输电线路智能监测系统通信技术应用研究

Smart Grid 智 能 电 网, 2014, 4, 11-15 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2014.41003 Published Online February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) Application Research of Communication Technology for Intelligent Monitoring of Transmission Line Dongchao Zou 1, Kaihong Li 1*, Baoren Chen 2# 1 Qingyuan Power Supply Bureau, Qingyuan 2 Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou Email: z072004@126.com, 13602936430@139.com, # 15818885892@139.com Received: Nov. 15 th, 2013; revised: Dec. 18 th, 2013; accepted: Dec. 26 th, 2013 Copyright 2014 Dongchao Zou et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights 2014 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Dongchao Zou et al. All Copyright 2014 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: On the basis of the intelligent monitoring system communication network architecture and communication needs analysis, we have researched the requirements of the intelligent online monitoring system of four kinds of communication modes and the transmission channel, and discussed the solution of the transmission line communication intelligent monitoring system. In the application of intelligent monitoring system for transmission line, through the EPON + broadband wireless MESH, industrial switches + broadband wireless MESH, fiber + distributed wireless broadband system, the wireless public network and other means of introduction and scheme analysis of advantages and disadvantages, we chose an appropriate communication mode to suit one s demand to local conditions, to achieve real-time monitoring of power transmission lines and tower operation state, which can effectively improve the security of transmission line. Keywords: Communication Technology; Wireless MESH; Transmission Line 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 通 信 技 术 应 用 研 究 邹 冬 超 1, 李 开 红 1*, 陈 宝 仁 1 清 远 供 电 局, 清 远 2 广 东 省 电 力 设 计 研 究 院, 广 