天地一體輸電線路狀態監測數據傳輸系統

楊德龍，王智慧，陳端云，蘇素燕

（1.中國電力科學研究院有限公司信息通信研究所，北京 100192；2.國家電網福建省電力有限公司調控中心，福州 350003）

作為能源互聯網的重要組成部分，輸電線路具有分布范圍廣、所處地形條件復雜、維護檢修難度高、易受自然環境影響和外力破壞及運行情況復雜多變等特點.我國幅員遼闊，經濟發展相對不平衡，隨著西電東送等工程的實施，輸電線路的重要性日趨突出，為保證輸電線路正常運行，迫切需要實現快速的預警、預測、風險評估和事故診斷等機制，實時監測輸電線路的運行狀態和運行環境，就需要有穩定可靠的通信網絡，實時將監控數據傳送到數據處理中心.

輸電線路特別是特高壓線路大多行經偏遠地區，有線網絡建設成本高，公網網絡信號覆蓋較差，無法滿足未來智能電網的實時監測需求，建設可靠的高速寬帶電力無線通信網絡具有重要意義.目前，已有一些輸電線路的數據傳輸方案被提出，文獻[1]提出了一種基于ZigBee的輸電線路溫度在線監測系統，詳細設計了硬件和軟件系統，其監控系統運行穩定，體積小，成本和功耗低，但無法實現大數據的通信傳輸.為了解決監控數據回傳不穩定的問題，文獻[2]采用IoT技術提高了輸電線路監測設備的感知能力和通信穩定性.文獻[3]提出了一種基于LoRa和NB-IoT的混合組網通訊方式，實現了在公網信號較差或無信號地區的架空輸電線路拉力和溫濕度等狀態監測數據的回傳.LoRa和NB-IoT都屬于窄帶數據傳輸系統，無法用于高帶寬需求的視頻數據傳輸.高壓輸電線路的運行容量大，電壓高，輸電線路的現場環境多變復雜，會產生一定的電磁干擾，這對無線網絡通信可能會產生較大的影響.然而，早期的研究表明，如果頻率超過20 MHz，干擾水平會大大降低.針對這一問題，文獻[4]提出了一種基于4G轉WIFI無線傳感器網絡的輸電線路監測系統，4G和WIFI無線通信技術的工作頻率遠大于20 MHz，系統具有傳輸速度快、監測范圍廣、網絡建設方便等優點.為實現數據量較大的視頻數據傳輸，文獻[5]提出了一種融合無線專用寬帶網和公共4G網的網絡方案，利用跳時擴頻通信技術改進現有的OFDM技術，結合有向天線，實現了帶寬54 Mbps、傳輸距離超過10 km的無線專用寬帶網，顯著提高了通信帶寬和傳輸距離，同時降低了成本.文獻[6]設計的輸電線路狀態監測系統，采用無源光以太網EPON網絡技術和無線局域網WLAN技術相結合，利用OPGW光纜完成信息傳輸.針對無線公網通信信號保密性低、安全性差、成本高和穩定性差的問題，文獻[7-8]提出了一種能源通信專用網解決方案，基于WiMAX+EPON技術，利用無線技術高度靈活的覆蓋能力，并結合光纖的高帶寬和高可靠性，達到了非常好的效果.文獻[9]提出了一種公共網絡和光纖通信相融合的通信系統，設計了包括本地組合網絡和遠程組合網絡的輸電線路監測系統，實際應用中提高了線路監測系統的通信質量.為解決輸電線路監測的鏈式無線通信網絡中的帶寬瓶頸和高延時問題，文獻[10]設計了一種復合通信網絡，在考慮帶寬約束的同時，以成本和等待時間優化為目標，建立了光纖分離放置的理論規劃模型.文獻[11]提出了基于LDPC編碼的OFDM無線專網通信系統，選取AWGN和瑞利衰弱這2個典型情景，通過仿真驗證系統的可靠性，并進行了實際應用，該系統具備即插即用、網管功能統一、組網靈活和系統保密功能完善等特點.基于局域網或公共通信網絡的監測系統存在一定的缺點和局限性.WIFI工作在ISM頻段，功率和覆蓋范圍受限，容易與其他工作在ISM頻段的設備相互干擾，多址接入采用載波監聽和碰撞避免協議CSMA-CA，其多用戶接入能力差，效率低，無法保證服務質量.已有的公眾移動通信網絡具有組網簡單，工程復雜度低，安裝使用方便，傳輸速率較高的特點，而且無需考慮通信網絡維護的問題，但是輸電線路走廊通常處于偏遠地區，信號覆蓋情況很不理想，且公眾移動通信網絡的帶寬不能保證，數據安全性也較低.另外，大規模的地面網絡建設需要密集的回程網絡和基站，導致高昂的建設和維護成本，在用戶密度低的區域，如偏僻山區、沙漠等，網絡建設性價比低，同時也無法覆蓋廣闊的海洋[12].

