700 MHz频段5G网络在电力系统中的应用分析

2020-09-02熊正平完颜绍澎顾舒娴

山东电力技术 2020年8期

熊正平，完颜绍澎，顾舒娴，于佳

（1.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏连云港 222002；2．南瑞集团有限公司，江苏南京 210000；3．南京苏逸实业有限公司科技信息网络分公司，江苏南京 210000）

0 引言

无线通信是保障能源互联网安全、可靠和高效运行的有效手段［1-2］。随着大量分布式可再生能源的接入和智能量测设备的应用，无线通信的重要性将进一步提高［3］。5G作为面向2020年后的新一代移动通信技术，是未来无线技术的发展方向［4-5］。5G能够带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验［6］，其基于软件定义、网络功能虚拟化等技术的网络架构能够支持网络资源的按需定制、高动态扩展与自动化部署，支持从接入网、核心网到承载网的端到端网络切片，从而为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，从而更好地适应未来电力多场景、差异化业务灵活承载的需求，有力促进能源互联网业务应用创新［7-8］。随着5G网络的发展，5G专网将作为支撑物联网发展的重要基础设施来满足各类场景需求，形成电网新业态，推动能源生态圈的质效提升和业态变革。为满足业务需求，提高通信技术指标的适应性，需要采用5G技术从根本上解决电力物联网的通信网络支撑问题［9-10］。文献［11］虽然描述了5G切片在电力物联网中的研究和实践，但是没有针对电力业务，对5G网络在电力中的应用做详细描述。重点针对700 MHz频段5G网络在电力系统中的应用进行详细分析，并阐述了700 MHz 5G专网与230 MHz无线专网混合组网的方式，以满足电力物联网业务需求。

1 电力业务需求分析

未来电力物联网的建设与发展，配电物联网、用户侧需求响应、电力现货交易等新兴业务将蓬勃发展，促进电网“透明化”、“可感知”，助力公司向智能电网运营商、能源产业价值链整合商、能源生态系统服务商转型发展［12］。电网将被打造成源网荷储全程在线、设备和装置全程在线、产业与生态全程在线的平台，使电网成为能源输送和转换的枢纽，社会经济和民众需求的共享平台。同时，驱动电网从传统的工业系统向平台型转化，支撑供给侧和消费侧的联动，高效连接新能源、各类储能、电动汽车、电能替代、能效互动等元素和服务，形成电网新业态，推动能源生态圈的质效提升和业态变革。

以配电物联网为例，配电物联网是传统工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络形态，通过配电网设备间的全面互联、互通、互操作，实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用，满足配电网精益化管理需求，支撑能源互联网快速发展。配电物联网的整体架构包括“云、管、边、端”四大核心层级，需满足业务灵活、高效、可靠、多样的通信接入需求。配电物联网包含多种信息采集类业务，如配变监测、台区与低压用户用电信息监测、环境监测、剩余电流动作保护器监测、配电箱功耗监测、线损分析等。当前采集范围主要为电力一次设备，采集频次包括月、天、小时级，采集内容以基础数据、图像为主，单终端码率约为100 kbit／s，每平方千米连接数量可达百个。未来，配电物联网采集范围将扩展到电力二次设备及各类环控、物联网、多媒体场景，采集频次将达到分钟级、准实时水平，采集内容视频化、高清化，单终端带宽需求增加至4~100 Mbit／s之间，连接数量预计显著增加，每平方千米达数百甚至上千个。

在电力物联网建设的驱动下，电力无线通信业务需求将进一步提升：电网控制类业务的时延将缩短至10 ms，可靠性需求最高提升至99.999%；采集类业务种类将激增，且在覆盖广度上最高需要提高50~100倍，达到数十亿级别，每平方千米接入量将增加至数千个；移动应用类业务最高需要提升到50 Mbit／s带宽与毫秒级时延。存量业务优化提升、新兴业务发展对无线通信网络的承载能力提出了新的挑战。

结合目前电力无线专网试点验证及权威检测机构测试情况，230 MHz电力无线专网系统平均传输时延为 50～100 ms［13］，当工作带宽为 7 MHz时基站吞吐量约为 10 Mbit／s；4G公网平均传输时延超过100 ms［14］，实际终端接入速率小于 10 Mbit／s。因此，230 MHz电力无线专网和4G公网对于电力物联网存量业务优化提升、新兴业务发展的支撑上存在瓶颈，不足以支撑单位面积内的海量连接、带宽接入和低时延业务需求。

