輸電線路圖像可視化監(jiān)測終端無線通信解決方案

徐常志 鄧偉鋒 李耀均 趙麗娜

摘? ?要： 為保障輸電線路的穩(wěn)定性和可靠性，針對不同應(yīng)用場景需求，實施輸電線路圖像可視化監(jiān)測，提出三種無線通信方案：無線4G公網(wǎng)通信方案、無線網(wǎng)橋通信方案，以及無線網(wǎng)橋與4G通信綜合方案。在三種解決方案中，設(shè)計了由前端熱點、中繼基站、監(jiān)控中心等模塊組成的技術(shù)框架。針對運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋且信號較好的場景，可采用無線4G公網(wǎng)通信方案，依靠運營商網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;針對帶寬要求較高、運營商網(wǎng)絡(luò)不好的場景，可采用無線網(wǎng)橋通信方案;針對某些運營商4G信號無法覆蓋到所有輸電線路監(jiān)測點的問題，可采用綜合方案。在提高輸電線可靠性方面，應(yīng)用可視化監(jiān)測終端系統(tǒng)提供了更多的選擇。

關(guān)鍵詞： 輸電線路;圖像可視化;終端;無線通信;4G公網(wǎng);無線網(wǎng)橋

中圖分類號：TN919.85? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-099-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.017

引言

隨著電力建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模迅速擴大，輸電線路作為最重要組成部分，其跨越路徑長、環(huán)境變化大，電力設(shè)備維護運檢工作越來越繁重，輸電線路圖像可視化監(jiān)測成為迫切需求，這對輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)通信的智能性、實時性、精準性，圖像監(jiān)測的高清可視性，以及信息傳輸?shù)陌踩?、低延時性等提出了更加嚴格的要求。同時，鑒于輸電線路具有分散性大、距離長、巡視難度高等特點，監(jiān)測設(shè)備還需具備安裝簡單、移動方便、技術(shù)擴展性強等性能[1]。

本文針對輸電線路圖像可視化監(jiān)測終端對不同應(yīng)用場景的要求，提出三種無線通信方案：無線4G公網(wǎng)通信方案、無線網(wǎng)橋通信方案以及二者的綜合方案，以期為可視化監(jiān)測終端的應(yīng)用提供更多的解決方案，致力于解決輸電線路圖像可視化監(jiān)測在通信方面存在的困難。以往通信功能主要包括有線光纖傳輸和無線GPRS/4G通信。有線光纖傳輸受到野外鋪設(shè)難度大、易遭破壞、無法移動等限制，很少得到實際應(yīng)用。無線GPRS/4G通信方式雖然在項目中采用得比較多，但其受到通信成本高、帶寬低、延時長等因素的影響，且易被運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因此也無法完全滿足輸電線路監(jiān)測的要求。

1? 無線4G公網(wǎng)通信方案

針對輸電線路圖像可視化監(jiān)測終端有運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋且信號較好的場景，可采用無線4G公網(wǎng)通信方案，依靠運營商網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。目前，國內(nèi)三大運營商網(wǎng)絡(luò)基本可以覆蓋輸電線路經(jīng)過的區(qū)域。這種方案無需親自組網(wǎng)，比較方便實用，且具備雙通道備份等優(yōu)點[2]。

無線4G公網(wǎng)通信方案包括前端熱點（圖像可視化監(jiān)測終端）和后臺監(jiān)控中心（含安全網(wǎng)關(guān)）。方案框架如圖1所示。

1.1? 前端熱點（圖像可視化監(jiān)測終端）

前端熱點由圖像可視化監(jiān)測裝置、集成主機箱（含4G通信模塊）和電源系統(tǒng)組成。

1.1.1? 圖像可視化監(jiān)測裝置

圖像可視化監(jiān)測裝置用于實時采集輸電線路的張力等力學(xué)數(shù)據(jù)，雨量、氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等微氣象數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片等數(shù)據(jù)。

1.1.2? 集成主機箱（含4G通信模塊）

集成主機箱集成有4G通信模塊。4G通信模塊將采集到的輸電線路現(xiàn)場圖片等數(shù)據(jù)上傳到后臺監(jiān)控中心。當(dāng)需要觀看視頻流時，監(jiān)控中心主站下發(fā)指令打開攝像頭，攝制線路視頻信息。

前端熱點可采用雙卡通信技術(shù)，接入兩家不同運營商的網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)，并且兩條通道之間可以自動切換，因此當(dāng)任何一家運營商的4G網(wǎng)絡(luò)中斷時，終端都可以自動切換到另一家運營商的4G網(wǎng)絡(luò)，保證監(jiān)測設(shè)備的正常運行。

1.1.3? 電源系統(tǒng)

