输电线路在线监测通信网络的设计与改进

高 飞

（中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545000）

0 引 言

输电线路是智能电网的重要组成部分，所处的环境比较恶劣，容易遭受自然环境的影响及外力的破坏，致使日常的巡检和维护工作面临严峻挑战。为保障输电线路安全、稳定的运行，实现对其本体、线路走廊及微气象参数等的实时监测，及时发现输电线路存在的隐患或者风险就显得尤为必要。随着信息化建设战略的提出，带动传感器技术、信息处理技术、广域通信技术的快速发展，这为输电线路在线监测通信网络的建设提供技术支持。加强输电线路在线监测通信网络建设，不仅可以对输电线路的运行情况进行及时的跟踪，还可以进行事故分析、损失识别、风险识别，有效提升输电网络的安全性、可靠性以及维护性。

近年来，为满足日益增长的用电需求，输电线路的在线监控通信网络的建设变得越来越重要，因为它的可靠性、稳健性以及安全性是输电线路是否稳定、安全运行的重要影响因素。因此，建立一个完善的、稳健的、可持续的输电线路在线监控通信系统，以满足日益增长的需求，已变成当今社会发展的必然趋势。基于目前输电线路在线监测通信网络存在的主要问题，针对主要的4 种通信方案进行通信技术与网络传输的设计优化，以推动输电线路在线监测通信网络的完善。

1 输电线路在线监测通信网络存在的问题

稳定性差、能耗高以及网络设计存在缺陷是当前输电线路在线监测通信网络存在的主要问题[1]。

1.1 通信网络稳定性差

为避免高电压带来的电辐射对人的危害，高压输电线路往往会架设在远离人员密集的郊区或野外，所处环境大多比较恶劣。恶劣的环境，如高温、冰雪、高海拔等都将影响通信网络的稳定。此外，输电线路产生的强电磁干扰也是影响通信网络稳定的重要因素。

1.2 通信网络功耗高

太阳能与蓄电池结合是在线监测网络的主要供电方式，但供电功率受到限制。通信方式的多样化导致功耗增加，容易出现状态监测与诊断（Condition Monitoring and Diagnosis，CMD）装置因缺电而无法正常工作的情况，难以满足输电线路的在线监测。此外，在高温和低温环境下，供电效率还明显降低。

1.3 通信网络设计不合理

目前，输电线路设计与在线监测系统设计不同步，造成后续监测设备的规划与设置存在一定的不合理性。例如，安装终端监测设备的塔杆未预留光纤接头盒，导致该塔杆的监测数据需要借助Wi-Fi 传输到有光纤接头盒的塔杆，形成了同一条线路中光通信+Wi-Fi通信并存的模式。但该模式不仅稳定性相较单一光通信要差，而且成本高。因此，根据输电线路运行的实际场景，开展在线监测通信网络的合理规划，尽量减少光通信+Wi-Fi 通信并存的现象。

2 通信网络技术设计

2.1 输电线路在线监测系统

输电线路监测系统由前端采集设备、通信传输网络以及后台监控中心组成，可以实时监测线路状况[2]。前端采集装置主要用于状态监测的传感器，安装于线路塔杆上，不仅能够实时监测塔杆的振动、倾斜以及周围气象条件，还能采集倾角、温度、湿度以及视频图像等数据。

通过将监测终端收集的数据经过精细化处理和压缩，传输网络将其存储在数据库，而监控中心则可以从这些数据中抽取出有价值的内容，并与过去的记录相互比较分析，以便更好地了解线路的运行情况。

2.2 输电线路主要在线监测通信网络技术

目前，根据实际需求及输电线路的实际运行情况，主要的在线监测通信网络技术有无线接入点（Access Point Name，APN）专网、光通信网络、光通信+Wi-Fi 以及无线专网等4类，具体如表1 所示[3]。

