田 毅,黃新波,袁正康,馬一迪,朱永燦,趙 隆

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

0 引 言

輸電線路是智能電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)建設(shè)的重要組成部分,具有地域分布廣闊、距離較長、運行條件復(fù)雜、巡檢和維護(hù)工作繁重及易受自然環(huán)境影響和外力破壞等特點。如何高效地對架空輸電線路本體、線路走廊和微氣象參數(shù)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測,從而控制線路運行成為一項迫切工作[1-4]。21世紀(jì)以來,基于各種傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、廣域通信技術(shù)和太陽能供電技術(shù)研發(fā)的各類輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了輸電線路運行環(huán)境和運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、事故診斷、評估預(yù)測、風(fēng)險預(yù)警等功能,成為實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)運行和檢修管理的重要技術(shù)手段[5]。

文獻(xiàn)[6]針對輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中無線通信網(wǎng)絡(luò)末端數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)大、延時高的問題,構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及光纖網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測層次化通信網(wǎng)絡(luò),并提出了網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)規(guī)劃模型及優(yōu)化決策方法。文獻(xiàn)[7]結(jié)合無線分組業(yè)務(wù)/碼分多址/第三代移動通信技術(shù)/基于IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)/光纖等通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了桿塔傾斜狀態(tài)的在線監(jiān)測。對于輸電線路在線監(jiān)測中的短距離低功耗ZigBee通信,文獻(xiàn)[8-10]提出了改進(jìn)的ZigBee優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),從而提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實時傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù),其可靠性和性能優(yōu)劣將直接決定輸電線在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用效果[11]，但是少有學(xué)者對這方面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[11]對青?！鞑亟恢绷髀?lián)網(wǎng)工程輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析,但是不夠系統(tǒng)。近年來,隨著輸電線路在線監(jiān)測智能化水平和管理水平的不斷提高,對監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和安全性也提出了更高的要求。本文首先根據(jù)實際應(yīng)用，總結(jié)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)框架;然后結(jié)合在線監(jiān)測系統(tǒng)框架和輸電線路的實際情況，優(yōu)化設(shè)計出4種適用于不同高壓輸電線路情況的通信網(wǎng)絡(luò)方案，并對其進(jìn)行了分析;最后,針對進(jìn)入電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的要求，給出了輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計方案。

1 存在問題

現(xiàn)有輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)存在運行穩(wěn)定性差、功耗高以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不合理等問題[12-14]。

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差

高壓輸電線路大多處于環(huán)境比較惡劣的區(qū)域(夏天溫度極高，如新疆；冬天冰天雪地，如東北；海拔較高，如西藏),且一直運行在強電磁干擾的環(huán)境下，易出現(xiàn)死機而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)功耗高

由于輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)主要采用太陽能+蓄電池的供電方式,供電功率嚴(yán)格受限,尤其在高溫和低溫環(huán)境下其供電效率更低。而現(xiàn)行通信網(wǎng)絡(luò)裝置功耗較大，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他單元的運行功耗,導(dǎo)致狀態(tài)監(jiān)測分機(condition monitoring and diagnosis, CMD)缺電無法正常工作。例如,某數(shù)據(jù)+視頻的綜合監(jiān)測分機,其中數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置功耗為0.1 Ah,視頻監(jiān)測裝置為2 Ah(即正常工作2 h,其余時間處于休眠狀態(tài))。一般通信網(wǎng)絡(luò)裝置的功耗如下:GPRS/3G通信設(shè)備為0.04 Ah,Wifi通信設(shè)備為0.5 Ah,光纖通信設(shè)備為0.5 Ah,電源控制器功耗1.2 Ah。如果要保證通信網(wǎng)絡(luò)正常工作30 d,則不同的通信網(wǎng)絡(luò)裝置功耗見表1。

