輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王乃永，鄧育平，譚蓉，見(jiàn)偉，衛(wèi)鵬

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710065；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；3. 陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054；4. 北京朗新科技有限公司，北京 100101）

目前，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的研究及開(kāi)發(fā)非常迅速，監(jiān)測(cè)范圍涉及線路沿線環(huán)境、桿塔結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、導(dǎo)地線及絕緣子的指標(biāo)與狀態(tài)，輸電線路智能化檢測(cè)設(shè)備的安裝為安全生產(chǎn)和線路運(yùn)行維護(hù)提供了大量的數(shù)據(jù)和資料，為實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)檢修提供了條件，但在現(xiàn)階段的推廣應(yīng)用中，也出現(xiàn)了大量產(chǎn)品質(zhì)量、工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的開(kāi)展。這些問(wèn)題，部分是由于裝置可靠性和產(chǎn)品成熟度問(wèn)題導(dǎo)致的，而另一部分則是由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不成熟、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、缺乏統(tǒng)一規(guī)劃而引起的。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及監(jiān)測(cè)選點(diǎn)設(shè)計(jì)、通信方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)安全及技術(shù)選型等多個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)急需要系統(tǒng)的、典型化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)依據(jù)，而現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范主要側(cè)重于監(jiān)測(cè)裝置標(biāo)準(zhǔn)化方面[1-2]，在系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，則缺少標(biāo)準(zhǔn)化的成套設(shè)計(jì)方案與方案選擇原則，造成線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案隨意性、差異性較大，缺少統(tǒng)一的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，不僅增加了設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)的工程復(fù)雜度，而且也給生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)帶來(lái)了極大不便。

要解決上述問(wèn)題，需統(tǒng)一輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、統(tǒng)一智能輸電線路建設(shè)各階段的設(shè)計(jì)深度、統(tǒng)一設(shè)備布點(diǎn)原則、統(tǒng)一安裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)深度定義

當(dāng)前運(yùn)行的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與建設(shè)模式上通?？煞譃閮深悾活愂窃诰€路設(shè)計(jì)與建設(shè)階段完成，將線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝設(shè)計(jì)與線路本體設(shè)計(jì)同步進(jìn)行[3]。另一類是在線路建成后運(yùn)行階段完成，是運(yùn)維檢修單位根據(jù)線路運(yùn)行情況對(duì)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并在線路運(yùn)行或檢修狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)安裝。

在線路設(shè)計(jì)可研、初設(shè)及施工圖階段，分別對(duì)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及通信方案進(jìn)行不同深度的設(shè)計(jì)，需對(duì)各階段的設(shè)計(jì)輸入、輸出作出具體的規(guī)范化定義，從而使得線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠更加符合線路建設(shè)與運(yùn)行的需要。

1.1 可行性研究階段

在線路可研階段，設(shè)計(jì)單位要對(duì)規(guī)劃線路進(jìn)行路徑勘查，確定線路路徑方案，并根據(jù)線路設(shè)計(jì)收集到的信息，對(duì)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性進(jìn)行充分評(píng)估，若存在狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，則進(jìn)行初步的技術(shù)方案設(shè)計(jì)，確定狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型和總體通信方案，并對(duì)投資進(jìn)行估算。

線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)可行性研究報(bào)告應(yīng)包含以下幾方面內(nèi)容：

1）線路工程概況：線路路徑、主要交叉跨越、交通狀況、公網(wǎng)通信狀況、工程地質(zhì)條件、氣象條件、防污閃、風(fēng)偏、雷擊、鳥害措施等。

2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)必要性進(jìn)行論證與分析。

3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域劃定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

4）基于線路路徑沿線通信狀況，確定線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)總體通信方案，如：無(wú)線公網(wǎng)、電力光纖專網(wǎng)或北斗衛(wèi)星通信方案。

5）基于線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)選點(diǎn)設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)通信方案，進(jìn)行線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投資預(yù)算與經(jīng)濟(jì)性分析。

1.2 初步設(shè)計(jì)階段

在線路初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位要對(duì)可研階段確定的線路路徑方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)部分重要內(nèi)容進(jìn)行專題研究。在此階段，根據(jù)上述優(yōu)化后的線路設(shè)計(jì)方案及收集的信息，對(duì)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)考慮安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)的區(qū)域、內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，對(duì)系統(tǒng)通信方案進(jìn)行優(yōu)化，并合理控制工程造價(jià)及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。具體內(nèi)容構(gòu)成如下：

