架空输电网数字化监测系统数据通信技术研究赵占才

架空输电网数字化监测系统数据通信技术研究赵占才

赵占才

（朔州供电公司输电运检室山西朔州036000）

摘要：随着近年智能传感技术和通信技术的飞速发展，国内已有大批量架空输电网数字化监测设备投入运行，如导线温度、导地线微风振动、舞动、绝缘子串风偏、绝缘子泄漏电流、盐密、杆塔倾斜、杆塔振动，以及微气象、图像/视频、杆塔防盗、覆冰监测、防山火等都有设备进行监测。监测数据通信链路的建立是架空输电网数字化监测系统运行必不可少的内容，如何将广泛分布的输电网监测设备与运行维护后台之间建立起稳定可靠、满足数据传输带宽需求的通信链路，是建立架空输电网智能监测及预警服务网络系统、实现我国电网智能化管理和状态检修的关键。

关键词：架空输电网；数字化监测系统；数据通信技术

引言

在我国架空输电网分布广泛、运行维护难度大、定期检修弊端多的背景下，本文对输电网数字化监测系统的各种通信模式及其优缺点进行了深入分析研究，提出了采用以光纤通信为主、WiFi和4G通信为辅的混合自组网新型通信模式。这一新型通信模式不仅能够充分发挥无信号区的架空线路现有成熟丰富光纤通信线路的优点，而且能够充分发挥WiFi和4G接入灵活的优点，从而解决了无信号区监测数据传输难、4G信号不稳定区无光纤接入口、光纤接口打开难等问题。这一混合自组网通信技术的推广应用，对架空输电网监测系统在电网中的进一步应用和我国逐步实现电网状态检修及数字智能化现代管理模式具有促进作用。

1架空输电网数字化监测系统通信技术应用现状分析研究

1.1无线公网

1）GSM

GSM属于蜂窝移动通信技术，主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）4部分组成。中国GSM移动上行频段为890～909MHz；下行频段为935～954MHz；联通上行频段为909～915MHz；下行频段为954～960MHz。它具有防盗拷能力佳、网络容量大、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、耗电量低等优点。主要用于输电线路绝缘子泄漏电流监测设备、导线弧垂监测设备和其他一些通信数据量不大的设备。

2）2G/3G

移动、联通、电信三大运营商公网普遍提供有2G/3G数据业务服务，主要方式包括——GPRS、EDGE、CDMA1x、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000。2G/3G公网方式具有开通方便的优势，而运营商数据带宽窄，无法满足高带宽、实时性要求高的高清视频监控设备接入，但适合气象、舞动、导线温度等数据性设备的通信传输接入。

3）4G

移动、联通、电信均提供有4G通信技术，它包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G系统网络结构可分为3层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。4G公网具有通信速度快、兼容性好、高质量通信、频率效率高等多种技术优势，但是它的覆盖网络目前仍仅限于人口密集的市区及附近郊区、铁路、高速公路沿线等有限的区域，对于野外分布如此广泛的高压输电线路杆塔而言，仅依靠4G公网是无法满足大量数据、高清视频的传输应用需求。

1.2光纤

电力光纤一般为OPGW和ADSS。对于用户需求是光纤接入的，这些输电网状态监测设备普遍采用输电线路上现有的OPGW光纤，以光纤以太网方案接入。光纤有线方式优点很多：通信容量大、抗电磁干扰强、可采用成熟的光纤系统。采用工业以太网设备，如果系统按照FE来进行计算，系统节点为10～16个，每个节点最高可达5Mb/s左右；如果系统按照GE来进行计算，系统节点为10～16个，每个节点最高可达50Mb/s左右。但是在输电线路现有OPGW光纤开通大量接口，降低了电力输电线路运行稳定性，电力部门不允许在OPGW光纤上随意打开光纤接口。

