基于多技術融合的電力應急通信系統

王 虎，瞿繼平，聶吉輝，吳興全，李志偉，姚天亮，魏博斌

（1.中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.中國能源建設集團規劃設計有限公司，北京 100011）

0 引 言

某省地域遼闊，氣候條件惡劣，近些年雪災、地震以及泥石流等自然災害屢有發生，對電力系統線路及變電站運行環境造成了嚴重影響，導致電力通信事故屢次發生，甚至導致電力系統通信中斷。當前，該省的電力應急通信手段單一，主要借助電力通信專網和衛星移動，在各個地市公司各布置1臺衛星通信便攜站，另外有4部衛星用于應急通信保障。單一網絡很難解決突發事件的不可預知性和電力搶修即時性之間的矛盾。因此，本文討論一種基于第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Networks，5G）、衛星通信以及5.8 GHz網橋等多個技術融合的電力應急通信系統。在發生應急情況下，設計的系統可有效解決單一通信手段帶來的問題，進一步提高該省的電力應急通信效率。

1 適用于電力應急通信的技術

1.1 5G移動通信

5G網絡具備極高的速率、極大的容量以及極低的時延[1]。目前，5G以全新的網絡架構和性能賦能應急管理、交通運輸、醫療健康以及教育等垂直行業的信息化發展，同時在智能發電、輸電以及配電等智能電網中也具有廣泛應用，備受全球范圍各行各業的關注[2-3]。

1.2 衛星通信

衛星通信系統由衛星和地球站兩部分構成。在電力系統中，應急通信地球站部分由地面衛星應急通信中心站、衛星便攜站以及衛星應急通信車組成。衛星通信具有通信范圍大、不易受陸地災害影響、可在多處接收、通信質量高以及電路設置靈活等優點，但建設成本較高，不易大規模部署。在電力應急通信中，衛星通信是最后的保障通信手段[4]。

1.3 5.8 GHz無線網橋技術

5.8 GHz無線網橋技術的頻道為5.725～5.825 GHz和5.150～5.350 GHz，共有10個互不干擾的信道，可實現無線干線設備的遠距離傳輸。在環境惡劣、實施困難的情況下，它可以發揮其施工量小、施工用時少、工序操作簡單以及組網投入低等優勢。理論上，組網實現信息傳輸的最大速率可以達到150 Mb/s[5-6]。

2 電力應急通信系統總體實現框架

針對該省地域特點、電力系統通信網絡架構以及運維檢修力量等實際情況，討論的應急通信系統總體實現框架如圖1所示。它利用電力有線通信、5G、衛星通信以及5.8 GHz網橋等多個技術來實現[7-8]。在現有電力光纖通信網的基礎上，通過升級改造應急中心的軟硬件，將多個技術在應急中心側融于一體。增加5G、衛星通信以及5.8 GHz網橋的應急通信通道，并在電力系統內外網中布署防火墻，可實現不同網絡的互聯互通和信息共享，從而在應急通信中發揮更大且更可靠的作用[9]。

圖1 多技術融合技術框架圖

省級應急指揮中心可以同時接收3種不同通信方式獲得的信息，即可以接收電力通信專網傳過來的信號，又可以接收通過衛星和5G移動網傳輸的信息。在有線網絡發生故障時，可以將衛星通信和公網通信作為后備通信方式[10]。

當前，電力應急通信網絡主要依托光同步傳輸網絡實現信息的傳遞、聚合與控制。該省地域廣闊，某些變電站距離市區上百公里，發生災害時搶險人員不能快速到達，且無線公網有的站點無法覆蓋。在此情況下，可以借助5.8 GHz無線專網接入。在偏遠變電站布置5.8 GHz無線網橋設備，將站內視頻監控和語音等信息接入無線網橋的終端設備。通過在輸電線路桿塔上安裝5.8 GHz無線網橋中繼設備，采用特定的協議將數據安全可靠傳輸至有人值守或光纖覆蓋的變電站，最后通過電力專網將視頻和語音信息傳輸至應急指揮中心。

3 系統的設計和實現

結合電力應急通信業務需求，討論一種基于多通信技術的電力應急通信網絡架構。該架構主要分為應急中心主站、系統通信通道以及現場采集設備。

3.1 應急中心主站

應急中心擬建設在省級應急指揮中心和市級應急指揮中心。在省級應急指揮中心布置1套主站系統，各個市級應急指揮中心布置1套子站設備。主站布置應急電機控制單元（Motor Control Unit，MCU）設備、核心路由器、5G服務器、衛星終端服務器、移動終端服務器、綜合通信服務器、會議終端以及應急電話等。子站布置應急終端設備和會議終端等。主站和子站兩側均配置防火墻和協議轉換器，利用主站和子站之間的電力通信專網，進行應急系統信息的交互。

