超距無線光網組網技術在電力系統中的應用研究

顧煥之 李新華 徐步塵 孫衛軍

（國網昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

1 目的和意義

電力通信主要為電網的自動化控制、商業化運營和實現現代化管理服務。它是電網安全穩定控制系統和調度自動化系統的基礎，是電力市場運營商業化的保障，是實現電力系統現代化管理的重要前提，也是非電產業經營多樣化的基礎。隨著電力工業的日益發展，電力系統通信網作為現代電力系統的一重要組成部分，正在不斷成長、發展和完善，并發揮著越來越重要的作用。電力通信網是以光纖、微波及衛星電路構成主干線，各支路充分利用電力線載波、特種光纜等電力系統特有的通信方式，并采用明線、電纜、無線等多種通信手段及程控交換機、調度總機等設備組成的多用戶、多功能的綜合通信網。

目前，在電網電力系統通信中仍然以具有高傳輸率、高帶寬、高可靠性等特性的光纖通信為主，但隨著電網對災難應急、配網自動化、辦公智能化等需求的提出，無線通信將以其迅速部署、不受地面限制等特點尋求到在電力系統通信中的應用。因此，無線通信可以成為電力系統通信的一個重要補充手段，為電力系統構建綜合通信網提供非常重要的一個部分。

本文研究利用5.8G無線寬帶專網技術，組建大容量、長距離覆蓋、可管理的無線網絡，為以下電力應用提供可靠的通信接入保障∶

（1）基建施工作業現場臨時通信

（2）變電站間應急通信處置

（3）事故現場音、視頻應急指揮應用

2 國內外研究水平綜述

據了解，目前國內外比較常用的施工作業現場、應急指揮控通信接入方式有∶

2.1 運營商GRPS網絡

運營商2G網絡可以為輸電線路在線監測提供56--114Kbps帶寬，3G網絡可以提供100--200Kbps帶寬。應急通信需要與運行商IP網絡網關轉換，系統延時大，因此系統實時性較差，大于秒級。同時數據通過運營商，需要考慮安全通信處理的各個環節。運營商GRPS網絡接入成本包括∶無線公網通信設備成本（2G，3G），安裝施工成本，支付給運營商的流量費用。采用運營商GRPS網絡的好處是施工環節不用考慮，但存在有信號盲區，信號會受到天氣、遮擋、電磁波的干擾，系統可用性較低，最重要的是運營商的GRPS網絡帶寬不能滿足應急通信的需求。

2.2 衛星通信

衛星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星通信的特點是∶通信范圍大；只要在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內，從任何兩點之間都可進行通信；不易受陸地災害的影響（可靠性高）；只要設置地球站電路即可開通（開通電路迅速）；同時可在多處接收，能經濟地實現廣播、多址通信（多址特點）；電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量；同一信道可用于不同方向或不同區間（多址聯接）。衛星通信的缺點是投資大，需配備專業人員管理和維護。

3 理論和實踐依據

無線寬帶專網技術主要的接入方式有∶

3.1 MMDS（Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多點分配服務）∶是一種點到點、點對多點分布，提供寬帶業務的無線技術。

系統包括∶2.4G，3.5G，5.8G頻段產品。設備覆蓋范圍廣，可達幾十公里。此頻段受雨衰影響較小，并且在相同條件下自由空間傳輸損傷較低。它適用于企業用戶和集團用戶。MMDS可透明傳輸業務，在基站端與網絡的接口為Tl/El、100Base－T和O－3等，在用戶端的接口為El和10Base－T等，可以為用戶提供Internet的接入、本地用戶的數據交換、話音業務和VOD視頻點播業務。

3.2 LMDS（Local Multipoint Distribution Services，區域多點傳輸服務）頻段主要是26G左右，覆蓋范圍小，數據帶寬大。此頻段受雨衰影響較大，并且在相同條件下自由空間傳輸損傷比MMDS大。它適用于骨干網基站互聯。本地多點分布業務系統LMDS是一種提供點對多點通信的固定寬帶無線接入技術，其工作頻率在20GHZ以上，利用毫米波傳輸，可在一定的范圍內提供數字雙工語音、數據、因特網和視頻業務，是一種非常好的寬帶固定無線接入解決方案。在最優情況下，距離可達8公里;但是由于受降雨的原因，距離通常限于1.5公里。

MMDS和LMDS的對比見下表所示∶

表1

從對比結果來看，MMDS更加適合電力無線通信網應用。LMDS由于距離、雨衰的原因不適合。

如果一方面考慮傳輸帶寬、傳輸容量，另一方面考慮傳輸距離、傳輸質量、投資成本。從兩方面綜合考慮，在目前技術條件下，5.8GHz頻段應屬于固定無線接入中性能價格比最高的優選頻段，具有足夠的接入帶寬，無線電傳輸特性好，受雨衰和多徑的影響小，覆蓋范圍廣等特點。所以我們建議采用5.8G作為無線專網傳輸系統的頻段。

國家無線電管理委員會于2002年7月開放了5.8GHz頻段。綜合比較不同微波頻段的穿透性能和電磁環境多項指標，5.8GHz頻段總體較好,該頻段微波大氣衰耗為每10km僅0.1dB。因此,最合適的無線網絡接入方式就是頻段開放、價格低廉的5.8GHz無線寬帶接入。

4 研究內容及實施方案

4.1 研究內容

4.1.1 高容量無線寬帶連接

為充分保證各種業務帶寬需求，本文研究最高可達雙向50M的無線寬帶連接。本文研究MIMO（多進多出）、OFDM（正交頻分多路復用）、QAM（正交振幅調制）等技術，在無線寬帶設備上提供50Mbit/s的數據凈速率。

