輸電通道光纖環網通信難點及其應用

何寧輝，李秀廣，亓亮，周秀，張佩，沙偉燕

輸電通道光纖環網通信難點及其應用

何寧輝，李秀廣，亓亮，周秀，張佩，沙偉燕

（國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750000）

隨著泛在電力物聯網的發展，實現輸電線路通道可視化全覆蓋運維管理是必然趨勢，但傳統4G數據傳輸方式無法滿足高清視頻等大數據傳輸的要求。提出了光纖環網通信方案，其具有抗電磁干擾能力強、傳輸容量大、保密性高、通信成本低等特點，能夠為在線監測裝置提供安全、智能、穩定、經濟的數據傳輸通道。在無人機巡檢、應急指揮救援等領域也具有廣泛的應用。

輸電線路；在線監測；光纖環網；泛在電力物聯網

1 引言

隨著輸電線路電壓等級不斷提高，電網的分布越來越廣，輸電線路遭遇外力破壞、覆冰、山火等事故不斷發生，輸電線路的巡視維護工作量越來越大，應用輸電線路在線監測技術是提高線路運行水平的必然趨勢。

但由于在線監測裝置發展時間短、運行條件惡劣等原因，輸電線路的巡視維護工作還存在一些問題[1]：①一些區域仍采用傳統的人工定期檢修制度來進行線路運行的維護，而人工巡檢存在人力物力成本高、工作量大、隱患發現不及時、巡檢區域有限等缺點。②輸電線路通道綿延上千里，通道環境錯綜復雜，每時每處都存在發生不同的外破隱患的可能。即使一些輸電線路已安裝了在線監測裝置，大大提高了發現隱患的效率，但是受制于無線公網高昂的流量費及有限的帶寬，大部分區域都僅在隱患點相對集中的地方安裝在線監測裝置，并采用定時拍照或觀看短時視頻等方式來監控線路走廊[2]，而其他區域以及中間大量的未監控時間內，依然存在發生外力破壞事件的可能，無法達到實時監控的目的。③輸電線路走廊多在人煙稀少的野外穿行，無線公網信號較差，無法保證在線監測數據能及時傳輸，且容易受運營商網絡的穩定性影響。

急需尋找一種經濟適用且穩定可靠的輸電線路在線監測通信方式，實時傳輸在線監測數據，實現輸電線路通道可視化全覆蓋（全時、全域）運維管理模式，提升對輸電線路的監控及管理工作[3]。

2 輸電線路在線監測通信現狀

輸電線路在線監測通信方案主要有無線公網、無線中繼以及光纖環網等方案，實際使用中也可能是這幾種方案的組合[4]。

2.1 無線公網通信

目前，輸電線路在線監測點的數據回傳普遍是采用無線公網GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）以及4G（第四代移動通信技術）通信方式實現的，該通信方式具有不用架線、靈活性強、移動性等優點，但也存在以下幾個問題：①信號覆蓋問題。運營商無線網絡在人口密集城鎮地區信號覆蓋較好，但本工程線路走廊多在野外穿行，公網信號覆蓋非常差。②帶寬問題。無線公網帶寬有限，無法滿足高清視頻等大數據傳輸的要求。③傳輸安全問題。無線公網信號屬于公共網絡資源，容易被攻擊。④網絡管理問題。一旦信號傳輸發生故障，則必須與運營商協商解決，無法保證解決問題的時效。⑤費用問題。持續產生大量的通訊費用。

2.2 無線中繼通信

無線中繼通信，即無線AP（Wireless Access Point，無線訪問接入點）在網絡連接中起到中繼的作用，能實現信號的中繼和放大。無線中繼技術具有低成本、延伸無線網絡的覆蓋范圍、提高通信系統可靠性和增加系統傳輸速率的作用。無線中繼模式雖然使無線覆蓋變得更容易和靈活，但是卻需要高檔AP支持，而且如果中心AP出現問題，則整個WLAN將癱瘓，冗余性無法保障。

2.3 光纖環網通信

在無信號覆蓋的區域，特別是輸電線路上有OPGW光纜（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纖復合架空地線）、ADSS光纜（All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable，全介質自承式光纜）或普通光纜的線路，光纖環網的通信方案是非常不錯的選擇，其與傳統運營商通信方式比較有較大優勢，如表1所示。

