输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究

i宁夏电力输电线路在线监测系统通信接入技术应用研究宁夏电力公司2012 年 2 月 9 日第一章输电线路在线监测系统简介随着国家电网公司建设“一强三优”现代电网战略的快速推进，采用科 技手段提高电网安全运行水平成为现代化电网发展的必然趋势。利用远程 可视化技术实现对环境恶2劣区段高压输电线路的运行数据及实时画面的监 视，对进一步提高电力安全运行水平具有十分积极的意义。输变电设备状态监测系统是实现输变电设备状态运行检修管理、提升输 变电专业生产运行管理精益化水平的重要手段。系统通过各种传感器技术、 广域通信技术和信息处理技术实现各类输变电设备运行状态的实时感知、 监视预警、分析诊断和评估预测。输电线路监控系统是将摄像头和传感器 的模拟信号：输电杆塔、线路、周边环境的信息和图像进行数字化，压缩 后通过有线或无线的传输方式接入电力系统地市、网省的视频监控中心， 在监控中心对数据进行解码得到线路的实时运行数据及周边环境信息和视 频图像。第二章系统通信需求输电线路在线监测系统通过分布在输电线的各种传感器和视频设备来 采集数据。需要监测的性能数据主要包括下面的内容：1气象环境：温度，相对湿度，风速，风向，气压，雨量，光辐射, 覆冰监测。2导线监测：导线弧垂，导线温度，导线微风震动，导线风偏，导 线舞动。3杆塔监测：杆塔振动监测，杆塔倾斜监测。4杆塔附件监测：绝缘子风偏监测，绝缘子污秽监测。数据的方向：终端传感器的定时周期上报监测数据和主站主动要求传感 器提供的监控数据。根据对通信带宽需求的不同，数据主要分为以下三类：1.窄带数据：比如气象情况【温度，湿度，雨量等】，导线温度等，此 类数据变化的比较慢，数据流量较小，并且无需实时刷新，一般为查询或 者定时上报。此类数据带宽需求不高，一般在1kbps之下。2.静态图片数据：一般提供监测点的静态图片，一般为查询或者定时上 报，数据流3量为100k左右。3.视频数据：实时视频监控，要求有较高的清晰度。依据附件-1的理论 计算，按照输电线路的视频监控系统增量数据基本在20%之内估计，为了 方便进行计算，我们经验上将输电线路在线监测系统视频带宽需求按照：D1格式-1Mbps，720p格式-2Mbps。以上三类上传数据中，视频数据对于通信通道的传输时延、传输带宽要 求都较高，是输电在线监测系统回传通信系统中需要着重考虑的方面。第三章输电线路在线监测接入系统框架3.1 通信接入方案设计准则由于输电线路多分布在野外，点多面广，线路周边的环境恶劣，线路设备施工困难，采用何种通信方式实现数据回传，目前并没有定论。需结合 现场实际条件、建设施工及综合造价等条件因素综合考虑提出最佳的解决 方案。针对通信接入方案的选择，需要考虑下面的准则：1.系统需要充分考虑各种当下通信方式的优缺点， 从标准化、系统成本、4可实现性、可管理性上综合考虑。2.通信方式需要采用时下较为先进的通信技术， 对于设备的带宽、 远程 管理、QoS、IP化都要有考虑，系统需要满足未来5年内的通信需求并有 一定的预留容量。3.系统应用环境比较特殊，对于设备的可靠性、功耗、户外工作适应性需要有充分考虑。4.系统需要符合国家电网对于信息化、标准化、安全、管理调控等方面的相关规范3.2 通信接入系统模型下图3-1将输电线路监控系统模型做了描述整个系统包括5个典型的节点；4个通信链路五个节点包括：1.监控终端节点。【传感和视频终端，在输电杆塔上】2.杆塔节点。【杆塔的CMA设备】汇聚节点杆塔节点设备管理杆塔节.杆塔节点变电站输电杆塔监:SDH/MSTP输电杆塔输电杆塔变电站输电杆塔3汇聚节点数据查询，存储Z E-5地市、网省2图像展示预警展示数据分析53.汇聚节点。【多个杆塔节点业务汇聚节点】4.变电站节点。【变电站】5.监控主站。【地市、网省中心机房】四个通信链路包括：1.现场网络通信链路。【从监控终端到杆塔节点的通信链路】2.多个杆塔节点到其汇聚节点的通信链路。3.汇聚节点到变电站节点的通信链路。4.变电站节点到监控主站的通信链路。3.3 通信节点功能下面是各通信节点功能说明。1、监控终端节点【位置：输电杆塔】监控终端提供基础数据采集，系统包括各类传感器、视频监测设备。终 端设备负责将末端信息传送到杆塔节点设备。2、杆塔节点【位置：输电杆塔】本节点设备符合CMA(condition monitor agent)的规范需求，一般安装 在输电线路杆塔上，将现场监测、监控信息进行智能化加工为主站所需的“熟数据”。3、 汇聚节点【位置：杆塔、变电站、中心主站。】将多个杆塔节点的数据进行汇聚后再向变电站/主站进行传送。这样可以 提高效率、降低系统整体成本，尤其是在杆塔节点比较密集的情况下。如 果杆塔节点非常稀少的情况下，汇聚节点可能不需要。汇聚节点设备应该符合CMA(con dition mon itor age nt)的规范需求。如果采用无线公网方案，汇聚节点在中心主站。采用专网方案时，汇聚 节点可以在杆塔或者变电站，但是最终的业务都送到变电站。64、变电站节点将汇聚节点的数据接入变电站的光纤骨干通信网，然后将在线监测数据 传送至监控主站。5、监控主站【位置：地市、省监控中心】监控主站一般置于省、地市的信息中心。包括线路CAG、数据服务器、监视器系统等。由光纤通信网络实现各远端监控节点的数据汇聚，然后通过安全处理环 节后到达监控主站，主站实现状态监测数据库的维护和加工，集中将各个 监测点的数据进行集中展示、存储、数据加工、远程配置等处理。3.4 通信链路1、现场网络通信现场网络为监控终端到杆塔节点的通信。监控终端与杆塔节点CMA通过11接口通信，当前11接口无通用规范，一般都采用厂家的私有协议。现场网络视频一般采用有线方式，其他监测数据可以通过无线局域网或 无线传感网与杆塔节点对接。此段通信方式比较明确，不在本次研究范围之内。2、杆塔节点到汇聚节点的通信如图3-1中所示，通信链路-2为多个杆塔节点数据汇聚的通信网络。本 段链路是本次研究的重点内容。3、汇聚节点到变电站的通信汇聚节点到变电站，可以采用有线方式（光纤、铜线）、无线方式，然后数据送到变电站的SDH/MSTP。本段链路是本次研究的重点内容。