電力設備監控系統無線網絡結構設計

金安橋水電站有限公司 浦璐妮

1 無線監控系統的網絡結構

目前經常能看的無線通信技術含有公用的網絡、電力系統專用的網絡、自己組織的網絡和短程無線。公共無線網絡包括電信運營商的2G/3G/4G/5G、Nb-lot；電力系統專用的無線網絡有230MHz頻段的網絡；現在自己組織的網絡包括WiFi網絡、ZigBee、6LoWPAN無線傳感器網絡和Lora，部分系統使用北斗短消息通信系統來完成監控、還有藍牙與紅外通信。因為WiFi和藍牙、紅外通信這些功能在短程無線通信技術被應用于電力系統狀態監測的聯網和數據傳輸領域，文章里面不簡述。需要注意的是，本文主要側重于無線通信技術的應用，下面幾種無線網絡中心里面的構造也不會對此進行簡述。

1.1 基于公共網絡無線監測系統的網絡結構

在網絡方案中，擁有監控終端的DTU經過通信模塊連接到網絡基站，公共網絡無線監測系統網絡結構如圖1所示。

圖1 公共網絡無線監測系統網絡結構

1.2 電力無線專網接入的網絡結構

在服務器前添加安全連接平臺，在連接安全性、電力業務需求和技術經濟據分析，國家電網公司向工業和信息化部申請增加頻率資源，獲得了頻率資源的認可，從2009年開始設立了230MHz的電力無線專業網絡?，F在已經有獎近十個省、市和市已經擁有LTE電力無線專網。構建網絡，能夠解決從電力網末端到最后公里的連接問題，泛電在構筑電力網初期建立包括C類和以上電源范圍內地電力無線網絡。在開展電力系統設計工作時，需要充分滿足物的實際使用功能，并且以節約投資為建設目的，避免造成更多的資源浪費。為了提高節能效果，需要選擇現代化的節能設備，降低線路損耗，減少后期實際設備維護和保養的經濟投入，全面提升設備運行效率，達到電氣現代化設計目的。

1.3 基于北斗衛星的通信網絡結構

北斗通信系統一般采用短波通信。通信頻率低，一般利用短波通信，在通用電力的網絡構筑初期，國家電網打算修建1000個以上的北斗基礎設施。

1.4 無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡是一種可以把移動通信和計算機網絡相結合的裝備，也可以用很慢的在很近的輸送無線上網協議，選擇最為適合的適用于其它可以進行訪問和物理的層面，最為要緊的特點就是速度慢、不費電、資金少、還可以使用網上的節點、也能使用不同的網上拓撲、簡單易懂、穩定又安全。

2 無線通信參數特性對比分析

2.1 通信模塊功耗、通信距離與速率方面

在沒有外部供電的情況下，通信模塊的功能消耗就成了很重要的因素。然而電力系統里面，當需要高速時，就該先采用4G和5G；當單跳距離要求較長時，可選擇北斗、Lora和公網。就上面來說，通信模塊的功能消耗，在使用的時候還應對監控裝置自己本來的消耗功能也要考量。

2.2 成本與安全性方面

ZigBee和Lora屬于自己的組織網絡，因此用以后支付數據費，所以維護費用少，其他網絡都要交數據費用?？梢酝ㄟ^無功補償的方法，提高整體電力系統節能設計效果。工作人員需要提高對于無功補償設計的重視程度，合理改變變壓器的功率因素，達到節能效果。一般在無功補償過程中，可以采取三項互補的方法，但是在實際的工程電氣設計過程中具備較多的大功率電氣設備，對于工作人員開展三項平衡設計工作提出了更高的要求。為此，工作人員可以采取單向無功補償的方法，適量地加大經濟投入，綜合考慮設計各方面因素，使得無功補償的效果得到充分發揮。

