TD-LTE 230無線專網在嘉興電力通信的應用

周 浩，吳國慶，陸 竑，俞 涯，黃震宇

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著國網公司“兩個一流”建設的不斷深化以及“一體兩翼”戰略布局的逐步展開，電網智能化向配用電網側快速推進，信息通信技術開始成為建設堅強電網、提升企業優勢競爭力的核心要素。公司配用電設備數量多、分布廣，且信息化、自動化水平大幅提升，對終端通信接入網的安全性、可靠性、靈活性提出了更高的要求，建設“安全、泛在、友好”的通信網絡勢在必行。公司已建成覆蓋各電壓等級變電站、生產管理場所的堅強光纖通信骨干網絡，由于無線專網的缺位，歷年來公司業務部門大量租用電信運營商提供的無線網絡以滿足生產經營需求。無線公網存在信息安全整體防御能力不足、通信質量不可控、公網2G/3G面臨退網等問題，且不允許傳輸配電自動化等“三遙”業務。2013年國家無線電管理委員會印發相關文件《工業和信息化部關于同意國家電網公司使用電力負荷監控系統頻率的批復》，再次確認電力企業可以將230 MHz頻段用于相關生產活動中[1]，此后電力無線專網成為了電力通信各類業務新的通信傳輸方式。

TD-LTE（分時長期演進）是目前最主要的4G無線通信技術，利用TD-LTE技術搭建的電力無線專網[2]可以和光纖通信等相結合，彌補相關方面的局限性，更好地為智能電網的業務需求提供支持。

1 低頻段無線頻譜概況

低頻無線電頻率主要被廣播、公眾移動通信、航空移動/無線電導航、集群通信、衛星通信、空間操作業務以及對講等業務占用。可用于電力無線寬帶LTE（長期演進）系統的頻段為1 800 MHz頻段和230 MHz頻段。

1 800 MHz頻段：2015年2月工信部發布1 785~1 805 MHz頻段TDD（時分雙工）方式無線接入系統使用頻率有關事宜，該頻段可用于交通（民航地勤、城市軌道交通等）、電力、石油等行業專用通信網和公眾通信網的應用，多行業競爭共用該頻段。

230 MHz頻段：國家無線電管理委員會在1991年印發的《關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知》（國無管[1991]5號），文件中規定將230 MHz頻段共12M作為遙測、遙控、數據傳輸等業務使用的頻段。其中1 MHz指配用于電力行業，無線電管理委員會于2013年再次確認電力公司使用230 MHz頻段，并可以根據需要提出擴展申請。

1 800 MHz頻段相對于230 MHz頻段具備傳輸容量大的優勢，但也存在覆蓋距離短、大規模組網需要基站數量多等劣勢，站址選擇涉及征地和租賃鐵塔，投入高，維護強度和難度大；230 MHz屬于低頻段，具有天然覆蓋遠的優勢，既能減少基站設備投入數量，又能減少租賃和建設鐵塔費用，而電力自有建筑物業可以較好地滿足站址選擇要求。

針對電網光纖網絡已經大部分建成，而配電網及用電信息采集等大量非高寬帶業務迅速擴展的需求，選用具備覆蓋廣、成本低優勢的LTE 230組建電力無線專網，可以全面提升電力系統各類業務傳輸的可靠性和安全性。

2 TD-LTE 230無線技術特點

中國擁有大量自主知識產權的TD-LTE技術專利，并且這是一種由中國主導、得到國際廣泛認可的國際標準。

TD-LTE[3]采用的是TDD模式，利用時間來分離接收和發送信道。在TDD模式的通信過程中，接收和發送使用的是同一頻率的載波的不同時隙來作為傳輸信道，在時間上上行或下行單方向的傳輸信息是不連續的，通過時間分離給上下行兩個方向進行資源分配，上下行的時隙子幀的配比可根據用戶的上下行業務需求進行調整，適用于智能電網“上行數據大而下行數據小”的特殊情況，同時這樣有利于節省帶寬資源。因此頻譜利用率較高，即便在帶寬有限的狀況下也能滿足用電用戶的通信需求。