1）線路工程概況：線路路徑、主要交叉跨越、交通狀況、通信狀況、工程地質(zhì)條件、氣象條件、防污閃、風(fēng)偏、雷擊、鳥害措施等。

2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)必要性論證與分析。

3）優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域分布、狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置類型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量確定。

4）線路路徑沿線通信狀況分析。

5）優(yōu)化系統(tǒng)通信方案，包括：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量量接入通信方案、遠(yuǎn)程傳輸方案、站內(nèi)通信接入方案、安全接入方案及主站接入方案等。

6）根據(jù)年最低氣溫、最大風(fēng)速等氣象資料確定塔上設(shè)備供電方案。根據(jù)光照及風(fēng)速資料采用太陽(yáng)能取能或風(fēng)光互補(bǔ)取能方案，根據(jù)最低氣溫確定蓄電池方案。

7）優(yōu)化線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投資預(yù)算，完善經(jīng)濟(jì)性分析。

1.3 施工圖設(shè)計(jì)階段

在線路施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位在線路現(xiàn)場(chǎng)踏勘與定位過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境同步對(duì)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的選點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，最大程度的匹配現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求。與此同時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)記錄每個(gè)塔位的通信狀況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接入通信方案進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌及塔位間的通視情況，對(duì)塔上通信裝置進(jìn)行選點(diǎn)設(shè)計(jì)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)施工圖設(shè)計(jì)方案內(nèi)容構(gòu)成如下：

1）線路工程概況：線路路徑、主要交叉跨越、交通狀況、通信狀況、工程地質(zhì)條件、氣象條件、防污閃、風(fēng)偏、雷擊、鳥害措施等。

2）線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型詳細(xì)布點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，包括：狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型確定、監(jiān)測(cè)裝置安裝塔位、安裝位置設(shè)計(jì)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

3）優(yōu)化后的線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信設(shè)計(jì)方案。若采用公網(wǎng)通信方案，則對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在塔位的公網(wǎng)信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行測(cè)量記錄，并對(duì)監(jiān)測(cè)裝置安裝位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；若采用電力光纖專網(wǎng)方案，則需根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)光纖接續(xù)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)塔上通信裝置安裝位置進(jìn)行優(yōu)化。

4）若采用電力光纖專網(wǎng)方案，則需設(shè)計(jì)變電站內(nèi)數(shù)據(jù)接入通信方案。

5）安全接入設(shè)計(jì)方案。

6）主站接入設(shè)計(jì)方案等。

7）優(yōu)化后的塔上設(shè)備供電方案。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)導(dǎo)則

2.1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型及選點(diǎn)設(shè)計(jì)

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的研究及開(kāi)發(fā)已得到廣泛應(yīng)用，監(jiān)測(cè)范圍涉及線路沿線環(huán)境、氣象、桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)地線及絕緣子的指標(biāo)與狀態(tài)。在設(shè)計(jì)中可選用的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：導(dǎo)線溫度與增容監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線風(fēng)偏監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)、等值覆冰厚度監(jiān)測(cè)、絕緣子污穢度監(jiān)測(cè)、桿塔傾斜監(jiān)測(cè)、微氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)、防盜監(jiān)測(cè)、圖像以及視頻監(jiān)控等。在實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程中各種傳感器出現(xiàn)以下問(wèn)題：現(xiàn)階段微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置因計(jì)算模型不成熟而無(wú)法做到準(zhǔn)確的定性分析；絕緣子污穢度監(jiān)測(cè)多數(shù)利用泄露電流進(jìn)行評(píng)估，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差，效果很不理想[4]；導(dǎo)線測(cè)溫因安裝位置限制只能監(jiān)測(cè)導(dǎo)線表面溫度，而無(wú)法監(jiān)測(cè)線夾位置的溫度，因安裝密度及安裝位置限制無(wú)法為動(dòng)態(tài)增容提供完整的數(shù)據(jù)參考；等值覆冰厚度監(jiān)測(cè)雖然在部分地區(qū)需求較為強(qiáng)烈，但現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)都不夠成熟，在惡劣條件下，測(cè)量精度及裝置可靠性都難以保證，因而也未大范圍推廣；圖像及視頻監(jiān)測(cè)雖然對(duì)運(yùn)行及檢修能夠起到一定幫助作用，但因視頻裝置功耗普遍較大，需配備較大容量電源，導(dǎo)致裝置可靠性及可維護(hù)性大為降低，無(wú)法廣泛使用；目前只有微氣象和桿塔傾斜監(jiān)測(cè)的裝置可靠性及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，具備廣泛應(yīng)用的條件。因此，在進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)選點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要根據(jù)應(yīng)用需求充分評(píng)估狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性，另一方面，也要根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展水平合理選擇監(jiān)測(cè)類型和監(jiān)測(cè)密度。狀態(tài)監(jiān)測(cè)類型及選點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)在線路設(shè)計(jì)階段進(jìn)行統(tǒng)籌考慮與規(guī)劃，具體可參看本文狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)深度定義。

