輸電線路在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用

輸電線路在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用

0監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和推廣工作是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化下一步隨著全球資源環(huán)境壓力的增加，供電可靠性要求不斷提高，供電運行面臨重大挑戰(zhàn)。目前,我國智能電網(wǎng)建設(shè)工作已全面展開,輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)輸變電環(huán)節(jié)建設(shè)的重要組成部分,是實現(xiàn)輸變電設(shè)備狀態(tài)運行檢修管理、提升生產(chǎn)運行管理精益化水平的重要手段。監(jiān)測系統(tǒng)通過各種傳感器技術(shù)、廣域通信技術(shù)和信息處理技術(shù)實現(xiàn)各類輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的實時感知、監(jiān)視預(yù)警、分析診斷和評估預(yù)測,其建設(shè)和推廣工作對提升電網(wǎng)智能化水平、實現(xiàn)輸變電設(shè)備狀態(tài)運行管理具有積極而深遠的意義。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用基于電力專網(wǎng)的光纖EPON/工業(yè)以太網(wǎng)交換機/無線WiFi技術(shù)以及基于公網(wǎng)的無線GPRS/3G技術(shù)相結(jié)合的方式,為輸電線路在線監(jiān)測絕緣子污穢、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線舞動、覆冰雪、遠程可視等業(yè)務(wù)信息提供通信通道。1輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀近年來,隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、光纖通信和無線通信技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)過各設(shè)備廠商的努力,已開發(fā)出了多種輸電線路在線監(jiān)測裝置,如視頻監(jiān)測裝置、覆冰監(jiān)測裝置、微氣象監(jiān)測裝置、導(dǎo)線溫度監(jiān)測裝置、微風振動監(jiān)測裝置等。在一些重要輸電線路,如“1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程”中已進行了試點應(yīng)用。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)主要面臨3個關(guān)鍵問題:(1)在線監(jiān)測信息的通信傳輸方式;(2)在線監(jiān)測設(shè)備廠家采用的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議不統(tǒng)一;(3)監(jiān)測裝置的供電問題。電力系統(tǒng)開展的試點工程中,目前已運行輸電線路監(jiān)測裝置的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式主要有以下幾種。1)通過無線公網(wǎng)短信GPS方式傳輸,如微氣象、桿塔傾斜、污穢度、覆冰、弧垂、風偏監(jiān)測裝置等。2)通過無線公網(wǎng)流量GPRS方式(電信運營商提供,20~30kbit/s傳輸帶寬)或CDMA方式(50~70kbit/s傳輸帶寬)或3G(300kbit/s~1Mbit/s傳輸帶寬)傳輸,主要涉及圖像/視頻監(jiān)測裝置等。上述電信運營商提供的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一接入外網(wǎng)數(shù)據(jù)接入平臺中,再通過內(nèi)外網(wǎng)隔離裝置接入輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。3)少量的輸電線路監(jiān)測裝置采用無線+光纖以太網(wǎng)交換機(能提供10~100Mbit/s傳輸帶寬的光纖通道,光纖需由OPGW光纜空余纖芯破口提供)傳輸?shù)阶冸娬緝?nèi),再通過電力系統(tǒng)已建的SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)接入輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。2在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題2.1輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題無線公網(wǎng)接入方式具有技術(shù)成熟、建設(shè)成本低、易于實施等優(yōu)點,但基于公網(wǎng)的通信技術(shù)在輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中存在以下問題。1)線路可能有部分穿過GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)所覆蓋不到的地方,在這些區(qū)域?qū)嵤┎键c時將遇到困難。