CN201378194Y - 一种高压输电线路监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压输电线路监测系统，克服了现有技术中实现困难、功能局限、部署不便、带宽小、运行成本高、可靠性低的缺陷。包括无线监测传输网络、光通信网络、监控中心；无线监测传输网络包括设置在高压输电线路延线的每个铁塔上的各无线监测节点；光通信网络包括设置在汇聚点铁塔上以及线路两端的变电站内的各光通信节点，汇聚点铁塔是设置在沿线间隔20～30公里位置处的有光缆接续盒的特定铁塔；各光通信节点利用电力特种光缆中的两根纤芯进行光传输；各无线监测节点通过天线切换装置以及方向性天线进行无线通讯。本实用新型将各级铁塔上安装的数以千百计的传感器所监测到的信息传送回中心站，以实现对整条高压输电线路的实时监测。

Description

一种高压输电线路监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种高压输电线路监测系统。

背景技术

电力工业是关系国计民生的重要基础产业和公用事业，电力的安全、稳定和充足供应，是国民经济全面、协调、可持续发展的重要保障条件。

输电线路尤其是高电压等级的架空输电线路是电力系统的命脉，其管理的好坏，既直接影响着电网的安全、稳定运行，又影响电能输送质量，所以，加强对输电线路的运行管理工作至关重要。在目前的技术条件下，线路巡检是保障输电线路及其附属设备安全稳定运行的一项基础工作，其具体内容是：通过巡视检查来掌握线路运行状况及周围环境的变化，发现设备缺陷和危及线路安全的隐患，提出具体的检修内容，以便及时消除缺陷，预防事故发生，或将故障限制在最小范围，保证输电线路的安全和电力系统稳定，达到电力系统“安全、经济、多供、少损”的运行目标。

目前国内超高压电网线路的巡检，通常采用人工巡线方法来排查、检修安全隐患，保障电力线路安全。巡线人员在地面沿线逐塔巡视，有时候需要登上铁塔或者乘坐悬挂于线路上的滑车沿线巡检，这种作业方式有以下缺点：1)管理难度大，不灵活，计划检修需要停电；2)需要专业的登高人员，对人员素质和责任心要求高；3)巡线周期长、劳动强度大、危险性高；4)效率低，漏检率高，带有很大的碰运气的成分。以某电力公司在北京奥运保电期间所进行的巡线工作为例，为了巡检15条线路(长度38.176公里，铁塔109基)，在整个奥运期间共出动巡线人员9673人/次、车辆1881台/次，检测导线接头945个/次，但是真正发现和处置的重大隐患及突发事件只有5次；5)费用高。据国家电网公司的调查报告，以全长5万公里的500千伏线路为例，用于常规巡线的费用为每年2.1亿元。近年来，超高压和特高压大容量电力线路(500kV、750kV、1000kV)开始大量建设，线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，如经过沼泽、丛林、戈壁和崇山峻岭等无人区，这些都使得电力线路的传统线路巡检工作更加困难。特别是对于电力线路穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区以及沿线存在频繁滑坡、泥石流等地质灾害，大部分地区山高坡陡，交通和通讯极不发达时，如何解决电力线路的日常检测成为困扰电力行业的一个重大难题。尤其是经过2008年的冰雪、地震灾害后，该问题显得尤其突出。

近年来，有些电力企业尝试了使用直升飞机巡检，虽然使工作效率有所提高，但是费用更加高昂，安全问题突出，例如：2008年3月冰雪灾害期间，北京首都通用航空公司一架直升机在湖南郴州执行高压线巡查任务时坠落，造成很大社会影响。

由于上述的巡检作业方式存在诸多的不足，电力部门和一些科研机构开发了巡检机器人系统，该系统由巡检机器人和地面移动基站组成。机器人能够在超高压输电线路上沿线行走以及跨越障碍，携带摄像机检测输电设备的损伤情况，并将检测到的数据和图像通过无线传输系统发送到地面基站，以便地面人员及时准确地掌握输电线路的运行状态，发现线路设施的损伤、缺陷等故障情况。超高压线巡检机器人的研制成功，减轻了人工巡线的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，有利于提高巡检作业的质量和科学管理技术水平。但是，机器人仍然需要人工在现场进行控制，因此受到地形和交通限制，例如在有障碍物遮挡无法通信的地方不能很好地工作。

此外，以上所列举的巡检方式存在一个根本的缺陷。即，线路巡检所解决的问题是有局限的，只能有效发现由于自然原因或系统本身缺陷，经过日积月累缓慢过程后形成的故障。而对于短期性事件(如：负荷异常时线路和接头的发热，垂度变化)或偶然性发生的事件(如：人力破坏，突然的自然灾害等)，难以通过巡检方法掌握现场信息，并及时做出反应。

另一方面，由于社会和经济发展对电力供应质量的要求越来越高，国家提出了建设坚强电网的目标和精细化管理的要求，也促使电力企业对输电线路的管理维护向信息化和智能化发展。技术人员开始关注输电线路的更多信息，并将这些信息作为电网规划设计、科学调度、运行维护等工作的依据，例如：线路在各种工作模式下工况(如：发热、垂度变化)、在各种气象条件下工况(如：风激励振动、舞动、覆冰)、以及在各种突发事件(如：地质灾害、事故、人为破坏)时输电线路的现场状况等。需要注意的是，上述多种信息是需要靠长周期或实时观测来获取的，而依靠传统的巡检模式很难满足这些要求，获取的信息量非常有限。

由于存在以上原因，发展新的高压输电线路监测技术非常必要。近年来信息和电子科技，尤其是通信和传感器技术的进步也使这一努力成为可能，一些科研机构和电力企业开始了相关技术方面的探索。但是，目前对于如何建设经济、适用、高效的高压输电线路监测系统，还没有一个完整、成熟的解决方案。现有解决方案总体思路是：在线路和各级铁塔上装设传感器，将监测到的信息通过某种通信方式传送回监测中心。其中的核心难点在采用何种技术构建通信网络，实现监测信息的传送。

