输电线路通信系统及其组网方法
技术领域
本发明涉及智能电网领域，特别一种涉及超长距离高压输电线路通信技术。
背景技术
输电线路状态监测系统是智能电网建设的重要组成部分，是实现运行状态化、信息标准化和应用网络化的重要手段。可靠高效的通信网络是该系统运行的重要基础。
经过国内若干年输电线路状态监测系统的建设，已经形成了几种较为成熟的数据通信方案，主要有：无线公网、光纤以太网+5.8G无线专网、EPON+5.8G无线专网等。
无线公网方式是通过安装GPRS/3G/4G模块，借助三大通信运营商的公共无线网络进行通信，直接将数据传输至系统主站。由于工程中输电线路走廊常位于人口稀少地带，甚至部分为无人区，地形条件上山地丘陵也较多，部分节点公网网络信号质量较差，无法达到全覆盖。即使在公网覆盖地区，网络带宽为蜂窝小区内共享，可用带宽不稳定，严重影响系统整体的运行效果和用户体验。
光纤以太网+5.8G无线专网：光纤以太网可解决具备光纤接入条件节点的数据传输问题，单跳传输距离可达80km。同时结合5.8G无线专网，解决“最后一公里”，即不具备光纤接入条件节点的数据接入问题。在常规的交流输电线路中，该方式较为常用。然而，由于塔上通信装置串联成链状网络，随着节点数量的增加，可靠性、可用性(平均带宽)均大幅降低。因此，“光纤以太网+5.8G无线专网”方式受限于塔上通信装置数量，间接受限于输电线路的长度。
EPON+5.8G无线专网：主干通信链路采用EPON(以太网无源光网络)，配合5.8G无线专网解决“最后一公里”全覆盖。EPON系统的覆盖半径为20km，可支持最大光分路比1:64，较适用于短距离线路，并且监测装置分布密集的场景。
根据500kV以上高压输电线路长度以及输电线路呈链状的特点，同时考虑公网信号覆盖不全及传输带宽受限的问题，目前较为常用的方式为：光纤以太网+5.8G无线专网。图1是现有技术中一种“光纤以太网+5.8G无线专网”的通信装置示意图。如图1所示，“光纤以太网+5.8G无线专网”方式的通信装置，主要由架设在线路杆塔上的OPGW光缆、布置于杆塔上的光纤以太网交换机、5.8G无线专网设备以及布置在变电站内的光纤以太网交换机、安全认证装置等组成。
但是，现有输电线路状态监测系统普遍应用的专网通信方案，即，“光纤以太网+5.8G无线专网”的缺点主要表现为：
(1)区段内所有监测节点串联成链状的网络结构，随着节点数量的增加，安全可靠性会降低，当其中单个节点故障时，将中断链路中其它部分节点的数据传输；
(2)链状网络结构使得数据向一端聚集，随着节点数量的增加，每个节点平均可用带宽大幅降低，节点数量越多，可用带宽越小；
(3)由于监测节点分布的不规则性，且光纤以太网交换机光接口的传输受限距离为80km，需要额外增加塔上光中继设备，从而增加工程投资；
(4)由于部分区域地理边界特殊，同一省的线路物理上不是连续的，导致两种结果：1)不同省的监测节点通信设备具有关联性，存在相互影响，不利于各省线路的后期运行维护；2)监测数据在同一个省内多点落地，增加网络后端的复杂性和站内设备投资。
对于数千公里超长距离的直流输电线路，需要将沿线杆塔上所布置的状态监测装置采集的监测数据传输至各省的输变电状态监测系统主站，依靠以往单一的某种通信方式或多种通信方式组合，无法满足网络全覆盖、可靠性、传输容量、工程投资等各方面的要求和限制。
因此，目前亟需一种新颖的组合通信方式，能够解决网络全覆盖问题，同时能够大幅提高通信可靠性和传输容量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线路通信系统及其组网方法，充分利用超长距离输电工程同步建设的SDH/MSTP光传输电路和光通信中继站，通过分段分层汇聚、集中上传的方式将监测数据传输至检测系统主站，既解决了网络全覆盖问题，同时能够大幅提高通信可靠性和传输容量，又在工程投资上相比传统方式有所降低。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种输电线路通信系统，每个行政区域内的输电线路被划分为N个区段，N为大于1的整数；所述每个行政区域内的输电线路通信系统包括：接入层、汇聚层和核心层；
所述接入层包括设置在所述输电线路的N个区段内各个监测点的通信节点，每个区段内相邻的通信节点之间串联连接，所述通信节点用于将状态监测装置采集的监测数据汇聚至所述汇聚层；
