仝杰 ，劉艷麗 ，楊德龍 ，雒宏禮 ，王歡

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；3.千江（上海）信息科技有限公司，上海 200051）

5.8 GHz光纖融合通信在輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

仝杰1，劉艷麗2，楊德龍1，雒宏禮3，王歡3

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；3.千江（上海）信息科技有限公司，上海 200051）

目前輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)大多采用2G/3G無線公網(wǎng)進行通信，但大山深處2G/3G信號較弱或無信號，使得通信時斷時續(xù)或直接中斷，導(dǎo)致采集到的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)難以可靠地傳輸?shù)街髡?，或者?dāng)有高清視頻需求時，2G/3G無法滿足這種高帶寬要求。針對該問題，提出2G/3G+5.8 GHz或OPGW+5.8 GHz融合通信模式，將信號自動切換到5.8 GHz通信模式，在主干線路與光纖復(fù)合架空地線（OPGW）融合后傳回主站。在光纖融合通信基礎(chǔ)上設(shè)計了輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)及工作流程，最后給出了應(yīng)用實例和未來發(fā)展前景。

輸電線路監(jiān)測；2G/3G通信；5.8 GHz通信；OPGW；融合通信；切換流程

1 引言

我國的輸電網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣闊、地理環(huán)境復(fù)雜，對于輸電線路監(jiān)測而言，尤其是輸電線路途經(jīng)山區(qū)，跨越江河、湖泊，穿越無人區(qū)等情況下，監(jiān)測數(shù)據(jù)通常采用2G/3G進行傳輸[1]，但信號弱甚至無信號，容易形成盲區(qū)。而在該區(qū)域5.8 GHz頻段較干凈，受雨衰影響不大，配合定向天線，適合遠距離傳輸，因此采用2G/3G+5.8 GHz相融合的通信方式可以有效地解決上述問題[2]。

輸電線路主要有光纖覆蓋線路和無光纖覆蓋線路，其運行環(huán)境復(fù)雜且多變。目前大部分線路上都鋪設(shè)了光纖復(fù)合架空地線 （optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）或全介質(zhì)自承式光纜（all-dielectric self-supporting optical cable，ADSS），其可靠性好、抗干擾能力強等特點，使得光纖傳輸?shù)玫綇V泛應(yīng)用。但并不是每一個桿塔上都可以接入光纖，光纖接入點每隔3～5 km才有1個。光纖覆蓋且有光纖接入點的桿塔，可采用無線+OPGW通信；光纖覆蓋但無光纖接入點的桿塔或無光纖覆蓋的線路上，須借助無線方式通信。

由此可見，將2G/3G和5.8 GHz無線通信相結(jié)合，或在無線覆蓋盲區(qū)將5.8 GHz和OPGW相結(jié)合，最終在主干線路與OPGW融合后傳回主站是輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的一個很好的通信方案。

2 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)概述

2.1 輸電監(jiān)測系統(tǒng)模型

近幾年，國家電網(wǎng)公司加大推行從“定期巡檢”到“狀態(tài)檢修”的轉(zhuǎn)變，加強對輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測，在災(zāi)害發(fā)生前進行及時的預(yù)警和處理，以提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。我國的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)主要對導(dǎo)線覆冰、導(dǎo)線微風(fēng)振動、絕緣子串風(fēng)偏（傾斜）、桿塔傾斜、絕緣子污穢、氣象監(jiān)測（微氣象環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照輻射強度）等進行監(jiān)測。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)模型如圖1所示。

通信包含兩部分：第一部分是本地融合通信，也稱現(xiàn)場融合通信，是指各類傳感器與子站系統(tǒng)間的通信，其中，傳感器安裝在桿塔或?qū)Ь€上。傳感器節(jié)點采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi、WiMAX等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶诱鞠到y(tǒng)，子站系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)存儲和處理。第二部分是遠程融合通信，指桿塔子站系統(tǒng)與主站系統(tǒng)的較遠距離的通信，其中，子站系統(tǒng)包括狀態(tài)監(jiān)測裝置及狀態(tài)監(jiān)測代理，安裝在桿塔上。子站系統(tǒng)以GPRS公網(wǎng)或電力專網(wǎng)的形式，把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到主站。主站系統(tǒng)存儲并處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，為輸電線路的運維提供參考。

