輸電線路在線監測通信網絡的設計與改進

高 飛

（中國南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

輸電線路是智能電網的重要組成部分，所處的環境比較惡劣，容易遭受自然環境的影響及外力的破壞，致使日常的巡檢和維護工作面臨嚴峻挑戰。為保障輸電線路安全、穩定的運行，實現對其本體、線路走廊及微氣象參數等的實時監測，及時發現輸電線路存在的隱患或者風險就顯得尤為必要。隨著信息化建設戰略的提出，帶動傳感器技術、信息處理技術、廣域通信技術的快速發展，這為輸電線路在線監測通信網絡的建設提供技術支持。加強輸電線路在線監測通信網絡建設，不僅可以對輸電線路的運行情況進行及時的跟蹤，還可以進行事故分析、損失識別、風險識別，有效提升輸電網絡的安全性、可靠性以及維護性。

近年來，為滿足日益增長的用電需求，輸電線路的在線監控通信網絡的建設變得越來越重要，因為它的可靠性、穩健性以及安全性是輸電線路是否穩定、安全運行的重要影響因素。因此，建立一個完善的、穩健的、可持續的輸電線路在線監控通信系統，以滿足日益增長的需求，已變成當今社會發展的必然趨勢。基于目前輸電線路在線監測通信網絡存在的主要問題，針對主要的4 種通信方案進行通信技術與網絡傳輸的設計優化，以推動輸電線路在線監測通信網絡的完善。

1 輸電線路在線監測通信網絡存在的問題

穩定性差、能耗高以及網絡設計存在缺陷是當前輸電線路在線監測通信網絡存在的主要問題[1]。

1.1 通信網絡穩定性差

為避免高電壓帶來的電輻射對人的危害，高壓輸電線路往往會架設在遠離人員密集的郊區或野外，所處環境大多比較惡劣。惡劣的環境，如高溫、冰雪、高海拔等都將影響通信網絡的穩定。此外，輸電線路產生的強電磁干擾也是影響通信網絡穩定的重要因素。

1.2 通信網絡功耗高

太陽能與蓄電池結合是在線監測網絡的主要供電方式，但供電功率受到限制。通信方式的多樣化導致功耗增加，容易出現狀態監測與診斷（Condition Monitoring and Diagnosis，CMD）裝置因缺電而無法正常工作的情況，難以滿足輸電線路的在線監測。此外，在高溫和低溫環境下，供電效率還明顯降低。

1.3 通信網絡設計不合理

目前，輸電線路設計與在線監測系統設計不同步，造成后續監測設備的規劃與設置存在一定的不合理性。例如，安裝終端監測設備的塔桿未預留光纖接頭盒，導致該塔桿的監測數據需要借助Wi-Fi 傳輸到有光纖接頭盒的塔桿，形成了同一條線路中光通信+Wi-Fi通信并存的模式。但該模式不僅穩定性相較單一光通信要差，而且成本高。因此，根據輸電線路運行的實際場景，開展在線監測通信網絡的合理規劃，盡量減少光通信+Wi-Fi 通信并存的現象。

2 通信網絡技術設計

2.1 輸電線路在線監測系統

輸電線路監測系統由前端采集設備、通信傳輸網絡以及后臺監控中心組成，可以實時監測線路狀況[2]。前端采集裝置主要用于狀態監測的傳感器，安裝于線路塔桿上，不僅能夠實時監測塔桿的振動、傾斜以及周圍氣象條件，還能采集傾角、溫度、濕度以及視頻圖像等數據。

通過將監測終端收集的數據經過精細化處理和壓縮，傳輸網絡將其存儲在數據庫，而監控中心則可以從這些數據中抽取出有價值的內容，并與過去的記錄相互比較分析，以便更好地了解線路的運行情況。

2.2 輸電線路主要在線監測通信網絡技術

目前，根據實際需求及輸電線路的實際運行情況，主要的在線監測通信網絡技術有無線接入點（Access Point Name，APN）專網、光通信網絡、光通信+Wi-Fi 以及無線專網等4類，具體如表1 所示[3]。

