基于公共頻段資源的電力無線專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

姚繼明， 張 浩， 何 浩， 李 新

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 信息通信研究所，江蘇 南京 210003;2.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 通信信息技術(shù)研究院，江蘇 南京 210019)

?

基于公共頻段資源的電力無線專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

姚繼明1*， 張 浩1， 何 浩2， 李 新2

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 信息通信研究所，江蘇 南京 210003;2.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 通信信息技術(shù)研究院，江蘇 南京 210019)

提出一種建設(shè)電力無線專網(wǎng)的組網(wǎng)方案，將具有統(tǒng)一IP 核心網(wǎng)的4G通信技術(shù)與異構(gòu)融合技術(shù)結(jié)合，為電力及其他行業(yè)無線專網(wǎng)的建設(shè)提供了參考.

智能電網(wǎng)；公共頻段；電力無線專網(wǎng)；組網(wǎng)方案

電網(wǎng)在國家能源產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)非常重要的地位，是國家綜合運輸體系的命脈[1].采用無線通信專網(wǎng)來提升居民和社會的用電穩(wěn)定性、便捷性，實現(xiàn)綠色用電是非常必要的.然而，現(xiàn)在制約電力專網(wǎng)建設(shè)的一個主要因素是可供選擇的公共頻段極其有限[2]，且由于電力通信中無線電頻譜利用率而導(dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象時有發(fā)生[3].因此，為建設(shè)堅強的智能電網(wǎng)通信專網(wǎng)，急需迫切解決申請無線頻段資源并提高頻譜利用率與消除同頻干擾的問題.目前，無線頻段問題是制約電網(wǎng)公司建設(shè)無線專網(wǎng)解決配網(wǎng)通信，甚至將來智能電網(wǎng)通信技術(shù)問題的瓶頸[4-6].本文對電力無線通信專網(wǎng)建設(shè)過程中可能存在的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，如專網(wǎng)頻段選擇、組網(wǎng)技術(shù)選擇和組網(wǎng)方案等.

1 電力專網(wǎng)無線頻段選擇

電網(wǎng)是關(guān)乎國家民生與經(jīng)濟的支柱性企業(yè)，通過采用無線電力專網(wǎng)來提升整個電力網(wǎng)絡(luò)的運行效率，有利于實現(xiàn)節(jié)能降耗的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[7].目前，鑒于對頻段抗干擾性和覆蓋性的綜合考慮， 200 MHz～ 2 GHz 頻段具有抗干擾強，覆蓋效果良好等性能，是適用于建設(shè)電力無線專網(wǎng)的可供選擇頻段.

1.1 三種頻段簡介

根據(jù)國家相關(guān)文件規(guī)定，230 MHz頻段的40個離散頻點共計1 M帶寬授權(quán)給電力系統(tǒng)傳輸負(fù)荷監(jiān)控業(yè)務(wù)，該頻段需5年續(xù)申備案一次.

1.8 GHz頻段與2 GHz頻段僅相差200 Hz左右，而2 GHz是3G技術(shù)中應(yīng)用廣泛的頻段，故1.8 GHz頻段在頻率上容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的遷徙.此外，1.8 GHz頻段目前能被通信行業(yè)內(nèi)的大多數(shù)終端設(shè)備支持，因此，1 785～ 1 805 MHz(1.8 GHz 頻段)是無線電力專網(wǎng)建設(shè)不錯的選擇頻段.

1.2 對比分析

作為3個可供選擇用作電力專網(wǎng)建設(shè)的公共無線頻段，下面將對它們作詳細(xì)的分析比對.

1) 使用現(xiàn)狀對比. 230 MHz頻段中360個頻點的審批工作主要由各地市無線電管理處自行處理，其中有40個頻點已被授權(quán)給電力能源行業(yè)[7].此外，目前此頻段主要應(yīng)用于地礦、軍隊、能源等行業(yè)，因此230 MHz頻段很好地滿足了無線電力專網(wǎng)的建設(shè)需求.與被授權(quán)電力能源行業(yè)的230 MHz相比，1.4 GHz頻段使用情況差異較大，主要是因為被各地市無線電管理處自行審批，所以已在此頻段上承載的業(yè)務(wù)要被清理的難度較大，需要時間.1.8 GHz頻段被各地市無線電管理處自行審批，使用情況差異較大，需要解決與GSM系統(tǒng)的干擾問題.