為了保證前端熱點能夠在大風(fēng)、大雨、冰、雪等惡劣環(huán)境下正常、穩(wěn)定、可靠運行，采用耐寒效果比較好的膠體蓄電池、磷酸鐵鋰蓄電池作為電源系統(tǒng)，同時供電單元各部件也經(jīng)過了多種工藝的處理。太陽能板的安裝支架應(yīng)固定牢靠，防止松動、吹翻。充放電控制器集成在主機箱中，保障安全性和穩(wěn)定性。

1.2? 后臺監(jiān)控中心

后臺監(jiān)控中心由管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、Web服務(wù)器和存儲設(shè)備等組成。后臺監(jiān)控中心可以分為多個分監(jiān)控中心和一個總監(jiān)控中心。分監(jiān)控中心完成數(shù)據(jù)庫管理、通信管理、存儲管理功能，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行各類數(shù)據(jù)的自動處理，并將處理結(jié)果予以顯示，同時通過數(shù)據(jù)網(wǎng)與各種內(nèi)部管理系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)進行信息交互。總監(jiān)控中心可以對全區(qū)域輸電線路內(nèi)的全部在線監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。監(jiān)控中心安裝有在線監(jiān)測管理分析軟件，方便監(jiān)測、管理。后臺監(jiān)控中心組成如圖2所示。

2? 無線網(wǎng)橋通信方案

針對輸電線路圖像可視化監(jiān)測終端帶寬要求較高、所處位置運營商網(wǎng)絡(luò)不好的場景，可采用無線網(wǎng)橋通信方案。該方案具有帶寬大、延時低、保密性高、抗干擾強、無通信費用、安裝/移動方便、無地域限制等優(yōu)點。

整體方案包括三個部分：前端熱點（圖像可視化監(jiān)測終端）、中繼基站及監(jiān)控中心。

2.1? 前端熱點（圖像可視化監(jiān)測終端）

前端熱點由圖像可視化監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線發(fā)射系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。

無線發(fā)射系統(tǒng)采用數(shù)字無線網(wǎng)橋產(chǎn)品，設(shè)備內(nèi)置有18 dBi的平板天線，數(shù)據(jù)傳輸距離根據(jù)不同的設(shè)備型號匹配不同千米數(shù)的要求而設(shè)定，完全滿足從前端到熱點基站的無線信號連接，傳輸性能穩(wěn)定可靠。交換機把圖像可視化監(jiān)測終端采集的信號進行匯總，接入到POE供電盒的數(shù)據(jù)接口中，再把這些信號通過無線通信的方式傳輸?shù)綗狳c覆蓋的中繼基站。

前端熱點的電源系統(tǒng)采用太陽能+蓄電池供電模式，保證圖像可視化監(jiān)測裝置的正常工作。在沒有光照的情況下，能夠滿足連續(xù)多天的工作需要。

前端熱點的整體連接如圖3所示。

2.2? 中繼基站

中繼基站包括中繼點無線覆蓋及中繼點對中繼點無線傳輸部分。

對于中繼點無線覆蓋，采用高帶寬多模塊無線網(wǎng)橋產(chǎn)品。產(chǎn)品采用千兆網(wǎng)口設(shè)計，具有較強大的數(shù)據(jù)處理能力，且支持多模塊的設(shè)計。使用該產(chǎn)品時，在一臺設(shè)備中可以安裝2條60°天線，在此基站安裝兩臺設(shè)備，就可以安裝4條60°天線，覆蓋角度總計可達240°以上，基本可以滿足周邊前端熱點的連接需求?；局欣^點無線覆蓋示意圖如圖4所示。

中繼點對中繼點無線傳輸選用高帶寬無線網(wǎng)橋產(chǎn)品。產(chǎn)品內(nèi)置有25 dBi定向增益天線，由于設(shè)備本身發(fā)射功率較大，傳輸距離可達30 km以上。設(shè)備內(nèi)置有千兆網(wǎng)口，工作性能可靠穩(wěn)定，理論傳輸帶寬可達480 Mbps，實測傳輸帶寬可達160 Mbps。設(shè)備具備多級跳臺無損耗的特性，可保證在經(jīng)過多次中繼后仍具備較高的帶寬數(shù)據(jù)。在基站設(shè)備安裝的地方，供電方式與前端供電方式相同，即在正常情況下使用交流220 V供電。如果在一些比較特殊情況下沒有市電，同樣也可采用上述的太陽能供電系統(tǒng)[3]。

中繼點對中繼點無線傳輸示意圖如圖5所示。

2.3? 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心包括后端監(jiān)控中心的顯示、控制及數(shù)據(jù)庫接入部分。

監(jiān)控中心一般位于市區(qū)內(nèi)，海拔相對較低，為了更好地保證接收信號的范圍和質(zhì)量，需要在監(jiān)控中心附近找到高層建筑，在建筑頂樓安裝無線網(wǎng)橋接收設(shè)備，接收從中繼點傳回的無線監(jiān)測數(shù)據(jù)信號。此外，在建筑頂樓還需要配置一個配電箱，為監(jiān)測設(shè)備供電。