表1 輸電線路主要的在線監測通信網絡技術

2.3 輸電線路主要在線監測通信網絡技術的設計優化

第一，無線APN 專網設計優化。一方面，在無線APN 專網中的監測分機上設置看門狗軟件，設定固定時間對通信模塊電源進行復位，有效避免死機和通信故障帶來的影響；另一方面，監測分機在進行數據傳輸之前，通過相應軟件進行網絡狀態的判別，如果遇上網絡通信問題，可以進行通信模塊電源的復位，以保障數據傳輸的穩定。第二，光通信網絡設計優化。同樣設置通信模塊電源復位裝置，避免系統死機帶來的通信問題。針對功耗過高的問題，可以通過軟件對監測裝置進行優化，例如，采用邊緣計算，將數據分析的工作剝離至前段設備。監測分機主要負責數據的通信工作，只有出現故障或者有后臺指令時才進行數據傳輸，有效降低監測分機的工作頻次。第三，光通信+Wi-Fi 設計優化。盡可能在輸電線路設計之初就同步開展在線監測系統的設計，從而避免出現光通信+Wi-Fi 通信方式。第四，監測分機的功耗問題同樣可以采取邊緣算法，與光通信網絡設計一致。第五，無線專網設計優化。此通信技術的設計優化可與無線APN 專網的設計優化一致。

3 通信網絡安全設計

輸電線路在線監測通信網絡最核心的工作就是將監測的關鍵數據傳輸到電力公司內網，以方便電力公司及時了解輸電線路的各項狀態，其中數據的完整性與安全性是通信網絡需要關注的重要問題，因為數據完整才能有效反映輸電線路的狀態，才能保證監測的穩定性與可靠性。因此，關于通信網絡的安全設計可以從CMD 數據加密和通信網絡安全2個方面展開。

3.1 CMD 數據加密設計

通過開發專門為CMD 服務的加密芯片，可以有效保護CMD 數據傳輸。其中，加密算法包括SM2、SM1 算法，數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）/三重數據加密算法（Triple DES，3DES）及RSA 公鑰算法。在安全芯片的加持下，當CMD 需要連接平臺進行數據通信之前，需要進行密鑰協商，具體加密設計如圖1 所示[4]。

圖1 CMD 數據加密設計

3.2 通信網絡安全設計

不同的通信方式與交流方式需要采用不同的安全策略來保障網絡安全。對于無線APN 專網的通信安全優化，一是可以立足虛擬專有撥號網絡（Virtual Private Dial Network，VPND），通過二層隧道協議，構建一個指定用戶的專用虛擬網絡，從而實現企業虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）無線接入解決方案；二是借助運營商的APN 平臺，提前在運營商的無線網絡與安全接入平臺之間開設一條專用通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）數據傳輸隧道，從而使監測分機能夠通過撥號方式連入平臺。對于光通信網絡、光通信+Wi-Fi 的通信安全設計優化，均需要使用到在工業級光纖交換機和無線接入點（Access Point，AP），因此可以通過對交換機和無線AP 進行媒體訪問控制地址（Media Access Control Address，MAC）過濾以及MAC 和IP地址綁定的方法來保證通信的安全，此外還可以采用Wi-Fi 網絡安全接入第二版（Wi-Fi Protected Access 2，WPA2）加密協議，通過隱藏服務集標識（Service Set Identifier，SSID）的方式提升通信的安全。對于無線專網的通信安全設計優化，可以將專網終端、射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）的MAC 和IP地址綁定，這樣就能防止非法用戶接入專網終端和RUU[5]。此外，將變電站或換流站的管理計算機設置為用戶登錄驗證模式，有效防止沒有授權的用戶隨意進入。

4 結 論

輸電線路在線監測通信網絡對輸電線路的實時、準確監控起到十分重要的作用。針對目前主要的4 種通信網絡技術進行研究與分析，旨在讓電力行業人員能夠更清楚地認識各個通信網絡技術存在的弊端和優化的方法，以期在未來輸電線路在線監測通信網絡技術的選用與應用提供參考，推動我國輸電線路的安全、穩定運行以及智慧電網的高質量發展。