基于輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式優(yōu)化研究及實(shí)現(xiàn)

鄧飛 田慶生 梁仕斌 張強(qiáng) 鎖真田

摘 要：傳統(tǒng)的線路運(yùn)行監(jiān)測(cè)通常采用人工巡線的方式，這種方式存在諸多缺陷，例如實(shí)時(shí)性極差，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性依賴于人員素質(zhì)，采集到的數(shù)據(jù)參差不齊等。2008年我國(guó)南方電網(wǎng)冰災(zāi)事故以后，國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠家開(kāi)始研究輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，希望通過(guò)在輸電線路上或桿塔上安裝監(jiān)測(cè)終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路微氣象及導(dǎo)線拉力等數(shù)據(jù)進(jìn)而計(jì)算線路覆冰情況或者桿塔傾斜情況。采用這種新的監(jiān)測(cè)方式可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的諸多缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員難以到達(dá)的桿塔線路遠(yuǎn)程全天候監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)范圍。但是，由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測(cè)效果取決于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，有必要對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞竭M(jìn)行研究，分析其缺陷及其改進(jìn)方法。本文將對(duì)輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行研究和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)；輸電線路；網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0174-04

1 引言

當(dāng)前，制約高壓輸電線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一在于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)方式采用較多的通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合UDP協(xié)議傳輸格式化數(shù)據(jù)包，近些年快速發(fā)展的新型方式是采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這兩種方式的基本原理、實(shí)現(xiàn)方式等各方面都存在很大區(qū)別，對(duì)應(yīng)于不同的輸出數(shù)據(jù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面就上述兩種方式分別進(jìn)行分析[1]。

2 GPRS通信方式

2.1 原理介紹

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱，其基礎(chǔ)是GSM網(wǎng)絡(luò)，得益于近些年移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，GPRS的應(yīng)用區(qū)域已經(jīng)得以更多應(yīng)用。GPRS采用TDMA方式傳輸語(yǔ)音，采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端到端的發(fā)送和接收。GPRS的硬件基礎(chǔ)是在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加的分組數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備，并對(duì)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，確?，F(xiàn)有的GSM無(wú)線覆蓋可以提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的無(wú)線DDN可以提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、外圍設(shè)備之間、外圍設(shè)備與中心節(jié)點(diǎn)之間的通信方式，適用于信息互傳、數(shù)據(jù)互備、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等行業(yè)應(yīng)用。特別適合于突發(fā)性、高頻率、點(diǎn)多分散、小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。采用GPRS通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)包括圖像在內(nèi)的所有通信業(yè)務(wù)，甚至可以擴(kuò)展到視頻傳輸領(lǐng)域。GPRS通信處理數(shù)據(jù)包的方式基于UDP協(xié)議，UDP（User Datagram Protocol）的中文名是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是OSI（Open System Interconnection，開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)）參考模型中一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)中它與TCP協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包，是一種無(wú)連接的協(xié)議[2]。UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點(diǎn)，也就是說(shuō)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后，是無(wú)法得知其是否安全完整到達(dá)的。UDP用來(lái)支持那些需要在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，它的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量壓縮成數(shù)據(jù)包的形式。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)包就是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸單位。每一個(gè)數(shù)據(jù)包的前8個(gè)字節(jié)用來(lái)包含報(bào)頭信息，剩余字節(jié)則用來(lái)包含具體的傳輸數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，其數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)示意圖1所示。

UDP數(shù)據(jù)的格式按照《南方電網(wǎng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信規(guī)約》進(jìn)行編碼，相應(yīng)的，接收端根據(jù)上述規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