2 5G网络传播模型

传播模型用于预测无线电波在各种复杂传播路径上的损耗，是移动通信网小区规划的基础。传播模型的准确与否，关系到小区规划是否合理，是否能以比较经济合理的投资满足建设的需求。

5G网络的3D传播模型，支持频率范围0.5~6 GHz，分为宏站市区、宏站郊区和农村这2种模型。

针对宏站市区，使用的传播模型公式为［15］

式中：PL为传播路径损耗，dB；hUT为终端设备的实际高度，m；hBS为基站的实际高度，m；fC为中心频率，GHz；d3D为基站与终端设备的空间距离，m；w为街道宽度，m；h为场景建筑物平均高度，m。具体参数如图1所示。

频率越低传播损耗越小，覆盖距离越远绕射能力越强。低频段频率资源紧张，系统容量有限；高频段频率资源丰富，系统容量大，但频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，特别是室内覆盖越差。因此高频段需要的站址数量远大于低频段。同时覆盖范围还受建筑物密度高度、地形地貌、植被分布等影响，而适当增加天线高度，可以减少传播损耗。

图1 传播模型参数

根据式（1）和式（2），可得出在城区和郊区农村的覆盖半径，选取5G最常用的频段，分析得出各频段基站覆盖半径如表1所示。

表1 各频段5G基站覆盖半径 km

3 5G专网与公网能力对比

若使用5G专网，可由广电提供700 MHz“黄金频段”（698~806 MHz）中的部分频谱资源，自建基站、传输网至核心网的5G网络基础设施。5G专网使用的700 MHz频段具有信号传播损耗低、覆盖广、穿透力强、组网成本低等优势特性，被称为“数字红利”。若使用5G公网，可租用运营商网络资源，运营商通过端到端网络切片方式为电力行业用户提供按需定制的网络接入服务。5G公网运营商所使用的频谱主要为：中国移动 2.515~2.675 GHz、4.8~4.9 GHz，频率范围260MHz；中国电信 3.4~3.5GHz，频率范围 100 MHz；中国联通3.5~3.6 GHz，频率范围100 MHz。

对比5G专网与5G公网能力：在频谱资源方面，5G专网可独享广电700 MHz的部分频率，而5G公网独享部分频率开展电力5G建设及应用的可能性较小，需与其他行业共享频率资源；在网络覆盖方面，5G专网的700 MHz频段具有明显优势；在产业链成熟度方面，5G公网现阶段具有明显优势，5G专网的700 MHz产业链将随着牌照的正式发放日趋成熟；在建网投资规模方面，5G专网因700 MHz频率的传播特性较好，单基站覆盖半径大，故建网投资相对较低；在业务支撑能力方面，5G专网具备灵活接入配用电侧控制业务的能力，以及对电力业务需求定制化设计的能力，较公网可管、可控；在安全保障方面，5G专网具有明显优势，具备对所承载业务自主管控的能力；在运维模式方面，5G公网依托运营商成熟的运维经验和手段，行业用户使用5G公网具有免运维优势；在运营模式方面，5G专网更有利于开展电力物联网新兴业务，为公司培育发展新的利润增长点。因此，5G专网能够满足电力物联网建设及发展需求，以及公司对数据信息安全、网络可管可控的要求，在长期运行中具有更为显著的效益。

4 5G专网综合应用

结合各自技术优势、标准及产业链发展现状，可实现700 MHz 5G专网与230 MHz无线专网通过混合组网方式承载电力物联网综合应用。当前，700 MHz 5G产业链较3.5 GHz中频段5G产业链薄弱，但随着国内5G牌照的发放，700 MHz产业链将日趋成熟。230 MHz无线专网产业链现阶段已相对成熟，IoT-G 230 MHz、LTE-G 230 MHz 均已具备系统级设备。

230 MHz无线专网主要采用纯自建方式，可优先承载电网末端控制类业务，在满足条件下可承载小颗粒采集类业务。5G专网主要采用与广电合作共建方式，使用广电700 MHz的部分频谱资源，自建5G基站、传输网、核心网与网管运维系统，实现电力5G网络的自主建设及应用，可同时满足电力物联网存量、增量及新兴业务的承载需求。同时，230 MHz无线专网核心网支持升级演进至5G专网基站接入；230 MHz无线专网基站也可接入公司自建的5G核心网，即实现5G专网与230 MHz专网共核心网部署，通过混合组网方式承载电力物联网综合应用。5G专网、230 MHz专网综合应用如图2所示，采用700 MHz 5G专网与230 MHz无线专网混合组网的方式承载电力物联网业务，二者基站共同接入核心网中，实现核心网统一部署。