输电线路状态监测系统规范化设计与应用

王乃永，邓育平，谭蓉，见伟，卫鹏

（1.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安 710065；2.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；3. 陕西省电力设计院，陕西 西安 710054；4. 北京朗新科技有限公司，北京 100101）

目前，输电线路状态监测与诊断技术的研究及开发非常迅速，监测范围涉及线路沿线环境、杆塔结构、基础、导地线及绝缘子的指标与状态，输电线路智能化检测设备的安装为安全生产和线路运行维护提供了大量的数据和资料，为实现输电线路状态检修提供了条件，但在现阶段的推广应用中，也出现了大量产品质量、工程设计及运行维护问题，严重阻碍了输电线路状态监测业务的开展。这些问题，部分是由于装置可靠性和产品成熟度问题导致的，而另一部分则是由于系统设计方案不成熟、缺乏标准化设计、缺乏统一规划而引起的。输电线路状态监测业务是一个系统工程，涉及监测选点设计、通信方案设计、数据安全及技术选型等多个环节，在设计环节急需要系统的、典型化的设计指导依据，而现有的技术规范主要侧重于监测装置标准化方面[1-2]，在系统整体方案设计与施工环节，则缺少标准化的成套设计方案与方案选择原则，造成线路状态监测设计方案随意性、差异性较大，缺少统一的规划与设计，不仅增加了设计、施工环节的工程复杂度，而且也给生产运行维护环节带来了极大不便。

要解决上述问题，需统一输电线路状态监测系统的设计规范、统一智能输电线路建设各阶段的设计深度、统一设备布点原则、统一安装设计标准。

1 输电线路状态监测系统设计深度定义

当前运行的输电线路状态监测系统在设计与建设模式上通常可分为两类，一类是在线路设计与建设阶段完成，将线路状态监测系统设计、安装设计与线路本体设计同步进行[3]。另一类是在线路建成后运行阶段完成，是运维检修单位根据线路运行情况对线路状态监测系统进行方案设计，并在线路运行或检修状态下进行系统安装。

在线路设计可研、初设及施工图阶段，分别对线路状态监测内容及通信方案进行不同深度的设计，需对各阶段的设计输入、输出作出具体的规范化定义，从而使得线路状态监测系统的设计能够更加符合线路建设与运行的需要。

1.1 可行性研究阶段

在线路可研阶段，设计单位要对规划线路进行路径勘查，确定线路路径方案，并根据线路设计收集到的信息，对线路状态监测的必要性进行充分评估，若存在状态监测需求，则进行初步的技术方案设计，确定状态监测类型和总体通信方案，并对投资进行估算。

线路状态监测可行性研究报告应包含以下几方面内容：

1）线路工程概况：线路路径、主要交叉跨越、交通状况、公网通信状况、工程地质条件、气象条件、防污闪、风偏、雷击、鸟害措施等。

2）状态监测必要性进行论证与分析。

3）状态监测区域划定、状态监测类型与监测点数量统计。

4）基于线路路径沿线通信状况，确定线路状态监测总体通信方案，如：无线公网、电力光纤专网或北斗卫星通信方案。

5）基于线路状态监测选点设计方案和系统通信方案，进行线路状态监测系统投资预算与经济性分析。

1.2 初步设计阶段

在线路初步设计阶段，设计单位要对可研阶段确定的线路路径方案进行优化，并对部分重要内容进行专题研究。在此阶段，根据上述优化后的线路设计方案及收集的信息，对线路状态监测系统方案进行优化，对考虑安装状态监测的区域、内容进行调整，对系统通信方案进行优化，并合理控制工程造价及主要经济技术指标。具体内容构成如下：

1）线路工程概况：线路路径、主要交叉跨越、交通状况、通信状况、工程地质条件、气象条件、防污闪、风偏、雷击、鸟害措施等。

2）状态监测必要性论证与分析。

3）优化状态监测区域分布、状态监测装置类型与监测点数量确定。

4）线路路径沿线通信状况分析。

5）优化系统通信方案，包括：现场测量量接入通信方案、远程传输方案、站内通信接入方案、安全接入方案及主站接入方案等。

6）根据年最低气温、最大风速等气象资料确定塔上设备供电方案。根据光照及风速资料采用太阳能取能或风光互补取能方案，根据最低气温确定蓄电池方案。

7）优化线路状态监测系统投资预算，完善经济性分析。

1.3 施工图设计阶段

在线路施工图设计阶段，设计单位在线路现场踏勘与定位过程中，根据现场实际环境同步对线路状态监测装置的选点进行精细化设计，最大程度的匹配现场监测需求。与此同时，可在现场记录每个塔位的通信状况，对现场接入通信方案进行优化，并根据现场地形、地貌及塔位间的通视情况，对塔上通信装置进行选点设计。

