基于輸電線路在線監測系統的網絡通信方式優化研究及實現

鄧飛 田慶生 梁仕斌 張強 鎖真田

摘 要：傳統的線路運行監測通常采用人工巡線的方式，這種方式存在諸多缺陷，例如實時性極差，數據采集的準確性依賴于人員素質，采集到的數據參差不齊等。2008年我國南方電網冰災事故以后，國內很多科研機構、生產廠家開始研究輸電線路覆冰在線監測技術，希望通過在輸電線路上或桿塔上安裝監測終端，實時監測輸電線路微氣象及導線拉力等數據進而計算線路覆冰情況或者桿塔傾斜情況。采用這種新的監測方式可以彌補傳統監測方式的諸多缺陷，實現了對人員難以到達的桿塔線路遠程全天候監測，提高了監測實時性、準確性和監測范圍。但是，由于在線監測系統的基礎是現場數據，在線監測效果取決于現場數據的實時性和準確性，有必要對其數據傳輸的通信方式進行研究，分析其缺陷及其改進方法。本文將對輸電線路在線監測系統的網絡通信方式進行研究和優化。

關鍵詞：在線監測；輸電線路；網絡通信

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0174-04

1 引言

當前，制約高壓輸電線路運行狀態監測領域發展的關鍵點之一在于現場信號遠程傳輸的實時性和準確性。傳統方式采用較多的通過GPRS網絡結合UDP協議傳輸格式化數據包，近些年快速發展的新型方式是采用光纖網絡傳輸數據，這兩種方式的基本原理、實現方式等各方面都存在很大區別，對應于不同的輸出數據各有優缺點，下面就上述兩種方式分別進行分析[1]。

2 GPRS通信方式

2.1 原理介紹

GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，其基礎是GSM網絡，得益于近些年移動網絡的快速發展，GPRS的應用區域已經得以更多應用。GPRS采用TDMA方式傳輸語音，采用分組的方式傳輸數據，可實現數據端到端的發送和接收。GPRS的硬件基礎是在GSM網絡上增加的分組數據服務設備，并對GSM無線網絡設備進行升級，確保現有的GSM無線覆蓋可以提供分組數據業務。

基于GPRS網絡平臺的無線DDN可以提供點對點、外圍設備之間、外圍設備與中心節點之間的通信方式，適用于信息互傳、數據互備、遠程監測等行業應用。特別適合于突發性、高頻率、點多分散、小流量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。采用GPRS通信方式能夠實現包括圖像在內的所有通信業務，甚至可以擴展到視頻傳輸領域。GPRS通信處理數據包的方式基于UDP協議，UDP（User Datagram Protocol）的中文名是用戶數據報協議，是OSI（Open System Interconnection，開放式系統互聯）參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，在網絡中它與TCP協議一樣用于處理數據包，是一種無連接的協議[2]。UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點，也就是說，當報文發送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用，它的主要作用是將網絡數據流量壓縮成數據包的形式。一個典型的數據包就是一個二進制數據的傳輸單位。每一個數據包的前8個字節用來包含報頭信息，剩余字節則用來包含具體的傳輸數據在數據傳輸的過程中需要對數據進行打包，其數據包的結構示意圖1所示。

UDP數據的格式按照《南方電網輸電線路狀態監測系統通信規約》進行編碼，相應的，接收端根據上述規約進行數據解析。

2.2 實現方式

GPRS通信基于移動通信網絡，因此現場監測終端需要支持SIM卡，由后者接入提供網絡接入接口。同時，在監測主站側需要加裝數據接收前置機，這臺裝置需要提供一個固定的IP和端口，現場的終端在安裝的時候就進行相應的設置，指定此IP和端口作為數據接收方[3]。終端啟動以后將數據主動發往指定IP，數據接收端被動接收現場傳過來的數據，并調用數據解析程序對數據報進行解析，最后存入數據庫，監測主站從數據庫讀取數據，以網站的形式發布，展示給用戶，完成整個監測流程。GPRS數據傳輸流程圖2所示。

2.3 優缺點分析

GPRS網絡通信的傳輸方式由于其基于GSM網絡，所以，只要有移動網絡的區域都可以部署監測終端，并且不需要再進行更多設備的安裝，總體來說，設備安裝過程簡單，入網時間短。但是，GPRS網絡通信也有不少缺點，主要是穩定性差、設備在線率低等，下面將對這些缺點及其成因進行詳細分析。

