天地一体输电线路状态监测数据传输系统

杨德龙，王智慧，陈端云，苏素燕

（1.中国电力科学研究院有限公司信息通信研究所，北京 100192；2.国家电网福建省电力有限公司调控中心，福州 350003）

作为能源互联网的重要组成部分，输电线路具有分布范围广、所处地形条件复杂、维护检修难度高、易受自然环境影响和外力破坏及运行情况复杂多变等特点.我国幅员辽阔，经济发展相对不平衡，随着西电东送等工程的实施，输电线路的重要性日趋突出，为保证输电线路正常运行，迫切需要实现快速的预警、预测、风险评估和事故诊断等机制，实时监测输电线路的运行状态和运行环境，就需要有稳定可靠的通信网络，实时将监控数据传送到数据处理中心.

输电线路特别是特高压线路大多行经偏远地区，有线网络建设成本高，公网网络信号覆盖较差，无法满足未来智能电网的实时监测需求，建设可靠的高速宽带电力无线通信网络具有重要意义.目前，已有一些输电线路的数据传输方案被提出，文献[1]提出了一种基于ZigBee的输电线路温度在线监测系统，详细设计了硬件和软件系统，其监控系统运行稳定，体积小，成本和功耗低，但无法实现大数据的通信传输.为了解决监控数据回传不稳定的问题，文献[2]采用IoT技术提高了输电线路监测设备的感知能力和通信稳定性.文献[3]提出了一种基于LoRa和NB-IoT的混合组网通讯方式，实现了在公网信号较差或无信号地区的架空输电线路拉力和温湿度等状态监测数据的回传.LoRa和NB-IoT都属于窄带数据传输系统，无法用于高带宽需求的视频数据传输.高压输电线路的运行容量大，电压高，输电线路的现场环境多变复杂，会产生一定的电磁干扰，这对无线网络通信可能会产生较大的影响.然而，早期的研究表明，如果频率超过20 MHz，干扰水平会大大降低.针对这一问题，文献[4]提出了一种基于4G转WIFI无线传感器网络的输电线路监测系统，4G和WIFI无线通信技术的工作频率远大于20 MHz，系统具有传输速度快、监测范围广、网络建设方便等优点.为实现数据量较大的视频数据传输，文献[5]提出了一种融合无线专用宽带网和公共4G网的网络方案，利用跳时扩频通信技术改进现有的OFDM技术，结合有向天线，实现了带宽54 Mbps、传输距离超过10 km的无线专用宽带网，显著提高了通信带宽和传输距离，同时降低了成本.文献[6]设计的输电线路状态监测系统，采用无源光以太网EPON网络技术和无线局域网WLAN技术相结合，利用OPGW光缆完成信息传输.针对无线公网通信信号保密性低、安全性差、成本高和稳定性差的问题，文献[7-8]提出了一种能源通信专用网解决方案，基于WiMAX+EPON技术，利用无线技术高度灵活的覆盖能力，并结合光纤的高带宽和高可靠性，达到了非常好的效果.文献[9]提出了一种公共网络和光纤通信相融合的通信系统，设计了包括本地组合网络和远程组合网络的输电线路监测系统，实际应用中提高了线路监测系统的通信质量.为解决输电线路监测的链式无线通信网络中的带宽瓶颈和高延时问题，文献[10]设计了一种复合通信网络，在考虑带宽约束的同时，以成本和等待时间优化为目标，建立了光纤分离放置的理论规划模型.文献[11]提出了基于LDPC编码的OFDM无线专网通信系统，选取AWGN和瑞利衰弱这2个典型情景，通过仿真验证系统的可靠性，并进行了实际应用，该系统具备即插即用、网管功能统一、组网灵活和系统保密功能完善等特点.基于局域网或公共通信网络的监测系统存在一定的缺点和局限性.WIFI工作在ISM频段，功率和覆盖范围受限，容易与其他工作在ISM频段的设备相互干扰，多址接入采用载波监听和碰撞避免协议CSMA-CA，其多用户接入能力差，效率低，无法保证服务质量.已有的公众移动通信网络具有组网简单，工程复杂度低，安装使用方便，传输速率较高的特点，而且无需考虑通信网络维护的问题，但是输电线路走廊通常处于偏远地区，信号覆盖情况很不理想，且公众移动通信网络的带宽不能保证，数据安全性也较低.另外，大规模的地面网络建设需要密集的回程网络和基站，导致高昂的建设和维护成本，在用户密度低的区域，如偏僻山区、沙漠等，网络建设性价比低，同时也无法覆盖广阔的海洋[12].

