输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究.docx
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输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究
宁夏电力输电线路在线监测系统
通信接入技术应用研究
宁夏电力公司
2012年2月9日
第一章输电线路在线监测系统简介
随着国家电网公司建设“一强三优”现代电网战略的快速推进，采用科技手段提高电网安全运行水平成为现代化电网发展的必然趋势。
利用远程可视化技术实现对环境恶劣区段高压输电线路的运行数据及实时画面的监视，对进一步提高电力安全运行水平具有十分积极的意义。
输变电设备状态监测系统是实现输变电设备状态运行检修管理、提升输变电专业生产运行管理精益化水平的重要手段。
系统通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术实现各类输变电设备运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测。
输电线路监控系统是将摄像头和传感器的模拟信号：
输电杆塔、线路、周边环境的信息和图像进行数字化，压缩后通过有线或无线的传输方式接入电力系统地市、网省的视频监控中心，在监控中心对数据进行解码得到线路的实时运行数据及周边环境信息和视频图像。
第二章系统通信需求
输电线路在线监测系统通过分布在输电线的各种传感器和视频设备来采集数据。
需要监测的性能数据主要包括下面的内容：
1 气象环境：
温度，相对湿度，风速，风向，气压，雨量，光辐射，覆冰监测。
2 导线监测：
导线弧垂，导线温度，导线微风震动，导线风偏，导线舞动。
3 杆塔监测：
杆塔振动监测，杆塔倾斜监测。
4 杆塔附件监测：
绝缘子风偏监测，绝缘子污秽监测。
数据的方向：
终端传感器的定时周期上报监测数据和主站主动要求传感器提供的监控数据。
根据对通信带宽需求的不同，数据主要分为以下三类：
1.窄带数据：
比如气象情况【温度，湿度，雨量等】，导线温度等，此类数据变化的比较慢，数据流量较小，并且无需实时刷新，一般为查询或者定时上报。
此类数据带宽需求不高，一般在1kbps之下。
2.静态图片数据：
一般提供监测点的静态图片，一般为查询或者定时上报，数据流量为100k左右。
3.视频数据：
实时视频监控，要求有较高的清晰度。
依据附件-1的理论计算，按照输电线路的视频监控系统增量数据基本在20%之内估计，为了方便进行计算，我们经验上将输电线路在线监测系统视频带宽需求按照：
D1格式-->1Mbps，720p格式-->2Mbps。
以上三类上传数据中，视频数据对于通信通道的传输时延、传输带宽要求都较高，是输电在线监测系统回传通信系统中需要着重考虑的方面。
第三章输电线路在线监测接入系统框架
3.1通信接入方案设计准则
由于输电线路多分布在野外，点多面广，线路周边的环境恶劣,线路设备施工困难，采用何种通信方式实现数据回传，目前并没有定论。
需结合现场实际条件、建设施工及综合造价等条件因素综合考虑提出最佳的解决方案。
针对通信接入方案的选择，需要考虑下面的准则：
1.系统需要充分考虑各种当下通信方式的优缺点，从标准化、系统成本、可实现性、可管理性上综合考虑。
2.通信方式需要采用时下较为先进的通信技术，对于设备的带宽、远程管理、QoS、IP化都要有考虑，系统需要满足未来5年内的通信需求并有一定的预留容量。
3.系统应用环境比较特殊，对于设备的可靠性、功耗、户外工作适应性需要有充分考虑。
4.系统需要符合国家电网对于信息化、标准化、安全、管理调控等方面的相关规范。
3.2通信接入系统模型
下图3-1将输电线路监控系统模型做了描述。
图3-1：
输电线路在线监测系统模型
整个系统包括5个典型的节点；4个通信链路。
五个节点包括：
1.监控终端节点。