2)由于需重點監(jiān)控的輸電線路一般地處偏遠,人跡罕至,3G網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋,而GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方,受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制,很難提供流暢的視頻監(jiān)控服務(wù)。3)隨著輸電線路視頻監(jiān)測設(shè)備布點范圍的擴大,海量數(shù)據(jù)傳輸通信問題日益突出。公網(wǎng)GPRS按照流量計算,在智能電網(wǎng)的建設(shè)和輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中大面積安裝,若長期租用,其運行成本將很高。4)出于信息安全考慮,輸電線路在線監(jiān)測信息無法進入內(nèi)網(wǎng),進行有效分析、整合。公網(wǎng)無線信號易被干擾,業(yè)務(wù)穩(wěn)定性、安全性不高,在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在安全保密性較差等問題。5)網(wǎng)絡(luò)管理困難,一旦系統(tǒng)進行改動或者出現(xiàn)故障,必須與公網(wǎng)運營商協(xié)調(diào)解決,處理問題的時間無法保證,對電力系統(tǒng)安全運行造成威脅。2.2供應(yīng)系統(tǒng)不統(tǒng)一1)已運行監(jiān)測裝置的技術(shù)標準、通信規(guī)約、電源供應(yīng)方式、系統(tǒng)架構(gòu)、軟件平臺等方面不統(tǒng)一。2)數(shù)據(jù)的獲取、自檢、傳輸及控制指令的下達等通信系統(tǒng)應(yīng)用存在傳輸不及時、傳輸速度慢等問題。2.3用電系統(tǒng)電源設(shè)計線路在線監(jiān)測裝置通常安裝在高壓桿塔上,需要對輸電設(shè)備狀態(tài)信息和環(huán)境參數(shù)進行常年不間斷的監(jiān)測,因此架空輸電線路在線監(jiān)測裝置的電能供應(yīng)成為系統(tǒng)功能實現(xiàn)和安全可靠運行的關(guān)鍵問題。需采用具有能效高、耐低溫、超高溫不爆炸、自放電率低等特點的磷酸鐵鋰電池作為儲能和功能電源,太陽能(風光互補)作為充電能源。并且運用“自節(jié)能”策略及遠程控制技術(shù),保證電路在可用時盡可能不中斷,在閑置時可休眠,極大地提高能量的利用率。3狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是SG186生產(chǎn)管理系統(tǒng)的重要組成部分,結(jié)合堅強智能電網(wǎng)建設(shè)要求,該系統(tǒng)將對所轄重要輸電線路的環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)集中監(jiān)測,實現(xiàn)輸電線路的安全預(yù)警,為電網(wǎng)安全運行提供輔助決策信息。在輸電線路上分布的各類輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器采集的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),首先通過安裝在線路上的狀態(tài)監(jiān)測代理(CMA,ConditionMonitoringAgent)裝置匯聚并進行智能化數(shù)據(jù)加工處理,然后線路CMA通過直接接入部署在主站端的狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機(CAG,ConditioninformationAcquisitionGateway)實現(xiàn)狀態(tài)信息的接入。此外,線路CMA還可以通過臨近變電站的狀態(tài)接入控制器(CAC,ConditioninformationAcquisitionController)接入主站系統(tǒng)。輸變電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用多種通信方式相結(jié)合的原則組建。在實時性、可靠性要求很高的應(yīng)用中,需要充分利用專網(wǎng)OPGW光纜、光纖接頭盒等資源和先進的光通信設(shè)備構(gòu)建高速的光傳輸網(wǎng)絡(luò),在無法實現(xiàn)光纖接入或者沒有OPGW光纜資源的桿塔,通過無線的方式實現(xiàn)向下的延伸覆蓋。目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用基于電力專網(wǎng)的光纖EPON/工業(yè)以太網(wǎng)交換機/無線WiFi技術(shù)以及基于公網(wǎng)的無線GPRS/3G技術(shù)。3.1支護系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)帶及接入系統(tǒng)EPON是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù),采用點到多點結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸,通過單一的光纖接入系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音及視頻的綜合業(yè)務(wù)接入。采用單纖波分復(fù)用技術(shù)(下行1490nm,上行1310nm),僅需占用主干光纖中的1根纖芯,傳輸距離可達20km,帶寬可達1.25G。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光線路終端(OLT,OpticalLineTerminal)與用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU,OpticalNetworkUnit)之間僅有光纖、光分路器等光無源器件,無需機房、電源以及有源設(shè)備維護人員,可有效節(jié)省建設(shè)和運營維護成本。