针对极端灾害天气逐年增加、输电网设备数量急剧增加、输电网抢修工作任务逐年繁重及输电网智能监测及预警服务体系不成熟等现实因素，迫切需要借助科技手段，建立输电网智能监测及预警服务网络系统，提高电网对自然灾害的应急和处置能力。将线路气象灾害事故消除于萌芽状态，其中架空输电网数字化监测系统就是实现这一目标的重要组成部分。
随着近年智能传感技术和通信技术的飞速发展，国内已有大批量架空输电网数字化监测设备投入运行，如导线温度、导地线微风振动、舞动、绝缘子串风偏、绝缘子泄漏电流、盐密、杆塔倾斜、杆塔振动，以及微气象、图像/视频、杆塔防盗、覆冰监测、防山火等都有设备进行监测。
监测数据通信链路的建立是架空输电网数字化监测系统运行必不可少的内容，如何将广泛分布的输电网监测设备与运行维护后台之间建立起稳定可靠、满足数据传输带宽需求的通信链路，是建立架空输电网智能监测及预警服务网络系统、实现我国电网智能化管理和状态检修的关键。
1 架空输电网数字化监测系统通信链路特点
1.1 通信数据量
1）窄带类数据：比如微气象、导线温度、杆塔倾斜、微风振动、绝缘子泄漏电流等监测设备，此类设备数据流量较小、数据变化的比较慢，并且无需实时刷新，一般为查询或者定时传输，此类设备数据带宽需求不高，一般在1kb/s之下。
2）较宽带类静态图片数据：比如覆冰监测设备，一般提供监测点的静态图片和环境气象数据，此类设备数据流量也较小、数据变化的不快，一般为查询或者定时传输，偶尔为报警传输，数据流量为100kb/s左右。
3）宽带类视频数据：比如视频防外破监控设备、防山火等设备，需要进行实时视频监控且为高清视频。根据现场应用情况分析计算，宽带视频数据类设备要求带宽在10Mb/s以上。
以上3类上传数据中，宽带类视频数据对于通信通道的传输时延、传输带宽要求都较高，是架空输电网数字监测装置数据回传通信系统中需要着重考虑的内容。
1.2 通信链路建立原则
由于我国架空输电线路多、分布点多而广，多数分布在人烟稀少的高海拔、崇山峻岭区域，线路周边运行环境恶劣且复杂多变。在现场监测设备和后台运行维护端建立数据通信链路，需要遵循以下几个原则。
1）需要充分考虑目前各种通信方式的优缺点，从标准化、系统成本、可实现性、可管控性等方面综合考虑。
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，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）通信数据接入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。
1.3 通信链路建立模型研究
1）模型建立如图1所示
图1 架空输电网数字化监测系统模型
整个系统包括5个典型的节点和4个通信链路。
5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。
（3）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。
4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。
2）模型节点研究
（1）监控终端节点：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：输电杆塔。
本节点设备符合CMA（condition monitor agent）的规范需求，一般将设备安装在输电线路杆塔上，然后将现场监测、监控信息进行智能化加工，成为主站所需的“熟数据”。
（3）汇聚节点：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。
（4）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：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CMA、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。
2 架空输电网数字化监测系统通信技术应用现状分析研究
研究发现，目前国内已有大批量的架空输电网状态在线监测设备在电网中投入运行，多数设备监测数据信息依赖无线公网接入（如GSM、GPRS、CDMA和4G）的通信方式进行传输，部分设备采用WiFi、光纤方式进行通信，极少数设备采用微波、卫星等方式进行。
2.1 无线公网
无线公网有GSM、2G/3G、4G等3种通信方式，GSM用于传输数据量小、传输时间段不密集的设备，2G/3G用来传输数据量不大、传输时间段比较密集的设备，4G用于传输数据量大、传输时间段密集的设备。
1）GSM
GSM属于蜂窝移动通信技术，主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）4部分组成。中国GSM移动上行频段为890～909MHz；下行频段为935～954MHz；联通上行频段为909～915MHz；下行频段为954～960MHz。它具有防盗拷能力佳、网络容量大、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、耗电量低等优点。主要用于输电线路绝缘子泄漏电流监测设备、导线弧垂监测设备和其他一些通信数据量不大的设备。
2）2G/3G
