光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

1、光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用822010年9月江蘇電機(jī)工程JiangsuElectricalEngineering第29卷第5期光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用陶邦勝(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇南京210003)摘要:介紹了光學(xué)技術(shù)在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用,包括通信,傳感測量以及新能源利用方面的應(yīng)用.詳細(xì)說明了每個(gè)應(yīng)用的原理以及應(yīng)用前景.指出了在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中研究光學(xué)技術(shù)的必要性.關(guān)鍵詞:自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò);光學(xué)電流互感器;光學(xué)電壓互感器;布里淵光時(shí)域反射中圖分類號:TN2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:10090665(2010)05008203當(dāng)前.國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo).就現(xiàn)代

2、科技發(fā)展水平而言.已經(jīng)為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了良好的技術(shù)儲(chǔ)備.建立高速,雙向,實(shí)時(shí),集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ),智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取,保護(hù)和控制,需求側(cè)響應(yīng)都依賴于高速雙向通信系統(tǒng)的支持.因此高速雙向通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步建設(shè)高速,高可靠的通信系統(tǒng)首選采用光纖通信先進(jìn)的傳感測量技術(shù)和高級智能儀表遍布發(fā)電,輸電,變電,配電,用電等各個(gè)環(huán)節(jié),為電網(wǎng)的調(diào)度,運(yùn)行和規(guī)劃部門提供大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息.幫助運(yùn)行人員準(zhǔn)確把握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài).從而達(dá)到更高的供電可靠性和更好的資產(chǎn)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(yù)測分布式能源的狀態(tài)信息在電力系統(tǒng)傳感測量方面現(xiàn)在

3、廣泛使用光學(xué)技術(shù)另外,智能電網(wǎng)是新能源技術(shù)革命的重要組成部分.智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)從屬于新能源技術(shù)革命的新能源技術(shù)革命核心使命可以概括為節(jié)能,減排,它涉及多領(lǐng)域多學(xué)科多行業(yè)技術(shù),其中也包括光學(xué)技術(shù)J,引1光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)綜合通信方面的應(yīng)用光學(xué)技術(shù)在通信方面的應(yīng)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(jìn)的電子或光子交換技術(shù).引入控制和管理機(jī)制.實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)網(wǎng),以及針對資源與業(yè)務(wù)的靈活配置1.1電力骨干網(wǎng)通信目前電力骨干網(wǎng)光纖通信采用的技術(shù)以同步數(shù)字體系(SDH)/MSTP技術(shù)為主.但是將來會(huì)逐步過渡到更先進(jìn),更可靠,更高容量的光傳送網(wǎng)(OTN)/DWDM/自動(dòng)交

4、換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)SDH屬于第一代光網(wǎng)絡(luò).OTN是第二代光網(wǎng)收稿日期:201004-28:修回日期:20100607絡(luò).在未來較長一段時(shí)間內(nèi).SDH和OTN技術(shù)將互為補(bǔ)充,共存發(fā)展.無論SDH還是OTN.都是典型的傳送網(wǎng)技術(shù)傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)包含傳送和管理兩個(gè)層面?zhèn)魉推矫婵梢詾橛脩籼峁╇p向和單向的信息流傳送.并對業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測.如故障和信號質(zhì)量等:管理平面主要執(zhí)行對傳送平面進(jìn)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(tài)處理的方式,需要人工來參與.網(wǎng)絡(luò)靈活性和動(dòng)態(tài)性都非常欠缺.隨著業(yè)務(wù)的增長和新服務(wù)的發(fā)展.這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理方式的不足越來越明顯,以AS0N為代表的智能光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)

