光伏電站光纖環網損耗優化方法

黃鵬程王 瑛

1上海電力設計院有限公司

2上海交通大學

0 引言

經多年研究，光伏發電已成為較成熟的新能源發電技術，且光伏電站的大型化和并網化已成為今后發展方向及研究重點[1]。隨著國家環境和能源結構的調整，光伏領域技術的快速發展，我國光伏產業發展迅猛，裝機容量不斷增大，其中，自動化監控系統作為光伏電站的一部分，在整個安全生產中十分重要[2]。自動化監控系統需將集控指令及信號進行傳輸，而光纖由于具有損耗低、傳輸速率高、抗干擾性強等優點[3]，被廣泛運用于自動化領域。

我國大型光伏電站大多建立在太陽能資源豐富的西北地區，電站距離用電中心較遠[4]，需采用光纖來傳輸數據。大型光伏場及光伏電站通常占地面積較大，地形較為復雜，信號傳輸距離遠，造成傳輸過程中由于通信光纖衰減存在信號損耗問題。通信光纖衰減是指光纖在傳播中每米長度的衰減[5]。光纖衰減將直接影響通信數據傳輸的準確性，從而影響信號可傳輸的距離。

本文以某典型的100 MW光伏電站為例，對光伏場內通信網絡拓撲結構進行優化，通過理論計算與現場測試進行方案比選，提出了幾種適用范圍廣的光纖環網損耗優化方案，以解決光纖衰減問題。

1 光伏場內通信網絡結構

該100 MW光伏場有40臺2.5 MVA箱變，每臺箱變配置1臺測控裝置，40臺箱變測控裝置共同組成A、B、C、D 4個光纖環網，光纖環網將信號傳輸至遠方110 kV光伏匯集站監控中心，即每10臺箱變（25 MW）陣列組成一個環網。光伏場內的匯流箱、逆變器和其他智能測控裝置分別接入規約轉換裝置RS485端口,每個兆瓦單元的規約轉換裝置接入環網交換機，環網交換機通過光纖接入遠端110 kV光伏匯集站內二次設備室監控中心的環網交換機。其中，光伏場內規約轉換裝置、環網交換機等設備均集成布置于箱變測控內，如圖1所示。

不同光伏場的配置略有不同，但幾乎所有光伏場的保護、測控等通信都采用光纖環網，不同項目可根據自身情況與本文項目進行比較。

圖1 光伏場內計算機監控系統配置圖

2 光伏場內光纖衰減測試結果

本項目采用JW3402A型光功率計及OTDR2型光時域反射儀，對箱變測控裝置、箱變低壓柜光纖接線盒、110 kV光伏匯集站光伏監控屏的上級光纖接線盒、光纖環網交換機進行了光強度、光功率、光傳輸距離等測試。首先按常規光纖通信拓撲結構測試，如圖2所示。當光纖路徑超過一定距離后，藍線回路可正常通信，紅線回路則發生障礙。

經測試得出以下結論：圖2中的紅線回路每經過一次箱變光纖接線盒（內含2處光纖熔接點、2個法蘭頭及1根雙頭尾纖），光功率平均衰減-2 dB。藍線回路，雖然光功率每經過一次箱變光纖接線盒也會發生衰減，但經過箱變測控裝置后可恢復至原強度。測試得出箱變測控裝置光口輸出信號平均功率為-7 dB，當光功率＜-25 dB時，位于110 kV光伏集控站的監控中心無法采集到該信號。

如本項目取樣：19#箱變接收20#箱變的光信號功率為-10.6 dB，19#箱變發送至20#箱變的光信號功率恢復為-6.7 dB；33#箱變接收38#箱變的光信號功率為-9 dB，33#箱變發送至39#箱變的光信號功率恢復為-7 dB。

綜上所述，我們可通過代數函數計算出單模光纜傳輸距離。假定目標衰減值為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）損耗系數取0.06 dB/個，負載預留量按工程經驗取3 dB。

設X=箱變數量，N=法蘭數量，M=尾纖數量，P=熔接點數量，A為光纜衰減，L為光纜傳輸最遠距離，則光伏衰減及光纜傳輸最遠距離計算公式為：

圖2 常規光纖通信拓撲示意圖

其中N=2+X×4，M=2+X×2，P=X×4，X取10

L=（目標衰減值-負載預留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-11.2）/0.36=5 km

按上述計算可知，常規光伏電站光纜信號傳輸的最遠距離約為5 km。

3 通信光纖持續性衰減的優化方法

根據光纖通信特性及上述測試結果，本文提出如下三種光纖優化方案，以達到減小衰減、提高信號輸送距離的效果。

3.1 跳線改接法

以圖3為例，對2#箱變光纖接線盒的跳線進行改接。

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控裝置后至110 kV匯集站，原藍線回路中接入2#箱變測控的雙頭尾纖改為跳線直連，此后每隔一臺箱變光纖就接入箱變測控裝置或交換機。

由于跳接改接方式每隔一臺箱變光纖就接入箱變測控裝置或交換機，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=（目標衰減值-負載預留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-3.08）/0.36=27.5 km

由此可見，通過跳線改接法，信息傳輸距離提升了5.5倍。

3.2 增設光纖環網交換機法

圖3 跳線改接光纖通信拓撲示意圖

圖4 增加光伏環網光纖通信拓撲示意圖

以圖4增設光纖環網交換機為例，在2#箱變低壓柜內增設1臺光纖環網交換機，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，藍線回路不變。

本方案箱變測控裝置和方案3.1相同，都具有恢復信號強度的功能，按此方案執行后，信息傳輸距離也可提升5.5倍。

3.3 光纖直熔法

以圖2常規光纖通信拓撲示意圖為例，取消紅線回路中用于跳線直連的雙頭尾纖，改為光纖直熔。由于每經過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，無法蘭頭和雙頭尾纖，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=（目標衰減值-負載預留量-A）/光纜每公里衰減=（16-3-2.52）/0.36=29.1 km

由此可見，通過光纖直熔法，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 技術對比

根據現場施工工作量和安全性，列出表1三種方案的技術對比。

表1 三種方案技術對比

如表1所示，各個方案都有優缺點，具體應用需結合實際工程。方案一跳線改接：現場施工作業及施工周期欠佳，但今后改造靈活，帶電作業安全性高，且基本不增加工程成本。方案二增設光纖環網交換機：成本較高且有一定的危險，施工難度及施工周期均適中。方案三光纖直熔：帶電作業危險級別較高，且后期改造困難，整個施工工作量及施工周期優于方案一。

建議在選擇方案時，首先考慮帶電作業的安全性，同時考慮項目成本，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，增加光纖環網交換機在總成本中占據較少，且工期較緊張、帶電作業安全性在可接受的范圍內，推薦采用方案二。方案三適用于后期無改造，無帶電作業，需通信設備較少的工程。

5 其他注意事項及總結

在實際工程中，減少光纖衰減、提高信號傳輸距離的方法除了從技術上對光纖環網接線方式進行優化外，還可在設計、施工、采購過程中對項目進行控制。

在設計與采購過程中，應盡量選用質量過關的同一廠家、同一型號及同一批次的光纖、光傳輸設備，以保證光纖銜接的一致性。在施工過程中，光纖及光傳輸設備的工作人員應經過上崗培訓，以保證施工工藝及作業標準規范。當不可避免需截斷光纖時，截斷面應平整、光滑、清潔。在設計及現場敷設過程中，光纖的路徑宜選擇最適合、最短的鋪設路線和方案。施工完成后，應對光纖進行外觀檢查，排除破損、熔接接口不可靠等故障，并利用專有設備進行測試，排查其他故障隱患。