移动、联通、电信三大运营商公网普遍提供有2G/3G数据业务服务，主要方式包括——GPRS、EDGE、CDMA 1x、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000。
2G/3G公网方式具有开通方便的优势，而运营商数据带宽窄，无法满足高带宽、实时性要求高的高清视频监控设备接入，但适合气象、舞动、导线温度等数据性设备的通信传输接入。
3）4G
移动、联通、电信均提供有4G通信技术，它包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G系统网络结构可分为3层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。
4G公网具有通信速度快、兼容性好、高质量通信、频率效率高等多种技术优势，但是它的覆盖网络目前仍仅限于人口密集的市区及附近郊区、铁路、高速公路沿线等有限的区域，对于野外分布如此广泛的高压输电线路杆塔而言，仅依靠4G公网是无法满足大量数据、高清视频的传输应用需求。
2.2 光纤
电力光纤一般为OPGW和ADSS。对于用户需求是光纤接入的，这些输电网状态监测设备普遍采用输电线路上现有的OPGW光纤，以光纤以太网方案接入，如图2所示。
图2 光纤以太网接入方案图
光纤有线方式优点很多：通信容量大、抗电磁干扰强、可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，系统节点为10～16个，每个节点最高可达5Mb/s左右；如果系统按照GE来进行计算，系统节点为10～16个，每个节点最高可达50Mb/s左右。
但是在输电线路现有OPGW光纤开通大量接口，降低了电力输电线路运行稳定性，电力部门不允许在OPGW光纤上随意打开光纤接口。
2.3 微波
微波通信使用波长为1～0.1m（频率为0.3～3GHz）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。当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，故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。
2.4 卫星
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为300MHz～30GHz。
卫星通信资费方面比较昂贵，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，只有少量的科技项目设备进行了现场试验，并没有推广应用。
3 混合自组网通信技术
通过对目前输电线路状态监测设备采用的各种通信技术应用情况及优缺点等进行了深入分析研究，本文提出了采用以光纤通信为主、WiFi和4G通信为辅的混合自组网通信技术，这一技术在青海电网进行了现场实施，具体技术方案如下。
1）采用4G信号进行数据信息传输
若监测输电线路杆塔区域内有移动4G信号覆盖，则优先选择在输电线路状态监测设备上安装4G无线模块，通过现场4G信号直接传输到电力部门后台。
2）采用光纤进行数据传输
若现场没有4G信号，但是监测杆塔上有光纤接入盒，则优先采用光纤直接方式进行数据传输。根据输电线路OPGW铺设特点，杆塔上每隔2～5km会有一个光纤接线盒，此时通过在杆塔上安装光交换机设备，采用熔纤的方式将传输设备连接在OPGW光纤接入盒，然后通过输电线路杆塔OPGW光纤将监测数据直接传输到电力部门后台。
在光纤接入时，利用线路OPGW光缆中的4芯，主用2芯，备用2芯，组建监测系统传输光纤通信专网。为提高监测系统专用光纤通信电路的可靠性，采用2条主干光纤通信电路作为备用。
另外，合理分配线路上IP地址，利用光纤以太交换机可以双向传输的特点，将每个小段线路上的设备再平分成左右双向进行数据传输，这样又可以将每个小段线路上的通信风险降低50%。
图3 光纤直接进行传输传输方案图
3）采用WiFi+光纤混合通信方式进行数据信息传输
若监测区域内没有移动信号，杆塔上也没有OPGW光纤接入盒，则采用WIIF+光纤混合通信方式进行数据信息传输。它是以WiFi无线接力的方式先将杆塔上监测设备数据信息转发到具有OPGW光纤接入盒的杆塔上，然后再通过光纤将监测数据信息传输到电力部门后台。
在青海电网的项目中，WiFi无线接力采用5.8G的开放频段，将2.4G的频段留给现场网络，带宽可以达到54Mbps，传输协议采用802.11系列。另外，WiFi无线接力的最佳传输距离设计为2～5km，这样正好可以覆盖光纤接入点留下的空隙。WiFi无线接力网同样采用IP网络体制，可以与现场网络实现无缝连接，提高传输通道稳定性。
图4 WiFi+光纤混合数据传输方案图
4）无线中继接力进行数据传输
无线中继接力通信的方案是在监测点的WiFi 无法将监测设备数据信息直接传输到杆塔OPGW光纤接入盒（光通信系统接入点）的情况下，通过无线中继点，以接力的方式将监测点的数据信息逐级转发实现远传。无线接力网由中继设备组成，中继设备之间两两通信组成接力段，数据在接力段中以逐级转发的方式传递。
无线中继接力通信的功能和技术指标基本与WiFi接入相同，青海电网方案中为了保证WiFi信号稳定性，在中继点的天线采用全向天线。通过WiFi+中继+光纤混合通信方式，最终通过OPGW光纤将监测设备数据信息传输到电力部门后台。
图5 无线中继接力数据传输方案图
电力部门后台系统把现场采集的数据进行集中，以数据报表、数据变化趋势曲线、监测预警数据信息、现场高清视频等方式显示现场电力线路的运行状况。
