WiMAX在配電網自動化中的應用探討

伍 瑞，朱吉然

(1． 湖南省電力公司長沙電業局，湖南 長沙410015;2． 湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙410007)

配電網自動化對于提高供電可靠性、提升供電能力、降低線耗和減輕勞動強度具有重要意義。配電自動化系統通過實時獲取配電設備的運行狀態，協調和監控配電設備運行情況，在發生配網故障時，進行快速故障定位、隔離和恢復，實現配電網安全、優質運行。

配電自動化系統需要借助可靠的通信手段，將各遠方FTU，DTU 和TTU 等配電終端采集的各類遙測遙信信息上傳至配電主站或子站，同時將配電主站或子站的遙控命令下發至各配電終端。因此，通信系統的性能在一定程度上決定了配電自動化系統的優劣。近年，隨著配電自動化系統的發展，配電網通信領域涌現出多種無線通信方式。其中，寬帶無線接入技術作為下一代通信網中最具發展潛力的接入技術之一，正受到業界越來越多的關注，尤其是WiMAX 技術。

1 WiMAX 無線專網簡介

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波互聯接入，是一項基于IEEE 802.16 標準的寬帶無線接入城域網技術(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network)，該標準僅制訂了物理層(PHY)和媒質接入層(MAC)的規范，是針對微波頻段提出的一種新的空中接口標準。WiMAX 基本目標是確保不同廠商的無線設備在城域網接入環境下，實現互連互通，主要用于為家庭、企業、移動通信及電力通信中提供“最后1 km”的高速寬帶接入方式。

目前，電力系統依托高壓輸電線路已建成SDH 光纖骨干網絡，主要覆蓋110 kV 及以上變電站，同時也連接到了各電業局，并根據電力營銷系統等業務需求，覆蓋到所有配營部、營業所。電業局下屬的業務單位如果都采用光纖實現寬帶接入，建設難度大、投資高。若采用WiMAX 技術開通無線寬帶接入服務，連至各單位，提供語音、數據和視頻等業務，是一個成本低且見效快的建設方案。

WiMAX 電力專網作為一個全IP 網絡，可以充分利用現有的網絡設備，實現與現有的網絡直連。WiMAX 無線基站提供標準的以太網口，支持TCP/IP 協議，連結城域網。WiMAX 無線終端可直接連接二層交換機、綜合接入設備、無線路由器和其他常見網絡終端設備，提供語音和視頻數據傳輸，實現了無線寬帶接入和現有光纖網絡及軟交換網絡的無縫連接。

2 WiMAX 在配電網通信中的優勢

2.1 配電網的通信現狀

目前，配電自動化系統主要包括有線和無線2種通信方式，有線以光纖通信、電力載波通信為主導，無線主要以GPRS/CDMA 技術為主。無線方式較之有線方式具有更多優勢。

配電網通信終端點多面廣，有線通信方式在網絡拓撲設計、有線通道鋪設及施工等方面都將面臨較大問題〔1〕。以電力通信骨干中的光纖通信技術為例，光纖通信要成為配電網通信的主流方式，在成本等方面具有一定的劣勢。首先，在配電網各配電站點廣泛鋪設光纖，特別是配電終端節點較多時，建設成本過高;其次，當配電線路與電力光纜同桿架設時，如果出現通信中斷，則需要停電對通信信道進行檢驗，這對于供電可靠性要求較高的配電網而言，是個很大的問題。無線通信方式不需要進行通信信道的敷設且擴展方便。目前使用的無線通信主要是GPRS/CDMA 通信方式，采用電信服務商提供的服務成本高，且具有信息安全隱患。在出現與電話通信數據沖突時，通信時延大，無法完全滿足配網自動化的要求，且通信信道不為電力通信部門監控，不能進行很好地維護和掌控。

2.2 WiMAX 技術的優點

相對于目前的配電網通信方式，WiMAX 技術具有以下技術優點:

1)廣覆蓋、高寬帶。WiMAX 作為面向城域網的無線寬帶接入技術，支持的數據傳輸速率最高可達75Mbps，對電力載波通信和傳統無線通信而言具有巨大的優勢。且最遠傳輸距離可達50 km〔2〕，覆蓋面積是傳統無線發射塔的10 倍，建設少數無線基站就能實現全城覆蓋。

2)成本低、可靠性高。城市配電網中，配電終端數量大、分布范圍廣，一個中等城市配電終端有上萬個。與鋪設光纖的通信方式相比，WiMAX建設無線基站數量少，大大降低了建設成本，同時，也能降低通信系統投運后的運維成本。WiMAX 的MAC 層包含QoS 機制，可確保網絡接入業務的服務質量，為用戶提供高可靠性的數據和視頻等業務。

3)易監管、實時性強。WiMAX 通信系統作為電力通信部門自身建設的城域網絡，完全由電力部門掌控，易于監管維護。與傳統的無線通信方式相比，最高傳輸速率可達75 Mbps，傳輸時延小。

