5.8 GHz光纖融合通信在輸電線路監測系統中的應用

仝杰 ，劉艷麗 ，楊德龍 ，雒宏禮 ，王歡

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；3.千江（上海）信息科技有限公司，上海 200051）

5.8 GHz光纖融合通信在輸電線路監測系統中的應用

仝杰1，劉艷麗2，楊德龍1，雒宏禮3，王歡3

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；3.千江（上海）信息科技有限公司，上海 200051）

目前輸電線路監測系統大多采用2G/3G無線公網進行通信，但大山深處2G/3G信號較弱或無信號，使得通信時斷時續或直接中斷，導致采集到的狀態監測數據難以可靠地傳輸到主站，或者當有高清視頻需求時，2G/3G無法滿足這種高帶寬要求。針對該問題，提出2G/3G+5.8 GHz或OPGW+5.8 GHz融合通信模式，將信號自動切換到5.8 GHz通信模式，在主干線路與光纖復合架空地線（OPGW）融合后傳回主站。在光纖融合通信基礎上設計了輸電線路監測系統及工作流程，最后給出了應用實例和未來發展前景。

輸電線路監測；2G/3G通信；5.8 GHz通信；OPGW；融合通信；切換流程

1 引言

我國的輸電網絡覆蓋廣闊、地理環境復雜，對于輸電線路監測而言，尤其是輸電線路途經山區，跨越江河、湖泊，穿越無人區等情況下，監測數據通常采用2G/3G進行傳輸[1]，但信號弱甚至無信號，容易形成盲區。而在該區域5.8 GHz頻段較干凈，受雨衰影響不大，配合定向天線，適合遠距離傳輸，因此采用2G/3G+5.8 GHz相融合的通信方式可以有效地解決上述問題[2]。

輸電線路主要有光纖覆蓋線路和無光纖覆蓋線路，其運行環境復雜且多變。目前大部分線路上都鋪設了光纖復合架空地線 （optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）或全介質自承式光纜（all-dielectric self-supporting optical cable，ADSS），其可靠性好、抗干擾能力強等特點，使得光纖傳輸得到廣泛應用。但并不是每一個桿塔上都可以接入光纖，光纖接入點每隔3～5 km才有1個。光纖覆蓋且有光纖接入點的桿塔，可采用無線+OPGW通信；光纖覆蓋但無光纖接入點的桿塔或無光纖覆蓋的線路上，須借助無線方式通信。

由此可見，將2G/3G和5.8 GHz無線通信相結合，或在無線覆蓋盲區將5.8 GHz和OPGW相結合，最終在主干線路與OPGW融合后傳回主站是輸電線路監測系統的一個很好的通信方案。

2 輸電線路監測系統概述

2.1 輸電監測系統模型

近幾年，國家電網公司加大推行從“定期巡檢”到“狀態檢修”的轉變，加強對輸電線路狀態的監測，在災害發生前進行及時的預警和處理，以提高電網運行的穩定性。我國的輸電線路在線監測系統主要對導線覆冰、導線微風振動、絕緣子串風偏（傾斜）、桿塔傾斜、絕緣子污穢、氣象監測（微氣象環境的溫濕度、風速、風向、日照輻射強度）等進行監測。輸電線路在線監測系統模型如圖1所示。

通信包含兩部分：第一部分是本地融合通信，也稱現場融合通信，是指各類傳感器與子站系統間的通信，其中，傳感器安裝在桿塔或導線上。傳感器節點采集監測數據，通過Wi-Fi、WiMAX等無線網絡傳輸到子站系統，子站系統完成數據存儲和處理。第二部分是遠程融合通信，指桿塔子站系統與主站系統的較遠距離的通信，其中，子站系統包括狀態監測裝置及狀態監測代理，安裝在桿塔上。子站系統以GPRS公網或電力專網的形式，把監測數據傳到主站。主站系統存儲并處理監測數據，為輸電線路的運維提供參考。

2.2 輸電線路監測通信方式現狀

圖1 輸電線路在線監測系統模型

安全可靠的通信方式是輸電線路的關鍵。目前輸電線路狀態監測系統中，主要采用光纖EPON、工業以太網交換機、無線Wi-Fi技術和公網技術。本文對當前主流的輸電監測通信方式，包括光纖通信方式、無線公網方式（2G/3G）、5.8 GHz無線專網通信方式進行技術比較和分析，見表1。