2.2 典型狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信是制約輸電線路業(yè)務(wù)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一[5]?，F(xiàn)階段，采用公眾移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信方式的通信接入方案最為普遍，這類方式具有技術(shù)成熟、建設(shè)成本低、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，但在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、帶寬需求、數(shù)據(jù)安全及網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)性等方面無(wú)法完全滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求。隨著技術(shù)的發(fā)展[6]，適用于組建電力專網(wǎng)的光通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信技術(shù)，也逐漸應(yīng)用到輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，使得狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信方案的選擇與設(shè)計(jì)具有更大靈活性。輸電狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信方案是一個(gè)系統(tǒng)工程，需在線路設(shè)計(jì)階段根據(jù)監(jiān)測(cè)需求與現(xiàn)場(chǎng)通信條件進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與設(shè)計(jì)。典型狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 典型狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The typical condition monitoring communication system

本文將輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成劃分為3種類型，即：無(wú)線公網(wǎng)、電力專網(wǎng)和北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2.1 無(wú)線公網(wǎng)通信方案

無(wú)線公網(wǎng)方案，是利用公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)傳遞業(yè)務(wù)（例如GPRS、3G、4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中與傳輸。電信運(yùn)營(yíng)商在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和電力內(nèi)網(wǎng)之間構(gòu)成一個(gè)無(wú)線虛擬專網(wǎng)（VPN）通道，滿足了輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信的安全性要求。使用公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的公網(wǎng)信號(hào)覆蓋質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，為了便于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的評(píng)估，將現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收功率劃分為5個(gè)覆蓋強(qiáng)度等級(jí)，如表1所示。

表1 無(wú)線公網(wǎng)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度等級(jí)劃分Tab. 1 The strength grading of public mobile network signal coverage

對(duì)于帶寬要求較低的傳感器類數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度級(jí)別至少應(yīng)滿足3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于帶寬要求較高的圖像/視頻類數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度級(jí)別至少應(yīng)滿足2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 電網(wǎng)專網(wǎng)通信方案

電力專網(wǎng)方案，是利用無(wú)線和光纖通信融合技術(shù)，沿電力線建立自主的專用通信網(wǎng)絡(luò)[7]。狀態(tài)監(jiān)測(cè)電力專網(wǎng)劃分為3段：傳感器接入段、遠(yuǎn)程傳輸段、變電站接入段。傳感器接入段負(fù)責(zé)線路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、運(yùn)維數(shù)據(jù)的匯集與集中；遠(yuǎn)程傳輸段負(fù)責(zé)將集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，一般情況下是傳輸至線路末端的變電站；變電站接入段則負(fù)責(zé)將傳輸至站內(nèi)的數(shù)據(jù)以安全的方式接入到輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站。

1）傳感器接入網(wǎng)絡(luò)由安裝在線路桿塔上的一體化通信裝置組建，集成各類有線及無(wú)線通信接口，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)的集中接入。有線通信支持網(wǎng)口通信和串口通信兩種方式，網(wǎng)口通信，傳輸速率較高，但有效傳輸距離較短，不大于100 m，串口通信方式傳輸距離達(dá)1 km以上，但數(shù)據(jù)傳輸速率只有100 kbit左右。無(wú)線通信方式支持Wi-Fi、ZigBee、WiMax以及其他非標(biāo)的無(wú)線通信技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型需求，采用不同類型的無(wú)線接入技術(shù)。Wi-Fi技術(shù)傳輸速率高，可達(dá)30 Mb/s以上，適合圖像/視頻類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸距離可達(dá)3 km以上，功耗在4 W以上；ZigBee技術(shù)具有低功耗（<1 W）、低時(shí)延特點(diǎn)，但傳輸速率較低，適合傳感器類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸距離可達(dá)3 km以上；WiMax技術(shù)屬于廣域網(wǎng)通信技術(shù)，傳輸距離遠(yuǎn)，可覆蓋5 km以上，傳輸速率也可達(dá)到20 Mb/s，但該類設(shè)備功耗在80 W以上，供電問(wèn)題較難解決，且沒(méi)有合法頻段可用，適用性較差。

