0引言

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行檢修管理、提升輸變電專業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行管理精細(xì)化水平的重要技術(shù)手段。系統(tǒng)通過各種傳感器技術(shù)、廣域通信技術(shù)和信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知、監(jiān)視預(yù)警、分析診斷和評(píng)估預(yù)測(cè)，其建設(shè)和推廣工作對(duì)提升電網(wǎng)智能化水平、實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行管理具有積極而深遠(yuǎn)的意義。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)是輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，通過分布在輸電線路上的各種前端監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到主站系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)。由于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特殊性，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取不同于變電設(shè)備，具有布置分散、數(shù)據(jù)類型多樣、傳輸距離遠(yuǎn)近結(jié)合、環(huán)境條件惡劣及布點(diǎn)靈活可移動(dòng)等特點(diǎn)，因此對(duì)電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)提出新要求。

1業(yè)務(wù)需求分析

目前，應(yīng)用于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置種類繁多，按功能可分為電氣類、機(jī)械類和運(yùn)行環(huán)境類；按安裝位置可分為導(dǎo)線類、地線類、金具類、絕緣子類、桿塔類、桿塔基礎(chǔ)類、非接觸類；按產(chǎn)品形式可分為氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)類、導(dǎo)線監(jiān)測(cè)類、桿塔監(jiān)測(cè)類、桿塔附件監(jiān)測(cè)類和其他監(jiān)測(cè)類[1]。從通信傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的角度分析，上述各類監(jiān)測(cè)裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致可分為3類：窄帶數(shù)據(jù)、中等帶寬數(shù)據(jù)和寬帶數(shù)據(jù)。3種狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較見表1所列。

2通信傳輸網(wǎng)絡(luò)組成

典型的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)可分為微網(wǎng)、接入網(wǎng)、主網(wǎng)3個(gè)層次。1）微網(wǎng)：一般以輸電線路桿塔為中心，通信覆蓋單基桿塔周邊數(shù)十米范圍，主要解決各類傳感器、攝像頭等前端監(jiān)測(cè)裝置所采集數(shù)據(jù)的收發(fā)，并實(shí)現(xiàn)與接入網(wǎng)的連接。2）接入網(wǎng)：一般沿輸電線路至變電站，通信覆蓋范圍為幾百米至幾十千米，除連接各微網(wǎng)外，主要負(fù)責(zé)連接桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備和變電站節(jié)點(diǎn)設(shè)備。3）主網(wǎng)：一般可利用電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)，目前電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)已覆蓋絕大部分變電站，變電站至各調(diào)度端的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較完善。在實(shí)際的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的功能要求和選用的通信傳輸方式簡(jiǎn)化通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)典型通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

3通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3.1微網(wǎng)通信技術(shù)

微網(wǎng)作為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的末梢網(wǎng)，主要解決各類傳感器、攝像頭等前端監(jiān)測(cè)裝置所采集數(shù)據(jù)的收發(fā)。對(duì)于安裝在桿塔上的各類傳感器和攝像頭，可采用RS–232/RS–485等串行通信接口或10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，以有線通信方式將所采集的數(shù)據(jù)匯聚至桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備。對(duì)于很大一部分不安裝在桿塔上的傳感器，如導(dǎo)線溫度等導(dǎo)、地線類監(jiān)測(cè)裝置，與桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間主要采用無(wú)線射頻通信方式。組網(wǎng)方案可參考無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN），充分發(fā)揮WSN的低耗自組機(jī)制、異構(gòu)系統(tǒng)的互連互通及大結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)協(xié)同地處理數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。由于通信覆蓋僅為單基桿塔周邊數(shù)十米范圍，無(wú)線微網(wǎng)可選用多種適用于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的通信技術(shù)。從數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)看，高速短距離無(wú)線通信可采用超寬頻技術(shù)（UltraWideBand，UWB），最高傳輸速率高于100Mbit/s，但通信距離一般不超過10m；低速短距離無(wú)線通信可采用Zigbee、低速UWB和Bluetooth等技術(shù)，傳輸速率一般低于1Mbit/s，通信距離一般不超過100m。尤其值得關(guān)注的是Zigbee技術(shù)，是基于IEEE802.15.4規(guī)范的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kbit/s，同時(shí)支持Mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2接入網(wǎng)通信技術(shù)

由于接入網(wǎng)主要負(fù)責(zé)連接桿塔節(jié)點(diǎn)設(shè)備和變電站節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通信覆蓋從幾百米到幾十千米不等，同時(shí)需要考慮圖像/視頻采集高帶寬接入的要求，以及輸電線路巡檢機(jī)器人、直升機(jī)和PDA等移動(dòng)接入的要求，因此接入網(wǎng)是中長(zhǎng)距離結(jié)合、寬帶化、多種方式接入的綜合網(wǎng)絡(luò)，是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