通過比較知道，3種通信方式各有利弊：2G/3G無線公網技術成熟、建設成本低，缺點是通信性能和數據安全性差，部分邊遠地區存在覆蓋面問題[4]；而邊遠地區的5.8 GHz頻段較干凈，配合定向天線，能實現遠距離、大容量傳輸，但靠近城區時易受干擾；光纖方式抗干擾、實時性好、安全性高，但是不可頻繁將OPGW光纜開口。因此，揚長避短，在已有的2G/3G輸電線路監測系統中，如存在信號弱或信號不穩定的問題，或者有高清視頻需求時，引入5.8 GHz，將2G/3G和5.8 GHz相融合。視頻的需求通常是“間歇性”的，而且限于桿塔上電池供電系統的容量，視頻和5.8 GHz通信設備處于“用時開閑時關”的狀態，只在有高清視頻需要時才打開5.8 GHz網絡，另外當2G/3G不能穩定提供服務時，也會切換到5.8 GHz。這種低帶寬業務使用2G/3G，高帶寬業務使用5.8 GHz，同時5.8 GHz作為2G/3G備用通道的融合模式，既保護了已有的投資，又提高了較低供電能力下各種業務運行的可靠性。在新建輸電線路監測系統中，如有高帶寬業務的需求，可以將OPGW與5.8 GHz通信相結合，既充分利用了光纖通信強大的優點，又解決了沒有光纖接入點和2G/3G通信盲區的問題，并且滿足所有高清視頻的帶寬要求。

表1 輸電監測通信方式比較

4G時代的到來，為人們帶來了相對于2G/3G網絡通信速度更快、網絡頻譜更寬、智能性更高、頻率使用效率更高的通信技術，將4G技術應用到輸電線路監測系統尤其是高清視頻監控中，達到提升輸電線路巡視效率的目的，更有效地維護電力的穩定、安全和連續，也已經成為一種可行的技術手段。但4G無線通信網絡還存在很多問題，如網絡覆蓋問題，輸電線路尤其是國家特高壓輸電線路途經的高山、森林、沙漠等地區，在未來很長時間內，為普通公眾提供服務的運營商都不會建立有效的覆蓋；如何保證樓區、山區及其他有障礙物等易受影響地區的信號強度等問題；且后期流量費較高，同時市場一時難以消化，設施難以更新。總的來說，4G通信可以局部、有條件地應用于輸電線路監測系統。同理，未來的5G在輸電線路監測方面可能面臨比4G更大的問題。

3 基于5.8 GHz的光纖融合通信方案設計

圖2為基于5.8 GHz光纖融合通信的輸電線路監測系統。系統由傳感器、本地通信（也稱現場通信）、狀態監測設備 （condition monitoring device，CMD）、狀態監測代理（condition monitoring agent，CMA）、基于 5.8 GHz的光纖融合通信網絡和主站組成。系統前端是若干部署在高壓塔或輸電線路上的采集設備或傳感器，CMD（通常安裝在高壓塔上）內置采集模塊和本地融合通信模塊，通過本地融合通信方式和傳感器進行通信，即狀態監測設備發送（下行）采集命令，采集命令通過本地融合通信方式傳給傳感器，傳感器接到命令后將狀態監測數據通過本地融合通信方式上傳給狀態監測代理，從而完成輸電線路狀態監測數據的采集。傳感器也可通過本地融合通信方式按周期、定時、主動上傳狀態監測數據。

3.1 本地融合（現場融合）通信

對于桿塔監測現場通信而言，采用本地融合通信，需要將現場的監測數據，如桿塔傾斜、導線弧垂、導線舞動、導線溫度、微風振動等數據，經CMD可靠地傳輸到CMA。尤其是在CMD與各檢測傳感器之間采用融合通信提高可靠性，本地融合通信如圖3所示。不僅可以進行無線融合，也可進行有線融合，甚至有線—無線混合融合。其中無線融合包括藍牙（bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi等；有線融合包括RJ45、同軸（EOC）、RS232/RS485等。將監測數據以融合通信方式傳送給CMD，并進行預處理，多個CMD的數據匯集到CMA，并進行數據標準化處理，做好遠程傳送數據的準備。

3.2 狀態監測代理與主站間遠程融合通信

如圖4所示，遠程融合通信是連接CMD、CMA和網省、總部主站的橋梁。傳感器完成狀態監測數據的采集后，首先以現場通信的方式將數據傳輸到CMD，隨后CMD將數據上傳到CMA，在CMA中匯聚并進行智能化處理，然后通過遠程融合通信方式，直接接入狀態信息接入網關機（condition information acquisition gateway，CAG），CAG 布置在主站側，可完成圖像或視頻等信息的接入。

