大型地下变电站无线覆盖系统研究

赵修旻，吴国栋

(国网上海市电力公司信息通信公司，上海 200122)

大型地下变电站无线覆盖系统研究

赵修旻，吴国栋

(国网上海市电力公司信息通信公司，上海 200122)

根据大型地下变电站无线覆盖的需求，通过分析对比各类无线覆盖技术的特点，选择无线直放站作为优选方案。结合设计案例对某大型地下变电站的无线覆盖方案做出具体分析，给出相关设计指标、配置参数和测试结果，为大型地下变电站的无线覆盖实施提供了参考。

无线覆盖；直放站；施主天线；室内分布

随着城市重型工业产业逐步退出，用电负荷逐步向大型商业区和居民区转移，城区范围的供电密度上升，仅依靠原有的110 kV和35 kV电网无法支撑，必须依靠220 kV及以上电压等级电网供电，这就需要在城区范围内建设大型超高压变电站(220 kV及以上电压等级)。显然，大型变电站需要更多的建设用地，而城区范围也是土地供需矛盾最突出的地方。为了提高土地利用率，城区范围内出现了越来越多的地下变电站。地下变电站通常与建筑物融为一体，地上部分只留有人行通道和设备吊装孔，这样既节约了用地，也显得美观[1-2]。近年来，上海电网已先后投运了500 kV静安变电站、220 kV广场变电站、宛平变电站、提篮桥变电站、即墨变电站、大渡河变电站等地下超高压变电站，分布在市中心静安、人民广场、徐家汇、北外滩和真如副中心等区域，2017年还将投运第二座500 kV地下变电站——五角场变电站。

运维检修人员在变电站内工作时，一般通过电话与外界联系。按照变电站通信业务的配置原则，变电站内控制室设有外线电话一门、内线电话一门以及变电站至相关调度机构的调度电话各一门。这些电话都设置在变电站控制室内的调度台上，并且不设置无线终端。因此，当运维检修人员在控制室内远离调度台处工作或在控制室以外的场所工作时，就需要通过手机与外界联系。在地上变电站，通常运营商的手机无线网络覆盖质量较好，手机通话简单可行，然而在地下变电站却很难。由于地下变电站是钢筋水泥结构，无线信号的穿透力差，变电站的地下部分基本都没有手机信号，尤其是大型超高压地下变电站，地下建筑面积大多超过一万平方米，并且大量的操作是远离控制室和调度台的。这对运维检修人员在地下变电站工作时与外界通话产生了极大的不便，也影响了工作效率[3-5]。因此，应考虑在大型地下变电站建立无线信号覆盖系统，为地下变电站内的运维检修人员提供对外手机通话的通信渠道，同时也提供了调度台电话通信的备用通道，有利于提高地下变电站内的工作效率。

1 信号源接入方式

根据信号源设备的不同可以分为宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站，根据接入方式不同可分为直接接入、直接耦合和空间耦合方式。

基站包括微蜂窝和宏蜂窝。基站即公用移动通信基站，是无线电台站的一种形式，是指在有限的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。基站是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元，完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能。

宏蜂窝式移动电话的建网初期，蜂窝小区的覆盖半径较大，一般在1.0～2.5 km，有的甚至达到20 km以上，因此被称作“宏蜂窝”小区。

微蜂窝是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门技术。与宏蜂窝相比，它的发射功率较小，一般在2 W左右；覆盖半径为100 m～1 km；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面5～10 m，无线波束折射、反射、散射于建筑物间或建筑物内，限制在街道内部。微蜂窝最初被用来加大无线覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。

直放站属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基站与手机的信号传递。

使用直放站作为实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一，主要由于使用直放站是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，造价也远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。不同信号源接入方式的比较见表1。

表1 不同信号源接入方式的比较

从接入方式看直接接入即由基站直接将信号接入室内覆盖系统，采用专门的基站直接接入在室内话务较低时基站话务利用率低，并且须考虑基站的频率配置，以避免站间的干扰。

直接耦合即从附近的基站收、发端口用耦合器或分路器获取一定比例的信号，接入室内覆盖系统，该方式适用于距离基站较近的分布系统或安装有专供室内覆盖系统接入的基站的情况，优点是接入或耦合的信号不会泄露到外界空间，避免了干扰，但采用直接耦合方式限制了系统信源的位置。