所述汇聚层包括N个汇聚站点，相邻的汇聚站点之间通过光纤通信电路串联连接，所述N个汇聚站点与所述N个区段一一对应，所述汇聚站点用于接收相对应的区段内的通信节点上传的监测数据，并将所接收的监测数据汇聚至所述核心层；
所述核心层包括一个核心站点，所述核心站点用于接收所述N个汇聚站点上传的数据，并将所接收的数据上传至所述行政区域的监测系统主站。
本发明的实施方式还公开了一种输电线路通信系统的组网方法，用于上述的输电线路通信系统，所述方法包括：
确定监测点的位置和监测类型；
划分监测区段；
选择每个区段的监测数据汇聚站点；
确定监测数据上传的核心站点；
分析各个汇聚站点至核心站点的带宽需求，组织SDH/MSTP光传输电路承载的以太网传输通道；
设计核心站点至监测系统主站通信传输方案和安全接入方案；
确定各个汇聚站点和核心站点的站内设备配置；
确定塔上通信设备配置及布置位置；
计算确定塔上通信设备所需的电源和蓄电池容量。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
充分利用超长距离输电工程同步建设的SDH/MSTP光传输电路和光通信中继站，通过分段分层汇聚、集中上传、分省管理的方式将监测数据传输至监测系统主站，既解决了网络全覆盖问题，同时能够大幅提高通信可靠性和传输容量，又在工程投资上相比传统方式有所降低。
进一步地，改变单一的链状网络结构，优化为树形网络结构，增强网络传输的健壮性，提高监测节点的可用传输带宽。
进一步地，减少了塔上中继通信设备、站内接入通信设备、安全认证设备数量，减少了工程投资。
进一步地，将同一省的线路物理层的不连续优化为数据链路层的连续，使不同省的监测节点通信设备不具备关联性，解决监测数据在一个省内多点落地的问题。
附图说明
图1是现有技术中一种“光纤以太网+5.8G无线专网”的通信装置示意图；
图2是本发明第一实施方式中一种输电线路通信系统的结构示意图；
图3是本发明第一实施方式中一个优选实施例的输电线路通信系统的结构示意图；
图4是本发明第一实施方式中一个优选实施例的以太网通道组织示意图；
图5是本发明第二实施方式中一种输电线路通信系统的组网方法的流程示意图；
图6是本发明第二实施方式中一个优选实施例的输电线路通信系统的组网方法的流程示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种输电线路通信系统。图2是该输电线路通信系统的结构示意图。
具体地说，如图2所示，
每个行政区域内的输电线路被划分为N个区段，N为大于1的整数；所述每个行政区域内的输电线路通信系统包括：接入层、汇聚层和核心层。
所述接入层包括设置在所述输电线路的N个区段内各个监测点的通信节点，每个区段内相邻的通信节点之间串联连接，所述通信节点用于将状态监测装置采集的监测数据汇聚至所述汇聚层。
所述通信节点之间通过OPGW光缆或5.8G无线专网连接。
OPGW：Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线，是指把光纤放置在架空高压输电线的地线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信双重功能。
5.8G无线专网：使用开放的5.8GHz公共频段并采用正交频分复用(OFDM)、扩频等技术以及基于IP的无线传输技术，实现点对多点、点对点组网方式的一项无线传输技术。5.8G无线专网具有信令协议简单，实现容易，开销低，频谱利用率高，业务种类多，接口简单统一，易于升级的优点，适合于非连接的监测数据传输业务。
所述通信节点包括：布置于杆塔上的光纤以太网交换机和5.8G无线专网设备。
在本实施方式中，优选地，所述通信节点还包括：布置于杆塔上的光通信中继设备。
所述通信节点通过光纤以太网交换机或5.8G无线专网设备将监测数据汇聚上传至所述汇聚层的汇聚站点。
在接入层，监测数据首先通过光纤链路和无线专网链路接入所述输电线路通信系统的光纤链路中。
OPGW光缆为分盘架设，每盘光缆约4～5km左右，因此每条输电线路的OPGW由若干盘光缆接续组成。根据监测点所在杆塔是否为OPGW光缆分盘点，分为以下几种情况：
(1)监测点所在杆塔为光缆分盘点，则在该处布置1台光纤以太网交换机，此杆塔的监测数据直接接入光纤链路；
(2)监测点所在杆塔不是光缆分盘点，则在该处及相邻的光缆分盘点杆塔处各布置1台5.8G无线专网设备(天线及控制设备)，将监测数据以无线方式传输至光缆分盘点杆塔，并在该光缆分盘点杆塔处布置1台光纤以太网交换机将数据接入光纤链路；