经过半个多世纪的发展，卫星通信技术取得了巨大的进步，根据轨道高度不同，卫星通信系统[13]可以分为高轨[14-15]、中轨[16]和低轨卫星通信系统[17-18].随着低轨卫星通信技术的发展，卫星通信在速率、时延和可靠性等方面已具备与4G/5G移动通信相当的能力，能够满足大多数5G业务场景的通信需求.通过构建体制、架构、功能、接口、流程一体化的天地一体网络，可以实现天基网络和地基网络的覆盖融合、系统融合、网络融合、业务融合和用户融合，在提高网络资源利用率的同时，实现对偏远的海洋、深地、天空甚至太空的无缝覆盖.

本文基于LTE协议，采用单载波频分多址作为终端接入技术并结合卫星远程回传，设计了一种适用于偏远地区输电线路监测数据的传输方案，可实现高清视频采集和数据采集，并利用仿真平台对所提方案进行了性能检验.

1 未来场景需求

未来智能电网中的输电线路监测任务将采集对象扩展至电力二次设备及各类环境指标，实现采集外破、杆塔倾斜、覆冰等各种数据，采集内容趋于视频化和高清化，大量高清视频均有回传需求，因此需要更大的带宽及更广的连接.

本文考虑业务终端在重点线路区域1 km范围内设置50个终端分布，包括数据采集类和视频采集类设备.视频采集类终端24个，单个终端每1 min采集10 s，传输时延为20 s，单个终端的带宽需求不低于2 Mbps；数据采集类终端24个，单个终端单次采集的数据大小为5 B，每1 s采集20次，通信时延为1 s，带宽需求不低于4 kbps；气象站监测终端2个，单个终端数据大小为20 B，每10 min传输1次，时延为1 s，带宽需求不低于1.33 bps.

输电线路监测系统包括通信传输网络、前端采集装置和后端监控中心.前端采集装置是指安装于线路及杆塔上的状态监控传感器，主要用于采集视频流数据或其他数据，包括温度、气象、现场环境等信息.传输网络负责将从监控终端采集的数据打包、压缩并传输到数据库.监控中心进行数据提取、分析和比较历史数据信息，并评估线路的运行状态.

在保证数据安全的前提下，通信传输网络应具备以下性能：

（1）实时性好.带宽充足，支持同时接入大量设备，可同时传输多个高清视频通道.

（2）安全性高.数据须加密以防止黑客攻击，满足电力系统数据传输的安全性要求.

（3）运行稳定.通信网络运行的可靠性高，维护周期长，个别设备的损坏对系统的影响小.

（4）成本控制.前期建设和后期维护成本须满足要求.

2 通信组网方案设计

本文提出一种适用于偏远地区输电线路监测数据回传的全无线数据传输方案，终端接入方案基于成熟的LTE（long term evolution）协议，采用单载波频分多址技术SC-FDMA（single carrier frequency division multiple access）作为终端多址接入方案，通过卫星通信实现远程回传.本文设计的输电线路监测数据传输方案的架构如图1所示.类似于OFDMA，SC-FDMA只是在子载波映射模块之前增加了一个DFT模块，首先将待调制的数据符号转换到频域，然后再进行OFDM调制，其特点是每个数据符号都分布在整个传输带宽内.因此SC-FDMA也称为DFT扩展OFDMA（DFT-spread OFDMA），其峰均比较低.SC-FDMA信号具有单独的载波特性，这要求在每个传输间隔，分配给每个用户的子载波必须是连续的.