3 無線網絡結構設計策略

3.1 應用場景劃分

電力物聯網無所不在的特點也在很大程度上起了關鍵性的作用，而且還要采集許多的電力設備信息，其中就有發電、輸電、配電、用電等不同的節點，而且監督著一次設備與二次設備的全部信息。采用比較實用的計劃，先要把即將進行收集的數據的輸送拖延、數據量也要全部區分。第一，具有高傳輸時延要求的信息，好像跟毫秒拖延一樣，要把不同的信息全部真實的傳輸。第二，對于不需要高傳輸延遲的信息，就跟秒時的拖延，把各種狀態監測信息傳輸。在開展工程設計過程中，首先要考慮的是適用性，即在滿足基本的電力系統設備運行要求和運行安全的基礎上，對整體的供電設計進行優化和完善，對設計的負荷容量進行計算，保障整體電力線路的絕緣距離、絕緣強度等能夠符合實際的供電要求。同時，需要在供電設計過程中設置相應的防雷設備，提高整體工程電氣設計的安全性。

3.2 無線網絡方案設計及其質量評價

拿監控系統來講，根據不同類型的數據上傳數據的重要程度、實時上傳來說有著很大的區別，例如，故障數據必須上傳，常規監測數據未超限不能在信道擁擠的時候上傳。所以，網絡資源也有一定的局限性，就要考量一下網絡服務的品質。所有的不同類型的應用數據處理要通過由高到底的級別來解決，不然就會使得整個通信的通道擁擠，對上傳重要信息有一定的影響。另外，在傳輸線路發生問題的時候，無線傳感器網絡中里包含的許多的不同節點在同一時刻發生“井噴”，就很容易產生波形數據，也會使其比較擁擠，我們就能選擇在通信協議的傳輸和應用的層面，采取一種預防擁堵的辦法，從整體上進行防御擁塞，保證整個系統的服務品質。

4 應用案例分析

4.1 應用需求與無線網絡結構設計

以超高壓輸電線路設備狀態監測系統來說，該系統需要對絕緣子泄漏電流、導線電流、導線張力、接頭溫度、導線舞動等信息進行監督，并對使用范圍實行了調研分析。可以利用現代化測量技術提高電力系統工程設備安裝位置的精確度，比如BIM技術、云計算技術、視覺掃描和檢測技術等。現代化電氣工程設備安裝的視覺掃描和檢測技術取代了傳統的人力視覺觀察，對電力系統工程安裝施工過程進行多種部位的特征提取，然后與后臺龐大且全面的安裝知識進行融合對比，最終提供更加專業的設備安裝建議，充分保障了電力系統工程的安全運行。

4.2 通信策略設計

第一從硬件方面來說，采集板的控制傳輸程序和無線模塊的傳輸控制程序有不一樣等級，所有的數據都會有因為等級不同而影響服務的先后順序。傳輸信息的先后順序有四種，順序信息由高到低依次傳輸，由報警信息、按時發送報文、隨時抽查較長的報文、按時檢測的報文，四個優先小組對應于四種優先類型。

第二從軟件方面來說，在采集板上，信息分為四類：危險的事故、有點事故、好像存在的問題和正常數據這四種，而且有了故障信息集生成，包裝報警信息，還要把故障信號樣本數據存儲在本地閃存中，后臺引用，服務器軟件接收到報警信息之后，接收到報警信息后進行報警。通過統計分析，利用定位算法確定故障點附近的通信節點，并根據故障嚴重程度查詢閃存中的故障記錄數據。

結束語：本篇論文介紹了電力系統中幾個比較特別的無線通信技術的網絡構造，匯總了不同種類的無線通信技術的特質。把無線通信技術的耗能、通信的距離、信息輸送時的安全方面、信息傳輸的速度、建立和養護的資金等方面進行了比較，以及各種無線網絡的表現。也列出了在信號的籠罩范圍、供電、通信速率、數據量、設備分布等方面的能不能在不同的狀態下適配；本文提出了在不一樣的時期、不一樣的情況下無線通信網絡結構的設計策略，并通過實例進行了驗證。