輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信難點(diǎn)及其應(yīng)用

楊曉敏

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著輸送和分配電能的任務(wù)[1]。隨著電網(wǎng)分布的不斷拓展，自然災(zāi)害、外力破壞以及自身設(shè)備異常等因素導(dǎo)致輸電線路故障愈發(fā)頻繁，給輸電線路的巡視維護(hù)工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。因此，加強(qiáng)輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用以促進(jìn)輸電線路安全、穩(wěn)定運(yùn)行變得十分重要。

目前，輸電線路狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)通信主要以公網(wǎng)通信與專網(wǎng)通信2種模式為主。公網(wǎng)通信雖然不用架線，是一種靈活性和移動(dòng)性較強(qiáng)的通信模式，但是存在信號(hào)覆蓋差、傳輸速率慢以及傳輸不安全等問題，同時(shí)通信產(chǎn)生的費(fèi)用較高。專網(wǎng)通信雖然運(yùn)行成本低、傳輸速度快，但是冗余性得不到保障，一旦無線訪問接入點(diǎn)出現(xiàn)問題，就會(huì)造成整個(gè)通信系統(tǒng)的癱瘓。基于此，輸電線路急需一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用且穩(wěn)定可靠的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信方式，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路可視化、全覆蓋的運(yùn)維管理[2]。

光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)作為一種以光纖為載體連接多個(gè)計(jì)算機(jī)的局域網(wǎng)技術(shù)，依托光纖傳輸所帶來的高質(zhì)量、高速度數(shù)據(jù)傳輸效果，結(jié)合雙向傳輸?shù)沫h(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效防止單點(diǎn)故障的發(fā)生。將光纖環(huán)網(wǎng)通技術(shù)應(yīng)用于輸電線路監(jiān)測(cè)，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

1 光纖環(huán)網(wǎng)通信概述

1.1 光纖環(huán)網(wǎng)通信的主要架構(gòu)

光纖環(huán)網(wǎng)通信采用光纖分布式數(shù)據(jù)接口（Fiber Data Distributed Interface，F(xiàn)DDI），使用光纖連接多個(gè)計(jì)算機(jī)[3]。通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和可靠的數(shù)據(jù)交換。光纖環(huán)網(wǎng)主要組成及功能如表1所示。

表1 光纖環(huán)網(wǎng)主要組成及功能

1.2 輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)基站主要設(shè)備

光纖環(huán)網(wǎng)通信主要用于輸電線路的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的全覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸通道的搭建。輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)基站關(guān)鍵構(gòu)成有智能處理主機(jī)、光纖接續(xù)盒、光纖尾纜、電源系統(tǒng)以及無線通信裝置。

智能處理主機(jī)是光纖環(huán)網(wǎng)通信基站的核心，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析與轉(zhuǎn)發(fā)，保障數(shù)據(jù)在環(huán)路中的順暢傳輸。

光纖接續(xù)盒為開斷的光纖提供熔連，并為連接點(diǎn)提供防護(hù)。

光纖尾纜是擴(kuò)展傳感器、光纖等串入光纖環(huán)網(wǎng)基站的傳輸通道。

電源系統(tǒng)為整個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)基站提供動(dòng)力，如太陽能發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等，其中電力系統(tǒng)的充電、放電受智能處理主機(jī)的控制。

無線通信裝置是擴(kuò)大光纖環(huán)網(wǎng)基站無線覆蓋范圍的設(shè)備，為光纖環(huán)網(wǎng)基站提供3～5 km范圍內(nèi)的無線接入熱點(diǎn)。

1.3 光纖環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 高速傳輸

光纖環(huán)網(wǎng)采用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。光纖的傳輸速度可以達(dá)到光速的2/3左右，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)銅纜和無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，從而滿足人們對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)的需求。

1.3.2 穩(wěn)定可靠

光纖環(huán)網(wǎng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。由于光纖的傳輸不受電磁干擾和信號(hào)衰減的影響，光纖環(huán)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)傳輸，且不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減和數(shù)據(jù)丟失的情況。光纖環(huán)網(wǎng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

1.3.3 擴(kuò)展性強(qiáng)

光纖環(huán)網(wǎng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以通過增加節(jié)點(diǎn)和光纖的方式來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。即使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展到很大，也不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和穩(wěn)定性。

