配用電無線通信專網在復雜地理環境下的應用研究

郭志華，薛曉慧，厲 娜，萬江飛，陳 平，林 喜，景欽鋒

（1.國網青海省電力公司 西寧 810008；2.中國石油天然氣管道通信電力工程總公司 廊坊 065000；3.普天信息技術研究院 北京 100080；4.國網青海省電力公司黃化供電公司 黃南藏族自治州 812200；5.國網青海省電力公司海北供電公司 海北藏族自治州 812200）

1 引言

從2010年起，美國、澳大利亞等多個國家積極開展基于電力通信網的建設，我國國家電網公司（以下簡稱國家電網）在“十二五”規劃中也大幅度增加了配用電通信和信息化的投入。但我國不同地區差異明顯，尤其是在農村、山區、丘陵地帶及中西部地區電網建設相對薄弱，配用電通信網更是由于地區經濟能力有限、通信基礎薄弱等原因，致使通信和信息化程度偏低，難以滿足電網快速發展的需求。

在復雜地區配用電通信網建設面臨諸多困難：資金匱乏限制了建設的規模與進度；通信和信息化基礎薄弱增加了通信網建設的難度；地域廣闊、山區、丘陵等多種復雜地形使有線通信網的建設不具備經濟性及工程可行性，即便普通的無線通信系統，也因覆蓋能力有限、建成成本高等原因難以實現規模建設與應用。

國家電網和中國南方電網有限責任公司（以下簡稱南方電網）近年來采用租賃無線公網信道（GPRS/CDMA/3G）的方式，開展用電信息采集和配網自動化建設。但因公網信道存在可靠性、信息安全多方面的潛在問題，近期基于公網信道的配用電的采集與控制在逐步放緩，國家電網逐步認識到租賃公網信道難以滿足智能電網的發展需要，建設電網專用的配用電無線通信網是必要且合適的。

2 配用電通信業務需求及建網原則

該類地區配用電通信以數據為主，從成本角度考慮，應優先考慮建設以數據業務為主的廣覆蓋、低成本的通信專網。該通信網建設應遵循如下原則。

·全區域覆蓋，非點或線路覆蓋。以滿足覆蓋區域內零散分布的配用電節點的靈活接入需求。

·符合廣覆蓋、低成本要求，該類地區資金投入有限，網絡建設應在可承受的經濟范圍內。

·對通信基礎設置要求低。僅需少量站點即可達到大面積覆蓋的效果，避免為此進行征地等工作。

·無需長距離布線。挖溝埋線或架空布線工作量大、成本高，線路易受多種人為或自然因素破壞，部署和維護工作量都很大。

基于以上原則，有線通信網難以滿足要求，應選擇適當體制的無線通信接入網。在無線通信網技術體制選擇時，應遵循如下原則。

·符合無線通信主流技術發展方向。適度領先且產業鏈相對成熟，確保供貨和售后服務有保證。

·借用電力已有通信基礎設施，避免全新站點建設。借用已有變電站、營業廳、微波塔等站點，降低基建投入。

·設備免維護。系統及終端設備可實現遠程維護，可進行遠程故障診斷及恢復。

·采用電力已有的230 MHz頻譜資源。避免新頻譜申請工作，保證頻譜專用，避免行業間干擾。同時230 MHz低頻譜可保證無線信號的覆蓋效果。

3 配用電通信網構成及建網要求

配用電通信網可分為電力通信骨干網和電力通信接入網兩大部分，如圖1所示。電力通信骨干網目前以光纖為傳輸介質，采用SDH/PTN/MSTP一種或多種技術體制，覆蓋各省/市/縣供電公司、35 kV及以上變電站、大多數供電所和營業廳，起到承擔電力通信骨干平臺的作用。電力通信接入網定位為骨干網的延伸，實現最后數公里的延伸覆蓋，實現配用電終端節點的采集與監控，如各類表計的用電信息采集、配網自動化的各類線路開關（FTU）和站所節點（DTU）的“二遙”或“三遙”等。

4 無線通信專網技術體制

代表無線通信主流發展方向的4G移動通信技術逐步成熟，全球移動設備供應商協會在其最新的《LTE演進（evolution to LTE）》報告中證實：已經有101個國家和地區的274家運營商推出商用LTE業務，到2014年底商用LTE網絡達到350張。2014年2月中國移動正式啟動TD-LTE二期 招 標，計 劃 在31個 省、市、自 治 區 進 行TD-LTE網絡建設。中國聯通和中國電信也在啟動多個LTE網絡建設。