4、变电站节点到监控主站的通信7如图3-1，“通信链路-4”为变电站到监控主站的传输通道，此段一般都米用光纤通信的方式根据上面的分析，本文目的是选择合适的网络接入方式解决从“杆塔节 点”到“变电站节点”的数据通信。第四章接入通信方式介绍4.1 通信方式当前通信技术丰富多样，有必要针对输电线路在线监测接入网的实际应 用，分析各种通信技术的优缺点，找出最佳解决方案。按照实际情况，我们分析下面4类主流的通信技术：1.光纤有线方式。2.长距离微波传输。3.无线公网方式。4.无线专网方式。下面对于这4类通信方式做详细分析。4.2 光纤有线方式电力光纤一般为OPGW和ADSS。技术可以采用成熟的光纤通信方案：EPON，SDH，光纤以太网等方式；考虑EPON系统对传输距离有限制，SDH设备很少提供工业级，光纤以太网方案符合工业级产品要求，所以可以优 选光纤以太网方案。下图为采用光纤有线方式的应用框图：8图4-1:光纤有线解决方案从输电线路的OPGW光缆内选择2芯用于输电线路在线监测。选择具 有OPGW分接点处安装光纤通信设备接入监控信号。但是不宜频繁对OPGW开口。相邻的无接头杆塔节点设备的信息仍需采用无线方式与此接 头点光纤通信设备连接。 典型的OPGW开口间隔为：2km到5km。光纤有线方式优点很多：通信容量大，抗电磁干扰强，采用成熟的光纤系统。采用工业以太网设备，如果系统按照FE来进行计算，系统节点10-16个，每个节点最高可达5Mbps左右；如果系统按照GE来进行计算，系统 节点10-16个，每个节点最高可达50Mbps左右。但是光纤有线系统存在下述的问题：总汇聚点输电杆塔业务汇聚至变电站OPGW 光缆MSTP /SDK 网络通过 OPGWOPGW 光纤连接无线点到多点也杆监控终端ADSS 光缆OPGW 无接头输电杆塔输电杆塔输电杆塔数据查询，存储设备管理OPGW 光缆输电杆塔OPGW 接头点基 一一一光纤交换设备杆塔节点设备杆输电杆塔预像贮亍数据分匚主控中心光纤交换设备 fl.fl.杆塔节点设备杆塔节点设备OPGW 接头点OPGW 无接头点 变电设备91. OPGW光纤接头跨距大，仍需将中间无光纤开口杆塔节点设备依靠无10线设备汇聚2铺设从光纤接入节点杆塔到变电站的光缆代价大，施工周期长。3.光纤线路后期需要维护。4.3 微波方式微波通信使用波长为10.1m（频率为0.33GHz）的电磁波进行的通信。 微波系统调制方式一般为QAM或者QPSK,抗阻挡、多径干扰能力一般， 因此微波通信的主要方式是视距通信。数字微波系统包括PDH、SDH微波，从技术上看采用的是TDM技术， 与当下的IP化方式相背离。如果接入输电线路在线监测的IP信号时，需要 增加协议转换设备，无疑增加了系统建设、维护的复杂程度，所以不建议 采用这样的方式作为输电线路在线监测通信接入方案。4.4 无线公网方式当前通信运营商所提供的无线公网的方案有：1.卫星通信方式。3大运营商、中国卫通提供此项业务。2. 2G/3G公网方式。3大运营商提供此项业务。3. 4G公网方式。3大运营商正在实验LTE和Wimax。4.4.1卫星通信卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电信号，在 两个或多个地面站之间进行通信。其特点是：通信距离远；覆盖广。卫星 通信使用微波频段300 MHz30GHz。卫星通信资费方面比较突出，可提供的带宽较低。但是具有全覆盖的特 点，在光纤、无线专网、2G/3G无线公网均不适合的窄带应用场合才会考 虑。4.4.2 2G/3G 公网方式电信运营商公网普遍提供2G/3G数据业务服务，主要方式包括-GPRS、EDGE、CDMA 1x、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000。GPRS为通用分组无线服务技术，它是GSM移动电话用户可用的一种 移动数据业务。GPRS的理论传输速率为56-114KbpsEDGE是一种从GSM到3G的过渡技术，它主要是在GSM系11统中采用了一种新的调制方法，最 高速率可达384kbit/s。CDMA 1X系统采用反向相干解调、快速前向功控、 发送分集、Turbo编码等技术，网络数据速率可达到144Kbps。TD-SCDMA是中国移动采用的3G无线通信技术标准。目前已经全面升 级到HSDPA，TD下行速度峰值理论可达2.8Mbit/s，上行速度峰值可达384kbit/s。CDMA2000是中国电信采用的3G无线通信技术标准，数据业 务速度可达3.1Mbit/s下行和1.8Mbit/s上行。WCDMA是中国联通采用的3G无线通信技术标准，理论上WCDMA网络实现HSDPA之后下行速度可 达到7.2Mbit/s，上行速度可达5.76Mbit/s。当前3G网络商用带宽下行可达200-500kbps,上行一般50-200kbp&2G/3G公网方式具有开通方便的优势，但是运营商数据流量收费较高，所以此方式不适合高带宽，实时性要求高的视频监控接入，可以考虑接入 窄带、低带宽监测数据。下表为各种通信方式的对比情况：表4-2 2G/3G数据方式对比说明技术技术特点传输速率数据业务能力国际标准系统频段GPRS在原有的 GSM 网络的基础上增加了 SGSN GGSN 与GSM 公用 BSS单时隙10-13kbps，最高50114kbps数据业务能力一般，无 QoS2.5G移动 900MHz885-905MH，930-950MH ；905-909MH，950-954MH 移动1800MHz1710-1720MH，1805-1815MH 联通900Mhz909-915MH，954-960MH 联通1800MHz1745-1755MH，1840-1850MHEDGE采用多时隙操作 和8PSK 调制技 术，比 GPR 提高 3 倍带宽。单载波可达30kbps ，最高384kbps数据业务能力较好，无 QoS2.5G同 GPRSCDMA1X扩频速率为 SR1实际100kbps左 右数据业务能力较好，无 QoS2.5G821 825MHz866 870MHz12WCDMA载波带宽为5MHzHSDPA： DL :14.4Mbps ； UL：5.76Mbps数据业务能力较好，有 QoS3G1940-1955MHZ2130 -2145MHzCDMA2000采用多载波（MC 方式，载波带宽为 1.25Mhz。