WiMAX在配電網(wǎng)自動化中的應(yīng)用探討

伍 瑞，朱吉然

(1． 湖南省電力公司長沙電業(yè)局，湖南 長沙410015;2． 湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

配電網(wǎng)自動化對于提高供電可靠性、提升供電能力、降低線耗和減輕勞動強度具有重要意義。配電自動化系統(tǒng)通過實時獲取配電設(shè)備的運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)和監(jiān)控配電設(shè)備運行情況，在發(fā)生配網(wǎng)故障時，進行快速故障定位、隔離和恢復(fù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)運行。

配電自動化系統(tǒng)需要借助可靠的通信手段，將各遠方FTU，DTU 和TTU 等配電終端采集的各類遙測遙信信息上傳至配電主站或子站，同時將配電主站或子站的遙控命令下發(fā)至各配電終端。因此，通信系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了配電自動化系統(tǒng)的優(yōu)劣。近年，隨著配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)通信領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種無線通信方式。其中，寬帶無線接入技術(shù)作為下一代通信網(wǎng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕尤爰夹g(shù)之一，正受到業(yè)界越來越多的關(guān)注，尤其是WiMAX 技術(shù)。

1 WiMAX 無線專網(wǎng)簡介

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波互聯(lián)接入，是一項基于IEEE 802.16 標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network)，該標(biāo)準(zhǔn)僅制訂了物理層(PHY)和媒質(zhì)接入層(MAC)的規(guī)范，是針對微波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX 基本目標(biāo)是確保不同廠商的無線設(shè)備在城域網(wǎng)接入環(huán)境下，實現(xiàn)互連互通，主要用于為家庭、企業(yè)、移動通信及電力通信中提供“最后1 km”的高速寬帶接入方式。

目前，電力系統(tǒng)依托高壓輸電線路已建成SDH 光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，主要覆蓋110 kV 及以上變電站，同時也連接到了各電業(yè)局，并根據(jù)電力營銷系統(tǒng)等業(yè)務(wù)需求，覆蓋到所有配營部、營業(yè)所。電業(yè)局下屬的業(yè)務(wù)單位如果都采用光纖實現(xiàn)寬帶接入，建設(shè)難度大、投資高。若采用WiMAX 技術(shù)開通無線寬帶接入服務(wù)，連至各單位，提供語音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)，是一個成本低且見效快的建設(shè)方案。

WiMAX 電力專網(wǎng)作為一個全IP 網(wǎng)絡(luò)，可以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)直連。WiMAX 無線基站提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，支持TCP/IP 協(xié)議，連結(jié)城域網(wǎng)。WiMAX 無線終端可直接連接二層交換機、綜合接入設(shè)備、無線路由器和其他常見網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，提供語音和視頻數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了無線寬帶接入和現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)及軟交換網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

2 WiMAX 在配電網(wǎng)通信中的優(yōu)勢

2.1 配電網(wǎng)的通信現(xiàn)狀

目前，配電自動化系統(tǒng)主要包括有線和無線2種通信方式，有線以光纖通信、電力載波通信為主導(dǎo)，無線主要以GPRS/CDMA 技術(shù)為主。無線方式較之有線方式具有更多優(yōu)勢。

配電網(wǎng)通信終端點多面廣，有線通信方式在網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、有線通道鋪設(shè)及施工等方面都將面臨較大問題〔1〕。以電力通信骨干中的光纖通信技術(shù)為例，光纖通信要成為配電網(wǎng)通信的主流方式，在成本等方面具有一定的劣勢。首先，在配電網(wǎng)各配電站點廣泛鋪設(shè)光纖，特別是配電終端節(jié)點較多時，建設(shè)成本過高;其次，當(dāng)配電線路與電力光纜同桿架設(shè)時，如果出現(xiàn)通信中斷，則需要停電對通信信道進行檢驗，這對于供電可靠性要求較高的配電網(wǎng)而言，是個很大的問題。無線通信方式不需要進行通信信道的敷設(shè)且擴展方便。目前使用的無線通信主要是GPRS/CDMA 通信方式，采用電信服務(wù)商提供的服務(wù)成本高，且具有信息安全隱患。在出現(xiàn)與電話通信數(shù)據(jù)沖突時，通信時延大，無法完全滿足配網(wǎng)自動化的要求，且通信信道不為電力通信部門監(jiān)控，不能進行很好地維護和掌控。