5、而生.ASON最大進(jìn)步就是在傳送和管理平面的基礎(chǔ)上.增加了控制平面.原來歸屬管理平面的功能被轉(zhuǎn)移到控制平面.并采用分布式的控制機(jī)制代替過去單一的集中式管理模式.首次在光層引入動(dòng)態(tài)交換的慨念,從而將交換,傳輸,數(shù)據(jù)真正綜合起來3.1.2配網(wǎng)及用電網(wǎng)通信在電力系統(tǒng)35l(,及10kV線路中.一般沒有架設(shè)地線,無法沿線路架設(shè)光纜復(fù)合地線(OPGW).一種新的解決方案.即光纖復(fù)合架空相線(OPPC)正得到推廣應(yīng)用OPPC是電力通信系統(tǒng)的一種新型特種光纜.該光纜將光纖單元復(fù)合在相線中,具有傳輸電能和進(jìn)行通信的雙重功能OPPC的架設(shè)基本上同OPGW類似.也是依據(jù)電力部門架空線安裝安全管理規(guī)程和操作技術(shù).O

6、PPC雖然也是導(dǎo)線.但由于內(nèi)含光纖.其結(jié)構(gòu)與鋼芯鋁絞線等導(dǎo)線有較大的差別,對架設(shè)機(jī)有一些特殊的要求.基本上融合了導(dǎo)線和OPGW兩種產(chǎn)品的施工特點(diǎn)但OPPC的接續(xù)涉及到光纖接續(xù)和光電分離技術(shù),對接續(xù)技術(shù),高壓絕緣有嚴(yán)格要求無源光網(wǎng)絡(luò)(xPON)是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò).是指在局端0LT和用戶端ONU之間是光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN),沒有任何有源電子設(shè)備xPON作為新一代光接入技術(shù),在抗干擾性,帶寬特性,接人距離,維護(hù)陶邦勝:光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用83管理等方面均具有巨大優(yōu)勢.越來越多地應(yīng)用在配用電通信上.普遍看好的xPON技術(shù)有以太無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和千兆位無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON),兩種技術(shù)的基本組網(wǎng)和

7、構(gòu)架完全相同.均是由局端OLT,用戶端ONU/ONT和無源ODN組網(wǎng)從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,技術(shù)成熟度,芯片成熟度,設(shè)備成本等方面比較,GPON市場進(jìn)展大大慢于EPON.現(xiàn)階段以EPON技術(shù)為主.同時(shí)兼顧未來向GPON演進(jìn)的能力目前EPON的產(chǎn)業(yè)鏈已逐漸形成1.3數(shù)字化變電站站內(nèi)通信數(shù)字化變電站技術(shù)是變電站自動(dòng)化發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革.對變電站自動(dòng)化系統(tǒng)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響數(shù)字化變電站3個(gè)主要特征就是"一次設(shè)備智能化.二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)".即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化,信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化.通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化,各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)數(shù)字化變電

8、站內(nèi)普遍使用工業(yè)光纖以太網(wǎng)交換機(jī).利用光電技術(shù),光纖以太網(wǎng)fIEEE802.3z)正在成為一個(gè)公用的載體服務(wù)和廉價(jià)的互連方法這一技術(shù)在加上多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)時(shí)用于幫助進(jìn)人數(shù)字融合,可以簡化需要使用昂貴的數(shù)字交叉連接系統(tǒng).2光學(xué)技術(shù)在智能電網(wǎng)傳感測量方面的應(yīng)用光學(xué)傳感測量技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).在智能電網(wǎng)建設(shè)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用.如光學(xué)電流互感器(OCT),光學(xué)電壓互感器(OVT),其他光纖測量技術(shù)等.下面分別介紹2.1OCTOCT是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ),以光纖為介質(zhì)的新興電力計(jì)量裝置它通過測量光波在通過磁光材料時(shí)其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小.與傳統(tǒng)的電

9、磁感應(yīng)式電流互感器相比.在高電壓大電流測量的應(yīng)用中采用OCT具有明顯的優(yōu)越性:(1)不含油,無爆炸危險(xiǎn):(2)與高壓線路完全隔離,滿足絕緣要求,運(yùn)行安全可靠;(3)不含鐵心,無磁飽和,鐵磁共振和磁滯現(xiàn)象:(4)不含交流線圈,不存在輸出線圈開路危險(xiǎn),可以測量直流,動(dòng)態(tài)范圍大;(5)無源,無需供能;(6)響應(yīng)頻域?qū)?(7)一側(cè)次,二側(cè)次問傳感信號由光纜連接.且具有很強(qiáng)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.為了提高變電站綜合自動(dòng)化水平.具有測量準(zhǔn)確化,傳輸光纖化和輸出數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)的OCT將成為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的理想互感器2.2oVTOvT測