DL 3.1Mbps； UL：1.8Mbps数据业务能力较好，有 QoS3G1920 -1935MHz2110 -2125MHzTDTD 一个载频1.6MHzTD-HSDPA DL：2.8Mbps ； UL :0.384Mbps数据业务能力较好，有 QoS3G1880-1900MHz2010-2025MHz443 4G 公网方式443.14G技术简介4G是第四代移动通信及其技术的简称，当前公认的比较有希望的4G方 式是：LTE、Wimax。能够提供100Mbps的速度下载，以移动的方式实现 高清、多媒体应用。LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技 术，在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值 速率。WiMax为全球微波互联接入，采用当前最新IEEE 802.16m技术可以 提供300Mbps带宽。4G技术已经提出4-5年，但由于运营商当前3G尚未建设完毕，启动4G需要大量资金；频段尚未完全确定等问题。国内尚未形成真正的商用网络。 所以说4G公网当前不具备作为输电线路接入网络的条件。4.5 无线专网方式4.5.1 无线专网技术介绍宽带无线接入技术既属于无线通信技术范畴，又属于接入网的范畴。当前各种宽带无线专网技术在系统上都是遵从或借鉴IEEE802.11X, 802.16,Wifi的底层数据结构、无线通信的调制技术、多址技术、空中接口链路、无线频谱等技术特点。根据采用不同的技术，无线专网系统的接入点覆盖 范围从几十米到几十、几百公里，可以实现各种范围的网络覆盖；带宽也 从几兆、几十兆到几百兆都可以实现。下表为几种主流无线专网通信技术 的带宽和频谱情况：表4-3主流无线专网技术技术协议标准采用频段最大数据带宽能力13802.11a5.8G54Mbit/s802.11b2.4GP11Mbit/s802.11g2.4G/5.8G22-54Mbit/s802.11 n2.4G/5.8G300-540Mbit/s802.162G-66GP 2-155-300Mbit/sWifi2.4G11Mbit/s802.11X是一个协议族，包括a, b,g,n。系统采用CSMA/CA协议，a,g使用最为广泛，最大数据传输率为54Mb/s。新的802.11n可以支持到300M带宽应用。IEEE 802.11b载波的频率为2.4GHz,传送速度为11Mbit/s，IEEE 802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。802.16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获 得最优性能而设计的。频段范围：260GHz。系统支持OFDM调制，波形 在几十km的通信距离上支持高频谱效率，在一个射频内速率可高达70Mbit/s。系统支持先进的网络拓扑（网状网）和天线技术（波束成形、S TC、天线分集）来进一步改善覆盖。这些先进技术也可用来提高频谱效 率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。媒体接入控制（MAC）层支持QoS管理，能满足对不同业务质量的要 求，支持连接带宽策略调整，以保证语音和视频等实时业务的低延时要求。 最新批准IEEE 802.16m标准可支持超过300Mbps的下行速率。Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无 线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Allianee)所持有。主要用于改善基于IEEE 802.11标准的无线网 路产品之间的互通性。4.5.2 无线专网技术应用对比Wi-Fi技术适用于近距离(通常100米左右)、视距条件，应用于小区 域内对QoS要求不高的业务的汇接，由于其采用CSMA/CA协议，当节点 数增加时，通信效率急剧下降。802.16传输距离更长，传输速率更快，它对安全方面提供了更多的手段，并且支持MIMO、MESH、智能天线技术等，802.16m的WiMax2标准 可以支持到300M带宽。14根据对比802.16方式更适合电力网无线专网应用。针对电网的输电线 路监测应用，需要考虑先进的调制技术、多址技术、动态自适应、安全技 术、天线技术、最佳设计方案来保证更好的传输质量。第五章 各种通信方式对比和结论5.1 各通信方式对比各种通信方式都有其最佳适用的场景，下面将根据输电线路在线监测 通信需求中关心的问题将各种通信方式做对比分析。15下表为各种通信方式在不同方面的对比表:表5-1各种通信方式对比对比项目光纤方式微波方式卫星公网2G/3G 公 网4G 公网无线专网方式对比分析系统 带宽情况采用光纤通信的方 式，可以是 EPONSDH GE switch 的 方式，每个节点可 以获得大于 2MI 左右 的带宽。最大可以 达到20M-30M。传统的微波为PDH,带宽较 小。新型的 SDH 微波带宽可达155Mo 典型系 统为点到点，需要接力。采用卫星通 信带宽较低， 不考虑视频 应用，仅考虑1kbps 带宽的 监测数据传 输。2G 网络可以提 供56-114Kbps 带宽。3G 网络可 以 提供100-200Kbps 带宽。每个覆盖站可 以提供 100M 带宽，但是网络 尚未商用。点到多点模式（汇聚 模式），按照 1: 16, 每个节点可以提供 2M 带宽。点到点的模式，可以支持 220M-300M。光纤方式提供带宽最大，微波、 无线专网次之，下面的顺序是4G, 2G/3G,卫星。2G, 3G,卫星方式带宽有限不 支持图像传输。其他带宽符合 图像传输要求。系统 实时性系统时延较低。实 时性高。典型为 50ms延时较大，一 般为几百到1000ms需要与运行商 IP 网络网关转 换，系统延时 大。 大于秒级。比 2G/3G 会有改善。但仍然 较大。系统的 MA 采用 TDMTDMAT 式，系统延时小、效率咼。典型系 统时延 5ms。