TD-LTE使用了多種常用的無線通信技術，例如MIMO（多進多出）技術、OFDM（正交頻分復用技術）、智能天線技術等，有效擴大了系統的覆蓋范圍，增加了系統容量，調高了頻譜利用率。

綜上所述，基于TD-LTE技術體制，以及電力行業在頻率使用上的政策優勢，開發適合智能電網電力業務的無線寬帶通信專網具有可行性，能在一定程度上推動智能電網的發展。

3 TD-LTE 230基站布點選址

根據TD-LTE無線基站選址的基本要求，結合電力系統自身獨有的優勢和特點，考慮建筑物的高度及電源的可靠供給，嘉興供電公司優先利用地縣域范圍內大量的供電所、縣公司大樓、通信微波鐵塔等資源作為無線基站，對于域內資源缺失的采用向鐵塔公司租賃等方式補充基站。基站安裝在變電站內的，但須考慮與高壓線保持一定的安全距離，詳見表1。

表1 高壓線與設備距離

站址選擇要考慮地區覆蓋目標和自有物業的分布情況，能滿足有線回傳網絡和供電能力。

4 TD-LTE 230無線專網工程測試

首先確定整個無線專網終端接入規模，其次計算出扇區數量，再規劃基站建設數量。在基站全部建成后，通過對外場提供的路測數據進行分析，找出信號與干擾加噪聲比過低的弱覆蓋區域，并增加調整和補盲方案，完成網絡優化。

通過對建成后的專網進行網絡測試，發現嘉興海鹽的各項關鍵指標達到預期目標值，數據如表2所示。

5 TD-LTE 230無線專網在嘉興的業務應用

230 MHz電力無線寬帶通信系統是為智能配用電網業務通信需求而定制開發的無線通信系統。該系統從智能配用電網的業務特點出發，基于電力已有的230 MHz離散頻點，采用先進的TDLTE 4G技術以及專有的窄帶離散載波聚合技術。系統具備廣覆蓋、大容量、安全性強、頻譜適應性強等特性。其中TD-LTE 230系統單扇區性能如表3所示。

表2 關鍵指標完成情況

表3 TD-LTE 230系統單扇區性能

國網公司在嘉興海鹽建設了電力無線專網試點，采用TD-LTE 230系統針對用電信息采集、配電變壓器（簡稱配變）監測、故障指示器、視頻傳輸、移動應用、分布式電源、充換電（站）樁、路燈管理、語音集群等業務進行有益嘗試。海鹽目前已經建成11個基站（共13個扇區），覆蓋海鹽全域面積約500 km2。

TD-LTE 230系統可提供安裝在用電信息采集業務中的集中器、采集器、專用變壓器終端、配變監測終端中的無線終端模塊，也可提供支持語音集群、視頻監控業務的無線終端設備，可以支持多種營銷業務，電力業務適應能力強。針對多種電力業務開發的實用化通信終端模塊已經在海鹽投入使用，承載各種電力業務。

5.1 用電信息采集

目前通過TD-LTE 230無線通信終端承載的用電信息采集終端數量達到4 000多個，分布于海鹽縣區域內，數據通過省公司安全接入平臺融入浙江省電力公司統一的采集主站系統及營銷結算系統。采集通信系統自建成后運行穩定，一次采集成功率在99.95%以上，滿足電力系統業務穩定性和可靠性要求。通信終端模塊符合國網用電信息采集系統對通信終端的要求，可以直接嵌入集中器內部使用，安裝方便。

5.2 配變監測

在電力配變監測應用方面，TD-LTE 230系統可以實現對信息的采集和傳輸，公用配電變壓器進行相對實時監測和數據采集，實現模塊統一，海鹽已經安裝1 000多個LTE終端通信模塊承載配變監測業務。