现有研究中对于这一问题的解决方案大致可分为以下几类：

一、使用电信运营商的公网进行数据传输。

如使用公用电话网络加Modem的数据通信方式、使用公网有线数据通信方式、使用公共无线网的数据通信方式。

以上方案的基本思路都是使用电信运营商的公网进行数据传输。其中使用电话或ADSL等有线通信方式时，因为会涉及到在高压区域布放用户线的问题，安全风险和经济代价巨大，在加上网络覆盖范围的限制，基本上不适合用于高压线路监控。因此大部分的技术方案都采用无线方式来解决通信问题，例如使用公网无线系统提供的数据传输服务，如：GSM、GPRS、CDMA、WiMAX，完成信息传送。

以上使用公网无线服务的方式存在以下缺点：

1)公网的覆盖范围有限，主要在人口稠密地区，一般无法覆盖输电线路全程。

2)目前公网提供的服务种类和数据速率有限，无法满足像线路视频监控信息传输等高速率业务的需求。例如：GSM数据速率9.6Kbps；GPRS理论上的最高传输速率为171.2Kbps，实际最高速率与运营商采的信道分配方案有关，再加上公网中用户公享带宽的本质特性，通常每个用户的平均数据速率在20～40kbps之间，且不能保证服务质量。

3)公网本身的可靠性难以满足电力监测系统的可靠性要求。例如：在2008年的地震灾害中，很多公网已经无法使用，而此时正是需要监测系统发挥作用的时候。

4)公网服务收费较高。如果完整监测一条长距离输电线路，成百上千监测点传输大量信息，这些信息传输会费用很高。

5)网络管理困难。电力企业无法对公网直接进行管理，一旦监控系统需要进行改动或者出现故障，必须与公网运营商协调解决，处理问题的时间无法保证，对电力系统安全运行造成威胁。

二、建立采用专用的无线通信技术网，实现输电线路监测。

采用这种方法的研究，有以下几种方式：

1、利用光纤温度传感器将导线接头温度采集下来，再结合新兴的无线光通信技术，将数据传输给2km以外的工作人员。其缺点在于：1)传输距离有限，无法实现监测点到监控中心的数据传输；2)自由空间光通信系统受到气象条件限制，例如在浓雾、降雨条件下无法使用；3)没有组网方案，监测过程中还需要人工配合。

2、信息级联传送方式，即杆塔上的无线传输设备除用于把本地故障信息发送出去，也用于接收上一挡杆塔传送的信息，并将信息转发至其下一挡杆塔的传输设备上，直到信息送回系统终端。但这种简单的接力传输方式存在以下缺点：1)网络无自组织能力，抗毁能力差，只要有一个节点出现故障，就会导致其它的节点信息无法正常传送；2)无法使用在长距离多节点的线路上，可靠性和传输延迟无法满足要求。

3、使用公网CDMA或GPRS提供的服务完成信息从监测点到监控中心的传递。对于没有公网无线覆盖的地方，则使用无线射频多跳接力传输的方法。其实是前文所述公网传送方式和无线接力传输方式的结合，没有摆脱各自相应的缺陷。

4、采用无线与有线相结合的方式将输电线路监测信息上传到数据分析总站。在每条输电线路设置基站，数据采集单元与基站之间的数据传递采用无线接力方法传递信息，基站到总站数据则经过有线方式进行数据传输。其缺点在于：1)需要建设基站；2)基站与总站之间的有线传输需要借助公网，且布线困难；3)对于长距离的通常有成百上千个节点的超高压、特高压输电线路来说，出于可靠性和信息传输时延等方面考虑，很难实现对整条线路监测。

5、建立基于输电走廊的无线传感器网络来解决输电线路在监测信息远程通信问题。在不具备移动网覆盖的地方，依靠无线传感器网络多跳接力传送来实现数据通信；当输电线路很长时(塔基数超过100)，需要在一定距离上需要设置网关或基站，借助于公共移动通信网将信息传送到线路监控中心。其缺点在于：1)没有完全摆脱对公网的依赖；2)需要建设网关节点；3)无线传感器网络在本质上适用于信息单向传送的场合，即信息从监测点向监控中心传送，而对于电网自动化管理而言，有时需要实现信息的双向传送，例如上行的遥测和遥信信息和下行的遥控和遥调信息，这对于无线传感器网络来说比较困难。

6、基于Mobitex无线专网技术的高压输电网智能监测系统。按照该方案，需要建立一个类似GSM和CDMA公网无线通信系统的专用的无线蜂窝网络，用来进行线路监测信息的传输。其存在以下不足：1)它是一种窄带分组通信网络，上下行数据速率8kbps左右，无法支持高带宽的业务的需求；2)需要在延输电线路附近部署大量的基站，由于超高压和特高压输电线路距离很长，所经过地区地理条件和环境条件都比较复杂，建设一个覆盖全部输电线路的Mobitex无线基站系统，在建设费用、工程难度、电源供给和后期维护成本等方面缺陷明显；3)基站和监测节点需要具备远距离无线通信能力，如：20～30公里，使用大功率的无线发射机，设备价格高，在野外环境工作时电源供给的难度大；4)根据输电线路维护的经验来看，在人烟稀少、社会治安差的地方，通信基站本身也容易成为犯罪分子盗窃和破坏的目标，因此存在严重安全隐患。

另外，输电线路沿线的监测节点是线状排列的，实际需要服务的无线覆盖区域只是沿线路走向的一个窄窄的带装区域，而蜂窝组网的方式通常是为处在一个平面区域内的广大用户提供服务，每个基站的无线覆盖范围为一个面积巨大蜂窝区域，可达近百平方公里，因此这种方案对提高无线频谱的空间复用率是非常不利的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中实现困难、功能局限、部署不便、带宽小、运行成本高、可靠性低、管理维护不便的缺陷，从而提供一种高压输电线路监测系统，其将无线Ad Hoc网络技术和光纤通信技术相结合，可以将各级铁塔上安装的数以千百计的传感器所监测到的信息传送回中心站，以实现对整条高压输电线路的实时监测。

