蘆 燈 翟 彬 王愛華 張燕燕

1.山東電力工程咨詢院有限公司 山東 濟南 250013

2.國網(wǎng)技術(shù)學院 山東 濟南 250002

0 引言

由于智能電網(wǎng)的優(yōu)越性，建設(shè)以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)已成為國家電網(wǎng)公司的戰(zhàn)略發(fā)展目標，作為電力輸送物理通道的輸電線路，是堅強智能電網(wǎng)的基本保證和重要組成部分。尤其是近年來高速發(fā)展的特高壓交、直流輸電線路，具有安全重要等級極高、地域分布廣泛、運行條件復(fù)雜、易受自然環(huán)境影響和外力破壞、巡檢維護工作量大等特點，因此在工程設(shè)計和建設(shè)初期，就應(yīng)該以智能電網(wǎng)線路環(huán)節(jié)發(fā)展目標為指導(dǎo)，利用先進的通信、信息和控制等技術(shù)，實現(xiàn)線路安全化的要求。

要保證特高壓線路運行安全，實現(xiàn)線路運行狀態(tài)的可控、能控、在控，須通過線路巡檢、在線監(jiān)測、試驗、科學運維等手段，進行線路狀態(tài)評價、風險評估、故障診斷，實現(xiàn)線路運行狀態(tài)化和運維智能化。通過安裝在線監(jiān)測及智能巡檢系統(tǒng)、使用先進智能監(jiān)測設(shè)備、匯集狀態(tài)信息進行輸電線路設(shè)備運行狀態(tài)評估，發(fā)現(xiàn)輸電網(wǎng)運行隱患并借助巡檢系統(tǒng)及時進行信息交互、故障處理，是提高輸電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平的切實需要，也是發(fā)展智能電網(wǎng)的需要［1-3］。本文就在線監(jiān)測和線路運維現(xiàn)狀進行了論述，對常用的在線監(jiān)測裝置及布置原則進行了分析，對比了5.8G無線專網(wǎng)、光通信和 GPRS／3G 3種通信方式的優(yōu)缺點。最后，對基于OPGW電力專網(wǎng)的通信方案和基于無線公網(wǎng)的通信方案兩種組網(wǎng)方案進行了比較，推出了較優(yōu)的組網(wǎng)方案。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 線路運維現(xiàn)狀

從特高壓線路檢修、巡視工作的現(xiàn)狀來看，存在著如下一些問題：

1）特高壓線路往往遠離人口密集區(qū)，線路所處的特殊地理位置，給工作人員的檢修、巡視工作帶來了極大的困難。工作人員到達較遠樁位難度大，巡檢效率低。

2）輸電線路環(huán)境氣候多變，有時氣候晴朗、溫暖，有時會變得陰云密布、寒氣襲人，偶爾還會下起大雨，很難把握檢修、巡視時的天氣情況。

3）在無人區(qū)沒有手機信號，與外面完全失去聯(lián)系，發(fā)生人身安全問題時搜救無法展開，檢修人員之間靠“吼”來相互聯(lián)絡(luò)。

4）對交通工具要求很高．有的樁位有時有路，有時則無路可行，一般車輛無法越過河槽和沙壩。

5）巡檢人員在現(xiàn)場無法跟主站人員進行有效的視頻語音即時直觀溝通，一般是靠電話聯(lián)系。且在惡劣氣候作用時監(jiān)測地點，公網(wǎng)可能首先失效，從而使現(xiàn)場人員與主站人員之間會失去通信信道，無法了解現(xiàn)場設(shè)備情況。

由此可見，傳統(tǒng)的運維模式已不滿足特高壓電網(wǎng)發(fā)展的要求，輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)因此應(yīng)運而生。

1.2 在線監(jiān)測現(xiàn)狀

目前，輸電線路在線監(jiān)測項目主要包括：輸電線路（微）氣象監(jiān)測裝置、微風振動監(jiān)測裝置、等值覆冰厚度監(jiān)測裝置、導(dǎo)線舞動監(jiān)測裝置、導(dǎo)線弧垂監(jiān)測裝置、風偏監(jiān)測裝置、絕緣子污穢度監(jiān)測裝置、桿塔傾斜監(jiān)測裝置、圖像視頻監(jiān)控裝置等。這些監(jiān)測項目中，圖像視頻監(jiān)控比重較大，且對掌握現(xiàn)場設(shè)備情況極為重要。但一般的通訊手段只能傳輸圖像，不能傳輸視頻，且在線監(jiān)測裝置的布點受到公網(wǎng)無線信號覆蓋程度的制約［4-6］。

目前輸電線路在線監(jiān)測點的數(shù)據(jù)回傳方式普遍是借助無線公網(wǎng)GPRS/3G通信方式實現(xiàn)的，這種數(shù)據(jù)傳輸方式存在3個問題：