【传感和视频终端，在输电杆塔上】
2.杆塔节点。
【杆塔的CMA设备】
3.汇聚节点。
【多个杆塔节点业务汇聚节点】
4.变电站节点。
【变电站】
5.监控主站。
【地市、网省中心机房】
四个通信链路包括：
1.现场网络通信链路。
【从监控终端到杆塔节点的通信链路】
2.多个杆塔节点到其汇聚节点的通信链路。
3.汇聚节点到变电站节点的通信链路。
4.变电站节点到监控主站的通信链路。
3.3通信节点功能
下面是各通信节点功能说明。
1、监控终端节点【位置：
输电杆塔】
监控终端提供基础数据采集，系统包括各类传感器、视频监测设备。
终端设备负责将末端信息传送到杆塔节点设备。
2、杆塔节点【位置：
输电杆塔】
本节点设备符合CMA（conditionmonitoragent）的规范需求，一般安装在输电线路杆塔上，将现场监测、监控信息进行智能化加工为主站所需的“熟数据”。
3、汇聚节点【位置：
杆塔、变电站、中心主站。
。
。
】
将多个杆塔节点的数据进行汇聚后再向变电站/主站进行传送。
这样可以提高效率、降低系统整体成本，尤其是在杆塔节点比较密集的情况下。
如果杆塔节点非常稀少的情况下，汇聚节点可能不需要。
汇聚节点设备应该符合CMA（conditionmonitoragent）的规范需求。
如果采用无线公网方案，汇聚节点在中心主站。
采用专网方案时，汇聚节点可以在杆塔或者变电站，但是最终的业务都送到变电站。
4、变电站节点
将汇聚节点的数据接入变电站的光纤骨干通信网，然后将在线监测数据传送至监控主站。
5、监控主站【位置：
地市、省监控中心】
监控主站一般置于省、地市的信息中心。
包括线路CAG、数据服务器、监视器系统等。
由光纤通信网络实现各远端监控节点的数据汇聚，然后通过安全处理环节后到达监控主站，主站实现状态监测数据库的维护和加工，集中将各个监测点的数据进行集中展示、存储、数据加工、远程配置等处理。
3.4通信链路
1、现场网络通信
现场网络为监控终端到杆塔节点的通信。
监控终端与杆塔节点CMA通过I1接口通信，当前I1接口无通用规范，一般都采用厂家的私有协议。
现场网络视频一般采用有线方式，其他监测数据可以通过无线局域网或无线传感网与杆塔节点对接。
此段通信方式比较明确，不在本次研究范围之内。
2、杆塔节点到汇聚节点的通信
如图3-1中所示，通信链路-2为多个杆塔节点数据汇聚的通信网络。
本段链路是本次研究的重点内容。
3、汇聚节点到变电站的通信
汇聚节点到变电站，可以采用有线方式（光纤、铜线）、无线方式，然后数据送到变电站的SDH/MSTP。
本段链路是本次研究的重点内容。
4、变电站节点到监控主站的通信
如图3-1，“通信链路-4”为变电站到监控主站的传输通道，此段一般都采用光纤通信的方式。
根据上面的分析，本文目的是选择合适的网络接入方式解决从“杆塔节点”到“变电站节点”的数据通信。
第四章接入通信方式介绍
4.1通信方式
当前通信技术丰富多样，有必要针对输电线路在线监测接入网的实际应用，分析各种通信技术的优缺点，找出最佳解决方案。
按照实际情况，我们分析下面4类主流的通信技术：
1.光纤有线方式。
2.长距离微波传输。
3.无线公网方式。
4.无线专网方式。
下面对于这4类通信方式做详细分析。
4.2光纤有线方式
电力光纤一般为OPGW和ADSS。
技术可以采用成熟的光纤通信方案：
EPON，SDH，光纤以太网等方式；考虑EPON系统对传输距离有限制，SDH设备很少提供工业级，光纤以太网方案符合工业级产品要求，所以可以优选光纤以太网方案。
下图为采用光纤有线方式的应用框图：
图4-1：
光纤有线解决方案
从输电线路的OPGW光缆内选择2芯用于输电线路在线监测。
选择具有OPGW分接点处安装光纤通信设备接入监控信号。
但是不宜频繁对OPGW开口。
相邻的无接头杆塔节点设备的信息仍需采用无线方式与此接头点光纤通信设备连接。
典型的OPGW开口间隔为：
2km到5km。
光纤有线方式优点很多：