本实用新型的技术解决方案为：

一种高压输电线路监测系统，其特征在于：其包括无线监测传输网络、光通信网络、监控中心；所述无线监测传输网络包括设置在高压输电线路延线的每个铁塔上的各无线监测节点；所述光通信网络包括设置在汇聚点铁塔上以及线路两端的变电站内的各光通信节点，所述汇聚点铁塔是设置在在沿线间隔20～30公里的位置处有光缆接续盒的特定铁塔；所述监控中心设置在线路一端的变电站内；所述各光通信节点利用电力特种光缆中的两根纤芯进行光传输；所述各无线监测节点通过天线切换装置以及方向性天线进行无线通讯。

上述无线监测节点，包括数据采集单元、音/视频采集单元、外部数据接口、数据处理单元、无线传输单元、方向性天线、天线切换装置以及供电单元；数据采集单元、数据处理单元、音/视频采集单元、无线传输单元通过控制总线和数据总线相互连通，外部数据接口与音/视频采集单元的信号输出端相连。

上述无线监测节点中的数据采集单元包括传感器和A/D变换器，外部数据接口，数据处理单元包括微处理器和存储器，无线传输单元包括低功率无线网卡，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口；所述音/视频采集单元包括摄像头/云台、麦克风MIC和/或编码器；所述方向性天线至少为两个。

上述无线监测节点中的供电单元包括与电源控制器相连的太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

上述无线监测节点包括与无线传输单元连接的全向天线。

上述无线监测节点包括功率控制模块；所述各无线监测节点组成一个无线Ad Hoc网络进行无线连接；所述功率控制模块用于控制无线传输模块在Ad Hoc网络环境下的传输功率。

上述光通信节点，包括数据处理单元、光传输模块、光分路器、光合路器、外部数据接口以及供电单元；数据处理单元、光传输模块、外部数据接口通过控制总线和数据总线相互连通，光分路器设置于光通信节点的接收端光纤与光传输模块之间，光合路器设置于光通信节点的输出端光纤与光传输模块之间。

上述光通信节点中的数据处理单元包括微处理器和存储器，外部数据接口，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池，光分路器为1∶2的光分路器，光合路器为2∶1的合路器；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口。

上述光通信节点中的供电单元包括与电源控制器相连得太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

上述光通信节点中的供电单元包括与电源控制器相连得太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

本实用新型的优点：

1、易于实现、部署灵活。以无线方式组网为主，工程实施和后期维护简便。

2、不受公网覆盖范围的影响，易于实现输电线路的全线覆盖。

3、信道带宽大。无线节点可使用现有成熟的WLAN技术，通信速率可达11Mbps～54Mbps，远超过公网提供的无线通信能力，能有效支持视频传输等高带宽需求的业务。

4、运行成本低廉。无需交纳公网服务费，系统运行费用低廉。

5、服务质量高，维护管理简单。完全利用电力企业自身的通信资源，而不依赖任何公网运营商的支持。由于是专网专用，服务质量高，系统出现故障时无需与公网运营商协调解决，有利于快速解决问题和更好的保障对电力一次系统安全运行。

6、可靠性高、抗多点失效。采用Ad Hoc自组织、自适应的组网络技术，抗多点失效能力强，有效提高了系统整体的可靠性。

7、功能强大。网络结构适合于在控制中心与铁塔监控节点之间进行双向通信，可对复杂地形条件下的长距离输电线路进行全程、逐塔的实时监测，能很好支持对线路监控设备的遥测、遥信、遥控、遥调等功能，还可以支持工作人员在输电线路延线的附近利用专用无线终端进行语音、数据、视频通信，在线路检修、抢险救灾等特殊场合充当应急通信手段。

附图说明

图1是逐跳转发方式的无线监控网络示意图。

图2是具有Ad Hoc网络特性的无线监控网络示意图。

图3是本实用新型的塔上无线监测节点的结构图。

图4是本实用新型的塔上光通信节点的结构图。

图5是本实用新型输电线路监测方法的组网图。

图6是本实用新型输电线路监测方法的应急通信应用模式示意图。

具体实施方式

本实用新型在输电线路的铁塔顶端安装专用的传感器和无线通信设备。各级铁塔上的无线通信设备即无线监测节点之间组成具备自组织、自适应能力的无线Ad Hoc网络。利用Ad Hoc网络的多跳转发能力，在一定区域内的各级铁塔上的无线节点可将监控信息进行接力转发，传送到在特定铁塔即汇聚点铁塔上设置的光通信节点。这些光通信节点相互之间通过高压输电线路上的电力特种光缆(OPGW或ADSS)中的两根光纤连接，组成一个类似Ad Hoc网络的，具有自组织特性的光网络，各个光通信节点同样采用多跳转发的方式进行数据通信。通过以上无线Ad Hoc网络和光纤网络相结合的方式，监控中心可以和任何铁塔上的监控节点进行信息交互，实现对线路的实时监测和控制。

具体地说，本实用新型为一种高压输电线路监测系统，其中包括：无线监测传输网络、光通信网络、监控中心；所述无线监测传输网络包括设置在高压输电线路延线的每个铁塔上的各无线监测节点；所述光通信网络包括设置在汇聚点铁塔上以及线路两端的变电站内的各光通信节点，所述汇聚点铁塔是设置在在沿线间隔20～30公里的位置处有光缆接续盒的特定铁塔；所述监控中心设置在线路一端的变电站内；所述各光通信节点利用电力特种光缆中的两根纤芯进行光传输；所述各无线监测节点通过天线切换装置以及方向性天线进行无线通讯。

在无线监测节点中包含有数据采集单元、音/视频采集单元、外部数据接口、数据处理单元、无线传输单元、方向性天线、天线切换装置以及供电单元；数据采集单元、数据处理单元、音/视频采集单元、无线传输单元通过控制总线和数据总线相互连通，外部数据接口与音/视频采集单元的信号输出端相连。