州 Email: z072004@126.com, 13602936430@139.com, # 15818885892@139.com 收 稿 日 期 :2013 年 11 月 15 日 ; 修 回 日 期 :2013 年 12 月 18 日 ; 录 用 日 期 :2013 年 12 月 26 日 摘 要 : 本 文 从 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 通 信 网 络 架 构 通 信 需 求 分 析 出 发, 研 究 智 能 在 线 监 测 系 统 的 四 种 通 信 组 网 模 式 和 传 输 通 道 要 求, 提 出 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 通 信 解 决 方 案 在 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 应 用 中, 通 过 EPON + 宽 带 无 线 MESH + 宽 带 无 线 MESH 光 纤 + 分 布 式 无 线 宽 带 系 统 无 线 公 网 等 多 种 方 式 的 介 绍 和 方 案 优 缺 点 分 析, 因 地 制 宜 的 选 择 合 适 的 通 信 模 式, 实 现 电 力 输 电 线 路 及 杆 塔 运 行 状 态 实 时 监 控, 可 有 效 提 高 输 电 线 路 安 全 性 关 键 词 : 通 信 技 术 ; 无 线 MESH; 输 电 线 路 2# 1. 引 言 * 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 ( 以 下 简 称 监 测 系 统 ) 第 一 作 者 通 讯 作 者 # 是 运 用 先 进 的 技 术 手 段 对 输 电 线 路 进 行 自 动 化 监 视 和 科 学 管 理, 也 是 实 现 智 能 电 网 的 重 要 基 础 之 一 输 电 线 路 智 能 监 测 是 一 项 复 杂 的 系 统 工 程, 它 以 输 电 线 路 在 线 监 测 系 统 为 核 心, 并 且 涉 及 到 对 输 电 网 一 次 网 架 和 设 OPEN ACCESS 11

备 的 配 套 要 求 多 种 通 信 手 段 的 综 合 利 用 以 及 与 相 关 操 作 工 作 站 服 务 器 接 口 服 务 器 维 护 工 作 站 系 统 的 应 用 集 成 等 目 前 国 内 已 有 较 多 的 研 究 机 构 和 企 业 单 位 研 制 开 发 出 多 种 输 电 线 路 本 体 气 象 及 通 道 环 境 监 测 装 置, 包 括 导 线 温 度 导 地 线 微 风 振 动 舞 动, 绝 缘 子 串 风 偏, 绝 缘 子 泄 漏 电 流 盐 密 杆 塔 倾 斜 杆 塔 振 动, 微 气 象 图 像 / 视 频, 杆 塔 防 盗 等, 这 些 装 置 已 在 特 高 压 交 流 示 范 工 程 30 多 个 大 跨 越 线 路 跨 区 线 路 以 及 各 电 压 等 级 的 重 要 线 路 中 投 入 使 用 国 内 电 力 输 电 线 路 在 线 监 测 应 用 较 多 的 有 图 像 / 视 频 覆 冰 微 气 象 等 通 信 网 络 的 是 监 测 系 统 运 行 的 基 础, 如 何 在 输 电 线 路 上 建 设 一 套 可 靠 宽 带 的 通 信 网 络, 是 当 前 监 测 系 统 可 靠 运 行 的 关 键 [1] 2. 监 测 系 统 通 信 需 求 输 电 线 路 智 能 检 测 系 统 要 实 现 对 输 电 线 路 的 微 风 振 动 舞 动 污 秽 覆 冰 及 杆 塔 倾 斜 振 动 及 现 场 视 频 的 传 输, 其 通 信 系 统 应 支 持 以 下 几 种 通 信 模 式 [2] : 1) 事 件 触 发 式 通 信 : 支 持 事 件 触 发 或 监 测 主 站 主 动 触 发 方 式 下 的 即 时 双 向 通 信 2) 实 时 通 信 : 支 持 一 直 在 线 传 输 的 实 时 双 向 通 信 3) 定 时 间 隔 通 信 : 支 持 系 统 设 定 的 定 时 间 隔 ( 按 一 定 的 时 间 间 隔 ) 双 向 通 信 输 电 线 路 智 能 检 测 系 统 通 信 应 支 持 以 下 几 种 通 信 业 务 的 透 明 传 输 : 1) 低 带 宽 数 据 通 信, 支 持 以 太 网 RS232/RS485/ RS422 接 口 和 无 线 公 网 制 式 的 空 中 接 口 2) 高 清 或 标 清 视 频 通 信, 支 持 不 少 于 1 Mbps 以 上 业 务 带 宽 3. 