光纤和无线专网有较咼的实时 性。其他方式实时性较差。系统 可靠性需选择工业级产 品，系统可靠性咼。需选择工业级 产品，系统可 靠性高。需选择工业 级产品，代价 较大。需选择工业级 模块， 比民用代 价大。网络本身 是面向民用级。需选择工业级 模块，比民用 代价大。网络 本身是面向民 用级。本身符合工业级需 求，具备野外特性， 对于温度、天气等适 用率咼。都需要采用工业级产品，符合 电力咼可靠性的需求。系统 安全性电网有线内网，安 全性高。无线内网， 无 线数据有扰码 和加密，安全 性高。公网，数据通 过运营商，需 要考虑安全 通信处理环 节。公网，数据通过 运营商，需要考 虑安全通信处 理环节。公网，数据通 过运营商，需 要考虑安全通 信处理环节。无线内网，无线数据 有特殊编码、封装和 加密，安全性咼。公网方式需要考虑安全通信处 理环节。系统 可用性系统可用性强。系 统稳定可靠。会收到天气、 遮挡、电磁波 的干扰。需从调制方 式、 物理层寻 求好的方法。全覆盖。 会收到天气、 遮挡、电磁波 的干扰。覆盖取决于运 营商建设。有信号盲区。会收到天气、 遮 挡、电磁波的干 扰。覆盖取决于运 营商建设。有信号盲区。 会收到天气、遮挡、电磁波 的干扰。会收到天气、遮挡、 电磁波的干扰。需从调制方式、天线 寻求好的方法。光纤系统可用性最高；无线方 式均存在天气、遮挡、电磁波 的干扰。需要选用先进的调制方式，天 线方式提升可用性。16系统 抗干扰性光纤系统抗干扰性 强。抗干扰性一 般。必要时提高发 射功率， 增强 天线能力。抗干扰性一 般。必要时提高 发射功率，增 强天线能力。抗干扰性一般。 本身为民用系 统，完全取决于 运营商。抗干扰性一 般。本身为民用系统，完全取决 于运营商。物理层米用正交频分 复用（OFDM、收发 分集、自适应调制等 多种先进技术实现非 视距 （NLOS传输。光纤系统抗干扰性最高； 无线 专网、微波系统可以采用先进 的调制和物理层技术提高抗扰 性；无线公网完全取决于运营 商。系统施工 难度需要施工光缆。 不建议频繁将 OPGW 光缆开口。OPGW，ADSS 施工都有完善的施工经 验。无线设备，无 /需光缆施工。施工代价低。无线设备，无 需光缆施工。 施工代价低。无线设备，无需 光缆施工。 施工代价低。无线设备，无 需光缆施工。 施工代价低。无线设备，无需光缆 施工。施工代价低。杆塔光接入点需选择 OPG 光缆 接头，不宜在短距离频繁进行 开口施工。无线方式施工方便。系统成本系统成本包括：光 缆成本，光缆施工 成本，光纤通信设 备成本（典型的为 EPON，系统供电成本。系统成本包 括： 微波设备 成本， 安装施 工成本， 系统 供电成本。 如 果系统为SDH/PD H 还需要 IP-TDM 转换设备。系统成本包 括：卫星通信 设备成本，安 装施工成本， 系统供电成本，支付给运 营商的流量 费用。系统成本包括： 无线公网通信 设备成本（2G, 3G）,安装施工 成本，系统供电 成本，支付给运营商的流量费 用。系统成本包 括：无线公网 通信设备成本（4G） ,安装 施工成本，系 统供电成本， 支付给运营商 的流量费用。系统成本包括：无线 专网设备成本，安装 施工成本，系统供电 成本。需要综合实际需求，每种应用 在不同场合有不同性价比。系统维护光纤通信系统为电 网自有网络， 需要 维护网络、局端设 备、终端设备。系统为电网自 有网络， 需要 维护局端设 备、终端设备。无线网络无需维护。公网，只考虑 维护终端设 备。公网，只考虑维 护终端设备。公网，只考虑 维护终端设 备。系统为电网自有网 络，需要维护局端设 备、终端设备。无线 网络无需维护。公网方案所需维护量最小。无线方式无需维护网络，只维 护设备。光纤有线方式需维护 设备+网络。175.2 对比分析结论综合上述的对比，可以得到结论如下：1.光纤有线方式、无线专网方式、2G/3G无线公网方式3种方式为适 合当下输电线路在线监测通信系统的方式。建设中可以依据实际情况因地 制宜地选择适合的方案。2.光纤有线方式在很多方面具有优势，如果线路上具有丰富的光纤资 源，比如：具有适合的OPGW开口节点、从某输电线路到变电站已经具备 了光缆连接的，选用光纤方式可大幅降低造价。3.无线专网方式可以灵活的按照点到点、点到多点进行组网。系统采用802.16方式，系统最大支持视距200km的距离，带宽最大可达300M。系统具有高实时性、大带宽、施工成本低的显著特点。系统适合做为输电 线路在线监测系统的回传通信方式之一，尤其在无光纤资源又需要实时视 频的场合。4.当输电线路在线监测系统无实时图像需求情况下，如果仅需窄带、 实时性不强的监测数据时，考虑公网有覆盖情况下，选择电信运营商无线2G，3G公网方式作为回传通信网络。此时系统初步投入较少，网络也无需 维护。但是需要考虑网络的安全性和后期的流量费用。第六章经济性分析6.1 公网方式无线2G，3G公网都是按照流量进行收费。适用低带宽监测数据，静态 图片应用，不适合实时高清视频监控的场合。宁夏地区中国移动的GPRS, 3G套餐资费政策：5元30M GPRS流量20元150M GPRS流量50元500M GPRS流量18100元2G GPRS流量200元5G GPRS流量超出套餐流量0.01元/K。套餐月费用封顶500元，15G流量。按照“普清D1”方式【720p高清带宽需要需要大一倍】，如果需要实时 监控，每天流量为：24*60*60*1M=86G。即便最大封顶流量也无法满足。 所以说实时视频无法采用公网方式进行，公网仅可以考虑每天定时上报一 定的图片监控信息。按照采用5G/月带宽，每天带宽为5G/30=167M/天（仅提供参考图片， 不能提供实时影像）。如果系统上500个监控点，考虑系统运行15年，需 要付给运营商的费用参考：500*15*12*200=1800万。即便不考虑2G 3G设备费用，平均每个节点 花费达3.6万。6.2 光纤方式与无线专网方式对比光纤方式，无线专网方式都可以支持高带宽、强实时性的视频应用，同 时也满足低带宽数据的接入。由于这2种方式为建设电力的专网，无需付 流量费用。本节将主要针对光纤方式、无线专网方式在典型应用场合做经济性分 析。