輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

王 喆，劉 峰，溫興賢，陳 崢，馬 潤

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司信息通信公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

利用輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測能夠完成對輸電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的管理，對提升輸電設(shè)備運(yùn)行管理水平有著重要的促進(jìn)作用。輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測主要運(yùn)用廣域通信技術(shù)、多種傳感技術(shù)以及信息處理技術(shù)等完成感知輸電線路中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警信息發(fā)布、故障診斷以及狀態(tài)評估等工作。為更好地完成上述工作，及時(shí)的信息數(shù)據(jù)反饋是十分必要的。

1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求分析

現(xiàn)階段，我國輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備樣式繁多，分類方式也較為多元。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備按功能可分為機(jī)械類、電器類與運(yùn)行環(huán)境類，按設(shè)備形式可分為導(dǎo)線監(jiān)測類、氣象環(huán)境監(jiān)測類、桿塔附件監(jiān)測類、桿塔監(jiān)測類以及其他監(jiān)測類，按設(shè)備的安裝位置則可分成地線類、導(dǎo)線類、絕緣子類、金具類、桿塔基礎(chǔ)類、桿塔類以及非接觸類[1]。

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的檢測數(shù)據(jù)可分為寬帶數(shù)據(jù)、中等寬帶數(shù)據(jù)以及窄帶數(shù)據(jù)三類。其中，寬帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流量普通的情況下要大于1 Mbit/s，高清情況下要大于3 Mbit/s，且數(shù)據(jù)的形式多為流媒體，有著實(shí)時(shí)性的要求，此外，常用的接口為以太網(wǎng)接口，常見的監(jiān)控裝置為視頻采集裝置；中等寬帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流量要小于150 Mbit/s，數(shù)據(jù)形式為數(shù)據(jù)報(bào)文，具有非實(shí)時(shí)性的要求，常用接口同樣為以太網(wǎng)接口，常見的監(jiān)測裝置則為圖像采集裝置；窄帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流量要小于150 Mbit/s，數(shù)據(jù)形式為數(shù)據(jù)報(bào)文，具有準(zhǔn)實(shí)時(shí)的要求，常用接口為串行接口，常見的監(jiān)測裝置為導(dǎo)線溫度與桿塔傾斜測量裝置。

2 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的組成

通常情況下，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)由主網(wǎng)、接入網(wǎng)以及微網(wǎng)三部分組成。（1）主網(wǎng)，通常情況下，選擇電力系統(tǒng)的通信專網(wǎng)作為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)。當(dāng)前，我國只有極少部分的變電站未裝配電力系統(tǒng)的通信專網(wǎng)，變電站與各調(diào)度端的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已趨于完善；（2）接入網(wǎng)，接入網(wǎng)的通信傳輸覆蓋范圍可以從幾百米達(dá)到幾萬米，在建設(shè)過程中，通常會沿著輸電線路一直連接到變電站。接入網(wǎng)除要連接各微網(wǎng)外，還要連接塔桿節(jié)點(diǎn)的設(shè)備與變電站的節(jié)點(diǎn)設(shè)備；（3）微網(wǎng)，微網(wǎng)的建設(shè)一般以輸電線路的塔桿為中心，實(shí)現(xiàn)周邊數(shù)十米范圍內(nèi)通信傳輸?shù)娜采w，主要負(fù)責(zé)各傳感器、攝像頭等設(shè)備中數(shù)據(jù)的接收與傳輸，同時(shí)完成與接入網(wǎng)的連接。

3 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

3.1 通信傳輸架構(gòu)的演進(jìn)

在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，主要利用傳感器、監(jiān)控器等實(shí)現(xiàn)終端信息的儀器構(gòu)成過程層的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有通信面較廣與信息類型較為復(fù)雜的特點(diǎn)，對通信傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃砸约皩?shí)時(shí)性要求較低，對資產(chǎn)管理類終端的可移動(dòng)性要求則較高。

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的間隔層主要用來匯集間隔過程的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并完成信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)某猩蠁⑾隆Ｒ虼耍ㄐ艂鬏斁W(wǎng)絡(luò)的間隔層要求迅速且同時(shí)完成與過程層和站控層的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。

