无线通信网络输电线路监测平台的研究

李桂香， 吴元保

(武汉大学 a. 计算机学院；b. 电气工程学院，湖北 武汉 430072)



无线通信网络输电线路监测平台的研究

李桂香a， 吴元保b

(武汉大学 a. 计算机学院；b. 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

随着无线通信网络技术的不断发展和应用，智能电网的研究和建设具有了强有力的通信网络平台的支持，特别是由于输电线路分布范围广泛，其许多电气参数受不同地域、不同污染、不同气候的影响而具有不同的特征，仅靠人工巡视观察已远远不能适应智能电网的发展要求，因此提出了分布式输电线路监测平台，对于监测点分散的输电线路，设计了利用3G无线通信平台能较好地解决其监测数据的传输问题，而对于监测点较集中的输电线路，则设计了利用无线自组网的通信平台来实现监测输电线路的实时运行状态，以便管理人员能及时获得监测信息而快速决策，从而利用无线通信及组网技术实现了输电线路的实时监测来满足智能电网建设需要。

智能电网； 无线通信网络； 监测平台

0 引 言

随着无线通信和计算机网络技术的不断发展和应用，智能电网的研究和建设就有了强有力的通信网络平台支持，特别是由于输电线路的广泛分布和地理位置的特殊，在有线网络平台上实现其实时监测和管理，存在着经济、技术和实施上的困难，加上输电线路监测点的地理位置分散、不同的环境和气候等因素的影响不同，实时监测的数据仅靠人工巡视和收集是远远不能满足智能电网发展的需要[1-3]，为了解决这些问题，本文采用无线通信网络技术设计智能电网的监测平台，能较好地应用于当前多处输电线路的实时监测。

1 输电线路监测平台的设计

1.1 基于3G的监测平台

由于第三代移动无线网(3G)已得到了广泛的研究和应用，特别是1998年1月在欧洲电信标准委员会(ETSI)中，WCDMA被选中作为FDD频段的个人移动通信系统(UMTS)陆地空中接口方案[4]，宽带CDMA迅速得到全球GSM(2G)运营者的支持，从而3G通信宽带CDMA系统得到了快速的应用，特别是在我国更是发展迅速，目前已基本上覆盖了广大的城镇、乡村和边远的山区，而WCDMA具有5 MHz或更宽的带宽，恰好能满足输电线路所处的地理位置分布及监测数据的传输等应用要求，这就给输电线路的监测平台提供了应用发展机遇，随着4G无线网的不断研究和应用，其应用前景将是更加广阔[5-9]。

图1是一个基于3G的高压输电线路的监测系统平台，该系统具有3部分：

(1)前端监测和通信系统。主要完成输电线路各类电气参数，如绝缘子闪络及环境如输电杆塔下的非法作业、气候如线路覆冰、导线舞动等监测、数据存储如报警数据、定时数据等及3G系统的拨号接入和本系统服务器的接入及数据通信和安全防范等功能。

(2)服务器系统。一般可设置接入服务器、数据存储服务器、数据转发服务器、域名解析及浏览服务器等由一台或多台服务器承担。主要完成前端系统的接入和后台监视系统的接入，各类数据的存储和转发、浏览等功能。

(3)后台监视系统。主要完成各类数据的实时监视和查询(包括实时图像的监视、录像的查询和播放、历史数据的查询和实时数据的采集及数据和事故的分析等)功能。

图1 基于3G的高压输电线路的监测系统平台

该平台系统的优点是电力系统不用组建自己通信网络，而采用电信或联通、移动等因特网运营商的公用网络，系统建设方便、快捷、建设成本较低，并能满足智能电网监测的通信和环境要求。缺点是需要付费，才能得到应有的服务，运行成本较高，并要求具有相应的安全运行措施，广泛适用于高压输电线路监测点较分散且不是太多的情况下。

1.2 基于无线自组织网络的监测平台

目前无线自组织网络MANET得到了广泛的应用和研究，该网络突破了无线蜂窝网络地理上的局限性，能够快捷、高效地进行部署，其媒体接入控制(MAC)协议是无线自组织网络协议的重要组成部分，该网络可由几十到上百个节点组成，是采用无线通信方式的、动态组网的、多跳转发(Multi-hop Distributed)的、移动性对等的网络[10-12]，当前的无线自组网设备主要工作于2.4、5 GHz附近的多频率通道中，采用IEEE开发的802.11 a/b/g/n等多种数据通信标准，以满足不同通信通道和数据速率传输的要求。因此，该无线自组网结构比较适合单条输电线路或较集中分布的的多条输电线路监测数据传输[13-15]。

图2是一个基于无线自组织网络的高压输电线路的监测系统平台，无线设备采用EnGenius Technologies, Inc. ENH700EXT和室外11N系列产品ENH500等进行骨干网的组网，传输速率最大可达300 Mb/s,其余各前端及汇集点则可采用室外CPE系列如EOC1650等进行分支组网，速率最大可达54 Mb/s。该系统不需要上公共通信网和因特网，只是内部组网，因此安全性可以得到保障，仅采用自组网设备本身提供的加密设置和硬件隔离就可以了，其他系统部分与图1中方案类似，也由3部分组成，分别是前端监测和通信系统、服务器系统和后台监视系统。

