5G基站共建共享技術在電力系統(tǒng)中的應用

何 濤，郭 峰，趙錦輝

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司，湖北 武漢430077）

0 引言

2020年，工信部、國資委聯(lián)合發(fā)布了《關于推進電信基礎設施共建共享支撐5G網(wǎng)絡加快建設發(fā)展的實施意見》，對持續(xù)深化電信基礎設施共建共享、支撐5G加快建設發(fā)展、推進電信基礎設施共建共享工作提出實施意見。電力桿塔資源是電網(wǎng)公司重要的基礎設施，要在保證電力線路安全前提下，實現(xiàn)電力桿塔附掛5G基站，同時將5G先進技術更好應用于電網(wǎng)運營，實現(xiàn)共建共享、雙向應用。電力基礎資源共享共用，也能夠減少城市公用基礎設施的重復建設，減少土地資源的浪費，對節(jié)能減排、服務雙碳目標均有益處。根據(jù)有關數(shù)據(jù)，每共享一基電力桿塔，將減少土地征用面積50 m2，節(jié)約鋼材15 t，節(jié)約建設資金12萬元，縮短建設周期40 d。通過資源共享后，不僅可以降低5G網(wǎng)絡建設成本，縮短建設周期，還可以提升5G網(wǎng)絡的覆蓋質量和進度。

1 關于5G技術

5G即第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technolog），是具有高速率、低時延和廣連接特點的新一代寬帶移動通信技術。國際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的三大類應用場景，即增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC），具有速率高、延遲低、覆蓋廣等特點。

增強移動寬帶（eMBB）特點是速率高，致力于無縫用戶體驗，用戶數(shù)據(jù)速率極高，峰值速率可達到10 Gbit/s～20 Gbit/s，可滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實等大數(shù)據(jù)量傳輸。

超高可靠低時延通信（uRLLC）的特點是低時延高可靠，主要應用于對時延極其敏感并且對可靠性要求嚴格的場景，例如遠程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等應用場景。其中，低時延高可靠場景中時延的要求可達到1 ms量級。

海量機器類通信（mMTC）特點是廣覆蓋，應用場景對吞吐量、時延、可用性等性能的要求十分嚴格，具備百萬連接/km2的設備連接能力，應用領域包括生產(chǎn)流程的無線控制、智能電網(wǎng)配電自動化等。

2 共享電力桿塔基站

5G通信基站是移動通信網(wǎng)絡中最關鍵的基礎設施，連接終端用戶與傳輸網(wǎng)，解決5G用戶連接“最后一公里”。5G通信基站主要分為宏基站和微基站，宏基站一般為鐵塔站，一個站覆蓋幾十公里，機房設施完備，微基站是在樓宇中或密集區(qū)安裝的小型基站，覆蓋小，用戶量低，覆蓋單個村莊、大樓等場景。

5G基站架構主要采用BBU+AAU方式。BBU是基帶控制單元，集中管理整個基站系統(tǒng)，提供基站與傳輸設備的物理接口。AAU設備（有源天線單元）主要負責傳送和處理BBU和天饋線之間的射頻信號，由于mMIMO（大規(guī)模多路多出）技術的應用，AAU尺寸和重量進一步加大，尤其是64T64R多天線的應用，5G天饋線系統(tǒng)的安裝比2G、3G、4G更復雜。

根據(jù)電力安全工作規(guī)程，不同電壓等級的輸電線路都有相應安全距離，在安全距離范圍內上塔作業(yè)可以保證人身安全。電力塔屬于高聳結構，國家對該類設施都有嚴格的接地要求。在設計過程中，考慮到安全因素，結合附掛高度，通信基站附掛位置符合要求，既能保證不發(fā)生觸電事故，也能保證設備達到通信要求的相應高度。同時，由于電磁頻段不同，加之塔上通信基站天線波束主瓣角度可以調整，通信設備自身具備糾錯功能，在滿足電氣安全距離的前提下，架空線路不會對通信基站信號產(chǎn)生干擾。

3 共享電力桿塔基站安裝

3.1 天線掛高

電力桿塔作為輸配電線路的重要組成部分，起到支撐和架空電力線纜的作用。按結構形式，可分為桿類和塔類；按用途，可分為直線塔、轉角塔、終端塔以及跨越塔。不同類型的電力桿塔承載能力不同，對5G基站而言，室外電力桿塔適合安裝宏基站。

根據(jù)電力桿塔所處地形及信號覆蓋范圍要求，宏基站安裝高度為15 m～35 m。電力桿塔附掛基站天線典型方案為電壓等級220 kV，雙回路鐵塔，天線設備掛于塔身，掛高25 m，天線可布置在同一水平面上的不同平臺處，通過支架與鐵塔連接。

