0引言

輸變電設備狀態監測系統是實現輸變電設備狀態運行檢修管理、提升輸變電專業生產運行管理精細化水平的重要技術手段。系統通過各種傳感器技術、廣域通信技術和信息處理技術實現各類輸變電設備運行狀態的實時感知、監視預警、分析診斷和評估預測，其建設和推廣工作對提升電網智能化水平、實現輸變電設備狀態運行管理具有積極而深遠的意義。輸電線路狀態監測是輸變電設備狀態監測系統的重要組成部分，通過分布在輸電線路上的各種前端監測裝置采集數據，再經通信傳輸網絡將監測數據傳送到主站系統以實現集中監測。由于輸電線路狀態監測的特殊性，其監測點的選取不同于變電設備，具有布置分散、數據類型多樣、傳輸距離遠近結合、環境條件惡劣及布點靈活可移動等特點，因此對電力系統通信網絡提出新要求。

1業務需求分析

目前，應用于輸電線路狀態監測的裝置種類繁多，按功能可分為電氣類、機械類和運行環境類；按安裝位置可分為導線類、地線類、金具類、絕緣子類、桿塔類、桿塔基礎類、非接觸類；按產品形式可分為氣象環境監測類、導線監測類、桿塔監測類、桿塔附件監測類和其他監測類[1]。從通信傳輸網絡數據傳送的角度分析，上述各類監測裝置的狀態監測數據大致可分為3類：窄帶數據、中等帶寬數據和寬帶數據。3種狀態監測數據的比較見表1所列。

2通信傳輸網絡組成

典型的輸電線路狀態監測通信傳輸網絡可分為微網、接入網、主網3個層次。1）微網：一般以輸電線路桿塔為中心，通信覆蓋單基桿塔周邊數十米范圍，主要解決各類傳感器、攝像頭等前端監測裝置所采集數據的收發，并實現與接入網的連接。2）接入網：一般沿輸電線路至變電站，通信覆蓋范圍為幾百米至幾十千米，除連接各微網外，主要負責連接桿塔節點設備和變電站節點設備。3）主網：一般可利用電力系統通信專網，目前電力系統通信專網已覆蓋絕大部分變電站，變電站至各調度端的通信傳輸網絡已經比較完善。在實際的輸電線路狀態監測應用中，可根據預先設定的功能要求和選用的通信傳輸方式簡化通信傳輸網絡。輸電線路狀態監測典型通信傳輸網絡，如圖1所示。

3通信網絡技術

3.1微網通信技術

微網作為輸電線路狀態監測通信傳輸網絡的末梢網，主要解決各類傳感器、攝像頭等前端監測裝置所采集數據的收發。對于安裝在桿塔上的各類傳感器和攝像頭，可采用RS–232/RS–485等串行通信接口或10/100M自適應以太網接口，以有線通信方式將所采集的數據匯聚至桿塔節點設備。對于很大一部分不安裝在桿塔上的傳感器，如導線溫度等導、地線類監測裝置，與桿塔節點設備之間主要采用無線射頻通信方式。組網方案可參考無線傳感器網絡（WirelessSensorNetworks，WSN），充分發揮WSN的低耗自組機制、異構系統的互連互通及大結構關聯協同地處理數據等優勢。由于通信覆蓋僅為單基桿塔周邊數十米范圍，無線微網可選用多種適用于無線個域網（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的通信技術。從數據傳輸速率來看，高速短距離無線通信可采用超寬頻技術（UltraWideBand，UWB），最高傳輸速率高于100Mbit/s，但通信距離一般不超過10m；低速短距離無線通信可采用Zigbee、低速UWB和Bluetooth等技術，傳輸速率一般低于1Mbit/s，通信距離一般不超過100m。尤其值得關注的是Zigbee技術，是基于IEEE802.15.4規范的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，數據傳輸速率高達250kbit/s，同時支持Mesh型網絡拓撲結構。

3.2接入網通信技術

由于接入網主要負責連接桿塔節點設備和變電站節點設備，通信覆蓋從幾百米到幾十千米不等，同時需要考慮圖像/視頻采集高帶寬接入的要求，以及輸電線路巡檢機器人、直升機和PDA等移動接入的要求，因此接入網是中長距離結合、寬帶化、多種方式接入的綜合網絡，是輸電線路狀態監測通信傳輸網絡研究的重點。