表 1 通信網(wǎng)絡(luò)功耗

對于光通信+Wifi通信方式,Wifi和光纖交換機功耗都比較大。例如:選用電池為12 V、50 Ah,電池使用效率為80%,每塊電池質(zhì)量為25 kg,17 V、60 Ah太陽能電池板每塊質(zhì)量為13 kg,太陽能電池板面積1 000 mm×460 mm。如果按正常工作30 d計算,光通信+Wifi設(shè)備的功耗高達(dá)24 Ah/d,需要18塊電池和18塊電池板,質(zhì)量達(dá)680 kg;Wifi中繼設(shè)備功耗達(dá)12 Ah/d,需配置9塊電池和9塊電池板,給工程現(xiàn)場安裝施工帶來很大的困難。

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不合理

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案往往是在輸電線路建成后才進(jìn)行,造成在同一條線路出現(xiàn)了光纖通信+Wifi的通信網(wǎng)絡(luò)方式。需要設(shè)計安裝監(jiān)測分機的桿塔沒有光纖接線盒,只能通過無線Wifi將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給鄰近有光纖接線盒的桿塔。雖然在穩(wěn)定性上較單一光通信低，但成本卻更高。

如何綜合考慮運用輸電線路的各種實際情況,確定最佳在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)方案,進(jìn)一步提高通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力和安全可靠性,以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)實時高效傳輸,成為當(dāng)前輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用重點考慮的問題[15-16]。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

智能電網(wǎng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[5,17-18]。桿塔上狀態(tài)監(jiān)測裝置(CMD)通過無線APN專網(wǎng)/OPGW/OPGW+Wifi網(wǎng)絡(luò)穿過安全平臺,與輸電線路狀態(tài)監(jiān)測代理(CMA)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信,CMA通過OPGW/專網(wǎng)等傳輸至輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主站(CAG)。對于沒有架設(shè)OPGW且沒有無線公網(wǎng)信號的地區(qū)，可采用無線專網(wǎng)和衛(wèi)星通信將信息傳遞到線路落地變電站或換流站,再通過落地變電站或換流站將數(shù)據(jù)傳回主站[19-23]。

無線APN專網(wǎng)分為公網(wǎng)無線APN專網(wǎng)和無線專用公網(wǎng)2種形式。公網(wǎng)無線APN專網(wǎng)又分為移動、聯(lián)通和電信無線APN專網(wǎng),根據(jù)所用區(qū)域的不同以及所需帶寬選擇相應(yīng)的移動公網(wǎng)制式。無線專用公網(wǎng)采用終端+RRV+BBU方式，主要是應(yīng)用在沒有公網(wǎng)覆蓋的線路。根據(jù)具體需要可以選擇UMTS、LTE和5G中的某一種移動制式或是幾種混模移動制式[24-25]。輸電線路在線檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

從圖1可以看出,輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可分為3部分:

1) CMD與傳感器之間的通信。監(jiān)測裝置與監(jiān)測傳感器在同一桿塔上,對于安裝在桿塔上的各類監(jiān)測傳感器(如微氣象、拉力、絕緣子風(fēng)偏、桿塔傾斜等)和攝像頭,可采用RS-485等串行通信接口或10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,以有線通信方式將所采集的數(shù)據(jù)匯聚至桿塔線路監(jiān)測裝置。若監(jiān)測傳感器安裝在導(dǎo)線上(如導(dǎo)線舞動、微風(fēng)振動、測溫、導(dǎo)線風(fēng)偏等),可采用ZigBee和NB-IoT等低功耗無線方式。

2) CMD與安全平臺之間的通信。CMD與安全平臺之間的通信采用2種方式:①公網(wǎng)無線APN專網(wǎng)方式,直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給安全平臺;②除去公網(wǎng)無線APN專網(wǎng)以外的其他方式,利用各自的通信方式先將通信落地到變電站或換流站,再通過站內(nèi)SDH設(shè)備的以太網(wǎng)板卡(10 M/100 M)傳至安全平臺。其中視頻監(jiān)測裝置與安全平臺通信后直接接入到視頻后臺。

3) 安全平臺與CMA之間的通信。安全平臺之后屬于電力內(nèi)網(wǎng),安全接入平臺與CMA之間進(jìn)行明文的通信;安全接入平臺作為終端與CMA之間的橋梁,負(fù)責(zé)將終端的數(shù)據(jù)解密后傳輸給CMA,并把CMA的數(shù)據(jù)加密后傳輸給終端。