目前電力系統(tǒng)110kV及以上變電站已經(jīng)基本實現(xiàn)了電力光纖覆蓋,光纖+EPON設(shè)備的方式可充分利用電力系統(tǒng)自有OPGW光纜及SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)資源,具有投資較少、高帶寬、擴展性強、可靠性高等特點。能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、可靠和透明傳輸,并解決目前內(nèi)外網(wǎng)隔離、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、傳輸速度慢等問題。3.2局域網(wǎng)信號比較Wi-Fi是由網(wǎng)絡(luò)橋接器(AP,AccessPoint)和無線網(wǎng)卡組成的無線局域網(wǎng)絡(luò),任何一臺裝有無線網(wǎng)卡的裝置均可通過AP接入有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi標準主要包括802.11b、802.11a和802.11g等,它使用開放的2.4GHz直接序列擴頻,最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbit/s,也可根據(jù)信號強弱把傳輸速率調(diào)整為5.5,2,1Mbit/s帶寬。無需直線傳播傳輸范圍為室外最大300m,室內(nèi)有障礙情況下最大100m。Wi-Fi的技術(shù)優(yōu)勢在于組網(wǎng)簡單且成本低廉,豐富的終端支持,不需要布線,非常適合移動辦公的需要。但Wi-Fi是一種無線局域網(wǎng)技術(shù),無線電波在傳播中根據(jù)障礙物不同將發(fā)生折射、反射、衍射、信號無法穿透等情況,并且無線電波之間存在相互影響的現(xiàn)象,特別是同頻段、同技術(shù)設(shè)備之間將存在明顯影響。Wi-Fi實現(xiàn)規(guī)模覆蓋的最大缺陷在于數(shù)據(jù)傳輸速率有限,需要密集的有線傳輸資源,空中接口沒有QoS保障機制,只支持BestEffort業(yè)務(wù),適用于Web瀏覽、FTP下載以及收發(fā)Email等。語音通信、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的QoS很難得到保障。3.3無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀全球微波接入互操作(WiMAX,WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess)是一項基于IEEE802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)固定及移動用戶的高速無線接入。WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)包含網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、路由器、AAA代理服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備,主要實現(xiàn)用戶認證、漫游、網(wǎng)絡(luò)管理等功能,并提供與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口。接入網(wǎng)中包含基站、用戶站和移動用戶站,主要負責為WiMAX用戶提供無線接入。無線信號傳輸速率可達50km,帶寬可達70Mbit/s。WiMAX的技術(shù)優(yōu)勢在于能實現(xiàn)更遠的傳輸距離;提供更高速的寬帶接入。但是WiMAX所基于的IEEE802.16標準體系不完善、缺乏網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。IEEE802.16標準僅規(guī)范了基站和移動臺之間的空中接口,沒有規(guī)定基站和基站之間、基站和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議。在切換、移動性管理(尋呼)和終端狀態(tài)管理(激活和休眠的轉(zhuǎn)換)等與蜂窩組網(wǎng)有關(guān)方面,還不夠成熟,需要進一步完善。關(guān)于頻率問題,WiMAX可以在需要獲得許可的無線頻段或公用的5.725~5.85GHz非認證無線頻段運作。在我國,政府主管部門是否開放相應(yīng)的頻率資源給WiMAX仍然是未知數(shù),所以WiMAX頻率的分配在我國仍是難題。5.8GHz由于是非認證頻段,審批手續(xù)相對簡單,但是不同的運營商都可以使用5.8GHz頻段125MHz的帶寬,或者使用的頻點相互間可以部分重疊,出現(xiàn)了干擾問題。隨著大規(guī)模的應(yīng)用,各運營商設(shè)備間的干擾也會日趨嚴重,從而降低了系統(tǒng)的可用性。加上不斷有新的干擾源出現(xiàn),廠商要不停地給用戶解決問題,造成后期服務(wù)成本的增加。目前,在5.8GHz頻段上既有點對多點的無線接入,又有點對點的擴頻通信,已經(jīng)存在干擾問題,將影響到輸電線路狀態(tài)監(jiān)測信息的安全可靠傳輸,所以能否在此頻段內(nèi)使用還需進一步研究。3.4g技術(shù)特點3G網(wǎng)絡(luò)是指使用支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)的第三代移動通信技術(shù)的線路和設(shè)備鋪設(shè)而成的通信網(wǎng)絡(luò)。3G目前有3種標準:(1)歐洲的WCDMA制式;(2)美國的CDMA2000制式;(3)中國自主研發(fā)的TD-SCDMA制式。中國移動采用TD-SCDMA;中國聯(lián)通采用WCDMA;中國電信采用CDMA2000。