5.3 故障指示器

通過簡單的通信終端適配，TD-LTE 230系統可實現電力線路故障指示器監測數據的采集和傳輸，目前已經對接成功TD-LTE終端和故障指示器終端，并且配備了15個TD-LTE通信終端，接入省公司平臺進行數據傳輸。

5.4 負荷控制業務

在電力負荷控制應用方面，TD-LTE 230系統可以實現對負控終端的信息傳輸、雙向互動，支持對負控終端的遙測、遙信、遙控等功能，滿足實際應用需求。

5.5 應急通信業務

TD-LTE 230系統支持集群應用，手持終端支持移動漫游、集群調度等各種應急應用。

車載式LTE 230熱點提供局部覆蓋，方便現場人員的手機、電腦等快速接入。

背負式LTE 230單兵設備，通過隨身攜帶的單兵設備實現無線網絡覆蓋范圍內的語音集群應用，恢復指揮中心到災害現場的通信，支持現場調度指揮。

一體化應急LTE設備，通過高度集成核心網和基站，當有突發情況時通過車載或者快速投放，在當地形成無線覆蓋，開闊區域覆蓋半徑可以達到2 km。

5.6 “四表合一”業務

“四表合一”工程是利用電力系統現有采集平臺實現水、電、暖、氣等公共事業數據一體化遠程抄收模式，依托現有用電信息采集系統主站和營銷業務應用系統實現數據歸集、存儲。

6 TD-LTE 230系統設計

嘉興供電公司在海鹽縣架設的TD-LTE 230無線專網，通過實驗網絡驗證確認TD-LTE 230系統穩定可靠，具備低成本、廣覆蓋的特點，可以支撐電力主要業務。

6.1 組網架構

整個組網架構如圖1所示，由主站層、骨干通信網、10 kV通信接入網、終端層4部分組成。

圖1 LTE 230組網架構

其中，核心網設備負責終端鑒權認證、數據加密、IP地址管理、移動性管理等，通過骨干通信網與業務主站通信。基站設備作為無線網絡的核心網元，提供有線/無線協議轉換、無線資源管理分配、終端接入與控制等主要功能。通信終端與電力業務終端相連接，配合基站系統傳輸電力終端的上下行數據。通信模塊的物理和協議規范均符合國網規約，可以直接內嵌于相應電力終端，減少實施的復雜度。

6.2 網絡管理方案

利用設備網管標準化的北向接口，可以將配電網通信系統管理配置、告警和性能數據集中接入并歸一化處理，綜合網管系統通過數據分析計算和服務應答，以瀏覽器的方式為使用人員提供相關人機交互界面和業務應用。

6.3 區域覆蓋規劃

無線基站的覆蓋能力不僅和天線高度相關，還受當地地形、發射功率、扇區、吞吐能力等因素的綜合影響[4]，準確覆蓋能力需要在數字地圖上仿真確定。根據計算，可知30 m和85 m基站天線掛高條件下單基站扇區針對不同環境的覆蓋面積，詳見表4。

結合多個調研項目以及浙江海鹽網絡的工程經驗值可知，每個扇區平均覆蓋面積約50 km2。若要覆蓋全嘉興地區，需綜合區域天線掛高度、地理特征、發射功率、扇區、吞吐能力等因素，以及單基站覆蓋面積、基站扇區覆蓋重疊、遮擋物等，取40%附加冗余量。估測嘉興所需扇區數為（3 915/50）×1.4=110。施工中根據實際地理環境可以采用單扇區、雙扇區或者三扇區類型的基站，按照每基站3個扇區，嘉興市全覆蓋大概需要約40個基站。

