基于输电线路在线监测系统的网络通信方式优化研究及实现

邓飞 田庆生 梁仕斌 张强 锁真田

摘 要：传统的线路运行监测通常采用人工巡线的方式，这种方式存在诸多缺陷，例如实时性极差，数据采集的准确性依赖于人员素质，采集到的数据参差不齐等。2008年我国南方电网冰灾事故以后，国内很多科研机构、生产厂家开始研究输电线路覆冰在线监测技术，希望通过在输电线路上或杆塔上安装监测终端，实时监测输电线路微气象及导线拉力等数据进而计算线路覆冰情况或者杆塔倾斜情况。采用这种新的监测方式可以弥补传统监测方式的诸多缺陷，实现了对人员难以到达的杆塔线路远程全天候监测，提高了监测实时性、准确性和监测范围。但是，由于在线监测系统的基础是现场数据，在线监测效果取决于现场数据的实时性和准确性，有必要对其数据传输的通信方式进行研究，分析其缺陷及其改进方法。本文将对输电线路在线监测系统的网络通信方式进行研究和优化。

关键词：在线监测；输电线路；网络通信

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0174-04

1 引言

当前，制约高压输电线路运行状态监测领域发展的关键点之一在于现场信号远程传输的实时性和准确性。传统方式采用较多的通过GPRS网络结合UDP协议传输格式化数据包，近些年快速发展的新型方式是采用光纤网络传输数据，这两种方式的基本原理、实现方式等各方面都存在很大区别，对应于不同的输出数据各有优缺点，下面就上述两种方式分别进行分析[1]。

2 GPRS通信方式

2.1 原理介绍

GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，其基础是GSM网络，得益于近些年移动网络的快速发展，GPRS的应用区域已经得以更多应用。GPRS采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据，可实现数据端到端的发送和接收。GPRS的硬件基础是在GSM网络上增加的分组数据服务设备，并对GSM无线网络设备进行升级，确保现有的GSM无线覆盖可以提供分组数据业务。

基于GPRS网络平台的无线DDN可以提供点对点、外围设备之间、外围设备与中心节点之间的通信方式，适用于信息互传、数据互备、远程监测等行业应用。特别适合于突发性、高频率、点多分散、小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。采用GPRS通信方式能够实现包括图像在内的所有通信业务，甚至可以扩展到视频传输领域。GPRS通信处理数据包的方式基于UDP协议，UDP（User Datagram Protocol）的中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议[2]。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用，它的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据在数据传输的过程中需要对数据进行打包，其数据包的结构示意图1所示。

UDP数据的格式按照《南方电网输电线路状态监测系统通信规约》进行编码，相应的，接收端根据上述规约进行数据解析。

2.2 实现方式

GPRS通信基于移动通信网络，因此现场监测终端需要支持SIM卡，由后者接入提供网络接入接口。同时，在监测主站侧需要加装数据接收前置机，这台装置需要提供一个固定的IP和端口，现场的终端在安装的时候就进行相应的设置，指定此IP和端口作为数据接收方[3]。终端启动以后将数据主动发往指定IP，数据接收端被动接收现场传过来的数据，并调用数据解析程序对数据报进行解析，最后存入数据库，监测主站从数据库读取数据，以网站的形式发布，展示给用户，完成整个监测流程。GPRS数据传输流程图2所示。

2.3 优缺点分析

GPRS网络通信的传输方式由于其基于GSM网络，所以，只要有移动网络的区域都可以部署监测终端，并且不需要再进行更多设备的安装，总体来说，设备安装过程简单，入网时间短。但是，GPRS网络通信也有不少缺点，主要是稳定性差、设备在线率低等，下面将对这些缺点及其成因进行详细分析。

首先，基于GPRS网络通信的现场监测终端通常自带供能模块，这种特点使得它们易于安装，但是也带来了很多难以解决的问题。监测终端的供电模块通常是太阳能电池板。由于太阳能电池板的能量供给严重受制于光照强度，因此，在连续阴雨天或者冬季日照较少的时节，监测装置很容易因为电压过低而无法正常启动，通常生产厂家将设备启动的电压阈值设定为12.8V，也就是说，当太阳能电池板提供的电压低于12.8V时，设备就無法正常启动，设备随之掉线。根据上述分析可知监测终端终端掉线的情况主要发生在冬季或者连续阴雨天，但是，冬季和连续阴雨天往往是输电线路灾害频繁发生的时节，例如杆塔倾斜和输电线路覆冰等，此时恰恰是最需要监测终端在线的时候，最终的结果就是在线监测的效果大打折扣。其次，在长期运行中太阳能板易被污秽物所遮盖，光电转换效率大幅下降，同时蓄电池使用寿命普遍较短，更重要的是，此种方式无法满足视频等功率较大设备的长期在线监测，严重影响了监测设备的使用效率[4]。最后，由于GPRS网络通信基于GSM网络，这个特点使得传统的在线监测终端易于安装布置。但是，这个特点同样是一把双刃剑，它带来的缺陷是网络通畅不稳定。因为需要监测的杆塔或输电线路通常位于人员不容易到达的地方，因为在这些区域布置监测终端可以减少甚至避免人员巡线工作，以此来体现监测终端的价值。但是，由于人迹稀少，移动网络运营商通常不会花费时间和设备来加强网络信号，由此导致移动网络信号不够强，SIM掉线的情况就时有发生了，进而导致数据传输的基础不稳定，由于传输的协议是采用UDP协议，它采用的是无连接协议，在传输过程中如果发生数据报丢失，服务端（数据接收前置机）是无法获知和验证的，最终的结果就是数据的采集数据连续性无法得到保证。这同样会使得监测效果受到很大影响。