3.2.1專網方案

1)無線中繼方案。目前輸電線路狀態監測接入網中常用的無線通信技術主要有無線保真（WirelessFidelity，Wi-Fi）和全球微波互聯接入（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX）[2]。Wi-Fi是基于IEEE802.11規范的無線局域網技術（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN），覆蓋范圍為幾百米到幾千米，除提供固定的無線接入外，還提供移動接入能力。Wi-Fi使用ISM（IndustrialScientificMedical）無線電廣播頻段通信，其中IEEE802.11a標準使用5GHz頻段，支持的最大傳輸速率為54Mbit/s，而IEEE802.11b和IEEE802.11g標準使用2.4GHz頻段，支持的最大傳輸速率分別為11Mbit/s和54Mbit/s。WiMAX是一種基于IEEE802.16規范的無線城域網技術（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN），覆蓋范圍為幾千米到幾十千米，具有移動接入能力。WiMAX的最高傳輸速率可達100Mbit/s，還具備在2~66GHz頻率范圍內可利用所有需要或不需要許可的頻段。在變電站、監測點桿塔以及需要設置中繼的桿塔安裝無線設備，將輸電線路上的狀態監測數據傳送至就近變電站。無線中繼示意如圖2所示。該方案適用于傳輸距離較短、監測點集中分布在變電站出口段且有寬帶數據傳輸要求的情況。對于上述采用無線方式傳輸數據的系統而言，隨著傳輸距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本均會增加，因此要根據傳輸距離來選擇無線設備型號。

2）無線中繼與光通信接入方案。電力系統通信網中通常在110kV及以上輸電線路架設OPGW或全介質自承式光纜（All-dielectricSelf-supportingOpticalCable，ADSS），尤其是OPGW光纜的廣泛應用[3]，為輸電線路狀態監測提供了高效、可靠的傳輸媒質條件。OPGW光纜在實際架設中，具有每隔3~5km設置一個光纜接頭盒連接2段光纜的特點，而監測裝置的布點主要根據輸電線路運行的薄弱環節來確定，大多數情況下不會安裝在設有光纜接頭盒的桿塔，因此考慮采用無線中繼與光通信混合通信方式實現接入網的全線路覆蓋。在設有光纜接頭盒的桿塔，安裝光通信設備作為接入和傳輸裝置，在桿塔上提供寬帶數據接入服務，在未設光纜接頭盒的桿塔則僅安裝無線設備進行無線中繼，通過無線與光通信的高效結合，對不規則、非線性的野外受監控線路進行網絡覆蓋，并且通過無線中繼技術實現一些特殊的長距離傳輸和移動接入。無線中繼與光通信接入網方案示意[4]，如圖3所示。該方案適用于架設有OPGW或ADSS光纜的輸電線路，以及重要監測點、傳輸距離較長、有寬帶數據傳輸要求等情況。由于光通信設備的功耗一般較大，因此設備選型時，除確保可靠性外，應盡量降低功耗或選擇功耗相對較小的設備。對于老線路，局部光纜接頭盒需更換成三通，并核實是否具備1~2芯可用光纖；對于新建線路，光纜的分盤和纖芯可預先規劃，光纜接頭盒的位置可根據監測熱點設置，纖芯可按2~4芯預留。光通信方式具有通信容量大、實時性好、可靠性高等優勢，目前輸電線路狀態監測接入網中常用的光通信技術為無源光網絡技術（xPON）和光纖工業以太網技術。無源光網絡技術采用點到多點的拓撲結構[5]，在輸電線路一側變電站內布置光線路終端（OpticalLineTerminal，OLT），在桿塔上布置無源分光器（PassiveOpticalSplitter，POS）和光網絡單元（OpticalNetworkUnit,ONU），利用1根光纖和POS將ONU沿輸電線路呈鏈狀分布。無源光網絡技術能提供1.25G及以上共享帶寬，可抗多點失效，所有節點距離一般控制在20km以內，無源光網絡拓撲如圖4所示。光纖工業以太網技術將變電站內、輸電線路桿塔上的工業以太網交換機利用2根光纖組成鏈狀網絡。由于輸電線路特有的惡劣野外環境，其采用的以太網交換機在材料選用、產品強度和適用性等方面都提出了較高的要求。光纖工業以太網技術能提供100/1000M共享帶寬，點對點傳輸距離可高達80km，但不支持多點失效，光纖工業以太網拓撲如圖5所示。