通信容量大，抗电磁干扰强，采用成熟的光纤系统。
采用工业以太网设备，如果系统按照FE来进行计算，系统节点10-16个，每个节点最高可达5Mbps左右；如果系统按照GE来进行计算，系统节点10-16个，每个节点最高可达50Mbps左右。
但是光纤有线系统存在下述的问题：
1.OPGW光纤接头跨距大，仍需将中间无光纤开口杆塔节点设备依靠无线设备汇聚。
2.铺设从光纤接入节点杆塔到变电站的光缆代价大，施工周期长。
3.光纤线路后期需要维护。
4.3微波方式
微波通信使用波长为1～0.1m（频率为0.3～3GHz）的电磁波进行的通信。
微波系统调制方式一般为QAM或者QPSK，抗阻挡、多径干扰能力一般，因此微波通信的主要方式是视距通信。
数字微波系统包括PDH、SDH微波，从技术上看采用的是TDM技术，与当下的IP化方式相背离。
如果接入输电线路在线监测的IP信号时，需要增加协议转换设备，无疑增加了系统建设、维护的复杂程度，所以不建议采用这样的方式作为输电线路在线监测通信接入方案。
4.4无线公网方式
当前通信运营商所提供的无线公网的方案有：
1.卫星通信方式。
3大运营商、中国卫通提供此项业务。
2.2G/3G公网方式。
3大运营商提供此项业务。
3.4G公网方式。
3大运营商正在实验LTE和Wimax。
4.4.1卫星通信
卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信。
其特点是：
通信距离远；覆盖广。
卫星通信使用微波频段300MHz～30GHz。
卫星通信资费方面比较突出，可提供的带宽较低。
但是具有全覆盖的特点，在光纤、无线专网、2G/3G无线公网均不适合的窄带应用场合才会考虑。
4.4.22G/3G公网方式
电信运营商公网普遍提供2G/3G数据业务服务，主要方式包括--GPRS、EDGE、CDMA1x、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000。
GPRS为通用分组无线服务技术，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。
GPRS的理论传输速率为56--114Kbps。
EDGE是一种从GSM到3G的过渡技术，它主要是在GSM系统中采用了一种新的调制方法，最高速率可达384kbit/s。
CDMA1X系统采用反向相干解调、快速前向功控、发送分集、Turbo编码等技术，网络数据速率可达到144Kbps。
TD-SCDMA是中国移动采用的3G无线通信技术标准。
目前已经全面升级到HSDPA，TD下行速度峰值理论可达2.8Mbit/s，上行速度峰值可达384kbit/s。
CDMA2000是中国电信采用的3G无线通信技术标准，数据业务速度可达3.1Mbit/s下行和1.8Mbit/s上行。
WCDMA是中国联通采用的3G无线通信技术标准，理论上WCDMA网络实现HSDPA之后下行速度可达到7.2Mbit/s，上行速度可达5.76Mbit/s。
当前3G网络商用带宽下行可达200-500kbps，上行一般50-200kbps。
2G/3G公网方式具有开通方便的优势，但是运营商数据流量收费较高，所以此方式不适合高带宽，实时性要求高的视频监控接入，可以考虑接入窄带、低带宽监测数据。
下表为各种通信方式的对比情况：
表4-22G/3G数据方式对比说明
技术
技术特点
传输速率
数据业务能力
国际标准
系统频段
GPRS
在原有的GSM网络的基础上增加了SGSN、GGSN。
与GSM公用BSS。
单时隙10-13kbps，最高50~114kbps
数据业务能力一般，无QoS
2.5G
移动900MHz
885-905MH，930-950MH；
905-909MH，950-954MH
移动1800MHz
1710-1720MH，1805-1815MH
联通900Mhz
909-915MH，954-960MH
联通1800MHz