按照一个特定的场景：接入20个杆塔节点应用为例，然后根据杆塔汇 聚节点到变电站不同距离我们计算这2种方式的成本对比。光纤方式解决方案说明：由于OPGW光纤不能频繁开口，本应用使用2个OPGW接口，其中一 个为总汇聚节点，从此处将业务通过光纤传输到变电站。19采用无线专网PTMP方式按照1:10覆盖杆塔节点，每个节点带宽2.5M系统有2个点对多点基站设备。总体带宽50M。系统应用图如下所示:图6-120个点的光纤方案无线基站覆盖10个杆塔节点，汇聚后均接入OPGW接头节点的光纤设 备。从OPGW总汇聚点需架设ADSS光缆到变电站。无线专网方式解决方案说明：采用无线专网PTMP方式覆盖杆塔节点，每个节点带宽2.5M。相同按 照每10个节点汇聚进行设计。总体带宽50M。汇聚点采用大容量无线点到点长距离设备到变电站。系统应用图如下所示：- -9个杆塔节点变电站输电杆塔输电杆塔输电杆塔OPGV接头点20图6-2 20个点的无线专网方案F表为2种解决方案需要的成本统计：表6-12种方案成本统计分析设备需求光纤有线方式无线专网方式对比分析终端设备各节点传感视频 设备各节点传感视频 设备2种方案致。杆塔节点CMA每个杆塔配备每个杆塔配备2种方案致。 都是20个。杆塔节点无 线终端18192种方案基本致。 仅差距一个无线终 端。杆塔节点无 线基站222种方案致。汇聚点交换 机2,每个汇聚点1台光纤交换机。1， 汇聚点1台电交 换机。电父换机成本低于 光交换机。从汇聚点到 变电站ADSS光纤铺设1对大谷量点到点 设备根据距离进行对比。10个杆塔节点存储变电站汇聚节点设备管理图像展示数据分析预警展示汇聚节点变电站系统输电杆塔王站变电站大容量长距.总、离无线设备光传输网络输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔9个杆塔节点21依照上述的分析，2种方式成本区别主要在汇聚点到变电站解决方案上, 我们分析下面几种典型场景的情况：场景一：杆塔汇聚接入点到变电站10km光纤采购+施工按照2.5万/km，光纤有线方案费用=2.5*10=25万。无线点到点，10km，50M带宽，系统费用为12万。场景二：杆塔汇聚接入点到变电站30km光纤采购+施工按照2.5万/km，光纤有线方案费用=2.5*30=75万。无线点到点，30km，50M带宽，系统费用为16万。场景三：杆塔汇聚接入点到变电站60km光纤采购和施工按照2.5万/km，光纤有线方案费用=2.5*60=150万。无线点到点，60km，50M带宽，系统费用为22万。场景四：杆塔汇聚接入点到变电站120km光纤采购和施工按照2.5万/km，光纤有线方案费用=2.5*120=300万。无线点到点，120km，50M带宽，系统费用为30万。从对比看，采用无线专网方式比部署光缆相比具有较强的成本优势，尤 其是在接入汇聚点到变电站距离较长的场合。第七章通信链路接入方案建议综合上述各种通信接入技术的比较，推荐宁夏电力系统采用混合组网方式进行输电线路在线监测通信链路的建设，推荐方案如下：方案一：光纤+无线混合接入方式适用范围：适用于监测杆塔具备光缆线路，光缆纤芯资源丰富，同时接 入点光缆应有余留长度，具备开断条件。混合组网系统整体采用IP的方式进行组网，汇聚点至杆塔节点采用无线22方式接入，无线方式推荐采用802.16 PTMP方式，杆塔汇聚点采用工业以 太网光交换设备，通过OPGW光通信系统实现多个无线汇聚节点的上联， 通过ADSS光缆实现光纤汇聚点到变电站的连接，从变电站到电力公司总 部之间利用现有数据网进行数据的传送。为提高系统的安全性，在变电站 内工业以太网交换机与数据网路由器之间架设路由器或安全设备，并配置 相关策略。OPGW图7-1光纤+无线通信方案优点：技术成熟，环境适应性好，支持冗余保护组网功能。2组网灵活，传输距离长。3抗单点失效性强，单台设备损坏不影响整个网络通信等优点。缺点：国内外标准多，不统一，兼容性较差。2系统功耗较大，对供电电源的要求较高。3系统成本较高。4如果变电站到汇聚节点无光缆资源时，建设施工光纤通道成本较无线杆塔节点设备杆塔节点设备杆塔节点设备光纤设OPGW光 缆OPGW 光 缆曾wMSTP /SDH 光网络变电站光纤设备监控终端输电杆塔变电站光纤设备OPGW 主汇聚ADSS 光缆输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔业务汇聚至变电站主控节点OPGW 无接头点OPGWfi接头点OPGWP23方案二：无线专网接入方式灵活的采用无线点到点，无线点到多点通信方式，及其这2种方式组合 的组网方式来满足输电线路通信接入。系统采用802.16方式，下图为采用 无线点到多点的方式来实现一定范围内的杆塔节点汇聚接入。汇聚节点采图7-2无线专网通信方案优点：通信性能好、数据传递能力强、数据安全性有保障，尤其在需要 传递动态视频/图像信号的场合。2无线专网是沿电力线部署的系统， 不会产生边远地区线路的覆盖 问题， 此外，专网方案还可以为巡检等扩展应用提供服务。3设备铺设速度快，对原有网络不影响。今后通信线路免维护。 缺点：前期投入较大。2对恶劣天气及地形环境有一定要求。数据查询，存储输电杆塔变电站MSTP /SDHS 光网络设备管理数据分析图像展示预警展示EHal输电杆塔杆塔节点千塔节点无线点到多点纟线占到占八、亠节点A监控终输电杆塔输电杆塔节点无线点到多点1无线点到点输电杆塔输电杆塔_u.监控终用点到点大容量的无线通信方式接入到变电站。变电站变电站243采用公用无线频段，容易出现同频干扰问题。4系统功耗较大，对供电电源的要求较高。方案三：2G、3G 无线公网接入方式当监控数据仅有窄带业务需求时，可以考虑采用2G、3G无线公网方式，监测杆塔的CMA数据由2G、3G无线网卡转换后进入运营商网络， 监控主站从运营商网管得到所有汇聚的数据。系统具体应用如下所示:优点：通信网络开通快。2无需对通信网络进行维护。3初期投入资金少。缺点：带宽小，不适合实时视频应用。尽可以支持低带宽应用输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔输电杆塔图7-3无线公网通信方案252后期费用大。3数据都通过运营商，需要考虑数据安全处理环节。