在数据采集单元中包含有传感器和A/D变换器，外部数据接口，数据处理单元包括微处理器和存储器，无线传输单元包括低功率无线网卡，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口；所述音/视频采集单元包括摄像头/云台、麦克风MIC和/或编码器；所述方向性天线至少为两个。

在无线监测节点中还可以包含与无线传输单元连接的全向天线。

所述无线监测节点包括功率控制模块；所述各无线监测节点组成一个无线Ad Hoc网络进行无线连接；所述功率控制模块用于控制无线传输模块在Ad Hoc网络环境下的传输功率。

在光通信节点中包含数据处理单元、光传输模块、光分路器、光合路器、外部数据接口以及供电单元；数据处理单元、光传输模块、外部数据接口通过控制总线和数据总线相互连通，光分路器设置于光通信节点的接收端光纤与光传输模块之间，光合路器设置于光通信节点的输出端光纤与光传输模块之间。

光通信节点中的数据处理单元还可以包含微处理器和存储器，外部数据接口，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池，光分路器为1∶2的光分路器，光合路器为2∶1的合路器；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口。

供电单元中还可以包含与电源控制器相连的太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

本实用新型中的无线监测节点、光通信节点，分别描述如下：

一.塔上无线监测节点

塔上无线监测节点是本实用新型的重要组成部分，它的主要功能是通过各种类型的传感器收集输电线路铁塔上的信息，进行初步分析和处理后，通过无线传输手段将信息发送给周围其他铁塔上的无线监测节点；同时每个无线监测节点也肩负着转发来自其他无线监测节点的信息的任务。

无线监测节点是网络的基本单元，它的基本结构主要包括：数据采集单元、音/视频采集单元、数据处理单元、无线传输单元、方向性天线及天线切换装置、外部数据接口、以及供电单元等主要部分。节点的组成如图3所示。

数据采集单元由各类型的传感器以及相应的A/D变换器组成。根据监测目标的不同，传感器的配置可以有所差别。

音/视频采集单元主要包括麦克风MIC、摄像头、云台等设备。用于采集应急现场的声音和图像信息，供监控中心更全面的了解事发现场的情况。在某些特殊场合，获取现场的音、视频信息是非常重要的，可以了解到输电线路周围的环境，如植被覆盖情况、鸟害情况等，以防范事故于未然；可以了解到特殊气象条件下线路的工作状态，如大风情况下的线路舞动，冰雪天气下的线路覆冰状态等；也可以了解到线路遭受人为破坏的情况，如车辆或机械挂断电缆、盗割电缆、盗窃塔材等事件，进行现场取证，以便于事后的故障修复和责任追究工作等。为了提高信道的利用率，可以选择配置音、视频编解码单元，压缩数据速率。

外部数据接口单元主要提供USB、高速串口、以太网口，也可选配蓝牙接口，这些接口提供与摄像头、MIC的外部连接功能；与专用的光节点通信设备连接以实现数据转发功能；还可用于与便携式计算机连接，进行数据处理或设备调试。

数据处理单元由嵌入式系统构成，包括微处理器、存储器、信号处理电路等。它是无线监测节点的主要部分。根据Ad Hoc网络的特征，参照OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP结构，本实用新型中数据处理单元完成的功能涉及以下几个层面的(软件)功能模块。

1)应用层功能

用于提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢失率限制的实时应用(紧急控制信息)、基于RTP/RTCP的自适应应用(音频和视频)和没有任何服务质量保证的数据业务等。该层的软件首先负责将传感器采集的数据记录到存储器中，并进行简单的分析判断，如果发现某项指标超出预先设置的门限值，或者接收到来自线路监测中心的查询命令，则应立即将相关数据整理成相应格式的消息，准备将其发送往监控中心。

2)传输层功能

用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网(下三层的细节)相隔离，并利用网络层的特性来高效地利用网络资源。处于技术成熟度方面考虑，本实用新型采用目前基于传统的有线网络中的传输层协议，包括TCP和UDP以及适用于无线环境的其他特定的传输层协议(如WAP协议)。

3)网络层功能

该部分软件完成的主要功能包括邻居发现、路由选择和分组转发、拥塞控制和网络互联等功能。邻居发现主要用于收集网络拓扑信息。路由选择的作用是发现和维护去往目的节点的路由，即无线监控节点选择什么路径，将信息逐段转发，送回线路监测中心或其他特定的节点。由于多跳性是Ad Hoc网络的主要特征，要实现报文的多跳转发，必须有路由协议的支持。本实用新型中，由于监测节点随着输电线路部署，主要成线形排列，拓扑结构比较简单且节点不会频繁移动，因此对路由协议的要求不像其他场合那样严格。对现有Ad Hoc中种类繁多的各种路由协议(如：DSR、AODV、TORA)等稍加改动即可满足本实用新型需要，因而易于实现且技术风险低。

4)逻辑链路控制子层功能

逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽低层不同的MAC方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的转发确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。

5)媒体访问控制层(MAC)功能

该部分软件控制监测节点对无线信道进行访问。由于本实用新型是基于Ad Hoc的网络结构，监测节点对无线信道的共享方式比较特殊。它不同于普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道，而是多跳共享的无线广播信道。这种多跳共享无线广播信道方式会带来隐终端和暴露终端问题，近而造成报文冲突，浪费无线信道宝贵的带宽资源。因此需要由MAC层协议来控制节点对信道的访问，尽量避免由于相邻节点之间同时发送无线信号而导致的冲突问题。目前，无线局域网和Ad Hoc网络中的主流MAC协议，如802.11 DCF等已经发展地非常成熟，可以应用于本实用新型中，技术风险小。

无线传输单元

无线传输单元主要由低功耗短距离的射频收发器组成。完成无线信号的监测和调制/解调、信道加密/解密、信号发送和接收等功能(相当于OSI 7层协议栈模型中物理层的功能)。