1745-1755MH，1840-1850MH
EDGE
采用多时隙操作和8PSK调制技术，比GPRS提高3倍带宽。
单载波可达30kbps，最高384kbps
数据业务能力较好，无QoS
2.5G
同GPRS
CDMA1X
扩频速率为SR1。
实际100kbps左右
数据业务能力较好，无QoS
2.5G
821～825MHz
866～870MHz
WCDMA
载波带宽为5MHz。
HSDPA：
DL：
14.4Mbps；UL：
5.76Mbps
数据业务能力较好，有QoS
3G
1940-1955MHz
2130-2145MHz
CDMA2000
采用多载波（MC）方式，载波带宽为1.25Mhz。
DL：
3.1Mbps；UL：
1.8Mbps
数据业务能力较好，有QoS
3G
1920-1935MHz
2110-2125MHz
TD
TD一个载频1.6MHz。
TD-HSDPA：
DL：
2.8Mbps；UL：
0.384Mbps
数据业务能力较好，有QoS
3G
1880-1900MHz
2010-2025MHz
4.4.34G公网方式
4.4.3.14G技术简介
4G是第四代移动通信及其技术的简称，当前公认的比较有希望的4G方式是：
LTE、Wimax。
能够提供100Mbps的速度下载，以移动的方式实现高清、多媒体应用。
LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。
WiMax为全球微波互联接入，采用当前最新IEEE802.16m技术可以提供300Mbps带宽。
4G技术已经提出4-5年，但由于运营商当前3G尚未建设完毕，启动4G需要大量资金；频段尚未完全确定等问题。
国内尚未形成真正的商用网络。
所以说4G公网当前不具备作为输电线路接入网络的条件。
4.5无线专网方式
4.5.1无线专网技术介绍
宽带无线接入技术既属于无线通信技术范畴，又属于接入网的范畴。
当前各种宽带无线专网技术在系统上都是遵从或借鉴IEEE802.11x，802.16，Wifi的底层数据结构、无线通信的调制技术、多址技术、空中接口链路、无线频谱等技术特点。
根据采用不同的技术，无线专网系统的接入点覆盖范围从几十米到几十、几百公里，可以实现各种范围的网络覆盖；带宽也从几兆、几十兆到几百兆都可以实现。
下表为几种主流无线专网通信技术的带宽和频谱情况：
表4-3主流无线专网技术
技术协议
标准采用频段
最大数据带宽能力
802.11a
5.8G
54Mbit/s
802.11b
2.4G
11Mbit/s
802.11g
2.4G/5.8G
22-54Mbit/s
802.11n
2.4G/5.8G
300-540Mbit/s
802.16
2G--66G
2-155-300Mbit/s
Wifi
2.4G
11Mbit/s
802.11x是一个协议族，包括a，b，g，n。
系统采用CSMA/CA协议，a，g使用最为广泛，最大数据传输率为54Mb/s。
新的802.11n可以支持到300M带宽应用。
IEEE802.11b载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit/s，IEEE802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。
802.16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获得最优性能而设计的。
频段范围：
2～60GHz。
系统支持OFDM调制，波形在几十ｋｍ的通信距离上支持高频谱效率，在一个射频内速率可高达70Mbit/s。
系统支持先进的网络拓扑（网状网）和天线技术（波束成形、ＳＴＣ、天线分集）来进一步改善覆盖。
这些先进技术也可用来提高频谱效率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。
