天地一體輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

楊德龍，王智慧，陳端云，蘇素燕

（1.中國電力科學研究院有限公司信息通信研究所，北京 100192；2.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司調控中心，福州 350003）

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，輸電線路具有分布范圍廣、所處地形條件復雜、維護檢修難度高、易受自然環(huán)境影響和外力破壞及運行情況復雜多變等特點.我國幅員遼闊，經(jīng)濟發(fā)展相對不平衡，隨著西電東送等工程的實施，輸電線路的重要性日趨突出，為保證輸電線路正常運行，迫切需要實現(xiàn)快速的預警、預測、風險評估和事故診斷等機制，實時監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)和運行環(huán)境，就需要有穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡，實時將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心.

輸電線路特別是特高壓線路大多行經(jīng)偏遠地區(qū)，有線網(wǎng)絡建設成本高，公網(wǎng)網(wǎng)絡信號覆蓋較差，無法滿足未來智能電網(wǎng)的實時監(jiān)測需求，建設可靠的高速寬帶電力無線通信網(wǎng)絡具有重要意義.目前，已有一些輸電線路的數(shù)據(jù)傳輸方案被提出，文獻[1]提出了一種基于ZigBee的輸電線路溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細設計了硬件和軟件系統(tǒng)，其監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，體積小，成本和功耗低，但無法實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的通信傳輸.為了解決監(jiān)控數(shù)據(jù)回傳不穩(wěn)定的問題，文獻[2]采用IoT技術提高了輸電線路監(jiān)測設備的感知能力和通信穩(wěn)定性.文獻[3]提出了一種基于LoRa和NB-IoT的混合組網(wǎng)通訊方式，實現(xiàn)了在公網(wǎng)信號較差或無信號地區(qū)的架空輸電線路拉力和溫濕度等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的回傳.LoRa和NB-IoT都屬于窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無法用于高帶寬需求的視頻數(shù)據(jù)傳輸.高壓輸電線路的運行容量大，電壓高，輸電線路的現(xiàn)場環(huán)境多變復雜，會產(chǎn)生一定的電磁干擾，這對無線網(wǎng)絡通信可能會產(chǎn)生較大的影響.然而，早期的研究表明，如果頻率超過20 MHz，干擾水平會大大降低.針對這一問題，文獻[4]提出了一種基于4G轉WIFI無線傳感器網(wǎng)絡的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，4G和WIFI無線通信技術的工作頻率遠大于20 MHz，系統(tǒng)具有傳輸速度快、監(jiān)測范圍廣、網(wǎng)絡建設方便等優(yōu)點.為實現(xiàn)數(shù)據(jù)量較大的視頻數(shù)據(jù)傳輸，文獻[5]提出了一種融合無線專用寬帶網(wǎng)和公共4G網(wǎng)的網(wǎng)絡方案，利用跳時擴頻通信技術改進現(xiàn)有的OFDM技術，結合有向天線，實現(xiàn)了帶寬54 Mbps、傳輸距離超過10 km的無線專用寬帶網(wǎng)，顯著提高了通信帶寬和傳輸距離，同時降低了成本.文獻[6]設計的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用無源光以太網(wǎng)EPON網(wǎng)絡技術和無線局域網(wǎng)WLAN技術相結合，利用OPGW光纜完成信息傳輸.針對無線公網(wǎng)通信信號保密性低、安全性差、成本高和穩(wěn)定性差的問題，文獻[7-8]提出了一種能源通信專用網(wǎng)解決方案，基于WiMAX+EPON技術，利用無線技術高度靈活的覆蓋能力，并結合光纖的高帶寬和高可靠性，達到了非常好的效果.文獻[9]提出了一種公共網(wǎng)絡和光纖通信相融合的通信系統(tǒng)，設計了包括本地組合網(wǎng)絡和遠程組合網(wǎng)絡的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，實際應用中提高了線路監(jiān)測系統(tǒng)的通信質量.為解決輸電線路監(jiān)測的鏈式無線通信網(wǎng)絡中的帶寬瓶頸和高延時問題，文獻[10]設計了一種復合通信網(wǎng)絡，在考慮帶寬約束的同時，以成本和等待時間優(yōu)化為目標，建立了光纖分離放置的理論規(guī)劃模型.文獻[11]提出了基于LDPC編碼的OFDM無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)，選取AWGN和瑞利衰弱這2個典型情景，通過仿真驗證系統(tǒng)的可靠性，并進行了實際應用，該系統(tǒng)具備即插即用、網(wǎng)管功能統(tǒng)一、組網(wǎng)靈活和系統(tǒng)保密功能完善等特點.基于局域網(wǎng)或公共通信網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的缺點和局限性.WIFI工作在ISM頻段，功率和覆蓋范圍受限，容易與其他工作在ISM頻段的設備相互干擾，多址接入采用載波監(jiān)聽和碰撞避免協(xié)議CSMA-CA，其多用戶接入能力差，效率低，無法保證服務質量.已有的公眾移動通信網(wǎng)絡具有組網(wǎng)簡單，工程復雜度低，安裝使用方便，傳輸速率較高的特點，而且無需考慮通信網(wǎng)絡維護的問題，但是輸電線路走廊通常處于偏遠地區(qū)，信號覆蓋情況很不理想，且公眾移動通信網(wǎng)絡的帶寬不能保證，數(shù)據(jù)安全性也較低.另外，大規(guī)模的地面網(wǎng)絡建設需要密集的回程網(wǎng)絡和基站，導致高昂的建設和維護成本，在用戶密度低的區(qū)域，如偏僻山區(qū)、沙漠等，網(wǎng)絡建設性價比低，同時也無法覆蓋廣闊的海洋[12].