首先，基于GPRS網絡通信的現場監測終端通常自帶供能模塊，這種特點使得它們易于安裝，但是也帶來了很多難以解決的問題。監測終端的供電模塊通常是太陽能電池板。由于太陽能電池板的能量供給嚴重受制于光照強度，因此，在連續陰雨天或者冬季日照較少的時節，監測裝置很容易因為電壓過低而無法正常啟動，通常生產廠家將設備啟動的電壓閾值設定為12.8V，也就是說，當太陽能電池板提供的電壓低于12.8V時，設備就無法正常啟動，設備隨之掉線。根據上述分析可知監測終端終端掉線的情況主要發生在冬季或者連續陰雨天，但是，冬季和連續陰雨天往往是輸電線路災害頻繁發生的時節，例如桿塔傾斜和輸電線路覆冰等，此時恰恰是最需要監測終端在線的時候，最終的結果就是在線監測的效果大打折扣。其次，在長期運行中太陽能板易被污穢物所遮蓋，光電轉換效率大幅下降，同時蓄電池使用壽命普遍較短，更重要的是，此種方式無法滿足視頻等功率較大設備的長期在線監測，嚴重影響了監測設備的使用效率[4]。最后，由于GPRS網絡通信基于GSM網絡，這個特點使得傳統的在線監測終端易于安裝布置。但是，這個特點同樣是一把雙刃劍，它帶來的缺陷是網絡通暢不穩定。因為需要監測的桿塔或輸電線路通常位于人員不容易到達的地方，因為在這些區域布置監測終端可以減少甚至避免人員巡線工作，以此來體現監測終端的價值。但是，由于人跡稀少，移動網絡運營商通常不會花費時間和設備來加強網絡信號，由此導致移動網絡信號不夠強，SIM掉線的情況就時有發生了，進而導致數據傳輸的基礎不穩定，由于傳輸的協議是采用UDP協議，它采用的是無連接協議，在傳輸過程中如果發生數據報丟失，服務端（數據接收前置機）是無法獲知和驗證的，最終的結果就是數據的采集數據連續性無法得到保證。這同樣會使得監測效果受到很大影響。

3 OPGW數據傳輸

3.1 原理介紹

近幾年逐漸興起的新型的輸電線路在線監測數據傳輸方式是OPGW數據傳輸。所謂的OPGW是光纖復合架空地線的簡稱，它的技術基礎是目前較成熟光纖技術。光纖是利用纖芯和包層兩種材料的折射率大小差異，使光能在光導纖維中傳輸。由于實際應用情形中，一條光纖通常要傳遞多個信號，否則會造成光纖通信的性價比降低，因此發展出了光纖光柵技術，下圖是光纖光柵的結構示意圖3所示。

它通過改變光纖芯區折射率，產生小的周期性調制而形成的。所謂調制，就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產生大小起伏的變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜（通常是摻鍺），使芯層折射率比包層折射率大，從而形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調制后，即成為布拉格光柵。布拉格光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光（帶寬通常約為0.1nm-0.5nm）。這樣，光纖光柵就起到了光波選擇反射鏡的作用。

布拉格光纖光柵是最普遍的一種光纖光柵，其周期和折射率調制幅度均為常數，光柵周期小于1，反射波長的公式如下：

為光柵的布拉格波長，為光柵的有效折射率（折射率調制幅度大小的平均效應），為光柵條紋周期（折射率調制的空間周期）。

由光纖布拉格光柵方程可以看出，任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長。應變（或應力）和溫度是最能直接顯著改變布拉格光柵波長的物理量。當布拉格光柵受到外界應變（或應力）作用時，光柵周期會發生變化，同時彈光效應會導致光柵有效折射率變化；當布拉格光柵受到外界溫度影響時，熱膨脹會使光柵周期發生變化，同時熱敏效應會導致光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接地利用應變或溫度改變光柵中心波長，達到測試被測物理量的目的。

光纖光柵傳感器數據基本原理與傳統的電氣監測終端迥然不同，由于其采集的數據是基于光纖技術，決定了其數據傳輸也可以輕易地借助于光纖技術。其數據傳輸流程如圖4所示。

變電站內的光源裝置產生光信號，通過光纖傳遞到現場桿塔上的光纖傳感器，傳感器被所監測的物理量的變化引發經過其中的光柵的波長，被改變的光信號傳回變電站內的解調儀，將光信號解析為數據信號，完成現場數據的采集和傳輸過程。

