高压输电线路监测系统的设计

高压输电线路监测系统的设计

0高压输电线路监测技术中的应用传统的高压输送线远程监测模式存在安全风险、高管理成本、长期检测、效率低下等缺点。近年来，超/特高压输电线路(500kV、750kV、1000kV)开始大量建设，线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境(如沼泽、丛林、戈壁和崇山峻岭等无人区)，这些都使得电力线路的巡检工作更加困难。另一方面，由于社会和经济发展对电力供应质量的要求越来越高，促使电力企业对输电线路的管理维护向信息化和智能化方向发展，而依靠传统的巡检方式获取的信息量非常有限，难以满足要求，因而发展新的高压输电线路监测技术非常必要。近年来，一些科研机构和电力企业开始了相关技术的探索，提出一些解决方案。总体而言，这些解决方案的基本思路是：在线路铁塔上装设传感器，将监测到的信息通过某种通信方式传送回监测中心。其中一个重要的技术问题是如何构建合适的通信网络。一部分解决方案试图利用电信运营商的公网进行监测信息传输。例如文献利用公共电话网，文献则利用公共无线网(GSM/CDMA/GPRS)。这些方案存在以下缺点：1）公网的覆盖范围有限，一般无法覆盖输电线路(尤是特/超高压线路)全程；2）无线公网提供的服务种类和数据速率有限，难以满足诸如线路视频监控信息传输等高速率业务的需求；3）公网本身的可靠性难以满足电力系统监测的要求；4）公网收费服务将导致系统运行成本很高；5）网络管理困难，一旦系统进行改动或者出现故障，必须与公网运营商协调解决，处理问题的时间无法保证，对电力系统安全运行造成威胁。基于以上原因，有些技术方案提出了建立电力系统专用通信网以实现输电线路监测的设想，如文献[13,14,15,16,17,18]提出了无线接力或无线接力与公网相结合的信息传输方式，其缺点在于：没有很好地解决无线接力传输的可靠性和时延问题，且未完全摆脱对公网的依赖。针对以上背景技术的缺陷，本文将无线AdHoc网络技术和光纤通信技术相结合，提出一种新型的高压输电线路监测系统。1adhoc组网方式由于输电线路电压等级很高，所经过区域自然环境恶劣，如果使用在铁塔上布设线缆的方式建立监控网络存在很多困难，因此，使用无线传输方式更为合理。根据无线信道的传输特性，如果接收机与发射机都处在开阔地区且距离地面位置较高，则无线电波的传播基本符合双线传播模型，即在收发节点距离较远的情况下，电波传播损耗与传播距离的4次方成正比。按照这种理论，传输距离每增加1倍，发送节点的发送功率需要增加约16倍，付出的能量消耗代价是巨大的，这对于在野外工作、电源供给困难的监测节点来说非常不利。此外，随着传输距离的增加，周围环境会更加复杂，收发节点之间出现障碍物遮挡或其他干扰源的可能性增加，这将导致通信质量急剧恶化，甚至无法通信。基于以上原因，我们认为使用无线方式将信息直接进行远距离传送的方案存在缺陷。另一方面，架空输电线路的基本结构是依靠各种类型的铁塔逐级地承担导线延伸到远方，且铁塔的分布极有规律，这为短距离无线接力传输提供了天然的条件。可以在各级铁塔上安装无线通信设备，这些无线设备使用极低的发送功率将信息传送到邻近的下一级铁塔，再由该铁塔上的无线设备将信息继续传往下级铁塔，如此重复直到信息被发送到线路监测中心站。然而这种简单的逐点转发模式也存在一个问题：如果有一个节点的通信设备出现故障，就会导致整条传输链中断。为此，我们引入AdHoc组网技术来解决上述问题。AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，该网络中所有节点的地位平等，无需设置中心控制节点，具有很强的抗毁性。我们利用AdHoc网络的自组织、自适应能力来提高整个输电线路监测系统抗节点失效的能力。