光伏电站光纤环网损耗优化方法

黄鹏程王 瑛

1上海电力设计院有限公司

2上海交通大学

0 引言

经多年研究，光伏发电已成为较成熟的新能源发电技术，且光伏电站的大型化和并网化已成为今后发展方向及研究重点[1]。随着国家环境和能源结构的调整，光伏领域技术的快速发展，我国光伏产业发展迅猛，装机容量不断增大，其中，自动化监控系统作为光伏电站的一部分，在整个安全生产中十分重要[2]。自动化监控系统需将集控指令及信号进行传输，而光纤由于具有损耗低、传输速率高、抗干扰性强等优点[3]，被广泛运用于自动化领域。

我国大型光伏电站大多建立在太阳能资源丰富的西北地区，电站距离用电中心较远[4]，需采用光纤来传输数据。大型光伏场及光伏电站通常占地面积较大，地形较为复杂，信号传输距离远，造成传输过程中由于通信光纤衰减存在信号损耗问题。通信光纤衰减是指光纤在传播中每米长度的衰减[5]。光纤衰减将直接影响通信数据传输的准确性，从而影响信号可传输的距离。

本文以某典型的100 MW光伏电站为例，对光伏场内通信网络拓扑结构进行优化，通过理论计算与现场测试进行方案比选，提出了几种适用范围广的光纤环网损耗优化方案，以解决光纤衰减问题。

1 光伏场内通信网络结构

该100 MW光伏场有40台2.5 MVA箱变，每台箱变配置1台测控装置，40台箱变测控装置共同组成A、B、C、D 4个光纤环网，光纤环网将信号传输至远方110 kV光伏汇集站监控中心，即每10台箱变（25 MW）阵列组成一个环网。光伏场内的汇流箱、逆变器和其他智能测控装置分别接入规约转换装置RS485端口,每个兆瓦单元的规约转换装置接入环网交换机，环网交换机通过光纤接入远端110 kV光伏汇集站内二次设备室监控中心的环网交换机。其中，光伏场内规约转换装置、环网交换机等设备均集成布置于箱变测控内，如图1所示。

不同光伏场的配置略有不同，但几乎所有光伏场的保护、测控等通信都采用光纤环网，不同项目可根据自身情况与本文项目进行比较。

图1 光伏场内计算机监控系统配置图

2 光伏场内光纤衰减测试结果

本项目采用JW3402A型光功率计及OTDR2型光时域反射仪，对箱变测控装置、箱变低压柜光纤接线盒、110 kV光伏汇集站光伏监控屏的上级光纤接线盒、光纤环网交换机进行了光强度、光功率、光传输距离等测试。首先按常规光纤通信拓扑结构测试，如图2所示。当光纤路径超过一定距离后，蓝线回路可正常通信，红线回路则发生障碍。

经测试得出以下结论：图2中的红线回路每经过一次箱变光纤接线盒（内含2处光纤熔接点、2个法兰头及1根双头尾纤），光功率平均衰减-2 dB。蓝线回路，虽然光功率每经过一次箱变光纤接线盒也会发生衰减，但经过箱变测控装置后可恢复至原强度。测试得出箱变测控装置光口输出信号平均功率为-7 dB，当光功率＜-25 dB时，位于110 kV光伏集控站的监控中心无法采集到该信号。

如本项目取样：19#箱变接收20#箱变的光信号功率为-10.6 dB，19#箱变发送至20#箱变的光信号功率恢复为-6.7 dB；33#箱变接收38#箱变的光信号功率为-9 dB，33#箱变发送至39#箱变的光信号功率恢复为-7 dB。

综上所述，我们可通过代数函数计算出单模光缆传输距离。假定目标衰减值为16 dB，光缆（采用G.652光纤）每公里衰减值为0.36 dB，光纤接头（采用热熔接方式）损耗系数取0.06 dB/个，负载预留量按工程经验取3 dB。