高压输电线的铁塔间距离在几百米至千米之间，对于500V以上的超高压和特高压线路，塔间距离平均为400～700米。随着近年来无线技术的发展，尤其是802.1X系列标准的提出和成熟应用，使得实现这一目标可以有多种选择，技术上不存在阻碍。例如目前非常成熟和廉价的802.11系列无线网卡，体积小，功耗低(最大发射功率几十毫瓦至200毫瓦)，在无障碍的空旷环境中最大通信距离可达到300～1000米左右，稍加改进便可满足塔间通信需求，且带宽可达到10M～54Mbps，完全满足宽带通信(如：视频监控等)需求。此外，这些设备都工作在2.4GHz或5.8GHz的非许可证频段，不存在频率申请的问题。由于输电线路监测节点工作在野外环境，电源供给困难，为了在满足通信距离要求的条件下尽量减小发送功率，因此无线传输模块应该具备功率控制功能。无线模块与主处理器控制总线线连接，在应用软件中增加相应的功率控制功能，控制无线传输模块的发送功率。

方向性天线和天线切换装置

本实用新型为了提高整个系统抗节点失效的能力，需要每个塔上无线监测节点都具备和多跳之外其他铁塔上的无线监测节点直接通信的能力。如果我们将节点的最大跳数设计为3跳，对于超高压和特高压线路来说，意味着节点最大的无线传输距离要达到2～3公里，目前主流的低功率无线网卡很难实现这一目标。而如果随意增加网卡的无线发射功率，又会受到无线电频谱管理方面的限制。本实用新型中使用高增益的方向性天线来解决这一问题。

根据天线理论，天线的波束范围越窄，提供的天线增益越高。因此，如果使用波束较窄的方向性天线取代全向天线，在不改变发射机的发送功率的前提下，可有效的增加通信距离。本实用新型为每个节点配给两个方向性天线。在架设监测节点的施工过程中，将一个天线的主波束方向对准铁塔上游的邻节点(简称正方向)，另一个天线的主波束则对准铁塔下游的邻节点，即可保证各铁塔之间的无线覆盖畅通，同时可以利用方向性天线的高增益，大大扩展无线信号的传输距离。对于架设在铁塔顶端的无线电收发信机器来说，天线距离地面，无障碍物遮挡，无线传播条件良好，传播损耗指数n的经验值一般在3左右，意味着每增加一倍的传输距离，发射功率应增加2³倍，即9dB。如果收发节点所配备的方向性天线的增益为18dB，则无线传输链路上总的天线增益为36dB，在不增加无线发送功率的情况下，可以使传输距离增加16倍，从而轻松满足跨多级铁塔的信息传递目标。使用方向性天线的另外一个好处是，无线电波覆盖被限制在一定的角度范围内，减小了与其他无线通信系统之间产生相互干扰的可能性，即使输电线路周围存在其他的干扰源，只要它不在接收节点的波束范围内，就不会造成干扰。

本实用新型中的监测节点是架设在输电线路铁塔上的，由于相邻的级别铁塔基本成直线排列，中间没有障碍物遮挡问题，而且无线发射装置的天线架设位置距离地面非常高，这为无线传输提供相当优良的环境，也为方向性天线的使用创造了有利的条件，在安装方向性天线时，波束的定位问题很容易解决。

由于每个节点装设了两个方向性天线，每个天线只能覆盖一个方向，因此需要使用天线切换装置在多个天线之间进行切换，以满足监测节点与上、下游邻节点通信的需要。节点中主处理器的控制总线与天线切换装置相连，在发送消息时，根据目的节点的位置确定所要使用的发送天线；在接受消息时，可根据最大接收电平原则来切换接收天线，也可按照最大比合并原则，对两个天线接收的信号进行分集合并处理，利用角度分集的原理进一步改善接收质量。此外，为增强监测系统功能，除了方向性天线之外，还可以给无线监测节点配备一个全向天线，用于与输电线路附近区域内的其他无线设备(例如巡线工作人员携带的同类型无线通信设备)进行通信。

供电单元

该模块由太阳能阵列、电磁感应发电单元、电源控制器、蓄电池组成。对于某些重要节点，还可以选择配置低启动风速的小型风力发电机，以增加供电可靠性。

太阳能阵列通过光电效应将太阳能转换为电能，并存储在蓄电池中，供给整个节点的耗电。该技术已经发展非常成熟，产品种类多样。然而，由于必须借助阳光才能工作，如果阵列受到灰尘覆盖，或碰到连续的雨、雪、大雾等天气，电池得不到充电会导致系统能量耗尽而失效。为此，需要多种方式配合来提高供电可靠性，而高压输电线路为解决此问题提供了有利的条件。即在输电铁塔上安装电磁感应发电单元，该装置通过将导线周围的电磁场能量转换为电能，承担起为蓄电池充电和为设备供电的任务。本实用新型中采用了该技术，由于它不受灰尘污染、气象等因素的影响，因而可以大大提高供电的可靠性。

电源控制器控制着太阳阵列、电磁感应发电单元向蓄电池的充电，以及蓄电池向其他设备节点的供电。为了防止蓄电池过放电而导致损坏，电源控制器还具备低电压保护功能。此外，为了进一步减少设备的电源消耗，可以考虑增加状态控制功能，通过尽量让节点处于休眠状态以节省电量，这方面的开创性工作来源于PAMAS(Power-Aware Multi-Access with Signaling)MAC协议，这个协议将状态控制与MAC协议结合，在能够休眠的时候都休眠。事实上状态控制的思想不仅可以和MAC层协议结合，也可以独立存在(例如：GAF算法)，还可以和路由协议结合。

二.塔上光通信节点

铁塔上光通信节点与本铁塔的无线监测节点通过外部数据接口互连，实现的主要功能是：汇聚自身周围较大范围，例如20～30公里内其他铁塔上无线监测节点经过多跳转发传输过来的消息，对它们进行分析处理和光电变换后，通过光纤进行长距离转发，利用光纤这种优良的通信介质，大幅度提高信息传输的速度和可靠性。

