李桂香， 吳元保

(武漢大學(xué) a. 計算機學(xué)院；b. 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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無線通信網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測平臺的研究

李桂香a， 吳元保b

(武漢大學(xué) a. 計算機學(xué)院；b. 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)具有了強有力的通信網(wǎng)絡(luò)平臺的支持，特別是由于輸電線路分布范圍廣泛，其許多電氣參數(shù)受不同地域、不同污染、不同氣候的影響而具有不同的特征，僅靠人工巡視觀察已遠遠不能適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，因此提出了分布式輸電線路監(jiān)測平臺，對于監(jiān)測點分散的輸電線路，設(shè)計了利用3G無線通信平臺能較好地解決其監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸問題，而對于監(jiān)測點較集中的輸電線路，則設(shè)計了利用無線自組網(wǎng)的通信平臺來實現(xiàn)監(jiān)測輸電線路的實時運行狀態(tài)，以便管理人員能及時獲得監(jiān)測信息而快速決策，從而利用無線通信及組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了輸電線路的實時監(jiān)測來滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需要。

智能電網(wǎng)； 無線通信網(wǎng)絡(luò)； 監(jiān)測平臺

0 引 言

隨著無線通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)就有了強有力的通信網(wǎng)絡(luò)平臺支持，特別是由于輸電線路的廣泛分布和地理位置的特殊，在有線網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)其實時監(jiān)測和管理，存在著經(jīng)濟、技術(shù)和實施上的困難，加上輸電線路監(jiān)測點的地理位置分散、不同的環(huán)境和氣候等因素的影響不同，實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)僅靠人工巡視和收集是遠遠不能滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需要[1-3]，為了解決這些問題，本文采用無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計智能電網(wǎng)的監(jiān)測平臺，能較好地應(yīng)用于當前多處輸電線路的實時監(jiān)測。

1 輸電線路監(jiān)測平臺的設(shè)計

1.1 基于3G的監(jiān)測平臺

由于第三代移動無線網(wǎng)(3G)已得到了廣泛的研究和應(yīng)用，特別是1998年1月在歐洲電信標準委員會(ETSI)中，WCDMA被選中作為FDD頻段的個人移動通信系統(tǒng)(UMTS)陸地空中接口方案[4]，寬帶CDMA迅速得到全球GSM(2G)運營者的支持，從而3G通信寬帶CDMA系統(tǒng)得到了快速的應(yīng)用，特別是在我國更是發(fā)展迅速，目前已基本上覆蓋了廣大的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村和邊遠的山區(qū)，而WCDMA具有5 MHz或更寬的帶寬，恰好能滿足輸電線路所處的地理位置分布及監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葢?yīng)用要求，這就給輸電線路的監(jiān)測平臺提供了應(yīng)用發(fā)展機遇，隨著4G無線網(wǎng)的不斷研究和應(yīng)用，其應(yīng)用前景將是更加廣闊[5-9]。

圖1是一個基于3G的高壓輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，該系統(tǒng)具有3部分：

(1)前端監(jiān)測和通信系統(tǒng)。主要完成輸電線路各類電氣參數(shù)，如絕緣子閃絡(luò)及環(huán)境如輸電桿塔下的非法作業(yè)、氣候如線路覆冰、導(dǎo)線舞動等監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲如報警數(shù)據(jù)、定時數(shù)據(jù)等及3G系統(tǒng)的撥號接入和本系統(tǒng)服務(wù)器的接入及數(shù)據(jù)通信和安全防范等功能。

(2)服務(wù)器系統(tǒng)。一般可設(shè)置接入服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、域名解析及瀏覽服務(wù)器等由一臺或多臺服務(wù)器承擔。主要完成前端系統(tǒng)的接入和后臺監(jiān)視系統(tǒng)的接入，各類數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)、瀏覽等功能。

(3)后臺監(jiān)視系統(tǒng)。主要完成各類數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視和查詢(包括實時圖像的監(jiān)視、錄像的查詢和播放、歷史數(shù)據(jù)的查詢和實時數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)和事故的分析等)功能。

圖1 基于3G的高壓輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)平臺

該平臺系統(tǒng)的優(yōu)點是電力系統(tǒng)不用組建自己通信網(wǎng)絡(luò)，而采用電信或聯(lián)通、移動等因特網(wǎng)運營商的公用網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)建設(shè)方便、快捷、建設(shè)成本較低，并能滿足智能電網(wǎng)監(jiān)測的通信和環(huán)境要求。缺點是需要付費，才能得到應(yīng)有的服務(wù)，運行成本較高，并要求具有相應(yīng)的安全運行措施，廣泛適用于高壓輸電線路監(jiān)測點較分散且不是太多的情況下。