图2 基于无线自组网的高压输电线路的监测系统平台

其中站内铁塔采用千兆交换机和光纤接入站内服务器和局域网，其余各铁塔上采用百兆交换机和前端监测设备及无线通信设备构造百兆交换接入，站内和局内局域网采用光纤通信，铁塔之间的无线通信则采用以300 Mb/s、5 GHz作为骨干无线通信通道和54 Mb/s、2.4 GHz作为分支无线通信通道进行数据交换，内网和外网通过服务器系统采用双网卡隔离和通信，从而依据实际应用情况构成无线自组织网络的输电线路监测系统平台。

该平台系统的优点是通过无线自组网的形式，能够快速、高效地进行部署，不受制于公用无线通信网络在地理位置覆盖上限制，也不需要支付高额的通信费用，便于进行实时通信的各项监测功能的完成。缺点是自组网络的通信距离较近，要有光纤接入点如变电站等，带宽分配和网络控制存在着一定的困难。因此该平台系统适合于单条线路或集中的多条线路大范围监测点的数据监测和传输如输电非常重要的整条线路的绝缘子闪络的实时监视等。

2 输电线路监测平台中的关键技术

2.1 高压铁塔上监测及通信设备的电源

由于监测设备和通信设备主要采用低压直流电源，通常有5 V/12 V/24 V/48 V等几种直流电压供电，对于站内铁塔可从站内取电，然后通过交流220 V转换成各设备需要的低压直流电，因此选择该塔上的设备时可不受供电的限制。对于其他铁塔则要考虑设备受供电方式的限制，通常供电方式有如下几种选择：

①直接从高压输电线路上感应取电。这种方式需要所有产品(包括各设备、取电及电源转换模块等)都集成并脱离铁塔直接挂装在导线上，给设备安装、调试和维护带来了很大的困难，安装、调试和维护时都需要停电作业，同时线路停电时设备不能工作，设备还随导线舞动，因此要考虑导线的磨损、设备的重量及外形等，优点是电源成本较低。这种取电方式除进行导线本体监测外较少使用。

②采用蓄电池和太阳能(或附加风电)供电。这种方式要考虑所有设备的平均和最大工作功率(平均和最大工作电流),要求在无充电情况下的工作时间天数等，以便选择合适的蓄电池类型(如锂电池或镍氢电池等)和蓄电池的容量(最大电压和最大放电电流及安时等)及太阳能板和风机的类型、最大充电电压和电流和额度功率及充放电控制和电源转换与稳压等，同时还要考虑气侯对电源的影响。不同气候的地方要考虑太阳能和风能的搭配。在电源控制方面，当工作电压低于不能正常供电的时候要切断负载，当达到供电水平且稍高的时候启动供电，蓄电池何时充电何时切断充电及太阳能、风能和蓄电池供、充、放电等等控制都需要详细考虑，并提供远程监测和控制功能。同时还要考虑各供用电设备(包括监测设备、通信设备、蓄电池、太阳能板或风机、电源充放电控制及电压转换稳压模块等)安装位置的合理搭配，以便更高效地、更合理地使用电源，还应考虑蓄电池的生命周期，以便及时更换等。该供电方式电源设备的一次投入费用较高，且受天气的影响较大，同时控制较复杂，但最大的优点是供电的可控性和自恢复性及可操作性好。

2.2 高压铁塔上监测及通信设备的防雷

首先是设备安装时位置不高于铁塔的避雷线，其次是借助通信设备的避雷器，将所有设备的外壳与此相连并通过铁塔接地即可达到防雷的效果。

2.3 压输电线路监测平台的数据接入

图1方案中，各监测设备通过网线与塔上100M/5端口的小交换机接入，而3G通信设备采用通用的3G拨号设备，其局域网网口与小交换机相连，3G拨号通过公网、因特网与系统服务器接入进行无线通信，传输监测数据，后台访问时通过服务器访问前端系统的监测数据，如需要实时访问前端，则在3G通信设备中应配置前端各监测设备的IP和端口映射及域名解析服务器需对各监测设备的域名进行解析，以便通过域名进行IP和端口的转换，达到实时访问的目的。

图2方案中所有前端设备和服务器均处于同一局域网中，前端系统的各监测设备及电源控制和无线设备均通过塔上100 M小交换机接入，而站内铁塔上各设备可采用1 000 M交换机接入，并通过光纤与站内或局内交换机和服务器相连，组成铁塔输电线路监测局域网，而通过服务器的另一网卡与局内局域网相连，这样后台访问时可通过服务器转发实时访问前端系统。

3 结 语

图1平台现已经应用在多个供电公司，如云南楚雄、湖南张家界、安徽宿州等供电公司的高压铁塔输电线路的防破监测工程中，已取得了较好的应用效果，得到了使用单位的认可。

图2平台也已经在多个供电公司如山西阳泉阳煤供电、安徽滁州供电公司等高压铁塔输电线路的绝缘子闪络监视和防破监测工程中，取得了应有的效果。图3为绝缘子汚闪过程监视图。

(a)汚闪开始(b)汚闪扩大

图3 绝缘子汚闪过程监视图

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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，硕士，高级实验师，研究方向：通信网络、计算机应用。

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

TP 393

A

1006-7167(2016)08-0082-03