經過半個多世紀的發展，衛星通信技術取得了巨大的進步，根據軌道高度不同，衛星通信系統[13]可以分為高軌[14-15]、中軌[16]和低軌衛星通信系統[17-18].隨著低軌衛星通信技術的發展，衛星通信在速率、時延和可靠性等方面已具備與4G/5G移動通信相當的能力，能夠滿足大多數5G業務場景的通信需求.通過構建體制、架構、功能、接口、流程一體化的天地一體網絡，可以實現天基網絡和地基網絡的覆蓋融合、系統融合、網絡融合、業務融合和用戶融合，在提高網絡資源利用率的同時，實現對偏遠的海洋、深地、天空甚至太空的無縫覆蓋.

本文基于LTE協議，采用單載波頻分多址作為終端接入技術并結合衛星遠程回傳，設計了一種適用于偏遠地區輸電線路監測數據的傳輸方案，可實現高清視頻采集和數據采集，并利用仿真平臺對所提方案進行了性能檢驗.

1 未來場景需求

未來智能電網中的輸電線路監測任務將采集對象擴展至電力二次設備及各類環境指標，實現采集外破、桿塔傾斜、覆冰等各種數據，采集內容趨于視頻化和高清化，大量高清視頻均有回傳需求，因此需要更大的帶寬及更廣的連接.

本文考慮業務終端在重點線路區域1 km范圍內設置50個終端分布，包括數據采集類和視頻采集類設備.視頻采集類終端24個，單個終端每1 min采集10 s，傳輸時延為20 s，單個終端的帶寬需求不低于2 Mbps；數據采集類終端24個，單個終端單次采集的數據大小為5 B，每1 s采集20次，通信時延為1 s，帶寬需求不低于4 kbps；氣象站監測終端2個，單個終端數據大小為20 B，每10 min傳輸1次，時延為1 s，帶寬需求不低于1.33 bps.

輸電線路監測系統包括通信傳輸網絡、前端采集裝置和后端監控中心.前端采集裝置是指安裝于線路及桿塔上的狀態監控傳感器，主要用于采集視頻流數據或其他數據，包括溫度、氣象、現場環境等信息.傳輸網絡負責將從監控終端采集的數據打包、壓縮并傳輸到數據庫.監控中心進行數據提取、分析和比較歷史數據信息，并評估線路的運行狀態.

在保證數據安全的前提下，通信傳輸網絡應具備以下性能：

（1）實時性好.帶寬充足，支持同時接入大量設備，可同時傳輸多個高清視頻通道.

（2）安全性高.數據須加密以防止黑客攻擊，滿足電力系統數據傳輸的安全性要求.

（3）運行穩定.通信網絡運行的可靠性高，維護周期長，個別設備的損壞對系統的影響小.

（4）成本控制.前期建設和后期維護成本須滿足要求.

2 通信組網方案設計

本文提出一種適用于偏遠地區輸電線路監測數據回傳的全無線數據傳輸方案，終端接入方案基于成熟的LTE（long term evolution）協議，采用單載波頻分多址技術SC-FDMA（single carrier frequency division multiple access）作為終端多址接入方案，通過衛星通信實現遠程回傳.本文設計的輸電線路監測數據傳輸方案的架構如圖1所示.類似于OFDMA，SC-FDMA只是在子載波映射模塊之前增加了一個DFT模塊，首先將待調制的數據符號轉換到頻域，然后再進行OFDM調制，其特點是每個數據符號都分布在整個傳輸帶寬內.因此SC-FDMA也稱為DFT擴展OFDMA（DFT-spread OFDMA），其峰均比較低.SC-FDMA信號具有單獨的載波特性，這要求在每個傳輸間隔，分配給每個用戶的子載波必須是連續的.