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，衛(wèi)星通信技術取得了巨大的進步，根據(jù)軌道高度不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)[13]可以分為高軌[14-15]、中軌[16]和低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)[17-18].隨著低軌衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率、時延和可靠性等方面已具備與4G/5G移動通信相當?shù)哪芰?，能夠滿足大多數(shù)5G業(yè)務場景的通信需求.通過構建體制、架構、功能、接口、流程一體化的天地一體網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)天基網(wǎng)絡和地基網(wǎng)絡的覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡融合、業(yè)務融合和用戶融合，在提高網(wǎng)絡資源利用率的同時，實現(xiàn)對偏遠的海洋、深地、天空甚至太空的無縫覆蓋.

本文基于LTE協(xié)議，采用單載波頻分多址作為終端接入技術并結合衛(wèi)星遠程回傳，設計了一種適用于偏遠地區(qū)輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸方案，可實現(xiàn)高清視頻采集和數(shù)據(jù)采集，并利用仿真平臺對所提方案進行了性能檢驗.

1 未來場景需求

未來智能電網(wǎng)中的輸電線路監(jiān)測任務將采集對象擴展至電力二次設備及各類環(huán)境指標，實現(xiàn)采集外破、桿塔傾斜、覆冰等各種數(shù)據(jù)，采集內(nèi)容趨于視頻化和高清化，大量高清視頻均有回傳需求，因此需要更大的帶寬及更廣的連接.

本文考慮業(yè)務終端在重點線路區(qū)域1 km范圍內(nèi)設置50個終端分布，包括數(shù)據(jù)采集類和視頻采集類設備.視頻采集類終端24個，單個終端每1 min采集10 s，傳輸時延為20 s，單個終端的帶寬需求不低于2 Mbps；數(shù)據(jù)采集類終端24個，單個終端單次采集的數(shù)據(jù)大小為5 B，每1 s采集20次，通信時延為1 s，帶寬需求不低于4 kbps；氣象站監(jiān)測終端2個，單個終端數(shù)據(jù)大小為20 B，每10 min傳輸1次，時延為1 s，帶寬需求不低于1.33 bps.

輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)包括通信傳輸網(wǎng)絡、前端采集裝置和后端監(jiān)控中心.前端采集裝置是指安裝于線路及桿塔上的狀態(tài)監(jiān)控傳感器，主要用于采集視頻流數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)，包括溫度、氣象、現(xiàn)場環(huán)境等信息.傳輸網(wǎng)絡負責將從監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)打包、壓縮并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫.監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)提取、分析和比較歷史數(shù)據(jù)信息，并評估線路的運行狀態(tài).

在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，通信傳輸網(wǎng)絡應具備以下性能：

（1）實時性好.帶寬充足，支持同時接入大量設備，可同時傳輸多個高清視頻通道.

（2）安全性高.數(shù)據(jù)須加密以防止黑客攻擊，滿足電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸?

（3）運行穩(wěn)定.通信網(wǎng)絡運行的可靠性高，維護周期長，個別設備的損壞對系統(tǒng)的影響小.

（4）成本控制.前期建設和后期維護成本須滿足要求.

2 通信組網(wǎng)方案設計

本文提出一種適用于偏遠地區(qū)輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳的全無線數(shù)據(jù)傳輸方案，終端接入方案基于成熟的LTE（long term evolution）協(xié)議，采用單載波頻分多址技術SC-FDMA（single carrier frequency division multiple access）作為終端多址接入方案，通過衛(wèi)星通信實現(xiàn)遠程回傳.本文設計的輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案的架構如圖1所示.類似于OFDMA，SC-FDMA只是在子載波映射模塊之前增加了一個DFT模塊，首先將待調制的數(shù)據(jù)符號轉換到頻域，然后再進行OFDM調制，其特點是每個數(shù)據(jù)符號都分布在整個傳輸帶寬內(nèi).因此SC-FDMA也稱為DFT擴展OFDMA（DFT-spread OFDMA），其峰均比較低.SC-FDMA信號具有單獨的載波特性，這要求在每個傳輸間隔，分配給每個用戶的子載波必須是連續(xù)的.

圖1 輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.1 Transmission scheme for transmission line monitoring data

LTE雙工方式分為時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）.TDD模式對下行時隙的分配比例較高，更適用于下行業(yè)務為主的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務.輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要業(yè)務是上行傳輸，因此本文考慮FDD方案，即上行和下行采用不同的頻段，其優(yōu)點是可以靈活分配上下行帶寬，提高頻譜資源利用率.LTE-FDD幀的一個無線幀的長度為10 ms，每幀包含10個子幀，每個子幀進一步劃分為2個時隙（slot），每個時隙的時長是0.5 ms.若系統(tǒng)循環(huán)前綴（CP）為Normal CP，則每個時隙中包含6個OFDM符號；若為Extended CP，則包含7個OFDM符號.在頻域上，將可用帶寬以15 kHz為間隔劃分為子載波，LTE系統(tǒng)最小的物理資源單位為RE（resource element），1個RE在時域上占用1個OFDM符號.LTE的資源調度單位為資源塊RB（resource block），1個RB在時域上為1個時隙（0.5 ms，半個子幀時長，常規(guī)CP對應7個OFDM符號），在頻域上為12個連續(xù)的子載波（180 kHz）.系統(tǒng)的最小調度周期為2個時隙，即一個子幀的長度（1 ms）.在分配資源時，每個用戶最少分配1對（2個）RB，所以每個用戶在1 s內(nèi)最多可調度1 000次.LTE這種幀結構安排使得系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的信道質量，在多個用戶之間靈活分配無線資源，使得每個用戶盡可能獲得信道質量最好的資源塊，實現(xiàn)資源利用最大化.LTE的幀結構如圖2所示.