無線設備具備兩個獨立且完全一樣的信道與收發信機，結合不同的極化方式，實現空間與時間的編碼，有效抵抗衰落，克服非視距，提高可靠性；在兩個信道上傳輸不同的數據從而實現雙負載，雙256QAM（Dual Payload）調制方式可以獲得單向高達25Mbit/s的數據凈速率。

圖1

4.1.2 長距離無線鏈路覆蓋

最遠可建立100公里的無線鏈路連接。在一個無線通信系統中會存在傳輸線損耗和路徑損耗，在這兩種損耗中路徑損耗包括了自由空間損耗、雨衰、k型衰落和波導型衰落。其中的k型衰落和波導型衰落研究通過天線的不同配置來克服。研究通過最大化系統增益，保證能克服長距離的自由空間損耗實現的。系統設計最大化系統增益，克服5.8G頻率電磁波100公里自由空間的損耗，保證充足的建立無線鏈接的余量。

圖2

4.1.3 服務質量保證

語音視頻業務的順利開展需要通信設備具備高可靠性并具備業務識別能力。流媒體業務可以允許在一定范圍內的時延和抖動，但丟包會對流媒體數，據播放質量造成極其重大的影響。丟包率會造成視頻和音頻質量嚴重惡化，小的丟包率會造成圖像的失真和語音的間歇中斷，過高的丟包率甚至可以導致業務的中斷。

利用QOS技術，采用Differentiated service（區分服務模型），利用IP報文的優先級位（IP Precedence)，報文的源地址和目的地址等信息來進行報文的分類、流量整形、流量監管和隊列調度，保證語音視頻業務的順利開展。

圖3

4.1.4 無縫接入電力光傳輸網

無線設備對于各類數據接口的支持。研究基于IP技術的無線專網設備可以同時支持各種業務接口∶以太網，E1，STM-1等。滿足電力數據業務應用，同時符合整體通信系統向IP遷移。

電力光傳輸MSTP設備利用彈性分組環(RPR)、多協議標記交換(MPLS)等機制提供帶寬的動態管理能力,可以提供帶寬動態可調的專線業務,提供超額帶寬,提高傳輸網絡帶寬利用率,增加專線業務的靈活性。MSTP支持以太網二層交換,可以進行業務匯聚,能進一步提高傳輸帶寬的利用率。本項目研究MSTP以太網二層交換的VLAN支持。

表2

4.2 實施方案

利用5.8G點對點無線設備，搭建一套高帶寬、長距離覆蓋、高可靠性、可管理的無線通信網絡，為電力施工作業現場、應急通信提供高質量的通信接入，實時將施工現場、事故的視頻圖像和語音、數據信息傳輸到電力公司指揮中心。

4.2.1 基建施工作業現場臨時通信實施方案

在基建施工作業現場如變電站施工過程中，變電站施工現場范圍大，單一的視頻監控節點無法覆蓋全部施工現場，這樣就無法對施工安全生產做到很好的監督和指導，因此在施工過程中需要在變電站關鍵施工點附近架設臨時的視頻監控系統，但是在變電站施工初期不方便鋪設專用的信號傳輸線路。為了解決這個問題，制定了如下的變電站工程施工通信實施方案∶

圖4

在變電站施工場地內的關鍵點附近架設視頻監控設備，并部署無線點對多點端通信設備，通過點對多點無線AP設備便可在變電站內組建一個無線局域網絡。

將所有監控節點的視頻信號通過無線局域網傳輸到變電站控制室，控制室的無線大容量點對點設備傳輸到就近的具備光網絡的變電站，變電站通過高可靠的光纖網絡連接到電力公司的指揮中心。

4.2.2 故障應急恢復實施方案

圖5

當電力光纖通道施工時，或者線路被破壞搶修時，采用無線解決方案，可以快速部署高帶寬的無線通信網絡，保證網絡數據的正常運行。

當光纖通道正常后，可以切換到光纖通道運行。無線光網可以作為備用，或者輕松拆除后用于其他場合。

當變電站之間光纖纖芯資源緊張的時候，系統亦可直接實現變電站之間高速通信通道。

4.2.3 現場的應急指揮實施方案

圖6

部署無線寬帶接入系統，可以實現事故現場到指揮中心的快速、高效、寬帶通信，使領導小組可以在指揮中心實時了解事故現場情況，快速全面地收集到與事故處理相關的信息。領導小組可以與事故現場指揮小組以及事故處理人員進行實時通信，向現場指揮小組直接下達決策意見，并且告知與現場事故處理相關的重要信息，現場指揮小組和事故處理人員也能實時向應急管理指揮中心的領導小組匯報現場情況。

4.2.4 應急通信處置實施方案

變電站應急通信網絡以某處變電站為中心，部署無線系統做為整個無線應急通信網絡的核心，按照高壓輸電線路走向，在某條線路的變電站部署無線中繼系統，和匯聚的無線核心建立通信鏈路。

圖7

圖8

5 結束語

利用5.8G點對點無線設備，搭建一套高帶寬、長距離覆蓋、高可靠性、可管理的無線通信網絡，為電力施工作業現場、應急通信提供高質量的通信接入，實時將施工現場、事故的視頻圖像和語音、數據信息傳輸到電力公司指揮中心，既解決了電力通信光纖專網建設成本高、建成速度慢等問題，又為電力建設施工、復雜環境下站點通信提供了高效、便捷、高帶寬的通信方式。

通過本文的研究分析可以看出，無線5.8G專網技術具有組網靈活、即裝即用、部署簡單便捷、環境適應性好、通信距離遠、傳輸速率高、覆蓋能力強、抗多徑干擾、保密性好等諸多優點，對于電力通信系統傳統的光纖網絡是一種高效、便捷的補充。