基建工程现场信息网络传输关键技术研究

吴 越，强 晟，赵振喜，李洪丰，马立新，黎志军

(1.国网吉林省电力有限公司,长春 130028； 2.国网吉林省电力有限公司信息通信公司，长春 130021；3.深圳市深精电科技有限公司，广东 深圳 518000)

作为国家电网公司的传统核心业务，电网工程建设经过多年的发展，业务体系方面已形成国网总部(决策层)、省市公司(管理层)、现场三个项目部(执行层)三个层级，管理职能形成进度、安全、质量、技术、造价、队伍六大专业，业务管理过程分为项目前期、工程前期、建设施工、竣工移交四大阶段，是企业核心价值链当中的关键一环。电网工程建设项目管理涉及专业多、技术复杂、协调量大、信息及时性要求高，而现有信息系统的通信链路在“最后一公里”接入存在不足，信息系统在施工现场的实际应用更多依靠现场信息员，信息录入工作繁琐，对现场业务人员造成较重的工作负担。

吉林公司聚焦国网公司“三型两网”战略目标[1]，基于国网基建部总体工作安排和泛在电力物联网建设大纲，结合省内基建工作存在的短板，瞄准工程建设管理关键节点、关键环节及需求聚焦点，利用“大云物移智”等先进科技手段，开展基建项目实时数据管理平台建设，因地制宜、先行先试，构建状态全面感知、数据高效处理，具有开放、共享特征的物联网生态，为国网基建全过程数字化管理平台建设做好上下游数据流纵向贯通工作，积极推动电网工程建设向数字化、智能化、物联化方向发展。

1 应用背景

现有国家电网基建信息化管理是由职能管理驱动，向下逐级覆盖至省级公司和市级公司，强调业务管理流程的标准化和规范化，应用数据获取方式多以人工录入为主，数据的真实性、准确性无法得到有效保障，系统功能设计往往忽视了基层工作的实际需求，线上信息与现场实际情况存在脱节现象，信息化的便利性及优越性无法真正体现[2]。随着国网公司提出构建“三型两网，世界一流”战略，泛在电力物联网建设为提高电网基建信息化管理的精益化水平提供最佳解决方案[1]。

以电网基建工程现场全过程施工为根本主线，围绕“人、机、料、法、环”五大要素，创新利用“大云物移智链”现代信息技术，构建以工程现场无线网络与边缘物联代理为代表的专业化、标准化、系统化的电网基建工程现场物联生态体系，实现施工现场状态自动感知、数据自动获取，全面提升现场实时管控能力，用技术驱动业务发展，将经验式管理转变为科学的数据管理，不断优化管理流程、减少管理环节、精简管控体系，通过提升现场信息感知和作业指挥能力、打通现场作业人员与后端工程专家的信息沟通渠道、提高数据自动化采集效率和质量，减少现场负担，真正做到为基层减负、为现场赋能，进而推动电网基建管理的根本性变革。

本文提出的基建工程现场信息网络基于长期演进(LTE)节点模式的自建无线通信网，适用于跨江、山林聚集区等无信号覆盖的环境。当已有信号和无信号覆盖位置之间信号衰减不大时，可以直接采用点对多点通信模式。即在已有信号覆盖的位置放置设备作为信号接收，无信号覆盖的位置放置作为信号发射，接收装置把发射装置收到的信号汇总送入网络层的电力光纤通信网，点对多点的节点数量不多于16个，点与点直接通信距离不小于15 km，可以解决电网基建线路工程受地形地貌限制而无法进行现场通信的现实问题。

图1 基建项目实时数据管理平台整体结构

2 平台整体建设方案

以基层减负和现场赋能为根本落脚点，紧紧围绕工程项目进度、安全、质量、技术、造价、队伍六大管理目标和现场“人、机、料、法、环”五大核心要素，以物联网思维开展基建项目实时数据管理平台作业现场感知层、网络层集成[2](边缘计算应用系统)及知识中心[2](基建业务精准搜索引擎)、即时通讯[2](基建业务指导即时通讯系统)的总体设计，依托现场通信网络实现工地现场泛在物联和全息感知。基建项目实时数据管理平台整体结构见图1。该平台具有如下优势。