第八章结论由于输电线路杆塔种类众多，施工环境也各不相同，输电线路监测系统 通信接入网络最好减少对于输电杆塔线路的施工改造。因地制宜的根据实 际情况选择无线或光纤的方式实现系统接入。当某些杆塔的光纤资源比较 丰富，施工条件便利的，考虑采用光纤方式接入输电杆塔监控设备。如果 无光缆线路或光纤资源无冗余的，我们优先采用无线专网方式来进行接入。26附件-1:视频信号带宽需求计算各种标准视频格式分辨率：QCIF:PAL制176 x 144, NTSC制:176 x 120CIF:PAL制352 x 288, NTSC制:352 x 240D1:PAL制704 x 576, NTSC制：704 x 480 D1的图像质量接近DVD品质D2:480P格式，和逐行扫描DVD规格相同，行频为31.5kHzD3:1080i格式，分辨率为1920X080i/60Hz，行频为33.75kHzD4:720p格式，分辨率为1280720p/60Hz,行频为45kHzD5:1080p格式，分辨率为1920X1080逐行扫描，专业格式考虑设备未来3-5年的可用性，视频信息建议选择最常用的：普清（D1格式），高清（720p格式）。下面计算这2种格式的带宽需求：720P单幅图片数据量=1280*720*24/8/1024=2700kBytesD1单幅图片数据量=704*576*24/8/1024=1188kBytes【注：每个像素按照24bit进行计算】国内PAL制式图像为每秒25帧。极限情况下，如果按照每帧图像都完 全不同，则极限数据流量为：720P活动图像极限数据量=2700*25=67500kBytes/sD1活动图像极限数据量=1188*25=29700kBytes/s实际图像传输都是以增量数据为主，一般在不同应用场合增量数据不同，一般增量数据都在10%-30%，输电线路的视频监控系统增量数据应该 在20%之内增量数据在10%情况下，720p视频原始数据量 二二2700kBytes*10%*2427+2700kBytes=9180kByte/s=72Mbit/s+2700kBytes=15660kByte/s=123Mbit/s+1188kBytes=4039kByte/s=32Mbit/s增量数据在20%情况下，D1视频原始数据量+1188kBytes=6890kByte/s=54Mbit/sH.264为最流行的压缩方式，在相同条件下H.264的压缩比是MPEG-4的1.5-2倍。我们采用一个经验值：压缩比80：1,计算压缩后视频带宽为：增量数据在10%情况下，720p视频压缩后净数据量 二二72/80=0.9Mbit/s增量数据在20%，情况下，720p视频压缩后净数据量 二二123/80=1.6Mbit/s依据上面的理论计算，按照输电线路的视频监控系统增量数据基本在20%之内估计，为了方便进行计算，我们经验上将输电线路在线监测系统视增量数据在20%情况下，720p视频原始数据量=2700kBytes*20%*24增量数据在10%情况下，D1视频原始数据量=1188kBytes*10%*24=1188kBytes*20%*24增量数据在10%情况下,D1视频压缩后净数据量=32/80=0.4Mbit/s增量数据在20%，情况下,D1视频压缩后净数据量=54/80=0.7Mbit/s最终数据需要进行IP封装,需要加上网络开销，我们按照增加30%的开销进行计算,最终的带宽需求为:增量数据在10%，情况下,720p视频传输带宽需求=0.9*1.3=1.17Mbit/s增量数据在20%，情况下,720p视频传输带宽需求=1.6*1.3=2.08Mbit/s增量数据在10%，情况下,D1视频传输带宽需求=0.4*1.3=0.52Mbit/s增量数据在20%，情况下,D1视频传输带宽需求=0.7*1.3=0.91Mbit/s28频带宽需求按照：D1格式-1Mbps,720p格式-2Mbps附件-2 :各种通信方式的参考信息介绍注：附录-2里面的标题对应文档中的相应标题部分4.3 微波传输方式微波通信：microwave communication，使用波长为10.1m(频率为0.33GHz)的电磁波进行的通信。由于微波的频率高，共在空中的传播特性与光 波相近，调制方式一般为QAM或者QPSK,遇到阻挡就被反射或被阻断， 因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继接力转发。微波设备把电波聚集起来成为波束，送至远方，一般都采用抛物面天线， 其聚焦作用可大大增加传送距离。多个收发信机可以共同使用一个天线而 互不干扰，我国现用微波系统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工 作，也可有八收八发同时工作以增加微波电路的总体容量。微波设备有模拟和数字之分。模拟微波系统每个收发信机可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等级的微波电路。数 字微波系统应用数字复用设备以30路电话按时分复用原理组成一次群，进 而可组成二次群120路、三次群480路、四次群1920路，并经过数字调制 器调制于发射机上，在接收端经数字解调器还原成多路电话。最新的微波 通信设备，其数字系列标准与光纤通信的同步数字系列(SDH)完全一致，称为SDH微波。这种新的微波设备在一条电路上八个束波可以同时传送三万 多路数字电话电路(2.4Gbit/s)。从技术上看微波采用的TDM技术(PDH,SDH),与当下的IP化方式 相背离。如果接入输电线路在线监测的IP信号时，需要增加协议转换设备， 无疑增加了系统建设、维护的复杂程度，所以不建议采用这样的方式。4.4.1卫星通信卫星通信：satellite commu ni catio n,利用人造地球卫星作为中继站来转 发或反射无线电信号，在两个或多个地面站之间进行通信。其特点是：通 信距离远；通信容量大；不受29大气层骚动的影响，通信可靠。卫星通信使 用微波频段300 MHz30GHz,采用高频信号发射。其目的是保证地面上 发射的电磁波能够穿透电离层到达卫星。