(3)监测点为相邻的连续杆塔，可以通过无线中继接力方式传输数据，以减少单跳无线链路的传输距离，提高可靠性；
由于光纤以太网交换机的光接口传输性能限制，单跳光纤链路距离不超过80km，超出该距离则需在中间合适位置设置中继交换机。
需要说明的是，在本发明的各实施方式中，所述“相邻的”是指在地理位置上邻近，相隔距离最近。
所述汇聚层包括N个汇聚站点，相邻的汇聚站点之间通过光纤通信电路串联连接，所述N个汇聚站点与所述N个区段一一对应，所述汇聚站点用于接收相对应的区段内的通信节点上传的监测数据，并将所接收的监测数据汇聚至所述核心层。
所述汇聚站点为设置有光纤以太网交换机和光传输设备的变电站。
每个区段所对应的汇聚站点是根据该区段内的光通信中继站的机房条件和数据网接入条件选定的。
所述核心层包括一个核心站点，所述核心站点用于接收所述N个汇聚站点上传的数据，并将所接收的数据上传至所述行政区域的监测系统主站。
所述核心站点为所述N个汇聚站点中的一个。为简化网络段(即，核心站点至监测系统主站之间的网络)通信配置，每个行政区域(例如，省、市或区等)原则上设置一个核心站点，在该核心站点集中上传该行政区域内各区段所有的监测数据。
所述核心站点是根据综合数据网上行带宽、机房环境和设备供电条件选定的，所述核心站点还包括安全认证装置。
所述汇聚站点与所述核心站点之间通过SDH/MSTP光传输电路承载的以太网传输通道连接，所述核心站点通过电力综合数据网承载的以太网传输通道将所接收的数据上传至所述行政区域的监测系统主站。
对于超长距离的输电线路工程，通常会建设送端站至受端站的光传输电路，制式为SDH/MSTP，速率为2.5Gb/s，用于承载两端站间的控制保护信号。由于站间距离长，需在中间设置若干个光通信中继站，中继站设备通常布置在本线路附近的变电站内，通过改造线路交叉点至附近变电站的地线为OPGW光缆，将中继站设备串入光传输电路。
光通信中继站中继放大两端站间的SDH/MSTP光传输电路信号，本申请充分利用该SDH/MSTP光传输电路和中继站，组织各中继站、终端站之间的以太网专线通道，作为监测数据分段分层汇聚的传输通道。
SDH/MSTP光传输电路具备多重保护，光接口、内部交叉矩阵、设备供电均有双重化配置，专业机房环境也优于户外，设备可靠性相比室外大幅提高。
综上所述，本申请提出了一种针对超长距离输电线路状态监测系统的基于SDH/MSTP光传输电路分段分层汇聚、集中上传的输电线路通信系统，既解决了网络全覆盖问题，同时能够大幅提高通信可靠性和传输容量，又在工程投资上相比传统方式有所降低。
为了能够更好地理解本说明书的技术方案，下面结合一个优选实施例来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本申请保护范围的限制。
该优选实施例针对超长距离的输电线路，提出了一种由多种通信方式相结合的组合通信系统，对监测数据进行分段分层汇聚、集中上传、分省管理。
超长距离输电线路主要指直流输电线路，线路长度可达上千公里以上，目前国内最长的±1100kV昌吉——古泉直流输电线路长达3300公里，途径新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六个省区。
图3是该优选实施例部分区段的输电线路通信系统的结构示意图。
具体地说，如图3所示，A省内的输电线路共划分为n个区段：区段1-区段n，其中区段n和其它区段不连续，中间为另一省(B省)的输电线路。
在接入层，每个区段的监测节点根据所在杆塔是否为光缆分盘点确定接入方式，即采用光纤接入或无线接入。根据光通信中继站的机房条件、数据网接入条件分别选定该区段监测数据的汇聚站点(S1、S2…Sn)，通过“光纤以太网+5.8G无线专网”方式(同图1)将监测数据汇聚至汇聚站点。
在汇聚层，各汇聚站点均配置有SDH/MSTP光传输设备，利用该设备上配置的以太网板(透传板或二层交换板)，组织由SDH/MSTP光传输电路承载的以太网传输通道，将监测数据二次集中至数据核心站点。A省内各汇聚站点(S1-Sk+1变电站)的监测数据集中上传至A省的核心站点(Sk变电站)，B省内各汇聚站点(Sp-Sp+1变电站)的监测数据集中上传至B省的核心站点(Sp变电站)。A省内的Sn变电站汇聚的数据直接通过以太网通道传输至A省的核心站点，而不经过相邻省线路塔上通信设备。