10、量原理是根據(jù)Pockels效應(yīng)實(shí)現(xiàn).所謂Pockels效應(yīng)是指某些透明光學(xué)介質(zhì)(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(yīng)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(dāng)線偏振光投射到雙折射晶體的端面.入射光束就會(huì)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(shí)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(chǎn)生相干干涉.從而將相位調(diào)制光變成振幅調(diào)制光.將相位差的測量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的測量.最后獲得被測電壓值與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器和電容分壓電壓互感器相比較,0VT的突出優(yōu)點(diǎn)是:(1)高壓信號通過光

11、纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備.使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡化:(2)頻率響應(yīng)寬,不存在磁飽和鐵磁諧振現(xiàn)象,提高系統(tǒng)保護(hù)可靠性;(3)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓測量和繼電保護(hù)兩種功能:(4)可適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化,智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要,輸出數(shù)字信號,而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測和故障診斷由于OVT具有上述眾多突出的優(yōu)點(diǎn).基于光電子技術(shù)的數(shù)字式OVT在智能電網(wǎng)建設(shè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景2.3組合式光學(xué)電流電壓測量系統(tǒng)組合式光學(xué)電流電壓測量系統(tǒng)是指將OCT和OVT的傳感頭用一根光纖復(fù)合絕緣子來支撐.這樣的組合測量系統(tǒng)可完成對高壓傳輸線的電流和電壓的同時(shí)測量,并進(jìn)而獲得功率,能量等重要參量.與傳統(tǒng)的獨(dú)立式絕緣支撐結(jié)構(gòu)相比.組合式結(jié)構(gòu)由于少了一

12、個(gè)高壓絕緣子.因而可大大節(jié)省設(shè)備費(fèi)用.另外還具有尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,占地少等優(yōu)點(diǎn).由于電壓等級越高.絕緣子越昂貴.因而組合式光學(xué)電流電壓測量系統(tǒng)在500kV等高電壓等級的電站中取代傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器和電壓互感器更具有實(shí)際意義,在特高壓系統(tǒng)中具有良好的發(fā)展前景2.4其他光纖測量技術(shù)目前.電力系統(tǒng)主要利用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)進(jìn)行光纖的檢測.基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)從整體上主要有基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR),基于布里淵光時(shí)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(jié)構(gòu)簡單,使用方便,特別適合于工程應(yīng)用.在電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)中.OPGW和

13、全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)占主要地位,它們經(jīng)受著復(fù)雜的環(huán)境.其中影響光纜性能的氣設(shè)備內(nèi)部溫度.寬帶光源輸入.經(jīng)過光纖光柵后.在布拉格波長的窄帶光江蘇電機(jī)工程譜被反射到光纖的輸人端.其余的波長透射通過.當(dāng)把光纖光柵封裝在絕緣外殼內(nèi)部時(shí).外界環(huán)境溫度經(jīng)過殼體傳導(dǎo)到光纖光柵.使其波長發(fā)生變化.通過精確測量反射信號的波長.可以實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測.監(jiān)測電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備的各種連接點(diǎn)(如隔離開關(guān)觸頭,母線之間的連接點(diǎn)等),電纜和變壓器繞組的溫度是保證堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要內(nèi)容.也是這些設(shè)備狀態(tài)檢修的重要依據(jù)83光學(xué)技術(shù)在新能源技術(shù)方面的應(yīng)用智能電網(wǎng)從本質(zhì)上講是人類應(yīng)對能源危機(jī)的一種愿景和策略.以風(fēng)能