本实用新型的输电线路监测方法中，在间隔一定距离(20～30公里)的铁塔设置上光通信节点，使用电力特种光缆中的两根纤芯将这些光通信节点串联起来，组成一个多跳的光传输网络。在该网络中，光节点间之间通过类似接力转发的方式进行信息的传递。同时，为了防止部分节点故障导致整个系统失效，这个多跳的光传输网络需要具备类似Ad Hoc网络的自组织能力。即当某个光节点故障时，其相邻的光节点可以获知该节点的故障状态，在发送信息时可越过故障节点，将信息直接发送到两跳或更多跳之外的其他光节点。

塔上光通信节点的组成如图4所示，包括数据处理单元、光传输模块、光分路器与合路器、外部数据接口、以及供电单元等主要部分。其中数据处理单元、外部数据接口，以及供电单元部分的结构与功能与无线监测节点的同类单元基本相同，因此不再详述。

光传输模块是光通信节点主要部分之一，它类似于与无线节点中的无线传输模块，主要完成物理层的功能，即把上层准备发送的数据包转换为合适的光信号序列，并在光纤介质上进行发送。目前，光传输模块的技术发展成熟，已经在信息网络设备中大量使用。普通的100Mbps的单模光模块，可以轻松实现最大为120公里左右的传输，而发送光功率极低(不足毫瓦)。因此该技术应用于本实用新型中不存在困难。

在普通的应用中，光纤通信通常是用作点对点传输用途，而本实用新型中，为了保证部分节点失效下光信号的通路不至于中断，我们希望一个光节点发出的信号能够被相邻几跳内的多个光节点接收。由于光纤通道本身不具备无线信道那样的广播特性，本实用新型在光通信节点设备中引入光分路器与合路器单元来解决多个节点共享光纤信道的问题。如图4所示，在节点设备接收端光纤的与光模块之间增加一个1∶2的光分路器，在节点设备输出端的光纤与光模块之间增加一个2∶1的合路器。在接收信号时，线路光纤上传来的光信号首先进入输入端的光分路器，经过分路器后变为两路信号，分路器输出的一路光信号被连接到光模块的输入端(称为I支路)，供本节点分析处理；分路器输出的另一路光信号则经一段辅助光纤后直接连接到另外一侧的光合路器的两个输入端之一(称为Q支路)，经过合路器后与该侧线路光纤连接，以便继续传输到多跳以外的其他光通信节点。可以看出，采用了这种设计后，光信号不仅可被本节点接收处理，也可以直接“穿透”本节点而被其他光节点接收并处理。在本节点的数据处理器单元、光传输模块、以及供电单元等部分出现故障时，不会影响光信号继续传输。而光分路器、合路器单元是无源部件，可靠性高，发生故障的概率可忽略不计。

由于光分路器的引入，必定会缩短光信号的传输距离。但是这样带来的好处是光信号可以被更多的邻节点接收和处理，从而避免单个节点故障引起整个系统无法工作的问题，大大提高监测系统整体的可靠性。在实际应用中，光分路器两路输出信号的具体衰耗与的分光比有关，可以按照工程需要选择合适的分光比。原则上为了尽量增加光信号最大传输距离(穿越尽量多的光节点)，应给Q支路分配更大的比例，使大部分的光信号能量直接穿透本节点继续向其他节点传播。例如，假设Q支路和I支路的分光比例为分别为80％和20％，则与输入信号相比，两个支路输出信号的衰减分别为-1dB和-7dB。按照目前常用的电力特种光缆G..652在1550nm波长的衰耗0.2dB/km计算，每经过一个光节点，由于分光而引起的I支路信号损耗将导致传输距离缩短大约为5公里。相对于普通光模块60～120公里的传输距离来说，对整个系统造成的影响不大。

本实用新型的监测系统组网方法和工作模式为：

1.本实用新型的高压输电线监测系统组网方法

在高压输电线路延线的每个铁塔15顶端安装无线监测节点10；在沿线间隔20～30公里的位置处选择有光缆接续盒的特定铁塔作为汇聚点11，在汇聚点11铁塔上以及线路两端的变电站内同时安装无线监测节点10和光通信节点12。

各级铁塔上的无线监测节点之间组成具备自组织、自适应能力的无线Ad Hoc网络。利用Ad Hoc网络的多跳转发能力，在一定区域内的各级铁塔上的无线监测节点可将监控信息进行接力转发，传送到在汇聚点铁塔上设置的光通信节点，所有汇聚点铁塔上的光通信节点相互之间通过高压输电线路上的电力特种光缆13(OPGW或ADSS)中的两根光纤连接，组成一个类似Ad Hoc网络的具有自组织特性的光网络，各个光通信节点同样采用多跳转发的方式进行数据通信。

通常线路的监控中心设置在线路一端的变电站内，为了进一步增强系统的可靠性，可在线路对端的变电站内设置迂回路由。如图5所示，在对端变电站内的光通信节点输出的信号经过专用的协议转换器后，通过SDH设备提供的VC-12虚级联通道14传回监控中心所在的变电站。

通过以上无线Ad Hoc网络和光纤网络相结合的方式，监控中心可以和任何铁塔上的监控节点进行信息交互，实现对线路的实时监测和控制。

2.监测系统的工作模式和实现的功能

1)线路监测模式

在该模式下，线路铁塔上的无线监测节点通过各种传感器收集输电线路的信息。数据处理单元对这些监测信息进行判断处理，对于实时性较强的信息，例如：某些性能指标越限告警或实时音视频信息传送，立即开始转发过程，通过无线Ad Hoc网络和光纤网络相结合的方式，将信息传送到线路监测中心。对于实时性无要求的信息，例如：周期性采集的线路状态信息或静止图片信息等，先将其存储在存储器中，等待在预先设定的网络空闲时间段，或是接收到监测中心传来的查询指令后，再将信息传送到线路监测中心。

