特高壓輸電塔實時監測系統的數據傳輸方法研究*

胡順仁，曾 鋒，趙 紅，佘 麗，包 明

（1．重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054;2．重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

建設特高壓電網是國家“十二五”電網發展的一個重要目標，然而，冰凍、大風等惡劣的自然災害都會給輸電線路造成重大的破壞，尤其是造成輸電塔的傾斜、倒塌。傳統依靠人工方式巡檢已經無法適應國家電網快速的發展。電力企業為避免由定期預防性實驗和定期檢修對設備檢修“過度”或“漏失”而引起的運行可靠性降低和經濟損失，迫切需要建立遠程無人值守的特高壓輸電塔實時監測系統，以預防和減少事故的發生，提高電力系統的安全性。

目前，特高壓輸電塔實時監測系統已成為國內外學術界和工程界研究的熱點［1～5］。但大多數研究都重點關注在傳感器系統與結構評估技術領域，對于數據傳輸部分關注不多，其主要原因是認為現有通信技術已經足以成熟，可直接使用在遠程監測系統中。但是，特高壓輸電塔由于其自身的特殊性有別于其它遠程監測系統:一方面，由于特高壓輸電塔都處于遠離城鎮的荒郊野外，從經濟和技術可行性上只能采用公共無線信道進行數據傳輸，最常用的就是采用GPRS，CDMA等技術，而在這些地方公共信道相對較弱;另一方面，特高壓輸電塔上輸電線傳輸電都是幾十萬伏的高壓，會在輸電塔周圍形成一個強電場輻射、強干擾的區域，無線信道會受到較強的干擾［6，7］。因此，在公共無線信道上提高特高壓輸電塔實時監測系統數據傳輸的可靠性就變得尤為關鍵。

1 特高壓輸電塔實時監測系統組成

特高壓輸電塔實時監測系統主要包括采集輸電塔狀態信息的傳感器系統、將狀態信息傳輸到遠端監控中心的數據傳輸系統、利用狀態信息對特高壓輸電塔結構狀態進行評估的安全評估系統，如圖1所示。

圖1 特高壓輸電塔實時監測系統示意圖Fig 1 Diagram of the UHV transmission tower real-time monitoring system

傳感器系統是采集特高壓輸電塔狀態信息（如振動、傾斜、風速等），并處于特高壓輸電塔本地端。而對特高壓輸電塔結構安全狀態進行評估的安全評估系統則是處于遠離特高壓輸電塔的城市區，所以，數據傳輸系統就必須實現將監測數據進行遠程傳輸［8～10］。采用專網方式和有線傳輸都存在較高的經濟成本，勢必最佳選擇只能采用公共無線信道。而特高壓輸電塔大多是在荒郊野外，公共信道的信號大多較弱，信號經常出現時有時無，數據傳輸容易出現丟失情況。

2 特高壓輸電塔環境特性對無線信道的影響

特高壓輸電塔傳輸的電壓都是幾十萬伏以上，高壓架空輸電線路的特點是電壓高、頻率低。其運行電壓通常要比日常電器設備運行電壓大3個數量級。50 Hz的工頻在電磁頻譜中屬于超低頻，輸電線路的電磁效應主要是通過電場、磁場和電暈等3種形式起作用的［11］。

當輸電線路運行時，輸電導線上的電壓會在周圍空間產生電場。交流輸電線路產生的電場雖然是交變電場，但是因為其頻率極低，具有靜電場的普遍特性，即電場強度的大小與導線上的電壓呈正比。輸電線路對通信線路的影響包括靜電感應和電磁感應。由于靜電耦合作用，輸電線路的電場會在鄰近的通信線上產生感應電壓，即靜電感應。輸電線路的電磁影響主要來自輸電線路中的諧波。而GPRS的工作頻率為900/1 800 MHz，而輸電線路的許多諧波正好迭落在這個頻率范圍內。

電暈和火花放電產生的無線電干擾，其頻譜主要集中在中、短波段到甚高頻，尤其特高頻已是極其微弱，對幾十米外的基站天線的發射和移動用戶的接收不可能造成任何干擾影響，即送電線路有源干擾對移動通信信號的影響可不予考慮。

相對于110 kV高壓輸電線路，在輸電線路50 m以內，電場的影響較大，是干擾通信的主要因素，相比之下磁場的影響很小，可忽略不計。隨著距離增大，電場的影響顯著下降。在距離100 m以外 ，磁場影響就上升為主要因素 ，靜電影響則可忽略不計。

同時，當移動用戶位于送電線路鐵塔附近時，用戶在接收基站發送的直達信號的同時，還可能會收到經鐵塔反射過來的多徑信號。由于移動通信信號的波長較短，鐵塔不能視為一個實體，因此，經鐵塔反射的多徑信號可能是多個方向，多徑信號對用戶接收效果的影響將減弱，特別是在用戶離開鐵塔較遠時，這種影響會更小。

所以，處于特高壓輸電塔近距離范圍內的數據傳輸系統主要會受到電場、多徑信號等干擾，特別是隨著周圍環境的變化，如在雨、雪等惡劣天氣下，干擾也會產生變得嚴重。

3 應答確認與自適應數據動態重傳機制

數據傳輸系統主要包括應答確認和自適應動態數據重傳機制兩部分。應答確認主要目的是為了解決公共信道傳輸過程中數據掉包的問題，自適應數據動態重傳機制主要目的是為了解決強干擾、弱信號環境下的實現數據最大效率傳輸。