表1 三種不同頻段使用情況對比Tab.1 Three different frequency usage comparison table

2) 技術(shù)對比. 230 MHz頻段的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：電力頻點是電力專用頻點，不用申請，帶寬和時延等指標(biāo)能滿足電力基本應(yīng)用要求；相對于1.4 GHz與1.8 GHz頻段，230 MHz低頻段具有天然覆蓋遠(yuǎn)的優(yōu)勢，能夠大大降低組網(wǎng)成本，特別針對于廣覆蓋低成本系統(tǒng)，低頻段是寶貴的頻率資源.1.4 GHz與1.8 GHz的優(yōu)勢是：已具備全球大規(guī)模部署的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，能較容易地實現(xiàn)核心網(wǎng)和系統(tǒng)與終端的緊密銜接.具有大容量、低時延、高并發(fā)、上下行時隙比配置靈活的特點，能支撐電力視頻監(jiān)控、集抄、配網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)，實現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)多種業(yè)務(wù)并存，節(jié)省投資；維護(hù)方便，不容易受到市政施工等影響；建設(shè)周期短，節(jié)約時間.

3) 可用頻段分析. 目前國家無線電管理局對230 MHz頻段(223～235 MHz)的頻譜政策如下：25 kHz為一個頻點，繼續(xù)使用已為電網(wǎng)分配的40個頻點資源，鼓勵采用先進(jìn)技術(shù)提升授權(quán)頻點使用效率，暫不考慮分配其他頻點資源.1.4 GHz頻段(1 427～1 525 MHz)屬于尚未分配的頻段，原用于一點多址微波系統(tǒng)，部分電網(wǎng)公司使用其中部分頻點作為微波使用.1.8 GHz頻段(1 785～1 805 MHz)中有20 M連續(xù)頻率尚未分配，電力無線寬帶專網(wǎng)被授權(quán)可使用.

觀察組及對照組患者治療總有效率分別為90.77%、73.85%，觀察組明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

2 電力專網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

由于公共無線頻段帶寬有限，組網(wǎng)過程中需要利用頻率復(fù)用技術(shù)提高系統(tǒng)頻譜利用率，從而造成各個AP之間存在同頻干擾.為了提高頻譜利用率與消除同頻干擾，解決這些問題和挑戰(zhàn)，提出了以下技術(shù).

2.1 頻率復(fù)用技術(shù)和軟頻率復(fù)用技術(shù)

頻率復(fù)用(Frequency Reuse, FR)，顧名思義，就是對相同的頻率進(jìn)行再次使用，這個概念是蜂窩移動通信的基石.在GSM網(wǎng)絡(luò)中的頻率復(fù)用主要作用是將同時使用相同頻率的兩個區(qū)域隔開一段距離，從而減少同頻干擾的影響.因此，頻率復(fù)用技術(shù)在提升系統(tǒng)容量上具有很大的作用[7].

傳統(tǒng)頻率復(fù)用技術(shù)發(fā)展的下一步是軟頻率復(fù)用(Soft Frequency Reuse, SFR).軟頻率復(fù)用中頻率的用或不用在小區(qū)中不再定義，而是定義一個頻率使用程度的概念，這個概念被稱作發(fā)射功率門限，這樣能使在小區(qū)內(nèi)各個位置的用戶都能獲得較傳統(tǒng)頻率復(fù)用技術(shù)更大的頻譜效率和帶寬.

2.2 軟件無線電技術(shù)

軟件定義無線電(Software Defined Radio, SDR)通過軟件定義的無線通信協(xié)議來實現(xiàn)無線電廣播通信，非常靈活，且具有較強的開放性，能使信號有效地傳播在各種具有不同功能的硬件通信設(shè)備之間.

