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小论文

基于网络的输电线路状态监测技术

ConditionmonitoringtechnologyoftransmissionlinebasedonNetwork

摘要：

输电线路状态监测是智能电网建设中的重要环节，面对智能电网建设中遇到的各种复杂环境，对输电线路状态的实时监测显得尤为重要，通过网络传递的实时图像数据是判断输电线路状态的重要依据。

伴随着网络通信技术的高速发展，我们可以实现对各种环境下输电线路设备的实时在线监测，并能通过网络及时的传输数据。

文章针对输电线路状态监测技术的发展现状和实际业务需求，介绍了输电线路状态监测网络系统的构成，提出了不同环境下网络系统的构成和实际应用中应注意的问题。

关键字：

网络监测系统输电线路

1、引言

世界各国电网运行及研究均表明，输电线路是电网安全可靠运行的瓶颈之一。

先前人们主要定期检修制度来进行线路运行的维护，随着电力系统向高电压、高参数、大电网互联和高自动化方向发展，特别是1998年美国、加拿大大停电事故和2008年中国南方大范围冰灾使人们认识到传统检修方式无法保证输电线路的安全运行，急需进行输电线路的智能化运行与管理，其安全运行和可靠供电直接关系一个国家的公共安全，如何对输电线路自然灾害实施监测和预警成为一个亟需解决的问题。

对输电线路进行在线监测与故障诊断是提高其运行安全可靠性的有效方法。

与变电设备在线监测技术相比，世界各国针对输电线路开展监测诊断研究的时间较短，特别是受传感器、通信等技术制约，相关理论和技术相对缺乏。

输电线路在线监测技术是指直接安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术，是实现状态监测、状态检修的重要手段，状态检修的实现与否很大程度取决于在线监测技术的成功与否。

2009年中国国家智能电网建设的提出，极大促进了在线监测技术的大发展。

2010年初，中国国家智能电网建设规划报告中提出加大对输电线路状态监测装置及其系统的研制开发，全面建成覆盖全国范围的总部和各网省公司输电设备状态监测系统，实现对特高压线路、跨区电网、大跨越、灾害多发区的环境参数和运行状态参数进行集中实时监测，开展状态评估，实现灾害预警。

目前，在线监测装置在特高压1000kV交流示范工程、特高压直流±800kV、青藏交直流联网工程、三峡工程等大型国家输电工程和各网省超高压线路中获得广泛应用。

针对输电线路分布广、距离远的特点，采用传统的RS232、RS485、红外、无线电等短距离通信手段无法实现对输电线路的实时监测。

通信技术是制约在线监测技术发展的瓶颈，随着GSM/GPRS/CDMA/卫星通信技术的发展，实现远距离监测成为可能。

杆塔上现场监测分机通过GSM/GPRS/CDMA/3G/OPGW/OPPC网络与状态监测代理装置（CMA），监控中心进行远距离无线通信。

通过优化天线设计、对通讯单元和采样单元进行时间和空间隔离、整机多层屏蔽、使用高增益定向天线等方式保证数据采集和通讯的正常运行。

在一般气候干燥地区存在GPRS、3G烧卡的问题，需要在电路上增加释放静电的电容。

但各移动通信运行厂商未做到网络全覆盖，尤其是像覆冰监测类终端所处地区，往往属于移动通信的薄弱环节，信号强度弱、误码率高、通信速率低等现象经常发生，影响了产品的可用率。

对于没有移动信号的地区可采用无线接力方式将信号传递到有移动信号杆塔，再通过GSM/GPRS/CDMA网络远距离传输。

或采用卫星通信的方式，但其功耗大，价格高。

近年来，随着智能电网建设的实施，输电线路状态监测系统通信网络主要采用OPGW/基于电力专网的光纤EPON/工业以太网交换机/无线WiFi技术以及基于公网的无线GPRS/3G技术相结合的方式。

目前各厂家在基于OPGW的专网通信方面所采用的技术还没有统一，国网标准并未得到充分的贯彻；由于前期专网通信中所使用的交换机大都属于工业以太网交换机，存在着功耗大、无法防止单点失效、设备环境适应性差等比较严重的弊端。

本文将详细分析各种主流输电线路在线监测技术基于网络的原理、实现和应用分析，并针对在网络建设中的一些关键技术和共性问题进行探索，希望能够有更多的科研机构和用户重视和加强输电线路在线监测网络通信的研究、开发与应用。

2、输电线路状态监测与故障诊断系统

输电线路在线监测技术是指直接安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术，是实现状态监测、状态检修的重要手段，状态检修的实现与否很大程度取决于在线监测技术的成功与否。

