TD—LTE 1.8GHz 無線寬帶系統(tǒng)在如東電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用

孫超

【摘要】 為推進(jìn)縣域電力通信網(wǎng)的建設(shè)，滿足配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)需求，基于TD-LTE的無線寬帶專網(wǎng)在南通如東縣試點(diǎn)建設(shè)。本文介紹了該項(xiàng)目的建設(shè)情況，并對無線專網(wǎng)在電力系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)問題進(jìn)行了討論，對無線專網(wǎng)在電力系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】 TD-LTE 1.8GHz 縣域電力通信網(wǎng)

縣域電力通信網(wǎng)是推進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)智能化建設(shè)，保障電網(wǎng)生產(chǎn)、運(yùn)行、管理和供電服務(wù)的重要基礎(chǔ)，為規(guī)范有序推進(jìn)縣域電力通信網(wǎng)的建設(shè)，不斷提高農(nóng)網(wǎng)智能化水平，國網(wǎng)公司在全公司范圍開展了縣域電力通信網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)工作。南通如東縣供電公司作為江蘇省的三家試點(diǎn)單位之一，重點(diǎn)開展了TD-LTE 1.8GHz 無線寬帶專網(wǎng)的建設(shè)工作。目前，該無線寬帶系統(tǒng)已竣工投運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)要求，證明了無線專網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的。

一、業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

如東TD-LTE 1.8GHz 無線寬帶專網(wǎng)目前重點(diǎn)試點(diǎn)開展配電自動(dòng)化、分布式電源控制等生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)。

1.1配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)

1）配電自動(dòng)化。配電自動(dòng)化基于對各配電終端信息的采集，實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，并通過對采集數(shù)據(jù)的分析計(jì)算和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的輔助科學(xué)管理。2）配變監(jiān)測。配變監(jiān)測實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)10kV公用配電變壓器的監(jiān)測，通過采集配變和開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量監(jiān)測，并對采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管理和遠(yuǎn)程傳輸，以提高配變的運(yùn)行管理水平，降低配電線路損耗。

1.2分布式電源控制

分布式電源控制實(shí)現(xiàn)對分布式電源的并網(wǎng)斷路器、升壓變壓器、逆變器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管理和對設(shè)備遠(yuǎn)程進(jìn)行控制。

二、TD-LTE 1.8GHz 無線寬帶系統(tǒng)概述

LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）技術(shù)采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行326Mbit/s與上行86Mbit/s的峰值速率。LTE技術(shù)具有非視距傳輸能力強(qiáng)、抵抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大、不受限于地面線路結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能針對配電自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化以及配電網(wǎng)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等需求，能夠在非視距的條件下為用戶提供多場景下的高帶寬無線數(shù)據(jù)接入，以及VOIP、視頻監(jiān)控等多種增值業(yè)務(wù)，改善電網(wǎng)整體工作性能和效率。

三、TD-LTE 1.8GHz 無線寬帶系統(tǒng)在如東電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1通道組織

如東TD-LTE 1.8GHz 無線寬帶系統(tǒng)按I、II區(qū)網(wǎng)絡(luò)配置，主要傳輸配網(wǎng)自動(dòng)化信息，業(yè)務(wù)需從配電終端傳送至如東供電公司，網(wǎng)絡(luò)分為接入層和骨干層兩層，其通道組織如下：接入層通道為配變終端至骨干層節(jié)點(diǎn)的傳輸通道，擬采用無線寬帶方式，技術(shù)體制采用TD-LTE，頻點(diǎn)選用1.8GHz。配電終端配置無線寬帶數(shù)傳終端，通過本工程新建無線寬帶系統(tǒng)將信息接入基站。骨干層將利用如東骨干通信網(wǎng)接入層網(wǎng)絡(luò)，無線寬帶系統(tǒng)基站信號接入如東PTN傳輸網(wǎng)傳送至如東縣供電公司。

3.2基站設(shè)置及覆蓋仿真

考慮覆蓋范圍要求并按利用如東供電公司自有物業(yè)設(shè)置基站的原則，本次5個(gè)基站分別設(shè)在供電公司大樓、微波站、掘南變電所、掘港供電所、配送中心，天線掛高均為45米。綜合考慮本期基站擬建設(shè)的位置、覆蓋區(qū)域無線環(huán)境、天饋線條件等因素，通過系統(tǒng)仿真確定整個(gè)無線寬帶系統(tǒng)的覆蓋范圍。

