輸電線路圖像可視化監測終端無線通信解決方案

徐常志 鄧偉鋒 李耀均 趙麗娜

摘? ?要： 為保障輸電線路的穩定性和可靠性，針對不同應用場景需求，實施輸電線路圖像可視化監測，提出三種無線通信方案：無線4G公網通信方案、無線網橋通信方案，以及無線網橋與4G通信綜合方案。在三種解決方案中，設計了由前端熱點、中繼基站、監控中心等模塊組成的技術框架。針對運營商網絡覆蓋且信號較好的場景，可采用無線4G公網通信方案，依靠運營商網絡實現數據通信;針對帶寬要求較高、運營商網絡不好的場景，可采用無線網橋通信方案;針對某些運營商4G信號無法覆蓋到所有輸電線路監測點的問題，可采用綜合方案。在提高輸電線可靠性方面，應用可視化監測終端系統提供了更多的選擇。

關鍵詞： 輸電線路;圖像可視化;終端;無線通信;4G公網;無線網橋

中圖分類號：TN919.85? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-099-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.017

引言

隨著電力建設事業的蓬勃發展，電網規模迅速擴大，輸電線路作為最重要組成部分，其跨越路徑長、環境變化大，電力設備維護運檢工作越來越繁重，輸電線路圖像可視化監測成為迫切需求，這對輸電線路狀態數據通信的智能性、實時性、精準性，圖像監測的高清可視性，以及信息傳輸的安全性、低延時性等提出了更加嚴格的要求。同時，鑒于輸電線路具有分散性大、距離長、巡視難度高等特點，監測設備還需具備安裝簡單、移動方便、技術擴展性強等性能[1]。

本文針對輸電線路圖像可視化監測終端對不同應用場景的要求，提出三種無線通信方案：無線4G公網通信方案、無線網橋通信方案以及二者的綜合方案，以期為可視化監測終端的應用提供更多的解決方案，致力于解決輸電線路圖像可視化監測在通信方面存在的困難。以往通信功能主要包括有線光纖傳輸和無線GPRS/4G通信。有線光纖傳輸受到野外鋪設難度大、易遭破壞、無法移動等限制，很少得到實際應用。無線GPRS/4G通信方式雖然在項目中采用得比較多，但其受到通信成本高、帶寬低、延時長等因素的影響，且易被運營商網絡覆蓋，因此也無法完全滿足輸電線路監測的要求。

1? 無線4G公網通信方案

針對輸電線路圖像可視化監測終端有運營商網絡覆蓋且信號較好的場景，可采用無線4G公網通信方案，依靠運營商網絡實現數據通信。目前，國內三大運營商網絡基本可以覆蓋輸電線路經過的區域。這種方案無需親自組網，比較方便實用，且具備雙通道備份等優點[2]。

無線4G公網通信方案包括前端熱點（圖像可視化監測終端）和后臺監控中心（含安全網關）。方案框架如圖1所示。

1.1? 前端熱點（圖像可視化監測終端）

前端熱點由圖像可視化監測裝置、集成主機箱（含4G通信模塊）和電源系統組成。

1.1.1? 圖像可視化監測裝置

圖像可視化監測裝置用于實時采集輸電線路的張力等力學數據，雨量、氣壓、溫度、濕度、風速、風向等微氣象數據和現場圖片等數據。

1.1.2? 集成主機箱（含4G通信模塊）

集成主機箱集成有4G通信模塊。4G通信模塊將采集到的輸電線路現場圖片等數據上傳到后臺監控中心。當需要觀看視頻流時，監控中心主站下發指令打開攝像頭，攝制線路視頻信息。

前端熱點可采用雙卡通信技術，接入兩家不同運營商的網絡回傳數據，并且兩條通道之間可以自動切換，因此當任何一家運營商的4G網絡中斷時，終端都可以自動切換到另一家運營商的4G網絡，保證監測設備的正常運行。

