电力无线专网在抽水蓄能电站建设中的应用研究

李晋先 陈磊 张明儒 岳明奕

抽水蓄能电站在电网中承担调频、调相、调峰及黑启动等重要作用。针对抽水蓄能电站位置偏僻、电站覆盖面广和洞室错综复杂等特点，首次将电力无线专网技术应用到抽水蓄能电站，有助于抽水蓄能电站更好的实现工程现场智能管控。系统以光纤传输为主，无线网络传输为辅，选用eLTE技术，经多次仿真测试，结果表明系统满足电站无线信号覆盖需求。

1引言

绝大部分抽水蓄能电站地处偏远、电站覆盖面广、电站区域山谷河流较多，海拔落差大，地理条件复杂，通信运营商网络无法覆盖整个电站，例如：隧道内、地下洞室、交通道路和山下库区等诸多区域覆盖效果不佳，无法满足电站正常应急及安全智能管控系统等通信需求。

电力无线专网通过部署基站的方式，以光纤传输为主，无线网络传输为辅，采用eLTE技术进行信号覆盖。单个基站的覆盖半径可达5 ～15 km，覆盖范围广、距离远；数据时延小于50 ms，可实现应急通信指挥功能；吞吐量下行100 Mbps，上行50 Mbps，满足视频监控、视频对讲等业务的带宽需求；CPE终端、生产调度终端、双网手机（专网+运营商）和移动PDA等多种移动终端均可接入，满足数据采集等多种业务场景的使用需求；安全性高，本身具备完善的安全防护措施。

2抽水蓄能电站业务需求

本文以河北丰宁抽水蓄能电站为例进行介绍，抽水蓄能电站无线专网技术应用的业务需求包括：

（1）集群通信

以eLTE应急指挥系统大网，将电站现场音视频信息实时传回指挥中心，实时通信高效保证安全生产；对突发事件，可紧急调度、快速响应；多媒体调度提高效率。

（2）视频监控

包括实时监控、视频巡检以及对固定视频监控补充，对视频监控盲区，通过临时架设无线摄像头回传系统，避免破路、挖沟和布线，实现快速部署；高清监控，可以用于短期突发监控需求。

（3）数据回传

通过移动接入终端完成现场数据采集、数据回传，包括对巡检数据进行实时回传；对分散在电站区域的传感业务数据进行采集；对人员车辆定位等业务数据进行承载。

（4）移动通信

包括日常巡检时的移动办公、实时回传；在建扩容时搭建临时通信设施，方便拆装；应急抢修抢险时的便携移动、快速安装。

3主要研究内容

3.1系统架构

业务应用层，部署各种应用服务器，为用户提供应用业务。目前主要业务有视频监控、移动办公和集群调度等。

传输网络层，部署核心网设备以及电站内部传输网络。核心网设备部署在内部传输网络的边缘、电站的信息机房内。

无线覆盖层，电站的无线覆盖分为室外覆盖和室内覆盖。室外区域包括业主营地、上下库区和道路，在室外部署无线基站进行覆盖。室内区域包括洞室区、地下主厂房和隧道，采用部署基站+天线进行覆盖。

终端接入层，包括移动办公终端、移动巡检终端、视频监控摄像头、宽带数据终端和集群终端等。

3.2基站

（1）覆盖范围

电站基建期：为施工现场提供通信保障。

电站生产期：为整个电站区域提供通信保障。

（2）覆盖设计

结合抽水蓄能电站的覆盖需求，做到重点区域全面覆盖，部分区域选择性覆盖。

①上水库区域

经过现场勘查，水库区域位于多个山顶的顶部，整体区域比较开阔，需要全面覆盖的大部分区域无遮挡物阻挡无线信号覆盖，且在西北方向有一座较高的山体，适合布点基站。

②下水库区域和业主营地

经过现场勘查，下水库区域和业主营地区域由几座山相邻，最远直线相距2.8 km，中部有几座山相隔，覆盖区域比较分散，而且下水库部分覆盖区域有山体阻挡无线信号覆盖。业主营地位于山脚平地，比较开阔、无山体阻挡。选择拉远RRU进行分别覆盖。

③地下洞室

经过现场勘查，主厂房和主变洞区域正在开挖，只能根据设计图纸进行了解，该区域为设备安装区域，厂房墙体坚硬，金属设备比较多，对无线信号衰减和屏蔽大；其他洞区域（通风洞、交通洞），进行现场勘查，这洞室宽约6 m，高约7 m，有部分区域存在60°以上的拐弯和上下起伏，整体无线覆盖环境比较复杂，且安装条件比较困难。

3.3核心网

业务引擎负责数据转发，采用eLTE核心网平台，集成鉴权用户管理功能（部分SAE-HSS功能单元）、MME功能单元、S-GW、P-GW功能单元和PCRF功能。

3.4终端

（1）CPE终端

CPE承担eLTE无线广域网数据和本地数据之间的转换任务，具备回传功能，可独立使用，用于室外部署。

（2）生产调度终端

高端宽带集群手持大屏终端，是专网行业应用中功能强大的集群终端，能同时支持私密呼叫、组呼、短信彩信、宽带数据接入、视频调度业务及多业务并发。支持4.5英寸高亮触摸屏，Android智能操作系统，可广泛应用于公共安全、能源和交通等非特殊要求行业，实现专业集群调度、多媒体调度及宽带数据功能。