图1 输电线路监测数据传输方案Fig.1 Transmission scheme for transmission line monitoring data

LTE双工方式分为时分双工（TDD）和频分双工（FDD）.TDD模式对下行时隙的分配比例较高，更适用于下行业务为主的移动互联网业务.输电线路监测数据传输系统主要业务是上行传输，因此本文考虑FDD方案，即上行和下行采用不同的频段，其优点是可以灵活分配上下行带宽，提高频谱资源利用率.LTE-FDD帧的一个无线帧的长度为10 ms，每帧包含10个子帧，每个子帧进一步划分为2个时隙（slot），每个时隙的时长是0.5 ms.若系统循环前缀（CP）为Normal CP，则每个时隙中包含6个OFDM符号；若为Extended CP，则包含7个OFDM符号.在频域上，将可用带宽以15 kHz为间隔划分为子载波，LTE系统最小的物理资源单位为RE（resource element），1个RE在时域上占用1个OFDM符号.LTE的资源调度单位为资源块RB（resource block），1个RB在时域上为1个时隙（0.5 ms，半个子帧时长，常规CP对应7个OFDM符号），在频域上为12个连续的子载波（180 kHz）.系统的最小调度周期为2个时隙，即一个子帧的长度（1 ms）.在分配资源时，每个用户最少分配1对（2个）RB，所以每个用户在1 s内最多可调度1 000次.LTE这种帧结构安排使得系统可以根据不同用户的信道质量，在多个用户之间灵活分配无线资源，使得每个用户尽可能获得信道质量最好的资源块，实现资源利用最大化.LTE的帧结构如图2所示.

图2 LTE系统帧结构Fig.2 Frame structure for LTE system

将帧在频域上进行划分，表1给出了信道带宽与RB资源数的对应关系.LTE Rel-9标准支持最小1.4 MHz，最大20 MHz的多种带宽配置，实际应用中可以根据具体的数据传输速率和服务质量要求（QoS）以及子载波信道质量，在多个用户间灵活分配可用的时频资源，并实现资源利用的最大化.

表1 信道带宽与RB资源数对应关系Tab.1 Relationship between channel bandwidth and number of RB resources

LTE在上下行链路系统中采用自适应调制编码技术AMC（adaptive modulation and code），根据每个终端的信道质量CQI（channel quality indicator）动态调整所占用的资源块的调制方式与信道编码码率MCS（modulation and coding scheme），在保证链路传输质量的前提下，提高传输效率.当信道质量较差时，选择较低的MCS，当信道质量较好时，选择较高的MCS.LTE上行链路可选的调制编码方案有28种，调制方式包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，信道编码的码率最低为0.101 499，最高为0.888 406.

3 系统性能仿真

在NS-3仿真平台上搭建了仿真模型，对所提方案的性能进行了仿真分析.考虑如下场景，基站位于区中心，终端类型包括视频终端和数据终端，终端在基站左右两边呈对称带状均匀分布.每隔40 m放置一个视频终端和一个数据终端，每个视频终端的上行速率不低于2 Mbps，单个小区视频终端数量不低于24个，延迟20 s；每个数据终端上行速率不低于4 kbps，单个小区数据终端数量不低于26个，延迟不高于1 s.

终端噪声系数为9，基站的噪声系数为5，上行链路工作频段为1 930 MHz，下行链路工作频段为2 120 MHz.考虑到电力传输系统的特性，终端高度和基站高度都设为10 m，信道模型采用非视距场景下的3GPP郊区宏小区模型（RMA）.LTE中定义了UMA、UMI、RMA和INH等4类应用场景[19-20]，RMA适用于建筑物分布比较稀疏的地区，如大部分农村地区和一些欠发达乡镇地区.在这种情况下，基站天线的高度在10～150 m之间，终端距地面高度约1.5 m，站与站之间的距离最大可以达到5 000 m.视距/非视距（LOS/NLOS）场景[21]下大规模空间损耗的RMA模型的传播损耗如下：

NLOS场景下传播损耗计算公式为

其中：hUT、hBS、W、h和d3D分别为终端天线高度、基站天线高度、街道宽度、建筑平均高度和发射机与接收机间的距离，单位均为m；fc为载波中心频率，阴影衰落为8 dB.一般情况下1＜hUT＜10，10＜hBS＜150.