3．1 原理與設計思想

對傳輸的數據進行確認應答是解決數據傳輸的可靠性常用的方法。根據確認方式不一樣，數據傳輸一般可以分為連續傳輸和不連續傳輸2種方式。連續傳輸方式是將數據連續發送給對方，直到對方確認出錯，再將出錯的數據進行重新傳輸，這種方式稱為回退式;不連續方式為發送一個數據包，然后停止等待對方確認后再發送，這種方式也稱為停等式［12］。自適應數據動態重傳機制的思想就是根據通信信道質量的好壞，實時調整數據傳輸方式，從而在保證數據傳輸可靠性基礎上，實現數據的最大效率傳輸。

3．2 閾值確定

自適應數據動態重傳機制很重要的一個環節就是確定無線信道質量，也就是要確定一個閾值來作為判斷網絡信道質量的好壞，以此來動態調整數據包大小。

數據傳輸的通信效率的表達式如式（1）與式（2）所示

其中，K為數據的長度，pe為在任何一個數據包個差錯的概率，T為傳輸時延，tn為傳播時延，R為鏈路傳輸速率，nh為控制信息的長度，N為回退的數據包數的大小。

由以上兩式可知，當通信信道的傳輸質量較好時，回退重傳的通信效率比較理想，但是當通信鏈路的傳輸質量較差、誤碼率較大時，回退重傳回退的數據包數大大增加，而停等式方式傳輸較為合適。在利用公共無線信道進行數據傳輸的過程中，網絡狀況的好壞存在一定的不確定性，根據下述步驟計算判定網絡狀況的閾值Δ:

1）計算某時刻丟包數Δxi的方法

發送方每間隔時間Δt發送m個數據包，接收方接收的數據包個數的集合X={x1，x2，…，xn}，xi為ti時刻接收的數據個數，則ti時刻的丟包數為

2）計算聚類中心值M的方法

以計算得到的丟包數序列 ΔX={Δx1，Δx2，…，Δxn}（i=1，2，…，n）作為樣本集，根據下式計算聚類中心值M

3）確定閾值Δ的方法

由下式計算丟包數與聚類中心值的距離Ki（Δxi，M）

得到數據組K={k1，k2，…，kn}，i=1，2，…，n。

根據Δ=g·maxK確定閾值，其中，g為參數的安全系數。

某時刻接收方接收到的數據包個數為xi，丟包數為Δxi，則根據式（6）判斷網絡狀況的好壞，自動選擇合適的重傳方式

其中，Δxi為某時刻丟包數;M為聚類中心值;Δ為設定的閾值;wi為網絡狀態值。

3．3 動態調整機制

而數據包動態調整不能簡單地采用停等式或回退式，為實現數據的“盡力”傳輸，數據要在信道“空隙”質量狀況較好實現數據最大效率傳輸，數據包動態調整機制策略為“快速啟動”、“線性增長”、“回歸發送”，見圖2所示。

圖2 動態調整示例Fig 2 Sample of dynamic adjustment

“快速啟動”主要是將數據包發送大小以2的倍數指數級增長，這樣可以很快地將數據包大小增長到最大，達到門限值（門限值初始值為接近發送數據包最大值Mmax的一個2的冪）。

“線性增長”主要是將數據包大小加1發送，這樣使得數據包大小以線性方式增長，達到數據包最大值Mmax，或確認時間達到最大為止。

“回歸發送”是指當干擾變嚴重時，網絡狀態變差，數據丟包增多，發送的數據包收到確認時間變長，這時使數據包大小重新回到1開始發送，然后將門限值減半，重新開始啟動發送。

3．4 算法實現與流程

本算法首先要收集數據樣本，根據上述閾值確定方法確定合適的閾值，根據數據樣本來統計最大發送數據包Mmax，以此來確定門限值。算法具體實現如圖3所示。

圖3 應答確認與自適應數據動態重傳機制流程圖Fig 3 Flow chart of the response confirm and the adaptive data dynamic retransmission mechanism

4 實驗與分析

本實驗系統由高壓發生器、GPRS系統、數據采集模擬系統組成。數據采集系統由計算機模擬產生實時狀態數據，并寫入到SQL SERVER數據庫中。高壓發生器選用HRZGF—200kV/10mA直流高壓發生器，可以產生最高20×104V的電壓。GPRS系統則采用OnCell G2150將數據庫中的數據發送到遠端的評估中心。實驗室是一處GPRS弱信號區域，無線信號較差。

數據采集端模擬產生了10000條記錄，其中，每個記錄有4個字段，每個字段為一個浮點數據。實驗分為3種情況進行:信號正常區、弱信號區域、弱信號加電場干擾區。其中高壓發生器在（0～18）×104V范圍內循環，如表1。

表1 傳統方法與本方法對比Tab 1 Comparison between traditional method and the presented method

由上表可知，本算法相比傳統方法（直接發送、數據包大小固定）比較有很好的優勢，從發送時間和丟包數都充分說明了本方法極大地發揮了信道的優勢，有很強的抗干擾性。

5 結束語

通過在數據傳輸中采用“應答確認”和“自適應數據動態重傳”等方法，尤其是采用數據包動態調整機制，在有效地降低了數據傳輸過程中的丟包率基礎上，可以很好地保證數據傳輸的可靠性，實現了數據的“盡力”傳輸，極大提高了數據效率，實驗室仿真實驗也對算法進行了驗證，與傳統方法相比也具有較強的實用性和抗干擾能力。但是，在工程實踐中特高壓輸電塔環境特性相比實驗室高壓環境而言更復雜，具有更強的不可確定性。

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