表4 單扇區覆蓋面積

6.4 安全隔離方案

TD-LTE 230電力無線專網的建設在電力監控系統安全防護“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”原則基礎上，遵照國家能源局安全[2015]36號文對電力監控系統安全防護方案提出的“完善體系、注重基礎、加強內控、強化邊界”總體原則，安全防護策略以業務防護為優先，以無線通道防護為保證，以業務頻率池空中接口等效物理隔離為突破，采用“端到端”的安全防護措施，有效保障終端安全接入、數據可靠傳輸及主站邊界安全。TD-LTE 230多業務接入其安全防護方案應綜合以下幾方面：

6.4.1 無線通道安全傳輸

首先在空間段針對230 MHz頻段離散頻譜資源特點，對業務通信終端預設不同頻率，通過25 kHz頻點分組實現生產控制大區通信與管理信息大區隔離，實現等效可以視為空中接口等效物理隔離。業務頻率池隔離如圖2所示。

其次采用不同的核心網設備承載不同的電力業務，從物理上隔斷交叉通信的可能性；再針對無線通信終端進行業務分組，簽約在各自對應的核心網簽約數據庫中，用電信息采集的核心網和配電自動化的核心網只能針對各自的業務終端發送消息，避免從低保護等級向高保護等級發送指令的可能性。

圖2 業務頻率池隔離示意

另外系統具備針對不同通信終端賦予不同配置帶寬和調度優先級的能力，可以針對重要業務終端提供更快速、更穩定的信息傳遞。

空中接口等效物理隔離框架結構見圖3。

圖3 空中接口等效物理隔離框架結構示意

6.4.2 終端安全接入

（1）無線專網啟用基于四元組的鑒權，USIM（全球用戶識別模塊）卡、無線通信終端綁定；采取終端狀態與行為監測措施；在配電自動化終端上集成安全芯片（有安全改造需求的存量終端配置外置式安全模塊），用電信息采集終端采用ESAM（嵌入式安全控制模塊），分別配合業務主站的配電安全接入網關、密碼機實現雙向認證和數據加密，實現與主站的“端到端”雙向認證加密，同時增加VPN（虛擬專用網）通道隔離、網絡準入控制、終端邊界接入等安全防護措施。

（2）不同業務核心網對相應通信終端分別認證，不同業務無線通信終端進行業務分組，簽約在各自對應的核心網簽約數據庫中，用電信息采集的核心網和配電自動化的核心網只能管理并針對各自的業務終端發送消息，避免從低保護等級向高保護等級發送指令的可能性。

6.4.3 主站邊界安全

承載在TD-LTE 230無線網絡之上的管理信息大區業務通過專線加VPN通道連接省公司統一建設的安全接入平臺，安全接入平臺實現終端認證授權、服務代理、數據過濾與交換、設備管理與監控、網絡審計、攻擊阻斷等功能。生產控制大區業務在本地通過安全接入區接口連接業務主站。生產控制大區主站邊界部署硬件防火墻、安全接入網關和單向安全隔離裝置，管理信息大區主站邊界部署硬件防火墻和安全接入平臺，對接入終端進行認證加密及數據安全過濾；部署安全審計與監測系統，提升風險管控及態勢感知、信息安全事件響應及應急處置能力。

7 結語

電力終端通信接入網必須走有線（光纖）通信與無線通信相結合的技術路線，光纖通信解決骨干網絡大容量通信問題，無線通信解決廣域、海量終端通信接入問題。電力無線專網試點的建設項目，利用TD-LTE無線通信技術，開發了TDLTE 230系統，提供用電信息采集、配變監測、負荷控制等業務傳輸通道，滿足智能電網生產業務需求，將來可將專網應用到微電網等業務中去。

基于試點的無線專網安全及業務深化應用研究成果，在嘉興區域規模化無線網絡建設中得到驗證。證實了TD-LTE 230系統的規模化組網能力和數據管理能力，也為更大范圍建設應用電力無線專網提供經驗,奠定智能電網快速發展的通信基礎。

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