胡順仁，曾 鋒，趙 紅，佘 麗，包 明

（1．重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，重慶 400054;2．重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

建設(shè)特高壓電網(wǎng)是國家“十二五”電網(wǎng)發(fā)展的一個重要目標(biāo)，然而，冰凍、大風(fēng)等惡劣的自然災(zāi)害都會給輸電線路造成重大的破壞，尤其是造成輸電塔的傾斜、倒塌。傳統(tǒng)依靠人工方式巡檢已經(jīng)無法適應(yīng)國家電網(wǎng)快速的發(fā)展。電力企業(yè)為避免由定期預(yù)防性實驗和定期檢修對設(shè)備檢修“過度”或“漏失”而引起的運(yùn)行可靠性降低和經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要建立遠(yuǎn)程無人值守的特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)，以預(yù)防和減少事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的安全性。

目前，特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點［1～5］。但大多數(shù)研究都重點關(guān)注在傳感器系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)評估技術(shù)領(lǐng)域，對于數(shù)據(jù)傳輸部分關(guān)注不多，其主要原因是認(rèn)為現(xiàn)有通信技術(shù)已經(jīng)足以成熟，可直接使用在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中。但是，特高壓輸電塔由于其自身的特殊性有別于其它遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng):一方面，由于特高壓輸電塔都處于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的荒郊野外，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性上只能采用公共無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最常用的就是采用GPRS，CDMA等技術(shù)，而在這些地方公共信道相對較弱;另一方面，特高壓輸電塔上輸電線傳輸電都是幾十萬伏的高壓，會在輸電塔周圍形成一個強(qiáng)電場輻射、強(qiáng)干擾的區(qū)域，無線信道會受到較強(qiáng)的干擾［6，7］。因此，在公共無線信道上提高特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃妥兊糜葹殛P(guān)鍵。

1 特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)組成

特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括采集輸電塔狀態(tài)信息的傳感器系統(tǒng)、將狀態(tài)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、利用狀態(tài)信息對特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估的安全評估系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 特高壓輸電塔實時監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig 1 Diagram of the UHV transmission tower real-time monitoring system

傳感器系統(tǒng)是采集特高壓輸電塔狀態(tài)信息（如振動、傾斜、風(fēng)速等），并處于特高壓輸電塔本地端。而對特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評估的安全評估系統(tǒng)則是處于遠(yuǎn)離特高壓輸電塔的城市區(qū)，所以，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)就必須實現(xiàn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸［8～10］。采用專網(wǎng)方式和有線傳輸都存在較高的經(jīng)濟(jì)成本，勢必最佳選擇只能采用公共無線信道。而特高壓輸電塔大多是在荒郊野外，公共信道的信號大多較弱，信號經(jīng)常出現(xiàn)時有時無，數(shù)據(jù)傳輸容易出現(xiàn)丟失情況。

2 特高壓輸電塔環(huán)境特性對無線信道的影響

特高壓輸電塔傳輸?shù)碾妷憾际菐资f伏以上，高壓架空輸電線路的特點是電壓高、頻率低。其運(yùn)行電壓通常要比日常電器設(shè)備運(yùn)行電壓大3個數(shù)量級。50 Hz的工頻在電磁頻譜中屬于超低頻，輸電線路的電磁效應(yīng)主要是通過電場、磁場和電暈等3種形式起作用的［11］。

當(dāng)輸電線路運(yùn)行時，輸電導(dǎo)線上的電壓會在周圍空間產(chǎn)生電場。交流輸電線路產(chǎn)生的電場雖然是交變電場，但是因為其頻率極低，具有靜電場的普遍特性，即電場強(qiáng)度的大小與導(dǎo)線上的電壓呈正比。輸電線路對通信線路的影響包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。由于靜電耦合作用，輸電線路的電場會在鄰近的通信線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即靜電感應(yīng)。輸電線路的電磁影響主要來自輸電線路中的諧波。而GPRS的工作頻率為900/1 800 MHz，而輸電線路的許多諧波正好迭落在這個頻率范圍內(nèi)。

電暈和火花放電產(chǎn)生的無線電干擾，其頻譜主要集中在中、短波段到甚高頻，尤其特高頻已是極其微弱，對幾十米外的基站天線的發(fā)射和移動用戶的接收不可能造成任何干擾影響，即送電線路有源干擾對移動通信信號的影響可不予考慮。

相對于110 kV高壓輸電線路，在輸電線路50 m以內(nèi)，電場的影響較大，是干擾通信的主要因素，相比之下磁場的影響很小，可忽略不計。隨著距離增大，電場的影響顯著下降。在距離100 m以外 ，磁場影響就上升為主要因素 ，靜電影響則可忽略不計。

同時，當(dāng)移動用戶位于送電線路鐵塔附近時，用戶在接收基站發(fā)送的直達(dá)信號的同時，還可能會收到經(jīng)鐵塔反射過來的多徑信號。由于移動通信信號的波長較短，鐵塔不能視為一個實體，因此，經(jīng)鐵塔反射的多徑信號可能是多個方向，多徑信號對用戶接收效果的影響將減弱，特別是在用戶離開鐵塔較遠(yuǎn)時，這種影響會更小。