1.3微波

微波通信使用波长为1～0.1m（频率为0.3～3GHz）的电磁波进行的通信。微波系统调制方式一般为QAM或者QPSK，抗阻挡、多径干扰能力一般，因此微波通信的主要方式是视距通信。数字微波系统包括PDH、SDH微波，从技术上看采用的是TDM技术，与当下的IP化方式相背离。当接入输电线路在线监测的IP信号时，需要增加协议转换设备，无疑增加了系统建设、维护的复杂程度，故不建议采用这样的方式作为输电线路在线监测通信接入方案。

1.4卫星

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信。其特点是通信距离远、覆盖广。卫星通信使用微波频段为300MHz～30GHz。卫星通信资费方面比较昂贵，可提供的带宽较低，但是具有全覆盖的特点，在光纤、无线专网、2G/3G无线公网均不适合的窄带应用场合才会考虑，只有少量的科技项目设备进行了现场试验，并没有推广应用。

2输电线路状态监测通信传输网络的设计

2.1通信传输架构的演进

在输电线路状态监测通信传输网络中，主要利用传感器、监控器等实现终端信息的仪器构成过程层的通信传输网络，具有通信面较广与信息类型较为复杂的特点，对通信传输的安全性、可靠性以及实时性要求较低，对资产管理类终端的可移动性要求则较高。输电线路状态监测通信传输网络的间隔层主要用来汇集间隔过程的所有实时数据，并完成信息数据传输的承上启下。因此，通信传输网络的间隔层要求迅速且同时完成与过程层和站控层的网络通信传输。在通信传输网络中，站控层是该区域变电站控制中心与远端的变电站控制中心以及电力企业的设备管理中心构成的通信传输核心网络。在实际应用中，站控层主要利用光传输网或数据网完成信息的交换与传输。在输电线路状态监测通信传输网络中，过程层、间隔层以及站控层中的通信传输设备形成逻辑上与物理上的树状拓扑，逻辑结构较为单一，信息数据的流向为终端到主站的纵行方向。

2.2通信传输网络结构的设计

输电线路状态监测通信传输网络的建设主要应用汇聚交换机、接入交换机、主IEDCAC、主IEDCMA、主IEDCAG以及IED设备。在设备连接操作中，采用稳定性较高的树状拓扑结构，可有效避免产生广播风暴，属于较常使用的连接结构方式，同时能够增强通信传输网络的扩展性，方便实施故障的隔离，整体提升通信传输网络的可靠性。在逻辑网络的构建上，不再仅仅使用树形一点对多点的层级结构，而是采用全互联、扁平式的网状网络进行连接，能够对通信传输网络中的主IED设备实施分布式布置，为数据的存储与计算提供一点对多点的网状通信支持。

2.3输电线路状态监测通信传输网络的设备选择

在输电线路状态监测通信传输网络建设过程中，可使用OSI七层体系结构中的路由设备、交换设备以及传输设备组成通信设备。其中，路由设备应选用稳定性与可靠性较好的路由器。鉴于路由器的网络协议较为复杂、数据信息传递与交换效率相对较低、网络配置灵活程度较差，需要加设DHCP服务器或DHCP中继等辅助设备，促进功能的实现。交换设备的优势在于数据信息的传输与交换效率相对较高，通信协议较为简单，且宽带的使用率较高。然而，交换设备也具有一定的局限性。例如，用交换设备组成二层协议网络时需要依托地址的解析协议广播进行寻址，易导致广播风暴的产生。

结语

为提高输电线路在线监测系统的安全可靠性，应合理规范其通信系统组网方式，并针对不同的信号传输要求选择合适的通信技术体制，才能有效确保各类输电线路采集信号的可靠传输，进一步提升输电线路的运维和管理水平。

参考文献：

[1]赵文彬，李慧星，费正明，等.基于智能电网需求的输电线路状态监测系统建设[J].华东电力，2016，38（8）：1212-1216.

[2]应伟国.架空送电线路状态检修实用技术[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3]黄新波，张国威.输电线路在线监测技术现状分析[J].广东电力，2017，22（1）：13-20，34.