智能杆塔的自组网系统设计

智能杆塔的自组网系统设计

钟超 莫辉 钟卫成

广西电网有限责任公司崇左凭祥供电所 广西南宁 530000

摘 要：为满足输电线路中各个铁塔的巡检结果的数据和图像信息上传至服务器且能进行现场平台监控，需对各个铁塔进行无线组网。针对不同电压传输等级的铁塔间距不同，要求在针对某一输电线路工作过程中能回传数据至远程的服务器等需求，本文提出了使用电力分布式无线物联技术的自组网系统，能满足铁塔的巡检结果数据及图像信息传输的组网需求。

关 键 词：智能杆塔 无线自组网 数据实时传输

0 引言

输电杆塔是高压架空输电线路输电时使用的支撑架空设施，杆塔常年暴露于野外，不可避免的会受到自然环境乃至人力的破坏，从而导致杆塔塔体受损^[1][4]。长期处于野外的输电杆塔，杆塔金具可能发生自燃锈蚀导致杆塔形变，且由于线路架设在空中，需要承受自重、风力、暴雨和冰雪等机械力的作用导致塔身某些塔骨架发生形变，或者由于自然或人为原因导致塔基不稳、塔身倾斜、杆塔站立受力不均而发生形变。

在区域各主要位置（选点待定）部署若干台物联分站，可实现区域网络全无线覆盖，各分站间智能组网并覆盖周边WiFi信号^[5][6]，主站通过网线与交换机连接，管理者可在PC端对该组网进行管理，在上述基础网络上，将在区域各个预设位置部署高清摄像头，摄像头与链路中的物联组网分站进行有线连接（摄像头若本身支持无线WiFi连接，也可通过无线与设备连接），视频监控画面将通过智能多级连跳能力传输至管理中心的视频管理及发布平台上管理人员调取和查看，可第一时间获取各区域实时情况，并能够快速掌握和应对突发状况^[7]。本文旨在研究杆塔状态实时监测数据回传途径的实时传送与系统设计。

1 系统方案设计

1.1 组网方案设计

根据实际使用需求，提出了三个应用场景^[8]：

1.电压级别35KV级别以下;总铁塔数>200; 铁塔间的距离100m到200m。

2.电压级别35KV级别以上;总铁塔数>200; 铁塔间的距离300m到400m。

3.在原有电路上新增输电线路时将数据链路并入主数据链路上，实现并网。

1.2 场景一应用

场景一的输电线路中，铁塔数量多且铁塔之间距离为200m以内，若采用采用一塔一设备的方案，会使项目的成本增加，而且总线路距离过大，容易造成带宽减损，延迟大等问题。决定采用输电线路分为若干组，每组包含若干个铁塔（不大于20个）的智能3.0与2.0混合组网分段式部署方案，每组光纤或者网络就近接入任意分站，各组之间以有线连接的方式相连接，实现整体与部分的网络链路互通。在每组中，分别设置若干个钢索智能基站3.0与设备智能基站2.0（设备安装位置视实际环境而定）,基站3.0之间使用5.8G定向天线连接，基站3.0与基站2.0使用2.4G全向天线连接，2.4G全向天线向周围覆盖WiFi信号，可供周边巡检设备接入。摄像头与相应的智能基站相距较远采用无线连接的方式接入到链路之中，保证摄像头的图像信息数据能通过链路回转至监控中心服务器。

图1 场景一应用

1.2 场景二应用

场景二的输电线路中与场景一的情况相似，铁塔数量多，铁塔之间的距离相距更远，大约300到400米，为避免因距离过远造成网络延迟，导致图像信息不能及时回传至监控中心，考虑采用一杆一设备，将输电线路分为若干部分，每个部分包含若干个铁塔（以10个铁塔为例）的分段式部署连接方案。各个部分的光纤网络就近铁塔接入基站，在每个铁塔分别安装设备智能基站3.0，基站使用5.8G定向天线连接，2.4G全向天线向高压铁塔周围覆盖WiFi信号，设备发出的wifi覆盖信号用于每个铁塔摄像头与巡检设备接入。摄像头与相应的物联分站3.0设备直接通过网线接入，通过物联基站的多跳连接能力，回传数据至监控中心。

图2 场景二应用

1.3场景三应用

场景三中，若在原有电路上新增输电线路时将数据链路并入主数据链路上，在主链路离支链路就近的铁塔再增加一个设备智能基站3.0（两个基站使用有线连接）作为支链路的起始点，实现支链路与主链路的网络互通。若支链路的铁塔数量多，相距较远（视具体的支链路环境而定），参考采用与场景一、二的分段式部署方案。

图3 场景三应用

2 方案的可行性分析

以上的场景实际输电线路的布置中，多数铁塔布置于山区等环境较为恶劣的地方，我们针对雷雨，低温等恶劣环境对设备提供避雷装置，加热板以及IP67级别的防水措施，保证整条设备多级连跳网络的正常运行，确保图像数据信息能回传至远程监控中心。