1.3.4 安全性高

光纖環(huán)網(wǎng)具有高度的安全性。光纖的傳輸不會(huì)產(chǎn)生電磁波，因此不會(huì)被竊聽和干擾。光纖環(huán)網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式保證了數(shù)據(jù)的安全性，即使數(shù)據(jù)傳輸被截獲，也只能獲取部分?jǐn)?shù)據(jù)，無法獲取完整的數(shù)據(jù)信息。

1.4 架構(gòu)光纖環(huán)網(wǎng)的要點(diǎn)

1.4.1 節(jié)點(diǎn)布局

在布置節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)之間的距離和互相之間的連通性。節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)保持一定的距離，以避免相互干擾。節(jié)點(diǎn)之間也需要互相連接，便于數(shù)據(jù)傳輸。

1.4.2 光纖布線

光纖的布線應(yīng)該盡量避免彎曲和拉伸，以免對(duì)光纖的傳輸產(chǎn)生影響。光纖的長度也需要盡量保持一致，以免傳輸速度不一致。

1.4.3 光纖產(chǎn)品質(zhì)量

光纖產(chǎn)品的質(zhì)量對(duì)于保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性非常重要。在選擇光纖時(shí)，應(yīng)選擇質(zhì)量好、傳輸速度快、信號(hào)衰減小的光纖產(chǎn)品。

1.4.4 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護(hù)

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行修復(fù)。此外，定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)建議

2.1 電源問題

目前，電源問題一直是戶外使用設(shè)備需要攻克的難題。大部分輸電線路架設(shè)在離居民生活區(qū)比較遠(yuǎn)的戶外，相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備也需要在戶外使用，導(dǎo)致電源問題成為輸電線路在線監(jiān)測(cè)的實(shí)施難點(diǎn)之一。

針對(duì)這一問題，光纖環(huán)網(wǎng)通信基站建設(shè)可以從2個(gè)方面出發(fā)。一方面，根據(jù)監(jiān)測(cè)線路周邊的自然環(huán)境，選擇太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及地線取能發(fā)電等方式為整個(gè)基站系統(tǒng)提供足夠的電力，同時(shí)采用智能化低功耗技術(shù)，降低整個(gè)通信系統(tǒng)的電量損耗；另一方面，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟缺O(jiān)測(cè)情況選擇合適的蓄電方式，如三元鋰電池、膠體電池以及磷酸鐵鋰電池蓄電等，通過發(fā)電與蓄電相融合的方式，解決光纖環(huán)網(wǎng)通信基站用電難的問題。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸安全問題

在線監(jiān)測(cè)裝置的網(wǎng)絡(luò)通信安全是保障通信系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要一環(huán)，如果缺少有效的防護(hù)手段，會(huì)在通信過程中發(fā)生信息泄露、信息竊取、數(shù)據(jù)篡改以及數(shù)據(jù)增刪等事故[4]。因此，需要做好輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全的全面防護(hù)。

首先，需要針對(duì)光纖環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)所連接的監(jiān)控終端、光纖基站、光纖環(huán)網(wǎng)以及基站無線通信裝置等采取相應(yīng)的安全保護(hù)機(jī)制；其次，為了提高網(wǎng)絡(luò)安全，在監(jiān)測(cè)終端和光纖基站等方面采取嚴(yán)格的硬件防護(hù)措施，避免受到非法分子的侵害；最后，在設(shè)施上配置加密芯片，將控制指令和敏感數(shù)據(jù)隔開，且在連接到智能光纖環(huán)網(wǎng)的有線設(shè)施或無線設(shè)施上實(shí)施嚴(yán)格的身份驗(yàn)證機(jī)制，確保收集的信息真實(shí)可靠。

2.3 熔纖問題

通常情況下，熔纖失誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信線路癱瘓，是光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用過程中需要注意的問題。針對(duì)這一問題，可以采取提前標(biāo)識(shí)的方式。在鋪設(shè)光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）時(shí)，提前將預(yù)留給在線監(jiān)測(cè)所使用的4芯光纖熔斷出2個(gè)纖頭，單獨(dú)安裝在在線監(jiān)測(cè)專用光纖接續(xù)盒內(nèi)，避免后續(xù)因光纖數(shù)量多而帶來熔纖失誤。后期在安裝智能光纖環(huán)網(wǎng)基站時(shí)，只需從專用的光纖接續(xù)盒進(jìn)行連線，將預(yù)先鋪設(shè)好的地線連接到光纖環(huán)網(wǎng)基站主機(jī)，能實(shí)現(xiàn)基站與整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)通。該方法不僅不會(huì)對(duì)其他通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且在新建線路時(shí)熔纖的費(fèi)用比后期單獨(dú)熔纖的費(fèi)用低得多，節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。