a.聚焦现场，实用易用。整体系统软件功能、硬件装置均是以服务现场为原则，利用物联网技术，实现状态自动感知、数据自动采集，减少人为录入数据量，提高现场作业人员的状态感知和现场管控能力。同时，现场布设的传感装置、手持终端等装置和功能要符合现场作业流程、作业人员工作习惯，充分考虑实用性和易用性，简化操作步骤、便于携带维护，具备优良的应用体验，减轻现场人员的使用负担，同时进一步理清与上级统建系统的关系，实现数据的纵向贯通。

b.技术可靠，动态迭代。传感装置、通信组网、系统集成技术要同工程现场建设环境的实际特点紧密结合，在装置可靠性、维护便利性、环境适应性、使用安全性等方面开展重点攻关，积极采用成熟安全的技术产品，提高数据采集效率和质量。同时，不断引入行业内外的先进成果，不断推进现场感知产品的新陈代谢，形成良性、动态、开放的物联感知生态圈，更好的支撑业务长远发展。

c.先进引领, 技能提升。按照国网最新的泛在电力物联网规范标准要求，广泛开展物联技术收资和成熟实践案例的借鉴工作，确保各项工作具有一定技术先进性和行业引领性，为一线员工赋能，促进人员技能提升。

平台建设实施过程中按照“总体规划、分层开发”总体思路，遵循九个原则，即先进性原则、规范性原则、适应性原则、可扩展原则、可靠性原则、保密性原则、一致性原则、易用性原则和经济性原则。

3 国内外现场通信传输技术研究

物联网(IoT)是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。以WiFi、蓝牙为代表的传统短距无线通信技术，通过无线电波传输信息的通信双方传输距离限制在较小范围内，主要关注建立局部范围内临时性的物联网通信[4]，具备三个显著特点：第一个特点是低成本，工作频率是免付费的ISM频段；第二个特点是低功耗，无线发射器的发射功率一般在100 mW以内；第三个特点是对等通信，通信距离大多在几十米或上百米之内。

物联网最重要的特征是实现万物相连的互联网，这对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网(LPWAN)逐步成为主流。窄带物联网(NB-IoT)和LoRa(远距离无线电)是低功耗广域网最具有代表性的两种无线通信技术，具有不同的技术和商业特性，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。这两种技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合低功耗物联网应用，都在积极扩建自己的生态系统。以LoRa、NB-IoT为代表的广域网无线通信技术，二者技术差异见表1。

表1 NB-IoT与LoRa的技术差异表

泛在电力物联网建设“智能感知、广泛互联、高效共享、应用灵活”网络，形成“端-场-边-管-云”架构，基于“云雾协同”计算，实现终端层、网络层和平台层的能力开放，支撑能源互联网业务持续创新发展。在SG-eIoT架构[1]中， LTE是现场应用较为成熟的通信技术，其由第三代合作伙伴计划(3GPP)组织制定的通用移动通信系统(UMTS)无线数据通信技术标准，改进并增强了3G的空中接入技术，采用正交频分复用技术(OFDM)和多进多出(MIMO)作为其无线网络演进的唯一标准，在20 MHz频谱带宽下提供下行100 Mb/s与上行50 Mb/s的峰值速率，改善小区边缘用户的性能，提高小区容量，降低系统延迟。

现阶段，基于5G网络的、多场景的智慧电厂端到端业务验证，打造无线、无人、互联、互动的智慧场站，这是5G技术在智慧能源行业的重要突破。主流运营商部署5G超大带宽、超低时延、超高可靠的网络，成功实现无人机巡检、机器人巡检、智能安防、单兵作业四个智慧能源应用场景。实现数据传输从有线到无线，设备操控从现场到远程。通过全景高清摄像头，实现场站实时监控及综合监控。单兵场景中，通过智能穿戴设备的音视频和人员定位功能，实现专家对变电站现场运维人员远程作业指导。泛在电力物联网架构见图2。

图2 泛在电力物联网架构

4 自建无线网传输系统

自建无线网通信是一款点对多点宽带接入及数据传输的系统，支持一个主节点最多接入连接16个子节点的特性。该产品支持多种带宽分配(5、10、20 MHz)，扁平化系统架构设计，有效减少系统延时，提高系统传输能力，具备传输距离远、数据吞吐量大、抗干扰性强的特点。该产品采用集成电路芯片(SoC芯片)，提高集成度，大大降低系统功耗，减小模块尺寸，满足客户低功耗、便携等方面的需求。