杆塔倾斜监测、导线舞动监测、导线温度及弧垂监测、风偏监测装置、等值覆冰厚度监测、气象监测、微风振动监测、绝缘子污秽、图像视频监控共计9大类在线监测装置，基本可以实现对高压、特高压线路、跨区电网、大跨越、灾害多发区的环境参数（温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、图像等）和运行状态参数（污秽、风偏、振动、舞动等），在线监测技术基本原理可简述如下：

污秽积累、缺陷发展、自然灾害等对输电线路的破坏大多具有各种前期征兆和一定的发展过程，表现为设备的电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化，及时采集相应信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化趋势，可预测设备的可靠性和剩余寿命，从而能及早发现潜伏故障，必要时可提供预警或报警信息。

由于输电设备种类较多，结构差异很大，因此要求采用各种不同形式的传感器，将被测信号（电量和非电量）抽取出来，转换成监测装置可以检测的信号，并通过电缆送入监测装置。

电力设备大多故障一般不会在瞬间发生，并且在功能退化到潜伏故障P点以后才逐步发展成能够探测到的故障（参见图1-1）。

之后将会加速退化的进程，直到达到功能故障的F点而发生事故。

这种从潜在故障发展到功能故障之间的时间间隔，被称为P-F间隔。

如果想在功能故障前检测到故障，必须在P-F之间的时间间隔内完成。

由于各种设备、各种故障类型、各种故障特点对应于P-F间隔的时间是不定值，可能是几个小时，也可能是几个月或几年不等，因此定期维修一般情况下不可能都满足P-F间隔的时间要求，从而导致设备功能故障的发生。

而有效的在线监测就可能捕捉到P-F间隔的整个发展过程，并在到达功能故障F点之前的合理时机采取措施进行维修处理[1]。

图1-1电力设备功能退化的P-F曲线

电力设备的故障或缺陷在新安装投运期间由于安装质量方面的问题、设备本身存在的薄弱环节及设计和工艺等方面的缺陷等，在开始投运的一段时间内暴露的问题比较多，随着消缺后运行时间的增长而近于平缓，运行一定时间后，随着设备陈旧老化，逐步暴露的缺陷开始增加，呈现出一条趋近于浴盆曲线的图形，参见图1-2。

但目前采用经常性的定期维修使常规设备的运行浴盆曲线规律发生了变化，每维修一次，出现一次新的磨合期，使维修后的故障率增高。

参见图1-3。

这时候采取传统的离线监测手段将无法及时发现设备状态信息的改变，因此需要利用在线监测技术进行状态实时监测。

图1-2　常规运行时间变化的设备故障率曲线

图1-3　多次定期维修可能形成的设备故障率曲线

3、输电线路状态监测通信网络系统

目前，输电线路在线监测常用的有线数据通信技术有：

光纤通信、RS485和CAN等，常用的无线数据通信技术有GSM、GPRS、ZigBee、3G、WiFi和WiMAX等；无线中短距离通信技术有：

WiFi、Wimax、Zigbee等。

最近随着智能电网建设，输电线路状态监测系统通信网络主要采用基于电力专网的光纤EPON/工业以太网交换机/无线WiFi技术以及基于公网的无线GPRS/3G技术相结合的方式。

不同情况下通信网络的设计方式也是有差异的。

这里把输电线路状态监测通信网络系统分为三部分，分别是局域网、接入网、主网。

3.1局域网通信技术

局域网一般以输电线路杆塔为中心，其信号覆盖杆塔周围几百米范围以内，主要接受和发送传感器、摄像头等前端监测装置所采集的数据和图像，并实现和接入网的连接。

输电线路在线监测所用的传感器和摄像头一般会安装在杆塔上，也有一些监测点比较分散，这样监测点与杆塔上通信节点的距离在几米到几百米的范围内，现场网络可采用有线方式和无线方式。

对于距离较近或者方便作业的现场可以采用无线方式，常用的为RS-232/RS485等串行通信接口、10/100M自适应以太网接口、CAN（ControllerAreaNetwork，即控制器局域网）、UART等，将采集到的数据汇集到杆塔上的通信节点设备。

这里面RS-485技术成熟，应用广泛。

RS485最大的通信距离约为1219m，最大数据传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

目前RS485接口芯片的发展已经达到了很高的技术水平，其功能和安全性都能满足基本要求（如输入输出隔离、防静电、防雷击、微功耗等）。

具有通信效率高、可靠性好等优点，但用于大容量系统时，需铺设专用线路，工程造价太高。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485串行总线标准。

