Hệ thống thông tin cáp quang trong hệ thống điện

Hệ thống thông tin cáp quang trong hệ thống điện

HỆ THỐNG TH¤NG TIN CÂP QUANG

TRONG HỆ THỐNG §IỆN

OPTICAL FIBER COMMUNICATION IN POWER SYSTEM

Lª Kim Hïng – §inh Ph­íc Huy Tr­íng §¹i hôc Kü ThuỊt, §¹i hôc §µ N½ng

TÓM TẮT

Theo yªu cÌu tin cỊy vµ chôn lôc, hÖ thỉng r¬le b¶o vÖ vµ tù

®ĩng chỉng sù cỉ trong hÖ thỉng ®iÖn cÌn cê c¸c kªnh truyÒn

th«ng tin Ngµy nay ng­íi ta th­íng sö dông nhiÒu ph­¬ng thøc

truyÒn kh¸c nhau, ph­¬ng thøc truyÒn ngµy cµng ®­îc sö dông

rĩng r·i lµ c¸p quang Bµi b¸o nµy giíi thiÖu vÒ kªnh th«ng tin

c¸p quang vµ øng dông cña nê trong hÖ thỉng ®iÖn n­íc ta trªn

®­íng d©y siªu cao ¸p 500 KV

Abstract

In requirement for reliability and selection, the protection relay

system and automatic restricted fault protection in power

system need to use communication channels Today, many

different communication methods are used The popular

method widely used nowadays is by optical fiber This paper

presents optical fiber communication channels and some

applications in Vietnam power system on extra-high voltage

lines of 500KVA

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Để phục vụ việc truyền dữ liệu, thông tin liên lạc, điều khiển, bảo vệ và tự động hóa trong hệ thống điện có thể dùng nhiều phương thức truyền khác nhau Hiện nay người ta thường dùng 4 loại phương thức truyền:

1- Dây dẫn phụ hoặc cáp thông tin của ngành điện hoặc thuê bao của mạng lưới bưu điện viễn thông

2- Kênh tải ba (Power Line Carrier): tải tín hiệu tần số cao bằng bản thân dây dẫn của đường dây tải điện

3- Kênh thông tin vô tuyến siêu cao tần (viba)

4- Cáp quang

Năm 1995 cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật trên thế giới và Mỹ bỏ cấm vận đối với nước ta nên cáp quang được đưa vào sử dụng rộng rãi, với những

ưu điểm: đường kiïnh nhỏ, trọng lượng nhẹ, không dẫn điện, rẻ tiền và có thể

truyền được một lượng thông tin rất lớn Vì vậy việc tìm hiểu về thông tin quang nói chung và ứng dụng của nó trong ngành điện là rất cần thiết

II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SỢI QUANG

II.1 Cơ sở lý thuyết về sợi dẫn quang

trường 1 và tia khúc xạ sang môi trường 2 Tia phản xạ và tia khúc xạ nằm trong

theo định luật Snell:

n1.sinθ1 = n2.sinθ2

Khi n1< n2 thì θ1 > θ2 tia khúc

xạ bị gãy về phía gần pháp tuyến

Khi n1> n2 thì θ1 < θ2, nếu tăng θ1

tia khúc xạ song song với mặt phân

còn tia khúc xạ nữa mà chỉ còn tia

phản xạ Hiện tượng này gọi là sự

II.2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần Sợi quang được chế tạo gồm một

sáng truyền trong sợi quang sẽ được phản xạ nhiều lần trên mặt tiếïp xúc giữa lõi và vỏ bọc Aïnh sáng có thể truyền trong sợi quang có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với độ cong có giới hạn như hình 2:

Hình 2: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

II.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một số lỏi thủy tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc bằng thủy tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn Chiết suất của lớp vỏ không đổi còn chiết suất của lõi có thể thay đổi theo bán kính Ta phân ra làm ba loại sau:

Môi trường 1

n

Môi trường 2 n

Mặt phân giới

θ 2

θ 1 θ ' 1

a) Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (hình 3) (SI: Step Index)

Vì chiết suất của lõi không đổi, chiều dài đường truyền khác nhau và thời gian truyền cũng khác nhau với cùng một chiều dài sợi nên dẫn tới hiện tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi, xung ra sẽ rộng hơn Đây là hiện tượng tán sắc

Hình 3: Sợi quang có chiết suất nhảy bậc

b) Sợi quang có chiết suất giảm dần (hình 4) (GI: Graded Index)