表1 通信方案優劣比較

通信方案運行通信費用傳輸穩定性傳輸帶寬安全性 光纖通信無高極高高 運營商通信高低低較低

3 智能光纖環網基站簡介

智能光纖環網基站是基于光纖通信和無線傳輸技術，實現無線信號覆蓋和數據傳輸通道搭建，為終端接入設備提供高速、可靠、穩定和經濟的傳輸解決方案。智能光纖環網基站主要由智能處理主機、光纖接續盒、光纖尾纜、電源系統及無線通信裝置組成，且能擴展傳感器，實現在線監測功能。智能光纖環網基站組成示意圖如圖1所示。

圖1 智能光纖環網基站組成示意圖

智能處理主機：包括主機模塊、本地通信模塊、遠程通信模塊和發電模塊，完成各種數據處理工作，管理整個系統的數據采集、分析和轉發、充電和放電。

光纖接續盒、光纖尾纜：光纖接續盒處即為光纖開斷點，可在此處熔出一芯光纖，通過尾纖連接到智能光纖環網基站，把智能光纖環網基站串入光纖中。

電源系統：包括發電設備、蓄電池和控制器。太陽能電池板、風力發電機和地線取電裝置等發電設備為發電單元，蓄電池為蓄電單元，通過控制器智能管理充電和放電。

無線通信裝置：擴大智能光纖環網基站無線覆蓋范圍，為3～5 km范圍內無線通信設備提供無線接入熱點。

傳感器：采集在線監測數據，對輸電線路走廊、光纖接續盒、電力鐵塔和周圍環境等進行實時監控。

4 光纖環網通信技術難點

4.1 電源問題

目前野外使用設備普遍存在的一大難題是電源問題[5]，智能光纖環網基站采用低功耗技術，且同時支持太陽能發電、風能發電及地線取能發電三種發電方式，可根據當地日照時長及風能情況選擇采用一種或幾種發電方式。

蓄電方式支持三元鋰電池、膠體電池及磷酸鐵鋰電池蓄電，可根據當地環境溫度選擇合適電池。發電和蓄電方式的多樣性能有效解決野外供電難的問題。其中，地線取能裝置是依據電磁感應原理設計、制造的供電設備[6]，具有全天候、全氣象條件供電能力，能為智能光纖環網基站提供充足的電源支撐。1 km取電回路取電效果如表2所示。

4.2 數據傳輸安全問題

網絡安全是在線監測裝置有效運行的重要保證，未采取有效安全保護措施的網絡極易受到各種人為攻擊，導致信息泄露、信息竊取、數據篡改、數據刪添等事故發生。對輸電線路光纖環網通信的網絡安全進行全面保護，分別對監控終端、光纖基站、光纖環網及基站Wi-Fi采取安全保護機制，如硬件防篡改、安裝加密芯片等，能確保系統硬件、軟件及數據安全。

表2 1 km取電回路取電效果

線路等級/kV負荷/MVA取電功/（W·h/d）取電功率/W 220 100 300 12 220200600 24 500400 400 16 500800 800 32

對監控終端和光纖基站設備采取硬件防篡改能有效防止被攻擊者物理破解或竊取數據；安裝加密芯片對所傳輸的控制指令與敏感數據進行加密，防止數據被篡改或控制指令重放；對接入智能光纖環網基站的有線或無線設備采取身份認證，能有效阻斷非法設備接入網絡，確保采集數據來源的合法性及有效性。

通過以上安全保護措施可保障在線監測數據的可用性、完整性、保密性、可控性和可審查性。

4.3 熔纖問題

曾出現過一些施工隊因為熔纖時熔錯纖，導致整個線路通訊癱瘓的情況，因此，部分公司會擔心熔纖對現有通訊業務造成影響[7]。在OPGW光纜鋪設時，將預留的在線監測4芯光纖熔斷出2個纖頭，并從主光纖接續盒中引出，單獨安裝于在線監測專用光纖接續盒內，采用連接器連接，在后期安裝智能光纖環網基站時，只需要打開此專用光纖接續盒，將需使用的兩芯光纖插頭分別連接到智能光纖環網基站主機上，即可將智能光纖環網基站串入光纖，形成光纖環網通信系統。如圖2所示。

圖2 預留在線監測專用光纖連接示意圖

此方案對其他通信業務不會造成任何影響，且在新建線路時熔纖要比后期單獨熔纖費用低很多，也省時省力。

4.4 系統維護難度及對現有業務的影響問題

智能光纖環網通信方案采用冗余環網結構，當數據傳輸一側受阻時，如某一塔位光纖斷芯，則可從另一側線路傳回至主站。因此，當某個點位數據傳輸受阻時，不會影響整條線路的數據傳輸，無需采取維修措施。

此外，智能光纖環網基站采用模塊化設計，當智能光纖環網基站設備或塔上在線監測設備出現故障時，可僅對設備故障模塊進行檢測和維修，無需停電，也無需再次打開光纖接續盒，不會對現有通信業務造成任何影響。