在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS485专用电缆（STP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG），而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆（ASTP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG）。

，

对于距离较长或者不便于开展作业的现场，比如导线舞动监测装置，导线温度传感器等，可采用无线方式。

无线方式有Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth、低速UWB等技术。

目前应用技术比较成熟，应用的比较广泛的有Wi-Fi和ZigBee。

Wi-Fi是一种非常成熟的，标准的通信方式，标准主要包括802.11b、802.11a和802.11g等，它使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。

从应用层面来说，要使用WiFi，用户首先要有Wi-Fi兼容的用户端装置。

Wi-Fi或802.11G工作在2.4Ghz频段，传输速度最高达54Mbps（802.11N工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，最高速度600Mbps）。

WiFi是输电线路在线监测系统中比较常用的短距离无线通信技术，用于CMD与各种传感器之间的通信。

Wi-Fi的技术优势在于速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，组网简单，方便与现有的有线以太网络整合，功耗小，且组网成本低廉，丰富的终端支持，不需要布线，非常适合移动办公的需要。

但Wi-Fi是一种无线局域网技术，无线电波在传播中根据障碍物不同将发生折射、反射、衍射、信号无法穿透等情况，并且无线电波之间存在相互影响的现象，特别是同频段、同技术设备之间将存在明显影响

ZigBee技术是一种近距离、复杂度低、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。

Zigbee数据传输模块类似于移动网络基站。

通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee协议能在2.4GHZ下实现数据的传输，理论上的最大传输速率为250Kbit/s。

以上两种方法各有优缺点，根据不同的现场情况和需要，选择适当的通信方式。

3.2接入网通信技术

接入网是主要是连接杆塔节点设备和变电站节点设备的中介，通信距离从几百米到几十千米不等，利用传感器和摄像头采集到的数据和图像要通过接入网传输到变电站，同时要考虑对于数据传输的要求，因此接入网是中长距离结合、多种接入方式相结合的网络系统。

一般情况下，接入网可用专网和公网两种方式。

3.2．1专网方案

专网是沿电力线部署的光纤通信系统，其可以覆盖到所有输电系统，且其通信性能好、数据传输能力强、数据安全性有保障，能很好的传输动态信号。

目前专网所采用的光纤通信技术有OPGW和ADSS。

应用最广泛的为OPGW光缆，但是专网抵御自然灾害能力差，且需要大量的建设资金和一定的建设周期。

随着光缆技术的进步、光缆性价比的提高，而且光纤通信巨大的带宽和超低损耗是其他通信方式无法比拟的，大容量光纤传输是国家信息高速公路的主要传输手段。

3.2．2公网方案

公网一般采用无线通信方案，通常采用的有GSM,GPRS,3G，WiMAX等。

（1）GSMGSM系统包括GSM900：

900MHz、GSM1800：

1800MHz及GSM-1900：

1900MHz等几个频段。

GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台MS（MobileStation），基站子系统BSS（BaseStationSystem）和网络交换子系统NSS（NetworkSwitchSystem）。

目前中国FDMA、TDMA、CDMA三种多址方式并存，而采用TDMA多址技术的GSM通信网最广泛，用户最多。

我国已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，它是我国公众陆地移动通信网的主要方式。

如今，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。

（2）GPRS即通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService），是介于第二代和第三代之间的一种通信技术，通常称为2.5G。

它是通过在现有GSM网络中增加GGSN（网关支持节点）和SGSN（服务支持节点）来实现的，是在现有GSM系统上发展出来的一项高速数据服务业务，将移动通信技术与IP技术有机结合，组成了移动IP网络。

GPRS的传输速率最可高达171.2kbps，它还具有以下特点：

①分组交换技术，适合突发、频繁、间断、少量数据传送，也适于偶尔的大量数据传输；②传输率高且可靠；③网络资源利用率高；④经济性好；⑤网络接入速度快等。

（3）3G（3rd-generation）就是IMT-2000（InternationalMobileTelecommunications-2000），是指使用支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术的第三代移动通信技术的线路和设备铺设而成的通信网络。