1）信號覆蓋問題：GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)在人口密集城鎮(zhèn)地區(qū)和開闊地帶覆蓋較好，但是公網(wǎng)信號在偏遠山區(qū)覆蓋較差，且特高壓線路多在人煙稀少地區(qū)穿行，因此，監(jiān)測點分布完全受制于GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況。

2）傳輸帶寬問題：GPRS傳輸帶寬一般最大不超過170kbps，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬稍大，最理想情況能夠達到2～3Mbps，但是目前3G信號一般只在城區(qū)覆蓋，郊區(qū)信號覆蓋較弱，偏遠山區(qū)通常無3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)視頻監(jiān)控普遍只能傳輸圖像，無法傳輸視頻，就是因為存在傳輸帶寬限制因素。

3）傳輸時延問題：GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)是采用運營商無線公眾網(wǎng)后通過運營商內(nèi)部網(wǎng)關(guān)與電力網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)通過的處理環(huán)節(jié)較多，運營商無法保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，傳輸丟包和時延較為嚴重，時延通常為秒級或更久，畫面的流暢程度不能滿足需求。

運營商無線公網(wǎng)帶寬小，不適合實時視頻應(yīng)用，但是可以作為帶寬較小的導(dǎo)線監(jiān)控設(shè)備通信使用，比如：導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線電流、導(dǎo)線舞動。而視頻監(jiān)控考慮到清晰度、實時性的要求，建議采用5.8G無線專網(wǎng)和OPGW光纜配合實現(xiàn)。

2 在線監(jiān)測裝置

2.1 在線監(jiān)測裝置推薦安裝類型

對輸電線路上所安裝的設(shè)備類型的確定可參考智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)原則及技術(shù)規(guī)范，目前主要相關(guān)的技術(shù)文件有《輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》、《統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)新建輸電線路建設(shè)設(shè)計有關(guān)要求》，按照以上技術(shù)文件及建議，應(yīng)用較廣的主要有以下幾種設(shè)備。

1）視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)

可監(jiān)控變電站周圍環(huán)境及線路設(shè)施安全；監(jiān)測線路重要交叉跨越或跨江和湖泊大檔距；監(jiān)測線路導(dǎo)線跨越林區(qū)樹木生長情況和山火情況，可預(yù)防因樹木生長過快對線路產(chǎn)生影響，也可形成線路沿線的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測采石場，人口稠密區(qū)等地區(qū)，可有效防止大型機械作業(yè)或人為因素對線路安全運行構(gòu)成的威脅，技術(shù)較成熟。如表1所示：

表1 視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)指標

2）微氣象監(jiān)測裝置

及時掌握現(xiàn)場微氣象區(qū)參數(shù)，可為線路安全運行維護提供精確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，也可為線路設(shè)計積累數(shù)據(jù)參數(shù)。如表2所示：

表2 微氣象監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

3）導(dǎo)線風偏監(jiān)測裝置

可及時監(jiān)測現(xiàn)場導(dǎo)線風偏、絕緣子串風偏、跳線風偏的情況，便于運維人員對風偏的判斷和防范提供依據(jù)。如表3所示：

表3 導(dǎo)線風偏監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

4）導(dǎo)線溫度監(jiān)測裝置

可及時監(jiān)測導(dǎo)線溫度，為研究環(huán)境氣象條件對導(dǎo)線載流量的影響提供第一手的數(shù)據(jù)資料，為實時提高輸送容量提供定量的參考依據(jù)。如表4所示：

表4 導(dǎo)線溫度監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

5）導(dǎo)線微風振動監(jiān)測裝置

用于判斷線路微風振動的水平和導(dǎo)線的疲勞壽命，為導(dǎo)線風振研究，提供基礎(chǔ)信息。如表5所示：

表5 導(dǎo)線微風振動監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

6）桿塔傾斜監(jiān)測裝置

可及時監(jiān)測桿塔不均勻下沉、傾斜情況，提前進行預(yù)警，有效地降低了線路安全運行的威脅。如表6所示：

表6 桿塔傾斜監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

7）污穢情況在線監(jiān)測裝置

監(jiān)測線路絕緣子鹽密、灰密情況，積累沿線污穢變化資料，提高線路運行安全。如表7所示：

表7 污穢情況在線監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

8）舞動在線監(jiān)測裝置

實時監(jiān)測導(dǎo)線舞動情況，包括測量導(dǎo)線擺幅等第一手資料，為運行人員提供第一手數(shù)據(jù)。如表8所示：

表8 舞動在線監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

9）覆冰在線監(jiān)測裝置

主要安裝在易產(chǎn)生重冰的區(qū)域內(nèi)，測量因覆冰引起的導(dǎo)線張力變化情況，為運行人員提供實時可靠資料。如表9所示：

表9 覆冰在線監(jiān)測裝置相關(guān)技術(shù)指標

2.2 在線監(jiān)測裝置布置原則

1）導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測裝置宜安裝在需要按允許運行溫度選擇導(dǎo)線的大跨越線路，以及跨越主干鐵路、高速公路、橋梁、河流、海域等區(qū)域的重要跨越段。