當天線安裝于塔身時，高度建議不超過地線，并確保天線在地線45°保護范圍之內。天線布置位置一般可分為3種情況：第1種安裝在塔頂頭部；第2種安裝在塔頭段，位于導線以上；第3種安裝在塔頭段，位于導線以下。綜合考慮系統(tǒng)安全性，穩(wěn)定性和運維便利性等多種因素，盡量實現(xiàn)兩個系統(tǒng)平行運行，相互間干擾最小。基于以上原則，基站天線安裝位置建議位于輸電線路帶電部分以下，并滿足相關安全距離。

圖1 電力桿塔共享天線安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of power tower shared antenna

不宜進行附掛服務的電力桿塔主要包括：同塔四回路及以上多回線路桿塔；投運30年以上的電力桿塔和20年以上水泥桿等老舊電力桿塔；評估不達標或需進行桿塔主材、基礎加固方可達標的電力桿塔；達到臨界使用條件的電力桿塔；位于20 mm及以上重冰區(qū)的桿塔。

表1 基站附掛安全距離計算值Table 1 Calculation value of safety distance for base station attachment

3.2 天線角度

天線是實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡覆蓋的核心設備之一。用來實現(xiàn)傳輸線中的電磁能與自由空間的電磁波間的相互轉換。

安裝天線傾角時必須考慮的因素有天線的高度、方位角、增益、垂直半功率角度，以及期望覆蓋的范圍。

天線主瓣波束與地平面的關系如圖2所示，其中所需覆蓋半徑為D（m），天線高度為H（m），傾角為α，垂直半功率角為θ。

圖2 天線主瓣波束與地平面的關系Fig.2 Relationship between antenna main lobe beam and ground plane

當天線傾角為0度時，天線波束主瓣即主要能量沿水平方向輻射，當天線下傾α度時，主瓣方向的延長線將與地面一點相交，由于天線在垂直方向有一定的波束寬度，因此在A點到B點方向，仍會有較強的能量輻射。根據(jù)天線的技術性能，在半功率角內，天線增益下降緩慢，超過半功率角后，天線增益迅速下降［3］。因此，可以認為半功率角延長線到地平面交點（B點）內為天線的實際覆蓋范圍。根據(jù)上述分析以及三角幾何原理，可以推導出天線高度、下傾角、覆蓋距離三者之間的關系為：α=arctan（H/D）+θ/2。

上述為常規(guī)移動通信系統(tǒng)的下傾角設計，對于5G系統(tǒng)，5G基站m-MIMO天線具有更多的功能，由于很多根天線同時可以調整，這就使得信號覆蓋變得更多樣，可以變成長條形、方形、橢圓形等等，而且可以快速調整，完全根據(jù)需要來轉換。目前主流的mMIMO有64T64R、32T32R、16T16R等多種通道數(shù)天線可以選擇，其區(qū)別在于垂直面上分別支持4層、2層和1層波束，利用mMIMO天線具有多個垂直波束的特點，可擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍，調整站址或者天線型號、掛高、方位角、下傾角、發(fā)射功率等，充分滿足電力桿塔附掛基站信號及覆蓋要求。

3.3 機房建設

通信機房是5G基站建設中不可或缺的組成部份，通信機房由動力柜、設備柜、電池柜、電源柜組成。目前5G基站通信機房多使用一體化機柜或模塊化機房，內部可安裝通信系統(tǒng)設備、交直流配電、蓄電池、溫度調節(jié)設備及其它配套設備，能為內部設備正常工作提供可靠的運行環(huán)境。對于附掛基站的電力角鋼塔，一體化機柜宜安裝在鐵塔內部，對于附掛基站的鋼管桿，一體化機柜宜安裝在桿塔旁邊。電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機柜示意圖如圖3。如采用小型模塊化機房，安裝位置參考一體化機柜，機房內部尺寸不低于3 m×2 m，加上周圍附屬設施占地約10 m2，凈空不小于2.5 m，內部可設置機柜3個，嵌入式直流通信電源1臺、通信蓄電池2組以及交流配電箱、空調、監(jiān)控設備等。實際利用的有效機柜數(shù)量約為2個，滿足基本的基站信號接入及回傳、處理需求。

圖3 電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機柜示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated cabinet for power angle steeltower/steel pipe pole layout

3.4 設備安裝

宏基站設備主要分為室外（塔上）部分、室內（塔下）部分及室外與室內（即設備與通信機房）連接部分。其中，室外（塔上）部分主要包括天線、RRU（無線射頻單元）設備或AAU設備（有源天線單元）、鐵塔支臂。室內（塔下）部分主要包括機房或機柜，在機房或機柜內部安裝BBU（無線基帶單元）設備、電源、空調以及監(jiān)控設備。室外與室內連接部分距離較遠時，采用獨立光纜；當室內外緊鄰時，只需穿墻套管等附屬設施即可。