除LTE外，國內外還有多種無線通信技術，國家電網對不同體制無線通信網進行了長期調研及實際驗證。先后關注230 MHz數傳電臺、WiMAX、McWiLL等技術。這里結合配用電業務就幾種常用的無線通信系統進行簡要對比。

（1）傳統數傳電臺

該系統屬于20世紀80年代興起的技術，工作在223～235 MHz等頻段。具有組網簡單、成本低等優勢。

但該系統采用輪詢機制，終端無主動上報功能，傳輸時延大，速率低（單主臺帶寬在1.2～19.2 kbit/s）、系統容量小。實際使用中實現全部終端的單次輪詢需8～24 h。系統無專門的網管設備，可維護手段少，安全性差，目前各地電力公司在逐步停用該系統。

圖1 配用電通信網及業務承載示意

（2）WiMAX、McWiLL

這兩種體制是基于3G核心技術的寬帶無線接入技術，具有接入能力強、傳輸帶寬大、非視距傳輸等特點。

但WiMAX為國外技術，我國不具備自主知識產權，國家電網與南方電網均明確表示不支持WiMAX系統在電網中的規模應用。McWiLL系統在湖南、遼寧等電力公司已開展試點應用，但效果不理想，主要問題是實際覆蓋距離近（市區有效覆蓋距離為1 km），無符合國家電網規范的終端產品。同時，McWiLL與無線寬帶LTE主流發展技術不相符，技術演進方向不明朗，產業鏈不完善，產品獨家供貨，后續規模應用存在很不確定的技術和政策風險。

（3）LTE230

“新型230 MHz電力無線寬帶通信系統”（簡稱“LTE230”系統）將電力已有的230 MHz頻段離散頻譜與先進的4G移動通信技術（TD-LTE）相結合，通過采用離散頻譜聚合、頻譜感知等技術，大幅提高230 MHz無線頻率的使用效率，在窄帶頻譜上實現寬帶數據傳輸，為電力行業提供無線寬帶通信信道。系統具有低成本廣覆蓋、支持海量終端實時在線、工作于電力已有頻譜、頻譜利用效率高、系統安全性強等優點。

“LTE230”系統是結合電力配用電業務需求定制開發的一套無線寬帶通信系統，可為用電信息采集、負荷控制等業務的遠程通信提供無線通信信道。

不同無線通信網體制對比見表1。

綜上所述，“LTE230”系統適于承擔我國在偏遠地區電力配用電無線通信專網的建設，具有良好的應用前景。

5 “LTE230”系統適于承建偏遠地區配用電通信

5.1 系統定位

“LTE230”系統定位在電力配用電業務，可用于用電信息采集、配電自動化、應急搶修、生產調度、營銷核算、視頻監控、新能源接入、智能臺區等多種業務，目標應用場景如下：

·偏遠農村或山區光纖鋪設難度大的區域；

表1 不同無線通信網體制對比

·負荷分散，部署光纖成本過高的區域；

·供電線路長，光纖無法實現覆蓋的區域；

·偏遠無公網信號區域；

·地下室等無公網信號區域；

·老舊無光纖城區或市政建設頻繁、光纖覆蓋無法應對快速變化的區域。

5.2 系統優勢及所獲得資質

“LTE230”系統采用電力已有的230 MHz頻譜資源，無需新申請頻譜資源；系統具有廣覆蓋特性，單基站覆蓋能力可達30 km，是其他無線蜂窩通信系統覆蓋距離的4～5倍，建設成本是其他無線蜂窩通信系統的1/5；“LTE230”系統滿足配用電海量終端的實時在線的傳輸需求。系統采用與公網隔離的策略，同時具有多層安全加密機制，保證電力數據的信息安全。

“LTE230”系統具有符合國網規范的系列通信模塊（LCM），可實現對GPRS公網模塊的替換，最大限度地保護配用電設備投資。系統具有寬帶終端（CPE），可實現圖像、視頻、語音等業務。

操作維護中心（OMC）不但實現對系統設備的管理，還具有對終端統一遠程管理的功能，可對系統及終端設備進行遠程批量升級。采用友好的圖像化操作界面（如圖2所示），操作便捷，可將告警以聲、光的方式直觀地呈現給管理維護人員。