卫星通信网络具有惟一的三维无缝隙覆盖能力；独特的灵活性与普遍服务能力；宏大区域的可搬移性与可移动性；广域复杂网络拓扑构成能力 与广域In ter net交互连接能力；特有的广域广播与多播能力；对国际/区域/本地连接距离的不敏感性；对应急救灾及宽带系统备份与故障抢救的快速 灵活与安全可靠方面的独特能力，等等特点。中国电信、移动、联通3大运营商都能提供卫星通信业务 （数据、话音、 传真等），下表为资费说明（注：单位为-人民币/分钟）:表4-13大运营商卫星业务资费被叫终觀总A平洋K西洋乐/汕区电i帀传加数据打5J电LP传真/鳖据30nt- Mi II j M2323髙速数据叭C/A电传3J. 5中国卫通推出IPstar宽带接入业务，其框架如下图:30图4-2:IPstar卫星通信解决方案F面是IPSTAR卫星的覆盖区域图，这里面的黄、红、蓝、绿的圈圈就是表示的IPSTAR卫星的覆盖范围和场强。IPstar在带宽为1Mbit/s,每月资费为2000元左右（应该是共享带宽，各 省政策不同）。卫星通信资费方面比较突出，带宽也比较低。但是具有全覆盖的特点，在光纤、无线专网、2G/3G无线公网均不适合的窄带场合可以考虑采用。IPSTAR fJsErlcrminaL HOMEIMTAft Mtt Mir?IWA1畔ttOTOTIP&TAH UserTiermirMii314.421 GPRS技术GPRS通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位 计算，并非使用其整个频道，理论。GPRS的理论传输速率为56-114Kbps。GPRS是叠加在现有的GSM网络的另一网络，GPRS网络在原有的GSM网络的基础上增加了SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）等功能实体。GPRS共用现有的GSM网络的BSS系统，但要对 软硬件进行相应的更新。4.4.2.2 EDGE技术EDGE是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution的缩写，即增强型 数据速率GSM演进技术。EDGE是一种从GSM到3G的过渡技术，它主 要是在GSM系统中采用了一种新的调制方法：多时隙操作和8PSK调制技术。由于8PSK可将现有GSM网络采用的GMSK调制技术的符号携带信息 空间从1扩展到3,从而使每个符号所包含的信息是原来的3倍。EDGE技 术有效地提高了GPRS信道编码效率及其高速移动数据标准，它的最高速 率可达384kbit/s。4.4.2.3 CDMA 1x技术CDMA 1X是指cdma2000的第一阶段，网络数据速率可达到144Kbps、 网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务。CDMA 1X采用扩频速率为SR1,即指前向信道和反向信道均用码片速 率1.2288Mbit/s的单载波直接系列扩频方式。因此它可以方便地与IS-95（A/B）后向兼容，实现平滑过渡。CDMA1X技术的最大特点是高速数据传输能力，理论最高传输速度为307.2K，实际应用传输分组数据峰值传输速率可达144Kbps之上，几乎是GPRS速度的3倍。4.424 TD-SCDMA技术TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple32Access（时分同步码分多址）的简称，是第三代无线通信的技术标准之一，国内中国移动采用TD-SCDMA。TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、 频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合 检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变 扩频系统、自适应功率调整等技术。中国移动的TD目前已经全面升级HSDPA，可以获得更高的下载速度， 目前测试的结果是连接速度可达2Mbit/s，根据地方不同，下载速度在80KB/S或者更高。TD下行速度峰值理论可达2.8Mbit/s，上行速度峰值可达384kbit/s。4.4.2.5 CDMA 2000技术CDMA2000是英文Code Division Multiple Access 2000的简称，是第三 代无线通信的技术标准之一，国内中国电信采用CDMA2000。它采用多载 波（MC）方式，载波带宽为1.25Mhz。目前使用CDMA的地区只有日、韩、 北美和中国。目前的测试数据显示，中国电信CDMA2000 EV-DO实际下载网速150KB/S，峰值可达近200KB/S。而在理论上，电信CDMA EV-DO网速理 论可达3.1Mbit/s下行和1.8Mbit/s上行数据业务速度。4.4.2.6 WCDMA技术WCDMA是英文Wideband Code Division Multiple Access（宽带码分多 址）的英文简称，是一种第三代无线通讯技术。国内中国联通采用WCDMA。WCDMA采用直接序列扩频码分多址 （DS-CDMA） 、 频分双工 （FDD） 方 式， 码片速率为3.84Mcps,载波带宽为5MHz.商用的中国联通WCDMA网络，下载平均速度可达约322KB/s，峰值可 达到约500KB/S。打开网页和播放在线视频的网速可达到120KB/S。从理论上讲，WCDMA网络实现HSDPA之后理论下行速度可达到7.2Mbit/s和5.76Mbit/s的上行速度。33443 4G 公网方式4G是第四代移动通信及其技术的简称(4th Gen eration)，4G系统能够提 供以100Mbps的速度下载，以移动的方式实现高清、多媒体应用，目前为 止人们还无法对4G通信进行精确地定义。当前公认的比较有希望的4G方式是：LTE、Wimax。4.4.3.1 LTE技术LTE(Long Term Evolution,长期演进)是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的标准。