4)安全性強，吞吐率大。WiMAX 在介質訪問層中定義了一個加密子層，為用戶提供了完善的加密機制〔3〕。用戶可通過數字證書的方式，對WiMAX 網絡內傳輸的數據進行加密，使其滿足配電網自動化業務二次安全防護方面的要求。此外，WiMAX 能實現不同的信號區調制方式的自動切換，使系統在遠距離上的數據吞吐率最大。

5)易于施工，受外界影響小。WiMAX 可克服某些地區光纜難于敷設的困難，不受河流、密集住宅區、橋梁道路等復雜地理環境的影響;不會受冰雪、洪災等地質災害的影響。且當配網設備發生異動導致配電終端位置變化時，相對于光纖通信需要重新敷設光纜，WiMAX 網絡不需要調整。

3 WiMAX 在配電網中的應用模型

WiMAX 無線專網能夠按需對帶寬進行分配，最大程度地利用帶寬資源，可以訂制上千種服務流，設置時延，帶寬范圍和優先級，實現P2P 的QoS 服務。

WiMAX 在兼顧公平性原則基礎上，平衡特殊業務要求的帶寬需求。可向配電終端提供不同性能質量的數據、視頻等服務，并根據信息的優先級，保證重要的數據業務優先傳輸。對于視頻等對時延較為敏感的業務數據傳輸，控制傳輸時延，確保業務流暢性。

WiMAX 具有的靈活帶寬分配、時延控制、安全防護性能好等特點，特別適合配電網建設的需求。配電自動化通信系統采用WiMAX 電力專網具有良好的應用前景。典型的利用WiMAX 實現配電自動化通信系統的網絡圖如圖1 所示，配電終端通過WiMAX 無線通信模塊將設備信息上傳至WiMAX 通信基站，經由交換機連接至SDH 電力光纖主干網，傳輸至配電自動化主站系統。圖中配電自動化終端可為DTU，FTU 或者TTU 等設備。

圖1 WiMAX 在配電網中的應用模型

在城市配電網中，可以根據配電終端覆蓋面積和通信帶寬要求，架設1 臺或者多臺WiMAX 無線基站，實現所有WiMAX 無線終端接入及交叉覆蓋。WiMAX 無線基站基于宏蜂窩技術，設計階段需要綜合考慮接入無線網絡的配電終端分布位置數量、傳輸頻率選取以及覆蓋范圍等因素。

WiMAX 無線基站通過專用光纖通道接入電力主干通信網。配電自動化終端通過WiMAX 無線終端形成的網絡接入，從而實現配電自動化終端與配電主站之間遙信、遙測和遙控等實時數據傳輸，滿足了配電自動化實時通信的要求。圖2 給出了某城市實際利用WiMAX 無線通信方式實現配電網網絡覆蓋的示意圖。

圖2 某城市WiMAX 無線通信方式網絡示意圖

4 WiMAX 在配電網應用存在問題和難點

WiMAX 作為配電網通信中發展的一種新型通信方式，集中了傳統有線通信方式的QoS 服務質量保證、高帶寬及無線通信方式的靈活性、移動性。然而，WiMAX 在配電網應用中仍存在問題和難點。

首先，建設WiMAX 無線電力專網需要分析提供的業務所需的通信模式、終端分布、覆蓋面積和通信頻段要求，分析帶寬的需求和分布;根據應用要求，做出容量規劃和覆蓋規劃的配置。

其次，在WiMAX 電力無線專網建設初期，需要充分考慮未來業務對網絡容量擴充的要求，要預留足夠的容量。分配網絡帶寬的同時，綜合考慮各種業務服務需要，針對不同業務類型進行服務優先級劃分，并考慮不同位置、不同時段通信容量需求變化情況〔4〕。

當前，頻譜資源分配是WiMAX 技術在實際應用中面臨的核心問題。信息產業部已經為寬帶無線接入分配了3.5 GHz 和5.8 GHz 2 個頻段。目前商用的WiMAX 無線設備多采用3.5 GHz 頻段，國內這個頻段在很多地區已由眾多電信運營商獲得，且獲得的頻段資源均有限，因此，電力通信部門需要爭取使用權。5.8 GHz 頻段在我國雖屬開放頻段，可用于建設寬帶無線接入網，但也存在與多點擴頻通信系統、高速無線局域網、藍牙系統等的共存問題，需要協調使用。

5 結束語

通過以上探討，可以看出WiMAX 已經具備了諸多適用于配電網通信系統的技術優勢。雖然它在實際應用中還存在頻率資源緊張等問題和難點，但WiMAX 打破了傳統通信方式的概念，為配電網自動化提供了新的通信解決方案，也為電力部門通信服務帶來了新的機遇和挑戰。

〔1〕劉承成． 配電自動化系統通信方式的研究〔J〕． 安徽電力，2009，26(1):70-72．

〔2〕楊強，張朝霞． WiMAX 在電力通信中的應用探討〔J〕． 電力系統通信，2008，29(189):19-20，24．

〔3〕王茜，王巖． 無線城域網WiMAX 技術及其應用〔J〕． 電信科學，2004，(8):27-30．

〔4〕Ghosh，A． Woher，D R，Andrews，J G，et a1． Broad band wireless access with WiMAX － 802． 16:current performance benchmarks and future potential 〔J〕. IEEE Communications Magazine，2005，43(2):129-136．