超距无线光网组网技术在电力系统中的应用研究

顾焕之 李新华 徐步尘 孙卫军

（国网昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100）

1 目的和意义

电力通信主要为电网的自动化控制、商业化运营和实现现代化管理服务。它是电网安全稳定控制系统和调度自动化系统的基础，是电力市场运营商业化的保障，是实现电力系统现代化管理的重要前提，也是非电产业经营多样化的基础。随着电力工业的日益发展，电力系统通信网作为现代电力系统的一重要组成部分，正在不断成长、发展和完善，并发挥着越来越重要的作用。电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆、无线等多种通信手段及程控交换机、调度总机等设备组成的多用户、多功能的综合通信网。

目前，在电网电力系统通信中仍然以具有高传输率、高带宽、高可靠性等特性的光纤通信为主，但随着电网对灾难应急、配网自动化、办公智能化等需求的提出，无线通信将以其迅速部署、不受地面限制等特点寻求到在电力系统通信中的应用。因此，无线通信可以成为电力系统通信的一个重要补充手段，为电力系统构建综合通信网提供非常重要的一个部分。

本文研究利用5.8G无线宽带专网技术，组建大容量、长距离覆盖、可管理的无线网络，为以下电力应用提供可靠的通信接入保障∶

（1）基建施工作业现场临时通信

（2）变电站间应急通信处置

（3）事故现场音、视频应急指挥应用

2 国内外研究水平综述

据了解，目前国内外比较常用的施工作业现场、应急指挥控通信接入方式有∶

2.1 运营商GRPS网络

运营商2G网络可以为输电线路在线监测提供56--114Kbps带宽，3G网络可以提供100--200Kbps带宽。应急通信需要与运行商IP网络网关转换，系统延时大，因此系统实时性较差，大于秒级。同时数据通过运营商，需要考虑安全通信处理的各个环节。运营商GRPS网络接入成本包括∶无线公网通信设备成本（2G，3G），安装施工成本，支付给运营商的流量费用。采用运营商GRPS网络的好处是施工环节不用考虑，但存在有信号盲区，信号会受到天气、遮挡、电磁波的干扰，系统可用性较低，最重要的是运营商的GRPS网络带宽不能满足应急通信的需求。

2.2 卫星通信

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是∶通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。卫星通信的缺点是投资大，需配备专业人员管理和维护。

3 理论和实践依据

无线宽带专网技术主要的接入方式有∶

3.1 MMDS（Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多点分配服务）∶是一种点到点、点对多点分布，提供宽带业务的无线技术。

系统包括∶2.4G，3.5G，5.8G频段产品。设备覆盖范围广，可达几十公里。此频段受雨衰影响较小，并且在相同条件下自由空间传输损伤较低。它适用于企业用户和集团用户。MMDS可透明传输业务，在基站端与网络的接口为Tl/El、100Base－T和O－3等，在用户端的接口为El和10Base－T等，可以为用户提供Internet的接入、本地用户的数据交换、话音业务和VOD视频点播业务。

3.2 LMDS（Local Multipoint Distribution Services，区域多点传输服务）频段主要是26G左右，覆盖范围小，数据带宽大。此频段受雨衰影响较大，并且在相同条件下自由空间传输损伤比MMDS大。它适用于骨干网基站互联。本地多点分布业务系统LMDS是一种提供点对多点通信的固定宽带无线接入技术，其工作频率在20GHZ以上，利用毫米波传输，可在一定的范围内提供数字双工语音、数据、因特网和视频业务，是一种非常好的宽带固定无线接入解决方案。在最优情况下，距离可达8公里;但是由于受降雨的原因，距离通常限于1.5公里。

MMDS和LMDS的对比见下表所示∶

表1

从对比结果来看，MMDS更加适合电力无线通信网应用。LMDS由于距离、雨衰的原因不适合。

如果一方面考虑传输带宽、传输容量，另一方面考虑传输距离、传输质量、投资成本。从两方面综合考虑，在目前技术条件下，5.8GHz频段应属于固定无线接入中性能价格比最高的优选频段，具有足够的接入带宽，无线电传输特性好，受雨衰和多径的影响小，覆盖范围广等特点。所以我们建议采用5.8G作为无线专网传输系统的频段。

国家无线电管理委员会于2002年7月开放了5.8GHz频段。综合比较不同微波频段的穿透性能和电磁环境多项指标，5.8GHz频段总体较好,该频段微波大气衰耗为每10km仅0.1dB。因此,最合适的无线网络接入方式就是频段开放、价格低廉的5.8GHz无线宽带接入。

4 研究内容及实施方案

4.1 研究内容

4.1.1 高容量无线宽带连接

为充分保证各种业务带宽需求，本文研究最高可达双向50M的无线宽带连接。本文研究MIMO（多进多出）、OFDM（正交频分多路复用）、QAM（正交振幅调制）等技术，在无线宽带设备上提供50Mbit/s的数据净速率。

无线设备具备两个独立且完全一样的信道与收发信机，结合不同的极化方式，实现空间与时间的编码，有效抵抗衰落，克服非视距，提高可靠性；在两个信道上传输不同的数据从而实现双负载，双256QAM（Dual Payload）调制方式可以获得单向高达25Mbit/s的数据净速率。