2.2 WiMAX 技術(shù)的優(yōu)點

相對于目前的配電網(wǎng)通信方式，WiMAX 技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)點:

1)廣覆蓋、高寬帶。WiMAX 作為面向城域網(wǎng)的無線寬帶接入技術(shù)，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達75Mbps，對電力載波通信和傳統(tǒng)無線通信而言具有巨大的優(yōu)勢。且最遠傳輸距離可達50 km〔2〕，覆蓋面積是傳統(tǒng)無線發(fā)射塔的10 倍，建設(shè)少數(shù)無線基站就能實現(xiàn)全城覆蓋。

2)成本低、可靠性高。城市配電網(wǎng)中，配電終端數(shù)量大、分布范圍廣，一個中等城市配電終端有上萬個。與鋪設(shè)光纖的通信方式相比，WiMAX建設(shè)無線基站數(shù)量少，大大降低了建設(shè)成本，同時，也能降低通信系統(tǒng)投運后的運維成本。WiMAX 的MAC 層包含QoS 機制，可確保網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供高可靠性的數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)。

3)易監(jiān)管、實時性強。WiMAX 通信系統(tǒng)作為電力通信部門自身建設(shè)的城域網(wǎng)絡(luò)，完全由電力部門掌控，易于監(jiān)管維護。與傳統(tǒng)的無線通信方式相比，最高傳輸速率可達75 Mbps，傳輸時延小。

4)安全性強，吞吐率大。WiMAX 在介質(zhì)訪問層中定義了一個加密子層，為用戶提供了完善的加密機制〔3〕。用戶可通過數(shù)字證書的方式，對WiMAX 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，使其滿足配電網(wǎng)自動化業(yè)務(wù)二次安全防護方面的要求。此外，WiMAX 能實現(xiàn)不同的信號區(qū)調(diào)制方式的自動切換，使系統(tǒng)在遠距離上的數(shù)據(jù)吞吐率最大。

5)易于施工，受外界影響小。WiMAX 可克服某些地區(qū)光纜難于敷設(shè)的困難，不受河流、密集住宅區(qū)、橋梁道路等復(fù)雜地理環(huán)境的影響;不會受冰雪、洪災(zāi)等地質(zhì)災(zāi)害的影響。且當(dāng)配網(wǎng)設(shè)備發(fā)生異動導(dǎo)致配電終端位置變化時，相對于光纖通信需要重新敷設(shè)光纜，WiMAX 網(wǎng)絡(luò)不需要調(diào)整。

3 WiMAX 在配電網(wǎng)中的應(yīng)用模型

WiMAX 無線專網(wǎng)能夠按需對帶寬進行分配，最大程度地利用帶寬資源，可以訂制上千種服務(wù)流，設(shè)置時延，帶寬范圍和優(yōu)先級，實現(xiàn)P2P 的QoS 服務(wù)。

WiMAX 在兼顧公平性原則基礎(chǔ)上，平衡特殊業(yè)務(wù)要求的帶寬需求?？上蚺潆娊K端提供不同性能質(zhì)量的數(shù)據(jù)、視頻等服務(wù)，并根據(jù)信息的優(yōu)先級，保證重要的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸。對于視頻等對時延較為敏感的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，控制傳輸時延，確保業(yè)務(wù)流暢性。

WiMAX 具有的靈活帶寬分配、時延控制、安全防護性能好等特點，特別適合配電網(wǎng)建設(shè)的需求。配電自動化通信系統(tǒng)采用WiMAX 電力專網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景。典型的利用WiMAX 實現(xiàn)配電自動化通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示，配電終端通過WiMAX 無線通信模塊將設(shè)備信息上傳至WiMAX 通信基站，經(jīng)由交換機連接至SDH 電力光纖主干網(wǎng)，傳輸至配電自動化主站系統(tǒng)。圖中配電自動化終端可為DTU，F(xiàn)TU 或者TTU 等設(shè)備。