监 测 系 统 通 信 网 络 架 构 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 通 信 网 络 骨 干 层 接 入 层 的 分 层 结 构, 系 统 主 站 和 变 电 站 之 间 的 通 信 网 络 为 骨 干 层, 变 电 站 和 输 电 杆 塔 之 间 的 通 信 为 接 入 层, 层 次 结 构 如 图 1 所 示 骨 干 层 通 信 网 络 负 责 传 输 接 入 网 络 的 各 个 通 信 终 端 的 数 据, 并 将 其 传 送 至 监 测 系 统 主 站 骨 干 通 信 网 络 应 充 分 利 用 电 力 现 有 的 通 信 网 络, 优 选 综 合 数 据 网 ; 接 入 层 通 信 网 络 负 责 ( 如 传 感 器 摄 像 机 等 ) 信 息 的 接 入, 并 将 监 测 系 统 传 送 至 骨 干 层 网 络 接 入 层 通 信 网 络 接 入 层 通 信 网 络 实 现 监 测 主 站 子 站 和 之 间 的 通 信, 应 采 用 光 纤 通 信 和 无 线 通 信 方 骨 干 层 接 入 层 EPON+ 无 线 MESH 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 主 站 电 力 综 合 数 据 网 + 无 线 MESH 通 信 终 端 无 线 宽 带 专 网 VPN 专 线 运 营 商 2G/3G 移 动 网 络 2G/3G 终 端 Figure 1. Communication system architecture of online monitoring on transmission line 图 1. 输 电 线 路 在 线 监 测 通 信 系 统 架 构 式 相 结 合 的 原 则 组 建, 可 因 地 制 宜 地 选 择 采 用 EPON + 无 线 MESH + 无 线 MESH 无 线 宽 带 专 网 无 线 公 网 等 多 种 通 信 技 术 4. 接 入 层 通 信 网 络 组 网 模 式 及 传 输 通 道 要 求 一 般 110 kv 及 以 上 输 电 线 路 都 随 输 电 线 路 敷 设 有 OPGW 或 ADSS 光 缆, 每 3~4 km 或 5~7 级 杆 塔 有 光 缆 接 口 处, 因 此 在 一 些 杆 塔 中 可 以 实 现 光 纤 通 信 的 接 入, 而 在 其 它 更 多 的 杆 塔 却 没 有 光 缆 接 入 因 此, 输 电 线 路 沿 线 通 信 方 式 的 最 佳 选 择 是 采 用 光 纤 + 无 线 的 通 信 方 式 [3] 其 中 主 要 模 式 如 下 4.1. 模 式 一 :EPON+ 宽 带 无 线 MESH 网 EPON + 宽 带 无 线 通 信 [5] 模 式 组 网 结 构 如 图 2 所 示 EPON + 宽 带 无 线 通 信 模 式 实 现 杆 塔 上 光 缆 接 续 盒 ( 光 缆 沿 线 接 头 点 ) 与 主 站 之 间 采 用 EPON 实 现, 与 ONU 之 间 通 过 宽 带 无 线 MESH 方 实 现 通 信 根 据 线 路 情 况, 合 理 地 选 择 OPGW ADSS 或 OPPC 光 缆 作 为 接 入 光 缆 无 线 宽 带 MESH 的 网 络 带 宽 可 达 到 20 Mbps 左 右 [4] 一 个 典 型 的 EPON 系 统 由 OLT ONU POS 组 成, ONU 设 置 在 具 有 光 缆 接 续 盒 的 杆 塔 上,OLT 设 置 在 主 站 通 信 机 房, 但 OLT 与 ONU 最 大 距 离 不 超 过 20 km 4.2. 模 式 二 : 工 业 以 太 网 交 换 机 + 宽 带 无 线 MESH 网 工 业 以 太 网 交 换 机 + 宽 带 无 线 通 信 模 式 组 网 12 OPEN ACCESS