状态监测施工图设计方案内容构成如下：

1）线路工程概况：线路路径、主要交叉跨越、交通状况、通信状况、工程地质条件、气象条件、防污闪、风偏、雷击、鸟害措施等。

2）线路状态监测类型详细布点设计方案，包括：状态监测类型确定、监测装置安装塔位、安装位置设计、数量统计。

3）优化后的线路状态监测通信设计方案。若采用公网通信方案，则对各监测点所在塔位的公网信号覆盖情况进行测量记录，并对监测装置安装位置进行优化调整；若采用电力光纤专网方案，则需根据监测点位置对光纤接续点设计进行优化、对塔上通信装置安装位置进行优化。

4）若采用电力光纤专网方案，则需设计变电站内数据接入通信方案。

5）安全接入设计方案。

6）主站接入设计方案等。

7）优化后的塔上设备供电方案。

2 状态监测系统方案设计导则

2.1 输电线路状态监测类型及选点设计

输电线路状态监测与诊断技术的研究及开发已得到广泛应用，监测范围涉及线路沿线环境、气象、杆塔结构、导地线及绝缘子的指标与状态。在设计中可选用的监测项目有：导线温度与增容监测、导线微风振动监测、导线舞动监测、导线风偏监测、导线弧垂监测、等值覆冰厚度监测、绝缘子污秽度监测、杆塔倾斜监测、微气象参数监测、防盗监测、图像以及视频监控等。在实际工程运行过程中各种传感器出现以下问题：现阶段微风振动、舞动监测装置因计算模型不成熟而无法做到准确的定性分析；绝缘子污秽度监测多数利用泄露电流进行评估，数据准确度较差，效果很不理想[4]；导线测温因安装位置限制只能监测导线表面温度，而无法监测线夹位置的温度，因安装密度及安装位置限制无法为动态增容提供完整的数据参考；等值覆冰厚度监测虽然在部分地区需求较为强烈，但现有的监测技术都不够成熟，在恶劣条件下，测量精度及装置可靠性都难以保证，因而也未大范围推广；图像及视频监测虽然对运行及检修能够起到一定帮助作用，但因视频装置功耗普遍较大，需配备较大容量电源，导致装置可靠性及可维护性大为降低，无法广泛使用；目前只有微气象和杆塔倾斜监测的装置可靠性及数据准确度较高，具备广泛应用的条件。因此，在进行状态监测选点设计时，一方面要根据应用需求充分评估状态监测的必要性，另一方面，也要根据现有监测技术发展水平合理选择监测类型和监测密度。状态监测类型及选点设计应在线路设计阶段进行统筹考虑与规划，具体可参看本文状态监测系统设计深度定义。

2.2 典型状态监测通信系统设计方案

输电线路状态监测数据通信是制约输电线路业务发展的主要技术瓶颈之一[5]。现阶段，采用公众移动网络通信方式的通信接入方案最为普遍，这类方式具有技术成熟、建设成本低、易于实施等优点，但在网络覆盖、带宽需求、数据安全及网络易维护性等方面无法完全满足状态监测业务需求。随着技术的发展[6]，适用于组建电力专网的光通信技术、无线通信技术以及北斗卫星短报文通信技术，也逐渐应用到输电线路状态监测系统中，使得状态监测系统通信方案的选择与设计具有更大灵活性。输电状态监测系统通信方案是一个系统工程，需在线路设计阶段根据监测需求与现场通信条件进行统一规划与设计。典型状态监测通信系统见图1。