Chiết suất của lõi có phân bố hình parabol Vì chiết suất của lõi thay đổi liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong đầu Tia truyền dọc đường trục có đường truyền ngắn nhất nhưng với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 4: Sợi quang có chiết suất giảm dần

c) Sợi đơn mode SM (hình 5) (Single Mode)

Là sợi có kích thước nhỏ để chỉ có một sóng cơ bản được truyền Vì chỉ có một mode sóng được truyền nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Hình 5: Sợi đơn mode

Mặt cắt

III CẤU TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Hình 6: Cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang

Hình trên là sơ đồ cấu trúc chung của một hệ thống thông tin sợi quang Trong sơ đồ cấu trúc này các tín hiệu điện từ máy điện thoại, máy Fax, computer, truyền hình, được biến đổi sang tín hiệu quang qua bộ biến đổi điện quang (E/O) Trong đó các mức tín hiệu điện được biến đổi thành cường độ quang, các

truyền qua sợi quang có công suất bị suy hao và dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn

ra sau đó đến bộ biến đổi quang điện (O/E) tại đầu kia của sợi quang, tại đây tín hiệu quang thu được biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu của máy điện thoaiû, Fax, computer, truyền hình, đã gửi đi

Bộ biến đổi điện quang thực chất là linh kiện phát quang như Laser Diode (LD) và bộ biến đổi quang điện thường là các Photo Diode (PD)

Khi khoảng cách truyền dẫn lớn cần có các bộ lặp đường dây như trình bày trên hình 7 Tại bộ lặp đường dây, quá trình biến đổi quang điện sẽ được thực hiện đầu tiên Nói chung, các tín hiệu quang thường có công suất thấp, bị méo dạng và các tín hiệu điện sau khi biến đổi cũng như vậy Chính vì điều này nên trước hết tín hiệu điện phải được cân bằng và khuếch đại (quá trình sửa để cải thiện về mặt công suất và dạng méo) Ngoài ra, còn lấy các thông tin về mặt thời gian và khoảng thời gian của các tín hiệu xung gốc (“1” hoặc “0”) từ các tín hiệu đã được sửa chữa và khuếch đại Tại mạch xác định và tái tạo, các xung có/ không (“1” hoặc “0”) được xác định tại các vị trí của các tín hiệu định thời theo trục thời gian Như vậy, các tín hiệu xung gốc được phục hồi (được gọi là xác định và tái tạo) ở dạng tín hiệu điện Các tín hiệu này tới bộ biến đổi tín hiệu điện-quang được biến đổi thành tín hiệu quang và được đưa vào sợi quang

Bộ biến đổi quang điện

Cáp sợi quang

AP

Bộ biến đổi quang - điện

Khuếch đại cân bằng

Mạch điều khiển hệ số khuếch đại

Xác định và tái tạo

Định thời

LD Mạch điều

khiển

Mạch điều khiển ra

Cáp sợi quang Bộ biến đổi điện - quang

Hình 7: Cấu hình của bộ lặp đường dây

IV HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP QUANG OPGW CỦA ĐDK 500KV

IV.1 Giới thiệu chung

Đường dây siêu cao áp 500KV Bắc Nam có một dây chống sét sử dụng loại cáp OPGW (Composite Overhead Ground Wire With Optical Fibers) Cáp OPGW là hợp chất giữa cáp sợi quang và các dây kim loại Phần cáp sợi quang sử dụng để truyền tín hiệu thông tin quang, phần các dây kim loại để chống sét cho đường dây siêu cao áp 500KV (ĐDK - 500KV)

Kênh thông tin quang trên cáp OPGW của ĐDK-500KV sử dụng để truyền:

- Tín hiệu bảo vệ so lệch pha

- Tín hiệu cắt trao đổi giữa các thiết bị bảo vệ đặt ở các trạm biến áp 500KV

Hình 8: Cấu trúc của cáp OPGW

Sợi quang Nhóm 6 sợi quang Sợi bù bằng nhựa dẻo Sợi đệm

Ống nhôm Dây lõi nhôm có 3 rãnh khía

Lớp chống sét: Sợi thép mạ nhôm

Phần lõi Lớp phủ Lớp áo

Mặt cắt sợi quang

Bảng 1: Màu và đánh số các sợi quang

Màu sợi quang Xanh da trời Vàng Xanh lá cây Đỏ Hồng Không màu

Màu sợi quang Xanh da trời Vàng Xanh lá cây Đỏ Hồng Không màu

Cấu trúc của cáp quang OPGW và các kí hiệu màu của sợi quang được trình bày ở hình 8 và bảng 1