“LTE230”系統受到國家科學技術部、工業和信息化部等多部門支持，近年承擔多項國家科技重大專項及專項資金項目；2014年2月，成為首個通過中國電力科學研究院安全認證的無線專網系統；國家無線電管理委員會召開專題研討會，鼓勵230 MHz頻譜在電力行業中的創新應用；系統通過工業和信息化部傳輸所針對實際現場網絡的測試驗證。

5.3 關鍵技術指標

“LTE230”系統工作在國家無線電管理委員會統一規劃的民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務專用230.025～235 MHz頻段，滿足以25 kHz為單位、非連續靈活配置的要求。系統在8.5 MHz帶寬下峰值速率可達14.96 Mbit/s。系統采用具有國家自主知識產權的TD-LTE核心技術，采用OFDM及64QAM高級調試技術。系統接收靈敏度達到-120 dBm，優越于傳統無線通信系統，加上230 MHz低頻段黃金頻譜，“LTE230”系統在單基站最遠覆蓋距離可達30 km，是其他類似無線通信技術的5～6倍。為滿足行業海量終端實時在線、突發數據的傳輸需求，“LTE230”系統通過設計優化，大幅度提升單邏輯小區支持的終端規模，從傳統無線通信的100～200個終端/小區提升到2 000個終端/小區。部分技術指標見表2。

圖2 圖形化操作界面

表2 “LTE230”系統關鍵技術指標

6 “LTE230”系統建設方案

基站選址是無線通信系統規劃和建設的一項重要內容。眾所周知，在產品指標確定的情況下，基站天線越高、周圍環境越開闊，信號覆蓋的范圍越廣且信號質量越高。站址選擇合適與否，很大程度上決定了無線網絡建設的成敗。

結合我國欠發展地區配用電網現狀，有“宏蜂窩基站”和“微蜂窩基站”兩種應用方案可供選擇。這里結合站址選擇、業務覆蓋范圍和通信基礎條件對兩種方案分別進行分析。

6.1 “宏蜂窩基站”建設方案

（1）業務定位

針對偏遠地區地廣人稀、地形復雜、配用電線路及設備分部廣的特點，部署宏蜂窩基站，最大限度地實現單個無線基站的覆蓋區域，單個基站盡可能多地覆蓋配用電終端節點，充分體現“LTE230”系統“廣覆蓋、低成本”優勢。減少組網區域內所需無線基站數量，降低在偏遠地區，特別是山區、丘陵等通信基礎設備缺乏環境下電力無線通信專網建設投入及后續維護成本。

（2）選址原則

在山區、丘陵地帶，變電站、營業廳大多建設在當地地勢低凹點，故電力已有的此類地點不是無線基站的理想備選站址。微波系統從20世紀80年代開始大量應用于電力通信，微波站點一般建在周圍數公里到數十公里的制高點處，且建設有高度為50～100 m的通信塔，以實現單跳微波信號30～60 km的遠距離傳輸。近年來微波系統在逐步退出應用，但微波站點的通信塔多數還存在。仿真及實際測試表明，“LTE230”在此類地點建站，可實現半徑20～30 km的覆蓋，單基站覆蓋面積可達1 000 km2以上，是普通無線基站覆蓋面積的數十倍甚至上百倍。所以在此類地區，微波站是非常理想的備選站點。基于微波塔站點的廣覆蓋方案如圖3所示。

圖3 基于微波塔站點的廣覆蓋方案

（3）已具備的通信基礎設施

微波塔所在地具備電源、微波信號落地后的有線回傳信道等基礎設施。“LTE230”系統的電力無線通信專網可充分利用相關已有資源，降低基建設施投入。對少數不具備有線回傳信道的微波站點，“LTE230”系統的基站可采用無線網橋進行回傳。由于微波站點通常位于地理制高點，通常具備到附近供電公司、變電站或營業廳的可視路徑，無線網橋回傳具有優越的地理條件。

6.2 “微蜂窩基站”建設方案

（1）業務定位

若“LTE230”系統覆蓋所在地不具備建設“宏蜂窩基站”條件，可采用另外一種思路：建設多套“微蜂窩基站”實現目標區域內無線專網覆蓋。

“微蜂窩基站”的建設思路是采用具有小功率、小容量、安裝便捷特點的“LTE230”系統微基站，沿配電線路部署。原則上1～2個臺區部署1個微基站，每個微基站覆蓋1 km左右的范圍。由于220/380 V供電半徑一般在500～1 000 m，故“LTE230”系統微基站能夠實現配電臺區周圍配用電終端節點的接入。