1、系統(tǒng)參數(shù)。本次系統(tǒng)仿真采用同頻組網(wǎng)，小區(qū)帶寬為5MHz，小區(qū)發(fā)射功率為46dBm，噪聲系數(shù)為3dB，采用4*4MIMO多天線，RS信號功率12.2dBm，調(diào)制編碼方式采用自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC），采用水平波瓣3dB寬度為65度的定向智能天線對定向站進(jìn)行仿真。

2、無線傳播仿真模型。本次無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型如下公式所示，其中k1～k7的取值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Cost231模型轉(zhuǎn)換而來。標(biāo)準(zhǔn)宏小區(qū)傳播模型：

其中，

Path_Loss：傳播路徑損耗中值（dB）

d：接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離（km）

Clutter_Loss：地物衰減修正值

Hms：移動(dòng)臺天線有效高度（m）

Heff：基站天線有效高度（m）

表1 區(qū)域傳播模型（Aircom格式）

區(qū)域類型 K1（dB）

衰減常數(shù) K2

距離衰減常數(shù) K3

移動(dòng)臺天線高度修正因子 K4

移動(dòng)臺天線高度修正因子 K5

基站天線高度修正因子 K6

基站天線高度修正因子 K7

繞射修正因子

城區(qū)環(huán)境 156.61 44.9 0 0 -13.82 -6.55 0

郊區(qū)環(huán)境 151.67 44.9 0 0 -13.82 -6.55 0

3、覆蓋仿真分析。RSRP（RS Received Power，RS接收功率）是衡量RS信號（Reference Signal，參考信號）覆蓋的一個(gè)基本參數(shù)，這里的RSRP值是指每RE（Resource Element，資源粒子）的RS信號接收功率。只有RSRP達(dá)到了一定的門限，才能進(jìn)行后續(xù)的業(yè)務(wù)性能的分析。本次覆蓋仿真將采用通過對5座基站RSRP的仿真，得到了基站覆蓋的范圍。站點(diǎn)覆蓋仿真結(jié)果如圖1。

根據(jù)該區(qū)域RSRP仿真圖層統(tǒng)計(jì)，覆蓋區(qū)域內(nèi)的信號強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 RSRP覆蓋統(tǒng)計(jì)

RSRP強(qiáng)度（dBm） 區(qū)域面積（km2）

-115.00 <= x < -110.00 dBm 81.670

-110.00 <= x < -105.00 dBm 49.025

-105.00 <= x < -100.00 dBm 29.070

-100.00 <= x < -95.00 dBm 16.384

-95.00 <= x < -90.00 dBm 8.544

-90.00 <= x < -85.00 dBm 3.580

-85.00 <= x < -80.00 dBm 0.665

4、結(jié)論。本次仿真中根據(jù)如東地區(qū)五座基站的分布位置的具體無線環(huán)境劃分5座基站的各扇區(qū)仿真環(huán)境。配送中心離城區(qū)較遠(yuǎn)，周圍無明顯建筑物遮擋，仿真中將配送中心的朝北的扇區(qū)定義為郊區(qū)環(huán)境，其他兩個(gè)扇區(qū)及城區(qū)四座基站的扇區(qū)定義為城區(qū)環(huán)境，仿真結(jié)果如圖3.2-1所示。

工作在1.8GHz頻段的TD-LTE無線系統(tǒng)，當(dāng)RSRP>=-115dBm時(shí)，系統(tǒng)室外覆蓋面積大約為81.67km^2。當(dāng)RPRP=-110dBm時(shí)，城區(qū)環(huán)境的小區(qū)覆蓋半徑為1.9km，郊區(qū)環(huán)境的小區(qū)覆蓋半徑為3.89km。而根據(jù)鏈路預(yù)算結(jié)果，本系統(tǒng)是上行業(yè)務(wù)受限，估算的覆蓋小區(qū)半徑城區(qū)環(huán)境為1.69Km，郊區(qū)環(huán)境為3.79Km。鏈路預(yù)算和仿真的差別很小。