無(wú)線信號(hào)的傳輸距離受發(fā)送功率、接收靈敏度、天線增益等因素的影響，需在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)接收功率進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)信號(hào)接收功率合理選擇天線增益或調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。對(duì)于Wi-Fi、ZigBee技術(shù)，信號(hào)接收功率值Pr不應(yīng)小于-75 dBm，若低于-80 dBm通信鏈路可靠性將無(wú)法得到保證。設(shè)計(jì)參考計(jì)算公式如下：

Pr=Pt+Gt+Gr-（Lt+Lr）-Sp-20lg f-20lgd-32.5 （1）式中，Pr為接收信號(hào)功率，dB；d為傳輸距離，km；Pt為發(fā)送功率，dB；Gt為發(fā)送天線增益，dB；Gr為接收天線增益，dB；Lt為發(fā)送天線饋線損耗，dB；Lr為接收天線饋線損耗，dB；Sp為無(wú)線鏈路功率余量，通常取15～20（dB）；f為頻率，MHz。

以Wi-Fi為例，利用上述參考計(jì)算公式，計(jì)算得到的有效傳輸距離與天線增益選擇參考對(duì)照表如表2所示，實(shí)際工程中還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境考慮一定裕度，不大于3 dBm。

表2 2.4 G Wi-Fi設(shè)備有效傳輸距離與天線增益選擇參考對(duì)照表Tab. 2 The effective transmission distance and antenna gain options of 2.4 G Wi-Fi equipment

2）遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用的技術(shù)方案可分為光纖傳輸技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)。利用電力輸電線路OPGW或ADSS光纖通道構(gòu)建的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性，可采用EPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)或光纖以太交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)；而利用無(wú)線專網(wǎng)通信技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線多跳傳輸網(wǎng)絡(luò)，可采用無(wú)線多跳和無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)，但系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性相對(duì)較差，工程實(shí)施、維護(hù)也更為復(fù)雜。

EPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)典型設(shè)計(jì)方案是將無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)OLT設(shè)備放置在變電站，ONU模塊放置在桿塔處?？刹捎脝苇h(huán)網(wǎng)組網(wǎng)和保護(hù)組網(wǎng)兩種方式。

EPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)具有低成本、高帶寬、高可靠性特性，網(wǎng)絡(luò)抗損毀能力較強(qiáng)，但EPON傳輸距離較短，不超過(guò)20 km。在實(shí)際工程應(yīng)用中通過(guò)技術(shù)改進(jìn)使得EPON設(shè)備的覆蓋半徑提高到50 km以上，能夠滿足中短距離輸電線路的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。在設(shè)計(jì)ONU接入點(diǎn)位置和數(shù)量時(shí)，需計(jì)算光路物理?yè)p耗，通道衰減計(jì)算通常用最壞值設(shè)計(jì)法，即所有參數(shù)均取最壞值，可以保證系統(tǒng)在壽命終了（20～25 a）時(shí)仍能符合傳輸性能指標(biāo)。見(jiàn)圖2。

圖2 EPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)保護(hù)組網(wǎng)方案示意圖Fig. 2 EPON passive optical network protection scheme

EPON光傳輸系統(tǒng)傳輸距離的計(jì)算公式及參考值如下：

式中，Ps為發(fā)送機(jī)在S點(diǎn)平均發(fā)送光功率，dB；IL為光分器損耗，由光分器類型決定，線路監(jiān)測(cè)為總線式網(wǎng)絡(luò)，采用1∶2非均勻分光器；Aa為光纖連接器損耗，通常一個(gè)中繼段兩端各1個(gè)連接器，損耗取0.5 dB/個(gè)；Pp為最大光通道代價(jià)（dB），一般取1；Af為光纖衰減，G.652型光纖衰減系數(shù)：1 310 nm f≤0.36 dB/km；1 490 nm f≤0.3 dB；1 550 nm f≤0.22 dB/km；Aw為光纖熔接點(diǎn)損耗，取0.1 dB/個(gè)；Me為系統(tǒng)富余度，一般取3 dB；m為分光器數(shù)量；n為光纜連接器數(shù)量；f為光纖熔斷數(shù)量；Mc為線路富余度，按0.04 dB/km取值。

