何寧輝，李秀廣，亓亮，周秀，張佩，沙偉燕

輸電通道光纖環(huán)網(wǎng)通信難點及其應(yīng)用

何寧輝，李秀廣，亓亮，周秀，張佩，沙偉燕

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750000）

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)輸電線路通道可視化全覆蓋運維管理是必然趨勢，但傳統(tǒng)4G數(shù)據(jù)傳輸方式無法滿足高清視頻等大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。提出了光纖環(huán)網(wǎng)通信方案，其具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大、保密性高、通信成本低等特點，能夠為在線監(jiān)測裝置提供安全、智能、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)傳輸通道。在無人機(jī)巡檢、應(yīng)急指揮救援等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。

輸電線路；在線監(jiān)測；光纖環(huán)網(wǎng)；泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

隨著輸電線路電壓等級不斷提高，電網(wǎng)的分布越來越廣，輸電線路遭遇外力破壞、覆冰、山火等事故不斷發(fā)生，輸電線路的巡視維護(hù)工作量越來越大，應(yīng)用輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是提高線路運行水平的必然趨勢。

但由于在線監(jiān)測裝置發(fā)展時間短、運行條件惡劣等原因，輸電線路的巡視維護(hù)工作還存在一些問題[1]：①一些區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的人工定期檢修制度來進(jìn)行線路運行的維護(hù)，而人工巡檢存在人力物力成本高、工作量大、隱患發(fā)現(xiàn)不及時、巡檢區(qū)域有限等缺點。②輸電線路通道綿延上千里，通道環(huán)境錯綜復(fù)雜，每時每處都存在發(fā)生不同的外破隱患的可能。即使一些輸電線路已安裝了在線監(jiān)測裝置，大大提高了發(fā)現(xiàn)隱患的效率，但是受制于無線公網(wǎng)高昂的流量費及有限的帶寬，大部分區(qū)域都僅在隱患點相對集中的地方安裝在線監(jiān)測裝置，并采用定時拍照或觀看短時視頻等方式來監(jiān)控線路走廊[2]，而其他區(qū)域以及中間大量的未監(jiān)控時間內(nèi)，依然存在發(fā)生外力破壞事件的可能，無法達(dá)到實時監(jiān)控的目的。③輸電線路走廊多在人煙稀少的野外穿行，無線公網(wǎng)信號較差，無法保證在線監(jiān)測數(shù)據(jù)能及時傳輸，且容易受運營商網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性影響。

急需尋找一種經(jīng)濟(jì)適用且穩(wěn)定可靠的輸電線路在線監(jiān)測通信方式，實時傳輸在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸電線路通道可視化全覆蓋（全時、全域）運維管理模式，提升對輸電線路的監(jiān)控及管理工作[3]。

2 輸電線路在線監(jiān)測通信現(xiàn)狀

輸電線路在線監(jiān)測通信方案主要有無線公網(wǎng)、無線中繼以及光纖環(huán)網(wǎng)等方案，實際使用中也可能是這幾種方案的組合[4]。

2.1 無線公網(wǎng)通信

目前，輸電線路在線監(jiān)測點的數(shù)據(jù)回傳普遍是采用無線公網(wǎng)GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務(wù)技術(shù)）以及4G（第四代移動通信技術(shù)）通信方式實現(xiàn)的，該通信方式具有不用架線、靈活性強(qiáng)、移動性等優(yōu)點，但也存在以下幾個問題：①信號覆蓋問題。運營商無線網(wǎng)絡(luò)在人口密集城鎮(zhèn)地區(qū)信號覆蓋較好，但本工程線路走廊多在野外穿行，公網(wǎng)信號覆蓋非常差。②帶寬問題。無線公網(wǎng)帶寬有限，無法滿足高清視頻等大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆＂蹅鬏敯踩珕栴}。無線公網(wǎng)信號屬于公共網(wǎng)絡(luò)資源，容易被攻擊。④網(wǎng)絡(luò)管理問題。一旦信號傳輸發(fā)生故障，則必須與運營商協(xié)商解決，無法保證解決問題的時效。⑤費用問題。持續(xù)產(chǎn)生大量的通訊費用。

2.2 無線中繼通信

無線中繼通信，即無線AP（Wireless Access Point，無線訪問接入點）在網(wǎng)絡(luò)連接中起到中繼的作用，能實現(xiàn)信號的中繼和放大。無線中繼技術(shù)具有低成本、延伸無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、提高通信系統(tǒng)可靠性和增加系統(tǒng)傳輸速率的作用。無線中繼模式雖然使無線覆蓋變得更容易和靈活，但是卻需要高檔AP支持，而且如果中心AP出現(xiàn)問題，則整個WLAN將癱瘓，冗余性無法保障。

2.3 光纖環(huán)網(wǎng)通信

在無信號覆蓋的區(qū)域，特別是輸電線路上有OPGW光纜（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纖復(fù)合架空地線）、ADSS光纜（All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable，全介質(zhì)自承式光纜）或普通光纜的線路，光纖環(huán)網(wǎng)的通信方案是非常不錯的選擇，其與傳統(tǒng)運營商通信方式比較有較大優(yōu)勢，如表1所示。