GPRS通信基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端需要支持SIM卡，由后者接入提供網(wǎng)絡(luò)接入接口。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)主站側(cè)需要加裝數(shù)據(jù)接收前置機(jī)，這臺(tái)裝置需要提供一個(gè)固定的IP和端口，現(xiàn)場(chǎng)的終端在安裝的時(shí)候就進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，指定此IP和端口作為數(shù)據(jù)接收方[3]。終端啟動(dòng)以后將數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)往指定IP，數(shù)據(jù)接收端被動(dòng)接收現(xiàn)場(chǎng)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)解析程序?qū)?shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析，最后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)測(cè)主站從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，以網(wǎng)站的形式發(fā)布，展示給用戶，完成整個(gè)監(jiān)測(cè)流程。GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程圖2所示。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸方式由于其基于GSM網(wǎng)絡(luò)，所以，只要有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域都可以部署監(jiān)測(cè)終端，并且不需要再進(jìn)行更多設(shè)備的安裝，總體來(lái)說(shuō)，設(shè)備安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，入網(wǎng)時(shí)間短。但是，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信也有不少缺點(diǎn)，主要是穩(wěn)定性差、設(shè)備在線率低等，下面將對(duì)這些缺點(diǎn)及其成因進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端通常自帶供能模塊，這種特點(diǎn)使得它們易于安裝，但是也帶來(lái)了很多難以解決的問(wèn)題。監(jiān)測(cè)終端的供電模塊通常是太陽(yáng)能電池板。由于太陽(yáng)能電池板的能量供給嚴(yán)重受制于光照強(qiáng)度，因此，在連續(xù)陰雨天或者冬季日照較少的時(shí)節(jié)，監(jiān)測(cè)裝置很容易因?yàn)殡妷哼^(guò)低而無(wú)法正常啟動(dòng)，通常生產(chǎn)廠家將設(shè)備啟動(dòng)的電壓閾值設(shè)定為12.8V，也就是說(shuō)，當(dāng)太陽(yáng)能電池板提供的電壓低于12.8V時(shí)，設(shè)備就無(wú)法正常啟動(dòng)，設(shè)備隨之掉線。根據(jù)上述分析可知監(jiān)測(cè)終端終端掉線的情況主要發(fā)生在冬季或者連續(xù)陰雨天，但是，冬季和連續(xù)陰雨天往往是輸電線路災(zāi)害頻繁發(fā)生的時(shí)節(jié)，例如桿塔傾斜和輸電線路覆冰等，此時(shí)恰恰是最需要監(jiān)測(cè)終端在線的時(shí)候，最終的結(jié)果就是在線監(jiān)測(cè)的效果大打折扣。其次，在長(zhǎng)期運(yùn)行中太陽(yáng)能板易被污穢物所遮蓋，光電轉(zhuǎn)換效率大幅下降，同時(shí)蓄電池使用壽命普遍較短，更重要的是，此種方式無(wú)法滿足視頻等功率較大設(shè)備的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，嚴(yán)重影響了監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用效率[4]。最后，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信基于GSM網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)終端易于安裝布置。但是，這個(gè)特點(diǎn)同樣是一把雙刃劍，它帶來(lái)的缺陷是網(wǎng)絡(luò)通暢不穩(wěn)定。因?yàn)樾枰O(jiān)測(cè)的桿塔或輸電線路通常位于人員不容易到達(dá)的地方，因?yàn)樵谶@些區(qū)域布置監(jiān)測(cè)終端可以減少甚至避免人員巡線工作，以此來(lái)體現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的價(jià)值。但是，由于人跡稀少，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通常不會(huì)花費(fèi)時(shí)間和設(shè)備來(lái)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，由此導(dǎo)致移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不夠強(qiáng)，SIM掉線的情況就時(shí)有發(fā)生了，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)不穩(wěn)定，由于傳輸?shù)膮f(xié)議是采用UDP協(xié)議，它采用的是無(wú)連接協(xié)議，在傳輸過(guò)程中如果發(fā)生數(shù)據(jù)報(bào)丟失，服務(wù)端（數(shù)據(jù)接收前置機(jī)）是無(wú)法獲知和驗(yàn)證的，最終的結(jié)果就是數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)連續(xù)性無(wú)法得到保證。這同樣會(huì)使得監(jiān)測(cè)效果受到很大影響。

3 OPGW數(shù)據(jù)傳輸

3.1 原理介紹

近幾年逐漸興起的新型的輸電線路在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式是OPGW數(shù)據(jù)傳輸。所謂的OPGW是光纖復(fù)合架空地線的簡(jiǎn)稱，它的技術(shù)基礎(chǔ)是目前較成熟光纖技術(shù)。光纖是利用纖芯和包層兩種材料的折射率大小差異，使光能在光導(dǎo)纖維中傳輸。由于實(shí)際應(yīng)用情形中，一條光纖通常要傳遞多個(gè)信號(hào)，否則會(huì)造成光纖通信的性價(jià)比降低，因此發(fā)展出了光纖光柵技術(shù)，下圖是光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖3所示。

它通過(guò)改變光纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的。所謂調(diào)制，就是本來(lái)沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過(guò)對(duì)芯層摻雜（通常是摻鍺），使芯層折射率比包層折射率大，從而形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為布拉格光柵。布拉格光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光（帶寬通常約為0.1nm-0.5nm）。這樣，光纖光柵就起到了光波選擇反射鏡的作用。

布拉格光纖光柵是最普遍的一種光纖光柵，其周期和折射率調(diào)制幅度均為常數(shù)，光柵周期小于1，反射波長(zhǎng)的公式如下：

為光柵的布拉格波長(zhǎng)，為光柵的有效折射率（折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng)），為光柵條紋周期（折射率調(diào)制的空間周期）。

由光纖布拉格光柵方程可以看出，任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長(zhǎng)。應(yīng)變（或應(yīng)力）和溫度是最能直接顯著改變布拉格光柵波長(zhǎng)的物理量。當(dāng)布拉格光柵受到外界應(yīng)變（或應(yīng)力）作用時(shí)，光柵周期會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)彈光效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵有效折射率變化；當(dāng)布拉格光柵受到外界溫度影響時(shí)，熱膨脹會(huì)使光柵周期發(fā)生變化，同時(shí)熱敏效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接地利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長(zhǎng)，達(dá)到測(cè)試被測(cè)物理量的目的。

光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)基本原理與傳統(tǒng)的電氣監(jiān)測(cè)終端迥然不同，由于其采集的數(shù)據(jù)是基于光纖技術(shù)，決定了其數(shù)據(jù)傳輸也可以輕易地借助于光纖技術(shù)。其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

