徐常志 邓伟锋 李耀均 赵丽娜
摘 要：
为保障输电线路的稳定性和可靠性，针对不同应用场景需求，实施输电线路图像可视化监测，提出三种无线通信方案：无线4G公网通信方案、无线网桥通信方案，以及无线网桥与4G通信综合方案。在三种解决方案中，设计了由前端热点、中继基站、监控中心等模块组成的技术框架。针对运营商网络覆盖且信号较好的场景，可采用无线4G公网通信方案，依靠运营商网络实现数据通信;针对带宽要求较高、运营商网络不好的场景，可采用无线网桥通信方案;针对某些运营商4G信号无法覆盖到所有输电线路监测点的问题，可采用综合方案。在提高输电线可靠性方面，应用可视化监测终端系统提供了更多的选择。
关键词：
输电线路;图像可视化;终端;无线通信;4G公网;无线网桥
中图分类号：TN919.85 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2020） 06-099-05
工业技术创新 URL：
http：//gyjs.cbpt.cnki.net DOI：
10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.017
引言
随着电力建设事业的蓬勃发展，电网规模迅速扩大，输电线路作为最重要组成部分，其跨越路径长、环境变化大，电力设备维护运检工作越来越繁重，输电线路图像可视化监测成为迫切需求，这对输电线路状态数据通信的智能性、实时性、精准性，图像监测的高清可视性，以及信息传输的安全性、低延时性等提出了更加严格的要求。同时，鉴于输电线路具有分散性大、距离长、巡视难度高等特点，监测设备还需具备安装简单、移动方便、技术扩展性强等性能[1]。
本文针对输电线路图像可视化监测终端对不同应用场景的要求，提出三种无线通信方案：无线4G公网通信方案、无线网桥通信方案以及二者的综合方案，以期为可视化监测终端的应用提供更多的解决方案，致力于解决输电线路图像可视化监测在通信方面存在的困难。以往通信功能主要包括有线光纤传输和无线GPRS/4G通信。有线光纤传输受到野外铺设难度大、易遭破坏、无法移动等限制，很少得到实际应用。无线GPRS/4G通信方式虽然在项目中采用得比较多，但其受到通信成本高、带宽低、延时长等因素的影响，且易被运营商网络覆盖，因此也无法完全满足输电线路监测的要求。
1 无线4G公网通信方案
针对输电线路图像可视化监测终端有运营商网络覆盖且信号较好的场景，可采用无线4G公网通信方案，依靠运营商网络实现数据通信。目前，国内三大运营商网络基本可以覆盖输电线路经过的区域。这种方案无需亲自组网，比较方便实用，且具备双通道备份等优点[2]。
无线4G公网通信方案包括前端热点（图像可视化监测终端）和后台监控中心（含安全网关）。方案框架如图1所示。
1.1 前端热点（图像可视化监测终端）
前端热点由图像可视化监测装置、集成主机箱（含4G通信模块）和电源系统组成。
1.1.1 图像可视化监测装置
图像可视化监测装置用于实时采集输电线路的张力等力学数据，雨量、气压、温度、湿度、风速、风向等微气象数据和现场图片等数据。
1.1.2 集成主机箱（含4G通信模块）
集成主机箱集成有4G通信模块。4G通信模块将采集到的输电线路现场图片等数据上传到后台监控中心。当需要观看视频流时，监控中心主站下发指令打开摄像头，摄制线路视频信息。
前端热点可采用双卡通信技术，接入两家不同运营商的网络回传数据，并且两条通道之间可以自动切换，因此当任何一家运营商的4G网络中断时，终端都可以自动切换到另一家运营商的4G网络，保证监测设备的正常运行。
1.1.3 电源系统
为了保证前端热点能够在大风、大雨、冰、雪等恶劣环境下正常、稳定、可靠运行，采用耐寒效果比较好的胶体蓄电池、磷酸铁锂蓄电池作为电源系统，同时供电单元各部件也经过了多种工艺的处理。太阳能板的安装支架应固定牢靠，防止松动、吹翻。充放电控制器集成在主机箱中，保障安全性和稳定性。
1.2 后台监控中心
后台监控中心由管理服务器、数据库服务器、流媒体服务器、Web服务器和存储设备等组成。后台监控中心可以分为多个分监控中心和一个总监控中心。分监控中心完成数据库管理、通信管理、存储管理功能，对数据库服务器进行各类数据的自动处理，并将处理结果予以显示，同时通过数据网与各种内部管理系统和调度自动化系统进行信息交互。总监控中心可以对全区域输电线路内的全部在线监测系统进行管理。监控中心安装有在线监测管理分析软件，方便监测、管理。后台监控中心组成如图2所示。
2 无线网桥通信方案
针对输电线路图像可视化监测终端带宽要求较高、所处位置运营商网络不好的场景，可采用无线网桥通信方案。该方案具有带宽大、延时低、保密性高、抗干扰强、无通信费用、安装/移动方便、无地域限制等优点。
整体方案包括三个部分：前端热点（图像可视化监测终端）、中继基站及监控中心。
2.1 前端热点（图像可视化监测终端）
前端热点由图像可视化监测装置、数据采集系统、无线发射系统及电源系统组成。
無线发射系统采用数字无线网桥产品，设备内置有18 dBi的平板天线，数据传输距离根据不同的设备型号匹配不同千米数的要求而设定，完全满足从前端到热点基站的无线信号连接，传输性能稳定可靠。交换机把图像可视化监测终端采集的信号进行汇总，接入到POE供电盒的数据接口中，再把这些信号通过无线通信的方式传输到热点覆盖的中继基站。
前端热点的电源系统采用太阳能+蓄电池供电模式，保证图像可视化监测装置的正常工作。在没有光照的情况下，能够满足连续多天的工作需要。