3 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計

根據(jù)實際輸電線路所處的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,一般采用無線APN專網(wǎng)、光通信網(wǎng)絡(luò)、光通信+Wifi、無線專網(wǎng)等4類通信網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測輸電線路。針對文中提到現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)存在的問題,下面對不同的輸電線路分別進(jìn)行設(shè)計。

3.1 無線APN專網(wǎng)

該通信方式主要應(yīng)用于無OPGW架設(shè)且公網(wǎng)信號較好的線路,采用移動運營商提供的專用APN SIM卡。該虛擬專網(wǎng)與公網(wǎng)在通信信道上被隔離開,起到保證信息安全的作用。另外,該設(shè)計要求監(jiān)測分機的通信采用模塊化,根據(jù)具體線路公網(wǎng)信號情況靈活選用聯(lián)通、電信和移動網(wǎng)絡(luò)制式中的一種或是多種組合。

無線APN專網(wǎng)中通信模塊大多采用商用通信模塊,在輸電線路所處的惡劣環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較差。因此，在監(jiān)測分機軟硬件設(shè)計上通過軟硬件看門狗實現(xiàn)定時并對通信模塊電源復(fù)位(一般設(shè)置為晚上0點,防止系統(tǒng)死機);軟件上監(jiān)測分機發(fā)送數(shù)據(jù)前先判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),如有問題復(fù)位通信模塊電源。采用此種通信方案功耗本身就很小,現(xiàn)行太陽能+蓄電池的供電方式可完全滿足要求。

3.2 光通信網(wǎng)絡(luò)

該種通信方式應(yīng)用于有OPGW架設(shè)且監(jiān)測設(shè)備安裝所在桿塔上有光纖接頭盒的線路。以某500 kV線路通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為例,如圖2所示。該通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)方式,通過安裝在甲、乙2個變電站內(nèi)的光纖交換機將通信數(shù)據(jù)落地,再通過網(wǎng)線連接到SDH設(shè)備的以太網(wǎng)口上。為了保證整個通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,在甲、乙2個變電站之間配置一條40 M網(wǎng)絡(luò)(根據(jù)實際需求可以修改)帶寬的直通網(wǎng)絡(luò)通道，與塔上在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。這樣做的好處是任何一個桿塔上的通信出現(xiàn)問題，不會影響其他桿塔上監(jiān)測分機數(shù)據(jù)的傳送。監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過甲變電站進(jìn)入安全接入平臺。

圖 2 光通信環(huán)網(wǎng)示意圖

采用光纖環(huán)網(wǎng)設(shè)計避免了傳統(tǒng)的鏈狀網(wǎng)絡(luò)中一臺設(shè)備出問題其他設(shè)備都不能正常通信的問題,但同樣需要優(yōu)化軟硬件設(shè)計實現(xiàn)對通信模塊的電源復(fù)位防止系統(tǒng)死機。在結(jié)構(gòu)上采用屏蔽性能較好的箱體,同時分級實時監(jiān)測光纖交換機的運行狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)死機和通信故障時及時復(fù)位光纖交換機，并將故障信息發(fā)送給后臺從而避免死機和通信不暢。另外,由于光纖通信功耗較大(見表1),現(xiàn)有的供電方案很難滿足長期運行。因此，監(jiān)測分機在軟件設(shè)計上采用邊緣計算,將數(shù)據(jù)分析放在前段進(jìn)行,大部分時間光通信不工作，只有在出現(xiàn)故障或后臺請求數(shù)據(jù)時才通過光通信網(wǎng)絡(luò)向后臺發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 光通信+Wifi

這種通信方式主要應(yīng)用于2種情況:①有OPGW架設(shè)但部分監(jiān)測設(shè)備安裝所在桿塔上無光纖接頭盒的線路;②監(jiān)測桿塔沒有光纖接頭盒,但鄰近的線路的桿塔有接頭盒。如圖3所示,甲線路有OPGW架設(shè)而乙線路無OPGW架設(shè),乙線路通過Wifi將安裝在所在桿塔上CMD采集的信息通過無線方式傳遞給甲線路鄰近的有光纖接頭盒的桿塔,甲線路再通過OPGW將數(shù)據(jù)落地到變電站或換流站。