2.2 輸電線路監(jiān)測通信方式現(xiàn)狀

圖1 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

安全可靠的通信方式是輸電線路的關(guān)鍵。目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，主要采用光纖EPON、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、無線Wi-Fi技術(shù)和公網(wǎng)技術(shù)。本文對當(dāng)前主流的輸電監(jiān)測通信方式，包括光纖通信方式、無線公網(wǎng)方式（2G/3G）、5.8 GHz無線專網(wǎng)通信方式進行技術(shù)比較和分析，見表1。

通過比較知道，3種通信方式各有利弊：2G/3G無線公網(wǎng)技術(shù)成熟、建設(shè)成本低，缺點是通信性能和數(shù)據(jù)安全性差，部分邊遠地區(qū)存在覆蓋面問題[4]；而邊遠地區(qū)的5.8 GHz頻段較干凈，配合定向天線，能實現(xiàn)遠距離、大容量傳輸，但靠近城區(qū)時易受干擾；光纖方式抗干擾、實時性好、安全性高，但是不可頻繁將OPGW光纜開口。因此，揚長避短，在已有的2G/3G輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中，如存在信號弱或信號不穩(wěn)定的問題，或者有高清視頻需求時，引入5.8 GHz，將2G/3G和5.8 GHz相融合。視頻的需求通常是“間歇性”的，而且限于桿塔上電池供電系統(tǒng)的容量，視頻和5.8 GHz通信設(shè)備處于“用時開閑時關(guān)”的狀態(tài)，只在有高清視頻需要時才打開5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)2G/3G不能穩(wěn)定提供服務(wù)時，也會切換到5.8 GHz。這種低帶寬業(yè)務(wù)使用2G/3G，高帶寬業(yè)務(wù)使用5.8 GHz，同時5.8 GHz作為2G/3G備用通道的融合模式，既保護了已有的投資，又提高了較低供電能力下各種業(yè)務(wù)運行的可靠性。在新建輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)中，如有高帶寬業(yè)務(wù)的需求，可以將OPGW與5.8 GHz通信相結(jié)合，既充分利用了光纖通信強大的優(yōu)點，又解決了沒有光纖接入點和2G/3G通信盲區(qū)的問題，并且滿足所有高清視頻的帶寬要求。

表1 輸電監(jiān)測通信方式比較

4G時代的到來，為人們帶來了相對于2G/3G網(wǎng)絡(luò)通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、智能性更高、頻率使用效率更高的通信技術(shù)，將4G技術(shù)應(yīng)用到輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)尤其是高清視頻監(jiān)控中，達到提升輸電線路巡視效率的目的，更有效地維護電力的穩(wěn)定、安全和連續(xù)，也已經(jīng)成為一種可行的技術(shù)手段。但4G無線通信網(wǎng)絡(luò)還存在很多問題，如網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，輸電線路尤其是國家特高壓輸電線路途經(jīng)的高山、森林、沙漠等地區(qū)，在未來很長時間內(nèi)，為普通公眾提供服務(wù)的運營商都不會建立有效的覆蓋；如何保證樓區(qū)、山區(qū)及其他有障礙物等易受影響地區(qū)的信號強度等問題；且后期流量費較高，同時市場一時難以消化，設(shè)施難以更新?？偟膩碚f，4G通信可以局部、有條件地應(yīng)用于輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)。同理，未來的5G在輸電線路監(jiān)測方面可能面臨比4G更大的問題。

3 基于5.8 GHz的光纖融合通信方案設(shè)計

圖2為基于5.8 GHz光纖融合通信的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器、本地通信（也稱現(xiàn)場通信）、狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備 （condition monitoring device，CMD）、狀態(tài)監(jiān)測代理（condition monitoring agent，CMA）、基于 5.8 GHz的光纖融合通信網(wǎng)絡(luò)和主站組成。系統(tǒng)前端是若干部署在高壓塔或輸電線路上的采集設(shè)備或傳感器，CMD（通常安裝在高壓塔上）內(nèi)置采集模塊和本地融合通信模塊，通過本地融合通信方式和傳感器進行通信，即狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備發(fā)送（下行）采集命令，采集命令通過本地融合通信方式傳給傳感器，傳感器接到命令后將狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過本地融合通信方式上傳給狀態(tài)監(jiān)測代理，從而完成輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。傳感器也可通過本地融合通信方式按周期、定時、主動上傳狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 本地融合（現(xiàn)場融合）通信