（2）選址原則

“LTE230”系統微基站可部署在柱上變、箱變、環網柜、開閉所等所在處，該類地點取電方便且無需征地，安裝便捷。

（3）基礎設施

微基站采用“一體化”設計思路，滿足戶外環境運行要求，不需要機房，安裝便捷。對于微基站的回傳，有兩種備選方案：一是對光纖到臺區的站點，微基站回傳可就近接入光纖網絡；二是對光纖未覆蓋的臺區站點，可采用具有mesh組網的無線網橋進行回傳。基于臺區的微基站覆蓋方案如圖4所示。

6.3 實際應用情況

“LTE230”系統已在內蒙、青海、新疆、冀北、河北等多個地區建設商用網絡，單基站實測覆蓋距離達到29 km，很好地滿足了當地遠程數據采集和監控、視頻傳輸等業務應用需求。

圖4 基于臺區的微基站覆蓋方案

圖5 實際組網拓撲

7 應用與驗證

“LTE230”系統在國家電網、南方電網、石油石化等開展多處應用，在中國西北、西南等多個省份建立商用網絡，彌補了此類地區有線網絡建設不便、運營商網絡在此類地區信號質量差或無法覆蓋的問題。2013年5月，張家口供電公司建設“LTE230”系統的無線通信專網，組網結構如圖5所示，滿足了張家口電力無線通信專網建設的成本和進度要求。此無線回傳設備安裝調試便捷，成本不到光纖通道建設的10%，目前該無線回傳通道已穩定運行超過12個月。

針對西沙河基站路開展覆蓋測試，測試結果如下：東南方向沿解放路和勝利路進行拉遠測試，到工業南橫街處5.2 km處，信號強度為-106～-102 dBm，基本達到東南方向小區邊緣；正南方向沿明德南路、清水河路，到天秀花園二期5.1 km處，信號強度為-106～-104 dBm，基本達到正南向小區邊緣；西南方向沿西環路、西壩崗路，到天秀花園一期5.2 km處，信號強度為-107～-103 dBm，基本達到西南向小區邊緣。覆蓋效果如圖6所示，RSRP數據詳細統計見表3。

吞吐量性能表明，“LTE230”系統傳輸效率高達2.44 bit/(s·Hz)，較傳統數傳電臺提高3.18倍，滿足配用電網業務需求，理論峰值速率達1.76 Mbit/s，外場實測平均傳輸速率最高達到1.6 Mbit/s。抄表成功率100%。聚合40個頻點時，不同調制方式下的上行傳輸速率測試結果見表4。

圖6 西沙河基站南向拉遠測試效果

表3 RSRP數據結果統計

表4 吞吐量測試

8 結束語

“LTE230”系統是為配用電通信量身定制的系統，因其獨有的廣覆蓋、低成本，對通信基礎設施要求低、部署簡單、免維護等特點，能很好地滿足山區、丘陵、農村等復雜地區配用電通信網通信需求。自2010年以來在電網、石油石化等行業建立多個商用網絡，系統性能穩定、系統及終端產品形態齊全，受到客戶的一致好評。

1 王鳳，司孝平，趙方等.基于某典型實例的配網通信方式研究與比較.電信科學，2013,29(11)：87～93 Wang F,Si X P,Zhao F,et al.Research and comparison of distribution automation communication mode based on a typical case.Telecommunications Science,2013,29(11):87～93

2 國家電網公司.Q/GDW_380.5-2009電力用戶用電信息采集系統管理規范：通信信道運行管理規范，2009 State Grid Corporation of China.Q/GDW_380.5-2009.Power User Electric Energy Data Acquire System Functional Specification:Communication Channel Operation,2009

3 國家能源局.DLT 814-2002配網自動化功能規范，2002 The National Energy Bureau.DLT 814-2002.Power Grid Distribution Automation Functional Specification,2002

4 普天LTE230系統研發團隊.電力無線寬帶LTE230系統,2012 Potevio LTE230 System R&D Department.Power Gird Wireless Broadband LTE230 Telecommunication System,2012

5 Xin W.EPS Service Application Technology.Beijing:China Electric Power Press,2010

6 劉建明.現有無線寬帶通信技術在電力行業應用對比分析.國家電網公司信息通信分公司,2013 Liu J M.Analysis of the wireless broadband communication technology application in the electric power industry.State Grid Information and Telecommunication Branch,2013

7 劉振亞.智能電網知識問答.北京：中國電力出版社，2010 Liu Z Y.A&Q for Smart Grid Knowledge.Beijing:Chinese Power Press,2010