设X=箱变数量，N=法兰数量，M=尾纤数量，P=熔接点数量，A为光缆衰减，L为光缆传输最远距离，则光伏衰减及光缆传输最远距离计算公式为：

图2 常规光纤通信拓扑示意图

其中N=2+X×4，M=2+X×2，P=X×4，X取10

L=（目标衰减值-负载预留量-A）/光缆每公里衰减=（16-3-11.2）/0.36=5 km

按上述计算可知，常规光伏电站光缆信号传输的最远距离约为5 km。

3 通信光纤持续性衰减的优化方法

根据光纤通信特性及上述测试结果，本文提出如下三种光纤优化方案，以达到减小衰减、提高信号输送距离的效果。

3.1 跳线改接法

以图3为例，对2#箱变光纤接线盒的跳线进行改接。

具体做法为：原红线回路中用于跳线直连的双头尾纤改为跳线直接接入箱变测控装置后至110 kV汇集站，原蓝线回路中接入2#箱变测控的双头尾纤改为跳线直连，此后每隔一台箱变光纤就接入箱变测控装置或交换机。

由于跳接改接方式每隔一台箱变光纤就接入箱变测控装置或交换机，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=（目标衰减值-负载预留量-A）/光缆每公里衰减=（16-3-3.08）/0.36=27.5 km

由此可见，通过跳线改接法，信息传输距离提升了5.5倍。

3.2 增设光纤环网交换机法

图3 跳线改接光纤通信拓扑示意图

图4 增加光伏环网光纤通信拓扑示意图

以图4增设光纤环网交换机为例，在2#箱变低压柜内增设1台光纤环网交换机，将2#箱变光纤接线盒红线回路中原用于跳线直连的双头尾纤改为跳线接入交换机，蓝线回路不变。

本方案箱变测控装置和方案3.1相同，都具有恢复信号强度的功能，按此方案执行后，信息传输距离也可提升5.5倍。

3.3 光纤直熔法

以图2常规光纤通信拓扑示意图为例，取消红线回路中用于跳线直连的双头尾纤，改为光纤直熔。由于每经过一次箱变光纤接线盒后，光功率平均衰减2 dB，改为光纤直熔后，仅1处熔接点，无法兰头和双头尾纤，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=（目标衰减值-负载预留量-A）/光缆每公里衰减=（16-3-2.52）/0.36=29.1 km

由此可见，通过光纤直熔法，信息传输距离提升了5.8倍，即接口变少可减少光功率的衰减。

4 技术对比

根据现场施工工作量和安全性，列出表1三种方案的技术对比。

表1 三种方案技术对比

如表1所示，各个方案都有优缺点，具体应用需结合实际工程。方案一跳线改接：现场施工作业及施工周期欠佳，但今后改造灵活，带电作业安全性高，且基本不增加工程成本。方案二增设光纤环网交换机：成本较高且有一定的危险，施工难度及施工周期均适中。方案三光纤直熔：带电作业危险级别较高，且后期改造困难，整个施工工作量及施工周期优于方案一。

建议在选择方案时，首先考虑带电作业的安全性，同时考虑项目成本，在施工周期许可的情况下，推荐采用方案一。如工程资金充足或总耗资巨大，增加光纤环网交换机在总成本中占据较少，且工期较紧张、带电作业安全性在可接受的范围内，推荐采用方案二。方案三适用于后期无改造，无带电作业，需通信设备较少的工程。

5 其他注意事项及总结

在实际工程中，减少光纤衰减、提高信号传输距离的方法除了从技术上对光纤环网接线方式进行优化外，还可在设计、施工、采购过程中对项目进行控制。

在设计与采购过程中，应尽量选用质量过关的同一厂家、同一型号及同一批次的光纤、光传输设备，以保证光纤衔接的一致性。在施工过程中，光纤及光传输设备的工作人员应经过上岗培训，以保证施工工艺及作业标准规范。当不可避免需截断光纤时，截断面应平整、光滑、清洁。在设计及现场敷设过程中，光纤的路径宜选择最适合、最短的铺设路线和方案。施工完成后，应对光纤进行外观检查，排除破损、熔接接口不可靠等故障，并利用专有设备进行测试，排查其他故障隐患。