3G最大的优点即是高速的数据下载能力。

相对于2.5G（GPRS/CDMA1x）100kbps左右的速度，由于采用了更高的频带和更先进的无线（空中接口）接入技术，3G目前有3种标准：

①欧洲的WCDMA制式；②美国的CDMA2000制式；③中国自主研发的TD-SCDMA制式。

中国移动采用TD-SCDMA；中国联通采用WCDMA；中国电信采用CDMA2000。

这三种制式的网络传输速率均在2.8Mbit/s左。

3G标准的流动通信网络通信质素较2G、2.5G网络有了很大提高。

另外有些3G系统服务业者会更新为3.5G系统（如HSDPA），此时可有下传14Mbps、上传5.8Mbps的速度。

3G的技术优势为：

①安全性：

3G采用了多种加密技术，保证通话和数据的安全，话音和数据都具备很强的保密性，通过多层的协议控制，数据在网络中可以非常安全的传输。

②技术成熟度：

3G网络部署已具备相当的实践经验，有一成套建网的理论，包括对网络的链路预算、传播模型预算以及计算机仿真等。

③商业模式：

商业运作模式成熟，3G网络得到众多设备商、终端制造商、内容提供商的支持，具备一个非常全的产业链。

利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。

它能够方便、快捷的处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

（4）WiMAXWiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，即全球互通微波存取），是一项基于IEEE802.16系列宽频的高速无线数据网络标准的技术，能够实现固定及移动用户的高速无线接入。

WiMAX的技术优势在于能实现更远的传输距离，提供更高速的宽带接入，可以为高速数据应用提供更出色的移动性。

WiMAX的优点有：

1）提供距离最远至50km的无线信号传输，只要建设少量的基站就能实现全城覆盖，这是无线局域网远远不能匹敌的；2）最大带宽75Mbit/s，一般传输功率大约100千瓦，具备QoS保证能力，在不同距离上可调节带宽分配，同时满足多种不同带宽的应用需求。

3）传输速率高，覆盖面积广，业务丰富多样，WiMAX能提供许多种应用服务，包括最后一英里无线宽带接入、热点、移动通信回程线路以及作为商业用途在企业间的高速连线。

因此用WiMAX无线网络来辅助电力光网络，可以实现便捷、经济的网络覆盖。

在输电线路在线监测系统中，WiMAX多用于短距离无线通信。

3.3主网通信技术

主网一般就用电力系统的专网，主要采用光纤通信方式。

主网将各级调度监控中心和变电站连接起来，各级监测点所采集的数据图像，可通过专网集中起来，传输到监测主站系统，实现集中监测的目的。

4、实例分析：

EPON+WiMAX无线专用在线监测通信网路设计

在输电线路在线监测系统中，通信网络设计是在线监测分机（采集终端）的一个重要组成部分，是与监控中心进行交互连接的桥梁，其直接影响到采集终端的部署、功能和可用性。

目前，中国国家电网系统内已经安装的在线监测装置90%以上通过GSM/GPRS/CDMA/3G无线网络进行通信，通过该无线网络虽然实现了野外输电线路监测数据的远距离传输，但也存在以下缺点：

第一，野外信号弱，数据传输速率低，第二，使用成本高，每台监测终端每月都需要向网络运营商交纳一定的流量包月费用，第三，存在大量需要把监测终端安装在人烟稀少、高山峻岭区域，此类区域往往无信号或者信号很弱，不具备输电线路在线监测设备安装的条件。

针对以上缺点，研究了EPON和WiMAX融合网络在大跨越架空输电线路在线监测中的应用，与GSM/GPRS/CDMA/3G无线网络相比，存在以下优点：

首先，带宽高，数据传输速率高，其次，一次部署，后期再无通信费用，再次，设备部署无需考虑GSM/GPRS/CDMA/3G信号是否覆盖以及信号强度的问题。

在架空输电线路在线监测领域，融合EPON+WiMAX接入网络搭建输电线路在线监测平台的技术目前还鲜有学者进行研究，此领域较为前沿。

无源光网络（PON）由光线路终端（OLT）、光网络终端（ONU）和光分配网络（ODN）组成。

一般其下行采用TDM广播方式，上行采用TDMA（时分多址接入）方式，而且可以灵活的组成树形、星形、总线形等拓扑结构。

PON系统结构如图2-1所示：

图2-1PON系统的结构示意图

EPON（以太网无源光网络）是基于以太网技术的宽带接入系统，它利用PON的拓扑结构实现以太网的接入。

EPON融合了PON和以太网数据产品的优点，形成了许多独有的优势。

EPON系统能够提供高达1Gbit/s的上下行带宽，能与现有的以太网兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级。

EPON技术综合了PON的容量大、寿命长、可升级性好、低成本、高可靠性等优势和以太网技术的与IP协议配合最好、成本低廉、技术成熟度高等优点，直接在PON上传输以太网帧，不仅代表了光接入网的发展方向，而且适应宽带接入市场IP化的发展潮流。

WiMAX是一种为企业提供“最后一公里”的宽带无线连接方案，由于WiMAX网络具有完整的覆盖能力，只要在信号有效距离内，任何终端都可以借助设备连上WiMAX网络，极好地填补了3G接入的覆盖空白。

