配用电无线通信专网在复杂地理环境下的应用研究

郭志华，薛晓慧，厉 娜，万江飞，陈 平，林 喜，景钦锋

（1.国网青海省电力公司 西宁 810008；2.中国石油天然气管道通信电力工程总公司 廊坊 065000；3.普天信息技术研究院 北京 100080；4.国网青海省电力公司黄化供电公司 黄南藏族自治州 812200；5.国网青海省电力公司海北供电公司 海北藏族自治州 812200）

1 引言

从2010年起，美国、澳大利亚等多个国家积极开展基于电力通信网的建设，我国国家电网公司（以下简称国家电网）在“十二五”规划中也大幅度增加了配用电通信和信息化的投入。但我国不同地区差异明显，尤其是在农村、山区、丘陵地带及中西部地区电网建设相对薄弱，配用电通信网更是由于地区经济能力有限、通信基础薄弱等原因，致使通信和信息化程度偏低，难以满足电网快速发展的需求。

在复杂地区配用电通信网建设面临诸多困难：资金匮乏限制了建设的规模与进度；通信和信息化基础薄弱增加了通信网建设的难度；地域广阔、山区、丘陵等多种复杂地形使有线通信网的建设不具备经济性及工程可行性，即便普通的无线通信系统，也因覆盖能力有限、建成成本高等原因难以实现规模建设与应用。

国家电网和中国南方电网有限责任公司（以下简称南方电网）近年来采用租赁无线公网信道（GPRS/CDMA/3G）的方式，开展用电信息采集和配网自动化建设。但因公网信道存在可靠性、信息安全多方面的潜在问题，近期基于公网信道的配用电的采集与控制在逐步放缓，国家电网逐步认识到租赁公网信道难以满足智能电网的发展需要，建设电网专用的配用电无线通信网是必要且合适的。

2 配用电通信业务需求及建网原则

该类地区配用电通信以数据为主，从成本角度考虑，应优先考虑建设以数据业务为主的广覆盖、低成本的通信专网。该通信网建设应遵循如下原则。

·全区域覆盖，非点或线路覆盖。以满足覆盖区域内零散分布的配用电节点的灵活接入需求。

·符合广覆盖、低成本要求，该类地区资金投入有限，网络建设应在可承受的经济范围内。

·对通信基础设置要求低。仅需少量站点即可达到大面积覆盖的效果，避免为此进行征地等工作。

·无需长距离布线。挖沟埋线或架空布线工作量大、成本高，线路易受多种人为或自然因素破坏，部署和维护工作量都很大。

基于以上原则，有线通信网难以满足要求，应选择适当体制的无线通信接入网。在无线通信网技术体制选择时，应遵循如下原则。

·符合无线通信主流技术发展方向。适度领先且产业链相对成熟，确保供货和售后服务有保证。

·借用电力已有通信基础设施，避免全新站点建设。借用已有变电站、营业厅、微波塔等站点，降低基建投入。

·设备免维护。系统及终端设备可实现远程维护，可进行远程故障诊断及恢复。

·采用电力已有的230 MHz频谱资源。避免新频谱申请工作，保证频谱专用，避免行业间干扰。同时230 MHz低频谱可保证无线信号的覆盖效果。

3 配用电通信网构成及建网要求

配用电通信网可分为电力通信骨干网和电力通信接入网两大部分，如图1所示。电力通信骨干网目前以光纤为传输介质，采用SDH/PTN/MSTP一种或多种技术体制，覆盖各省/市/县供电公司、35 kV及以上变电站、大多数供电所和营业厅，起到承担电力通信骨干平台的作用。电力通信接入网定位为骨干网的延伸，实现最后数公里的延伸覆盖，实现配用电终端节点的采集与监控，如各类表计的用电信息采集、配网自动化的各类线路开关（FTU）和站所节点（DTU）的“二遥”或“三遥”等。