光纖以太交換機(jī)組網(wǎng)典型設(shè)計(jì)方案可采用單環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)和保護(hù)組網(wǎng)兩種方式。單環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)是使用OPGW或ADSS光纜中的2根光芯組成鏈型網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)方式?jīng)]有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可靠性較差。保護(hù)組網(wǎng)采用冗余雙環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)，即采用4根光芯，兩套主設(shè)備分別部署在相鄰的變電站，從設(shè)備分別部署在桿塔處，通過(guò)手拉手組成鏈型網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)方式有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可靠性較好。在光纜芯資源較富裕的情況下，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)應(yīng)盡量采用雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞谋Ｗo(hù)組網(wǎng)方式，提高通信接入網(wǎng)可靠性，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光纖以太交換機(jī)保護(hù)組網(wǎng)示意圖Fig. 3 Fiber ethernet switch protection group

光纖以太交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)具備高帶寬、可擴(kuò)展性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布網(wǎng)靈活，傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，兩點(diǎn)間最大傳輸距離可達(dá)120 km，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可無(wú)限延伸，但光交換機(jī)是鏈?zhǔn)酵ㄐ沤M網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性較差，即使進(jìn)行環(huán)網(wǎng)保護(hù)組網(wǎng)，也僅能對(duì)應(yīng)單點(diǎn)故障，同時(shí)，設(shè)備功耗較EPON設(shè)備略高。

無(wú)線專網(wǎng)技術(shù)搭建傳輸網(wǎng)絡(luò)，可采用無(wú)線網(wǎng)橋和無(wú)線多跳技術(shù)。

無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)方案可由Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)組建。即在一個(gè)點(diǎn)安裝有兩個(gè)射頻通信模塊，分別與前后Wi-Fi設(shè)備建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的情況來(lái)看，Wi-Fi網(wǎng)橋最多可組成8級(jí)中繼網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離不超過(guò)30 km，超過(guò)10級(jí)中繼的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)是不可靠的。該方案為固定網(wǎng)橋設(shè)置，不具備自適應(yīng)、自組網(wǎng)、自愈和能力，安裝調(diào)試較為復(fù)雜。

無(wú)線多跳技術(shù)方案是針對(duì)輸電線路線性走線特點(diǎn)而定制化的無(wú)線多跳寬帶傳輸系統(tǒng)，設(shè)備組網(wǎng)方式不僅支持線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作模式，而且支持Y型拓?fù)涔ぷ髂Ｊ?，較好的匹配了輸電線路線性走線和∏接走線的分布特性，它所構(gòu)成的系統(tǒng)具備高帶寬、低功耗、自組織的特性。

總體而言，無(wú)線鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)，通信網(wǎng)絡(luò)可靠性較低。雖然系統(tǒng)支持自組網(wǎng)、自愈和特性，但是鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性仍不及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性。

3）變電站內(nèi)數(shù)據(jù)接入方案需重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)安全接入問(wèn)題。電力專用通道將分布在線路沿線的數(shù)據(jù)集中到變電站通信機(jī)房，再通過(guò)安全接入平臺(tái)將數(shù)據(jù)接入電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)并最終進(jìn)入輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站。若安全接入平臺(tái)未延伸至變電站，為保證數(shù)據(jù)接入安全，可在SDH網(wǎng)絡(luò)上劃出專用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通道與主站連接，在數(shù)據(jù)接入主站前，需先接入主站側(cè)的安全接入平臺(tái)，再進(jìn)入主站，以解決數(shù)據(jù)的安全接入問(wèn)題。

2.2.3 北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信方案

北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信方案是利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的雙向短報(bào)文通信服務(wù)功能，借助北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為通信傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置與狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站直接的數(shù)據(jù)傳輸。本方案需在主站側(cè)部署北斗指揮型終端，用于接收各監(jiān)測(cè)點(diǎn)北斗通信終端發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。指揮終端具有監(jiān)控、指揮調(diào)度，和多級(jí)分組組網(wǎng)功能，最多可支持5 000個(gè)用戶。

北斗短報(bào)文通信技術(shù)方案具有覆蓋范圍廣、通信可靠性高的特點(diǎn)。覆蓋范圍東經(jīng)70°～140°，北緯5°～55°。不足的是，北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸能力有限，單條報(bào)文可承載的實(shí)際有效長(zhǎng)度為78個(gè)字節(jié)。因此，利用北斗短報(bào)文作為數(shù)據(jù)通信手段，只能解決小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)通信需求。