2）導(dǎo)線弧垂在線監(jiān)測裝置宜安裝在需驗證新型導(dǎo)線弧垂特性的線路區(qū)段和線路附近障礙物較多的區(qū)段。

3）導(dǎo)線覆冰在線監(jiān)測裝置宜安裝在重冰區(qū)部分區(qū)段線路和迎風山坡、埡口、風道、大水面附近等易覆冰特殊地理環(huán)境區(qū)，還可安裝在與冬季主導(dǎo)風向夾角大于45°的線路易覆冰舞動區(qū)。

4）微風振動在線監(jiān)測裝置宜安裝在跨越通航江河、湖泊、海峽等的大跨越和可觀測到較大振動的檔距。

5）舞動在線監(jiān)測裝置宜安裝在曾經(jīng)發(fā)生舞動的區(qū)域，也可安裝在與冬季主導(dǎo)風向夾角大于45°或者檔距較大的線路，還可安裝在大跨越或易發(fā)生舞動的微地形、微氣象區(qū)的輸電線路。

6）桿塔傾斜在線監(jiān)測裝置宜安裝在采空區(qū)、沉降區(qū)，以及不良地質(zhì)區(qū)段如土質(zhì)松軟區(qū)、淤泥區(qū)、易滑坡區(qū)、風化巖山區(qū)或丘陵等。

7）微氣象在線監(jiān)測裝置宜安裝在大跨越、易覆冰區(qū)和強風區(qū)等特殊區(qū)域區(qū)段（高海拔地區(qū)的迎風山坡、埡口、風道、水面附近、積雪或覆冰時間較長的地區(qū)），也可安裝在因氣象因素導(dǎo)致故障 （如風偏、非同期搖擺、脫冰跳躍、舞動等）頻發(fā)的線路區(qū)段，還可在傳統(tǒng)氣象監(jiān)測盲區(qū)對于行政區(qū)域交界、人煙稀少區(qū)、高山大嶺區(qū)等無氣象監(jiān)測臺站的區(qū)域。

8）風偏在線監(jiān)測裝置宜安裝在易發(fā)生風偏放電的直線塔懸垂串或耐張塔跳線，也可安裝在常年基本與主導(dǎo)風向（大風條件下）垂直的檔距或常年風速過大的地區(qū)的線路，還可安裝在易對邊坡風偏放電的線路。

9）圖像／視頻在線監(jiān)測裝置宜安裝在外力破壞易發(fā)區(qū)（違章建房、開山炸石、吊車施工等外力破壞易發(fā)區(qū)域）、火災(zāi)易發(fā)區(qū)、易覆冰區(qū)、通道樹木（竹）易生長區(qū)、偏遠不易到達區(qū)和其他線路危險點、缺陷易發(fā)區(qū)段。

3 通信設(shè)計方案

3.1 通信方案比較

1）5.8G無線專網(wǎng)

優(yōu)點：工作頻率范圍：（5725～5850）MHz，設(shè)備可以在125MHz范圍內(nèi)自動選擇干凈的信道進行通信，避免干擾；傳輸距離遠，理想狀態(tài)點對多點可覆蓋25km，點對點可傳輸50km；可以作為光纖的延伸，最大限度減少OPGW的開口，減少施工困難；帶寬大，最大可提供200Mbps的帶寬，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型選擇合適帶寬的無線設(shè)備，節(jié)約成本；無線專網(wǎng)設(shè)備，得到中國電科院信息安全實驗室的安全認證，信息安全有保障；接口豐富，兼容性好，可以靈活組網(wǎng)，設(shè)備安裝較方便，對線路本體影響少。

缺點：受地形影響，需要提前對無線信號菲涅爾區(qū)進行仿真設(shè)計。

費用：系統(tǒng)可以通過變電站架設(shè)基站覆蓋桿塔，也可以供給OPGW開口將業(yè)務(wù)接入光纖。組網(wǎng)靈活，設(shè)備費用低。系統(tǒng)無需任何后期無線通訊費用。

2）光通信

優(yōu)點：光纖通信質(zhì)量高；帶寬可以得到充足保障，適合大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)；數(shù)據(jù)安全可以得到有效保障。

