通信传输网络技术研究

0引言

输变电设备状态监测系统是实现输变电设备状态运行检修管理、提升输变电专业生产运行管理精细化水平的重要技术手段。系统通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术实现各类输变电设备运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测，其建设和推广工作对提升电网智能化水平、实现输变电设备状态运行管理具有积极而深远的意义。输电线路状态监测是输变电设备状态监测系统的重要组成部分，通过分布在输电线路上的各种前端监测装置采集数据，再经通信传输网络将监测数据传送到主站系统以实现集中监测。由于输电线路状态监测的特殊性，其监测点的选取不同于变电设备，具有布置分散、数据类型多样、传输距离远近结合、环境条件恶劣及布点灵活可移动等特点，因此对电力系统通信网络提出新要求。

1业务需求分析

目前，应用于输电线路状态监测的装置种类繁多，按功能可分为电气类、机械类和运行环境类；按安装位置可分为导线类、地线类、金具类、绝缘子类、杆塔类、杆塔基础类、非接触类；按产品形式可分为气象环境监测类、导线监测类、杆塔监测类、杆塔附件监测类和其他监测类[1]。从通信传输网络数据传送的角度分析，上述各类监测装置的状态监测数据大致可分为3类：窄带数据、中等带宽数据和宽带数据。3种状态监测数据的比较见表1所列。

2通信传输网络组成

典型的输电线路状态监测通信传输网络可分为微网、接入网、主网3个层次。1）微网：一般以输电线路杆塔为中心，通信覆盖单基杆塔周边数十米范围，主要解决各类传感器、摄像头等前端监测装置所采集数据的收发，并实现与接入网的连接。2）接入网：一般沿输电线路至变电站，通信覆盖范围为几百米至几十千米，除连接各微网外，主要负责连接杆塔节点设备和变电站节点设备。3）主网：一般可利用电力系统通信专网，目前电力系统通信专网已覆盖绝大部分变电站，变电站至各调度端的通信传输网络已经比较完善。在实际的输电线路状态监测应用中，可根据预先设定的功能要求和选用的通信传输方式简化通信传输网络。输电线路状态监测典型通信传输网络，如图1所示。

3通信网络技术

3.1微网通信技术

微网作为输电线路状态监测通信传输网络的末梢网，主要解决各类传感器、摄像头等前端监测装置所采集数据的收发。对于安装在杆塔上的各类传感器和摄像头，可采用RS–232/RS–485等串行通信接口或10/100M自适应以太网接口，以有线通信方式将所采集的数据汇聚至杆塔节点设备。对于很大一部分不安装在杆塔上的传感器，如导线温度等导、地线类监测装置，与杆塔节点设备之间主要采用无线射频通信方式。组网方案可参考无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN），充分发挥WSN的低耗自组机制、异构系统的互连互通及大结构关联协同地处理数据等优势。由于通信覆盖仅为单基杆塔周边数十米范围，无线微网可选用多种适用于无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的通信技术。从数据传输速率来看，高速短距离无线通信可采用超宽频技术（UltraWideBand，UWB），最高传输速率高于100Mbit/s，但通信距离一般不超过10m；低速短距离无线通信可采用Zigbee、低速UWB和Bluetooth等技术，传输速率一般低于1Mbit/s，通信距离一般不超过100m。尤其值得关注的是Zigbee技术，是基于IEEE802.15.4规范的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，数据传输速率高达250kbit/s，同时支持Mesh型网络拓扑结构。

3.2接入网通信技术

由于接入网主要负责连接杆塔节点设备和变电站节点设备，通信覆盖从几百米到几十千米不等，同时需要考虑图像/视频采集高带宽接入的要求，以及输电线路巡检机器人、直升机和PDA等移动接入的要求，因此接入网是中长距离结合、宽带化、多种方式接入的综合网络，是输电线路状态监测通信传输网络研究的重点。

