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

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摘要：通信傳輸網(wǎng)絡的建設是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設置的重要環(huán)節(jié)。隨著輸電線路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，對通信傳輸網(wǎng)絡的要求日益增高。因此，分析輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡建設的需求，指明通信傳輸網(wǎng)絡的組成與設計，并重點闡述具體的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路；狀態(tài)監(jiān)測；通信傳輸網(wǎng)絡技術(shù)

0引言

利用輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測能夠完成對輸電設備運行狀態(tài)的管理，對提升輸電設備運行管理水平有著重要的促進作用。輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測主要運用廣域通信技術(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備的運行狀態(tài)、實時監(jiān)控、預警信息、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)絡建設的需求分析

現(xiàn)階段，我國輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設備樣式繁多，分類方式也較為多元。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測設備按功能可分為機械類、電器類與運行環(huán)境類，按設備形式可分為導線監(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，按設備的安裝位置則可分成地線類、導線類、絕緣子類、金具類、桿塔基礎類、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1Mbit/s，高清情況下要大于3Mbit/s，且數(shù)據(jù)的形式多為流媒體，有著實時性的要求，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150Mbit/s，數(shù)據(jù)形式為數(shù)據(jù)報文，具有非實時性的要求，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150Mbit/s，數(shù)據(jù)形式為數(shù)據(jù)報文，具有準實時的要求，常用接口為串行接口，常見的監(jiān)測裝置為導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)絡的主網(wǎng)。當前，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)絡建設已趨于完善；（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到幾萬米，在建設過程中，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)點的設備與變電站的節(jié)點設備；（3）微網(wǎng)，微網(wǎng)的建設一般以輸電線路的塔桿為中心，實現(xiàn)周邊數(shù)十米范圍內(nèi)通信傳輸?shù)娜采w，主要負責各傳感器、攝像頭等設備中數(shù)據(jù)的接收與傳輸，同時完成與接入網(wǎng)的連接。

3輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡的設計

3.1通信傳輸架構(gòu)的演進

在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡中，主要利用傳感器、監(jiān)控器等實現(xiàn)終端信息的儀器構(gòu)成過程層的通信傳輸網(wǎng)絡，具有通信面較廣與信息類型較為復雜的特點，對通信傳輸?shù)陌踩?、可靠性以及實時性要求較低，對資產(chǎn)管理類終端的可移動性要求則較高。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡的間隔層主要用來匯集間隔過程的所有實時數(shù)據(jù)，并完成信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)某猩蠁⑾?。因此，通信傳輸網(wǎng)絡的間隔層要求迅速且同時完成與過程層和站控層的網(wǎng)絡通信傳輸.在通信傳輸網(wǎng)絡中，站控層是該區(qū)域變電站控制中心與遠端的變電站控制中心以及電力企業(yè)的設備管理中心構(gòu)成的通信傳輸核心網(wǎng)絡。在實際應用中，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)絡中，過程層、間隔層以及站控層中的通信傳輸設備形成邏輯上與物理上的樹狀拓撲，邏輯結(jié)構(gòu)較為單一，信息數(shù)據(jù)的流向為終端到主站的縱行方向[2]。

3.2通信傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡的建設主要應用匯聚交換機、接入交換機、主IEDCAC、主IEDCMA、主IEDCAG以及IED設備。在設備連接操作中，采用穩(wěn)定性較高的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，可有效避免產(chǎn)生廣播風暴，屬于較常使用的連接結(jié)構(gòu)方式，同時能夠增強通信傳輸網(wǎng)絡的擴展性，方便實施故障的隔離，整體提升通信傳輸網(wǎng)絡的可靠性。在邏輯網(wǎng)絡的構(gòu)建上，不再僅僅使用樹形一點對多點的層級結(jié)構(gòu)，而是采用全互聯(lián)、扁平式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡進行連接，能夠?qū)νㄐ艂鬏斁W(wǎng)絡中的主IED設備實施分布式布置，為數(shù)據(jù)的存儲與計算提供一點對多點的網(wǎng)狀通信支持。