在抗干扰方面：内置滤波器，抗带外干扰；动态调频，抗带内干扰。

在安全性方面：无线接入时，通过密钥来判定是否可以接入；无线传输时，可以选择SNOW/AES/ZUC三种加密方式的任意一种进行加密。

通信模块支持0.8 Gb/s、1.4 Gb/s两个频段，支持自动功控。根据最大发射功率有0.3 W、2 W和10 W三种产品。产品外观见图3，从上到下分别是0.3 W，2 W和10 W。

图3 自建无线网通信模块

4.1 钱塘江区域自建无线网通信系统

本次开展基于LTE中心节点模式的双向图传远距测试,测试场地1海拔高度约为1.5 km，放置主模块，接电脑，接两根16 cm长2 dBi全向天线。测试频点1 437.9 MHz，发射功率40 dBm，带宽20 MHz，主从测试驱动开发(TDD)配置1D4U，见图4。

图4 测试场地1主节点通信模块

受地球曲率和菲涅尔半径共同限制选择130 km、140 km处、150 km处3个地点作为从节点进行测试。

主从节点相距130 km时，经主、从节点所在电脑的数据测试，自建无线网通信系统可以提供上行约为10 Mb/s码率；主从节点相距140 km时，经主、从节点所在电脑的数据测试，自建无线网通信系统可以提供上行约为3.5 Mb/s码率；主从节点相距150 km时经主、从节点所在电脑的数据测试。当信噪比(SNR)值可以稳定在-4～-2 dB，自建无线网通信系统无法提供1 080 P实时视频所需的带宽，当SNR可以稳定在2～3 dB。根据链路信息的参考信号接收功率(RSRP)和SNR实测值，可以推测相距150 km测试场地2比测试场地1端的频谱干扰少，通信链路情况良好。

4.2 山林聚集区自建无线网通信系统试验

本次系统试验地点选取某抽水蓄能电站送出工程所在线路，多位于山林聚集区。工程的部分塔基处于运营商网络尚未覆盖的通信盲区，如N10耐张塔。选取N10塔附近区域进行室外-无线自建网试验，初步确定位置为W村东北角1 km处。

根据现场实地调研，手机在测试场地接收附近运营商基站的信号为无服务状态，满足开展室外自建无线网测试条件，根据现场条件测试无线通信系统绕射山区森林的能力。根据现场测试区域的实际情况，选择发射功率为10 W的通信模块，连接31.5 cm长的4 dBi基带天线，置于车顶并通过网线连接车内的测试笔记本电脑。因处于公网通信盲区，两个车辆借助测试电脑的FeiQ(飞秋)进行双方即时通信。一辆车静止，另一辆车向有山、树的方向驶离直至即时语音和系统连接中断，经实测信号绕射山区森林的距离为2.429 km。

选取第一个测试场地的西南角区域作为第二个测试场地，主要测试无线通信系统绕射房屋和穿越树林的能力，采用相同的测试方法，首先确定两个车辆的实际位置，在奥维互动地图获取两车间的相对距离为4.641 km。10 W无线模块相距4.64 km，SNR为6～7 dB。现场无线自建网可以提供至少10 Mb/s传输速率，参照基建工程现场的传输需求，可以满足单路1 080 P高清视频或基建可视化数据的有效传输。

5 结论

基建工程现场无线自建网通信系统采用基于LTE技术的中心节点模式双向远距传输。经过钱塘江范围实际测试，在通视条件下，10 W发射功率配合16 cm长2 dBi天线，承载单路1 080 P高清视频距离可达150 km。经过某抽水蓄能电站送出线路工程实际测试，山林聚集区的语音通信距离为2.429 km，通过调制与编码策略实现视频传输距离为2.5 km。选取的两个应用场景测试的传输距离、SNR、上行吞吐速率满足基建工程现场的应用条件，安全性和可靠性等参数指标达到了感知层现场通信预期效果，能够基本满足现场小数据量高速传输的需求。

随着5G的规模化商用，同时作业施工现场的通信环境逐渐改善，将研究探索现场大数据量高速传输的模式，简化现场组网方案，突破现场通信信号覆盖限制，从而使现场信息通信更快捷、更灵活、更便利，将驱动未来基建泛在电力物联网的发展将从软件服务、感知能力和通信组网方式三方面重点突破，真正实现施工现场信息采集智能化，为电网基建现场管理团队赋能。