直放站空间耦合即利用直放站来选取合适的附近基站小区信号。直放站的施主天线耦合接收施主小区的下行信号，同时向施主小区发射覆盖区用户的上行信号。该方法优点是成本低，耦合方式简易，但在复杂的空间无线环境中，耦合得到的施主小区信号噪声难以抑制，发射的上行信号可能会对别的小区造成干扰，影响系统的服务质量。如果室内话务量高，则会增加施主小区的负担，甚至造成阻塞。

通过分析可知，地下变电站作为典型的“小容量、大覆盖”的需求场所，使用直放站空间耦合进行无线覆盖是性价比较高的选择，也是本文推荐的方案。

2 无线直放站的系统设计和参数选择

2.1 系统设计

无线直放站由施主天线、无线站和室内分布系统组成。施主天线通常安装在地下变电站的地上部分，与基站天线构成通信链路，完成上下行链路无线信号的传递。无线站将从施主天线输入端输入的下行弱信号经双工器输出，再经下行低噪放前级放大、频段选择器选出有用频段，最后经高线性功放将信号放大并从双工器输出到天馈线，完成下行链路信号的传输和放大；上行同理，从上行输入端输入的上行弱信号经双工器输出，再经低噪放放大然后进入上行频段选择器，选出有用频段，通过末级功放及双工器输出。室内分布系统一般由吸顶天线、壁挂天线、功分器、耦合器等组成，用于实现室内无线信号的覆盖。无线直放站的系统构成见图1。

图1 无线直放站的系统构成

2.2 施主天线和高度选取

(1)接收信号比较弱(-80 dBm左右)或者隔离比较差的地方，可以选取大口径高增益的抛物面天线作为施主天线。

(2)接受信号强度在-80 dBm以上的，可以选用可调角反射天线作为施主天线，安装比较方便，角度增益大小可以调整，但其前后比较差。

(3)在市区接收信号很强，距离基站较近的地方可选用八木天线作为施主天线，其角度小方向性强可以减小对其他邻近基站的干扰，安装也很方便。

(4)施主天线高度视接收场强和前方阻挡物决定，一般天线越高，接收信号越好，在前方无明显高大阻挡物下，经验值为高度增加10 m，信号强度会增加10 dB左右。

2.3 无线站目标指标

(1)根据现场实测，室内通话质量良好，无乒乓切换发生。

(2)95%室内覆盖，保证在95%以上所需要室内覆盖的地区，不论空闲和通话状态用户占用室内信道。

(3)95%室内用户占用，保证95%以上的信道占用由室内用户产生。并尽可能达到100%。

(4)无信号泄漏，保证室内信号不对室外网络产生干扰，室内信号在覆盖边界(如窗口)在保证室内通话基础上不会太强。

(5)环保性，保证室内信号在规定的最高电平以内，一般规定在人员经常停留地区最高信号接收电平不超过-25 dBm。

(6)通常情况，窗口电平应保持在-75～-80 dBm，如果有干净频段，此范围应在-85～-75 dBm。

2.4 室内分布系统设计参数

(1)无线信道的呼损率小于2%；无线信道的接通率大于98%。

(2)室内无线覆盖边缘场强：≥ -75 dBm；室内封闭区域≥ -85 dBm。

(3)无线覆盖区内可接通率： 要求在无线覆盖区内的95%位置，99%的时间移动台可接入网络。

(4)室内覆盖信号泄漏：在距离建筑10～15m处室内覆盖系统场强降到-85 dBm以下。

(5)在基站接收端位置的收到的上行噪声电平小于-120 dBm。

(6)分布系统覆盖区与周围各小区之间有良好的无间断切换。

(7)室内覆盖区误码率(RxQual)等级为3以下的地方占95%以上。

2.5 室内分布系统的分类和特点

按所采用设备的不同，室内分布系统可以分为无源系统和有源系统。按布线材料的不同，室内分布系统还可以分为同轴电缆系统、光纤系统、泄漏电缆系统和光电混合系统等。

(1)同轴电缆是最常用的材料，性能稳定、造价便宜，但线路损耗大。大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作信号放大接力。同轴电缆系统由于造价便宜，安装方便，在实际工程中大量采用，适用于楼层不是很高，分布天线数量较少的室内分布系统中。这种方式主要使用功分器和耦合器等无源器件将功率分配至各个天线，在适当的时候可以增加干线放大器来提高信号强度。