圖2 基于5.8 GHz融合通信的輸電線路監測系統

圖3 本地融合通信模塊

圖4 遠程融合通信模塊

基于5.8 GHz的光纖融合通信，完成主站系統與輸電線路CMA之間的心跳交互、數據交互、讀配置交互、寫配置交互、控制交互和遠程更新等交互過程[3]。當前主要采用2G/3G無線通信實現監測數據的遠程傳輸（上行）或者主站命令的下達（下行），當監測設備處于大山深處信號弱區或信號盲區時，監測數據很難正常傳送到主站，因此采用融合通信方式是一個很好的選擇。基于5.8 GHz做融合，如圖2所示，在CMA內置遠程通信融合模塊。遠程通信融合模塊如圖 4所示。將 GSM或 GPRS、WCDMA或cdma2000或TD-SCDMA、FDD-LTE或TD-LTE網絡，有效地連接、融合起來，則可以讓來自CMA的監測數據保持暢通，順利到達主站；利用部署在輸電線路上的OPGW，將5.8 GHz和OPGW有效連接、融合，將數據接入變電站，再通過已建 SDH（synchronous digital hierarchy，同步數字體系）網絡接入主站服務器。

基于5.8 GHz構建光纖融合通信監測網絡，能充分利用OPGW，兼具地線和融合通信的功能。由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕、較高的可靠性、優越的機械性能等顯著特點，這種技術在新敷設或更換現有地線時尤其適合和經濟[5]。對于無OPGW敷設線路，采用5.8 GHz無線進行接續，由于5.8 GHz屬于電力專網，既保證了高帶寬，又保障了網絡安全。

3.3 數據采集與通信切換

對于輸電監測而言，一個典型通信場景如下：首先由主站系統下達采集命令，該命令首先由OPGW光纖傳輸，接著由2G/3G網絡進行傳輸；2G/3G信號切換模塊會對信號進行實時監測，一旦該信號小于信號強度門限值（一般門限設置范圍為-100～-90 dBm），同時持續時間大于30 s（一般時間設置范圍為6～100 s），便主動給主站發送一個通道告警信息，主站下發命令將信道轉換到5.8 GHz網絡；通過5.8 GHz網絡將采集命令傳輸到CMA，CMA將命令傳給CMD，CMD通過本地通信網絡將采集命令傳給相應的輸電線路狀態檢測傳感器；傳感器將輸電線路當前狀態數據經本地通信網絡回傳給CMD，CMD收到數據后，將該數據傳給CMA，CMA收到數據后，將數據進行標準化處理，通過5.8 GHz網絡進行傳輸，最終經OPGW傳回主站。當信號恢復正常時，又切換回2G/3G網絡進行傳送。采集與通信切換流程如圖5所示。

3.4 融合通信安全模塊

圖5 輸電線路狀態數據采集與通信切換流程

融合通信安全模塊采用國家密碼管理局認可的SM1加密芯片，接口為ISO 7816-3和USB兩種[6]。融合通信安全模塊采用對稱SM1算法，對數據的加密和解密，采用非對稱RSA算法在網絡層實現身份認證和數據簽名。CMA、CAC（condition acquisition controller，狀態接入控制器）應采用融合通信安全模塊來實現和安全接入平臺采集接入網關網絡層的身份認證和數據加解密，保證數據在無線或有線網絡中的安全可靠傳輸。

4 應用實例及驗證

為確保本文設計的融合通信網絡的可行性，采用5.8 GHz+2G/3G、5.8 GHz+OPGW融合通信方式，實現220 kV青利線等輸電線路監測，其中，5.8 GHz采用點到多點或點到點拓撲方式。當2G/3G信號差時，自動切換為5.8 GHz。若監測節點之間的距離較小（20 km以內），則選用無線點到多點方式；如果監測點間距太大（50 km以內），應先實際勘測間距和海拔高度，然后進行成本預算、地理分析、鏈路仿真等，確定最理想的匯聚節點并將數據全部匯聚，最后以光纖傳輸方式傳送到變電站。

候橋330 kV變電站所覆蓋的220 kV坡恩線、青坡線等輸電線路監測的監測節點有青坡線17#、青坡線51#、青利線55#、坡恩線78#等共計8級桿塔。青利線55#到候橋變采用OPGW光纜傳輸；青坡線17#和銅候I回20#到青利線55#采用5.8 GHz傳輸；青坡線51#和青坡線55#到候橋變采用2G/3G+5.8 GHz的傳輸方式；坡恩線72#、坡恩線75#和坡恩線78#到候橋變采用5.8 GHz的傳輸方式。候橋330 kV變電站到青坡線51#、青利線55#到青坡線17#鏈路狀況的仿真結果，如圖7所示。

圖7中陰影部分（上）表示兩個桿塔之間無線設備的模擬菲尼爾區，從圖7可以看出，菲尼爾區完全正常，沒有任何的破壞；陰影部分（下）表示山體或其他遮擋物，直線表示兩個桿塔的5.8 GHz無線設備到最高點的距離。

圖8中陰影部分（上）表示兩個桿塔之間無線設備的模擬菲尼爾區，從圖8可以看出，菲尼爾區完全正常，沒有任何的破壞；陰影部分（下）表示山體或其他遮擋物，直線表示兩個桿塔的5.8 GHz無線設備到最高點的距離。