所以，處于特高壓輸電塔近距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要會受到電場、多徑信號等干擾，特別是隨著周圍環(huán)境的變化，如在雨、雪等惡劣天氣下，干擾也會產(chǎn)生變得嚴(yán)重。

3 應(yīng)答確認(rèn)與自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳機(jī)制

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括應(yīng)答確認(rèn)和自適應(yīng)動態(tài)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制兩部分。應(yīng)答確認(rèn)主要目的是為了解決公共信道傳輸過程中數(shù)據(jù)掉包的問題，自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳機(jī)制主要目的是為了解決強(qiáng)干擾、弱信號環(huán)境下的實現(xiàn)數(shù)據(jù)最大效率傳輸。

3．1 原理與設(shè)計思想

對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)應(yīng)答是解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃猿Ｓ玫姆椒?。根?jù)確認(rèn)方式不一樣，數(shù)據(jù)傳輸一般可以分為連續(xù)傳輸和不連續(xù)傳輸2種方式。連續(xù)傳輸方式是將數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送給對方，直到對方確認(rèn)出錯，再將出錯的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新傳輸，這種方式稱為回退式;不連續(xù)方式為發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，然后停止等待對方確認(rèn)后再發(fā)送，這種方式也稱為停等式［12］。自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳機(jī)制的思想就是根據(jù)通信信道質(zhì)量的好壞，實時調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸方式，從而在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大效率傳輸。

3．2 閾值確定

自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳機(jī)制很重要的一個環(huán)節(jié)就是確定無線信道質(zhì)量，也就是要確定一個閾值來作為判斷網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量的好壞，以此來動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包大小。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判实谋磉_(dá)式如式（1）與式（2）所示

其中，K為數(shù)據(jù)的長度，pe為在任何一個數(shù)據(jù)包個差錯的概率，T為傳輸時延，tn為傳播時延，R為鏈路傳輸速率，nh為控制信息的長度，N為回退的數(shù)據(jù)包數(shù)的大小。

由以上兩式可知，當(dāng)通信信道的傳輸質(zhì)量較好時，回退重傳的通信效率比較理想，但是當(dāng)通信鏈路的傳輸質(zhì)量較差、誤碼率較大時，回退重傳回退的數(shù)據(jù)包數(shù)大大增加，而停等式方式傳輸較為合適。在利用公共無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，網(wǎng)絡(luò)狀況的好壞存在一定的不確定性，根據(jù)下述步驟計算判定網(wǎng)絡(luò)狀況的閾值Δ:

1）計算某時刻丟包數(shù)Δxi的方法

發(fā)送方每間隔時間Δt發(fā)送m個數(shù)據(jù)包，接收方接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)的集合X={x1，x2，…，xn}，xi為ti時刻接收的數(shù)據(jù)個數(shù)，則ti時刻的丟包數(shù)為

2）計算聚類中心值M的方法

以計算得到的丟包數(shù)序列 ΔX={Δx1，Δx2，…，Δxn}（i=1，2，…，n）作為樣本集，根據(jù)下式計算聚類中心值M

3）確定閾值Δ的方法

由下式計算丟包數(shù)與聚類中心值的距離Ki（Δxi，M）

得到數(shù)據(jù)組K={k1，k2，…，kn}，i=1，2，…，n。

根據(jù)Δ=g·maxK確定閾值，其中，g為參數(shù)的安全系數(shù)。

某時刻接收方接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)為xi，丟包數(shù)為Δxi，則根據(jù)式（6）判斷網(wǎng)絡(luò)狀況的好壞，自動選擇合適的重傳方式

其中，Δxi為某時刻丟包數(shù);M為聚類中心值;Δ為設(shè)定的閾值;wi為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)值。

3．3 動態(tài)調(diào)整機(jī)制

而數(shù)據(jù)包動態(tài)調(diào)整不能簡單地采用停等式或回退式，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“盡力”傳輸，數(shù)據(jù)要在信道“空隙”質(zhì)量狀況較好實現(xiàn)數(shù)據(jù)最大效率傳輸，數(shù)據(jù)包動態(tài)調(diào)整機(jī)制策略為“快速啟動”、“線性增長”、“回歸發(fā)送”，見圖2所示。

圖2 動態(tài)調(diào)整示例Fig 2 Sample of dynamic adjustment

“快速啟動”主要是將數(shù)據(jù)包發(fā)送大小以2的倍數(shù)指數(shù)級增長，這樣可以很快地將數(shù)據(jù)包大小增長到最大，達(dá)到門限值（門限值初始值為接近發(fā)送數(shù)據(jù)包最大值Mmax的一個2的冪）。

“線性增長”主要是將數(shù)據(jù)包大小加1發(fā)送，這樣使得數(shù)據(jù)包大小以線性方式增長，達(dá)到數(shù)據(jù)包最大值Mmax，或確認(rèn)時間達(dá)到最大為止。

