输电通道光纤环网通信难点及其应用

2020-04-18何宁辉李秀广亓亮周秀张佩沙伟燕

科技与创新 2020年6期

何宁辉，李秀广，亓亮，周秀，张佩，沙伟燕

输电通道光纤环网通信难点及其应用

何宁辉，李秀广，亓亮，周秀，张佩，沙伟燕

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750000）

随着泛在电力物联网的发展，实现输电线路通道可视化全覆盖运维管理是必然趋势，但传统4G数据传输方式无法满足高清视频等大数据传输的要求。提出了光纤环网通信方案，其具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、保密性高、通信成本低等特点，能够为在线监测装置提供安全、智能、稳定、经济的数据传输通道。在无人机巡检、应急指挥救援等领域也具有广泛的应用。

输电线路；在线监测；光纤环网；泛在电力物联网

1 引言

随着输电线路电压等级不断提高，电网的分布越来越广，输电线路遭遇外力破坏、覆冰、山火等事故不断发生，输电线路的巡视维护工作量越来越大，应用输电线路在线监测技术是提高线路运行水平的必然趋势。

但由于在线监测装置发展时间短、运行条件恶劣等原因，输电线路的巡视维护工作还存在一些问题[1]：①一些区域仍采用传统的人工定期检修制度来进行线路运行的维护，而人工巡检存在人力物力成本高、工作量大、隐患发现不及时、巡检区域有限等缺点。②输电线路通道绵延上千里，通道环境错综复杂，每时每处都存在发生不同的外破隐患的可能。即使一些输电线路已安装了在线监测装置，大大提高了发现隐患的效率，但是受制于无线公网高昂的流量费及有限的带宽，大部分区域都仅在隐患点相对集中的地方安装在线监测装置，并采用定时拍照或观看短时视频等方式来监控线路走廊[2]，而其他区域以及中间大量的未监控时间内，依然存在发生外力破坏事件的可能，无法达到实时监控的目的。③输电线路走廊多在人烟稀少的野外穿行，无线公网信号较差，无法保证在线监测数据能及时传输，且容易受运营商网络的稳定性影响。

急需寻找一种经济适用且稳定可靠的输电线路在线监测通信方式，实时传输在线监测数据，实现输电线路通道可视化全覆盖（全时、全域）运维管理模式，提升对输电线路的监控及管理工作[3]。

2 输电线路在线监测通信现状

输电线路在线监测通信方案主要有无线公网、无线中继以及光纤环网等方案，实际使用中也可能是这几种方案的组合[4]。

2.1 无线公网通信

目前，输电线路在线监测点的数据回传普遍是采用无线公网GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）以及4G（第四代移动通信技术）通信方式实现的，该通信方式具有不用架线、灵活性强、移动性等优点，但也存在以下几个问题：①信号覆盖问题。运营商无线网络在人口密集城镇地区信号覆盖较好，但本工程线路走廊多在野外穿行，公网信号覆盖非常差。②带宽问题。无线公网带宽有限，无法满足高清视频等大数据传输的要求。③传输安全问题。无线公网信号属于公共网络资源，容易被攻击。④网络管理问题。一旦信号传输发生故障，则必须与运营商协商解决，无法保证解决问题的时效。⑤费用问题。持续产生大量的通讯费用。

2.2 无线中继通信

无线中继通信，即无线AP（Wireless Access Point，无线访问接入点）在网络连接中起到中继的作用，能实现信号的中继和放大。无线中继技术具有低成本、延伸无线网络的覆盖范围、提高通信系统可靠性和增加系统传输速率的作用。无线中继模式虽然使无线覆盖变得更容易和灵活，但是却需要高档AP支持，而且如果中心AP出现问题，则整个WLAN将瘫痪，冗余性无法保障。

2.3 光纤环网通信

在无信号覆盖的区域，特别是输电线路上有OPGW光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线）、ADSS光缆（All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable，全介质自承式光缆）或普通光缆的线路，光纤环网的通信方案是非常不错的选择，其与传统运营商通信方式比较有较大优势，如表1所示。

表1 通信方案优劣比较

通信方案运行通信费用传输稳定性传输带宽安全性光纤通信无高极高高运营商通信高低低较低

3 智能光纤环网基站简介

智能光纤环网基站是基于光纤通信和无线传输技术，实现无线信号覆盖和数据传输通道搭建，为终端接入设备提供高速、可靠、稳定和经济的传输解决方案。智能光纤环网基站主要由智能处理主机、光纤接续盒、光纤尾缆、电源系统及无线通信装置组成，且能扩展传感器，实现在线监测功能。智能光纤环网基站组成示意图如图1所示。