(2)光纤线路损耗小，不加干线放大器也可将信号送到多个区域，能保证足够的信号强度，性能稳定可靠。

(3)泄漏电缆系统不需要室内天线，在电缆通过的地方，信号即可泄露出来，完成覆盖。

不同室内分布系统的比较见表2。

表2 不同室内分布系统的比较

信号分布系统的选择具体如下。

(1)对于小型室内覆盖，一般指覆盖面积在一万平方米，应采用无源分布系统。

(2)对于中大型室内覆盖，一般指覆盖面积在五万平方米以下，通过加干线放大器的电分布系统来实现覆盖。加入干线放大器会引起噪声恶化和插损，所以要仔细测量和计算。在满足覆盖指标的条件下尽量少用干线放大器，最好不超过四个，另外干线放大器的级联会形成噪声积累，一般不采用级联方式。

(3)对大型建筑物或离散型区域进行室内覆盖时，可以采用光—电综合分布的方式，把电信号转换为光信号后通过光纤传输到大型建筑物的分层或各个离散区域，然后通过光—电转换进入到室内的信号分布系统中。

(4)泄漏分布作为一种特殊的电分布方式，用于普通天馈系统难以发挥作用而又必须覆盖的特殊区域，如隧道、地铁等。

3 设计案例分析

某500 kV变电站，位于上海市中外环之间，设计为地下结构，地面上方为三幢多层建筑。地下三层合计建筑面积约25 000 m2，地下每层设计为左右两面过道结构，单层单面过道约166 m。地面部分无线信号正常，现场实测1 800 MHz频段及900 MHz频段信号丰富，平均信号强度在-70 dBm左右。地下部分实测无线信号强度在-110 dBm以下(即无信号状态)。

基于大型地下变电站话务需求量小，覆盖面积大的特点，由于无需担忧信号泄漏对室外宏蜂窝基站产生影响，可采用无线直放站空间耦合进行无线覆盖。

施主天线采用常规的八木天线，安装在多层建筑楼顶，并通过馈线与安装在地下一层控制室内的无线直放站相连接。

无线直放站的增益为30～60 dB，下行输出功率为-40 dBm，上行输出功率为-15 dBm。

室内分布采用同轴电缆系统，采用1/2和7/8两种阻燃馈线。天线系统采用全向吸顶天线和定向壁挂天线相结合，并辅以功分器和耦合器组成室内分布网络。馈线和天线沿走廊呈树枝形分叉布置，天线间距离最长不超过16m，确保覆盖没有盲点。

经测算，天线信号强度-65～-70 dBm，满足无线覆盖需求。

4 结语

对于大型地下变电站而言，对手机无线覆盖的需求是有限的，业务流量相对较少。从投资经济性的角度来看，针对地下变电站“小容量、大覆盖”的特点，建设无线直放站既能最大限度满足地下变电站的无线覆盖需求，又能控制投资规模，降低成本支出，可谓是一举两得。此外，对于通常与地下变电站同步建设的大型电力隧道，亦可考虑建设无线直放站来实现电力隧道内的无线覆盖，并针对其结构特点调整优化相应的室内分布系统,从而实现对主要的大型地下电力设施无线信号的全覆盖。

[1] 边永生.直放站的工程设计和调测[J].中国无线电,2006(5): 24-27.

[2]胡捍英,杨峰义.第三代移动通信系统[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[3]周月巨.移动通信工程设计[M].北京：人民邮电出版社，1994.

[4]韩斌杰.GSM原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]张平等编著.WCDMA移动通信系统[M].北京：人民邮电出版社，2004.

WirelessCoverageSystemofLargeUndergroundSubstation

ZHAO Xiumin, WU Guodong

(Information and Communication Company, SMEPC, Shanghai 200122, China)

According to the demand of the wireless coverage of large underground substations, this paper analyzes and compares the characteristics of various kinds of wireless coverage technology, and selects the wireless repeater as the preferred option. Then in combination with the design case of a large underground substation wireless coverage, it presents the related design specification, configuration parameters and test results, providing the reference for establishing large underground substation wireless coverage.

wireless coverage; repeater; donor antenna; indoor distribution

10.11973/dlyny201705007

赵修旻(1980—)，男，硕士，高级工程师，从事电力通信传输及数据网络技术研究。

TU753

A

2095-1256(2017)05-0519-04

2017-05-18

(本文编辑：赵艳粉)