表1 通信方案優(yōu)劣比較

通信方案運行通信費用傳輸穩(wěn)定性傳輸帶寬安全性 光纖通信無高極高高 運營商通信高低低較低

3 智能光纖環(huán)網(wǎng)基站簡介

智能光纖環(huán)網(wǎng)基站是基于光纖通信和無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)無線信號覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸通道搭建，為終端接入設(shè)備提供高速、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的傳輸解決方案。智能光纖環(huán)網(wǎng)基站主要由智能處理主機(jī)、光纖接續(xù)盒、光纖尾纜、電源系統(tǒng)及無線通信裝置組成，且能擴(kuò)展傳感器，實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。智能光纖環(huán)網(wǎng)基站組成示意圖如圖1所示。

圖1 智能光纖環(huán)網(wǎng)基站組成示意圖

智能處理主機(jī)：包括主機(jī)模塊、本地通信模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和發(fā)電模塊，完成各種數(shù)據(jù)處理工作，管理整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析和轉(zhuǎn)發(fā)、充電和放電。

光纖接續(xù)盒、光纖尾纜：光纖接續(xù)盒處即為光纖開斷點，可在此處熔出一芯光纖，通過尾纖連接到智能光纖環(huán)網(wǎng)基站，把智能光纖環(huán)網(wǎng)基站串入光纖中。

電源系統(tǒng)：包括發(fā)電設(shè)備、蓄電池和控制器。太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和地線取電裝置等發(fā)電設(shè)備為發(fā)電單元，蓄電池為蓄電單元，通過控制器智能管理充電和放電。

無線通信裝置：擴(kuò)大智能光纖環(huán)網(wǎng)基站無線覆蓋范圍，為3～5 km范圍內(nèi)無線通信設(shè)備提供無線接入熱點。

傳感器：采集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對輸電線路走廊、光纖接續(xù)盒、電力鐵塔和周圍環(huán)境等進(jìn)行實時監(jiān)控。

4 光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)難點

4.1 電源問題

目前野外使用設(shè)備普遍存在的一大難題是電源問題[5]，智能光纖環(huán)網(wǎng)基站采用低功耗技術(shù)，且同時支持太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電及地線取能發(fā)電三種發(fā)電方式，可根據(jù)當(dāng)?shù)厝照諘r長及風(fēng)能情況選擇采用一種或幾種發(fā)電方式。

蓄電方式支持三元鋰電池、膠體電池及磷酸鐵鋰電池蓄電，可根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度選擇合適電池。發(fā)電和蓄電方式的多樣性能有效解決野外供電難的問題。其中，地線取能裝置是依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計、制造的供電設(shè)備[6]，具有全天候、全氣象條件供電能力，能為智能光纖環(huán)網(wǎng)基站提供充足的電源支撐。1 km取電回路取電效果如表2所示。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸安全問題

網(wǎng)絡(luò)安全是在線監(jiān)測裝置有效運行的重要保證，未采取有效安全保護(hù)措施的網(wǎng)絡(luò)極易受到各種人為攻擊，導(dǎo)致信息泄露、信息竊取、數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)刪添等事故發(fā)生。對輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行全面保護(hù)，分別對監(jiān)控終端、光纖基站、光纖環(huán)網(wǎng)及基站W(wǎng)i-Fi采取安全保護(hù)機(jī)制，如硬件防篡改、安裝加密芯片等，能確保系統(tǒng)硬件、軟件及數(shù)據(jù)安全。

表2 1 km取電回路取電效果

線路等級/kV負(fù)荷/MVA取電功/（W·h/d）取電功率/W 220 100 300 12 220200600 24 500400 400 16 500800 800 32

對監(jiān)控終端和光纖基站設(shè)備采取硬件防篡改能有效防止被攻擊者物理破解或竊取數(shù)據(jù)；安裝加密芯片對所傳輸?shù)目刂浦噶钆c敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)被篡改或控制指令重放；對接入智能光纖環(huán)網(wǎng)基站的有線或無線設(shè)備采取身份認(rèn)證，能有效阻斷非法設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，確保采集數(shù)據(jù)來源的合法性及有效性。

通過以上安全保護(hù)措施可保障在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性、完整性、保密性、可控性和可審查性。

4.3 熔纖問題

曾出現(xiàn)過一些施工隊因為熔纖時熔錯纖，導(dǎo)致整個線路通訊癱瘓的情況，因此，部分公司會擔(dān)心熔纖對現(xiàn)有通訊業(yè)務(wù)造成影響[7]。在OPGW光纜鋪設(shè)時，將預(yù)留的在線監(jiān)測4芯光纖熔斷出2個纖頭，并從主光纖接續(xù)盒中引出，單獨安裝于在線監(jiān)測專用光纖接續(xù)盒內(nèi)，采用連接器連接，在后期安裝智能光纖環(huán)網(wǎng)基站時，只需要打開此專用光纖接續(xù)盒，將需使用的兩芯光纖插頭分別連接到智能光纖環(huán)網(wǎng)基站主機(jī)上，即可將智能光纖環(huán)網(wǎng)基站串入光纖，形成光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 預(yù)留在線監(jiān)測專用光纖連接示意圖