媒体接入控制（MAC）层支持QoS管理，能满足对不同业务质量的要求，支持连接带宽策略调整，以保证语音和视频等实时业务的低延时要求。
最新批准IEEE802.16m标准可支持超过300Mbps的下行速率。
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。
Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）所持有。
主要用于改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
4.5.2无线专网技术应用对比
Wi-Fi技术适用于近距离（通常100米左右）、视距条件，应用于小区域内对QoS要求不高的业务的汇接，由于其采用CSMA/CA协议，当节点数增加时，通信效率急剧下降。
802.16传输距离更长，传输速率更快，它对安全方面提供了更多的手段，并且支持MIMO、MESH、智能天线技术等，802.16m的WiMax2标准可以支持到300M带宽。
根据对比802.16方式更适合电力网无线专网应用。
针对电网的输电线路监测应用，需要考虑先进的调制技术、多址技术、动态自适应、安全技术、天线技术、最佳设计方案来保证更好的传输质量。
第五章各种通信方式对比和结论
5.1各通信方式对比
各种通信方式都有其最佳适用的场景，下面将根据输电线路在线监测通信需求中关心的问题将各种通信方式做对比分析。
下表为各种通信方式在不同方面的对比表：
表5-1各种通信方式对比
对比项目
光纤方式
微波方式
卫星公网
2G/3G公网
4G公网
无线专网方式
对比分析
系统
带宽情况
采用光纤通信的方式，可以是EPON，SDH，GEswitch的方式，每个节点可以获得大于2M左右的带宽。
最大可以达到20M-30M。
传统的微波为PDH，带宽较小。
新型的SDH微波带宽可达155M。
典型系统为点到点，需要接力。
采用卫星通信带宽较低，不考虑视频应用，仅考虑1kbps带宽的监测数据传输。
2G网络可以提供56--114Kbps带宽。
3G网络可以提供100--200Kbps带宽。
每个覆盖站可以提供100M带宽，但是网络尚未商用。
点到多点模式（汇聚模式），按照1：
16，每个节点可以提供2M带宽。
点到点的模式，可以支持220M--300M。
光纤方式提供带宽最大，微波、无线专网次之，下面的顺序是4G，2G/3G,卫星。
2G，3G，卫星方式带宽有限不支持图像传输。
其他带宽符合图像传输要求。
系统
实时性
系统时延较低。
实时性高。
典型为50ms
延时较大，一般为几百到1000ms。
需要与运行商IP网络网关转换，系统延时大。
大于秒级。
比2G/3G会有改善。
但仍然较大。
系统的MAC采用TDM、TDMA方式，系统延时小、效率高。
典型系统时延5ms。
光纤和无线专网有较高的实时性。
其他方式实时性较差。
系统
可靠性
需选择工业级产品，系统可靠性高。
需选择工业级产品，系统可靠性高。
需选择工业级产品，代价较大。
需选择工业级模块，比民用代价大。
网络本身是面向民用级。
需选择工业级模块，比民用代价大。
网络本身是面向民用级。
本身符合工业级需求，具备野外特性，对于温度、天气等适用率高。
都需要采用工业级产品，符合电力高可靠性的需求。
系统
安全性
电网有线内网，安全性高。
无线内网，无线数据有扰码和加密，安全性高。
公网，数据通过运营商，需要考虑安全通信处理环节。
公网，数据通过运营商，需要考虑安全通信处理环节。
公网，数据通过运营商，需要考虑安全通信处理环节。
无线内网，无线数据有特殊编码、封装和加密，安全性高。
公网方式需要考虑安全通信处理环节。
系统
可用性
系统可用性强。
系统稳定可靠。
会收到天气、遮挡、电磁波的干扰。
需从调制方式、物理层寻求好的方法。
全覆盖。
会收到天气、遮挡、电磁波的干扰。
覆盖取决于运营商建设。
有信号盲区。
会收到天气、遮挡、电磁波的干扰。
覆盖取决于运营商建设。
有信号盲区。