在通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，站控層是該區(qū)域變電站控制中心與遠(yuǎn)端的變電站控制中心以及電力企業(yè)的設(shè)備管理中心構(gòu)成的通信傳輸核心網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，站控層主要利用光傳輸網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)完成信息的交換與傳輸。在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，過程層、間隔層以及站控層中的通信傳輸設(shè)備形成邏輯上與物理上的樹狀拓?fù)洌壿嫿Y(jié)構(gòu)較為單一，信息數(shù)據(jù)的流向?yàn)榻K端到主站的縱行方向[2]。

3.2 通信傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)主要應(yīng)用匯聚交換機(jī)、接入交換機(jī)、主IED CAC、主IED CMA、主IED CAG以及IED設(shè)備。在設(shè)備連接操作中，采用穩(wěn)定性較高的樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效避免產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，屬于較常使用的連接結(jié)構(gòu)方式，同時(shí)能夠增強(qiáng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，方便實(shí)施故障的隔離，整體提升通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在邏輯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上，不再僅僅使用樹形一點(diǎn)對多點(diǎn)的層級結(jié)構(gòu)，而是采用全互聯(lián)、扁平式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，能夠?qū)νㄐ艂鬏斁W(wǎng)絡(luò)中的主IED設(shè)備實(shí)施分布式布置，為數(shù)據(jù)的存儲與計(jì)算提供一點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)狀通信支持。

3.3 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備選擇

在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，可使用OSI七層體系結(jié)構(gòu)中的路由設(shè)備、交換設(shè)備以及傳輸設(shè)備組成通信設(shè)備。其中，路由設(shè)備應(yīng)選用穩(wěn)定性與可靠性較好的路由器。鑒于路由器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較為復(fù)雜、數(shù)據(jù)信息傳遞與交換效率相對較低、網(wǎng)絡(luò)配置靈活程度較差，需要加設(shè)DHCP服務(wù)器或DHCP中繼等輔助設(shè)備，促進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)。交換設(shè)備的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)信息的傳輸與交換效率相對較高，通信協(xié)議較為簡單，且寬帶的使用率較高。然而，交換設(shè)備也具有一定的局限性。例如，用交換設(shè)備組成二層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要依托地址的解析協(xié)議廣播進(jìn)行尋址，易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。此外，通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的可控性較差，需利用快速生成樹協(xié)議、生成樹協(xié)議以及IEEE802.1P補(bǔ)充協(xié)議實(shí)施調(diào)整[3]。以基于SDH的多業(yè)務(wù)傳輸平臺與同步數(shù)字體系網(wǎng)絡(luò)為代表的傳輸設(shè)備，具備帶寬較高、時(shí)延程度低且安全性能較好的優(yōu)點(diǎn)，但其對資源的利用率較低，并不適合接入網(wǎng)。

4 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4.1 微網(wǎng)通信技術(shù)

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中的微網(wǎng)存在于末梢網(wǎng)，主要用于接收并傳輸輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各傳感器、監(jiān)控器等監(jiān)測設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)信息，可使用10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口或RS-232/RS-485串行接口，利用有線通信的方式匯總相關(guān)設(shè)備采集到的信息數(shù)據(jù)，并傳輸至桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備。鑒于以地線類監(jiān)測裝置、導(dǎo)線溫度檢測等導(dǎo)線監(jiān)測裝置為代表的傳感設(shè)備與桿塔節(jié)點(diǎn)的通信傳輸方式為無線射頻通信，這些設(shè)備并沒有安裝在桿塔上。在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，可以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為參考，將異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通性、WSN的低耗自組機(jī)制以及大結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的協(xié)同處理數(shù)據(jù)等優(yōu)勢最大程度地發(fā)揮出來。