這三種制式的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率均在2.8Mbit/s左右。3G的技術(shù)優(yōu)勢為:(1)安全性:3G采用了多種加密技術(shù),保證通話和數(shù)據(jù)的安全,話音和數(shù)據(jù)都具備很強的保密性,通過多層的協(xié)議控制,數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中可以非常安全的傳輸。(2)技術(shù)成熟度:3G網(wǎng)絡(luò)部署已具備相當?shù)膶嵺`經(jīng)驗,有一成套建網(wǎng)的理論,包括對網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算、傳播模型預(yù)算以及計算機仿真等。(3)商業(yè)模式:商業(yè)運作模式成熟,3G網(wǎng)絡(luò)得到眾多設(shè)備商、終端制造商、內(nèi)容提供商的支持,具備一個非常全的產(chǎn)業(yè)鏈。使用公網(wǎng)3G網(wǎng)絡(luò)方式傳輸信息,建設(shè)成本很低,但需要每年向公網(wǎng)運營商租用帶寬,后期使用成本較高;而且輸電線路狀態(tài)監(jiān)測信息對保密性要求較高,公網(wǎng)自身的可靠性難以滿足電力系統(tǒng)監(jiān)測信息傳輸?shù)囊?信息通過公網(wǎng)接入電力專網(wǎng)時應(yīng)采取必要的安全隔離措施。3.5方案比較和分析電力光纖+EPON設(shè)備、Wi-Fi、WiMAX和公網(wǎng)3G四種通信的主要技術(shù)經(jīng)濟指標比較,見表1所列。綜合比較各傳輸方案,光纖+EPON優(yōu)點是可靠性高、傳輸容量大,設(shè)備無需提供電源;Wi-Fi優(yōu)點是信息安全有一定保障,缺點是網(wǎng)絡(luò)間存在相互影響的現(xiàn)象、穿透力不強等因素;WiMAX優(yōu)點是可靠性較高、傳輸容量較大,缺點是網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、標準體系還不完善,頻率的使用上還有一定的問題;公網(wǎng)3G方案的優(yōu)點是見效快、成本低,缺點是安全性較低,后期運維成本高。3.6基于狀態(tài)信息的系統(tǒng)對接1)對于實時性、可靠性要求很高的應(yīng)用。應(yīng)充分利用電力專網(wǎng)OPGW光纜、光纖接頭盒等資源和EPON設(shè)備構(gòu)建高速的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。但考慮到采用這種方式對線路上的OPGW光纜破口較多,將對主網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生一定的影響,因此建議采用光纖+EPON設(shè)備+無線WiFi的方式。具體做法:在鐵塔上的監(jiān)測裝置中嵌入無線Wi-Fi網(wǎng)卡,并對這些無線節(jié)點進行分群,相鄰的幾十個節(jié)點為一個群,其長度約為20km,在每個群中選擇一個有光纜接續(xù)盒的鐵塔作為信息匯聚點,在該塔上安裝一套線路CMA對無線信息進行匯聚并進行智能化數(shù)據(jù)加工處理,同時再安裝一套EPON設(shè)備,通過輸電線路上已建光纜中的1~2芯將各個匯聚節(jié)點上的光通信設(shè)備連接并組網(wǎng),這樣,每個鐵塔的監(jiān)控信息首先通過無線多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)至距離自己最近的匯聚節(jié)點,再經(jīng)過各個EPON設(shè)備的接力傳輸后,通過EPON無源光網(wǎng)絡(luò)將處理后的信息直接接入部署在主站端的線路CAG實現(xiàn)狀態(tài)信息的接入。此外,還可將處理后的信息通過EPON無源光網(wǎng)絡(luò)接入臨近變電站的CAC,再經(jīng)已建的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)接入主站系統(tǒng)。由于光纖線路衰耗小、帶寬大、抗干擾能力強,并且EPON設(shè)備為無源設(shè)備,同時解決了裝置供電的問題。因此,這種方式有利于監(jiān)測信息的快速、安全傳輸。2)對于實時性、可靠性要求不高的應(yīng)用,可以采用公網(wǎng)無線通信方式,此時必須注意符合相關(guān)安全防護規(guī)定要求。線路鐵塔上的各無線3G終端將信息(包括業(yè)務(wù)信息與網(wǎng)管信息)匯聚到3G基站,在3G基站經(jīng)公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至與電力通信網(wǎng)有聯(lián)絡(luò)的節(jié)點,在聯(lián)絡(luò)節(jié)點通過光傳輸設(shè)備、電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)轉(zhuǎn)接至調(diào)度主站端。3.7狀態(tài)監(jiān)控傳感器在輸電線路采集方案中,線路CMA作為近距離傳輸?shù)募~帶,存在通過無線通信網(wǎng)或無線公網(wǎng)接入電力信息網(wǎng)的安全風險,所以狀態(tài)監(jiān)測傳感器、線路CMA、狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)CAG為整個系統(tǒng)的重點防護對象。狀態(tài)監(jiān)測裝置和線路CMA應(yīng)采用國家密碼管理局認可的硬件安全模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加解密,線路CMA和CAG之間通信應(yīng)采用國家電網(wǎng)公司部署