3.5 防雷接地

基站天線、饋線以及走線架等設施均應在避雷針的保護范圍內。5G AAU的安裝位置位于導線下方，電力鐵塔的防雷保護可完全滿足天線保護角的要求［4］。35 kV及以上電力桿塔的引下線纜、電源線、傳輸線及饋線沿鐵塔主材內部布置或沿鋼管桿身的爬梯側面布置，沿鋼管桿身布置時還應采用PVC套管保護，按0.5 m間距用夾具固定良好。鐵塔上架設的饋線及同軸電纜金屬外護層應分別在饋線頂部、離塔處及機房入口處外側就近接地；當饋線及同軸電纜長度大于60 m時，則宜在塔的中間部位增加一個接地點。室外走線架始末兩端均應接地，接地連接線應采用截面積不小于10 mm2的多股銅線。饋電機柜無論是在設備機柜附近還是內部，都應共用同一接地系統(tǒng)，該接地系統(tǒng)應通過橫截面積35 mm2以上的銅線與電力桿塔地相連［5］。

4 5G技術在電力系統(tǒng)典型應用場景

4.1 分布式能源調控

為適應太陽能、風能、燃料電池、充電樁等分散電力需求和資源分布特點，需要進行數(shù)據(jù)采集處理、有功功率調節(jié)、電壓無功功率控制、孤島監(jiān)測、調度與協(xié)調控制等。為了實現(xiàn)這些功能，需要達到百萬到千萬級別的連接數(shù)。通過5G面向大連接的能力，可以實現(xiàn)對接入設備進行控制和數(shù)據(jù)采集，從而有效保障多電源并網(wǎng)的有效運行。

4.2 智能配電自動化

智能配電自動化通過繼電保護自動裝置監(jiān)測配電網(wǎng)線路和設備狀態(tài)信息，快速實現(xiàn)配電網(wǎng)或設備故障的判斷及精準定位，迅速隔離故障區(qū)段或故障設備。而傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護采用簡單的過流、過壓保護，不依賴通信，不能實現(xiàn)分段隔離，停電影響范圍大。為了實現(xiàn)故障的精準隔離，可以利用5G切片技術在配網(wǎng)領域推廣應用差動保護，要求通信時延小于10 ms，帶寬大于2 Mb/s，可靠性99.999%，信息交互攜帶10μs內的高精度時間戳。

4.3 智能巡檢和應急指揮

利用機器人、無人機等搭載高清攝像頭或環(huán)境傳感器，實現(xiàn)對變電站、配電房、輸電線路進行巡檢的過程中，將現(xiàn)場高清視頻、圖片等數(shù)據(jù)傳回遠程監(jiān)測中心。此外，針對重大電力故障進行現(xiàn)場應急搶險時，也需要通過高清視頻等方式將現(xiàn)場情況實時反饋到指揮中心。為滿足這些通信要求，需要單路帶寬達到4～10 Mb/s，時延小于100 ms。針對這類業(yè)務場景，5G網(wǎng)絡提供的高帶寬，有效地保障智能巡檢和應急指揮的進行。

4.4 電力設施運行狀態(tài)監(jiān)測及遠程操作

電網(wǎng)運行中，需要通過對電網(wǎng)設備運行環(huán)境、運行狀態(tài)、故障信息進行全面監(jiān)測來掌握設施運行情況。利用5G通道實現(xiàn)電力線路輸變電狀態(tài)監(jiān)測信號、視頻信號的接入，在電力桿塔安裝5G基站的同時，同步安裝輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)5G與電力業(yè)務雙向應用。此外，通過智能電表實現(xiàn)遠程抄表，也存在大量的設備接入。基于5G面向大連接的能力，為末端設備的全面接入提供支撐，進一步保障設施安全穩(wěn)定運行。

5 結語

電力桿塔安裝5G基站具有投資小、見效快的優(yōu)點，同時也可實現(xiàn)5G業(yè)務在電網(wǎng)中的應用。根據(jù)電力基礎資源運營工作經(jīng)驗，提出了5G基站共享電力桿塔的標準、方法和注意事項，同時對5G在電網(wǎng)中的應用場景進行了分析，對推動5G與電網(wǎng)業(yè)務的共建共享應用具有很強的借鑒意義。研究及實踐表明，只要做好電力桿塔共享基站設計，確定掛高、天線角度等指標，就能安全、高效利用電力桿塔基礎設施，實現(xiàn)5G基站、5G技術和電網(wǎng)技術的融合以及共建共享共用。