结 构 如 图 3 所 示 工 业 以 太 网 交 换 机 + 宽 带 无 线 MESH 模 式 实 现 杆 塔 上 光 缆 接 续 盒 ( 光 缆 沿 线 接 头 点 ) 与 主 站 之 间 采 用 工 业 以 太 网 交 换 机 实 现, 与 交 换 机 之 间 通 过 宽 带 无 线 MESH 方 实 现 通 信 根 据 线 路 情 况, 合 理 地 选 择 OPGW ADSS 或 OPPC 光 缆 作 为 接 入 光 缆 无 线 宽 带 MESH 的 网 络 带 宽 可 达 到 20 Mbps 左 右 工 业 以 太 网 采 用 逐 级 传 递 的 模 式, 对 于 任 何 两 个 相 邻 节 点 的 距 离, 取 决 于 所 配 光 器 件 的 能 力, 目 前, 市 场 上 所 能 够 采 购 到 的 成 熟 的 光 器 件 的 传 输 距 离 最 大 能 够 达 到 80 km 以 上 4.3. 模 式 三 : 光 纤 + 无 线 宽 带 专 网 ( 分 布 式 基 站 ) 光 纤 + 无 线 宽 带 专 网 方 式 ( 分 布 式 基 站 ) 模 式 组 网 结 构 如 图 4 所 示 TD-LTE 分 布 式 基 站 就 是 把 传 统 的 TD-LTE 基 站 分 成 了 两 个 相 对 独 立 的 部 分, 基 带 单 元 (Baseband Unit, BBU) 和 远 端 射 频 单 元 (RemoteRadio Unit, ),BBU 与 之 间 采 用 光 纤 直 连, 拉 远 距 离 可 达 40 km BBU 设 置 在 110 kv 及 以 上 变 电 站, 一 般 只 有 1U 或 2U 高, 可 内 置 于 传 输 机 架 内, 也 可 直 接 挂 墙 安 装, 无 需 占 用 变 电 站 通 信 机 房 面 积 应 具 有 IP65 的 防 护 等 级, 可 直 接 在 杆 塔 上 安 装, 只 需 跳 线 连 接 天 线, 无 需 馈 缆, 可 减 少 3dB 左 右 损 耗, 有 效 扩 大 覆 盖 面 积 一 个 BBU 可 以 带 多 个 ( 一 般 6 个 以 上 ), 可 采 用 一 对 光 纤 串 接 或 采 用 多 对 光 纤 并 接 方 式, 可 实 现 多 塔 共 享 BBU 每 个 TD-LTE 基 站 在 一 个 扇 区 ( 定 向 天 线 ) 能 覆 盖 3 km 及 以 上 的 距 离, 每 个 基 站 设 置 两 个 扇 区, 可 覆 盖 6 km 以 上 的 距 离 其 实 现 方 式 如 图 5 无 线 网 关 无 线 MESH 网 ONU ONU OLT( 变 电 站 ) OLT( 变 电 站 ) Figure 2. Network mode of EPON + broadband wireless MESH 图 2. EPON + 宽 带 无 线 MESH 组 网 模 式 无 线 网 关 无 线 MESH 网 Figure 3. Network mode of industrial Ethernet Switch + broadband wireless MESH 图 3. 工 业 以 太 网 交 换 机 + 宽 带 无 线 MESH 组 网 模 式 OPEN ACCESS 13

定 向 天 线 BBU( 变 电 站 ) BBU( 变 电 站 ) Figure 4. Mode of fiber + TD-LTE distributed base station 图 4. 光 纤 + TD-LTE 分 布 式 基 站 模 式 BBU 光 纤 Figure 5. Network mode of BBU and series and parallel 图 5. BBU 与 串 联 和 并 网 络 方 式 4.4. 模 式 四 : 无 线 公 网 (2G/3G 无 线 传 输 ) 2G/3G 无 线 传 输 模 式 组 网 结 构 如 图 6 所 示 2G/3G 终 端 模 块 和 各 供 电 局 主 站 系 统 /Radius 认 证 服 务 器 之 间 的 数 据 通 信 必 须 通 过 VPN 专 线 方 式, 主 站 系 统 置 于 企 业 网 内 部 2G/3G 终 端 采 用 静 态 IP 的 方 式, 终 端 预 置 IP 地 址, 并 保 持 不 变 在 应 用 2G 网 络 作 为 通 信 通 道 的 配 电 终 端 必 须 支 持 GSM 和 CDMA 双 模 方 式, 其 中 GSM 模 式 同 时 支 持 GPRS 和 EDGE 在 3G 公 网 有 覆 盖 的 区 域, 宜 考 虑 选 择 2G 和 3G 双 模 终 端 模 块,2G 和 3G 双 模 终 端 模 块 可 自 动 切 换 2G 和 3G 网 络, 并 优 先 选 择 3G 网 络 通 信 3G 网 络 的 上 行 带 宽 一 般 在 100 kbps~1 Mbps 之 间, 但 在 很 多 山 区 农 村 区 域 无 3G 网 络 覆 盖 4.5. 