3.2.1专网方案

1)无线中继方案。目前输电线路状态监测接入网中常用的无线通信技术主要有无线保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）和全球微波互联接入（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX）[2]。Wi-Fi是基于IEEE802.11规范的无线局域网技术（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN），覆盖范围为几百米到几千米，除提供固定的无线接入外，还提供移动接入能力。Wi-Fi使用ISM（IndustrialScientificMedical）无线电广播频段通信，其中IEEE802.11a标准使用5GHz频段，支持的最大传输速率为54Mbit/s，而IEEE802.11b和IEEE802.11g标准使用2.4GHz频段，支持的最大传输速率分别为11Mbit/s和54Mbit/s。WiMAX是一种基于IEEE802.16规范的无线城域网技术（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN），覆盖范围为几千米到几十千米，具有移动接入能力。WiMAX的最高传输速率可达100Mbit/s，还具备在2~66GHz频率范围内可利用所有需要或不需要许可的频段。在变电站、监测点杆塔以及需要设置中继的杆塔安装无线设备，将输电线路上的状态监测数据传送至就近变电站。无线中继示意如图2所示。该方案适用于传输距离较短、监测点集中分布在变电站出口段且有宽带数据传输要求的情况。对于上述采用无线方式传输数据的系统而言，随着传输距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本均会增加，因此要根据传输距离来选择无线设备型号。

2）无线中继与光通信接入方案。电力系统通信网中通常在110kV及以上输电线路架设OPGW或全介质自承式光缆（All-dielectricSelf-supportingOpticalCable，ADSS），尤其是OPGW光缆的广泛应用[3]，为输电线路状态监测提供了高效、可靠的传输媒质条件。OPGW光缆在实际架设中，具有每隔3~5km设置一个光缆接头盒连接2段光缆的特点，而监测装置的布点主要根据输电线路运行的薄弱环节来确定，大多数情况下不会安装在设有光缆接头盒的杆塔，因此考虑采用无线中继与光通信混合通信方式实现接入网的全线路覆盖。在设有光缆接头盒的杆塔，安装光通信设备作为接入和传输装置，在杆塔上提供宽带数据接入服务，在未设光缆接头盒的杆塔则仅安装无线设备进行无线中继，通过无线与光通信的高效结合，对不规则、非线性的野外受监控线路进行网络覆盖，并且通过无线中继技术实现一些特殊的长距离传输和移动接入。无线中继与光通信接入网方案示意[4]，如图3所示。该方案适用于架设有OPGW或ADSS光缆的输电线路，以及重要监测点、传输距离较长、有宽带数据传输要求等情况。由于光通信设备的功耗一般较大，因此设备选型时，除确保可靠性外，应尽量降低功耗或选择功耗相对较小的设备。对于老线路，局部光缆接头盒需更换成三通，并核实是否具备1~2芯可用光纤；对于新建线路，光缆的分盘和纤芯可预先规划，光缆接头盒的位置可根据监测热点设置，纤芯可按2~4芯预留。光通信方式具有通信容量大、实时性好、可靠性高等优势，目前输电线路状态监测接入网中常用的光通信技术为无源光网络技术（xPON）和光纤工业以太网技术。无源光网络技术采用点到多点的拓扑结构[5]，在输电线路一侧变电站内布置光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT），在杆塔上布置无源分光器（PassiveOpticalSplitter，POS）和光网络单元（OpticalNetworkUnit,ONU），利用1根光纤和POS将ONU沿输电线路呈链状分布。无源光网络技术能提供1.25G及以上共享带宽，可抗多点失效，所有节点距离一般控制在20km以内，无源光网络拓扑如图4所示。光纤工业以太网技术将变电站内、输电线路杆塔上的工业以太网交换机利用2根光纤组成链状网络。由于输电线路特有的恶劣野外环境，其采用的以太网交换机在材料选用、产品强度和适用性等方面都提出了较高的要求。光纤工业以太网技术能提供100/1000M共享带宽，点对点传输距离可高达80km，但不支持多点失效，光纤工业以太网拓扑如图5所示。