圖1 WiMAX 在配電網(wǎng)中的應(yīng)用模型

在城市配電網(wǎng)中，可以根據(jù)配電終端覆蓋面積和通信帶寬要求，架設(shè)1 臺或者多臺WiMAX 無線基站，實現(xiàn)所有WiMAX 無線終端接入及交叉覆蓋。WiMAX 無線基站基于宏蜂窩技術(shù)，設(shè)計階段需要綜合考慮接入無線網(wǎng)絡(luò)的配電終端分布位置數(shù)量、傳輸頻率選取以及覆蓋范圍等因素。

WiMAX 無線基站通過專用光纖通道接入電力主干通信網(wǎng)。配電自動化終端通過WiMAX 無線終端形成的網(wǎng)絡(luò)接入，從而實現(xiàn)配電自動化終端與配電主站之間遙信、遙測和遙控等實時數(shù)據(jù)傳輸，滿足了配電自動化實時通信的要求。圖2 給出了某城市實際利用WiMAX 無線通信方式實現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的示意圖。

圖2 某城市WiMAX 無線通信方式網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 WiMAX 在配電網(wǎng)應(yīng)用存在問題和難點

WiMAX 作為配電網(wǎng)通信中發(fā)展的一種新型通信方式，集中了傳統(tǒng)有線通信方式的QoS 服務(wù)質(zhì)量保證、高帶寬及無線通信方式的靈活性、移動性。然而，WiMAX 在配電網(wǎng)應(yīng)用中仍存在問題和難點。

首先，建設(shè)WiMAX 無線電力專網(wǎng)需要分析提供的業(yè)務(wù)所需的通信模式、終端分布、覆蓋面積和通信頻段要求，分析帶寬的需求和分布;根據(jù)應(yīng)用要求，做出容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃的配置。

其次，在WiMAX 電力無線專網(wǎng)建設(shè)初期，需要充分考慮未來業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)容量擴充的要求，要預(yù)留足夠的容量。分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時，綜合考慮各種業(yè)務(wù)服務(wù)需要，針對不同業(yè)務(wù)類型進行服務(wù)優(yōu)先級劃分，并考慮不同位置、不同時段通信容量需求變化情況〔4〕。

當(dāng)前，頻譜資源分配是WiMAX 技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨的核心問題。信息產(chǎn)業(yè)部已經(jīng)為寬帶無線接入分配了3.5 GHz 和5.8 GHz 2 個頻段。目前商用的WiMAX 無線設(shè)備多采用3.5 GHz 頻段，國內(nèi)這個頻段在很多地區(qū)已由眾多電信運營商獲得，且獲得的頻段資源均有限，因此，電力通信部門需要爭取使用權(quán)。5.8 GHz 頻段在我國雖屬開放頻段，可用于建設(shè)寬帶無線接入網(wǎng)，但也存在與多點擴頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、藍牙系統(tǒng)等的共存問題，需要協(xié)調(diào)使用。

5 結(jié)束語

通過以上探討，可以看出WiMAX 已經(jīng)具備了諸多適用于配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。雖然它在實際應(yīng)用中還存在頻率資源緊張等問題和難點，但WiMAX 打破了傳統(tǒng)通信方式的概念，為配電網(wǎng)自動化提供了新的通信解決方案，也為電力部門通信服務(wù)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

〔1〕劉承成． 配電自動化系統(tǒng)通信方式的研究〔J〕． 安徽電力，2009，26(1):70-72．

〔2〕楊強，張朝霞． WiMAX 在電力通信中的應(yīng)用探討〔J〕． 電力系統(tǒng)通信，2008，29(189):19-20，24．

〔3〕王茜，王巖． 無線城域網(wǎng)WiMAX 技術(shù)及其應(yīng)用〔J〕． 電信科學(xué)，2004，(8):27-30．

〔4〕Ghosh，A． Woher，D R，Andrews，J G，et a1． Broad band wireless access with WiMAX － 802． 16:current performance benchmarks and future potential 〔J〕. IEEE Communications Magazine，2005，43(2):129-136．