2.4 對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的影響問題

通過使用智能光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)，能夠搭建冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)中的某一部分出現(xiàn)故障時(shí)，能通過其他網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。除了采取模塊化的設(shè)計(jì)，智能光纖環(huán)網(wǎng)基站還具有其他優(yōu)勢(shì)，如果發(fā)生故障，將其中的故障模塊拆下就可以立即啟動(dòng)，沒有必要重新啟動(dòng)，從而保證了現(xiàn)有通信服務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

通過構(gòu)建一個(gè)覆蓋整條輸電線路的光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)，既能保證沿途實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的高效運(yùn)行，又能滿足各行各業(yè)的通信需求，從而拓展更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 輸電線路在線監(jiān)測(cè)

通過構(gòu)建一個(gè)具有極強(qiáng)覆蓋性的光纖環(huán)網(wǎng)通信基站，可以使3～5 km輸電線路上的所有在線監(jiān)測(cè)設(shè)備通過光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?；静粌H能夠支持高清視頻的在線傳輸，而且不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題，能夠保障全面掌握輸電線路中各監(jiān)測(cè)位置的實(shí)時(shí)狀態(tài)，也不會(huì)產(chǎn)生任何流量費(fèi)用。

3.2 無人機(jī)、地線機(jī)器人巡檢

未來的大型無人機(jī)掛載技術(shù)將向著圖像傳輸?shù)姆绞窖葑儯型鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的人力巡查方式，從而更好地滿足架空輸電線路的監(jiān)控要求[5]。目前，大多數(shù)無人機(jī)設(shè)備、地線機(jī)器人等設(shè)施都采用錄制視頻的方法來進(jìn)行巡查，但該方法存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)效性差等問題。針對(duì)這一問題，將無人機(jī)設(shè)備、地線機(jī)器人等巡檢設(shè)備與光纖環(huán)網(wǎng)通信基站相配合，能很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。一方面，光纖環(huán)網(wǎng)通信基站收集的輸電線路信息能夠?yàn)闊o人機(jī)設(shè)備、地線機(jī)器人的布設(shè)和配置提供參考信息；另一方面，光纖環(huán)網(wǎng)通信基站能夠?yàn)闊o人機(jī)設(shè)備、地線機(jī)器人等巡檢設(shè)備提供通信鏈路，實(shí)現(xiàn)巡檢圖像的實(shí)時(shí)傳輸，保證巡檢的時(shí)效性。

3.3 應(yīng)急指揮救援

通過智能光纖環(huán)網(wǎng)通信基站構(gòu)建的通信系統(tǒng)，能夠?yàn)檩旊娋€路沿線提供通信網(wǎng)絡(luò)。隨著智能電網(wǎng)的快速建設(shè)，我國輸電線路架設(shè)變得愈發(fā)密集，甚至在人煙稀少的區(qū)域都有輸電線路。當(dāng)該地區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害導(dǎo)致運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)無法正常使用時(shí)，光纖環(huán)網(wǎng)通信基站能夠?yàn)閼?yīng)急指揮提供局域網(wǎng)互聯(lián)互通服務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的語音和視頻通話，為應(yīng)急救援指揮提供通信服務(wù)。

4 結(jié) 論

在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，實(shí)現(xiàn)輸電線路的可視化、穩(wěn)定化以及高效化在線監(jiān)測(cè)是未來電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)和輸電線路在線監(jiān)測(cè)需求相匹配，以此推動(dòng)輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信的建設(shè)大有可為。同時(shí)，要積極正視光纖環(huán)網(wǎng)通信應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，以融合發(fā)展的眼光看待輸電線路光纖環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)，以擴(kuò)展技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景為目標(biāo)，真正做到先進(jìn)技術(shù)與電力發(fā)展的全面融合和深入融合。