前端热点的整体连接如图3所示。
2.2 中继基站
中继基站包括中继点无线覆盖及中继点对中继点无线传输部分。
对于中继点无线覆盖，采用高带宽多模块无线网桥产品。产品采用千兆网口设计，具有较强大的数据处理能力，且支持多模块的设计。使用该产品时，在一台设备中可以安装2条60°天线，在此基站安装两台设备，就可以安装4条60°天线，覆盖角度总计可达240°以上，基本可以满足周边前端热点的连接需求。基站中继点无线覆盖示意图如图4所示。
中继点对中继点无线传输选用高带宽无线网桥产品。产品内置有25 dBi定向增益天线，由于设备本身发射功率较大，传输距离可达30 km以上。设备内置有千兆网口，工作性能可靠稳定，理论传输带宽可达480 Mbps，实测传输带宽可达160 Mbps。设备具备多级跳台无损耗的特性，可保证在经过多次中继后仍具备较高的带宽数据。在基站设备安装的地方，供电方式与前端供电方式相同，即在正常情况下使用交流220 V供电。如果在一些比较特殊情况下没有市电，同样也可采用上述的太阳能供电系统[3]。
中继点对中继点无线传输示意图如图5所示。
2.3 监控中心
监控中心包括后端监控中心的显示、控制及数据库接入部分。
监控中心一般位于市区内，海拔相对较低，为了更好地保证接收信号的范围和质量，需要在监控中心附近找到高层建筑，在建筑顶楼安装无线网桥接收设备，接收从中继点传回的无线监测数据信号。此外，在建筑顶楼还需要配置一个配电箱，为监测设备供电。
无线网桥接收到的信号从交换机进入光端机，通过光纤传输到机房，接入到监控中心的服務器。服务器上安装输电线路图像可视化在线监测平台，通过这一平台，可以对前端图像等监测数据进行查看、管理，还可以通过上墙服务器或矩阵把图像投放到大型显示屏中[4]，如图6所示。
3 无线网桥与4G通信综合方案
针对某些运营商4G信号无法覆盖到所有的输电线路监测点的问题，可采用无线网桥与4G通信综合方案。本方案综合了无线4G公网通信方案、无线网桥通信方案二者的特点和优势，能够在最大化节省通信成本的同时保证通信质量。
综合方案包括三个部分：无4G信号的前端热点、4G中继基站及监控中心，如图7所示。
3.1 无4G信号的前端热点
设计方案与无线网桥通信方案的前端热点相同，见章节2.1。
3.2 4G中继基站
4G中继基站由无线网桥、交换机和4G无线设备组成。通过高带宽多模块无线网桥接收热点传输回来的信号，再通过交换机连接到4G无线路由设备，最终通过运营商4G信号传回到监控中心。方案如图8所示。
4G中继基站的无线网桥接收设备可同时覆盖多个前端热点，根据前端热点数量和距离选择不同的设备型号，在满足通信要求的同时，最大化节省建设成本。
3.3 监控中心
监控中心包括后端监控中心的显示、控制及数据库接入部分。在监控中心架设一台服务器，安装输电线路图像可视化在线监测平台，然后通过以太网把前端热点的监测数据和图片数据传输到平台，以通过控制键盘对图像可视化监测终端进行控制。此外，服务器上还要安装RTU控制软件，远程对前端发送指令，控制前端设备进行远程上电、断电操作[5-7]。
4 结束语
本文提出了三种特色鲜明的输电线路图像可视化监测终端无线通信解决方案：无线4G公网通信方案、无线网桥通信方案以及二者的综合方案，为图像可视化监测终端的应用场景提供了更多的选择，充分满足了输电运维管理部门提出的更高的个性化要求。希望这三种解决方案可以为其他有输电线路监测需求的单位提供借鉴，为建设智能电网和坚强电网贡献一份力量。
参考文献
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[2] 谢飞， 邵淑燕， 彭洁. 电力无线视频监控系统分析[J]. 山东电力技术， 2017， 44（4）：
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[3] 刘金权， 黄锐， 陆坤， 等. 基于无线数据传输的电力变压器监测系统[J]. 传感器技术， 2004（1）：
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[4] 刘艳丽， 仝杰， 孙建平， 等. 5.8GHz无线网桥在输电线路通信中的应用[C]//2016电力行业信息化年会论文集， 2016.
[5] 徐常志， 邓伟锋， 张良， 等. 输电线路在线张力监测与覆冰模拟试验[J]. 工业技术创新， 2017（5）：
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[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.
作者简介：
徐常志（1989—），通信作者，男，本科。研究方向：在线监测。
E-mail：
xucz@sdgi.com.cn
邓伟锋（1987—），男，本科。研究方向：在线监测。
E-mail：
dengwf@sdgi.com.cn
李耀均（1992—），男，本科。研究方向：在线监测。
E-mail：
liyaojun@sdgi.com.cn
赵丽娜（1989—），女，本科。研究方向：光纤传感。
E-mail：
zhaoln@sdgi.com.cn
（收稿日期：2020-06-28）
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