圖6 候橋330 kV變電站接入節點無線組網軟件拓撲

圖7 候橋330 kV變電站到青坡線51#鏈路的仿真

坡恩線72#、坡恩線75#和坡恩線78#這三級桿塔的移動網絡信號非常差，所以采用5.8 GHz直接和候橋330 kV變電站建立通信，且離變電站距離不遠，最遠的坡恩線78#桿塔離候橋變電站3.8 km左右，模擬仿真結果基本一樣。青坡線51#和青坡線55#兩級桿塔的移動網絡信號相對好一點，但特殊情況下會突破門限值，導致視頻不穩定，所以在青坡線51#和青坡線55#兩級桿塔同時鋪設5.8 GHz無線設備，當移動網絡信號不穩定時，自動切換到5.8 GHz回傳數據。從圖7可以看出，候橋330 kV變電站到青坡線51#桿塔之間5.8 GHz無線鏈路信號質量良好，完全滿足視頻數據傳輸。青利線55#桿塔鋪設有OPGW光纜，且OPGW光纜到候橋變鏈路已經建立，青坡線17#和銅候I回20#直接回候橋變，通過模擬發現鏈路中間存在阻擋，無線鏈路無法建立。通過圖8模擬發現青利線55#到青坡線17#5.8 GHz無線鏈路質量良好，所以設計為青坡線17#和銅候I回20#桿塔采用5.8 GHz將數據回傳至青利線55#桿塔，再通過青利線55#桿塔的OPGW光纜將數據回傳至候橋變。其他沒有仿真的監測節點經過仿真及實際測試也可以連通。試驗表明切換流暢。

圖8 青利線55#到青坡線17#鏈路的仿真

5 結束語

本文提出了采用5.8 GHz和多網融合[7]（如5.8 GHz+2G/3G融合[8]、5.8 GHz+OPGW融合）的通信模式，在2G/3G信號較弱時，設計了自動切換模塊，將信號切換到5.8 GHz工作模式，最終通過光纖網絡傳回主站，確保了傳輸的可靠性。該方法有效避免了特殊地區（如偏遠地區、環境惡劣地區）公網信號差而造成監測數據傳輸不可靠問題，可以實時監控線路狀態及周圍環境變化，實現輸電線路安全預警和輔助決策[9]。本文的設計有利于推動智能電網輸電環節的發展，有很好的應用前景。

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Application of 5.8 GHz optical fiber converged communication in transmission line monitoring system

TONG Jie1,LIU Yanli2,YANG Delong1,LUO Hongli3,WANG Huan3
1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China 2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China 3.Qianjiang(Shanghai)Science and Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200051,China

When in the depths of the mountains,2G/3G signal is weak or don’t exist,or when the high definition video is needed,2G/3G couldn’t meet requirements of such high bandwidth,so that communication is intermittent or interrupt,resulting in the condition monitoring data is difficult to transmit reliably to the master station.To solve this problem,2G/3G+5.8 GHz or 5.8 GHz+OPGW converged communication mode was proposed,the signal could be switched automatically to the 5.8 GHz communication mode,and transmits back to the master station after converging the main line and OPGW.Based on the optical fiber converged communication,the transmission line monitoring system and work flow were designed and the application example and the future development prospect were given finally.

transmission line monitoring,2G/3G communication,5.8 GHz communication,OPGW,converged communication,switching process

s： The Science and Technology Project of State Grid Headquarters “Key Technology Research and Application of Quality Improvement in Transmission Line Online Monitoring Device”(No.GC71-15-040)，The Project of National Development and Reform Commission“The Research and Industrialization of Optical Fiber Sensing for the Internet of Things and Short-Range Wireless Communication New Technology in Smart Grid”(High Technology of National Development and Reform Commission[2012]2766)

TN915.853

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016201

2016-01-21；

2016-07-13

劉艷麗，18811313711@163.com

國家電網總部科技項目“輸電線路在線監測裝置質量提升關鍵技術研究及應用”（No.GC71-15-040）；國家發展和改革委員會項目“面向智能電網的物聯網光纖傳感與中短距無線通信新技術研發及產業化”（發改辦高技〔2012〕2766號）

仝 杰 （1983-），男 ，博 士 ，中 國 電 力 科 學 研究院高級工程師，主要研究方向為電力物聯網、電力無線通信和能源互聯網。

劉艷麗（1990-），女，華北電力大學電氣與電子工程學院碩士生，主要研究方向為電力無線通信。

楊德龍（1989-），男，中國電力科學研究院工程師，主要研究方向為電力系統通信。

雒宏禮（1975-），男，千江（上海）信息科技有限公司技術總工程師，主要研究方向為通信與數據分析、輸電線路無線通信專網。

王歡（1989-），女，千江（上海）信息科技有限公司工程師，主要研究方向為輸電線路無線通信專網。