圖 3 環(huán)網(wǎng)通信圖

該組網(wǎng)方式的好處是任何一個桿塔上的通信出現(xiàn)問題都不會影響其他桿塔上監(jiān)測分機數(shù)據(jù)的傳送。監(jiān)測數(shù)據(jù)最終可以通過甲、乙、丙任意一個變電站或換流站進(jìn)入安全接入平臺。

光交換機和Wifi通信功耗均較大且很難大幅降低(見表1),因此輸電線路在線監(jiān)測的設(shè)計要與線路設(shè)計施工一起進(jìn)行,避免出現(xiàn)光通信+Wifi的通信方式。另外，在CMD軟件設(shè)計上采用邊緣計算,正常情況下不通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù),只有在出現(xiàn)故障或是后臺邀請數(shù)據(jù)的時候才會通過無線Wifi和光纖向后臺發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 無線專網(wǎng)

這種通信方式主要應(yīng)用于無OPGW架設(shè)且沒有公網(wǎng)信號覆蓋的老舊線路。利用無線專網(wǎng)還可以實現(xiàn)電力巡檢人員在該線路的網(wǎng)絡(luò)覆蓋,通過手持終端實現(xiàn)相互之間及與主站之間的語音通信。該無線專網(wǎng)可采用3G、4G或5G移動制式,具體組網(wǎng)方式見圖4。

監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過甲、乙變電站進(jìn)入安全接入平臺。安裝在甲、乙變電站內(nèi)的管理電腦負(fù)責(zé)對相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控。

這種通信方式中無線專網(wǎng)由專門的供電系統(tǒng)供給,而安裝在鐵塔上的無線專網(wǎng)通信終端的設(shè)計和無線APN專網(wǎng)的相同,CMD的設(shè)計也與無線APN專網(wǎng)方式的相同。

4 通信網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計

輸電線路各類監(jiān)測數(shù)據(jù)最終要傳輸匯總到各省電力公司的內(nèi)網(wǎng),因此必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成,從CMD數(shù)據(jù)加密和通信網(wǎng)絡(luò)安全2個方面進(jìn)行數(shù)據(jù)安全設(shè)計。

4.1 CMD數(shù)據(jù)加密設(shè)計

CMD采用安全芯片對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密,加密算法采用國家商用密碼產(chǎn)品所需的SM2和SM1算法專用加密模塊，DES/3DES加密模塊和RSA公鑰算法引擎。CMD與安全接入平臺需要進(jìn)行數(shù)據(jù)加密通信,在數(shù)據(jù)加密通信之前需要進(jìn)行密鑰協(xié)商,具體加密設(shè)計見圖5。

(a) 密鑰協(xié)商流程

密鑰協(xié)商請求均由終端發(fā)起,安全接入平臺不會主動發(fā)起密鑰協(xié)商過程。密鑰協(xié)商前要進(jìn)行必要的初始化,包括:①生成終端安全芯片自身的密鑰對;②生成SM2證書請求,并導(dǎo)出為一個文件,交由CA系統(tǒng)簽發(fā),得到自身SM2證書;③將自身SM2證書導(dǎo)入終端;④將安全接入平臺的公鑰導(dǎo)入終端安全芯片(一般同一個省的安全接入平臺公鑰是一樣的)。部分SM2運算需要使用外部的公鑰進(jìn)行,而非安全芯片自身的。如果此公鑰還未導(dǎo)入芯片,則需要先導(dǎo)入外部公鑰再做運算；如果已導(dǎo)入,則以后無需再導(dǎo)入,直接選擇相應(yīng)的密鑰索引號運算即可。注意選擇合適的密鑰索引號存放,不要覆蓋芯片自身生成的密鑰對。