图1 典型状态监测通信系统示意图Fig. 1 The typical condition monitoring communication system

本文将输电线路状态监测数据通信网络构成划分为3种类型，即：无线公网、电力专网和北斗卫星通信网络。

2.2.1 无线公网通信方案

无线公网方案，是利用公用数据通信网提供的数据传递业务（例如GPRS、3G、4G数据业务等）来实现数据的集中与传输。电信运营商在输电线路状态监测装置和电力内网之间构成一个无线虚拟专网（VPN）通道，满足了输电线路状态监测数据通信的安全性要求。使用公众移动通信网络时，需对状态监测点位置的公网信号覆盖质量进行检测与评估，为了便于网络质量的评估，将现场网络信号接收功率划分为5个覆盖强度等级，如表1所示。

表1 无线公网信号覆盖强度等级划分Tab. 1 The strength grading of public mobile network signal coverage

对于带宽要求较低的传感器类数据，网络信号覆盖强度级别至少应满足3级标准；对于带宽要求较高的图像/视频类数据，网络信号覆盖强度级别至少应满足2级标准。

2.2.2 电网专网通信方案

电力专网方案，是利用无线和光纤通信融合技术，沿电力线建立自主的专用通信网络[7]。状态监测电力专网划分为3段：传感器接入段、远程传输段、变电站接入段。传感器接入段负责线路现场监测、运维数据的汇集与集中；远程传输段负责将集中的数据进行远传，一般情况下是传输至线路末端的变电站；变电站接入段则负责将传输至站内的数据以安全的方式接入到输变电状态监测主站。

1）传感器接入网络由安装在线路杆塔上的一体化通信装置组建，集成各类有线及无线通信接口，实现在线监测装置采集数据的集中接入。有线通信支持网口通信和串口通信两种方式，网口通信，传输速率较高，但有效传输距离较短，不大于100 m，串口通信方式传输距离达1 km以上，但数据传输速率只有100 kbit左右。无线通信方式支持Wi-Fi、ZigBee、WiMax以及其他非标的无线通信技术。在实际应用中，根据不同的业务数据类型需求，采用不同类型的无线接入技术。Wi-Fi技术传输速率高，可达30 Mb/s以上，适合图像/视频类监测数据的传输，传输距离可达3 km以上，功耗在4 W以上；ZigBee技术具有低功耗（<1 W）、低时延特点，但传输速率较低，适合传感器类监测数据的传输，传输距离可达3 km以上；WiMax技术属于广域网通信技术，传输距离远，可覆盖5 km以上，传输速率也可达到20 Mb/s，但该类设备功耗在80 W以上，供电问题较难解决，且没有合法频段可用，适用性较差。

无线信号的传输距离受发送功率、接收灵敏度、天线增益等因素的影响，需在详细设计阶段对监测点的无线信号接收功率进行计算，并根据信号接收功率合理选择天线增益或调整监测点位置。对于Wi-Fi、ZigBee技术，信号接收功率值Pr不应小于-75 dBm，若低于-80 dBm通信链路可靠性将无法得到保证。设计参考计算公式如下：

Pr=Pt+Gt+Gr-（Lt+Lr）-Sp-20lg f-20lgd-32.5 （1）式中，Pr为接收信号功率，dB；d为传输距离，km；Pt为发送功率，dB；Gt为发送天线增益，dB；Gr为接收天线增益，dB；Lt为发送天线馈线损耗，dB；Lr为接收天线馈线损耗，dB；Sp为无线链路功率余量，通常取15～20（dB）；f为频率，MHz。

以Wi-Fi为例，利用上述参考计算公式，计算得到的有效传输距离与天线增益选择参考对照表如表2所示，实际工程中还应根据现场环境考虑一定裕度，不大于3 dBm。

表2 2.4 G Wi-Fi设备有效传输距离与天线增益选择参考对照表Tab. 2 The effective transmission distance and antenna gain options of 2.4 G Wi-Fi equipment

2）远程传输网络可采用的技术方案可分为光纤传输技术和无线传输技术。利用电力输电线路OPGW或ADSS光纤通道构建的光纤传输网络具有较高的可靠性，可采用EPON无源光网络或光纤以太交换机网络；而利用无线专网通信技术构建的无线多跳传输网络，可采用无线多跳和无线网桥技术，但系统稳定性与可靠性相对较差，工程实施、维护也更为复杂。