4 无线通信专网技术体制

代表无线通信主流发展方向的4G移动通信技术逐步成熟，全球移动设备供应商协会在其最新的《LTE演进（evolution to LTE）》报告中证实：已经有101个国家和地区的274家运营商推出商用LTE业务，到2014年底商用LTE网络达到350张。2014年2月中国移动正式启动TD-LTE二期 招 标，计 划 在31个 省、市、自 治 区 进 行TD-LTE网络建设。中国联通和中国电信也在启动多个LTE网络建设。

除LTE外，国内外还有多种无线通信技术，国家电网对不同体制无线通信网进行了长期调研及实际验证。先后关注230 MHz数传电台、WiMAX、McWiLL等技术。这里结合配用电业务就几种常用的无线通信系统进行简要对比。

（1）传统数传电台

该系统属于20世纪80年代兴起的技术，工作在223～235 MHz等频段。具有组网简单、成本低等优势。

但该系统采用轮询机制，终端无主动上报功能，传输时延大，速率低（单主台带宽在1.2～19.2 kbit/s）、系统容量小。实际使用中实现全部终端的单次轮询需8～24 h。系统无专门的网管设备，可维护手段少，安全性差，目前各地电力公司在逐步停用该系统。

图1 配用电通信网及业务承载示意

（2）WiMAX、McWiLL

这两种体制是基于3G核心技术的宽带无线接入技术，具有接入能力强、传输带宽大、非视距传输等特点。

但WiMAX为国外技术，我国不具备自主知识产权，国家电网与南方电网均明确表示不支持WiMAX系统在电网中的规模应用。McWiLL系统在湖南、辽宁等电力公司已开展试点应用，但效果不理想，主要问题是实际覆盖距离近（市区有效覆盖距离为1 km），无符合国家电网规范的终端产品。同时，McWiLL与无线宽带LTE主流发展技术不相符，技术演进方向不明朗，产业链不完善，产品独家供货，后续规模应用存在很不确定的技术和政策风险。

（3）LTE230

“新型230 MHz电力无线宽带通信系统”（简称“LTE230”系统）将电力已有的230 MHz频段离散频谱与先进的4G移动通信技术（TD-LTE）相结合，通过采用离散频谱聚合、频谱感知等技术，大幅提高230 MHz无线频率的使用效率，在窄带频谱上实现宽带数据传输，为电力行业提供无线宽带通信信道。系统具有低成本广覆盖、支持海量终端实时在线、工作于电力已有频谱、频谱利用效率高、系统安全性强等优点。

“LTE230”系统是结合电力配用电业务需求定制开发的一套无线宽带通信系统，可为用电信息采集、负荷控制等业务的远程通信提供无线通信信道。

不同无线通信网体制对比见表1。

综上所述，“LTE230”系统适于承担我国在偏远地区电力配用电无线通信专网的建设，具有良好的应用前景。

5 “LTE230”系统适于承建偏远地区配用电通信

5.1 系统定位

“LTE230”系统定位在电力配用电业务，可用于用电信息采集、配电自动化、应急抢修、生产调度、营销核算、视频监控、新能源接入、智能台区等多种业务，目标应用场景如下：

·偏远农村或山区光纤铺设难度大的区域；

表1 不同无线通信网体制对比

·负荷分散，部署光纤成本过高的区域；

·供电线路长，光纤无法实现覆盖的区域；

·偏远无公网信号区域；

·地下室等无公网信号区域；

·老旧无光纤城区或市政建设频繁、光纤覆盖无法应对快速变化的区域。

5.2 系统优势及所获得资质

“LTE230”系统采用电力已有的230 MHz频谱资源，无需新申请频谱资源；系统具有广覆盖特性，单基站覆盖能力可达30 km，是其他无线蜂窝通信系统覆盖距离的4～5倍，建设成本是其他无线蜂窝通信系统的1/5；“LTE230”系统满足配用电海量终端的实时在线的传输需求。系统采用与公网隔离的策略，同时具有多层安全加密机制，保证电力数据的信息安全。

“LTE230”系统具有符合国网规范的系列通信模块（LCM），可实现对GPRS公网模块的替换，最大限度地保护配用电设备投资。系统具有宽带终端（CPE），可实现图像、视频、语音等业务。