3.2 實現方式

OPGW在輸電線路監測系統中的應用需要包含以下功能模塊：光纖主機、OPGW光纖、數據解析模塊，接口數據庫、數據抽取轉換模塊、數據監測平臺數據庫和WEB服務器。其應用示意圖5所示。

（1）光纖主機：為現場光纖傳感器提供光源，光源指的是符合光纖復合絕緣子內部光柵反射特征量的能夠波分復用的寬帶光源，同時光纖主機還包含光波解調儀，所謂光波解調儀是指能夠感應光纖復合絕緣子內部光柵反射特征波的光電檢測器和將光譜波形與采樣頻率相匹配的處理器，處理器能夠統計光譜峰值，并將其轉換為對應的應變量。（2）接口數據庫：經過光纖主機處理以后，現場的物理量就被采集并傳輸回到變電站內，通過數據處理程序，將解析完成的數據存儲到接口數據庫中，實現數據預處理和暫存的功能。（3）數據抽取轉換模塊：出于網絡安全和分區的考慮，WEB服務所基于的數據庫通常不能放置在變電站中，同時由于要集成其他來源或者維度的監測參量，所以要單獨設置線路監測平臺的數據庫。可以采用數據同步或者Web Service的方式對數據進行抽取和傳輸。（4）WEB服務器：數據采集完成以后，需要應用編程技術對數據進行組織，利用各種應用數學模型實現對設備狀態評估和輔助決策，結合輸電線路微氣象數據和導線拉力數據，估算出輸電線路運行狀態，并且以直觀、科學的方式，對數據進行組織，將監測結果以網站的形式展示給用戶。

3.3 優缺點分析

OPGW技術在輸電線路在線監測領域中的應用是對輸電在線監測技術的一次革新[5]。它從信號采集精度、數據傳輸穩定和易于施工等角度顯著改善了傳統監測技術的效果。

（1）采集精度：光纖傳感器由于本身的結構特點，可以在高電磁環境中正常的工作，完全的電絕緣；雷電經常破壞大量的電氣傳感器。光纖傳感器由于完全的電絕緣，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。同時光纖傳感器的信號是以光纖為載體的，本征安全，不受任何外界電磁環境的干擾。（2）數據傳輸穩定：光纖的兩個突出優點就是傳輸數據量大和損耗小，在無需中繼的情況下，可以實現幾十公里的遠程監測。（3）易于施工：OPGW光纜由于有金屬導線包裹，使光纜更為可靠、穩定、牢固，由于架空地線和光纜復合為一體，與使用其他方式的光纜相比，既縮短施工工期又節省施工費用。另外，如果采用鋁包鋼線或鋁合金線絞制的OPGW，相當于架設了一根良導體架空地線，可以收到減少輸電線潛供電流、降低工頻過電壓、改善電力線對通信線的干擾及危險影響等多方面的效益。由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕等特點，它可以安裝在輸電線路桿塔頂部而不必考慮最佳架掛位置和電磁腐蝕等問題[6]。

4 總結與展望

根據上述分析，得出OPGW監測方法相較于傳統監測裝置具有很大優勢，從數據采集和傳輸角度對比結果表1所示。

綜上所述，OPGW具有較高的可靠性、優越的性能、成本也較低等顯著特點，同時還可以通過擴展寬帶光源、加大入射光功率和線路雙工等技術提高傳輸距離，另外，還可以利用光波多分復用技術提高單根光纖可復用的傳感器數量，從而使測點能滿足覆蓋整條輸電線路，進一步降低光纖監測技術在輸電線路監測系統中應用的成本，最終建立一套穩定可靠、高性價比的輸電線路全區段監測系統。

參考文獻

[1]任雁銘，秦立軍，楊奇遜.IEC 61850通信協議體系介紹和分析[J].電力系統自動化，2000，（8）：62-64.

[2]W.Richard Stevens，范建華，譯.TCP/IP Illustracted Volume 1：The Protocols[M].機械工業出版社，2000.

[3]王凱，蔡煒，鄧雨榮，等.輸電線路在線監測系統應用和管理平臺[J].高電壓技術，2012，（5）：1274-1280.

[4]鄔春明，程亮，田章超，等.基于物聯網的變電站在線監測系統[J].電工電能新技術，2013，（4）：110-114.

[5]李勛，龔慶武，等.物聯網在電力系統的應用展望[J].電力系統保護與控制，2010，（22）：232-236

[6]YANG Jincui， FANG Binxing， et al. Research towards IoT-oriented universal control system security model[J]. Journal on Communications， 2012， 33（11）：49-56.