EPON和WiMAX的网络融合具有较大的研究和应用价值，即把无线技术的高度灵活的覆盖能力和光纤技术的高带宽、高可靠性最紧密的融合到一起。

常见的融合方式有独立式架构、混合式架构、统一式架构和MoF架构，独立式架构是EPON与WiMAX融合方式中最常采用的形式，它直接将EPON与WiMAX进行级联，把WiMAX的BS连接到EPON的ONU上，即将WiMAX网络作为EPON的一个用户。

下行方向上，独立式架构模型采用两级广播的方式。

以太网包从OLT经过1:

N分路器到达各个ONU，各个ONU根据自己的LLID选择接收或丢弃数据包，以太网包里的LLID与自己的相同则接收，否则直接丢弃。

当数据包传给BS时，BS同样把消息广播给所有的SS,各SS判断MACPDU里的连接标识符CID是否与自己的CID相同，相同则接收数据，否则丢弃。

上行方向上，SS根据自己的CID向BS申请带宽，BS依据一定的带宽分配策略给各个连接分配带宽。

上行数据流到达ONU后，各ONU在规定的时隙内向OLT请求带宽，OLT按照一定的带宽分配机制为ONU分配带宽，进行上行数据传输。

接入网连接方式见图2-2：

图2-2接入网的连接方式

EPON系统的ONU和WiMAX系统的BS通过以太网口直接相连，EPON和WiMAX系统分别独立运行，EPON不知道WiMAX系统的内部运行状况，WiMAX也不知道EPON系统的运行状态，在此架构中WiMAX系统只是EPON系统的一个有带宽需求的用户，上行方向上，数据从SS发出被WiMAX系统转发到BS，然后BS在把数据转发到ONU，ONU在把数据转发到位于电业局的OLT。

下行方向的数据转发正好相反。

独立架构的优点是保持EPON和WiMAX系统各自的独立性，不用改变原有技术体系的任何组成部分。

以下是EPON和WiMAX的融合接入网在输电线路在线监测技术中的应用实例：

椒江，位于中国浙江沿海中部台州湾入口处，是台州市境内的最大河流，是浙江省第三大河，据统计，新中国成立后登陆台州的12级以上台风就有13次，平均每年有1~2次，最多达到3~4次。

输电线路大跨越在线监测系统的监测终端部署点选择在台外2Q30线（台沙2Q31线同杆双回）的6#、7#、8#塔上，6#、7#两塔为跨椒江高塔，在8#有OPGW开断的接续盒。

在7#塔上安装2套视频/图像监测设备、1套微气象监测设备和1套微风振动监测设备。

在6#塔和7#塔之间安装7个振动监测单元。

在8#塔塔顶安装1套视频/图像监测设备。

设备部署如图2-3所示：

图2-3设备部署示意图

7#塔为跨江塔，无OPGW开断口，在此塔上安装1套WiMAX终端，WiMAX终端只有一个RJ-45以太网接口，通过在此塔上再安装一台交换机，把WIMAX终端与交换机相连，监测设备顺着7#塔的爬梯将网线引到交换机安装处与交换机相连。

8#塔在塔身8-9段处有OPGW开断的接续盒，ONU和WiMAX基站安装在这个位置附近。

8#塔塔顶安装有1套视频/图像监控设备，因为此塔无走廊、无爬梯，无法从塔身到塔顶引线，所以在8#塔塔顶安装1套WiMAX终端把视频/图像数据传输到WiMAX基站。

输电线路视频/图像监测设备可以实时通过图像视频手段对目标进行监视和信息记录，提供可视的现场环境。

输电线路气象监测设备安装在椒江大跨越的7#塔上，实时远程采集现场风速、风向、气温、湿度、气压、雨量、光辐射等数据，为对台州大跨越微风振动水平进行跟踪分析提供基本通道环境数据。

输电线路微风振动监测设备主控单元安装在椒江大跨越的7#塔上，振动监测单元安装在6#和7#塔之间的导线上，振动监测单元实时测量导线的振动加速度、振幅、频率，并通过RF射频模块将数据无线上传至7#塔上的主控单元，主控单元将所有数据通过EPON+WiMAX融合网络传往位于台州电业局的监控中心。

通过长期对现场微风振动状态量的测量，提供防振措施所要覆盖的导线振动频率及幅值范围，从而为防止微风振动造成的隐患收到事半功倍的效果。

以下是EPON和WiMAX的融合接入网在输电线路监测技术中得到应用的实物