主要 特点是在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰 值速率，相对于3G网络大大的提高了小区的容量，同时将网络延迟大大降 低：内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时 间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。其演进的历史如下：GSM-GPRS-EDGE-WCDMA-HSDPA/HSUPA-HSDPA+/HSUPA+-LTEGSM:9K -GPRS:42K- EDGE:172K -WCDMA:364k-HSDPA/HSUPA:14.4M -HSDPA+/HSUPA+:42M -LTE:100M 443.2Wimax技术WiMax(Worldwide In teroperability for Microwave Access),即全球微波互 联接入，WiMAX采用的是IEEE 802.16 PTMP的城域接入技术方案。WiMAX的技术起点较高，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个 速度是3G所能提供的宽带速度的几倍到几十倍。802.16频段范围在2GHz至66GHz之间， 频道带宽可根据需求在1.5M至20MHz范围进行调整，目前具有更好高速移动下无缝切换的IEEE802.16m(300Mbps下行)的技术已经公布。因此，802.16所使用的频谱可能比其它任何无线技术更丰富，WiMax具有以下优点:34（1）对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰，而且有利于节省 频谱资源。（2）灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源。（3）WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能 比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现 全城覆盖，能够使无线网络的覆盖面积大大提升。4.5.1 802.11 技术802.11X是一个协议族，包括a, b,g,n。802.11a是802.11原始标准的一个修订标准，于1999年获得批准。802.11a标准采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为5.8GHz，使用52个正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率为54Mb/s，采用CSMA/CA协议。IEEE 802.11b载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit/sIEEE 802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。在2.4-GHz-ISM频段共有14个频宽为22MHz的频道可供使用。IEEE 802.11g 2003年7月， 通过了第三种WLAN标准。 其载波的频率 为2.4GHz（同时也规范了5.8G），原始传送速度为54Mbit/s，标准目的是增 加802.11b的带宽。IEEE 802.11 n, 2004年1月IEEE宣布。传输速度估计将达540Mbit/s（需 要在物理层产生更高速度的传输率），此项新标准应该要比802.11b快上50倍，而比802.11g快上10倍左右。IEEE 802.11n标准的核心是MIMO（multiple-input multiple-output，多入多出）和OFDM技术。4.5.2 802.16 技术IEEE 802委员会于1999年成立了802.16工作组来专门开发宽带无线 接入标准。IEEE 802.16负责为宽带无线接入的无线接口及其相关功能制定 标准。它由三个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：IEEE802.16.1负责制定频率为103560GHz的无线接口标准；IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3负责制定频率 范围在210GHz间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。802.16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获 得最优性能而设计的。即使在链路状况最差的情况下，也能提供可靠的性 能。OFDM波形在几十km的通信距离上支持高频谱效率，在一个射频内 速率可高达70Mbit/s。可以采用先进的网络拓扑（网状网） 和天线技术（波 束成形、STC、天线分集）来进一步改善覆盖。这些先进技术也可用来 提高频谱效率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。标准支持灵活的MAC层机制。媒体接入控制（MAC）层支持QoS管 理，能满足对不同业务质量的要求，支持连接带宽策略调整，以保证语音 和视频等实时业务的低延时要求。最新批准IEEE 802.16m标准可支持超过300Mbps的下行速率。4.5.3 Wifi 技术Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无 线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌， 由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Allianee）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路 产品之间的互通性。有人会把Wi-Fi及IEEE 802.11混为一谈，实际上Wi-Fi是无线局域网联盟（WLANA）的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商 品互相之