圖2 LTE系統(tǒng)幀結構Fig.2 Frame structure for LTE system

將幀在頻域上進行劃分，表1給出了信道帶寬與RB資源數(shù)的對應關系.LTE Rel-9標準支持最小1.4 MHz，最大20 MHz的多種帶寬配置，實際應用中可以根據(jù)具體的數(shù)據(jù)傳輸速率和服務質量要求（QoS）以及子載波信道質量，在多個用戶間靈活分配可用的時頻資源，并實現(xiàn)資源利用的最大化.

表1 信道帶寬與RB資源數(shù)對應關系Tab.1 Relationship between channel bandwidth and number of RB resources

LTE在上下行鏈路系統(tǒng)中采用自適應調制編碼技術AMC（adaptive modulation and code），根據(jù)每個終端的信道質量CQI（channel quality indicator）動態(tài)調整所占用的資源塊的調制方式與信道編碼碼率MCS（modulation and coding scheme），在保證鏈路傳輸質量的前提下，提高傳輸效率.當信道質量較差時，選擇較低的MCS，當信道質量較好時，選擇較高的MCS.LTE上行鏈路可選的調制編碼方案有28種，調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，信道編碼的碼率最低為0.101 499，最高為0.888 406.

3 系統(tǒng)性能仿真

在NS-3仿真平臺上搭建了仿真模型，對所提方案的性能進行了仿真分析.考慮如下場景，基站位于區(qū)中心，終端類型包括視頻終端和數(shù)據(jù)終端，終端在基站左右兩邊呈對稱帶狀均勻分布.每隔40 m放置一個視頻終端和一個數(shù)據(jù)終端，每個視頻終端的上行速率不低于2 Mbps，單個小區(qū)視頻終端數(shù)量不低于24個，延遲20 s；每個數(shù)據(jù)終端上行速率不低于4 kbps，單個小區(qū)數(shù)據(jù)終端數(shù)量不低于26個，延遲不高于1 s.

終端噪聲系數(shù)為9，基站的噪聲系數(shù)為5，上行鏈路工作頻段為1 930 MHz，下行鏈路工作頻段為2 120 MHz.考慮到電力傳輸系統(tǒng)的特性，終端高度和基站高度都設為10 m，信道模型采用非視距場景下的3GPP郊區(qū)宏小區(qū)模型（RMA）.LTE中定義了UMA、UMI、RMA和INH等4類應用場景[19-20]，RMA適用于建筑物分布比較稀疏的地區(qū)，如大部分農(nóng)村地區(qū)和一些欠發(fā)達鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū).在這種情況下，基站天線的高度在10～150 m之間，終端距地面高度約1.5 m，站與站之間的距離最大可以達到5 000 m.視距/非視距（LOS/NLOS）場景[21]下大規(guī)模空間損耗的RMA模型的傳播損耗如下：

NLOS場景下傳播損耗計算公式為

其中：hUT、hBS、W、h和d3D分別為終端天線高度、基站天線高度、街道寬度、建筑平均高度和發(fā)射機與接收機間的距離，單位均為m；fc為載波中心頻率，陰影衰落為8 dB.一般情況下1＜hUT＜10，10＜hBS＜150.

LOS場景下傳播損耗計算公式為

LOS場景下取基站天線高度和終端天線高度分別為hBS=35，hUT=1.5，陰影衰落為6 dB.

3GPP協(xié)議中定義了3種小尺度衰落模型，對多徑衰落以及多普勒效應等進行信道模型的仿真，包括擴展行人信道模型EPA、擴展車輛信道模型EVA以及擴展典型城市信道模型ETU.考慮到輸電線路監(jiān)測實際應用場景中終端和基站位置相對固定，本文采用移動速度接近于0的EPA衰落模型，EPA衰落模型在不同時間和頻率上的信道幅度響應如圖3所示.