EPON无源光网络典型设计方案是将无源光网络OLT设备放置在变电站，ONU模块放置在杆塔处。可采用单环网组网和保护组网两种方式。

EPON无源光网络具有低成本、高带宽、高可靠性特性，网络抗损毁能力较强，但EPON传输距离较短，不超过20 km。在实际工程应用中通过技术改进使得EPON设备的覆盖半径提高到50 km以上，能够满足中短距离输电线路的数据传输应用。在设计ONU接入点位置和数量时，需计算光路物理损耗，通道衰减计算通常用最坏值设计法，即所有参数均取最坏值，可以保证系统在寿命终了（20～25 a）时仍能符合传输性能指标。见图2。

图2 EPON无源光网络保护组网方案示意图Fig. 2 EPON passive optical network protection scheme

EPON光传输系统传输距离的计算公式及参考值如下：

式中，Ps为发送机在S点平均发送光功率，dB；IL为光分器损耗，由光分器类型决定，线路监测为总线式网络，采用1∶2非均匀分光器；Aa为光纤连接器损耗，通常一个中继段两端各1个连接器，损耗取0.5 dB/个；Pp为最大光通道代价（dB），一般取1；Af为光纤衰减，G.652型光纤衰减系数：1 310 nm f≤0.36 dB/km；1 490 nm f≤0.3 dB；1 550 nm f≤0.22 dB/km；Aw为光纤熔接点损耗，取0.1 dB/个；Me为系统富余度，一般取3 dB；m为分光器数量；n为光缆连接器数量；f为光纤熔断数量；Mc为线路富余度，按0.04 dB/km取值。

光纤以太交换机组网典型设计方案可采用单环网组网和保护组网两种方式。单环网组网设计是使用OPGW或ADSS光缆中的2根光芯组成链型网络。该组网方式没有保护网络，可靠性较差。保护组网采用冗余双环网设计技术，即采用4根光芯，两套主设备分别部署在相邻的变电站，从设备分别部署在杆塔处，通过手拉手组成链型网络。该组网方式有保护网络，可靠性较好。在光缆芯资源较富裕的情况下，工业以太网交换机组网应尽量采用双环网拓扑的保护组网方式，提高通信接入网可靠性，结构如图3所示。

图3 光纤以太交换机保护组网示意图Fig. 3 Fiber ethernet switch protection group

光纤以太交换机网络具备高带宽、可扩展性强、传输距离远、布网灵活，传输距离长等特点，两点间最大传输距离可达120 km，网络节点可无限延伸，但光交换机是链式通信组网，网络可靠性较差，即使进行环网保护组网，也仅能对应单点故障，同时，设备功耗较EPON设备略高。

无线专网技术搭建传输网络，可采用无线网桥和无线多跳技术。

无线网桥技术方案可由Wi-Fi无线网桥来组建。即在一个点安装有两个射频通信模块，分别与前后Wi-Fi设备建立点对点通信。通过实际测试，并结合实际工程应用的情况来看，Wi-Fi网桥最多可组成8级中继网络，传输距离不超过30 km，超过10级中继的链式网络是不可靠的。该方案为固定网桥设置，不具备自适应、自组网、自愈和能力，安装调试较为复杂。

无线多跳技术方案是针对输电线路线性走线特点而定制化的无线多跳宽带传输系统，设备组网方式不仅支持线性拓扑结构的工作模式，而且支持Y型拓扑工作模式，较好的匹配了输电线路线性走线和∏接走线的分布特性，它所构成的系统具备高带宽、低功耗、自组织的特性。

总体而言，无线链式组网，通信网络可靠性较低。虽然系统支持自组网、自愈和特性，但是链式组网的系统可靠性仍不及网状网络的系统可靠性。

3）变电站内数据接入方案需重点考虑数据安全接入问题。电力专用通道将分布在线路沿线的数据集中到变电站通信机房，再通过安全接入平台将数据接入电力综合数据网并最终进入输变电状态监测主站。若安全接入平台未延伸至变电站，为保证数据接入安全，可在SDH网络上划出专用的状态监测数据传输通道与主站连接，在数据接入主站前，需先接入主站侧的安全接入平台，再进入主站，以解决数据的安全接入问题。