3.5网管

网管系统提供统一运维管理能力，对网络和业务质量进行监视和分析，管理范围包括：基站设备管理和业务引擎设备管理。

基站设备管理功能包括：设备接入、告警管理、性能管理、拓扑管理、网元管理器、设备软件升级、MML客户端和配置数据同步。

业务引擎设备管理功能包括：设备接入、告警管理、拓扑管理、网元管理器、MML客户端和配置数据同步。

4仿真測试

4.1覆盖目标

基于现阶段无线专网业务主要为视频监控回传业务、集群应急通信业务等，本项目的覆盖目标按如下要求取定：

CPE终端速率上行50 Mbps、下行100 Mbps，边缘速率下行/上行均大于2 Mbps，重点区域覆盖率不低于95 %，非重点区域覆盖依据重点区基站建设情况尽可能覆盖最大面积。

4.2参数取定

（1）系统设备参数

系统制式：TD-LTE；

系统频率：1.8 GHz；

系统带宽：10 M（1 785～1 795 MHz）；

TDD上/下行时隙配置：3：1；

特殊子帧配置：3：9：2；

設备形态：4T4R，发射功率为20 W×4（49 dBm）。

（2）定向天线参数

天线类型：定向天线；

基站天线：天线增益19.5 dBi，半功率角65°；

基站天线挂高：25 m最低要求（实际部署站址高度更高，覆盖效果更好）。

（3）抛物面天线参数

天线类型：抛物面天线；

基站天线：天线增益19.5 dBi，半功率角65°；

基站天线挂高：10 ～15 m最低要求。

（4）终端参数

终端类型：CPE终端，1T2R；

终端最大发射功率：200 mW（23 dBm）；

终端天线增益：12 dBi；

终端天线高度：1.5 m最低要求（实际部署高度更高，覆盖效果更好）。

4.3实验仿真测试

根据研究方案，分别对室外和室内进行软件仿真。从软件仿真测试结果可以看出，距离RRU1.8公里的终端，传输带宽为2 MHz，满足抽水蓄能电站智能管控的需求。将eLTE技术应用到抽水蓄能电站专网中，仿真测试结果表明，系统满足电站信号覆盖需求。

5建设效益

为电站基建期及永久期各种移动业务提供良好的业务承载能力，为各阶段业务系统的灵活接入和稳定高效使用提供网络支持，部署无线网络系统后可开展基建智能化、指挥通信、应急调度和物联网承载等业务，避免由于没有网络接入导致业务不可用，对电站的建设和生产管理和工作效率起到不可或缺的支撑作用。

5.1经济效益

自建与租用成本对比分析：采用无线专网自建方案采用一次投入方式，按照目前电站租用运营商设备的建设方式对比，其建设成本与4 ～5年设备租赁费用与维护费用相当，考虑固定资产的全生命周期，这种自建方式更为节省成本。

避免多次重复建设：无线专网一次建设完毕后，由于其性能满足未来扩展阶段业务需求，在新的业务系统部署时可提供灵活及时的网络接入能力，无需再次增加其他业务系统的基础网络建设投入，避免由于基建期转生产期部署多个业务系统时大量的网络建设投入成本。

5.2社会效益

提供业务支撑能力，提升生产管理效率：从基建期及生产运营期全阶段来看，无线专网部署均对生产管理、质量监控和安全保障具有重要的作用。确保信息系统更好为电站业务系统服务。

目前在电站大部分区域无法提供有效的网络接入能力，包括无法提供4G网络接入信号，导致大量的现场基建管理采用传统方式完成，有时无法实现即时通信保障，从生产管理效率提高方面来看，无线网络专网的建设将实现网络接入，确保先进可靠的现代化管理手段可以迅速开展，提高工作效率和质量。

从网络安全的角度来讲，电站大量生产业务、监控业务属于内网核心数据，如果采用运营商4G网络实现数据传输，存在严重的安全生产管理隐患，甚至存在被黑客实现非正常接入及远程控制的风险，造成无法估量的安全风险。

为业务模式创新提供网络接入：无线专网的部署，可以改变传统的业务模式，例如业务巡检，通过无线专网实现物联网传感器自动巡检，即实现了无人作业，又保障了监控频度和效率，为电站的业务扩展提供了基础网络支撑，为实现电站生产管理智能化提供业务扩展平台。

6结束语

电力专网已具备从终端、系统、核心网端到端和完善的商用产业链布局，已经开始规模商用部署，发展迅速；大容量、低时延、高并发和上下行时隙比配置灵活，支撑视频监控、集群和数据回传等多种业务，实现一张网络多种业务并存，节省投资；维护方便，不容易受到市政施工等影响；建设周期短，节约时间。在抽水蓄能电站应用有助于电站更好的实现工程现场智能管控。