“回歸發(fā)送”是指當(dāng)干擾變嚴(yán)重時，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變差，數(shù)據(jù)丟包增多，發(fā)送的數(shù)據(jù)包收到確認(rèn)時間變長，這時使數(shù)據(jù)包大小重新回到1開始發(fā)送，然后將門限值減半，重新開始啟動發(fā)送。

3．4 算法實現(xiàn)與流程

本算法首先要收集數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)上述閾值確定方法確定合適的閾值，根據(jù)數(shù)據(jù)樣本來統(tǒng)計最大發(fā)送數(shù)據(jù)包Mmax，以此來確定門限值。算法具體實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 應(yīng)答確認(rèn)與自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳機(jī)制流程圖Fig 3 Flow chart of the response confirm and the adaptive data dynamic retransmission mechanism

4 實驗與分析

本實驗系統(tǒng)由高壓發(fā)生器、GPRS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模擬系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機(jī)模擬產(chǎn)生實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并寫入到SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中。高壓發(fā)生器選用HRZGF—200kV/10mA直流高壓發(fā)生器，可以產(chǎn)生最高20×104V的電壓。GPRS系統(tǒng)則采用OnCell G2150將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的評估中心。實驗室是一處GPRS弱信號區(qū)域，無線信號較差。

數(shù)據(jù)采集端模擬產(chǎn)生了10000條記錄，其中，每個記錄有4個字段，每個字段為一個浮點數(shù)據(jù)。實驗分為3種情況進(jìn)行:信號正常區(qū)、弱信號區(qū)域、弱信號加電場干擾區(qū)。其中高壓發(fā)生器在（0～18）×104V范圍內(nèi)循環(huán)，如表1。

表1 傳統(tǒng)方法與本方法對比Tab 1 Comparison between traditional method and the presented method

由上表可知，本算法相比傳統(tǒng)方法（直接發(fā)送、數(shù)據(jù)包大小固定）比較有很好的優(yōu)勢，從發(fā)送時間和丟包數(shù)都充分說明了本方法極大地發(fā)揮了信道的優(yōu)勢，有很強(qiáng)的抗干擾性。

5 結(jié)束語

通過在數(shù)據(jù)傳輸中采用“應(yīng)答確認(rèn)”和“自適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)重傳”等方法，尤其是采用數(shù)據(jù)包動態(tài)調(diào)整機(jī)制，在有效地降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率基礎(chǔ)上，可以很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的“盡力”傳輸，極大提高了數(shù)據(jù)效率，實驗室仿真實驗也對算法進(jìn)行了驗證，與傳統(tǒng)方法相比也具有較強(qiáng)的實用性和抗干擾能力。但是，在工程實踐中特高壓輸電塔環(huán)境特性相比實驗室高壓環(huán)境而言更復(fù)雜，具有更強(qiáng)的不可確定性。

［1］ 李宏男，白海峰．高壓輸電塔—線體系抗災(zāi)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．土木工程學(xué)報，2007，40（2）:39 －46．

［2］ Fei Qingguo，Zhou Honggang Han Xiaolin，et al．Structural health monitoring oriented stability and dynamic analysis of a long-span transmission tower-line system［J］．Eng Fail Anal，2012，20（3）:80－87．

［3］ Yin T，Lam H F，Chow H M，et al．Dynamic reduction-based structural damage detection of transmission tower utilizing ambient vibration data［J］．Eng Struct，2009，31（9）:2009 － 2019．

［4］ Albermani F，Kitipornchai S，Chan R W K．Failure analysis of transmission towers［J］．Eng Fail Anal，2009，16（6）:1922 －1928．

［5］ Prasad R N，Samuel K G M，Lakshmanan N，et al．Investigation of transmission line tower failures［J］．Eng Fail Anal，2010，17（5）:1127－1141．

［6］ Shi Liping，Shan Lianyu，Zhang Mingyuan，et al．Monitoring to the transmission towers’inclination on-line system based on GPRS［C］∥Artificial Intelligence，Management Science and Electronic Commerce（AIMSEC），2011:4080 － 4083．

［7］ 魏德軍．高壓架空線路對移動通信基站的無線電干擾影響［J］．電力建設(shè)，2005，26（7）:22 －24．

［8］ Yang Jingbo，Dai Zebing，Yu Qingang．Online monitoring of windinduced vibration of transmission steel high tower［C］∥Proceedings of 2011 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，APPEEC 2011，2011．

［9］ 汪 江，杜曉峰，田萬軍，等．500 kV大跨越輸電塔振動在線監(jiān)測與模態(tài)分析系統(tǒng)［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2010（34）:180－184．

［10］盧修連，劉曉鋒．輸電塔振動狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．江蘇電機(jī)工程，2008，27（6）:30 －33．

［11］原 斌．110 kV高壓輸電線路與城市環(huán)境之間的相互影響［J］．山西電力，2008，148（4）:54 －58．

［12］顧尚杰，薛 質(zhì)．計算機(jī)通信網(wǎng)基礎(chǔ)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2003．