圖1 輸電線路監測數據傳輸方案Fig.1 Transmission scheme for transmission line monitoring data

LTE雙工方式分為時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）.TDD模式對下行時隙的分配比例較高，更適用于下行業務為主的移動互聯網業務.輸電線路監測數據傳輸系統主要業務是上行傳輸，因此本文考慮FDD方案，即上行和下行采用不同的頻段，其優點是可以靈活分配上下行帶寬，提高頻譜資源利用率.LTE-FDD幀的一個無線幀的長度為10 ms，每幀包含10個子幀，每個子幀進一步劃分為2個時隙（slot），每個時隙的時長是0.5 ms.若系統循環前綴（CP）為Normal CP，則每個時隙中包含6個OFDM符號；若為Extended CP，則包含7個OFDM符號.在頻域上，將可用帶寬以15 kHz為間隔劃分為子載波，LTE系統最小的物理資源單位為RE（resource element），1個RE在時域上占用1個OFDM符號.LTE的資源調度單位為資源塊RB（resource block），1個RB在時域上為1個時隙（0.5 ms，半個子幀時長，常規CP對應7個OFDM符號），在頻域上為12個連續的子載波（180 kHz）.系統的最小調度周期為2個時隙，即一個子幀的長度（1 ms）.在分配資源時，每個用戶最少分配1對（2個）RB，所以每個用戶在1 s內最多可調度1 000次.LTE這種幀結構安排使得系統可以根據不同用戶的信道質量，在多個用戶之間靈活分配無線資源，使得每個用戶盡可能獲得信道質量最好的資源塊，實現資源利用最大化.LTE的幀結構如圖2所示.

圖2 LTE系統幀結構Fig.2 Frame structure for LTE system

將幀在頻域上進行劃分，表1給出了信道帶寬與RB資源數的對應關系.LTE Rel-9標準支持最小1.4 MHz，最大20 MHz的多種帶寬配置，實際應用中可以根據具體的數據傳輸速率和服務質量要求（QoS）以及子載波信道質量，在多個用戶間靈活分配可用的時頻資源，并實現資源利用的最大化.

表1 信道帶寬與RB資源數對應關系Tab.1 Relationship between channel bandwidth and number of RB resources

LTE在上下行鏈路系統中采用自適應調制編碼技術AMC（adaptive modulation and code），根據每個終端的信道質量CQI（channel quality indicator）動態調整所占用的資源塊的調制方式與信道編碼碼率MCS（modulation and coding scheme），在保證鏈路傳輸質量的前提下，提高傳輸效率.當信道質量較差時，選擇較低的MCS，當信道質量較好時，選擇較高的MCS.LTE上行鏈路可選的調制編碼方案有28種，調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，信道編碼的碼率最低為0.101 499，最高為0.888 406.

3 系統性能仿真

在NS-3仿真平臺上搭建了仿真模型，對所提方案的性能進行了仿真分析.考慮如下場景，基站位于區中心，終端類型包括視頻終端和數據終端，終端在基站左右兩邊呈對稱帶狀均勻分布.每隔40 m放置一個視頻終端和一個數據終端，每個視頻終端的上行速率不低于2 Mbps，單個小區視頻終端數量不低于24個，延遲20 s；每個數據終端上行速率不低于4 kbps，單個小區數據終端數量不低于26個，延遲不高于1 s.

終端噪聲系數為9，基站的噪聲系數為5，上行鏈路工作頻段為1 930 MHz，下行鏈路工作頻段為2 120 MHz.考慮到電力傳輸系統的特性，終端高度和基站高度都設為10 m，信道模型采用非視距場景下的3GPP郊區宏小區模型（RMA）.LTE中定義了UMA、UMI、RMA和INH等4類應用場景[19-20]，RMA適用于建筑物分布比較稀疏的地區，如大部分農村地區和一些欠發達鄉鎮地區.在這種情況下，基站天線的高度在10～150 m之間，終端距地面高度約1.5 m，站與站之間的距離最大可以達到5 000 m.視距/非視距（LOS/NLOS）場景[21]下大規模空間損耗的RMA模型的傳播損耗如下：

NLOS場景下傳播損耗計算公式為

其中：hUT、hBS、W、h和d3D分別為終端天線高度、基站天線高度、街道寬度、建筑平均高度和發射機與接收機間的距離，單位均為m；fc為載波中心頻率，陰影衰落為8 dB.一般情況下1＜hUT＜10，10＜hBS＜150.