2.3 輸電狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置安裝位置設(shè)計(jì)是線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程的重要環(huán)節(jié)，要使整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效性、易維護(hù)性，有必要在線路設(shè)計(jì)階段對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、通信設(shè)備及電源系統(tǒng)在桿塔上的安裝位置進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)并提出指導(dǎo)原則。必要時(shí)應(yīng)對(duì)桿塔荷載進(jìn)行校驗(yàn)。

設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電氣安全和機(jī)械強(qiáng)度帶來(lái)的影響，在設(shè)計(jì)中充分考慮上塔裝置的整齊、牢固及易維護(hù)方案，并對(duì)監(jiān)測(cè)裝置、通信及電源系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)、安裝方式和安裝位置提出原則性技術(shù)要求。在設(shè)計(jì)施工圖階段應(yīng)提供塔上各類監(jiān)測(cè)裝置、通信裝置及電源系統(tǒng)的安裝圖和電氣連接圖，由設(shè)計(jì)單位制成正式工程施工設(shè)計(jì)圖紙。

3 適用范圍

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)適用范圍

基于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，尚不具備大范圍推廣的條件，因此在設(shè)計(jì)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方案時(shí)，應(yīng)充分考慮各類監(jiān)測(cè)裝置的適用性和技術(shù)成熟度，僅在十分有必要且非常重要的輸電線路上應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。可選取長(zhǎng)期重載線路、巡線困難地區(qū)、運(yùn)行搶修困難局部線段和跨越主干鐵路、高速公路等設(shè)施的重要跨越段，大跨越，微地形、微氣象地區(qū)、采空區(qū)或地質(zhì)不良區(qū)、外力破壞多發(fā)區(qū)的輸電線路作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置選用基本條件。人口密集區(qū)輸電線路可選擇在大中型城市輸電線路桿塔附近有重型車輛頻繁經(jīng)過(guò)、鐵路、高等級(jí)公路、重要跨越處、構(gòu)件偷盜損毀嚴(yán)重地區(qū)、資源型城市作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置適用原則。在進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置布點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足各類應(yīng)用需求的前提下，優(yōu)先考慮技術(shù)較為成熟的監(jiān)測(cè)裝置類型，而對(duì)于技術(shù)不成熟或裝置可靠性普遍較低的監(jiān)測(cè)類型則盡可能不用或少用。

3.2 總體通信設(shè)計(jì)方案適用范圍

1）線路走廊無(wú)線公網(wǎng)（GPRS/CDMA/3 G）信號(hào)超過(guò)80%區(qū)域覆蓋等級(jí)能夠達(dá)到3級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先采用公網(wǎng)通信方案。

2）線路走廊無(wú)線公網(wǎng)（GPRS/CDMA/3 G）信號(hào)超過(guò)80%區(qū)域覆蓋等級(jí)達(dá)不到3級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，且需部署的狀態(tài)檢測(cè)采集點(diǎn)較少，應(yīng)簡(jiǎn)化通信傳輸方案，優(yōu)先采用北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信方案。

3）線路走廊無(wú)線公網(wǎng)（GPRS/CDMA/3 G）信號(hào)超過(guò)50%區(qū)域覆蓋等級(jí)達(dá)不到3級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，電力光纖（OPGW/ADSS）資源較為充足，且狀態(tài)檢測(cè)采集點(diǎn)較多時(shí)，優(yōu)先采用基于無(wú)線接入+光纖傳輸?shù)膶＞W(wǎng)通信方案。

4）線路走廊無(wú)線公網(wǎng)（GPRS/CDMA/3 G）信號(hào)超過(guò)80%區(qū)域覆蓋等級(jí)達(dá)不到3級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有電力光纖（OPGW/ADSS）資源可利用時(shí)，且狀態(tài)監(jiān)測(cè)必要性很高時(shí)，可在有限范圍內(nèi)采用基于專網(wǎng)的無(wú)線多跳傳輸網(wǎng)絡(luò)通信方案。

5）對(duì)于線路重要性較高（如：跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)線路），且對(duì)線路狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的信息安全要求較高的線路，優(yōu)先采用基于無(wú)線接入+光纖傳輸?shù)膶＞W(wǎng)通信方案。

4 總結(jié)

在線路設(shè)計(jì)各階段明確線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)輸入、輸出內(nèi)容的規(guī)范化定義，能夠使線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加合理化、規(guī)范化，更符合線路建設(shè)與運(yùn)行的需要。形成狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)導(dǎo)則，可為設(shè)計(jì)單位評(píng)估安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性、設(shè)計(jì)方案選型提供更完整的參考依據(jù)。

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