圖2 應急中心組網方案

省級應急指揮中心新建1個地面衛星應急通信中心站和13個應急遠端站。13個應急遠端站采用衛星便攜站的形式，分別布置于各個地市及應急指揮中心[4]。發生應急情況時，便攜終端可以機動靈活部署。在滿足安全可靠的前提下，應急通信系統需考慮與其他信息通信系統、調度自動化系統以及能源管控系統的接口問題，從而為未來擴大規模預留足夠的接口[11-12]。應急中心組網方案如圖2所示。

3.2 系統通信通道

網絡通信通道建設主要應用電力有線專網通信、5G通信、衛星通信以及5.8 GHz無線網橋等技術。省級應急中心主站和各個地市的應急中心的子站之間的通信，利用現有的電力通信專網，借助現有的電力光通信專網電路。省級應急中心和地市應急中心具有多個光通信路由，保證了兩者之間通信的可靠性。目前，該省市大部分110 kV及以上的變電站一般具有兩個路由。隨著5G通信的逐步建設，該省大部分110 kV及以上的變電站都可以被公網通信覆蓋到。在發生應急狀況如有線電力光通信中斷時，可以通過5G網絡將現場信息傳至主站系統，同時相應的子站系統也可以接收相關信息，并進行應急指揮通信。

但是，該省地域遼闊，一部分35 kV變電站距離市區好幾百公里，導致公網通信網絡無法覆蓋到。在發生有線電力光通信時中斷時，只能依靠應急通信車和衛星電話，保障方式單一。因此，本文討論將5.8 GHz無線網橋設備布置于偏遠的35 kV變電站，通過在輸電線路桿塔上安裝5.8 GHz中繼設備，采用點到點的拓撲方式，實現偏遠變電站和一般變電站之間大容量、高可靠性以及可管理的通信通道。將無線信號傳輸至有人值守或者光纜路由資源豐富的變電站，實現通信孤島變電站之間傳輸數據的交互，最后通過有線電力專網或5G網絡將信息傳至應急指揮中心。

衛星通信通道將作為最后的通信手段。將衛星便攜站利用交通工具快速靈活地部署在事故現場，建立起現場與應急指揮中心急通信中心站之間的衛星通道。由事故現場將語音、數據以及視頻等業務傳輸至應急指揮中心，供指揮部門決策和制定相關救援措施。

3.3 現場采集設備

事故現場可以增設無人機、5G背包以及便攜式衛星等進行現場采集。其中，5G直播靈活便捷，應急人員背上直播設備即可開始現場直播，不受場地限制，尤其遇到抗震救災和突發事故時，5G直播優勢很大。5G+無人機可實現空中多角度的高清直播，確保可及時上報災情和警情，并指揮調度暢通。在非極端條件下，應急人員采用5G背包等便攜設備即可完成應急現場與指揮中心之間業務流的雙向傳輸，成本遠低于直播車+衛星直播的傳統直播方式。極端條件下可以選用衛星通信方式，以保證極端應急環境下的基礎畫面回傳和指揮調度服務。

3.4 系統實現

省級應急指揮中心和市級應急指揮中心主站系統應能提供不同子系統的接口，如調度子系統、地理信息與GPS車輛跟蹤子系統、視頻監控子系統以及遠程指揮子系統[7]，同時配置大屏系統和觸摸屏調度臺等設備。在系統接入功能上，它應能滿足應急現場如便攜式終端和視頻電話等通信終端設備的接入需求。

考慮到應急中心主站要接收有線專網通信、5G通信、衛星通信以及5.8 GHz無線網橋技術的信號，不同的網絡傳輸需要協作配合。因此，應急指揮系統需開發一套統一的軟件平臺，設定不同的優先級。如果同時存在多個網絡，那么將能夠實時監控不同信號的強度和網絡狀態，選擇最優的通道傳輸現場信息，從而實現多網絡自動化切換的功能。

應急指揮中心主站系統不僅需要具有遠程指揮、地理信息與GPS車輛跟蹤、預案管理與智能化的決策以及立體式的調度指揮等功能，還需要具有對指揮中心所有設備、信號、屏幕、服務器以及網絡等進行實時不間斷監控的功能。

4 結 論

自然災害和突發事件對電力設施造成了巨大威脅和損壞，應急指揮中通信手段的多元化決定著通信的承載性與并發性。因此，以5G通信、衛星通信以及5.8 GHz無線網橋技術為載體，討論了一種多技術融合適合該省地域特點的應急通信方案，克服了單一網絡載體的缺陷，對該省電網應急通信的發展能起到積極作用。