在物理电路连接层面，输电线路全线汇聚层S1变电站-Sn变电站是相互连通的；在数据传输的逻辑层面，通过SDH网管配置，汇聚层SDH传输电路可实现A省站点和B省站点数据汇聚的相互独立。SDH网管为独立运行管理，相对固化，因此各省在运行管理本省监测装置和通信装置时可避免相互影响和误操作。
以太网传输通道带宽根据监测类型和监测点数量估算并通过SDH/MSTP网管系统设置、调整，以太网通道组织示意图(逻辑层面汇聚层数据的汇聚)如图4所示。其中，N1-N5表示汇聚站点和核心站电之间的带宽容量，可根据监测数据实际需求，通过SDH网管系统配置。Sk变电站为A省数据核心站点，Sp变电站为B省数据核心站点，Sn变电站数据可跳过B省塔上通信装置经SDH电路透传至Sk+1变电站，监测数据最终汇聚至本省的核心站点集中上传。
在核心层，监测数据在核心站点落地后，通过数据安全认证装置接入电力综合数据网，然后上传至该省电力公司输变电状态监测系统主站。
通过上面的描述可以看出，本申请的输电线路通信系统具有如下优点：
(1)针对超长距离输电线路(主要为直流输电线路)，提出一种基于SDH/MSTP光传输、光纤以太网、5.8G无线专网等多种技术混合的组合通信系统，实现监测数据分段分层汇聚、集中上传、分省管理。
(2)对监测数据的分段汇聚大幅减少单个区段汇聚的节点数量，有效提高了光纤以太网链路的可靠性，也保证监测节点的传输带宽。
(3)网络结构从单一链状优化为树形结构，汇聚层利用SDH/MSTP光传输电路实现监测数据的二次集中汇聚，设备可靠性大幅提高，增强了传输网络的健壮性。
(4)减少了塔上中继通信设备、站内接入通信设备、安全认证设备数量，减少了工程投资。
(5)对于部分区域地理边界特殊，将同一省内物理上不连续的线路在数据链路层实现连续，使不同省的监测节点通信设备不具备关联性，解决了监测数据在一个省内多点落地的问题。
需要说明的是，本发明各系统实施方式中提到的各模块都是逻辑模块，在物理上，一个逻辑模块可以是一个物理模块，也可以是一个物理模块的一部分，还可以以多个物理模块的组合实现，这些逻辑模块本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑模块所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各系统实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的模块。
本发明第二实施方式涉及一种输电线路通信系统的组网方法，用于上述的输电线路通信系统。图5是该输电线路通信系统的组网方法的流程示意图。
具体地说，如图5所示，该输电线路通信系统的组网方法包括以下步骤：
在步骤501中，确定监测点的位置和监测类型。
根据输电线路沿线地形地貌、气候、交叉跨越线路、跨越河流、铁路、公路等情况确定需要监测的内容和监测设备布置位置。监测类型包括：图像/视频、杆塔倾斜、导线微风振动、导线舞动、微气象、覆冰等。
此后进入步骤502，划分监测区段。
根据监测点的布置、光纤通信电路及中继站方案确定区段划分，以尽量减少塔上通信设备为原则。首先以各省/区划分，然后在省/区内根据线路长度、监测装置数量和布点划分若干区段。
此后进入步骤503，选择每个区段的监测数据汇聚站点。
此后进入步骤504，确定监测数据上传的核心站点。
为简化网络段(核心站点至监测系统主站之间的网络)通信配置，每个省/区原则上设置一个数据核心站点，在该核心站点集中上传省内区段所有监测数据。核心站点在之前的数据汇聚站点中选择，优先考虑综合数据网上行带宽大的站点，同时考虑机房环境、设备供电等条件。
此后进入步骤505，分析各个汇聚站点至核心站点的带宽需求，组织SDH/MSTP光传输电路承载的以太网传输通道。
此后进入步骤506，设计核心站点至监测系统主站通信传输方案和安全接入方案。
此后进入步骤507，确定各个汇聚站点和核心站点的站内设备配置。
此后进入步骤508，确定塔上通信设备配置及布置位置。
确定塔上通信设备(光纤以太网交换机和5.8G无线专网设备)配置及布置位置，以尽量减少无线传输距离(提高可靠性)为原则。
此后进入步骤509，计算确定塔上通信设备所需的电源和蓄电池容量，以满足规程规范相应要求。
此后结束本流程。
需要说明的是，上述各步骤501-509之间可以变换执行顺序，并不一定要严格按照图5所示的流程顺序执行。
图6是本实施方式中一个优选实施例的输电线路通信系统的组网方法的流程示意图。
本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