IV.2 Dây cáp quang OPGW

a Phần cáp sợi quang được bố trí trong một ống nhôm đường kính 5mm, có tác dụng bảo vệ sợi quang, chống lại các tác dụng cơ học, ngăn cản sự xâm nhập của hơi nước và các hơi hóa chất khác

b Dây trục bằng nhôm của cáp có 3 rãnh xoắn, có nhóm các sợi quang được xếp vào các rãnh xoắn Với cấu trúc như vậy sợi quang không bị kéo dãn mặc dù cáp OPGW luôn bị co dãn do tác dụng của nhiệt, tác dụng cơ học

c Theo tiêu chuẩn của nhà chế tạo, có 3 nhóm sợi quang được xếp vào 3 rãnh của dây trục, mỗi nhóm gồm 6 sợi quang và 1 sợi đệm (như hình 8) Theo yêu cầu của EVN nhà chế tạo đã điều chỉnh thiết kế chế tạo: có 2 nhóm, mỗi nhóm gồm 5 sợi quang, 1 sợi đệm và 1 sợi bù Để phân biệt 2 nhóm, sợi đệm có màu khác nhau và để phân biệt giữa các sợi quang trong một nhóm, các sợi quang có màu khác nhau: xanh da trời, vàng, xanh lá cây, đỏ, hồng

d Mỗi sợi quang bao gồm 3 phần: phần lõi là sợi thủy tinh, phần phủ lõi, phần lớp áo bảo vệ là chất silicone Chỉ số chiết suất của phần lõi và phần phủ khác nhau (chiết suất nhảy bậc)

IV.3 Hệ thống thông tin quang trên ĐDK - 500KV

IV.3.1 Mô tả tuyến

- Tuyến thông tin quang trên cáp OPGW của đường dây 500KV có chiều dài 1487km

- Có 5 trạm thông tin đầu cuối, các thiết bị thông tin quang được lắp đặt trong phòng thông tin của các trạm biến áp 500KV: Hòa Bình, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, Phú Lâm

- Có 17 trạm lặp, các thiết bị thông tin quang được lắp đặt trong các bốt xây nổi trên mặt đất Trong đó:

+ Đoạn Hòa Bình - Hà Tĩnh: chiều dài 343km, có 4 trạm lặp, khoảng cách trung bình giữa các trạm là: 343/5 = 68,6km

+ Đoạn Hà Tĩnh - Đà Nẵng: chiều dài 389km, có 4 trạm lặp khoảng cách trung bình giữa các trạm là: 389/5 = 77,8km

+ Đoạn Đà Nẵng - Pleiku: chiều dài 259km, có 3 trạm lặp khoảng cách giữa các trạm là: 259/4 = 64,75km

+ Đoạn Pleiku - Phú Lâm: chiều dài 496 có 6 trạm lặp, khoảng cách trung bình giữa các trạm là: 496/7 = 70,86km

IV.3.2 Phương án tổ chức thông tin

- Cáp OPGW có 10 sợi quang: Tổng công ty điện lực sử dụng 4 sợi; Bưu chính sử dụng 4 sợi; Bộ quốc phòng sử dụng 2 sợi

- Hệ thống thông tin quang trên cáp OPGW có cấu trúc (1+1): một đường thông tin thường xuyên, một đường dự phòng nóng

- Dung lượng hệ thống: 34Mbit tương ứng với dung lượng 480 kênh điện thoại

IV.3.3 Cơ cấu ghép kênh: 2 cấp

- Cấp cơ sở (2M - PCM - MVX): ghép các kênh tín hiệu nguyên thủy (điện thoại, điện báo, số liệu, điều khiển) thành luồng tín hiệu số tốc độ 2,048Mbit/s

- Cấp 2 (2/34M - MVX): ghép 16 luồng tín hiệu tốc độ 2,048bít/s thành một luồng tín hiệu tốc độ 34,368Mbit/s

IV.3.4 Đặc tính phần quang

- Tốc độ truyền: 42,664Mbit/s

- Bước sóng truyền: 1,31µm

- Phương thức truyền: SM - đơn mode

- Mã truyền: 5B6B

- Phần tử phát quang: LD - Điôt Laze, chất liệu INGAASP

- Phần tử thu quang: APD - Điôt quang điện, chất liệu Ge

V KẾT LUẬN

Phương thức truyền tin bằng cáp quang có rất nhiều ưu điểm về mặt kinh

tế và kỹ thuật Hiện nay phương thức truyền tin bằng cáp quang mở ra một hướng mới cho kinh doanh trong ngành điện là cho thuê kênh truyền, điều này sẽ hạn chế đựơc hiện tượng nghẽn kênh truyền vẫn thường xảy ra

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001

nghệ truyền dẫn quang, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997

tải điện II