具体实现方法为：按照AdHoc组网方式设计塔上无线通信节点，每个无hW`线监ÈW`测节点具备与自身周围m跳内的所有邻节点直接通信的能力，并且运行路由协议，自适应地选择适当的邻节点作为下一个信息转发节点。以图1为例，假设在正常情况下第i号铁塔上的无线监测节点将信息传送给距离最近的第i-1号节点，一旦该节点出现故障，第i号节点能自动调整路由，通过特定方式(例如增加发射功率)将信息直接发往第i-2号节点，从而越过故障点将监控信息传回监控中心；同理如果节点i-1和节点i-2同时故障，则节点i可继续增加功率，直接与第i-3、i-4,…,i-m号铁塔通信。显然在这种情况下，对于节点i来说，只有当其上游的m个节点同时出现故障的情况下，监控信息的传输链路才会彻底中断。相对于单节点故障而言，这种事件发生的概率非常低，因此监控网络整体的可靠性大大增强。现有的超高压输电线路距离可达到200km以上，特高压线路甚至可达500km以上。在如此长度的线路上铁塔数量可达到数百甚至上千，如果完全使用无线接力传输方式会导致信息传输延时和丢包概率过大。此外由于处在上游的节点要转发下游所有节点传来的业务，容易产生能量消耗及信道带宽的瓶颈。为解决以上问题，我们提出光纤通信与无线接力通信相结合的方法。目前，几乎所有110kV以上的高压输电线路都架设了电力特种光缆，主要为光纤复合架空地线(opticalfibrecompositeoverheadgroundwire,OPGW)和全介质自承式光缆(alldielectricselfsupporting,ADSS)。且从使用现状来看，其中都有大量的空闲纤芯。我们可以利用输电线路这一独有的通信资源，来建设线路监控系统。具体做法为：对铁塔上的无线节点进行分群，相邻的几十个节点为一个群，其长度约为20～30km左右，在每个群中选择一个有光缆接续盒的铁塔作为信息汇聚点，在该塔上除了安装无线通信设备外，再安装一套使用分组方式进行通信的光通信设备。通过输电线路上的电力特种光缆将各个汇聚节点上的光通信设备连接并组网。这样，每个铁塔的监控信息首先通过无线多跳方式转发至距离自己最近的汇聚节点，再经过各个光通信设备的接力传输后到达线路监控中心。由于光纤线路衰耗小、带宽大、抗干扰能力强，有利于监测信息的快速、安全传输。同样，为了防止部分光通信节点故障导致的整个系统无法工作，监测系统中的光通信网络也要具备类似无线AdHoc网络的自组织特性，即各个光通信节点需要运行路由协议，获取网络状态，在信息传送时避开故障邻节点。2adhoc网络的主要功能无线监测节点是本系统的重要组成部分，它的主要功能是通过各种类型的传感器收集输电线路铁塔上的信息，进行初步分析和处理后，通过无线传输方式将信息发送给周围其他铁塔上的无线监测节点；同时每个无线监测节点也肩负着转发来自其他节点的信息的任务。无线监测节点的基本结构如图2所示，主要包括：数据采集单元、音/视频采集单元、数据处理单元、无线传输单元、方向性天线及天线切换装置、外部数据接口、以及供电单元等部分。其中，数据采集单元由各类型的传感器以及相应的A/D变换器组成。音/视频采集单元主要包括麦克风MIC、摄像头、云台等设备，用于采集应急现场的声音和图像信息，供监控中心更全面地了解事发现场的情况。外部数据接口提供与音视频采集单元、塔上光通信节点的外部连接功能，还可与便携式计算机连接，进行数据处理或设备调试。数据处理单元是无线监测节点的核心部分，它由嵌入式系统构成。参照OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP结构，它完成从应用层至媒体访问控制(mediaaccesscontrol,MAC)层之间的功能。1）应用层功能。