基站3.0采用的是标椎的12V2A的模式，取电方式用户自行考虑。采用设备物联分站3.0设备并直接连接设备。

图4 可行性分析

2.1 高可靠性，保障数据传输安全而隐蔽

物联组网技术的安全保障，首先将链路层与应用层使用IP地址进行隔离，从而防止数据在传输过程中被截取，同时为设备无线接入AES时提供128为加密；其次，通过隐藏ID的方法杜绝外部设备搜索网络，确保网络环境安全。此外，还可通过设置黑白名单控制网络使用范围，杜绝未授权设备的非法接入，确保工程现场生产安全。还支持额外的算法加密，保护软件内部数据不被篡改或截取。

2.2 去中心化组网，链路强愈合能力

分站在组网过程中，区别于传统组网最大的优势在于去中心化，即无需中心设备转接，分站自动连接组成链路。在分站的有线连接过程中，可以使用无线链路灾备，当有线意外中断时，无线链路快速自行连接，不影响现场设备应用。物联组网分站使用过程中，如果其中某一个台设备出现故障断开时，下级链路上的设备会快速自动搜索其他设备连接，链路快速自动愈合保障工程现场网络传输通畅。

图5 链路愈合

2.3 设备部署方便快捷，极大降低部署成本

物联分站在部署过程中去掉了大量挖沟布线的施工成本和时间，分站部署在相应位置后外接220V标准用电即可快速组成无线链路，大大节省了建设成本。设备无需设置，通电后自行寻找周围信号，自动就近连接，形成网络，无需人工干预设置。同时，随着工程进度的推进，物联分站可以解除部署回收后部署在新的位置，无需重新配置，通电既用。

2.4 维护便捷，一次部署无需专业人员维护

设备采用全无线方式，即设备间链路通过无线方式连接，同时设备发出的wifi无线网络覆盖供其他设备通过标准wifi方式接入整体网络。在这种网络构建形态下，维护人员无需担心布线由于自然或人为等外部原因损毁导致网络断开，稳定性高。

每台物联分站在部署在施工现场后进行简单配对即可接入现有网络，自动组成网路链路并且为设备提供网络覆盖，在后台管理中提供了可视化界面，采用WEB页面一键登录后台，查看网络拓扑图可直观掌握网络链路连接情况，手动配置网络操作简单，一次性配置即可，维护人员易学易懂。

3 应用前景分析

不单指WiFi，与其他连接协议均可与StrongLink技术结合，形成整体的跨协议的数据通路是帮助当前各种集中式通信技术，能够低成本、深度、广泛部署的理想手段；仅含有设备，不含其他连接协议的；含有设备，做其他连接协议覆盖的；不含设备，使用其他连接协议的以上形态的产品，均可被相互连接在一起。

设备现场管控系统，是一套软硬件一体化系统，基于无线局域网、音视频压缩、实时传输、信息数据库、射频捕获等技术，由智能手持终端、无线局域网和现场管控业务平台三部分构成。注：当现场管控业务平台失去联络时，智能手持终端间同样具备实时的分组音视频对讲能力，只是相关记录文件不能够被实时存储至业务平台，具有广阔的应用前景。

4 结论

为满足输电线路中各个铁塔的巡检结果的数据和图像信息上传至服务器且能进行现场平台监控，本文提出了对各个铁塔进行无线组网的方案设计。针对不同电压传输等级的铁塔间距不同，要求在针对某一输电线路工作过程中能回传数据至远程的服务器。针对使用需求，本文所设计的电力分布式无线物联技术的设备满足铁塔的巡检结果数据及图像信息传输的组网需求。

参考文献

1. 陈嘉.架空输电网数字化监测系统数据通信技术研究[J].电气技术，2019，20(02):64-69+73.

2. 邓红雷，师留阳.4G转Wi-Fi无线传感器网络的输电线路监测系统[J].广东电力，2016，29(06):117-120.

3. 范寒柏，王涛，陈邵权，王磊.电力线传输杆塔的智能监测系统[J].电力系统通信，2012，33(05):85-88.

4. 王景致，刘刚，袁嘉彬.基于ZigBee和4G技术的智能电力巡检系统设计[J].工业控制计算机，2018，31(11):17-18+21.

5. 宋新明，谢从珍，夏云峰，朱文，师留阳，白剑锋，戴栋.高压交流电场对Wi-Fi无线通信影响的实验研究[J].高压电器，2019，55(12):125-131.

6. 严伟雄.无线通信平台在电力线路监测中应用的调研报告[J].大众用电，2015(S2):205-209.

7. 张顼，尤天晴.输电线路数据智能传输网络模型[J].电力系统通信，2011，32(04):74-78.

8. 姚继明.面向输电场景的分层混合通信系统研究[J].计算机科学，2016，43(S2):282-285.

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