2.2.3 北斗卫星短报文通信方案

北斗卫星短报文通信方案是利用北斗卫星导航系统提供的双向短报文通信服务功能，借助北斗卫星通信网络作为通信传输媒介，实现状态监测装置与状态监测主站直接的数据传输。本方案需在主站侧部署北斗指挥型终端，用于接收各监测点北斗通信终端发送的监测数据。指挥终端具有监控、指挥调度，和多级分组组网功能，最多可支持5 000个用户。

北斗短报文通信技术方案具有覆盖范围广、通信可靠性高的特点。覆盖范围东经70°～140°，北纬5°～55°。不足的是，北斗短报文数据传输能力有限，单条报文可承载的实际有效长度为78个字节。因此，利用北斗短报文作为数据通信手段，只能解决小数据量的数据通信需求。

2.3 输电状态监测设备安装位置设计

状态监测装置安装位置设计是线路状态监测系统工程的重要环节，要使整个状态监测系统安全、可靠的运行，实现高效性、易维护性，有必要在线路设计阶段对状态监测装置、通信设备及电源系统在杆塔上的安装位置进行规范化设计并提出指导原则。必要时应对杆塔荷载进行校验。

设计单位在进行杆塔设计时，需充分考虑安装状态监测装置对电气安全和机械强度带来的影响，在设计中充分考虑上塔装置的整齐、牢固及易维护方案，并对监测装置、通信及电源系统的外形结构、安装方式和安装位置提出原则性技术要求。在设计施工图阶段应提供塔上各类监测装置、通信装置及电源系统的安装图和电气连接图，由设计单位制成正式工程施工设计图纸。

3 适用范围

3.1 状态监测业务适用范围

基于在线监测技术发展的现状来看，尚不具备大范围推广的条件，因此在设计输电线路状态监测数据采集方案时，应充分考虑各类监测装置的适用性和技术成熟度，仅在十分有必要且非常重要的输电线路上应用状态监测技术。可选取长期重载线路、巡线困难地区、运行抢修困难局部线段和跨越主干铁路、高速公路等设施的重要跨越段，大跨越，微地形、微气象地区、采空区或地质不良区、外力破坏多发区的输电线路作为状态监测装置选用基本条件。人口密集区输电线路可选择在大中型城市输电线路杆塔附近有重型车辆频繁经过、铁路、高等级公路、重要跨越处、构件偷盗损毁严重地区、资源型城市作为状态监测装置适用原则。在进行监测装置布点设计时，在满足各类应用需求的前提下，优先考虑技术较为成熟的监测装置类型，而对于技术不成熟或装置可靠性普遍较低的监测类型则尽可能不用或少用。

3.2 总体通信设计方案适用范围

1）线路走廊无线公网（GPRS/CDMA/3 G）信号超过80%区域覆盖等级能够达到3级以上标准，优先采用公网通信方案。

2）线路走廊无线公网（GPRS/CDMA/3 G）信号超过80%区域覆盖等级达不到3级以上标准，且需部署的状态检测采集点较少，应简化通信传输方案，优先采用北斗卫星短报文通信方案。

3）线路走廊无线公网（GPRS/CDMA/3 G）信号超过50%区域覆盖等级达不到3级以上标准，电力光纤（OPGW/ADSS）资源较为充足，且状态检测采集点较多时，优先采用基于无线接入+光纤传输的专网通信方案。

4）线路走廊无线公网（GPRS/CDMA/3 G）信号超过80%区域覆盖等级达不到3级以上标准，没有电力光纤（OPGW/ADSS）资源可利用时，且状态监测必要性很高时，可在有限范围内采用基于专网的无线多跳传输网络通信方案。

5）对于线路重要性较高（如：跨区联网线路），且对线路状态检测系统的信息安全要求较高的线路，优先采用基于无线接入+光纤传输的专网通信方案。

4 总结

在线路设计各阶段明确线路状态监测系统方案设计输入、输出内容的规范化定义，能够使线路状态监测系统的设计更加合理化、规范化，更符合线路建设与运行的需要。形成状态监测系统方案设计导则，可为设计单位评估安装状态监测系统的必要性、设计方案选型提供更完整的参考依据。

[1] 国家电网公司. Q/GDW 561—2010 输变电设备状态监测系统技术导则[S]. 北京：中国电力出版社，2010.

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