用于提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢失率限制的实时应用(紧急控制信息)、基于实时传输协议/实时传输控制协议(RTP/RTCP)的自适应应用(音频和视频)和没有任何服务质量保证的数据业务等。该层的软件负责将传感器采集的数据记录到存储器中，并进行简单的分析判断，如果发现某项指标超出预先设置的门限值，或者接收到来自线路监测中心的查询命令，则应立即将相关数据整理成相应格式的消息，准备将其发送往监控中心。2）传输层功能。用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网(下3层的细节)相隔离，并利用网络层的特性来高效地利用网络资源。3）网络层功能。主要包括邻居发现、路由选择和分组转发等。多跳性是AdHoc网络的主要特征，要实现报文的多跳转发，必须有路由协议的支持。本系统中，由于监测节点随着输电线路部署，主要成线形排列，拓扑结构比较简单且节点不会频繁移动，因此对路由协议的要求不像其他场合那样严格。将现有AdHoc中种类繁多的各种路由协议(如DSR、AODV、TORA等)稍加改动即可满足本监测系统需要，因而易于实现且技术风险低。4）逻辑链路控制子层功能。逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽低层不同的MAC方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的转发确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。5)MAC层功能。该部分软件控制监测节点对无线信道进行访问。由于本系统是基于AdHoc的网络结构，监测节点对无线信道的共享方式比较特殊(称为多跳共享)。这种共享方式存在隐藏终端和暴露终端问题，有可能导致多个节点同时发送信息时产生冲突，因此需要由MAC层协议来控制节点对信道的访问，尽量避免冲突事件发生。目前，无线局域网和AdHoc网络中的主流MAC协议(如802.11系列)已经发展成熟，应用于本系统的可行性高。无线传输单元主要由低功耗、短距离的射频收发器组成，完成OSI7层模型中物理层的功能(无线信号的调制/解调、发送/接收等)。高压输电线的铁塔间距离在几百米至千米之间，对于500kV以上的超高压和特高压线路，塔间距离平均为400～700m。近年来无线技术的发展，尤其是802.1X系列标准的提出和成熟应用，使得实现这一目标可以有多种选择，例如目前非常成熟和廉价的802.11系列无线网卡，体积小，功耗低(几十mW至200mW)，在无障碍的空旷环境中最大通信距离为300～1000m，带宽可达到10～54Mbit/s，稍加改进便可满足塔间宽带通信的需求。为进一步减小能量消耗、增加无线传输的距离，每个无线监测节点还可配备高增益的方向性天线。由于监测节点架设在输电线路铁塔上的，位置距离地面非常高，且相邻的几级铁塔基本成直线排列，中间无障碍物遮挡，这为方向性天线的使用创造了有利条件。供电单元由太阳能阵列、电磁感应发电单元、电源控制器、蓄电池组成。对于某些重要节点，还可以选择配置低启动风速的小型风力发电机，以增加供电可靠性。3波分复用传输系统的设计铁塔上光通信节点的主要功能是：汇聚自身周围较大范围(如20～30km)内所有无线监测节点传来的信息，在进行分析处理和光电变换后通过光纤进行远距离转发，利用光纤这种优良的通信介质，大幅度提高信息传输的速度和可靠性。塔上光通信节点的组成如图3所示，其中数据处理单元、外部数据接口以及供电单元部分的结构与功能与无线监测节点的同类单元基本相同，因此不再详述。光传输模块是光通信节点主要部分之一，它主要完成物理层的功能，即把上层准备发送的数据包转换为合适的光信号序列，并在光纤介质上进行发送。