3.3系統(tǒng)配置

如東縣供電公司無線寬帶系統(tǒng)建設(shè)包括核心網(wǎng)、基站系統(tǒng)、終端設(shè)備。核心網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，接入網(wǎng)絡(luò)的控制管理；終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳，控制信息的接收和發(fā)送；基站系統(tǒng)完成上下行基帶信號處理，提供無線覆蓋，終端設(shè)備的接入控制等。

四、關(guān)鍵問題

4.1頻譜資源

頻譜資源作為不可再生資源，是無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)。根據(jù)工信部無函[2013]492 號文，可用于電力無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)的頻段有1 790～1 795 MHz的5 MHz帶寬，223～235 MHz 的40 個(gè)25kHz 離散頻點(diǎn)，就本工程實(shí)際應(yīng)用情況來看，頻譜資源申請難度較大，如何更進(jìn)一步提高頻譜效率，保證系統(tǒng)吞吐量顯得尤為重要。

4.2安全防護(hù)

根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（電監(jiān)會(huì)5號令）及《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（電監(jiān)會(huì)[2006]34 號文）的要求，將中低壓智能配電網(wǎng)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)分為生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)，對各類型業(yè)務(wù)進(jìn)行安全分區(qū)，采用各種隔離認(rèn)證措施保障電網(wǎng)二次系統(tǒng)安全。無線寬帶系統(tǒng)可通過用戶鑒權(quán)、空中接口加密等軟件技術(shù)，滿足系統(tǒng)安全防護(hù)要求。

五、后續(xù)工作

5.1 多頻組網(wǎng)

配電業(yè)務(wù)類型、安全分區(qū)要求和可申請頻譜資源分布不均，這些為多頻共同組網(wǎng)提出了應(yīng)用需求，未來可針對業(yè)務(wù)類型和覆蓋區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行多頻組網(wǎng)。對于生產(chǎn)控制大區(qū)中配網(wǎng)自動(dòng)化、用電信息采集等流量需求較小，地域分布較為分散的業(yè)務(wù)，考慮采用230MHz頻率組網(wǎng)；對于管理信息大區(qū)中配網(wǎng)智能巡檢、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)采用1.8GHz頻率組網(wǎng)。參照配電網(wǎng)供電區(qū)域劃分，對于A+、A、B這類業(yè)務(wù)流量大，無線傳輸條件相對較差的城市區(qū)域，考慮采用1.8GHz頻率組網(wǎng)；對于C、D這類業(yè)務(wù)流量不大，無線傳輸條件較好的郊區(qū)或農(nóng)村區(qū)域，考慮采用230MHz頻率組網(wǎng)。

5.2 設(shè)備支持

核心網(wǎng)設(shè)備需進(jìn)一步降低功耗水平，滿足未來綠色電網(wǎng)的要求；同時(shí)可以考慮支持不同頻率之間的平滑切換，即同時(shí)支持不同頻率系統(tǒng)的應(yīng)用需求，這樣不僅節(jié)省投資，同時(shí)又便于實(shí)施。終端設(shè)備需增加業(yè)務(wù)支持能力，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)集語音調(diào)度、視頻回傳、數(shù)據(jù)錄入、人員定位為一體的綜合智能巡檢業(yè)務(wù)功能，可以更好地支撐應(yīng)急單兵搶修等智能巡檢管理業(yè)務(wù)。

六、結(jié)論

TD-LTE 1.8GHz無線寬帶專網(wǎng)通信與公網(wǎng)無線通信方式相比，具有傳輸速率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，保密性強(qiáng)，可管理性高等優(yōu)點(diǎn)。TD-LTE 1.8GHz無線寬帶專網(wǎng)與電力光纖主網(wǎng)互為補(bǔ)充，又能獨(dú)立承載業(yè)務(wù)，為智能配用電業(yè)務(wù)的在縣域配電網(wǎng)的應(yīng)用提供了良好的示范作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李文偉，陳寶仁，吳謙，等.TD-LTE 電力無線寬帶專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].電力系統(tǒng)通信2012，33（241）：82-87.