2)远程控制模式

在该模式下，工作人员可以在线路监测中心对线路全程任意铁塔上的特定设备进行远程控制，例如：控制传感器的开启、修改参数设置，查询某些历史记录信息，控制摄像头的焦距变化以及云台的角度对特定目标进行拍照，或控制某些携带专用无线通信设备的智能机械，如巡线机器人的运动状态和监测项目等。

3)应急通信模式

由于高压输电线路所经过的一些地区偏僻，没有公网通信方式可以利用，应急通信成为难题。本实用新型中，沿着输电线路建设光纤及无线Ad Hoc的基础通信网络，可灵活实现设备的无线接入，并能够对网络拓扑的变化进行自适应，网络的数据带宽很大，可达几十Mbps～上百Mbps，可以支持网络的业务种类多样，这些特点非常适合应急通信使用。例如：给线路巡查人员或抢修人员配备与无线监测节点类似的无线AdHoc网络通信设备，在输电线路附近，他们可以通过铁塔上无线监测节点的连接而加入无线Ad Hoc网络，并通过光纤及无线Ad Hoc的基础通信网络与监控中心或其他处于输电线路附近的工作人员进行通信。抢修人员可以将应急现场的声音、图像、视频等信息通过监测网络发送回线路监测中心，供指挥人员进行决策；后方人员也可以将图纸、文件、处理方案等资料传送到应急现场，并可通过网络音频、视频的方式指挥现场工作。以上工作模式如图6所示。可以看出，本实用新型所设计的输电线路监测网络可以很好地支持应急通信用途。

本实用新型的原理是：

由于输电线路电压等级很高，输电走廊所经过区域自然环境通常很恶劣。如果使用在铁塔上布设线缆的方式建立监控网络存在很多困难：施工难度大、安全风险高、可靠性差、检修维护不便等。因此，在这种情况下使用无线传输方式成为很好的选择。

根据无线信道的传输特性，当发送节点的发送功率不变时，接收节点接收到的功率与两者之间的距离的n次方成反比。其中n的取值一般在3～6之间，与具体使用的环境有关。如果接收机与发射机都处在距离地面很高的位置，且所处区域为平坦的开阔地，则无线电波的传播基本符合双线传播模型，在收发节点距离较远的情况下，电波传播损耗与传播距离的4次方成反比。按照这种理论，为了增加1倍的传输距离，发送节点的发送功率需要增加约16倍，可见节点付出的能量消耗代价是巨大的，这对于在野外工作，电源供给困难的监测节点来说是非常不利的。此外，随着传输距离的增加，周围环境会更加复杂，收发节点之间出现障碍物遮挡或其他干扰源的可能性增加，这将导致通信质量急剧恶化，甚至无法通信。基于以上原因，本实用新型认为监测节点使用无线手段直接将信息发往远距离外的接收点的方案是不可行的。

另一方面，作为电力系统命脉的架空输电线路，基本结构是依靠各种类型的铁塔逐级地承担导线，将输电线路延伸到远方。铁塔之间的分布极有规律，对于超高压输电线路来说，平均塔距在400～700米之间。这为短距离无线接力传输提供了天然的条件。因此可以在各级铁塔1、2、3、4和5上的安装无线通信设备，每个塔上的无线设备通过高增益的定向天线，使用极低的发送功率，将信息传送到邻近的下一级铁塔，再由该铁塔上的无线设备将信息继续传往下级铁塔，如此重复直到信息被发送到线路监测中心站。如图1所示。

然而这种简单的逐点转发的模式存在一个问题，如果有一个节点的设备出现故障，就会导致整条传输链中断。例如，在图1中，如果铁塔1上的设备出现故障，则处于其下游的所有节点将无法把信息传输回监控中心。假设每个节点出现故障的概率相同，都为p，则对于有N个铁塔组成的输电线路来说，整条无线接力传输链线路上出现故障点的概率为(1-(1-p)^N)，在N*p＜＜1的情况下，上式近似表示为N*p，即随着铁塔数量的增加，出现故障节点的概率直线上升。事实上由于在野外工作环境恶劣，如雷电、低温、雨雪天气及各种干扰，使得无线节点有可能出现故障或受损毁的情况。因此本实用新型引入Ad Hoc组网技术来解决上述问题，以尽量缩小故障的影响范围，而不要导致输电线路上其他正常工作的监测节点无法传送信息。

Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，它是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的自治系统。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。这种网络可以独立工作，也可以接入Internet或蜂窝无线网络。Ad Hoc网络中的每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序，例如：检测和判断输电线路铁塔上的各种传感器信息等；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad Hoc网络中，节点间的路由通常由多跳(Hop)组成。由于组网快速、灵活，使用方便，目前Ad Hoc网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛应用，已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来通信技术中占据重要地位。

本实用新型应用Ad Hoc网络的自组织、自适应功能来提高整个输电线路监测系统抗节点失效的能力。具体做法为：输电线路每个铁塔上无线节点不只与自己最近的邻节点通信，而且具备与自身周围M跳内的其它铁塔直接通信的能力，并且能够检测它们的工作状态，根据特定的路由方案，自适应的选择其中的某个节点作为信息接收者。以图2为例，假设在正常情况下第i号铁塔6上的无线监测节点(以下简称节点i，或第i号节点)将信息传送给距离自己最近的邻近第i-1节点，一旦该节点出现故障，第i号节点能自动调整路由，增加发射功率，将信息直接发往第i-2号节点，从而越过故障点将监控信息传回监控制中心；同理如果节点i-1和节点i-2同时故障，则节点i(如果最大传输功率允许)可继续增功率，直接与第i-3、i-4…i-M号铁塔7、8、9通信。

显然在这种情况下，对于节点i来说，只有当其上游的m个节点同时出现故障的情况下，监控信息传输链路才会彻底中断。假如单节点故障的概率为p，则这m个节点同时出现故障的概率为p^m。因为个别节点故障而导致整条无线接力传输链路中断的概率随m的指数下降，假设p＝0.01，m＝3，则这一概率降低10000倍，可见监控网络整体的可靠性大大增强。