目前，光传输模块的技术较为成熟，已经在信息网络设备中大量使用。普通的100Mbit/s的单模光模块，可以实现最大为120km左右的传输，而发送光功率极低(不足1mW)。在普通的应用中，光纤通信通常是用作点对点传输用途，而本系统中，为了保证部分节点失效时光信号的通路不至于中断，我们希望一个光节点发出的信号能够被相邻几跳内的多个光节点接收。由于光纤通道本身不具备无线信道那样的广播特性，我们引入光分路器与合路器来解决多节点共享光纤信道的问题。如图3所示，在光通信节点接收端的光纤与光模块之间增加一个1:2的光分路器，在输出端的光纤与光模块之间增加一个2:1的合路器。当接收信号时，线路光纤上传来的光信号首先进入输入端的光分路器，经过分路器后变为2路信号，其中一路光信号被连接到光模块的输入端(称为I支路)，供本节点分析处理；另一路光信号则经一段辅助光纤后直接连接到另外一侧的光合路器的两个输入端之一(称为Q支路)，经过合路器后与该侧线路光纤连接，以便继续传输到多跳以外的其他光通信节点。可以看出，采用这种设计后，光信号不仅可被本节点接收处理，也可以直接“穿透”本节点而被其他光节点接收和处理。因此，当本节点的数据处理器单元、光传输模块以及供电单元等部分出现故障时，不会影响光信号继续传输。而光分路器、合路器单元是无源部件，可靠性高，发生故障的概率可忽略不计。由于光分路器的引入，避免了因单个节点故障引起整个系统无法工作的问题，提高了监测系统整体的可靠性。在实际应用中，光分路器2路输出信号的具体衰耗与光分路器的分光比有关，可以按照工程需要选择合适的分光比。原则上为了尽量增加光信号的最大传输距离(穿越尽量多的光节点)，应给Q支路分配更大的比例，使大部分的光信号能量直接穿透本节点继续向其他节点传播。按照图3给出的基本结构，需要用2根光纤将各个光通信节点进行连接，但在实际使用时还可在光通信节点的两侧各增加1个光纤波分复用器(无源器件)，组成单纤双向结构的波分复用传输系统。这样使用1根纤芯即可完成光通信节点的组网运行。4系统的无线adhoc网络本监测系统的组网方法如图4所示。在高压输电线路延线的每个铁塔上安装无线监测节点；在沿线间隔20～30km的位置选择有光缆接续盒的特定铁塔作为汇聚点；在汇聚点铁塔上以及线路两端的变电站内同时安装无线监测节点和光通信节点。各级铁塔上的无线监测节点之间组成具备自组织、自适应能力的无线AdHoc网络，在一定区域内对线路监控信息进行接力转发，传送至设置在汇聚点铁塔上的光通信节点。所有光通信节点通过高压输电线路上的电力特种光缆中的1～2根空闲光纤连接，组成一个类似AdHoc网络的具有自组织能力的光网络，采用多跳转发的方式进行数据通信。线路的监控中心设置在线路一端的变电站内，为进一步增强系统的可靠性，可在线路对端的变电站内设置迂回路由。如图4所示，将对端站内光通信节点输出的信号经过专用的协议转换器进行变换，再通过SDH设备提供的VC-12虚级联通道传回监控中心所在的变电站。通过以上无线AdHoc网络和光纤网络相结合的方式，监控中心可以和任何铁塔上的监控节点进行信息交互，实现对线路的实时监测和控制。5线路监测系统的运行模式1）线路监测模式。在该模式下，输电线路铁塔上的无线监测节点通过各种传感器收集输电线路的信息。数据处理单元对这些监测信息进行判断处理，对于实时性较强的信息(如告警或实时音视频信息)立即开始转发过程，通过无线AdHoc网络和光纤网络相结合的方式，将信息传送到线路监测中心。对于无实时性要求的信息(如周期性采集的线路状态或静止图片信息)，可先存放在存储器中，等待在预先设定的网络空闲时间段，或是接收到监测中心传来的查询指令后，再将信息传送到线路监测中心。2）远程控制模式。在该模式下，工作人员可以在线路监测中心对线路全程任意铁塔上的特定设备进行远程控制，例如：