變電站內(nèi)的光源裝置產(chǎn)生光信號(hào)，通過(guò)光纖傳遞到現(xiàn)場(chǎng)桿塔上的光纖傳感器，傳感器被所監(jiān)測(cè)的物理量的變化引發(fā)經(jīng)過(guò)其中的光柵的波長(zhǎng)，被改變的光信號(hào)傳回變電站內(nèi)的解調(diào)儀，將光信號(hào)解析為數(shù)據(jù)信號(hào)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程。

3.2 實(shí)現(xiàn)方式

OPGW在輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用需要包含以下功能模塊：光纖主機(jī)、OPGW光纖、數(shù)據(jù)解析模塊，接口數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和WEB服務(wù)器。其應(yīng)用示意圖5所示。

（1）光纖主機(jī)：為現(xiàn)場(chǎng)光纖傳感器提供光源，光源指的是符合光纖復(fù)合絕緣子內(nèi)部光柵反射特征量的能夠波分復(fù)用的寬帶光源，同時(shí)光纖主機(jī)還包含光波解調(diào)儀，所謂光波解調(diào)儀是指能夠感應(yīng)光纖復(fù)合絕緣子內(nèi)部光柵反射特征波的光電檢測(cè)器和將光譜波形與采樣頻率相匹配的處理器，處理器能夠統(tǒng)計(jì)光譜峰值，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量。（2）接口數(shù)據(jù)庫(kù)：經(jīng)過(guò)光纖主機(jī)處理以后，現(xiàn)場(chǎng)的物理量就被采集并傳輸回到變電站內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序，將解析完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接口數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和暫存的功能。（3）數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)換模塊：出于網(wǎng)絡(luò)安全和分區(qū)的考慮，WEB服務(wù)所基于的數(shù)據(jù)庫(kù)通常不能放置在變電站中，同時(shí)由于要集成其他來(lái)源或者維度的監(jiān)測(cè)參量，所以要單獨(dú)設(shè)置線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢圆捎脭?shù)據(jù)同步或者Web Service的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和傳輸。（4）WEB服務(wù)器：數(shù)據(jù)采集完成以后，需要應(yīng)用編程技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，利用各種應(yīng)用數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和輔助決策，結(jié)合輸電線路微氣象數(shù)據(jù)和導(dǎo)線拉力數(shù)據(jù)，估算出輸電線路運(yùn)行狀態(tài)，并且以直觀、科學(xué)的方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，將監(jiān)測(cè)結(jié)果以網(wǎng)站的形式展示給用戶。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

OPGW技術(shù)在輸電線路在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是對(duì)輸電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的一次革新[5]。它從信號(hào)采集精度、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和易于施工等角度顯著改善了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的效果。

（1）采集精度：光纖傳感器由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在高電磁環(huán)境中正常的工作，完全的電絕緣；雷電經(jīng)常破壞大量的電氣傳感器。光纖傳感器由于完全的電絕緣，可以抵抗高電壓和高電流的沖擊。同時(shí)光纖傳感器的信號(hào)是以光纖為載體的，本征安全，不受任何外界電磁環(huán)境的干擾。（2）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定：光纖的兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是傳輸數(shù)據(jù)量大和損耗小，在無(wú)需中繼的情況下，可以實(shí)現(xiàn)幾十公里的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。（3）易于施工：OPGW光纜由于有金屬導(dǎo)線包裹，使光纜更為可靠、穩(wěn)定、牢固，由于架空地線和光纜復(fù)合為一體，與使用其他方式的光纜相比，既縮短施工工期又節(jié)省施工費(fèi)用。另外，如果采用鋁包鋼線或鋁合金線絞制的OPGW，相當(dāng)于架設(shè)了一根良導(dǎo)體架空地線，可以收到減少輸電線潛供電流、降低工頻過(guò)電壓、改善電力線對(duì)通信線的干擾及危險(xiǎn)影響等多方面的效益。由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕等特點(diǎn)，它可以安裝在輸電線路桿塔頂部而不必考慮最佳架掛位置和電磁腐蝕等問(wèn)題[6]。

4 總結(jié)與展望

根據(jù)上述分析，得出OPGW監(jiān)測(cè)方法相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置具有很大優(yōu)勢(shì)，從數(shù)據(jù)采集和傳輸角度對(duì)比結(jié)果表1所示。

綜上所述，OPGW具有較高的可靠性、優(yōu)越的性能、成本也較低等顯著特點(diǎn)，同時(shí)還可以通過(guò)擴(kuò)展寬帶光源、加大入射光功率和線路雙工等技術(shù)提高傳輸距離，另外，還可以利用光波多分復(fù)用技術(shù)提高單根光纖可復(fù)用的傳感器數(shù)量，從而使測(cè)點(diǎn)能滿足覆蓋整條輸電線路，進(jìn)一步降低光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用的成本，最終建立一套穩(wěn)定可靠、高性價(jià)比的輸電線路全區(qū)段監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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