此方案對其他通信業(yè)務(wù)不會造成任何影響，且在新建線路時熔纖要比后期單獨熔纖費用低很多，也省時省力。

4.4 系統(tǒng)維護(hù)難度及對現(xiàn)有業(yè)務(wù)的影響問題

智能光纖環(huán)網(wǎng)通信方案采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸一側(cè)受阻時，如某一塔位光纖斷芯，則可從另一側(cè)線路傳回至主站。因此，當(dāng)某個點位數(shù)據(jù)傳輸受阻時，不會影響整條線路的數(shù)據(jù)傳輸，無需采取維修措施。

此外，智能光纖環(huán)網(wǎng)基站采用模塊化設(shè)計，當(dāng)智能光纖環(huán)網(wǎng)基站設(shè)備或塔上在線監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障時，可僅對設(shè)備故障模塊進(jìn)行檢測和維修，無需停電，也無需再次打開光纖接續(xù)盒，不會對現(xiàn)有通信業(yè)務(wù)造成任何影響。

5 應(yīng)用領(lǐng)域

沿輸電線路建設(shè)智能光纖環(huán)網(wǎng)基站，構(gòu)建光纖環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅能為沿線的在線監(jiān)測裝置提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，在其他領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。

5.1 輸電線路在線監(jiān)測

建設(shè)智能光纖環(huán)網(wǎng)基站后，輸電線路沿線3～5 km范圍內(nèi)的在線監(jiān)測裝置都可通過光纖環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

光纖環(huán)網(wǎng)的高傳輸帶寬滿足高清視頻等大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，即使在主站同時播放多路視頻，也能保障視頻畫面清晰、流暢，對現(xiàn)場情況掌控更實時、全面，且無任何流量 費用。

5.2 無人機(jī)、地線機(jī)器人巡檢

左健[8]在其文中提到“未來的無人機(jī)掛載設(shè)備會朝著視頻傳送的方向發(fā)展，一旦視頻傳輸在無人機(jī)巡視輸電線路中得到實現(xiàn)，未來無人機(jī)巡視有望把人工巡視真正取代”，目前，架空輸電線路巡檢業(yè)務(wù)需求和任務(wù)載荷多樣，選擇合適的無人機(jī)、地線機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，最大程度地提高巡檢精度和效率，已成為無人機(jī)、地線機(jī)器人巡檢的研究熱點問題。但目前的無人機(jī)、地線機(jī)器人等裝置巡檢輸電線路均是以巡檢時錄制視頻，返回地面后再播放錄像的方式實現(xiàn)的，不具備實時性。

智能光纖環(huán)網(wǎng)基站能為無人機(jī)和地線機(jī)器人巡檢提供穩(wěn)定可靠的通信鏈路，支持巡檢實時圖像傳輸，確保無人機(jī)和地線機(jī)器人在兩基站間工作時的通信鏈路無縫銜接，確保指揮平臺看到巡檢現(xiàn)場實時流暢高清視頻。

5.3 應(yīng)急指揮救援

智能光纖環(huán)網(wǎng)基站提供的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠支持局部地區(qū)應(yīng)急指揮救援[9]，當(dāng)受到災(zāi)害時，運營商網(wǎng)絡(luò)無法使用的情況下，應(yīng)急指揮手持終端可在基站附近進(jìn)行局域網(wǎng)互聯(lián)互通，能保持實時語音及視頻通話，及時進(jìn)行指揮救援。

5.4 無運營商地域網(wǎng)絡(luò)覆蓋

智能光纖環(huán)網(wǎng)基站為輸電線路沿線都提供了網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對無運營商網(wǎng)絡(luò)的野外地帶進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)補充，能夠為國土監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、考古等工作者提供通信網(wǎng)絡(luò)。

5.5 未來的視頻時代

未來，人們的生產(chǎn)和生活都要求有更可靠、安全的監(jiān)控視頻作為基礎(chǔ)保障[10]。它能提供更加豐富、準(zhǔn)確的信息內(nèi)容。光纖傳輸安全性高、信號很少有失真現(xiàn)象，提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、可靠性，將得到廣泛的應(yīng)用。

6 結(jié)語

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的大背景下，實現(xiàn)輸電線路可視化是必然趨勢，未來安裝在塔上的在線監(jiān)測裝置將越來越多，智能光纖環(huán)網(wǎng)基站可為整條線路的視頻、防外破、防山火、覆冰、桿塔傾斜、導(dǎo)線狀態(tài)等在線監(jiān)測裝置及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建一條穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸“高速公路”。

［1］陸佳政，周特軍，吳傳平，等.某省級電網(wǎng)220 kV及以上輸電線路故障統(tǒng)計與分析［J］.高電壓技術(shù)，2016，42（1）：200-207.

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2095－6835（2020）06－0159－03

TN919.34

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.065

何寧輝（1986—），男，博士研究生，從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究工作。

〔編輯：張思楠〕