對于桿塔監(jiān)測現(xiàn)場通信而言，采用本地融合通信，需要將現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如桿塔傾斜、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線舞動、導(dǎo)線溫度、微風(fēng)振動等數(shù)據(jù)，經(jīng)CMD可靠地傳輸?shù)紺MA。尤其是在CMD與各檢測傳感器之間采用融合通信提高可靠性，本地融合通信如圖3所示。不僅可以進行無線融合，也可進行有線融合，甚至有線—無線混合融合。其中無線融合包括藍牙（bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi等；有線融合包括RJ45、同軸（EOC）、RS232/RS485等。將監(jiān)測數(shù)據(jù)以融合通信方式傳送給CMD，并進行預(yù)處理，多個CMD的數(shù)據(jù)匯集到CMA，并進行數(shù)據(jù)標準化處理，做好遠程傳送數(shù)據(jù)的準備。

3.2 狀態(tài)監(jiān)測代理與主站間遠程融合通信

如圖4所示，遠程融合通信是連接CMD、CMA和網(wǎng)省、總部主站的橋梁。傳感器完成狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集后，首先以現(xiàn)場通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺MD，隨后CMD將數(shù)據(jù)上傳到CMA，在CMA中匯聚并進行智能化處理，然后通過遠程融合通信方式，直接接入狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機（condition information acquisition gateway，CAG），CAG 布置在主站側(cè)，可完成圖像或視頻等信息的接入。

圖2 基于5.8 GHz融合通信的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 本地融合通信模塊

圖4 遠程融合通信模塊

基于5.8 GHz的光纖融合通信，完成主站系統(tǒng)與輸電線路CMA之間的心跳交互、數(shù)據(jù)交互、讀配置交互、寫配置交互、控制交互和遠程更新等交互過程[3]。當(dāng)前主要采用2G/3G無線通信實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸（上行）或者主站命令的下達（下行），當(dāng)監(jiān)測設(shè)備處于大山深處信號弱區(qū)或信號盲區(qū)時，監(jiān)測數(shù)據(jù)很難正常傳送到主站，因此采用融合通信方式是一個很好的選擇。基于5.8 GHz做融合，如圖2所示，在CMA內(nèi)置遠程通信融合模塊。遠程通信融合模塊如圖 4所示。將 GSM或 GPRS、WCDMA或cdma2000或TD-SCDMA、FDD-LTE或TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，有效地連接、融合起來，則可以讓來自CMA的監(jiān)測數(shù)據(jù)保持暢通，順利到達主站；利用部署在輸電線路上的OPGW，將5.8 GHz和OPGW有效連接、融合，將數(shù)據(jù)接入變電站，再通過已建 SDH（synchronous digital hierarchy，同步數(shù)字體系）網(wǎng)絡(luò)接入主站服務(wù)器。

基于5.8 GHz構(gòu)建光纖融合通信監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能充分利用OPGW，兼具地線和融合通信的功能。由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕、較高的可靠性、優(yōu)越的機械性能等顯著特點，這種技術(shù)在新敷設(shè)或更換現(xiàn)有地線時尤其適合和經(jīng)濟[5]。對于無OPGW敷設(shè)線路，采用5.8 GHz無線進行接續(xù)，由于5.8 GHz屬于電力專網(wǎng)，既保證了高帶寬，又保障了網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3 數(shù)據(jù)采集與通信切換

對于輸電監(jiān)測而言，一個典型通信場景如下：首先由主站系統(tǒng)下達采集命令，該命令首先由OPGW光纖傳輸，接著由2G/3G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸；2G/3G信號切換模塊會對信號進行實時監(jiān)測，一旦該信號小于信號強度門限值（一般門限設(shè)置范圍為-100～-90 dBm），同時持續(xù)時間大于30 s（一般時間設(shè)置范圍為6～100 s），便主動給主站發(fā)送一個通道告警信息，主站下發(fā)命令將信道轉(zhuǎn)換到5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)；通過5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)將采集命令傳輸?shù)紺MA，CMA將命令傳給CMD，CMD通過本地通信網(wǎng)絡(luò)將采集命令傳給相應(yīng)的輸電線路狀態(tài)檢測傳感器；傳感器將輸電線路當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)本地通信網(wǎng)絡(luò)回傳給CMD，CMD收到數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)傳給CMA，CMA收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行標準化處理，通過5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，最終經(jīng)OPGW傳回主站。當(dāng)信號恢復(fù)正常時，又切換回2G/3G網(wǎng)絡(luò)進行傳送。采集與通信切換流程如圖5所示。