2.3 認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電技術(shù)提出了一種通過動態(tài)頻譜共享來提高無線電頻譜的利用效率的解決思路.在經(jīng)過頻率管理部門授權(quán)的用戶不使用授權(quán)頻段時，認(rèn)知無線電能使沒有經(jīng)過頻率管理部門授權(quán)的用戶工作在此授權(quán)頻段上，從而更加充分地利用了已被授權(quán)的頻段.因此，具備檢測和自我調(diào)整等功能的認(rèn)知無線電技術(shù)在與其他通信技術(shù)的相互合作下，能極大地提升系統(tǒng)的頻譜利用率.

2.4 干擾管理技術(shù)

干擾管理需要針對各種實際問題和干擾事件的性質(zhì)建立相應(yīng)的優(yōu)化模型和有效的求解算法并快速給出處理干擾事件的最優(yōu)調(diào)整計劃.目前，對系統(tǒng)中干擾能有效管理的技術(shù)有干擾消除和干擾對齊.干擾消除主要是通過對干擾信號進(jìn)行譯碼并重構(gòu)，再從接受信號中刪除的思路來實現(xiàn)的；干擾對齊是將來自不同干擾源的干擾信號在接收端對齊并壓縮在一個小的信號維度上，從而達(dá)到減少干擾的效果.

表2 不同頻段覆蓋距離對比表Tab.2 The table of coverage distance of different frequency bands

3 提出的基于空白頻段的頻譜方案

3.1 公共無線頻段在電力行業(yè)的應(yīng)用前景

目前，通信是智能電網(wǎng)的神經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)需要一種高帶寬、高穩(wěn)定性、低時延、廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，為智能電網(wǎng)的信息化、自動化、互動化提供堅強支撐，可結(jié)合自身優(yōu)勢在智能電網(wǎng)配電、用電環(huán)節(jié)的通信和信息化領(lǐng)域開拓市場，幫助電力公司解決“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)覆蓋、高帶寬、低時延等問題.在有關(guān)公共無線頻段的單基站覆蓋半徑的研究中，由于覆蓋能力不僅是建設(shè)無線通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，還會影響硬件成本和維護(hù)等成本[5].建立Okumuram-Hata模型，對3種頻段上的通信系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋能力仿真測試，結(jié)果顯示，230 MHz頻段覆蓋范圍約為1.8 GHz的4.5倍，為1.4 GHz頻段的2.5倍左右.不同頻段的覆蓋如表2所示.

表中的數(shù)據(jù)是在鄉(xiāng)村環(huán)境、路損為135 dB的條件下測得的.

在公共無線頻段的傳輸速率的研究中，一般頻率越高的頻段其傳輸速率越高，其中以230 MHz頻段為系統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)，其上行速率最高值可達(dá)16 Mbps，下行速率最高值可達(dá)6.5 Mbps，頻譜效率則高達(dá)2.7 bps/Hz.而對于以1.8 GHz頻段作為系統(tǒng)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其有效帶寬為10 MHz 時，網(wǎng)絡(luò)最大數(shù)據(jù)吞吐量可高達(dá)50 Mbps，完全滿足智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求.

3.2 分析電力通信網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)階段資源和成果

研究表明，目前城市10 kV配電站點通信覆蓋率為17.51%，其中GPRS覆蓋率11.17%，中壓電力線載波覆蓋率2.24%，光纖覆蓋率1.5%，CDMA覆蓋率1.44%，其他通信方式覆蓋率1.16%.在所有通信方式中，GPRS比重占63.8%，中壓電力線載波占12.78%，光纖專網(wǎng)占8.58%，CDMA占8.23%，其他占6.62%.

雖然目前電力無線專網(wǎng)建設(shè)沒有全面開始，但開展配電自動化試點工作的幾個典型城市已經(jīng)分別采用不同通信方式解決了配電自動化通信需求.在北京，柱上開關(guān)大多租用運營商的公網(wǎng)服務(wù)，開閉所與變電站之間采用專用光纖通信以保證安全性與可靠性.上海主要以中壓電力線為傳輸媒介，利用載波方式進(jìn)行通信，而杭州、南京等地則采用光纖為主、無線載波為輔的組網(wǎng)方式.