圖3 EPA衰落模型Fig.3 EPA fading model

使用地球同步軌道衛(wèi)星，設定回傳鏈路數(shù)據(jù)速率為100 Mbps，時延為0.3 s，重點研究多終端接入能力及服務質量.設置基站最大發(fā)射功率為20 dBm，信道帶寬分別為5、10、15和20 MHz，終端最大信號發(fā)射功率分別為10、20和30 dBm，基站最大發(fā)射功率為20 dBm，丟包率不超過1%，仿真評估單個小區(qū)可以容納的終端對數(shù)量，結果見表2.表中數(shù)字n表示終端對數(shù)量，即n個視頻終端和n個數(shù)據(jù)終端.另外，每個基站配置2個固定的氣象終端.

表2 不同帶寬和功率配置時單個小區(qū)可以容納的終端對數(shù)量Tab.2 Number of terminal pairs that a single cell can accommodate under different bandwidth and power configurations

由表2可見，當信道帶寬為5 MHz時，一個基站可以支持8個視頻終端和8個數(shù)據(jù)終端，按照終端間隔40 m計算，可以覆蓋的輸電線路長度為320 m，小區(qū)范圍的半徑較小，單個終端的發(fā)射功率達到10 mW即可.終端數(shù)量主要由可用的頻譜帶寬決定，單個基站支持的終端數(shù)量隨帶寬的增加而增加，而單位長度內(nèi)輸電線路的監(jiān)測終端數(shù)量是固定的，輸電線路的覆蓋范圍會隨著終端數(shù)量的增加而擴大，路徑損耗會同時增加，小尺度衰落的影響也更加顯著，因此在小區(qū)邊緣處的終端的最大功率也需要增加.由表2可以看出，當最大功率為1 000 mW（30 dBm）時，單個基站可支持的終端數(shù)量沒有隨著帶寬的增加而線性增加.因此，在配置終端數(shù)量時需要綜合考慮建設成本、頻譜資源利用率以及功率和效率等因素.

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，本文認為帶寬10 MHz是較好的選擇，此時單個基站最多可以支持15對終端，覆蓋線路長度為600 m，終端最大功耗只需要10 mW.表3給出了配置14對終端情況下各個終端的延遲和延遲抖動.

表3 終端的延遲和延遲抖動Tab.3 Delays and delay jitters of terminal

由表3可見，視頻終端的延遲約為0.33 s，其中0.3 s為衛(wèi)星鏈路回傳延遲，終端接入系統(tǒng)的延遲約為30 ms.數(shù)據(jù)終端的延遲約為0.31 s，其中0.3 s為衛(wèi)星鏈路回傳延遲，終端接入系統(tǒng)的延遲約為10 ms.數(shù)據(jù)終端的平均延遲小于視頻終端，這是因為數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)包長度短，為了提高吞吐率，視頻終端采用大包傳輸，需要更大更多的資源塊，在多個傳輸間隔完成.除1號和14號視頻終端外，其他視頻終端的延遲抖動約為0.1 ms，1號和14號視頻終端的延遲抖動高于其他終端，這是因為這2個終端處于小區(qū)邊緣，信道質量較差，有些情況下需要進行檢錯重發(fā).數(shù)據(jù)終端的延遲抖動較高，在0.1～0.7 ms范圍內(nèi)波動，這是因為其數(shù)據(jù)包較小，允許調度器更靈活分配資源.總體來看，2種終端的延遲和延遲抖動均滿足實際要求.

4 結語

未來輸電線路監(jiān)測內(nèi)容趨于視頻化、高清化，連接端數(shù)量激增，大量高清視頻均有回傳需求，因此需要更大的帶寬及范圍更廣的連接，已有的物聯(lián)網(wǎng)傳輸標準、ISM頻段的傳輸體制均不能滿足要求，需要針對輸電線路監(jiān)測應用開發(fā)專用數(shù)據(jù)傳輸標準.LTE系統(tǒng)具有良好的資源配置能力和多終端接入能力.本文基于LTE協(xié)議，結合多終端接入方案和衛(wèi)星遠程回傳，設計了一種適用于偏遠地區(qū)輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸方案，仿真結果表明，該方案可以滿足偏遠地區(qū)輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求.