图1 智能光纤环网基站组成示意图

智能处理主机：包括主机模块、本地通信模块、远程通信模块和发电模块，完成各种数据处理工作，管理整个系统的数据采集、分析和转发、充电和放电。

光纤接续盒、光纤尾缆：光纤接续盒处即为光纤开断点，可在此处熔出一芯光纤，通过尾纤连接到智能光纤环网基站，把智能光纤环网基站串入光纤中。

电源系统：包括发电设备、蓄电池和控制器。太阳能电池板、风力发电机和地线取电装置等发电设备为发电单元，蓄电池为蓄电单元，通过控制器智能管理充电和放电。

无线通信装置：扩大智能光纤环网基站无线覆盖范围，为3～5 km范围内无线通信设备提供无线接入热点。

传感器：采集在线监测数据，对输电线路走廊、光纤接续盒、电力铁塔和周围环境等进行实时监控。

4 光纤环网通信技术难点

4.1 电源问题

目前野外使用设备普遍存在的一大难题是电源问题[5]，智能光纤环网基站采用低功耗技术，且同时支持太阳能发电、风能发电及地线取能发电三种发电方式，可根据当地日照时长及风能情况选择采用一种或几种发电方式。

蓄电方式支持三元锂电池、胶体电池及磷酸铁锂电池蓄电，可根据当地环境温度选择合适电池。发电和蓄电方式的多样性能有效解决野外供电难的问题。其中，地线取能装置是依据电磁感应原理设计、制造的供电设备[6]，具有全天候、全气象条件供电能力，能为智能光纤环网基站提供充足的电源支撑。1 km取电回路取电效果如表2所示。

4.2 数据传输安全问题

网络安全是在线监测装置有效运行的重要保证，未采取有效安全保护措施的网络极易受到各种人为攻击，导致信息泄露、信息窃取、数据篡改、数据删添等事故发生。对输电线路光纤环网通信的网络安全进行全面保护，分别对监控终端、光纤基站、光纤环网及基站Wi-Fi采取安全保护机制，如硬件防篡改、安装加密芯片等，能确保系统硬件、软件及数据安全。

表2 1 km取电回路取电效果

线路等级/kV负荷/MVA取电功/（W·h/d）取电功率/W 220 100 300 12 220200600 24 500400 400 16 500800 800 32

对监控终端和光纤基站设备采取硬件防篡改能有效防止被攻击者物理破解或窃取数据；安装加密芯片对所传输的控制指令与敏感数据进行加密，防止数据被篡改或控制指令重放；对接入智能光纤环网基站的有线或无线设备采取身份认证，能有效阻断非法设备接入网络，确保采集数据来源的合法性及有效性。

通过以上安全保护措施可保障在线监测数据的可用性、完整性、保密性、可控性和可审查性。

4.3 熔纤问题

曾出现过一些施工队因为熔纤时熔错纤，导致整个线路通讯瘫痪的情况，因此，部分公司会担心熔纤对现有通讯业务造成影响[7]。在OPGW光缆铺设时，将预留的在线监测4芯光纤熔断出2个纤头，并从主光纤接续盒中引出，单独安装于在线监测专用光纤接续盒内，采用连接器连接，在后期安装智能光纤环网基站时，只需要打开此专用光纤接续盒，将需使用的两芯光纤插头分别连接到智能光纤环网基站主机上，即可将智能光纤环网基站串入光纤，形成光纤环网通信系统。如图2所示。

图2 预留在线监测专用光纤连接示意图

此方案对其他通信业务不会造成任何影响，且在新建线路时熔纤要比后期单独熔纤费用低很多，也省时省力。

4.4 系统维护难度及对现有业务的影响问题

智能光纤环网通信方案采用冗余环网结构，当数据传输一侧受阻时，如某一塔位光纤断芯，则可从另一侧线路传回至主站。因此，当某个点位数据传输受阻时，不会影响整条线路的数据传输，无需采取维修措施。

此外，智能光纤环网基站采用模块化设计，当智能光纤环网基站设备或塔上在线监测设备出现故障时，可仅对设备故障模块进行检测和维修，无需停电，也无需再次打开光纤接续盒，不会对现有通信业务造成任何影响。

5 应用领域

沿输电线路建设智能光纤环网基站，构建光纤环网通信网络，不仅能为沿线的在线监测装置提供稳定可靠的数据传输通道，在其他领域也具有广泛的应用。

5.1 输电线路在线监测

建设智能光纤环网基站后，输电线路沿线3～5 km范围内的在线监测装置都可通过光纤环网传输数据。

光纤环网的高传输带宽满足高清视频等大数据传输的要求，即使在主站同时播放多路视频，也能保障视频画面清晰、流畅，对现场情况掌控更实时、全面，且无任何流量费用。

5.2 无人机、地线机器人巡检

左健[8]在其文中提到“未来的无人机挂载设备会朝着视频传送的方向发展，一旦视频传输在无人机巡视输电线路中得到实现，未来无人机巡视有望把人工巡视真正取代”，目前，架空输电线路巡检业务需求和任务载荷多样，选择合适的无人机、地线机器人巡检系统，最大程度地提高巡检精度和效率，已成为无人机、地线机器人巡检的研究热点问题。但目前的无人机、地线机器人等装置巡检输电线路均是以巡检时录制视频，返回地面后再播放录像的方式实现的，不具备实时性。

智能光纤环网基站能为无人机和地线机器人巡检提供稳定可靠的通信链路，支持巡检实时图像传输，确保无人机和地线机器人在两基站间工作时的通信链路无缝衔接，确保指挥平台看到巡检现场实时流畅高清视频。