3.4 融合通信安全模塊

圖5 輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與通信切換流程

融合通信安全模塊采用國家密碼管理局認可的SM1加密芯片，接口為ISO 7816-3和USB兩種[6]。融合通信安全模塊采用對稱SM1算法，對數(shù)據(jù)的加密和解密，采用非對稱RSA算法在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)身份認證和數(shù)據(jù)簽名。CMA、CAC（condition acquisition controller，狀態(tài)接入控制器）應(yīng)采用融合通信安全模塊來實現(xiàn)和安全接入平臺采集接入網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)層的身份認證和數(shù)據(jù)加解密，保證數(shù)據(jù)在無線或有線網(wǎng)絡(luò)中的安全可靠傳輸。

4 應(yīng)用實例及驗證

為確保本文設(shè)計的融合通信網(wǎng)絡(luò)的可行性，采用5.8 GHz+2G/3G、5.8 GHz+OPGW融合通信方式，實現(xiàn)220 kV青利線等輸電線路監(jiān)測，其中，5.8 GHz采用點到多點或點到點拓撲方式。當(dāng)2G/3G信號差時，自動切換為5.8 GHz。若監(jiān)測節(jié)點之間的距離較?。?0 km以內(nèi)），則選用無線點到多點方式；如果監(jiān)測點間距太大（50 km以內(nèi)），應(yīng)先實際勘測間距和海拔高度，然后進行成本預(yù)算、地理分析、鏈路仿真等，確定最理想的匯聚節(jié)點并將數(shù)據(jù)全部匯聚，最后以光纖傳輸方式傳送到變電站。

候橋330 kV變電站所覆蓋的220 kV坡恩線、青坡線等輸電線路監(jiān)測的監(jiān)測節(jié)點有青坡線17#、青坡線51#、青利線55#、坡恩線78#等共計8級桿塔。青利線55#到候橋變采用OPGW光纜傳輸；青坡線17#和銅候I回20#到青利線55#采用5.8 GHz傳輸；青坡線51#和青坡線55#到候橋變采用2G/3G+5.8 GHz的傳輸方式；坡恩線72#、坡恩線75#和坡恩線78#到候橋變采用5.8 GHz的傳輸方式。候橋330 kV變電站到青坡線51#、青利線55#到青坡線17#鏈路狀況的仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7中陰影部分（上）表示兩個桿塔之間無線設(shè)備的模擬菲尼爾區(qū)，從圖7可以看出，菲尼爾區(qū)完全正常，沒有任何的破壞；陰影部分（下）表示山體或其他遮擋物，直線表示兩個桿塔的5.8 GHz無線設(shè)備到最高點的距離。

圖8中陰影部分（上）表示兩個桿塔之間無線設(shè)備的模擬菲尼爾區(qū)，從圖8可以看出，菲尼爾區(qū)完全正常，沒有任何的破壞；陰影部分（下）表示山體或其他遮擋物，直線表示兩個桿塔的5.8 GHz無線設(shè)備到最高點的距離。