缺點：需要對OPGW光纜中若干芯進行斷開接續(xù)，施工和維護困難；如果視頻、通信節(jié)點距離OPGW光纜距離較遠時，無法直接接入，安裝依賴性較強；

費用：前期硬件投入相對較大，后期運維費用較少，無通信費用。

3）GPRS/3G

優(yōu)點：通訊設(shè)備安裝方便，對線路本體影響少；通訊測試方便，各設(shè)備間通訊情況較獨立；設(shè)備成本低。

缺點：GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方，信號難以傳輸?shù)胶蠖?；?shù)據(jù)經(jīng)公網(wǎng)傳輸，相對于專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性、時延相對較差；GRPS帶寬不能滿足視頻監(jiān)控傳輸需求；后期維護量大，且不斷產(chǎn)生通訊費用。

費用：前期硬件投入相對較小，后期運維較大，視頻通信持續(xù)產(chǎn)生較大通訊費用。

3.2 通信組網(wǎng)方式

1）基于OPGW電力專網(wǎng)的通信方案

線路OPGW光纜覆蓋條件好，且具備較多空余纖芯資源，利用OPGW光纖傳輸信息具有帶寬高、通道封閉、安全可靠等特點，可采用基于OPGW電力專網(wǎng)的通信方案。將OPGW光纜作為主要傳輸方式，為保證主干電路的可靠性，在OPGW不能破口的桿塔監(jiān)測點利用無線接入方式就近接入附近的光纖通信專網(wǎng)，最終利用主干通信電路傳至相關(guān)監(jiān)控中心。

2）基于無線公網(wǎng)的通信方案

因輸電線路OPGW光纖資源緊張而無法協(xié)調(diào)給線路在線監(jiān)測業(yè)務(wù)，或者因線路已投運開斷困難情況下，可考慮基于無線公網(wǎng)的通信傳輸方案。在線監(jiān)測裝置可通過無線公網(wǎng)GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳至輸變電在線監(jiān)測中心，并通過安全接入平臺接入系統(tǒng)。對于無線公網(wǎng)覆蓋不到或信號較差的地段可采用無線專網(wǎng)接力到信號好的地方再接入無線公網(wǎng)。利用無線公網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，在系統(tǒng)投運后，需要不斷向電信部門繳納大量通信費用。另外，線路監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)公網(wǎng)傳輸，相對于電力專網(wǎng)傳輸其安全性也較差。

3.3 優(yōu)選方案

綜上所述，對于特高壓輸電線路OPGW光纜覆蓋條件好，且具備較多空余纖芯資源，采用“光纖通信為主，無線通信為輔”的通信方案具有很大的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段新建的特高壓線路，基本都預(yù)留了充足的光纜資源，采用“光纖通信為主，無線通信為輔”的通信方案還可大大提高光纜的利用率。

在有OPGW光纜接續(xù)盒的塔上安裝塔上一體化通信設(shè)備。在沒有光纜接續(xù)盒的監(jiān)測塔上安裝無線終端，利用無線方式將數(shù)據(jù)傳送至附近一體化通信設(shè)備。一體化通信終端利用沿線OPGW光纜逐跳傳輸線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)最終直接通過光纜或利用無線方式引入變電站，利用變電站內(nèi)已有SDH光傳輸鏈路將線路監(jiān)測信息送至調(diào)控中心的監(jiān)測系統(tǒng)主站。如圖1所示。

圖1 通信組網(wǎng)方案示意圖

1）數(shù)據(jù)集中

在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)接入與集中由一體化通信裝置來實現(xiàn)，一體化通信裝置內(nèi)置各種通信模塊，具有無線微功率窄帶、無線寬帶接入能力，并提供多種有線通信接口。線路在線監(jiān)測裝置（CMD）采集輸電線路實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過微功耗無線通信方式或有線通信方式（RJ45、RS485）將數(shù)據(jù)集中至一體化通信裝置。

2）數(shù)據(jù)遠傳

利用光纖方式，共占用4根光纖（有2根作為備用）作為傳輸通道，采用一體化通信裝置內(nèi)的光傳輸設(shè)備將匯集后的數(shù)據(jù)發(fā)送至下一個一體化通信裝置內(nèi)，逐段將數(shù)據(jù)傳輸至變電站內(nèi)SDH設(shè)備。利用SDH鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。

4 結(jié)束語

近年來特高壓輸電線路發(fā)展極為迅速，投運線路規(guī)模大幅增加，造成巡視、檢修工作量增加，而現(xiàn)有的運行維護方式已經(jīng)不能滿足這一需求，因此實施科學的運行維護策略—輸電線路在線監(jiān)測勢在必行。本文就在線監(jiān)測和線路運維現(xiàn)狀進行了論述，對常用的在線監(jiān)測裝置及布置原則進行了分析，對比了5.8G無線專網(wǎng)、光通信和GPRS/3G 3種通信方式的優(yōu)缺點。最后，經(jīng)比較，采用“光纖通信為主，無線通信為輔”的通信方案具有較大的優(yōu)勢，在廣泛推廣特高壓線路在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用上具有一定的意義。

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