無線網(wǎng)橋接收到的信號從交換機進入光端機，通過光纖傳輸?shù)綑C房，接入到監(jiān)控中心的服務(wù)器。服務(wù)器上安裝輸電線路圖像可視化在線監(jiān)測平臺，通過這一平臺，可以對前端圖像等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查看、管理，還可以通過上墻服務(wù)器或矩陣把圖像投放到大型顯示屏中[4]，如圖6所示。

3? 無線網(wǎng)橋與4G通信綜合方案

針對某些運營商4G信號無法覆蓋到所有的輸電線路監(jiān)測點的問題，可采用無線網(wǎng)橋與4G通信綜合方案。本方案綜合了無線4G公網(wǎng)通信方案、無線網(wǎng)橋通信方案二者的特點和優(yōu)勢，能夠在最大化節(jié)省通信成本的同時保證通信質(zhì)量。

綜合方案包括三個部分：無4G信號的前端熱點、4G中繼基站及監(jiān)控中心，如圖7所示。

3.1? 無4G信號的前端熱點

設(shè)計方案與無線網(wǎng)橋通信方案的前端熱點相同，見章節(jié)2.1。

3.2? 4G中繼基站

4G中繼基站由無線網(wǎng)橋、交換機和4G無線設(shè)備組成。通過高帶寬多模塊無線網(wǎng)橋接收熱點傳輸回來的信號，再通過交換機連接到4G無線路由設(shè)備，最終通過運營商4G信號傳回到監(jiān)控中心。方案如圖8所示。

4G中繼基站的無線網(wǎng)橋接收設(shè)備可同時覆蓋多個前端熱點，根據(jù)前端熱點數(shù)量和距離選擇不同的設(shè)備型號，在滿足通信要求的同時，最大化節(jié)省建設(shè)成本。

3.3? 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心包括后端監(jiān)控中心的顯示、控制及數(shù)據(jù)庫接入部分。在監(jiān)控中心架設(shè)一臺服務(wù)器，安裝輸電線路圖像可視化在線監(jiān)測平臺，然后通過以太網(wǎng)把前端熱點的監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_，以通過控制鍵盤對圖像可視化監(jiān)測終端進行控制。此外，服務(wù)器上還要安裝RTU控制軟件，遠程對前端發(fā)送指令，控制前端設(shè)備進行遠程上電、斷電操作[5-7]。

4? 結(jié)束語

本文提出了三種特色鮮明的輸電線路圖像可視化監(jiān)測終端無線通信解決方案：無線4G公網(wǎng)通信方案、無線網(wǎng)橋通信方案以及二者的綜合方案，為圖像可視化監(jiān)測終端的應(yīng)用場景提供了更多的選擇，充分滿足了輸電運維管理部門提出的更高的個性化要求。希望這三種解決方案可以為其他有輸電線路監(jiān)測需求的單位提供借鑒，為建設(shè)智能電網(wǎng)和堅強電網(wǎng)貢獻一份力量。

參考文獻

[1] 胡春霞， 王素珍， 孫成龍. 基于GPS的輸電線路巡檢[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展， 2012， 22（6）： 175-178.

[2] 謝飛， 邵淑燕， 彭潔. 電力無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)分析[J]. 山東電力技術(shù)， 2017， 44（4）： 44-46.

[3] 劉金權(quán)， 黃銳， 陸坤， 等. 基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏ψ儔浩鞅O(jiān)測系統(tǒng)[J]. 傳感器技術(shù)， 2004（1）： 57-59.

[4] 劉艷麗， 仝杰， 孫建平， 等. 5.8GHz無線網(wǎng)橋在輸電線路通信中的應(yīng)用[C]//2016電力行業(yè)信息化年會論文集， 2016.

[5] 徐常志， 鄧偉鋒， 張良， 等. 輸電線路在線張力監(jiān)測與覆冰模擬試驗[J]. 工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新， 2017（5）： 73-77.

[6] Lewis F， Vrabie D， Vamvoudakis K. Reinforcement Learning and Feedback Control[J]. IEEE Control Systems， 2012， 32（6）： 76-105.

[7] Majumder M， Gangopadhyay T K， Chakraborty A K， et al. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring—Present status and applications[J]. Sensors & Actuators A Physical， 2008， 147（1）： 150-164.

作者簡介：

徐常志（1989—），通信作者，男，本科。研究方向：在線監(jiān)測。

E-mail： xucz@sdgi.com.cn

鄧偉鋒（1987—），男，本科。研究方向：在線監(jiān)測。

E-mail： dengwf@sdgi.com.cn

李耀均（1992—），男，本科。研究方向：在線監(jiān)測。

E-mail： liyaojun@sdgi.com.cn

趙麗娜（1989—），女，本科。研究方向：光纖傳感。

E-mail： zhaoln@sdgi.com.cn

（收稿日期：2020-06-28）