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中的微網(wǎng)主要完成對單基桿塔周邊數(shù)十米范圍內(nèi)的通信傳輸覆蓋，具體實(shí)施時(shí)，需依賴多種應(yīng)用與無線個(gè)域網(wǎng)的通信傳輸技術(shù)。若以數(shù)據(jù)信息的傳輸速度為重點(diǎn)考量對象，可使用超寬頻技術(shù)這一速度較高且距離較短的無線通信傳輸技術(shù)。超寬頻技術(shù)的最高傳輸通信速率可達(dá)100 Mbit/s以上，但其通信傳輸?shù)木嚯x不能超過10 m。此外，也可應(yīng)用低速UWB、Bluetooth與Zigbee等技術(shù)，但要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾市∮? Mbit/s，通信傳輸?shù)木嚯x也要小于100 m。當(dāng)前，電力行業(yè)相關(guān)人員尤為重視Zigbee技術(shù)的使用，該無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)復(fù)雜程度較低、功率消耗低且運(yùn)行成本較低，屬于基于IEEE 805.15.4規(guī)范的近距離無線傳輸通信技術(shù)[4]。Zigbee技術(shù)的傳輸速率在250 Mbit/s以上，能夠與Mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行。

4.2 接入網(wǎng)通信技術(shù)

接入網(wǎng)的通信傳輸覆蓋長達(dá)幾百米至幾萬米，在執(zhí)行對通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中變電站節(jié)點(diǎn)設(shè)備與桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連接時(shí)，應(yīng)依照圖像或視頻采集中高寬帶的接入要求展開工作。因此，接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)為中長傳輸通信距離的結(jié)合與多種方式接入。無線保真技術(shù)與全球微波互聯(lián)接入技術(shù)是當(dāng)前較為流行的兩種接入網(wǎng)無線通信技術(shù)。

無線保真是一種基于IEEE 802.11規(guī)范的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其通信傳輸?shù)母采w范圍能夠很好的滿足接入網(wǎng)覆蓋要求。無線保真技術(shù)除能提供固定的無線接入服務(wù)外，還具備移動(dòng)接入的能力。在不同的標(biāo)準(zhǔn)與頻段下，無線保真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的傳輸速率有所不同。例如，在IEEE 802.11a的標(biāo)準(zhǔn)下使用5 GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率為54 Mbit/s，而在IEEE 802.11b的標(biāo)準(zhǔn)下，使用2.4 GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率僅為11 Mbit/s。

全球微波互聯(lián)接入是一種基于IEEE 802.16規(guī)范的無線城域技術(shù)，具有較強(qiáng)的移動(dòng)接入能力，能夠滿足接入網(wǎng)通信覆蓋范圍的要求。應(yīng)用全球微波互聯(lián)接入技術(shù)實(shí)施輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中接入網(wǎng)的建設(shè)，能夠得到最大為100 Mbit/s的傳輸速率，可在2～66 GHz之間所有的頻段下正常工作。

在建設(shè)接入網(wǎng)時(shí)，常使用光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)展開光通信。應(yīng)用光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可將輸電線路塔桿上安裝的以太網(wǎng)交換機(jī)與變電站內(nèi)的以太網(wǎng)交換機(jī)利用光纖完成連接，形成鏈狀網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)的使用能夠?yàn)檩旊娋€路狀態(tài)監(jiān)測通信傳遞網(wǎng)絡(luò)提供100/1 000 M的共享寬帶，而在進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信傳輸中，能夠完成80 km以內(nèi)的傳輸。無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采取一點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用一個(gè)光纖和POS將變電站內(nèi)光線路終端與桿塔上的無源分光器以及光網(wǎng)絡(luò)單元連接在一起，形成鏈狀分布，可為通信傳輸網(wǎng)絡(luò)提供1.25 G以上的共享寬帶，最大通信傳輸距離為20 km。

無線擴(kuò)頻通信技術(shù)與第三代、第四代移動(dòng)通信技術(shù)（3G、4G）同樣能為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)助力。尤其是無線擴(kuò)頻通信技術(shù)，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，最高傳輸速率可達(dá)153.6 kbit/s。而3G技術(shù)的最高傳輸速率為2 Mbit/s，4G的最高傳輸速率則要大于100 Mbit/s。

5 結(jié) 論

鑒于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型較多、監(jiān)測的地點(diǎn)也較為分散，通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要結(jié)合實(shí)際的條件要求進(jìn)行。在進(jìn)行接入層與微網(wǎng)的建設(shè)時(shí)，可從超寬頻技術(shù)、Zigbee技術(shù)、無線保真技術(shù)、全球微波互聯(lián)接入技術(shù)、光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線擴(kuò)頻通信技術(shù)以及第三代、第四代移動(dòng)通信技術(shù)中挑選合適技術(shù)完成實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。