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摘要：输电线路作为整个电力系统的大动脉，其可靠性和稳定性决定了电力系统的整体性能。为提升输电线路检修维护管理水平，完成智能电网建设要求，一套功能完善、性能可靠的在线监测系统是必不可少的。
关键词：输电线路；在线监测通信；传输网络设计；实现
1导言
随着电网覆盖范围越来越广，线路的电压等级不断提升，信息化、智能化需求越来越高，输电线路的维护管理工作面临质的飞越。
2在线监测通信组网方案设计
2.1输电线路在线监测系统
输电线路在线监测系统包含前端采集装置，通信传输网络及后台监控中心（见图1）。
图1输电线路状态监测系统基本结构
前端采集装置指安装于线路及杆塔上的状态监控传感器，主要负责对线路及杆塔周围的振动、倾斜、气象环境等情况进行实时监测，同时采集倾角、温湿度、视频图像等数据信息。传输网络负责把监测终端采集的数据进行打包，压缩后传送至数据库。监控中心完成数据提取，结合历史数据信息进行分析对比，评估线路运行状况。
2.2通信传输方案对比分析
在保证数据安全性的前提下，为使大数据量的监测信息能够通过安全接入平台进入内网，通信传输网络需具有以下性能。1）实时性好：带宽足够，可以同时传输多路高清视频，数据传输实时性好。2）安全性强：数据加密，防止黑客攻击，满足电力系统数据传输安全性的要求。3）运行可靠：通信网运行要可靠，减少后期维护，减少单台设备损坏影响的范围。4）控制成本：要求前期建设和后期维护成本满足要求。从成本、性能和工程可实现性3个方面对光纤通信、无线公网通信和宽带专网通信进行了对比分析（见表1）。
表1通信传输方案对比分析
综合考虑成本、网络性能和工程可实现性3方面因素，宽带专网是较合适的组网方式。
2.3无线宽带专网总体设计
电力行业专有网络频率（230MHz）较低，带宽较窄，不能满足视频数据的传输需求。将无线宽带专网的传输频率设定为5.8GHz，带宽125MHz，属于开放的频段，性能可以满足要求。目前，国网河北省电力公司的安全接入平台只支持公网信号的接入，因此网络必须加入公网部分。考虑到费用问题，在设计方案时，首先要减少接入运营商的节点数量，其次要尽可能降低传输的信息流量。综合多方因素，最终设计出无线宽带专网与4G公网相结合的网络架构。无线宽带专网总体方案如图2所示。整个网络分为无线宽带专网部分和APN专线通道部分。沿输电线路搭建无线宽带专网，每个接入网络的杆塔均作为客户端节点，通过无线收发装置接入网络，完成信息双向传输。选择一个距市区较近，4G信号较好的杆塔作为末端节点，末端节点需安装4G通信模块和国网认证的安全加密芯片，将沿线客户端节点发送的信息通过公网传送至运营商信号塔，再通过运营商至省公司的APN光纤专线通道通过APN网关接入安全接入平台的服务器上，安全接入平台进行解密，再通过身份认证等流程将数据转发到各分公司指定IP地址的电脑上。
图2无线宽带专网总体方案
如果需要向终端采集设备下达命令，同样通过该传输通道，通过公网将信号传送到末端节点上安装的4G通信模块上，末端节点通过沿线的无线宽带专网将信息传送至指定节点设备。
3设备组成及原理
3.1客户端节点
客户端节点由信号采集设备、具有中继和双向通信功能的无线通信终端、工控机、交换机、太阳能电池组及蓄电池组成。客户端节点设备内部模块组成如图3所示。
4技术原理及实现
4.1有向天线技术
有向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他方向上发射及接收电磁波极小的一种天线。采用有向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性，增强信号强度，增加抗干扰能力。方案中使用5.8G小角度栅格天线，传输距离可达2km左右。该天线为自动转向天线，通过电动转向装置，实现天线角度在一定范围内自动调整到最佳接收方向。自动转向天线节省了安装时人工调整天线方位角的工作，减少了安装时间，可以实现自动查找最强信号源，并锁定传输方向的功能。
4.2正交频分复用技术
无线通信传输距离受发射功率和载频的限制，提高发射功率可增加传输距离，但是，发送功率受限于无线电管理委员会规定，不可无限制地增加。适当降低载频可提升传输距离，但载频降低的同时带宽也会下降，通信带宽和距离是相互矛盾的。正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）的原理是将信道划分为若干个正交子信道，同时，将高速的数据信号转换成为并行的低速子数据流，调制到正交子信道上传输，在接收端利用相关技术恢复原始信号。OFDM技术由于信号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子信道均为平坦性衰落。OFDM技术最大的优势在于抗频率选择性衰落。采用OFDM技术，将频段的频宽W划分出众多频道M，自动测量频道噪声，若存在干扰，则自动予以剔除，剩余N个频道噪声很小，从而降低接收灵敏度至少5dB，实际通信距离如表2所示。
表2采用OFDM技术的通信距离
方案中采用OFDM技术，载频5.8GHz，频宽700M，频带利用率约为0.4~0.7，因此，带宽约为280~490M，采用该技术后，传输距离从2km提升至5.9km，通信距离显著增加。
4.3跳时扩频技术
通信带宽资源宝贵，采用一般的扩频技术无法满足在线监测系统视频数据传输要求。综合对比各种扩频通信技术，结合网络情况，最终选择跳时扩频技术。跳时扩频技术通过伪随机序列选择信号发送时刻和信号持续时间，即发送信号在时间轴上跟随伪随机序列离散的跳变。将时间轴分为若干时片，通过窄的时片实现信号频谱的扩展。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，从而有效抑制了电网的时域脉冲干扰。本文搭建的无线宽带专网是利用跳时扩频通信技术对现有的OFDM技术进行改进，使其更加实用化，提高了通信速率和抗干扰性。重新计算实际通信距离如表3所示。
表3采用改进的OFDM技术的通信距离
5结语
本文针对输电线路在线监测系统视频数据传输存在的问题，结合当前通信新技术及安全接入平台规范要求，设计了一种无线宽带专网与4G公网相融合的通信组网方案，利用跳时扩频通信技术对现有的OFDM技术进行改进，结合有向天线技术，实现带宽54M，传输距离大于10km的无线宽带专网组网。通过实际测试，通信带宽及传输距离有大幅提高，取得了预期效果。方案不仅保证了数据传输的安全实时，还提升了传输带宽，有效地控制了对输电线路进行在线监测的成本。
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论文作者:谢新政
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/8
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