14、,太陽能等可再生能源直接替代常規(guī)化石燃料.不僅能效可以實(shí)現(xiàn)百分百,而且直接污染物排放趨為零.新能源技術(shù)應(yīng)用屬于最直接的發(fā)電環(huán)節(jié)節(jié)能減排技術(shù).激光核聚變研究是從上個(gè)世紀(jì)就開始的光學(xué)和激光技術(shù)在開發(fā)能源方面的先導(dǎo)和典范.目前工程化還有很大距離.光學(xué)在新能源開發(fā)中的重點(diǎn)應(yīng)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(gè)方面太陽能電池類似于光電探測器.是一種光電轉(zhuǎn)換器件為了提高光電轉(zhuǎn)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(dǎo)損失,以及光吸收后產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)部復(fù)合和表面復(fù)合的損失.現(xiàn)在已有多種技術(shù)途徑.從事光學(xué)薄膜,光電器件,集成光學(xué)器件的專業(yè)人員,對太陽能電池的材料,

15、結(jié)構(gòu)和制作工藝等改進(jìn)和創(chuàng)新方面大有可為.當(dāng)前先進(jìn)的微納光學(xué)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破.取得了重大的研究成果,并成功應(yīng)用于新型電池中.微納結(jié)構(gòu)電池能夠更高效的吸收,存儲(chǔ)太陽能.并且實(shí)現(xiàn)了電池的微型化9.到目前為止.對太陽能的利用盡管進(jìn)行了不少探索和研究.但離人們充分利用太陽能的目標(biāo)還很遠(yuǎn).圍繞降低成本,提高能量轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)效率,以及尋找太陽能利用新途徑等方面.還有許多技術(shù)障礙需要克服.一些重大問題需要組織不同專業(yè)的人員進(jìn)行攻關(guān).4結(jié)束語光學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異.激光引發(fā)核聚變有可能成為下一世紀(jì)的新能源:光信息處理的功能正在不斷開發(fā).特別是正在開發(fā)研制中的光子計(jì)算機(jī),它所具有的潛在優(yōu)點(diǎn)一旦變成現(xiàn)實(shí).則

16、對未來信息領(lǐng)域的影響是很深遠(yuǎn)的.研究智能電網(wǎng),一定要加強(qiáng)對基礎(chǔ)科學(xué)和前沿科學(xué)的研究.包括對光學(xué)技術(shù)的研究.信息與通信技術(shù)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù).光學(xué)技術(shù)是推動(dòng)今后信息時(shí)代發(fā)展的主要?jiǎng)恿?它在今后的信息時(shí)代將占有越來越重要的地位.必將對堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響參考文獻(xiàn):1肖世杰.構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2009,33(9):卜4.2施婕.艾芊.智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(19):1-4.3張杰.徐云斌.自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)ASONM.北京:人民郵電出版社.2O04.4李建惠.光纖復(fù)合相線光纜OPPC的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)

17、用J.貴州電力技術(shù).2009(2):4648.5王夏霄,張春熹,張朝陽,等.一種新型全數(shù)字閉環(huán)光纖電流互感器方案J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,3o(16):7780.6李紅斌,張明明,葉齊政,等.500kV組合式光學(xué)電流電壓傳感器性能分析J.高電壓技術(shù),2003,29(11):7-8.7周學(xué)軍.王紅霞.趙四新.BOTDR在海底光纜監(jiān)測中的應(yīng)用J.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù).2006(4).8金振東.許箴,金峰,等.國內(nèi)高壓帶電設(shè)備測溫方式綜述及分析J.電力設(shè)備.2007.8(12):5761.9于榮金.光學(xué)與太陽能J.光學(xué),2009,29(7):175卜】755.作者簡介:陶邦勝(1968一),男

18、,安徽舒城人,高級工程師,長期從事電力系統(tǒng)通信方面工作.TheApplicationoftheOpticalTechnologyinSmartGridTAOBangsheng(StateGridElectricPowerResearchInstitute,Nanjing210003,China)Abstract:Thispaperintroducestheapplicationoftheopticaltechnologyintheconstructionofstrongandsmartgrid,whichinvolvescommunication,sensormeasurements,andutilizationofnewene