输电线路状态监测通信传输网络技术

王 喆，刘 峰，温兴贤，陈 峥，马 润

（国网宁夏电力有限公司信息通信公司，宁夏 银川 750001）

0 引 言

利用输电线路的状态监测能够完成对输电设备运行状态的管理，对提升输电设备运行管理水平有着重要的促进作用。输电线路的状态监测主要运用广域通信技术、多种传感技术以及信息处理技术等完成感知输电线路中各设备的运行状态、实时监控、预警信息发布、故障诊断以及状态评估等工作。为更好地完成上述工作，及时的信息数据反馈是十分必要的。

1 输电线路状态监测通信传输网络建设的需求分析

现阶段，我国输电线路状态监测设备样式繁多，分类方式也较为多元。输电线路状态监测设备按功能可分为机械类、电器类与运行环境类，按设备形式可分为导线监测类、气象环境监测类、杆塔附件监测类、杆塔监测类以及其他监测类，按设备的安装位置则可分成地线类、导线类、绝缘子类、金具类、杆塔基础类、杆塔类以及非接触类[1]。

输电线路状态监测的检测数据可分为宽带数据、中等宽带数据以及窄带数据三类。其中，宽带数据的数据流量普通的情况下要大于1 Mbit/s，高清情况下要大于3 Mbit/s，且数据的形式多为流媒体，有着实时性的要求，此外，常用的接口为以太网接口，常见的监控装置为视频采集装置；中等宽带数据的数据流量要小于150 Mbit/s，数据形式为数据报文，具有非实时性的要求，常用接口同样为以太网接口，常见的监测装置则为图像采集装置；窄带数据的数据流量要小于150 Mbit/s，数据形式为数据报文，具有准实时的要求，常用接口为串行接口，常见的监测装置为导线温度与杆塔倾斜测量装置。

2 输电线路状态监测通信传输网络的组成

通常情况下，输电线路状态监测通信传输网络由主网、接入网以及微网三部分组成。（1）主网，通常情况下，选择电力系统的通信专网作为输电线路状态监测通信传输网络的主网。当前，我国只有极少部分的变电站未装配电力系统的通信专网，变电站与各调度端的通信传输网络建设已趋于完善；（2）接入网，接入网的通信传输覆盖范围可以从几百米达到几万米，在建设过程中，通常会沿着输电线路一直连接到变电站。接入网除要连接各微网外，还要连接塔杆节点的设备与变电站的节点设备；（3）微网，微网的建设一般以输电线路的塔杆为中心，实现周边数十米范围内通信传输的全覆盖，主要负责各传感器、摄像头等设备中数据的接收与传输，同时完成与接入网的连接。

3 输电线路状态监测通信传输网络的设计

3.1 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]。

3.2 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IED CAC、主IED CMA、主IED CAG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。

3.3 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。此外，通信传输网络的可控性较差，需利用快速生成树协议、生成树协议以及IEEE802.1P补充协议实施调整[3]。以基于SDH的多业务传输平台与同步数字体系网络为代表的传输设备，具备带宽较高、时延程度低且安全性能较好的优点，但其对资源的利用率较低，并不适合接入网。

4 输电线路状态监测通信传输网络技术

4.1 微网通信技术

输电线路状态监测通信传输网络中的微网存在于末梢网，主要用于接收并传输输电线路状态监测系统内各传感器、监控器等监测设备所采集到的数据信息，可使用10/100 M自适应以太网接口或RS-232/RS-485串行接口，利用有线通信的方式汇总相关设备采集到的信息数据，并传输至杆塔节点设备。鉴于以地线类监测装置、导线温度检测等导线监测装置为代表的传感设备与杆塔节点的通信传输方式为无线射频通信，这些设备并没有安装在杆塔上。在进行组网时，可以无线传感网络的建设为参考，将异构系统的互联互通性、WSN的低耗自组机制以及大结构关联的协同处理数据等优势最大程度地发挥出来。

输电线路状态监测通信传输网络中的微网主要完成对单基杆塔周边数十米范围内的通信传输覆盖，具体实施时，需依赖多种应用与无线个域网的通信传输技术。若以数据信息的传输速度为重点考量对象，可使用超宽频技术这一速度较高且距离较短的无线通信传输技术。超宽频技术的最高传输通信速率可达100 Mbit/s以上，但其通信传输的距离不能超过10 m。此外，也可应用低速UWB、Bluetooth与Zigbee等技术，但要求数据传输的速率小于1 Mbit/s，通信传输的距离也要小于100 m。当前，电力行业相关人员尤为重视Zigbee技术的使用，该无线网络技术复杂程度较低、功率消耗低且运行成本较低，属于基于IEEE 805.15.4规范的近距离无线传输通信技术[4]。Zigbee技术的传输速率在250 Mbit/s以上，能够与Mesh型网络拓扑结构协同运行。

4.2 接入网通信技术

接入网的通信传输覆盖长达几百米至几万米，在执行对通信传输网络中变电站节点设备与杆塔节点设备的连接时，应依照图像或视频采集中高宽带的接入要求展开工作。因此，接入网的网络性质为中长传输通信距离的结合与多种方式接入。无线保真技术与全球微波互联接入技术是当前较为流行的两种接入网无线通信技术。

无线保真是一种基于IEEE 802.11规范的无线局域网技术，其通信传输的覆盖范围能够很好的满足接入网覆盖要求。无线保真技术除能提供固定的无线接入服务外，还具备移动接入的能力。在不同的标准与频段下，无线保真技术实现的传输速率有所不同。例如，在IEEE 802.11a的标准下使用5 GHz的频段，能够得到的最大传输速率为54 Mbit/s，而在IEEE 802.11b的标准下，使用2.4 GHz的频段，能够得到的最大传输速率仅为11 Mbit/s。

全球微波互联接入是一种基于IEEE 802.16规范的无线城域技术，具有较强的移动接入能力，能够满足接入网通信覆盖范围的要求。应用全球微波互联接入技术实施输电线路状态监测通信传输网络中接入网的建设，能够得到最大为100 Mbit/s的传输速率，可在2～66 GHz之间所有的频段下正常工作。

在建设接入网时，常使用光纤工业以太网技术与无源光网络技术展开光通信。应用光纤工业以太网技术可将输电线路塔杆上安装的以太网交换机与变电站内的以太网交换机利用光纤完成连接，形成链状网络。该技术的使用能够为输电线路状态监测通信传递网络提供100/1 000 M的共享宽带，而在进行点对点的通信传输中，能够完成80 km以内的传输。无源光网络技术采取一点到多点的拓扑结构，利用一个光纤和POS将变电站内光线路终端与杆塔上的无源分光器以及光网络单元连接在一起，形成链状分布，可为通信传输网络提供1.25 G以上的共享宽带，最大通信传输距离为20 km。

无线扩频通信技术与第三代、第四代移动通信技术（3G、4G）同样能为输电线路状态监测通信传输网络的建设助力。尤其是无线扩频通信技术，具备较强的抗干扰能力，最高传输速率可达153.6 kbit/s。而3G技术的最高传输速率为2 Mbit/s，4G的最高传输速率则要大于100 Mbit/s。

5 结 论

鉴于输电线路状态监测的数据类型较多、监测的地点也较为分散，通信传输网络的建设需要结合实际的条件要求进行。在进行接入层与微网的建设时，可从超宽频技术、Zigbee技术、无线保真技术、全球微波互联接入技术、光纤工业以太网技术、无源光网络技术、无线扩频通信技术以及第三代、第四代移动通信技术中挑选合适技术完成实际的网络建设。