操作维护中心（OMC）不但实现对系统设备的管理，还具有对终端统一远程管理的功能，可对系统及终端设备进行远程批量升级。采用友好的图像化操作界面（如图2所示），操作便捷，可将告警以声、光的方式直观地呈现给管理维护人员。

“LTE230”系统受到国家科学技术部、工业和信息化部等多部门支持，近年承担多项国家科技重大专项及专项资金项目；2014年2月，成为首个通过中国电力科学研究院安全认证的无线专网系统；国家无线电管理委员会召开专题研讨会，鼓励230 MHz频谱在电力行业中的创新应用；系统通过工业和信息化部传输所针对实际现场网络的测试验证。

5.3 关键技术指标

“LTE230”系统工作在国家无线电管理委员会统一规划的民用超短波遥测、遥控、数据传输业务专用230.025～235 MHz频段，满足以25 kHz为单位、非连续灵活配置的要求。系统在8.5 MHz带宽下峰值速率可达14.96 Mbit/s。系统采用具有国家自主知识产权的TD-LTE核心技术，采用OFDM及64QAM高级调试技术。系统接收灵敏度达到-120 dBm，优越于传统无线通信系统，加上230 MHz低频段黄金频谱，“LTE230”系统在单基站最远覆盖距离可达30 km，是其他类似无线通信技术的5～6倍。为满足行业海量终端实时在线、突发数据的传输需求，“LTE230”系统通过设计优化，大幅度提升单逻辑小区支持的终端规模，从传统无线通信的100～200个终端/小区提升到2 000个终端/小区。部分技术指标见表2。

图2 图形化操作界面

表2 “LTE230”系统关键技术指标

6 “LTE230”系统建设方案

基站选址是无线通信系统规划和建设的一项重要内容。众所周知，在产品指标确定的情况下，基站天线越高、周围环境越开阔，信号覆盖的范围越广且信号质量越高。站址选择合适与否，很大程度上决定了无线网络建设的成败。

结合我国欠发展地区配用电网现状，有“宏蜂窝基站”和“微蜂窝基站”两种应用方案可供选择。这里结合站址选择、业务覆盖范围和通信基础条件对两种方案分别进行分析。

6.1 “宏蜂窝基站”建设方案

（1）业务定位

针对偏远地区地广人稀、地形复杂、配用电线路及设备分部广的特点，部署宏蜂窝基站，最大限度地实现单个无线基站的覆盖区域，单个基站尽可能多地覆盖配用电终端节点，充分体现“LTE230”系统“广覆盖、低成本”优势。减少组网区域内所需无线基站数量，降低在偏远地区，特别是山区、丘陵等通信基础设备缺乏环境下电力无线通信专网建设投入及后续维护成本。

（2）选址原则

在山区、丘陵地带，变电站、营业厅大多建设在当地地势低凹点，故电力已有的此类地点不是无线基站的理想备选站址。微波系统从20世纪80年代开始大量应用于电力通信，微波站点一般建在周围数公里到数十公里的制高点处，且建设有高度为50～100 m的通信塔，以实现单跳微波信号30～60 km的远距离传输。近年来微波系统在逐步退出应用，但微波站点的通信塔多数还存在。仿真及实际测试表明，“LTE230”在此类地点建站，可实现半径20～30 km的覆盖，单基站覆盖面积可达1 000 km2以上，是普通无线基站覆盖面积的数十倍甚至上百倍。所以在此类地区，微波站是非常理想的备选站点。基于微波塔站点的广覆盖方案如图3所示。

图3 基于微波塔站点的广覆盖方案

（3）已具备的通信基础设施

微波塔所在地具备电源、微波信号落地后的有线回传信道等基础设施。“LTE230”系统的电力无线通信专网可充分利用相关已有资源，降低基建设施投入。对少数不具备有线回传信道的微波站点，“LTE230”系统的基站可采用无线网桥进行回传。由于微波站点通常位于地理制高点，通常具备到附近供电公司、变电站或营业厅的可视路径，无线网桥回传具有优越的地理条件。