通 信 模 式 选 择 以 上 四 种 模 式 的 优 点 缺 点 和 适 用 范 围 如 表 1 综 上, 在 需 要 视 频 监 控 等 高 带 宽 业 务 或 无 线 公 网 无 覆 盖 的 区 域, 优 选 选 择 模 式 一 或 模 式 二, 在 可 解 决 供 电 的 情 况 下, 可 选 择 模 式 三 ; 在 不 实 现 视 频 监 控 且 无 线 公 网 信 号 良 好 的 情 况 下 优 选 选 择 模 式 四 5. 结 束 语 由 于 输 电 线 路 监 测 智 能 化 需 要 同 时 具 备 安 全 经 济 稳 定 低 时 延 等 多 方 面 的 要 求, 简 单 的 利 用 无 线 公 网 的 通 信 方 式 无 法 同 时 满 足 以 上 需 求, 而 且 还 要 受 到 无 线 公 网 信 号 覆 盖 的 约 束 输 电 线 路 的 路 径 经 常 会 选 择 在 没 有 公 网 信 号 的 山 林 之 中, 这 一 部 分 线 路 往 往 是 重 冰 区 大 跨 越 舞 动 区 风 口 区 林 区 等 需 要 重 点 监 测 的 线 路, 利 用 无 线 公 网 实 现 输 电 线 路 监 测 智 能 化 极 大 的 制 约 了 线 路 监 测 系 统 作 用 的 发 挥 同 时 在 需 要 安 装 视 频 / 图 像 监 测 装 置 的 线 路 中, 为 保 证 视 频 图 像 的 清 晰 流 畅, 对 传 输 的 视 频 信 号 的 实 时 性 和 完 整 性 提 出 了 很 高 的 要 求, 这 就 要 求 监 测 装 置 需 要 通 过 高 带 宽 低 延 时 的 通 信 通 道, 本 文 提 出 的 模 式 一 模 式 二 模 式 三 是 较 为 可 行 的 几 种 解 决 方 案, 然 而 由 于 这 几 种 方 式 均 存 在 无 线 MESH 基 站 或 功 耗 大, 太 阳 能 供 14 OPEN ACCESS

Figure 6. Network mode of 2G/3G wireless transmission 图 6. 2G/3G 无 线 传 输 模 式 Table 1. Advantages and disadvantages of the four modes 表 1. 四 种 模 式 的 优 缺 点 对 比 模 式 主 要 优 点 主 要 缺 点 适 用 范 围 模 式 一 模 式 二 1) 技 术 成 熟 ; 2) 抗 多 点 失 效 1) 技 术 成 熟 ; 2) 抗 单 点 失 效 逐 级 设 置 节 点, 成 本 较 高 ; 逐 级 设 置 节 点, 成 本 较 高 ; 需 要 视 频 监 控 等 高 带 宽 业 务 或 无 线 公 网 无 覆 盖 的 区 域 模 式 三 模 式 四 除 基 站 节 点 外, 终 端 节 点 功 耗 小 基 站 节 点 功 耗 大 ( 设 备 功 成 本 低, 业 务 接 入 方 便 耗 一 般 超 过 100 W), 供 电 困 难 终 端 功 耗 低 投 资 少 工 程 简 单 带 宽 小 通 信 可 靠 性 低, 部 分 区 域 无 网 络 基 站 节 点 可 解 决 供 电 问 题 的 情 况 在 不 实 现 视 频 监 控 且 无 线 公 网 信 号 良 好 的 情 况 电 不 足 电 池 寿 命 短 等 问 题 后 续 研 究 应 应 重 点 在 降 低 MESH 基 站 或 的 功 耗, 或 采 用 其 它 可 靠 的 供 电 方 式, 否 则 输 电 线 路 智 能 监 测 系 统 就 无 法 得 到 大 规 模 推 广 参 考 文 献 (References) 通 信 传 输 方 式 研 究. 电 力 系 统 通 信, 32, 20-24. [2] 于 德 明, 郭 昕 阳, 陈 方 东 等 (2009) 500kV 输 电 线 路 在 线 监 测 系 统 应 用. 中 国 电 力, 42, 53-56. [3] 王 炫, 李 红, 丛 琳 (2009) 基 于 无 线 通 信 和 光 通 信 的 高 压 输 电 线 路 监 测 系 统. 电 网 技 术, 33, 198-203. [4] 秦 裕 斌, 陈 建 华, 黄 晓 (2009) 无 线 MESH 网 络 技 术 及 其 应 用. 通 信 技 术, 12, 144-146. [5] 陈 丽 娟 (2007) 应 用 于 无 线 MESH 路 由 协 议 的 研 究. 电 子 工 业 出 版 社, 北 京, 95. [1] 刘 丽 榕, 王 玉 东, 肖 智 宏 等 (2011) 输 电 线 路 在 线 监 测 系 统 OPEN ACCESS 15