2，采用傳統(tǒng)熔接光纜的費用估算見表3。

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3.4 工程量比較

使用可預制光纜以減少現(xiàn)場工程量，節(jié)省施工時間和人力成本。

預制光纜:由于屏內(nèi)的跳線和聯(lián)接裝置已在出廠階段完成，現(xiàn)場只需完成光纜的插入。每個接頭平均耗時約10 s，若算上屏內(nèi)的光纜整理時間，平均每個節(jié)點耗時1 min，總共96根雙端預制光纜，192個節(jié)點耗時約3.2 h。該項工作對操作人員沒有特殊要求。

熔接光纜:由于需要現(xiàn)場熔接，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)驗豐富的工人來完成，平均每芯需要耗時10 min，總共784芯需要熔接，耗時約131 h。

由此可見，采用傳統(tǒng)光纜熔接需要花費的時間約是預制光纜的41倍。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于預制光纜的新型網(wǎng)絡方案，并開發(fā)出相配套的光纜接頭支架，具有結(jié)構簡單、施工方便、安全可靠、使用壽命長等優(yōu)點。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。

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