LOS場景下傳播損耗計算公式為

LOS場景下取基站天線高度和終端天線高度分別為hBS=35，hUT=1.5，陰影衰落為6 dB.

3GPP協議中定義了3種小尺度衰落模型，對多徑衰落以及多普勒效應等進行信道模型的仿真，包括擴展行人信道模型EPA、擴展車輛信道模型EVA以及擴展典型城市信道模型ETU.考慮到輸電線路監測實際應用場景中終端和基站位置相對固定，本文采用移動速度接近于0的EPA衰落模型，EPA衰落模型在不同時間和頻率上的信道幅度響應如圖3所示.

圖3 EPA衰落模型Fig.3 EPA fading model

使用地球同步軌道衛星，設定回傳鏈路數據速率為100 Mbps，時延為0.3 s，重點研究多終端接入能力及服務質量.設置基站最大發射功率為20 dBm，信道帶寬分別為5、10、15和20 MHz，終端最大信號發射功率分別為10、20和30 dBm，基站最大發射功率為20 dBm，丟包率不超過1%，仿真評估單個小區可以容納的終端對數量，結果見表2.表中數字n表示終端對數量，即n個視頻終端和n個數據終端.另外，每個基站配置2個固定的氣象終端.

表2 不同帶寬和功率配置時單個小區可以容納的終端對數量Tab.2 Number of terminal pairs that a single cell can accommodate under different bandwidth and power configurations

由表2可見，當信道帶寬為5 MHz時，一個基站可以支持8個視頻終端和8個數據終端，按照終端間隔40 m計算，可以覆蓋的輸電線路長度為320 m，小區范圍的半徑較小，單個終端的發射功率達到10 mW即可.終端數量主要由可用的頻譜帶寬決定，單個基站支持的終端數量隨帶寬的增加而增加，而單位長度內輸電線路的監測終端數量是固定的，輸電線路的覆蓋范圍會隨著終端數量的增加而擴大，路徑損耗會同時增加，小尺度衰落的影響也更加顯著，因此在小區邊緣處的終端的最大功率也需要增加.由表2可以看出，當最大功率為1 000 mW（30 dBm）時，單個基站可支持的終端數量沒有隨著帶寬的增加而線性增加.因此，在配置終端數量時需要綜合考慮建設成本、頻譜資源利用率以及功率和效率等因素.

根據表2數據，本文認為帶寬10 MHz是較好的選擇，此時單個基站最多可以支持15對終端，覆蓋線路長度為600 m，終端最大功耗只需要10 mW.表3給出了配置14對終端情況下各個終端的延遲和延遲抖動.

表3 終端的延遲和延遲抖動Tab.3 Delays and delay jitters of terminal

由表3可見，視頻終端的延遲約為0.33 s，其中0.3 s為衛星鏈路回傳延遲，終端接入系統的延遲約為30 ms.數據終端的延遲約為0.31 s，其中0.3 s為衛星鏈路回傳延遲，終端接入系統的延遲約為10 ms.數據終端的平均延遲小于視頻終端，這是因為數據終端的數據包長度短，為了提高吞吐率，視頻終端采用大包傳輸，需要更大更多的資源塊，在多個傳輸間隔完成.除1號和14號視頻終端外，其他視頻終端的延遲抖動約為0.1 ms，1號和14號視頻終端的延遲抖動高于其他終端，這是因為這2個終端處于小區邊緣，信道質量較差，有些情況下需要進行檢錯重發.數據終端的延遲抖動較高，在0.1～0.7 ms范圍內波動，這是因為其數據包較小，允許調度器更靈活分配資源.總體來看，2種終端的延遲和延遲抖動均滿足實際要求.

4 結語

未來輸電線路監測內容趨于視頻化、高清化，連接端數量激增，大量高清視頻均有回傳需求，因此需要更大的帶寬及范圍更廣的連接，已有的物聯網傳輸標準、ISM頻段的傳輸體制均不能滿足要求，需要針對輸電線路監測應用開發專用數據傳輸標準.LTE系統具有良好的資源配置能力和多終端接入能力.本文基于LTE協議，結合多終端接入方案和衛星遠程回傳，設計了一種適用于偏遠地區輸電線路監測數據的傳輸方案，仿真結果表明，該方案可以滿足偏遠地區輸電線路監測系統的數據傳輸需求.