1.1.3? 電源系統

為了保證前端熱點能夠在大風、大雨、冰、雪等惡劣環境下正常、穩定、可靠運行，采用耐寒效果比較好的膠體蓄電池、磷酸鐵鋰蓄電池作為電源系統，同時供電單元各部件也經過了多種工藝的處理。太陽能板的安裝支架應固定牢靠，防止松動、吹翻。充放電控制器集成在主機箱中，保障安全性和穩定性。

1.2? 后臺監控中心

后臺監控中心由管理服務器、數據庫服務器、流媒體服務器、Web服務器和存儲設備等組成。后臺監控中心可以分為多個分監控中心和一個總監控中心。分監控中心完成數據庫管理、通信管理、存儲管理功能，對數據庫服務器進行各類數據的自動處理，并將處理結果予以顯示，同時通過數據網與各種內部管理系統和調度自動化系統進行信息交互。總監控中心可以對全區域輸電線路內的全部在線監測系統進行管理。監控中心安裝有在線監測管理分析軟件，方便監測、管理。后臺監控中心組成如圖2所示。

2? 無線網橋通信方案

針對輸電線路圖像可視化監測終端帶寬要求較高、所處位置運營商網絡不好的場景，可采用無線網橋通信方案。該方案具有帶寬大、延時低、保密性高、抗干擾強、無通信費用、安裝/移動方便、無地域限制等優點。

整體方案包括三個部分：前端熱點（圖像可視化監測終端）、中繼基站及監控中心。

2.1? 前端熱點（圖像可視化監測終端）

前端熱點由圖像可視化監測裝置、數據采集系統、無線發射系統及電源系統組成。

無線發射系統采用數字無線網橋產品，設備內置有18 dBi的平板天線，數據傳輸距離根據不同的設備型號匹配不同千米數的要求而設定，完全滿足從前端到熱點基站的無線信號連接，傳輸性能穩定可靠。交換機把圖像可視化監測終端采集的信號進行匯總，接入到POE供電盒的數據接口中，再把這些信號通過無線通信的方式傳輸到熱點覆蓋的中繼基站。

前端熱點的電源系統采用太陽能+蓄電池供電模式，保證圖像可視化監測裝置的正常工作。在沒有光照的情況下，能夠滿足連續多天的工作需要。

前端熱點的整體連接如圖3所示。

2.2? 中繼基站

中繼基站包括中繼點無線覆蓋及中繼點對中繼點無線傳輸部分。

對于中繼點無線覆蓋，采用高帶寬多模塊無線網橋產品。產品采用千兆網口設計，具有較強大的數據處理能力，且支持多模塊的設計。使用該產品時，在一臺設備中可以安裝2條60°天線，在此基站安裝兩臺設備，就可以安裝4條60°天線，覆蓋角度總計可達240°以上，基本可以滿足周邊前端熱點的連接需求。基站中繼點無線覆蓋示意圖如圖4所示。

中繼點對中繼點無線傳輸選用高帶寬無線網橋產品。產品內置有25 dBi定向增益天線，由于設備本身發射功率較大，傳輸距離可達30 km以上。設備內置有千兆網口，工作性能可靠穩定，理論傳輸帶寬可達480 Mbps，實測傳輸帶寬可達160 Mbps。設備具備多級跳臺無損耗的特性，可保證在經過多次中繼后仍具備較高的帶寬數據。在基站設備安裝的地方，供電方式與前端供電方式相同，即在正常情況下使用交流220 V供電。如果在一些比較特殊情況下沒有市電，同樣也可采用上述的太陽能供電系統[3]。

中繼點對中繼點無線傳輸示意圖如圖5所示。

2.3? 監控中心

監控中心包括后端監控中心的顯示、控制及數據庫接入部分。

監控中心一般位于市區內，海拔相對較低，為了更好地保證接收信號的范圍和質量，需要在監控中心附近找到高層建筑，在建筑頂樓安裝無線網橋接收設備，接收從中繼點傳回的無線監測數據信號。此外，在建筑頂樓還需要配置一個配電箱，為監測設備供電。

