输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究

1宁夏电力输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究宁夏电力公司2012 年 2 月 9 日2第一章 输电线路在线监测系统简介随着国家电网公司建设“一强三优”现代电网战略的快速推进，采用科技手段提高电网安全运行水平成为现代化电网发展的必然趋势。利用远程可视化技术实现对环境恶劣区段高压输电线路的运行数据及实时画面的监视，对进一步提高电力安全运行水平具有十分积极的意义。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益化水平的重要手段。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。输电线路监控系统是将摄像头和传感器的模拟信号：输电杆塔、线路、周边环境的信息和图像进行数字化，压缩后通过有线或无线的传输方式接入电力系统地市、网省的视频监控中心，在监控中心对数据进行解码得到线路的实时运行数据及周边环境信息和视频图像。第二章 系统通信需求输电线路在线监测系统通过分布在输电线的各种传感器和视频设备来采集数据。需要监测的性能数据主要包括下面的内容：1 气象环境：温度，相对湿度，风速，风向，气压，雨量，光辐射，覆冰监测。2 导线监测：导线弧垂，导线温度，导线微风震动，导线风偏，导线舞动。3 杆塔监测：杆塔振动监测，杆塔倾斜监测。4 杆塔附件监测：绝缘子风偏监测，绝缘子污秽监测。3数据的方向：终端传感器的定时周期上报监测数据和主站主动要求传感器提供的监控数据。根据对通信带宽需求的不同，数据主要分为以下三类：1. 窄带数据：比如气象情况【温度，湿度，雨量等】 ，导线温度等，此类数据变化的比较慢，数据流量较小，并且无需实时刷新，一般为查询或者定时上报。此类数据带宽需求不高，一般在 1kbps 之下。2. 静态图片数据：一般提供监测点的静态图片，一般为查询或者定时上报，数据流量为 100k 左右。3. 视频数据：实时视频监控，要求有较高的清晰度。依据附件-1 的理论计算，按照输电线路的视频监控系统增量数据基本在 20%之内估计，为了方便进行计算，我们经验上将输电线路在线监测系统视频带宽需求按照：D1 格式1Mbps，720p 格式2Mbps。以上三类上传数据中，视频数据对于通信通道的传输时延、传输带宽要求都较高，是输电在线监测系统回传通信系统中需要着重考虑的方面。第三章 输电线路在线监测接入系统框架3.1 通信接入方案设计准则由于输电线路多分布在野外，点多面广，线路周边的环境恶劣, 线路设备施工困难，采用何种通信方式实现数据回传，目前并没有定论。需结合现场实际条件、建设施工及综合造价等条件因素综合考虑提出最佳的解决方案。针对通信接入方案的选择，需要考虑下面的准则：1. 系统需要充分考虑各种当下通信方式的优缺点，从标准化、系统成4本、可实现性、可管理性上综合考虑。2. 通信方式需要采用时下较为先进的通信技术，对于设备的带宽、远程管理、QoS 、IP 化都要有考虑，系统需要满足未来 5 年内的通信需求并有一定的预留容量。3. 系统应用环境比较特殊，对于设备的可靠性、功耗、户外工作适应性需要有充分考虑。4. 系统需要符合国家电网对于信息化、标准化、安全、管理调控等方面的相关规范。3.2 通信接入系统模型下图 3-1 将输电线路监控系统模型做了描述。图 3-1：输电线路在线监测系统模型整个系统包括 5 个典型的节点；4 个通信链路。五个节点包括：51. 监控终端节点。 【传感和视频终端，在输电杆塔上】2. 杆塔节点。 【杆塔的 CMA 设备】3. 汇聚节点。 【多个杆塔节点业务汇聚节点】4. 变电站节点。 【变电站】5. 监控主站。 【地市、网省中心机房】四个通信链路包括：1. 现场网络通信链路。 【从监控终端到杆塔节点的通信链路】2. 多个杆塔节点到其汇聚节点的通信链路。3. 汇聚节点到变电站节点的通信链路。4. 变电站节点到监控主站的通信链路。3.3 通信节点功能下面是各通信节点功能说明。1、监控终端节点【位置：输电杆塔】监控终端提供基础数据采集，系统包括各类传感器、视频监测设备。终端设备负责将末端信息传送到杆塔节点设备。2、杆塔节点【位置：输电杆塔】本节点设备符合 CMA（condition monitor agent）的规范需求，一般安装在输电线路杆塔上，将现场监测、监控信息进行智能化加工为主站所需的“熟数据” 。3、汇聚节点【位置：杆塔、变电站、中心主站。 。 。 】将多个杆塔节点的数据进行汇聚后再向变电站/主站进行传送。这样可以提高效率、降低系统整体成本，尤其是在杆塔节点比较密集的情况下。如果杆塔节点非常稀少的情况下，汇聚节点可能不需要。汇聚节点设备应该符合 CMA（condition monitor agent）的规范需求。6如果采用无线公网方案，汇聚节点在中心主站。采用专网方案时，汇聚节点可以在杆塔或者变电站，但是最终的业务都送到变电站。4、变电站节点将汇聚节点的数据接入变电站的光纤骨干通信网，然后将在线监测数据传送至监控主站。5、监控主站【位置：地市、省监控中心】监控主站一般置于省、地市的信息中心。包括线路 CAG、数据服务器、监视器系统等。由光纤通信网络实现各远端监控节点的数据汇聚，然后通过安全处理环节后到达监控主站，主站实现状态监测数据库的维护和加工，集中将各个监测点的数据进行集中展示、存储、数据加工、远程配置等处理。