1.2 基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測平臺

目前無線自組織網(wǎng)絡(luò)MANET得到了廣泛的應(yīng)用和研究，該網(wǎng)絡(luò)突破了無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)地理上的局限性，能夠快捷、高效地進行部署，其媒體接入控制(MAC)協(xié)議是無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要組成部分，該網(wǎng)絡(luò)可由幾十到上百個節(jié)點組成，是采用無線通信方式的、動態(tài)組網(wǎng)的、多跳轉(zhuǎn)發(fā)(Multi-hop Distributed)的、移動性對等的網(wǎng)絡(luò)[10-12]，當前的無線自組網(wǎng)設(shè)備主要工作于2.4、5 GHz附近的多頻率通道中，采用IEEE開發(fā)的802.11 a/b/g/n等多種數(shù)據(jù)通信標準，以滿足不同通信通道和數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)囊?。因此，該無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較適合單條輸電線路或較集中分布的的多條輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸[13-15]。

圖2是一個基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，無線設(shè)備采用EnGenius Technologies, Inc. ENH700EXT和室外11N系列產(chǎn)品ENH500等進行骨干網(wǎng)的組網(wǎng)，傳輸速率最大可達300 Mb/s,其余各前端及匯集點則可采用室外CPE系列如EOC1650等進行分支組網(wǎng)，速率最大可達54 Mb/s。該系統(tǒng)不需要上公共通信網(wǎng)和因特網(wǎng)，只是內(nèi)部組網(wǎng)，因此安全性可以得到保障，僅采用自組網(wǎng)設(shè)備本身提供的加密設(shè)置和硬件隔離就可以了，其他系統(tǒng)部分與圖1中方案類似，也由3部分組成，分別是前端監(jiān)測和通信系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)和后臺監(jiān)視系統(tǒng)。

圖2 基于無線自組網(wǎng)的高壓輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)平臺

其中站內(nèi)鐵塔采用千兆交換機和光纖接入站內(nèi)服務(wù)器和局域網(wǎng)，其余各鐵塔上采用百兆交換機和前端監(jiān)測設(shè)備及無線通信設(shè)備構(gòu)造百兆交換接入，站內(nèi)和局內(nèi)局域網(wǎng)采用光纖通信，鐵塔之間的無線通信則采用以300 Mb/s、5 GHz作為骨干無線通信通道和54 Mb/s、2.4 GHz作為分支無線通信通道進行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)通過服務(wù)器系統(tǒng)采用雙網(wǎng)卡隔離和通信，從而依據(jù)實際應(yīng)用情況構(gòu)成無線自組織網(wǎng)絡(luò)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)平臺。

該平臺系統(tǒng)的優(yōu)點是通過無線自組網(wǎng)的形式，能夠快速、高效地進行部署，不受制于公用無線通信網(wǎng)絡(luò)在地理位置覆蓋上限制，也不需要支付高額的通信費用，便于進行實時通信的各項監(jiān)測功能的完成。缺點是自組網(wǎng)絡(luò)的通信距離較近，要有光纖接入點如變電站等，帶寬分配和網(wǎng)絡(luò)控制存在著一定的困難。因此該平臺系統(tǒng)適合于單條線路或集中的多條線路大范圍監(jiān)測點的數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸如輸電非常重要的整條線路的絕緣子閃絡(luò)的實時監(jiān)視等。

2 輸電線路監(jiān)測平臺中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高壓鐵塔上監(jiān)測及通信設(shè)備的電源

由于監(jiān)測設(shè)備和通信設(shè)備主要采用低壓直流電源，通常有5 V/12 V/24 V/48 V等幾種直流電壓供電，對于站內(nèi)鐵塔可從站內(nèi)取電，然后通過交流220 V轉(zhuǎn)換成各設(shè)備需要的低壓直流電，因此選擇該塔上的設(shè)備時可不受供電的限制。對于其他鐵塔則要考慮設(shè)備受供電方式的限制，通常供電方式有如下幾種選擇：

①直接從高壓輸電線路上感應(yīng)取電。這種方式需要所有產(chǎn)品(包括各設(shè)備、取電及電源轉(zhuǎn)換模塊等)都集成并脫離鐵塔直接掛裝在導(dǎo)線上，給設(shè)備安裝、調(diào)試和維護帶來了很大的困難，安裝、調(diào)試和維護時都需要停電作業(yè)，同時線路停電時設(shè)備不能工作，設(shè)備還隨導(dǎo)線舞動，因此要考慮導(dǎo)線的磨損、設(shè)備的重量及外形等，優(yōu)點是電源成本較低。這種取電方式除進行導(dǎo)線本體監(jiān)測外較少使用。