不过，尽管在理论上可以在将输电线路所有铁塔的信息使用无线接力的方式进行传输，但这样做仍会产生很多不利影响。首先是传输延时问题，现有的超高压输电线路距离可达到200公里以上，特高压线路甚至可达500公里上。在如此长度的线路上铁塔数量可达到数百甚至上千，如果完全使用无线接力转发的方式会造成信息传输延时过大；其次是可靠性问题，随着信息转发次数的增加，出现错误而导致丢包的概率与转发次数成指数关系增加；此外由于处在上游的节点要转发下游所有节点传来的业务，因此能量消耗很大，同时容易形成带宽瓶颈。为解决以上问题，本实用新型采用了光纤通信与无线Ad Hoc网络相结合的方法。

目前，几乎所有110kV以上的高压输电线路都架设了电力特种光缆，主要为OPGW和ADSS。且从使用现状来看，其中都有大量的空闲纤芯。本实用新型就是利用了输电线路这一独有的通信资源，来建设线路监控系统。具体做法为：对铁塔上的无线节点进行分群，相邻的几十或上百节点为一个群，其长度为20～30公里左右，在每个群中选择其中一个有光缆接续盒的铁塔作为信息汇聚节点，在该铁塔上除了安装无线通信设备外，再安装一套使用分组方式进行通信的光通信设备。通过输电线路上的电力特种光缆，将各个汇聚节点上的光通信设备以及线路监控中心的监控终端连接起来。在这种网络中，铁塔的监控信息通过无线方式经过多跳转发至距离其最近的汇聚节点，各个汇聚节点之间再以光通信方式，经过多跳转发将信息传输回线路监控中心。由于光纤线路衰耗小、抗干扰能力强，通信带宽极高，因此能够保证线路监测信息快速、安全的回传。同样，为了防止光通信节点故障导致的整条链路无法工作，本实用新型中的光通信系统具有类似无线Ad Hoc网络的自组织功能，即各个光节点之间并非简单的将信息发送给自己的邻节点，而是能够获取其他光节点的工作状态，自动计算路由，避开故障节点将信息发送回监控中心，因此整个系统的可靠性大大提高。为了实现这种自组织功能，本实用新型中光通信设备的结构和工作方式与传统的TDMA方式的光传输设备(SDH/PDH)或者带光接口的路由器等设备有明显区别。

综上所述，本实用新型通过以上无线Ad Hoc网络和光纤网络相结合的组网方法，实现监控中心与任何铁塔上的监控节点之间的双向信息交互，对线路进行实时监测和控制。

本实用新型提出的监测系统摆脱了传统巡线方式的弊端，在远离现场的监测中心就可以有效掌握线路运行状况及周围环境的变化，发现设备缺陷和危机线路安全的隐患，以便及时消除缺陷，预防事故发生，或将故障限制在最小范围，保证输电线路的安全和电力系统稳定，实现电力系统安全、经济、优质运行的目标。同时系统还可以支持工作人员在输电线路延线的附近利用专用无线终端接入监测网络，进行语音、数据、视频通信，在线路检修、抢险救灾等特殊场合有效地实现应急通信功能。

Claims (10)

1、一种高压输电线路监测系统，其特征在于：其包括无线监测传输网络、光通信网络、监控中心；所述无线监测传输网络包括设置在高压输电线路延线的每个铁塔上的各无线监测节点；所述光通信网络包括设置在汇聚点铁塔上以及线路两端的变电站内的各光通信节点，所述汇聚点铁塔是设置在沿线间隔20～30公里位置处的有光缆接续盒的特定铁塔；所述监控中心设置在线路一端的变电站内；所述各光通信节点利用电力特种光缆中的两根纤芯进行光传输；所述各无线监测节点通过天线切换装置以及方向性天线进行无线通讯。

2、根据权利要求1所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：所述无线监测节点，包括数据采集单元、音/视频采集单元、外部数据接口、数据处理单元、无线传输单元、方向性天线、天线切换装置以及供电单元；数据采集单元、数据处理单元、音/视频采集单元、无线传输单元通过控制总线和数据总线相互连通，外部数据接口与音/视频采集单元的信号输出端相连。

3、根据权利要求2所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：无线监测节点中的数据采集单元包括传感器和A/D变换器，外部数据接口，数据处理单元包括微处理器和存储器，无线传输单元包括低功率无线网卡，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口；所述音/视频采集单元包括摄像头/云台、麦克风MIC和/或编码器；所述方向性天线至少为两个。

4、根据权利要求3所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：所述无线监测节点中的供电单元包括与电源控制器相连的太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：所述无线监测节点包括与无线传输单元连接的全向天线。

6、根据权利要求5所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：所述无线监测节点包括功率控制模块；所述各无线监测节点组成一个无线Ad Hoc网络进行无线连接；所述功率控制模块用于控制无线传输模块在Ad Hoc网络环境下的传输功率。

7、根据权利要求5所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：所述光通信节点，包括数据处理单元、光传输模块、光分路器、光合路器、外部数据接口以及供电单元；数据处理单元、光传输模块、外部数据接口通过控制总线和数据总线相互连通，光分路器设置于光通信节点的接收端光纤与光传输模块之间，光合路器设置于光通信节点的输出端光纤与光传输模块之间。

8、根据权利要求7所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：其中光通信节点中的数据处理单元包括微处理器和存储器，外部数据接口，供电单元包括电磁感应单元、电源控制器、蓄电池，光分路器为1∶2的光分路器，光合路器为2∶1的合路器；所述外部数据接口包括USB、高速串口、以太网口和/或蓝牙接口。

9、根据权利要求6所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：光通信节点中的供电单元包括与电源控制器相连的太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

10、根据权利要求8所述的高压输电线路监测系统，其特征在于：光通信节点中的供电单元包括与电源控制器相连的太阳能阵列和/或低启动风速的小型风力发电机。

Images