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

在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡建設過程中，可使用OSI七層體系結(jié)構(gòu)中的路由設備、交換設備以及傳輸設備組成通信設備。其中，路由設備應選用穩(wěn)定性與可靠性較好的路由器。鑒于路由器的網(wǎng)絡協(xié)議較為復雜、數(shù)據(jù)信息傳遞與交換效率相對較低、網(wǎng)絡配置靈活程度較差，需要加設DHCP服務器或DHCP中繼等輔助設備，促進功能的實現(xiàn)。交換設備的優(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，交換設備也具有一定的局限性。例如，用交換設備組成二層協(xié)議網(wǎng)絡時需要依托地址的解析協(xié)議廣播進行尋址，易導致廣播風暴的產(chǎn)生。此外，通信傳輸網(wǎng)絡的可控性較差，需利用快速生成樹協(xié)議、生成樹協(xié)議以及IEEE802.1P補充協(xié)議實施調(diào)整[3]。以基于SDH的多業(yè)務傳輸平臺與同步數(shù)字體系網(wǎng)絡為代表的傳輸設備，具備帶寬較高、時延程度低且安全性能較好的優(yōu)點，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)測設備所采集到的數(shù)據(jù)信息，可使用10/100M自適應以太網(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)設備采集到的信息數(shù)據(jù)，并傳輸至桿塔節(jié)點設備。鑒于以地線類監(jiān)測裝置、導線溫度檢測等導線監(jiān)測裝置為代表的傳感設備與桿塔節(jié)點的通信傳輸方式為無線射頻通信，這些設備并沒有安裝在桿塔上。在進行組網(wǎng)時，可以無線傳感網(wǎng)絡的建設為參考，將異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通性、WSN的低耗自組機制以及大結(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，具體實施時，需依賴多種應用與無線個域網(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100Mbit/s以上，但其通信傳輸?shù)木嚯x不能超過10m。此外，也可應用低速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100m。當前，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)絡技術(shù)復雜程度較低、功率消耗低且運行成本較低，屬于基于IEEE805.15.4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250Mbit/s以上，能夠與Mesh型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)協(xié)同運行。

4.2接入網(wǎng)通信技術(shù)

接入網(wǎng)的通信傳輸覆蓋長達幾百米至幾萬米，在執(zhí)行對通信傳輸網(wǎng)絡中變電站節(jié)點設備與桿塔節(jié)點設備的連接時，應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IEEE802.11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外，還具備移動接入的能力。在不同的標準與頻段下，無線保真技術(shù)實現(xiàn)的傳輸速率有所不同。例如，在IEEE802.11a的標準下使用5GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率為54Mbit/s，而在IEEE802.11b的標準下，使用2.4GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率僅為11Mbit/s。全球微波互聯(lián)接入是一種基于IEEE802.16規(guī)范的無線城域技術(shù)，具有較強的移動接入能力，能夠滿足接入網(wǎng)通信覆蓋范圍的要求。應用全球微波互聯(lián)接入技術(shù)實施輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡中接入網(wǎng)的建設，能夠得到最大為100Mbit/s的傳輸速率，可在2～66GHz之間所有的頻段下正常工作。在建設接入網(wǎng)時，常使用光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與無源光網(wǎng)絡技術(shù)展開光通信。應用光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可將輸電線路塔桿上安裝的以太網(wǎng)交換機與變電站內(nèi)的以太網(wǎng)交換機利用光纖完成連接，形成鏈狀網(wǎng)絡。該技術(shù)的使用能夠為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳遞網(wǎng)絡提供100/1000M的共享寬帶，而在進行點對點的通信傳輸中，能夠完成80km以內(nèi)的傳輸。無源光網(wǎng)絡技術(shù)采取一點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)，利用一個光纖和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)絡單元連接在一起，形成鏈狀分布，可為通信傳輸網(wǎng)絡提供1.25G以上的共享寬帶，最大通信傳輸距離為20km。無線擴頻通信技術(shù)與第三代、第四代移動通信技術(shù)（3G、4G）同樣能為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡的建設助力。尤其是無線擴頻通信技術(shù)，具備較強的抗干擾能力，最高傳輸速率可達153.6kbit/s。而3G技術(shù)的最高傳輸速率為2Mbit/s，4G的最高傳輸速率則要大于100Mbit/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)測的地點也較為分散，通信傳輸網(wǎng)絡的建設需要結(jié)合實際的條件要求進行。在進行接入層與微網(wǎng)的建設時，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)絡技術(shù)、無線擴頻通信技術(shù)以及第三代、第四代移動通信技術(shù)中挑選合適技術(shù)完成實際的網(wǎng)絡建設。

參考文獻：

[1]任瑞杰.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及應用[D].北京：華北電力大學，2016.

[2]胡致遠，楊炳爐，朱詠梅，等.輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡設計[J].高電壓技術(shù)，2015，41（7）：2252-2258.

[3]陳北海，趙萌.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)通信，2012，33（5）：47-51.

[4]楊漾.輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的信息建模與安全策略研究[D].長沙：湖南大學，2012.

作者：王喆 劉峰 溫興賢 陳崢 馬潤 單位：國網(wǎng)寧夏電力有限公司信息通信公司