会收到天气、遮挡、电磁波的干扰。
会收到天气、遮挡、电磁波的干扰。
需从调制方式、天线寻求好的方法。
光纤系统可用性最高；无线方式均存在天气、遮挡、电磁波的干扰。
需要选用先进的调制方式，天线方式提升可用性。
系统
抗干扰性
光纤系统抗干扰性强。
抗干扰性一般。
必要时提高发射功率，增强天线能力。
抗干扰性一般。
必要时提高发射功率，增强天线能力。
抗干扰性一般。
本身为民用系统，完全取决于运营商。
抗干扰性一般。
本身为民用系统，完全取决于运营商。
物理层采用正交频分复用（OFDM）、收发分集、自适应调制等多种先进技术实现非视距（NLOS）传输。
光纤系统抗干扰性最高；无线专网、微波系统可以采用先进的调制和物理层技术提高抗扰性；无线公网完全取决于运营商。
系统施工
难度
需要施工光缆。
不建议频繁将OPGW光缆开口。
OPGW，ADSS施工都有完善的施工经验。
无线设备，无需光缆施工。
施工代价低。
无线设备，无需光缆施工。
施工代价低。
无线设备，无需光缆施工。
施工代价低。
无线设备，无需光缆施工。
施工代价低。
无线设备，无需光缆施工。
施工代价低。
杆塔光接入点需选择OPGW光缆接头，不宜在短距离频繁进行开口施工。
无线方式施工方便。
系统成本
系统成本包括：
光缆成本，光缆施工成本，光纤通信设备成本（典型的为EPON），系统供电成本。
系统成本包括：
微波设备成本，安装施工成本，系统供电成本。
如果系统为SDH/PDH,还需要IP-TDM转换设备。
系统成本包括：
卫星通信设备成本，安装施工成本，系统供电成本，支付给运营商的流量费用。
系统成本包括：
无线公网通信设备成本（2G，3G），安装施工成本，系统供电成本，支付给运营商的流量费用。
系统成本包括：
无线公网通信设备成本（4G），安装施工成本，系统供电成本，支付给运营商的流量费用。
系统成本包括：
无线专网设备成本，安装施工成本，系统供电成本。
需要综合实际需求，每种应用在不同场合有不同性价比。
系统维护
光纤通信系统为电网自有网络，需要维护网络、局端设备、终端设备。
系统为电网自有网络，需要维护局端设备、终端设备。
无线网络无需维护。
公网，只考虑维护终端设备。
公网，只考虑维护终端设备。
公网，只考虑维护终端设备。
系统为电网自有网络，需要维护局端设备、终端设备。
无线网络无需维护。
公网方案所需维护量最小。
无线方式无需维护网络，只维护设备。
光纤有线方式需维护设备+网络。
5.2对比分析结论
综合上述的对比，可以得到结论如下：
1.光纤有线方式、无线专网方式、2G/3G无线公网方式3种方式为适合当下输电线路在线监测通信系统的方式。
建设中可以依据实际情况因地制宜地选择适合的方案。
2.光纤有线方式在很多方面具有优势，如果线路上具有丰富的光纤资源，比如：
具有适合的OPGW开口节点、从某输电线路到变电站已经具备了光缆连接的，选用光纤方式可大幅降低造价。
3.无线专网方式可以灵活的按照点到点、点到多点进行组网。
系统采用802.16方式，系统最大支持视距200km的距离，带宽最大可达300M。
系统具有高实时性、大带宽、施工成本低的显著特点。
系统适合做为输电线路在线监测系统的回传通信方式之一，尤其在无光纤资源又需要实时视频的场合。
4.当输电线路在线监测系统无实时图像需求情况下，如果仅需窄带、实时性不强的监测数据时，考虑公网有覆盖情况下，选择电信运营商无线2G，3G公网方式作为回传通信网络。
此时系统初步投入较少，网络也无需维护。
但是需要考虑网络的安全性和后期的流量费用。
第六章经济性分析
6.1公网方式
无线2G，3G公网都是按照流量进行收费。
适用低带宽监测数据，静态图片应用，不适合实时高清视频监控的场合。
宁夏地区中国移动的GPRS，3G套餐资费政策：
5元30MGPRS流量
20元150MGPRS流量
50元500MGPRS流量
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