6.2 “微蜂窝基站”建设方案

（1）业务定位

若“LTE230”系统覆盖所在地不具备建设“宏蜂窝基站”条件，可采用另外一种思路：建设多套“微蜂窝基站”实现目标区域内无线专网覆盖。

“微蜂窝基站”的建设思路是采用具有小功率、小容量、安装便捷特点的“LTE230”系统微基站，沿配电线路部署。原则上1～2个台区部署1个微基站，每个微基站覆盖1 km左右的范围。由于220/380 V供电半径一般在500～1 000 m，故“LTE230”系统微基站能够实现配电台区周围配用电终端节点的接入。

（2）选址原则

“LTE230”系统微基站可部署在柱上变、箱变、环网柜、开闭所等所在处，该类地点取电方便且无需征地，安装便捷。

（3）基础设施

微基站采用“一体化”设计思路，满足户外环境运行要求，不需要机房，安装便捷。对于微基站的回传，有两种备选方案：一是对光纤到台区的站点，微基站回传可就近接入光纤网络；二是对光纤未覆盖的台区站点，可采用具有mesh组网的无线网桥进行回传。基于台区的微基站覆盖方案如图4所示。

6.3 实际应用情况

“LTE230”系统已在内蒙、青海、新疆、冀北、河北等多个地区建设商用网络，单基站实测覆盖距离达到29 km，很好地满足了当地远程数据采集和监控、视频传输等业务应用需求。

图4 基于台区的微基站覆盖方案

图5 实际组网拓扑

7 应用与验证

“LTE230”系统在国家电网、南方电网、石油石化等开展多处应用，在中国西北、西南等多个省份建立商用网络，弥补了此类地区有线网络建设不便、运营商网络在此类地区信号质量差或无法覆盖的问题。2013年5月，张家口供电公司建设“LTE230”系统的无线通信专网，组网结构如图5所示，满足了张家口电力无线通信专网建设的成本和进度要求。此无线回传设备安装调试便捷，成本不到光纤通道建设的10%，目前该无线回传通道已稳定运行超过12个月。

针对西沙河基站路开展覆盖测试，测试结果如下：东南方向沿解放路和胜利路进行拉远测试，到工业南横街处5.2 km处，信号强度为-106～-102 dBm，基本达到东南方向小区边缘；正南方向沿明德南路、清水河路，到天秀花园二期5.1 km处，信号强度为-106～-104 dBm，基本达到正南向小区边缘；西南方向沿西环路、西坝岗路，到天秀花园一期5.2 km处，信号强度为-107～-103 dBm，基本达到西南向小区边缘。覆盖效果如图6所示，RSRP数据详细统计见表3。

吞吐量性能表明，“LTE230”系统传输效率高达2.44 bit/(s·Hz)，较传统数传电台提高3.18倍，满足配用电网业务需求，理论峰值速率达1.76 Mbit/s，外场实测平均传输速率最高达到1.6 Mbit/s。抄表成功率100%。聚合40个频点时，不同调制方式下的上行传输速率测试结果见表4。

图6 西沙河基站南向拉远测试效果

表3 RSRP数据结果统计

表4 吞吐量测试

8 结束语

“LTE230”系统是为配用电通信量身定制的系统，因其独有的广覆盖、低成本，对通信基础设施要求低、部署简单、免维护等特点，能很好地满足山区、丘陵、农村等复杂地区配用电通信网通信需求。自2010年以来在电网、石油石化等行业建立多个商用网络，系统性能稳定、系统及终端产品形态齐全，受到客户的一致好评。

1 王凤，司孝平，赵方等.基于某典型实例的配网通信方式研究与比较.电信科学，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 国家电网公司.Q/GDW_380.5-2009电力用户用电信息采集系统管理规范：通信信道运行管理规范，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 国家能源局.DLT 814-2002配网自动化功能规范，2002 The National Energy Bureau.DLT 814-2002.Power Grid Distribution Automation Functional Specification,2002

4 普天LTE230系统研发团队.电力无线宽带LTE230系统,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 刘建明.现有无线宽带通信技术在电力行业应用对比分析.国家电网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 刘振亚.智能电网知识问答.北京：中国电力出版社，2010 Liu Z Y.A&Q for Smart Grid Knowledge.Beijing:Chinese Power Press,2010