3 OPGW数据传输

3.1 原理介绍

近几年逐渐兴起的新型的输电线路在线监测数据传输方式是OPGW数据传输。所谓的OPGW是光纤复合架空地线的简称，它的技术基础是目前较成熟光纤技术。光纤是利用纤芯和包层两种材料的折射率大小差异，使光能在光导纤维中传输。由于实际应用情形中，一条光纤通常要传递多个信号，否则会造成光纤通信的性价比降低，因此发展出了光纤光栅技术，下图是光纤光栅的结构示意图3所示。

它通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂（通常是掺锗），使芯层折射率比包层折射率大，从而形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光（带宽通常约为0.1nm-0.5nm）。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。

布拉格光纤光栅是最普遍的一种光纤光栅，其周期和折射率调制幅度均为常数，光栅周期小于1，反射波长的公式如下：

为光栅的布拉格波长，为光栅的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应），为光栅条纹周期（折射率调制的空间周期）。

由光纤布拉格光栅方程可以看出，任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变（或应力）和温度是最能直接显著改变布拉格光栅波长的物理量。当布拉格光栅受到外界应变（或应力）作用时，光栅周期会发生变化，同时弹光效应会导致光栅有效折射率变化；当布拉格光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。

光纤光栅传感器数据基本原理与传统的电气监测终端迥然不同，由于其采集的数据是基于光纤技术，决定了其数据传输也可以轻易地借助于光纤技术。其数据传输流程如图4所示。

变电站内的光源装置产生光信号，通过光纤传递到现场杆塔上的光纤传感器，传感器被所监测的物理量的变化引发经过其中的光栅的波长，被改变的光信号传回变电站内的解调仪，将光信号解析为数据信号，完成现场数据的采集和传输过程。

3.2 实现方式

OPGW在输电线路监测系统中的应用需要包含以下功能模块：光纤主机、OPGW光纤、数据解析模块，接口数据库、数据抽取转换模块、数据监测平台数据库和WEB服务器。其应用示意图5所示。

（1）光纤主机：为现场光纤传感器提供光源，光源指的是符合光纤复合绝缘子内部光栅反射特征量的能够波分复用的宽带光源，同时光纤主机还包含光波解调仪，所谓光波解调仪是指能够感应光纤复合绝缘子内部光栅反射特征波的光电检测器和将光谱波形与采样频率相匹配的处理器，处理器能够统计光谱峰值，并将其转换为对应的应变量。（2）接口数据库：经过光纤主机处理以后，现场的物理量就被采集并传输回到变电站内，通过数据处理程序，将解析完成的数据存储到接口数据库中，实现数据预处理和暂存的功能。（3）数据抽取转换模块：出于网络安全和分区的考虑，WEB服务所基于的数据库通常不能放置在变电站中，同时由于要集成其他来源或者维度的监测参量，所以要单独设置线路监测平台的数据库。可以采用数据同步或者Web Service的方式对数据进行抽取和传输。（4）WEB服务器：数据采集完成以后，需要应用编程技术对数据进行组织，利用各种应用数学模型实现对设备状态评估和辅助决策，结合输电线路微气象数据和导线拉力数据，估算出输电线路运行状态，并且以直观、科学的方式，对数据进行组织，将监测结果以网站的形式展示给用户。

3.3 优缺点分析

OPGW技术在输电线路在线监测领域中的应用是对输电在线监测技术的一次革新[5]。它从信号采集精度、数据传输稳定和易于施工等角度显著改善了传统监测技术的效果。

（1）采集精度：光纤传感器由于本身的结构特点，可以在高电磁环境中正常的工作，完全的电绝缘；雷电经常破坏大量的电气传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界電磁环境的干扰。（2）数据传输稳定：光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测。（3）易于施工：OPGW光缆由于有金属导线包裹，使光缆更为可靠、稳定、牢固，由于架空地线和光缆复合为一体，与使用其他方式的光缆相比，既缩短施工工期又节省施工费用。另外，如果采用铝包钢线或铝合金线绞制的OPGW，相当于架设了一根良导体架空地线，可以收到减少输电线潜供电流、降低工频过电压、改善电力线对通信线的干扰及危险影响等多方面的效益。由于光纤具有抗电磁干扰、自重轻等特点，它可以安装在输电线路杆塔顶部而不必考虑最佳架挂位置和电磁腐蚀等问题[6]。

4 总结与展望

根据上述分析，得出OPGW监测方法相较于传统监测装置具有很大优势，从数据采集和传输角度对比结果表1所示。

综上所述，OPGW具有较高的可靠性、优越的性能、成本也较低等显著特点，同时还可以通过扩展宽带光源、加大入射光功率和线路双工等技术提高传输距离，另外，还可以利用光波多分复用技术提高单根光纤可复用的传感器数量，从而使测点能满足覆盖整条输电线路，进一步降低光纤监测技术在输电线路监测系统中应用的成本，最终建立一套稳定可靠、高性价比的输电线路全区段监测系统。

参考文献

[1]任雁铭，秦立军，杨奇逊.IEC 61850通信协议体系介绍和分析[J].电力系统自动化，2000，（8）：62-64.

[2]W.Richard Stevens，范建华，译.TCP/IP Illustracted Volume 1：The Protocols[M].机械工业出版社，2000.

[3]王凯，蔡炜，邓雨荣，等.输电线路在线监测系统应用和管理平台[J].高电压技术，2012，（5）：1274-1280.

[4]邬春明，程亮，田章超，等.基于物联网的变电站在线监测系统[J].电工电能新技术，2013，（4）：110-114.

[5]李勋，龚庆武，等.物联网在电力系统的应用展望[J].电力系统保护与控制，2010，（22）：232-236

[6]YANG Jincui， FANG Binxing， et al. Research towards IoT-oriented universal control system security model[J]. Journal on Communications， 2012， 33（11）：49-56.