輸電線路狀態監測通信傳輸網絡技術

王 喆，劉 峰，溫興賢，陳 崢，馬 潤

（國網寧夏電力有限公司信息通信公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

利用輸電線路的狀態監測能夠完成對輸電設備運行狀態的管理，對提升輸電設備運行管理水平有著重要的促進作用。輸電線路的狀態監測主要運用廣域通信技術、多種傳感技術以及信息處理技術等完成感知輸電線路中各設備的運行狀態、實時監控、預警信息發布、故障診斷以及狀態評估等工作。為更好地完成上述工作，及時的信息數據反饋是十分必要的。

1 輸電線路狀態監測通信傳輸網絡建設的需求分析

現階段，我國輸電線路狀態監測設備樣式繁多，分類方式也較為多元。輸電線路狀態監測設備按功能可分為機械類、電器類與運行環境類，按設備形式可分為導線監測類、氣象環境監測類、桿塔附件監測類、桿塔監測類以及其他監測類，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]。

輸電線路狀態監測的檢測數據可分為寬帶數據、中等寬帶數據以及窄帶數據三類。其中，寬帶數據的數據流量普通的情況下要大于1 Mbit/s，高清情況下要大于3 Mbit/s，且數據的形式多為流媒體，有著實時性的要求，此外，常用的接口為以太網接口，常見的監控裝置為視頻采集裝置；中等寬帶數據的數據流量要小于150 Mbit/s，數據形式為數據報文，具有非實時性的要求，常用接口同樣為以太網接口，常見的監測裝置則為圖像采集裝置；窄帶數據的數據流量要小于150 Mbit/s，數據形式為數據報文，具有準實時的要求，常用接口為串行接口，常見的監測裝置為導線溫度與桿塔傾斜測量裝置。

2 輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的組成

通常情況下，輸電線路狀態監測通信傳輸網絡由主網、接入網以及微網三部分組成。（1）主網，通常情況下，選擇電力系統的通信專網作為輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的主網。當前，我國只有極少部分的變電站未裝配電力系統的通信專網，變電站與各調度端的通信傳輸網絡建設已趨于完善；（2）接入網，接入網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。接入網除要連接各微網外，還要連接塔桿節點的設備與變電站的節點設備；（3）微網，微網的建設一般以輸電線路的塔桿為中心，實現周邊數十米范圍內通信傳輸的全覆蓋，主要負責各傳感器、攝像頭等設備中數據的接收與傳輸，同時完成與接入網的連接。

3 輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的設計

3.1 通信傳輸架構的演進

在輸電線路狀態監測通信傳輸網絡中，主要利用傳感器、監控器等實現終端信息的儀器構成過程層的通信傳輸網絡，具有通信面較廣與信息類型較為復雜的特點，對通信傳輸的安全性、可靠性以及實時性要求較低，對資產管理類終端的可移動性要求則較高。

輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的間隔層主要用來匯集間隔過程的所有實時數據，并完成信息數據傳輸的承上啟下。因此，通信傳輸網絡的間隔層要求迅速且同時完成與過程層和站控層的網絡通信傳輸。

在通信傳輸網絡中，站控層是該區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的設備管理中心構成的通信傳輸核心網絡。在實際應用中，站控層主要利用光傳輸網或數據網完成信息的交換與傳輸。在輸電線路狀態監測通信傳輸網絡中，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，邏輯結構較為單一，信息數據的流向為終端到主站的縱行方向[2]。

3.2 通信傳輸網絡結構的設計

輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的建設主要應用匯聚交換機、接入交換機、主IED CAC、主IED CMA、主IED CAG以及IED設備。在設備連接操作中，采用穩定性較高的樹狀拓撲結構，可有效避免產生廣播風暴，屬于較常使用的連接結構方式，同時能夠增強通信傳輸網絡的擴展性，方便實施故障的隔離，整體提升通信傳輸網絡的可靠性。在邏輯網絡的構建上，不再僅僅使用樹形一點對多點的層級結構，而是采用全互聯、扁平式的網狀網絡進行連接，能夠對通信傳輸網絡中的主IED設備實施分布式布置，為數據的存儲與計算提供一點對多點的網狀通信支持。

3.3 輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的設備選擇

在輸電線路狀態監測通信傳輸網絡建設過程中，可使用OSI七層體系結構中的路由設備、交換設備以及傳輸設備組成通信設備。其中，路由設備應選用穩定性與可靠性較好的路由器。鑒于路由器的網絡協議較為復雜、數據信息傳遞與交換效率相對較低、網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。交換設備的優勢在于數據信息的傳輸與交換效率相對較高，通信協議較為簡單，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議網絡時需要依托地址的解析協議廣播進行尋址，易導致廣播風暴的產生。此外，通信傳輸網絡的可控性較差，需利用快速生成樹協議、生成樹協議以及IEEE802.1P補充協議實施調整[3]。以基于SDH的多業務傳輸平臺與同步數字體系網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點，但其對資源的利用率較低，并不適合接入網。