對于視頻類CMD，采用安全芯片和安全TF卡2種方式之一進(jìn)行安全防護(hù),加密算法仍然采用國家商用密碼SM2和SM1算法。視頻類CMD在上線之前需要進(jìn)行安全防護(hù)初始化,步驟是:首先生成密鑰對;然后生成安全證書請求,并把證書請求提交給證書簽發(fā)機構(gòu)進(jìn)行簽發(fā),同時簽發(fā)視頻類CMD自身的證書;最后導(dǎo)入視頻類CMD自身證書及安全接入平臺的證書。視頻類CMD的密鑰對與最后簽發(fā)的證書相對應(yīng)。如果在視頻類CMD的證書簽發(fā)后又重新生成了密鑰對,則視頻類CMD原來簽發(fā)的證書作廢,因此，簽發(fā)完視頻類CMD證書后就不允許再生成密鑰對。另外,視頻類CMD在與安全平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前必須進(jìn)行身份認(rèn)證,同時兩者在進(jìn)行信令(視頻類CMD與后臺專家軟件建立會話和響應(yīng)控制)交互時必須對報文進(jìn)行加密,詳細(xì)過程如圖6所示。

圖 6 視頻類CMD數(shù)據(jù)加密流程

在圖6視頻類CMD數(shù)據(jù)加密的流程中,會話密鑰協(xié)商成功后,在進(jìn)行信令數(shù)據(jù)通信時,應(yīng)用層的信令數(shù)據(jù)必須進(jìn)行SM2和SM1算法加密和解密。加密過程為解密的逆過程,并且解密后需要檢查填充報文是否正確。

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計

不同的通信方式其通信網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計不同。

1) 對于無線APN專網(wǎng),基于VPDN(virtual private dialup network)技術(shù),利用二層隧道協(xié)議在撥號網(wǎng)絡(luò)中為用戶構(gòu)建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),實現(xiàn)企業(yè)專網(wǎng)向廣域無線側(cè)的延伸,為用戶提供了一種端到端的企業(yè)VPN無線接入解決方案。利用移動運營商的APN平臺,監(jiān)測分機通過APN的方式接入安全接入平臺,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。開通APN方式接入后,在移動運營商的無線網(wǎng)絡(luò)和安全接入平臺網(wǎng)絡(luò)間建立一條專用的GRE數(shù)據(jù)傳輸隧道,只有合法的監(jiān)測分機用戶才能通過該隧道接入到安全接入平臺。

2) 對于光通信網(wǎng)絡(luò)和光通信+Wifi通信網(wǎng)絡(luò),均需采用工業(yè)級光纖交換機和工業(yè)級無線AP。在工業(yè)級光纖交換機設(shè)置上采用MAC地址過濾，MAC地址和IP地址綁定。工業(yè)級無線AP采用MAC地址過濾，MAC地址和IP地址綁定以及WPA2協(xié)議加密機制,隱藏SSID的方式,保證通信安全。

3) 對于無線專網(wǎng),在專網(wǎng)終端和RRU上設(shè)置MAC和IP地址綁定,防止非法用戶接入專網(wǎng)終端和RRU；在變電站或換流站的管理電腦對用戶身份認(rèn)證進(jìn)行進(jìn)一步嚴(yán)格的驗證,杜絕非法用戶的入侵。以上這些設(shè)計在哈密—鄭州750 kV在線監(jiān)測系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,并且很好地解決了上述問題。

5 結(jié) 語

輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)是輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的重要環(huán)節(jié),本文根據(jù)實際應(yīng)用場景,優(yōu)化設(shè)計了4種適用于輸電線路在線監(jiān)測的通信網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合實際的項目給出了詳細(xì)的設(shè)計方案及實施措施。在線監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)最終要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳入各省電力公司內(nèi)網(wǎng),因此數(shù)據(jù)安全非常重要。分析了數(shù)據(jù)類在線檢測設(shè)備和視頻類在線監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)加密設(shè)計方法。另外,通過剖析現(xiàn)有輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)中存在的問題,同時針對輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)的信息安全問題,提出了相應(yīng)的安全防護(hù)方案。