3.4 通信链路1、现场网络通信现场网络为监控终端到杆塔节点的通信。监控终端与杆塔节点 CMA 通过 I1 接口通信，当前 I1 接口无通用规范，一般都采用厂家的私有协议。现场网络视频一般采用有线方式，其他监测数据可以通过无线局域网或无线传感网与杆塔节点对接。此段通信方式比较明确，不在本次研究范围之内。2、杆塔节点到汇聚节点的通信如图 3-1 中所示，通信链路-2 为多个杆塔节点数据汇聚的通信网络。本段链路是本次研究的重点内容。3、汇聚节点到变电站的通信汇聚节点到变电站，可以采用有线方式（光纤、铜线） 、无线方式，然后数据送到变电站的 SDH/MSTP。本段链路是本次研究的重点内容。4、变电站节点到监控主站的通信如图 3-1， “通信链路-4”为变电站到监控主站的传输通道，此段一般7都采用光纤通信的方式。根据上面的分析，本文目的是选择合适的网络接入方式解决从“杆塔节点”到“变电站节点”的数据通信。第 4 章 接入通信方式介绍4.1 通信方式当前通信技术丰富多样，有必要针对输电线路在线监测接入网的实际应用，分析各种通信技术的优缺点，找出最佳解决方案。按照实际情况，我们分析下面 4 类主流的通信技术：1. 光纤有线方式。2. 长距离微波传输。3. 无线公网方式。4. 无线专网方式。下面对于这 4 类通信方式做详细分析。4.2 光纤有线方式电力光纤一般为 OPGW 和 ADSS。技术可以采用成熟的光纤通信方案：EPON，SDH ，光纤以太网等方式；考虑 EPON 系统对传输距离有限制，SDH 设备很少提供工业级，光纤以太网方案符合工业级产品要求，所以可以优选光纤以太网方案。下图为采用光纤有线方式的应用框图：8图 4-1：光纤有线解决方案从输电线路的 OPGW 光缆内选择 2 芯用于输电线路在线监测。选择具有 OPGW 分接点处安装光纤通信设备接入监控信号。但是不宜频繁对OPGW 开口。相邻的无接头杆塔节点设备的信息仍需采用无线方式与此接头点光纤通信设备连接。典型的 OPGW 开口间隔为：2km 到 5km。光纤有线方式优点很多：通信容量大，抗电磁干扰强，采用成熟的光纤系统。采用工业以太网设备，如果系统按照 FE 来进行计算，系统节点10-16 个，每个节点最高可达 5Mbps 左右；如果系统按照 GE 来进行计算，系统节点 10-16 个，每个节点最高可达 50Mbps 左右。但是光纤有线系统存在下述的问题：1. OPGW 光纤接头跨距大，仍需将中间无光纤开口杆塔节点设备依靠9无线设备汇聚。2.铺设从光纤接入节点杆塔到变电站的光缆代价大，施工周期长。3. 光纤线路后期需要维护。4.3 微波方式微波通信使用波长为 10.1m(频率为 0.33GHz)的电磁波进行的通信。微波系统调制方式一般为 QAM 或者 QPSK，抗阻挡、多径干扰能力一般，因此微波通信的主要方式是视距通信。数字微波系统包括 PDH、SDH 微波，从技术上看采用的是 TDM 技术，与当下的 IP 化方式相背离。如果接入输电线路在线监测的 IP 信号时，需要增加协议转换设备，无疑增加了系统建设、维护的复杂程度，所以不建议采用这样的方式作为输电线路在线监测通信接入方案。4.4 无线公网方式当前通信运营商所提供的无线公网的方案有：1. 卫星通信方式。3 大运营商、中国卫通提供此项业务。2. 2G/3G 公网方式。3 大运营商提供此项业务。3. 4G 公网方式。3 大运营商正在实验 LTE 和 Wimax。4.4.1 卫星通信卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信。其特点是：通信距离远；覆盖广。卫星通信使用微波频段 300 MHz30GHz。卫星通信资费方面比较突出，可提供的带宽较低。但是具有全覆盖的特点，在光纤、无线专网、2G/3G 无线公网均不适合的窄带应用场合才会考虑。4.4.2 2G/3G 公网方式电信运营商公网普遍提供 2G/3G 数据业务服务，主要方式包括-GPRS、EDGE、CDMA 1x、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000 。10GPRS 为通用分组无线服务技术，它是 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS 的理论传输速率为 56-114Kbps。EDGE 是一种从GSM 到 3G 的过渡技术，它主要是在 GSM 系统中采用了一种新的调制方法，最高速率可达 384kbit/s。CDMA 1X 系统采用反向相干解调、快速前向功控、发送分集、Turbo 编码等技术，网络数据速率可达到 144Kbps。TD-SCDMA 是中国移动采用的 3G 无线通信技术标准。目前已经全面升级到 HSDPA，TD 下行速度峰值理论可达 2.8Mbit/s，上行速度峰值可达384kbit/s。 CDMA2000 是中国电信采用的 3G 无线通信技术标准，数据业务速度可达 3.1Mbit/s 下行和 1.8Mbit/s 上行。WCDMA 是中国联通采用的3G 无线通信技术标准，理论上 WCDMA 网络实现 HSDPA 之后下行速度可达到 7.2Mbit/s，上行速度可达 5.76Mbit/s。当前 3G 网络商用带宽下行可达 200-500kbps，上行一般 50-200kbps。2G/3G 公网方式具有开通方便的优势，但是运营商数据流量收费较高，所以此方式不适合高带宽，实时性要求高的视频监控接入，可以考虑接入窄带、低带宽监测数据。下表为各种通信方式的对比情况：表 4-2 2G/3G 数