②采用蓄電池和太陽能(或附加風電)供電。這種方式要考慮所有設(shè)備的平均和最大工作功率(平均和最大工作電流),要求在無充電情況下的工作時間天數(shù)等，以便選擇合適的蓄電池類型(如鋰電池或鎳氫電池等)和蓄電池的容量(最大電壓和最大放電電流及安時等)及太陽能板和風機的類型、最大充電電壓和電流和額度功率及充放電控制和電源轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓等，同時還要考慮氣侯對電源的影響。不同氣候的地方要考慮太陽能和風能的搭配。在電源控制方面，當工作電壓低于不能正常供電的時候要切斷負載，當達到供電水平且稍高的時候啟動供電，蓄電池何時充電何時切斷充電及太陽能、風能和蓄電池供、充、放電等等控制都需要詳細考慮，并提供遠程監(jiān)測和控制功能。同時還要考慮各供用電設(shè)備(包括監(jiān)測設(shè)備、通信設(shè)備、蓄電池、太陽能板或風機、電源充放電控制及電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊等)安裝位置的合理搭配，以便更高效地、更合理地使用電源，還應(yīng)考慮蓄電池的生命周期，以便及時更換等。該供電方式電源設(shè)備的一次投入費用較高，且受天氣的影響較大，同時控制較復(fù)雜，但最大的優(yōu)點是供電的可控性和自恢復(fù)性及可操作性好。

2.2 高壓鐵塔上監(jiān)測及通信設(shè)備的防雷

首先是設(shè)備安裝時位置不高于鐵塔的避雷線，其次是借助通信設(shè)備的避雷器，將所有設(shè)備的外殼與此相連并通過鐵塔接地即可達到防雷的效果。

2.3 壓輸電線路監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)接入

圖1方案中，各監(jiān)測設(shè)備通過網(wǎng)線與塔上100M/5端口的小交換機接入，而3G通信設(shè)備采用通用的3G撥號設(shè)備，其局域網(wǎng)網(wǎng)口與小交換機相連，3G撥號通過公網(wǎng)、因特網(wǎng)與系統(tǒng)服務(wù)器接入進行無線通信，傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，后臺訪問時通過服務(wù)器訪問前端系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如需要實時訪問前端，則在3G通信設(shè)備中應(yīng)配置前端各監(jiān)測設(shè)備的IP和端口映射及域名解析服務(wù)器需對各監(jiān)測設(shè)備的域名進行解析，以便通過域名進行IP和端口的轉(zhuǎn)換，達到實時訪問的目的。

圖2方案中所有前端設(shè)備和服務(wù)器均處于同一局域網(wǎng)中，前端系統(tǒng)的各監(jiān)測設(shè)備及電源控制和無線設(shè)備均通過塔上100 M小交換機接入，而站內(nèi)鐵塔上各設(shè)備可采用1 000 M交換機接入，并通過光纖與站內(nèi)或局內(nèi)交換機和服務(wù)器相連，組成鐵塔輸電線路監(jiān)測局域網(wǎng)，而通過服務(wù)器的另一網(wǎng)卡與局內(nèi)局域網(wǎng)相連，這樣后臺訪問時可通過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)實時訪問前端系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

圖1平臺現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用在多個供電公司，如云南楚雄、湖南張家界、安徽宿州等供電公司的高壓鐵塔輸電線路的防破監(jiān)測工程中，已取得了較好的應(yīng)用效果，得到了使用單位的認可。

圖2平臺也已經(jīng)在多個供電公司如山西陽泉陽煤供電、安徽滁州供電公司等高壓鐵塔輸電線路的絕緣子閃絡(luò)監(jiān)視和防破監(jiān)測工程中，取得了應(yīng)有的效果。圖3為絕緣子汚閃過程監(jiān)視圖。

(a)汚閃開始(b)汚閃擴大

圖3 絕緣子汚閃過程監(jiān)視圖

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Study on the Power Transmission Line Monitoring Platform Based on Wireless Communication Network

LIGui-xianga，WUYuan-baob

(a. School of Computer; b. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The development and application of wireless communication network technology give a strong platform for the smart grid study and development. Especially, the power transmission line is distributed widely, it holds many electrical parameters and these parameters vary with different regions, different pollution, different climate and other factors. The artificial observation of these influences is difficult, and it is not adaptable to demand of the smart grid development. Therefore, this paper proposes a distributed real-time monitoring platform for the transmission line based on the wireless communication network, designs a 3G wireless communication network platform and an MANET (Mobile Ad Hoc Network) communication platform to solve data communication problem. The design can solve the problem of real-time monitoring for widely distributed power transmission line system.

smart grid; wireless communication network; monitoring platform

2015-12-14

李桂香(1963-)，女，河南漯河人，碩士，高級實驗師，研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)、計算機應(yīng)用。

Tel.:15927562037；E-mail: li-gui-xiang@163.com

TP 393

A

1006-7167(2016)08-0082-03