無線網橋接收到的信號從交換機進入光端機，通過光纖傳輸到機房，接入到監控中心的服務器。服務器上安裝輸電線路圖像可視化在線監測平臺，通過這一平臺，可以對前端圖像等監測數據進行查看、管理，還可以通過上墻服務器或矩陣把圖像投放到大型顯示屏中[4]，如圖6所示。

3? 無線網橋與4G通信綜合方案

針對某些運營商4G信號無法覆蓋到所有的輸電線路監測點的問題，可采用無線網橋與4G通信綜合方案。本方案綜合了無線4G公網通信方案、無線網橋通信方案二者的特點和優勢，能夠在最大化節省通信成本的同時保證通信質量。

綜合方案包括三個部分：無4G信號的前端熱點、4G中繼基站及監控中心，如圖7所示。

3.1? 無4G信號的前端熱點

設計方案與無線網橋通信方案的前端熱點相同，見章節2.1。

3.2? 4G中繼基站

4G中繼基站由無線網橋、交換機和4G無線設備組成。通過高帶寬多模塊無線網橋接收熱點傳輸回來的信號，再通過交換機連接到4G無線路由設備，最終通過運營商4G信號傳回到監控中心。方案如圖8所示。

4G中繼基站的無線網橋接收設備可同時覆蓋多個前端熱點，根據前端熱點數量和距離選擇不同的設備型號，在滿足通信要求的同時，最大化節省建設成本。

3.3? 監控中心

監控中心包括后端監控中心的顯示、控制及數據庫接入部分。在監控中心架設一臺服務器，安裝輸電線路圖像可視化在線監測平臺，然后通過以太網把前端熱點的監測數據和圖片數據傳輸到平臺，以通過控制鍵盤對圖像可視化監測終端進行控制。此外，服務器上還要安裝RTU控制軟件，遠程對前端發送指令，控制前端設備進行遠程上電、斷電操作[5-7]。

4? 結束語

本文提出了三種特色鮮明的輸電線路圖像可視化監測終端無線通信解決方案：無線4G公網通信方案、無線網橋通信方案以及二者的綜合方案，為圖像可視化監測終端的應用場景提供了更多的選擇，充分滿足了輸電運維管理部門提出的更高的個性化要求。希望這三種解決方案可以為其他有輸電線路監測需求的單位提供借鑒，為建設智能電網和堅強電網貢獻一份力量。

參考文獻

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[2] 謝飛， 邵淑燕， 彭潔. 電力無線視頻監控系統分析[J]. 山東電力技術， 2017， 44（4）： 44-46.

[3] 劉金權， 黃銳， 陸坤， 等. 基于無線數據傳輸的電力變壓器監測系統[J]. 傳感器技術， 2004（1）： 57-59.

[4] 劉艷麗， 仝杰， 孫建平， 等. 5.8GHz無線網橋在輸電線路通信中的應用[C]//2016電力行業信息化年會論文集， 2016.

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[6] Lewis F， Vrabie D， Vamvoudakis K. Reinforcement Learning and Feedback Control[J]. IEEE Control Systems， 2012， 32（6）： 76-105.

[7] Majumder M， Gangopadhyay T K， Chakraborty A K， et al. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring—Present status and applications[J]. Sensors & Actuators A Physical， 2008， 147（1）： 150-164.

作者簡介：

徐常志（1989—），通信作者，男，本科。研究方向：在線監測。

E-mail： xucz@sdgi.com.cn

鄧偉鋒（1987—），男，本科。研究方向：在線監測。

E-mail： dengwf@sdgi.com.cn

李耀均（1992—），男，本科。研究方向：在線監測。

E-mail： liyaojun@sdgi.com.cn

趙麗娜（1989—），女，本科。研究方向：光纖傳感。

E-mail： zhaoln@sdgi.com.cn

（收稿日期：2020-06-28）