圖6 候橋330 kV變電站接入節(jié)點無線組網(wǎng)軟件拓撲

圖7 候橋330 kV變電站到青坡線51#鏈路的仿真

坡恩線72#、坡恩線75#和坡恩線78#這三級桿塔的移動網(wǎng)絡(luò)信號非常差，所以采用5.8 GHz直接和候橋330 kV變電站建立通信，且離變電站距離不遠，最遠的坡恩線78#桿塔離候橋變電站3.8 km左右，模擬仿真結(jié)果基本一樣。青坡線51#和青坡線55#兩級桿塔的移動網(wǎng)絡(luò)信號相對好一點，但特殊情況下會突破門限值，導(dǎo)致視頻不穩(wěn)定，所以在青坡線51#和青坡線55#兩級桿塔同時鋪設(shè)5.8 GHz無線設(shè)備，當(dāng)移動網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定時，自動切換到5.8 GHz回傳數(shù)據(jù)。從圖7可以看出，候橋330 kV變電站到青坡線51#桿塔之間5.8 GHz無線鏈路信號質(zhì)量良好，完全滿足視頻數(shù)據(jù)傳輸。青利線55#桿塔鋪設(shè)有OPGW光纜，且OPGW光纜到候橋變鏈路已經(jīng)建立，青坡線17#和銅候I回20#直接回候橋變，通過模擬發(fā)現(xiàn)鏈路中間存在阻擋，無線鏈路無法建立。通過圖8模擬發(fā)現(xiàn)青利線55#到青坡線17#5.8 GHz無線鏈路質(zhì)量良好，所以設(shè)計為青坡線17#和銅候I回20#桿塔采用5.8 GHz將數(shù)據(jù)回傳至青利線55#桿塔，再通過青利線55#桿塔的OPGW光纜將數(shù)據(jù)回傳至候橋變。其他沒有仿真的監(jiān)測節(jié)點經(jīng)過仿真及實際測試也可以連通。試驗表明切換流暢。

圖8 青利線55#到青坡線17#鏈路的仿真

5 結(jié)束語

本文提出了采用5.8 GHz和多網(wǎng)融合[7]（如5.8 GHz+2G/3G融合[8]、5.8 GHz+OPGW融合）的通信模式，在2G/3G信號較弱時，設(shè)計了自動切換模塊，將信號切換到5.8 GHz工作模式，最終通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳回主站，確保了傳輸?shù)目煽啃?。該方法有效避免了特殊地區(qū)（如偏遠地區(qū)、環(huán)境惡劣地區(qū)）公網(wǎng)信號差而造成監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸不可靠問題，可以實時監(jiān)控線路狀態(tài)及周圍環(huán)境變化，實現(xiàn)輸電線路安全預(yù)警和輔助決策[9]。本文的設(shè)計有利于推動智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的發(fā)展，有很好的應(yīng)用前景。

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Application of 5.8 GHz optical fiber converged communication in transmission line monitoring system

TONG Jie1,LIU Yanli2,YANG Delong1,LUO Hongli3,WANG Huan3
1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China 2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China 3.Qianjiang(Shanghai)Science and Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200051,China

When in the depths of the mountains,2G/3G signal is weak or don’t exist,or when the high definition video is needed,2G/3G couldn’t meet requirements of such high bandwidth,so that communication is intermittent or interrupt,resulting in the condition monitoring data is difficult to transmit reliably to the master station.To solve this problem,2G/3G+5.8 GHz or 5.8 GHz+OPGW converged communication mode was proposed,the signal could be switched automatically to the 5.8 GHz communication mode,and transmits back to the master station after converging the main line and OPGW.Based on the optical fiber converged communication,the transmission line monitoring system and work flow were designed and the application example and the future development prospect were given finally.

transmission line monitoring,2G/3G communication,5.8 GHz communication,OPGW,converged communication,switching process

s： The Science and Technology Project of State Grid Headquarters “Key Technology Research and Application of Quality Improvement in Transmission Line Online Monitoring Device”(No.GC71-15-040)，The Project of National Development and Reform Commission“The Research and Industrialization of Optical Fiber Sensing for the Internet of Things and Short-Range Wireless Communication New Technology in Smart Grid”(High Technology of National Development and Reform Commission[2012]2766)

TN915.853

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016201

2016-01-21；

2016-07-13

劉艷麗，18811313711@163.com

國家電網(wǎng)總部科技項目“輸電線路在線監(jiān)測裝置質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”（No.GC71-15-040）；國家發(fā)展和改革委員會項目“面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感與中短距無線通信新技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（發(fā)改辦高技〔2012〕2766號）

仝 杰 （1983-），男 ，博 士 ，中 國 電 力 科 學(xué) 研究院高級工程師，主要研究方向為電力物聯(lián)網(wǎng)、電力無線通信和能源互聯(lián)網(wǎng)。

劉艷麗（1990-），女，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院碩士生，主要研究方向為電力無線通信。

楊德龍（1989-），男，中國電力科學(xué)研究院工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)通信。

雒宏禮（1975-），男，千江（上海）信息科技有限公司技術(shù)總工程師，主要研究方向為通信與數(shù)據(jù)分析、輸電線路無線通信專網(wǎng)。

王歡（1989-），女，千江（上海）信息科技有限公司工程師，主要研究方向為輸電線路無線通信專網(wǎng)。