4 輸電線路狀態監測通信傳輸網絡技術

4.1 微網通信技術

輸電線路狀態監測通信傳輸網絡中的微網存在于末梢網，主要用于接收并傳輸輸電線路狀態監測系統內各傳感器、監控器等監測設備所采集到的數據信息，可使用10/100 M自適應以太網接口或RS-232/RS-485串行接口，利用有線通信的方式匯總相關設備采集到的信息數據，并傳輸至桿塔節點設備。鑒于以地線類監測裝置、導線溫度檢測等導線監測裝置為代表的傳感設備與桿塔節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。在進行組網時，可以無線傳感網絡的建設為參考，將異構系統的互聯互通性、WSN的低耗自組機制以及大結構關聯的協同處理數據等優勢最大程度地發揮出來。

輸電線路狀態監測通信傳輸網絡中的微網主要完成對單基桿塔周邊數十米范圍內的通信傳輸覆蓋，具體實施時，需依賴多種應用與無線個域網的通信傳輸技術。若以數據信息的傳輸速度為重點考量對象，可使用超寬頻技術這一速度較高且距離較短的無線通信傳輸技術。超寬頻技術的最高傳輸通信速率可達100 Mbit/s以上，但其通信傳輸的距離不能超過10 m。此外，也可應用低速UWB、Bluetooth與Zigbee等技術，但要求數據傳輸的速率小于1 Mbit/s，通信傳輸的距離也要小于100 m。當前，電力行業相關人員尤為重視Zigbee技術的使用，該無線網絡技術復雜程度較低、功率消耗低且運行成本較低，屬于基于IEEE 805.15.4規范的近距離無線傳輸通信技術[4]。Zigbee技術的傳輸速率在250 Mbit/s以上，能夠與Mesh型網絡拓撲結構協同運行。

4.2 接入網通信技術

接入網的通信傳輸覆蓋長達幾百米至幾萬米，在執行對通信傳輸網絡中變電站節點設備與桿塔節點設備的連接時，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，接入網的網絡性質為中長傳輸通信距離的結合與多種方式接入。無線保真技術與全球微波互聯接入技術是當前較為流行的兩種接入網無線通信技術。

無線保真是一種基于IEEE 802.11規范的無線局域網技術，其通信傳輸的覆蓋范圍能夠很好的滿足接入網覆蓋要求。無線保真技術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，無線保真技術實現的傳輸速率有所不同。例如，在IEEE 802.11a的標準下使用5 GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率為54 Mbit/s，而在IEEE 802.11b的標準下，使用2.4 GHz的頻段，能夠得到的最大傳輸速率僅為11 Mbit/s。

全球微波互聯接入是一種基于IEEE 802.16規范的無線城域技術，具有較強的移動接入能力，能夠滿足接入網通信覆蓋范圍的要求。應用全球微波互聯接入技術實施輸電線路狀態監測通信傳輸網絡中接入網的建設，能夠得到最大為100 Mbit/s的傳輸速率，可在2～66 GHz之間所有的頻段下正常工作。

在建設接入網時，常使用光纖工業以太網技術與無源光網絡技術展開光通信。應用光纖工業以太網技術可將輸電線路塔桿上安裝的以太網交換機與變電站內的以太網交換機利用光纖完成連接，形成鏈狀網絡。該技術的使用能夠為輸電線路狀態監測通信傳遞網絡提供100/1 000 M的共享寬帶，而在進行點對點的通信傳輸中，能夠完成80 km以內的傳輸。無源光網絡技術采取一點到多點的拓撲結構，利用一個光纖和POS將變電站內光線路終端與桿塔上的無源分光器以及光網絡單元連接在一起，形成鏈狀分布，可為通信傳輸網絡提供1.25 G以上的共享寬帶，最大通信傳輸距離為20 km。

無線擴頻通信技術與第三代、第四代移動通信技術（3G、4G）同樣能為輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的建設助力。尤其是無線擴頻通信技術，具備較強的抗干擾能力，最高傳輸速率可達153.6 kbit/s。而3G技術的最高傳輸速率為2 Mbit/s，4G的最高傳輸速率則要大于100 Mbit/s。

5 結 論

鑒于輸電線路狀態監測的數據類型較多、監測的地點也較為分散，通信傳輸網絡的建設需要結合實際的條件要求進行。在進行接入層與微網的建設時，可從超寬頻技術、Zigbee技術、無線保真技術、全球微波互聯接入技術、光纖工業以太網技術、無源光網絡技術、無線擴頻通信技術以及第三代、第四代移動通信技術中挑選合適技術完成實際的網絡建設。