图1

4.1.2 长距离无线链路覆盖

最远可建立100公里的无线链路连接。在一个无线通信系统中会存在传输线损耗和路径损耗，在这两种损耗中路径损耗包括了自由空间损耗、雨衰、k型衰落和波导型衰落。其中的k型衰落和波导型衰落研究通过天线的不同配置来克服。研究通过最大化系统增益，保证能克服长距离的自由空间损耗实现的。系统设计最大化系统增益，克服5.8G频率电磁波100公里自由空间的损耗，保证充足的建立无线链接的余量。

图2

4.1.3 服务质量保证

语音视频业务的顺利开展需要通信设备具备高可靠性并具备业务识别能力。流媒体业务可以允许在一定范围内的时延和抖动，但丢包会对流媒体数，据播放质量造成极其重大的影响。丢包率会造成视频和音频质量严重恶化，小的丢包率会造成图像的失真和语音的间歇中断，过高的丢包率甚至可以导致业务的中断。

利用QOS技术，采用Differentiated service（区分服务模型），利用IP报文的优先级位（IP Precedence)，报文的源地址和目的地址等信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度，保证语音视频业务的顺利开展。

图3

4.1.4 无缝接入电力光传输网

无线设备对于各类数据接口的支持。研究基于IP技术的无线专网设备可以同时支持各种业务接口∶以太网，E1，STM-1等。满足电力数据业务应用，同时符合整体通信系统向IP迁移。

电力光传输MSTP设备利用弹性分组环(RPR)、多协议标记交换(MPLS)等机制提供带宽的动态管理能力,可以提供带宽动态可调的专线业务,提供超额带宽,提高传输网络带宽利用率,增加专线业务的灵活性。MSTP支持以太网二层交换,可以进行业务汇聚,能进一步提高传输带宽的利用率。本项目研究MSTP以太网二层交换的VLAN支持。

表2

4.2 实施方案

利用5.8G点对点无线设备，搭建一套高带宽、长距离覆盖、高可靠性、可管理的无线通信网络，为电力施工作业现场、应急通信提供高质量的通信接入，实时将施工现场、事故的视频图像和语音、数据信息传输到电力公司指挥中心。

4.2.1 基建施工作业现场临时通信实施方案

在基建施工作业现场如变电站施工过程中，变电站施工现场范围大，单一的视频监控节点无法覆盖全部施工现场，这样就无法对施工安全生产做到很好的监督和指导，因此在施工过程中需要在变电站关键施工点附近架设临时的视频监控系统，但是在变电站施工初期不方便铺设专用的信号传输线路。为了解决这个问题，制定了如下的变电站工程施工通信实施方案∶

图4

在变电站施工场地内的关键点附近架设视频监控设备，并部署无线点对多点端通信设备，通过点对多点无线AP设备便可在变电站内组建一个无线局域网络。

将所有监控节点的视频信号通过无线局域网传输到变电站控制室，控制室的无线大容量点对点设备传输到就近的具备光网络的变电站，变电站通过高可靠的光纤网络连接到电力公司的指挥中心。

4.2.2 故障应急恢复实施方案

图5

当电力光纤通道施工时，或者线路被破坏抢修时，采用无线解决方案，可以快速部署高带宽的无线通信网络，保证网络数据的正常运行。

当光纤通道正常后，可以切换到光纤通道运行。无线光网可以作为备用，或者轻松拆除后用于其他场合。

当变电站之间光纤纤芯资源紧张的时候，系统亦可直接实现变电站之间高速通信通道。

4.2.3 现场的应急指挥实施方案

图6

部署无线宽带接入系统，可以实现事故现场到指挥中心的快速、高效、宽带通信，使领导小组可以在指挥中心实时了解事故现场情况，快速全面地收集到与事故处理相关的信息。领导小组可以与事故现场指挥小组以及事故处理人员进行实时通信，向现场指挥小组直接下达决策意见，并且告知与现场事故处理相关的重要信息，现场指挥小组和事故处理人员也能实时向应急管理指挥中心的领导小组汇报现场情况。

4.2.4 应急通信处置实施方案

变电站应急通信网络以某处变电站为中心，部署无线系统做为整个无线应急通信网络的核心，按照高压输电线路走向，在某条线路的变电站部署无线中继系统，和汇聚的无线核心建立通信链路。

图7

图8

5 结束语

利用5.8G点对点无线设备，搭建一套高带宽、长距离覆盖、高可靠性、可管理的无线通信网络，为电力施工作业现场、应急通信提供高质量的通信接入，实时将施工现场、事故的视频图像和语音、数据信息传输到电力公司指挥中心，既解决了电力通信光纤专网建设成本高、建成速度慢等问题，又为电力建设施工、复杂环境下站点通信提供了高效、便捷、高带宽的通信方式。

通过本文的研究分析可以看出，无线5.8G专网技术具有组网灵活、即装即用、部署简单便捷、环境适应性好、通信距离远、传输速率高、覆盖能力强、抗多径干扰、保密性好等诸多优点，对于电力通信系统传统的光纤网络是一种高效、便捷的补充。