3.2.1專網(wǎng)方案

1)無(wú)線中繼方案。目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)接入網(wǎng)中常用的無(wú)線通信技術(shù)主要有無(wú)線保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）和全球微波互聯(lián)接入（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX）[2]。Wi-Fi是基于IEEE802.11規(guī)范的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN），覆蓋范圍為幾百米到幾千米，除提供固定的無(wú)線接入外，還提供移動(dòng)接入能力。Wi-Fi使用ISM（IndustrialScientificMedical）無(wú)線電廣播頻段通信，其中IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)使用5GHz頻段，支持的最大傳輸速率為54Mbit/s，而IEEE802.11b和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)使用2.4GHz頻段，支持的最大傳輸速率分別為11Mbit/s和54Mbit/s。WiMAX是一種基于IEEE802.16規(guī)范的無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN），覆蓋范圍為幾千米到幾十千米，具有移動(dòng)接入能力。WiMAX的最高傳輸速率可達(dá)100Mbit/s，還具備在2~66GHz頻率范圍內(nèi)可利用所有需要或不需要許可的頻段。在變電站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)桿塔以及需要設(shè)置中繼的桿塔安裝無(wú)線設(shè)備，將輸電線路上的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至就近變電站。無(wú)線中繼示意如圖2所示。該方案適用于傳輸距離較短、監(jiān)測(cè)點(diǎn)集中分布在變電站出口段且有寬帶數(shù)據(jù)傳輸要求的情況。對(duì)于上述采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)而言，隨著傳輸距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本均會(huì)增加，因此要根據(jù)傳輸距離來(lái)選擇無(wú)線設(shè)備型號(hào)。

2）無(wú)線中繼與光通信接入方案。電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中通常在110kV及以上輸電線路架設(shè)OPGW或全介質(zhì)自承式光纜（All-dielectricSelf-supportingOpticalCable，ADSS），尤其是OPGW光纜的廣泛應(yīng)用[3]，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了高效、可靠的傳輸媒質(zhì)條件。OPGW光纜在實(shí)際架設(shè)中，具有每隔3~5km設(shè)置一個(gè)光纜接頭盒連接2段光纜的特點(diǎn)，而監(jiān)測(cè)裝置的布點(diǎn)主要根據(jù)輸電線路運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)來(lái)確定，大多數(shù)情況下不會(huì)安裝在設(shè)有光纜接頭盒的桿塔，因此考慮采用無(wú)線中繼與光通信混合通信方式實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)的全線路覆蓋。在設(shè)有光纜接頭盒的桿塔，安裝光通信設(shè)備作為接入和傳輸裝置，在桿塔上提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)，在未設(shè)光纜接頭盒的桿塔則僅安裝無(wú)線設(shè)備進(jìn)行無(wú)線中繼，通過無(wú)線與光通信的高效結(jié)合，對(duì)不規(guī)則、非線性的野外受監(jiān)控線路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且通過無(wú)線中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)一些特殊的長(zhǎng)距離傳輸和移動(dòng)接入。無(wú)線中繼與光通信接入網(wǎng)方案示意[4]，如圖3所示。該方案適用于架設(shè)有OPGW或ADSS光纜的輸電線路，以及重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傳輸距離較長(zhǎng)、有寬帶數(shù)據(jù)傳輸要求等情況。由于光通信設(shè)備的功耗一般較大，因此設(shè)備選型時(shí)，除確?？煽啃酝?，應(yīng)盡量降低功耗或選擇功耗相對(duì)較小的設(shè)備。對(duì)于老線路，局部光纜接頭盒需更換成三通，并核實(shí)是否具備1~2芯可用光纖；對(duì)于新建線路，光纜的分盤和纖芯可預(yù)先規(guī)劃，光纜接頭盒的位置可根據(jù)監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)設(shè)置，纖芯可按2~4芯預(yù)留。光通信方式具有通信容量大、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)接入網(wǎng)中常用的光通信技術(shù)為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（xPON）和光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]，在輸電線路一側(cè)變電站內(nèi)布置光線路終端（OpticalLineTerminal，OLT），在桿塔上布置無(wú)源分光器（PassiveOpticalSplitter，POS）和光網(wǎng)絡(luò)單元（OpticalNetworkUnit,ONU），利用1根光纖和POS將ONU沿輸電線路呈鏈狀分布。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能提供1.25G及以上共享帶寬，可抗多點(diǎn)失效，所有節(jié)點(diǎn)距離一般控制在20km以內(nèi)，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將變電站內(nèi)、輸電線路桿塔上的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)利用2根光纖組成鏈狀網(wǎng)絡(luò)。由于輸電線路特有的惡劣野外環(huán)境，其采用的以太網(wǎng)交換機(jī)在材料選用、產(chǎn)品強(qiáng)度和適用性等方面都提出了較高的要求。光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)能提供100/1000M共享帶寬，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸距離可高達(dá)80km，但不支持多點(diǎn)失效，光纖工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)淙鐖D5所示。