5 應用領域

沿輸電線路建設智能光纖環網基站，構建光纖環網通信網絡，不僅能為沿線的在線監測裝置提供穩定可靠的數據傳輸通道，在其他領域也具有廣泛的應用。

5.1 輸電線路在線監測

建設智能光纖環網基站后，輸電線路沿線3～5 km范圍內的在線監測裝置都可通過光纖環網傳輸數據。

光纖環網的高傳輸帶寬滿足高清視頻等大數據傳輸的要求，即使在主站同時播放多路視頻，也能保障視頻畫面清晰、流暢，對現場情況掌控更實時、全面，且無任何流量 費用。

5.2 無人機、地線機器人巡檢

左健[8]在其文中提到“未來的無人機掛載設備會朝著視頻傳送的方向發展，一旦視頻傳輸在無人機巡視輸電線路中得到實現，未來無人機巡視有望把人工巡視真正取代”，目前，架空輸電線路巡檢業務需求和任務載荷多樣，選擇合適的無人機、地線機器人巡檢系統，最大程度地提高巡檢精度和效率，已成為無人機、地線機器人巡檢的研究熱點問題。但目前的無人機、地線機器人等裝置巡檢輸電線路均是以巡檢時錄制視頻，返回地面后再播放錄像的方式實現的，不具備實時性。

智能光纖環網基站能為無人機和地線機器人巡檢提供穩定可靠的通信鏈路，支持巡檢實時圖像傳輸，確保無人機和地線機器人在兩基站間工作時的通信鏈路無縫銜接，確保指揮平臺看到巡檢現場實時流暢高清視頻。

5.3 應急指揮救援

智能光纖環網基站提供的無線網絡，能夠支持局部地區應急指揮救援[9]，當受到災害時，運營商網絡無法使用的情況下，應急指揮手持終端可在基站附近進行局域網互聯互通，能保持實時語音及視頻通話，及時進行指揮救援。

5.4 無運營商地域網絡覆蓋

智能光纖環網基站為輸電線路沿線都提供了網絡覆蓋，對無運營商網絡的野外地帶進行了網絡補充，能夠為國土監測、環境監測、考古等工作者提供通信網絡。

5.5 未來的視頻時代

未來，人們的生產和生活都要求有更可靠、安全的監控視頻作為基礎保障[10]。它能提供更加豐富、準確的信息內容。光纖傳輸安全性高、信號很少有失真現象，提高了視頻監控系統的安全性、可靠性，將得到廣泛的應用。

6 結語

在泛在電力物聯網的大背景下，實現輸電線路可視化是必然趨勢，未來安裝在塔上的在線監測裝置將越來越多，智能光纖環網基站可為整條線路的視頻、防外破、防山火、覆冰、桿塔傾斜、導線狀態等在線監測裝置及其他網絡設備搭建一條穩定、可靠的數據傳輸“高速公路”。

［1］陸佳政，周特軍，吳傳平，等.某省級電網220 kV及以上輸電線路故障統計與分析［J］.高電壓技術，2016，42（1）：200-207.

［2］蔣濤，蔡富東，楊學杰，等.輸電線路通道可視化遠程巡檢探討與實踐［J］.中國電力，2016，49（11）：42-45.

［3］楊振偉，易偉，陳鍵.輸電線路外力破壞故障的分析與防治［J］.吉林電力，2015，43（5）：48-50.

［4］王彬.輸電線路在線監測信息傳輸關鍵技術研究［D］.大連：大連理工大學，2016.

［5］朱永燦，黃新波，張冠軍，等.輸電線路在線監測設備供電電源應用分析［J］.高壓電器，2018，54（7）：231-236.

［6］張偉，楊中亞，楊帆，等.架空輸電線路地線感應取電設計［J］.電工電氣，2018（7）：22-26，33.

［7］胡艷梅.淺談光纖的接續技術［J］.上海鐵道科技，2011（4）：133-134.

［8］左健.輸電線路巡視中無人機的運用技術［J］.電子技術與軟件工程，2018（2）：93.

［9］賴曉陽，朵琳.寬帶無線中繼傳輸在應急通信中的應用研究［J］.電視技術，2016，40（6）：131-135.

［10］苗南南.光纖傳輸在視頻監控的應用創新研究［J］.通信電源技術，2019，36（2）：195-196.

2095－6835（2020）06－0159－03

TN919.34

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.065

何寧輝（1986—），男，博士研究生，從事電力設備狀態監測技術研究工作。

〔編輯：張思楠〕