LOS场景下传播损耗计算公式为

LOS场景下取基站天线高度和终端天线高度分别为hBS=35，hUT=1.5，阴影衰落为6 dB.

3GPP协议中定义了3种小尺度衰落模型，对多径衰落以及多普勒效应等进行信道模型的仿真，包括扩展行人信道模型EPA、扩展车辆信道模型EVA以及扩展典型城市信道模型ETU.考虑到输电线路监测实际应用场景中终端和基站位置相对固定，本文采用移动速度接近于0的EPA衰落模型，EPA衰落模型在不同时间和频率上的信道幅度响应如图3所示.

图3 EPA衰落模型Fig.3 EPA fading model

使用地球同步轨道卫星，设定回传链路数据速率为100 Mbps，时延为0.3 s，重点研究多终端接入能力及服务质量.设置基站最大发射功率为20 dBm，信道带宽分别为5、10、15和20 MHz，终端最大信号发射功率分别为10、20和30 dBm，基站最大发射功率为20 dBm，丢包率不超过1%，仿真评估单个小区可以容纳的终端对数量，结果见表2.表中数字n表示终端对数量，即n个视频终端和n个数据终端.另外，每个基站配置2个固定的气象终端.

表2 不同带宽和功率配置时单个小区可以容纳的终端对数量Tab.2 Number of terminal pairs that a single cell can accommodate under different bandwidth and power configurations

由表2可见，当信道带宽为5 MHz时，一个基站可以支持8个视频终端和8个数据终端，按照终端间隔40 m计算，可以覆盖的输电线路长度为320 m，小区范围的半径较小，单个终端的发射功率达到10 mW即可.终端数量主要由可用的频谱带宽决定，单个基站支持的终端数量随带宽的增加而增加，而单位长度内输电线路的监测终端数量是固定的，输电线路的覆盖范围会随着终端数量的增加而扩大，路径损耗会同时增加，小尺度衰落的影响也更加显著，因此在小区边缘处的终端的最大功率也需要增加.由表2可以看出，当最大功率为1 000 mW（30 dBm）时，单个基站可支持的终端数量没有随着带宽的增加而线性增加.因此，在配置终端数量时需要综合考虑建设成本、频谱资源利用率以及功率和效率等因素.

根据表2数据，本文认为带宽10 MHz是较好的选择，此时单个基站最多可以支持15对终端，覆盖线路长度为600 m，终端最大功耗只需要10 mW.表3给出了配置14对终端情况下各个终端的延迟和延迟抖动.

表3 终端的延迟和延迟抖动Tab.3 Delays and delay jitters of terminal

由表3可见，视频终端的延迟约为0.33 s，其中0.3 s为卫星链路回传延迟，终端接入系统的延迟约为30 ms.数据终端的延迟约为0.31 s，其中0.3 s为卫星链路回传延迟，终端接入系统的延迟约为10 ms.数据终端的平均延迟小于视频终端，这是因为数据终端的数据包长度短，为了提高吞吐率，视频终端采用大包传输，需要更大更多的资源块，在多个传输间隔完成.除1号和14号视频终端外，其他视频终端的延迟抖动约为0.1 ms，1号和14号视频终端的延迟抖动高于其他终端，这是因为这2个终端处于小区边缘，信道质量较差，有些情况下需要进行检错重发.数据终端的延迟抖动较高，在0.1～0.7 ms范围内波动，这是因为其数据包较小，允许调度器更灵活分配资源.总体来看，2种终端的延迟和延迟抖动均满足实际要求.

4 结语

未来输电线路监测内容趋于视频化、高清化，连接端数量激增，大量高清视频均有回传需求，因此需要更大的带宽及范围更广的连接，已有的物联网传输标准、ISM频段的传输体制均不能满足要求，需要针对输电线路监测应用开发专用数据传输标准.LTE系统具有良好的资源配置能力和多终端接入能力.本文基于LTE协议，结合多终端接入方案和卫星远程回传，设计了一种适用于偏远地区输电线路监测数据的传输方案，仿真结果表明，该方案可以满足偏远地区输电线路监测系统的数据传输需求.