表1 输电线路主要的在线监测通信网络技术

2.3 输电线路主要在线监测通信网络技术的设计优化

第一，无线APN 专网设计优化。一方面，在无线APN 专网中的监测分机上设置看门狗软件，设定固定时间对通信模块电源进行复位，有效避免死机和通信故障带来的影响；另一方面，监测分机在进行数据传输之前，通过相应软件进行网络状态的判别，如果遇上网络通信问题，可以进行通信模块电源的复位，以保障数据传输的稳定。第二，光通信网络设计优化。同样设置通信模块电源复位装置，避免系统死机带来的通信问题。针对功耗过高的问题，可以通过软件对监测装置进行优化，例如，采用边缘计算，将数据分析的工作剥离至前段设备。监测分机主要负责数据的通信工作，只有出现故障或者有后台指令时才进行数据传输，有效降低监测分机的工作频次。第三，光通信+Wi-Fi 设计优化。尽可能在输电线路设计之初就同步开展在线监测系统的设计，从而避免出现光通信+Wi-Fi 通信方式。第四，监测分机的功耗问题同样可以采取边缘算法，与光通信网络设计一致。第五，无线专网设计优化。此通信技术的设计优化可与无线APN 专网的设计优化一致。

3 通信网络安全设计

输电线路在线监测通信网络最核心的工作就是将监测的关键数据传输到电力公司内网，以方便电力公司及时了解输电线路的各项状态，其中数据的完整性与安全性是通信网络需要关注的重要问题，因为数据完整才能有效反映输电线路的状态，才能保证监测的稳定性与可靠性。因此，关于通信网络的安全设计可以从CMD 数据加密和通信网络安全2个方面展开。

3.1 CMD 数据加密设计

通过开发专门为CMD 服务的加密芯片，可以有效保护CMD 数据传输。其中，加密算法包括SM2、SM1 算法，数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）/三重数据加密算法（Triple DES，3DES）及RSA 公钥算法。在安全芯片的加持下，当CMD 需要连接平台进行数据通信之前，需要进行密钥协商，具体加密设计如图1 所示[4]。

图1 CMD 数据加密设计

3.2 通信网络安全设计

不同的通信方式与交流方式需要采用不同的安全策略来保障网络安全。对于无线APN 专网的通信安全优化，一是可以立足虚拟专有拨号网络（Virtual Private Dial Network，VPND），通过二层隧道协议，构建一个指定用户的专用虚拟网络，从而实现企业虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）无线接入解决方案；二是借助运营商的APN 平台，提前在运营商的无线网络与安全接入平台之间开设一条专用通用路由封装（Generic Routing Encapsulation，GRE）数据传输隧道，从而使监测分机能够通过拨号方式连入平台。对于光通信网络、光通信+Wi-Fi 的通信安全设计优化，均需要使用到在工业级光纤交换机和无线接入点（Access Point，AP），因此可以通过对交换机和无线AP 进行媒体访问控制地址（Media Access Control Address，MAC）过滤以及MAC 和IP地址绑定的方法来保证通信的安全，此外还可以采用Wi-Fi 网络安全接入第二版（Wi-Fi Protected Access 2，WPA2）加密协议，通过隐藏服务集标识（Service Set Identifier，SSID）的方式提升通信的安全。对于无线专网的通信安全设计优化，可以将专网终端、射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）的MAC 和IP地址绑定，这样就能防止非法用户接入专网终端和RUU[5]。此外，将变电站或换流站的管理计算机设置为用户登录验证模式，有效防止没有授权的用户随意进入。

4 结 论

输电线路在线监测通信网络对输电线路的实时、准确监控起到十分重要的作用。针对目前主要的4 种通信网络技术进行研究与分析，旨在让电力行业人员能够更清楚地认识各个通信网络技术存在的弊端和优化的方法，以期在未来输电线路在线监测通信网络技术的选用与应用提供参考，推动我国输电线路的安全、稳定运行以及智慧电网的高质量发展。