3.3 基于4G技術(shù)的電力無線專網(wǎng)的組網(wǎng)方案

目前，雖然已有WiMAX、2G/3G/4G、WLAN等各類技術(shù)在電力通信網(wǎng)絡(luò)中小規(guī)模試點應(yīng)用，但大部分傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)都是基于不同的數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行通信，如基于PSTN電話網(wǎng)上的語音數(shù)據(jù)和基于有線電視同軸電纜上的視頻數(shù)據(jù)，以及基于IP的信息數(shù)據(jù).此外，前文所提的不同城市的通信組網(wǎng)方式(制式)選擇也不盡相同[6].雖然在初期建設(shè)中，不同地域之間的通信網(wǎng)建設(shè)有各自考量，但從長遠(yuǎn)來看，繁雜的數(shù)據(jù)格式、多樣的通信制式是實現(xiàn)智能電網(wǎng)一體化建設(shè)的一大掣肘[7].智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢必然是一體化多樣性服務(wù)平臺，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，現(xiàn)存的各種通信網(wǎng)絡(luò)即各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合是應(yīng)有之意.將現(xiàn)有的各種類型通信網(wǎng)絡(luò)融合，通過一個一體化的無線網(wǎng)絡(luò)平臺提供多樣化差異化業(yè)務(wù)選擇，將各類網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用IP化[8].

鑒于第四代移動通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一的IP 核心網(wǎng)，使得不同的無線和有線接入技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)與融合.對于4G技術(shù)，尤其是TD-LTE技術(shù)，可以考慮利用原有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備、基站、天線等，即在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上擴大覆蓋范圍、擴容、補盲、升級.且4G通信技術(shù)具有更高的數(shù)據(jù)率和頻譜利用率，更高的安全性、智慧性和靈活性，更高的傳輸質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS).而對于其他制式的無線網(wǎng)絡(luò)，除了同站址且符合要求的天線、機房、管道、電池等管道/配套資源外，基本要求重新建設(shè)一張電力無線專網(wǎng)，成本太高不利于電力通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè).因此，基于空白頻段的組網(wǎng)方案利用4G技術(shù)來實現(xiàn)無線異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)是最好的選擇.

為了實現(xiàn)對上述智能電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的支持，提出的方案以智能配電網(wǎng)的專網(wǎng)建設(shè)為例來展現(xiàn)無線異構(gòu)融合的設(shè)計思路.為了保證配電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量，配電網(wǎng)的通信網(wǎng)應(yīng)該基于配電站(子站)的地理位置和服務(wù)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，提出的方案將4G無線公網(wǎng)與電力專網(wǎng)結(jié)合，搭建集群網(wǎng)絡(luò).

在電網(wǎng)設(shè)備密集、用電管理或者流量檢測等服務(wù)訴求極為頻繁的地區(qū)，若用公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)承載通信業(yè)務(wù)，不僅租用成本高，服務(wù)質(zhì)量也不易保證.為此，4G電力專網(wǎng)的搭建，能夠保證各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提高通信的可靠性.通信網(wǎng)應(yīng)根據(jù)配電站的分布進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，對于不需要遙控功能的偏遠(yuǎn)地區(qū)配電網(wǎng)，負(fù)荷分布廣、監(jiān)測點密度小、配網(wǎng)線路長，較少應(yīng)用帶有控制配電自動化功能，大部分業(yè)務(wù)為用電信息采集和配電監(jiān)測類，通信容量小.若建設(shè)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)會造成資源浪費，不能有效利用異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源.為了減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，應(yīng)當(dāng)采用無線公網(wǎng)架構(gòu)來保證偏遠(yuǎn)地區(qū)配電接入通信網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，智能配電無線融合網(wǎng)絡(luò)模型圖,如圖1所示.

4 結(jié)束語

在深入調(diào)研國內(nèi)和國外的頻譜資源規(guī)劃和使用情況的基礎(chǔ)上，對可用于電力建設(shè)的三個主要潛在頻段230 MHz、1.45 GHz和1.8 GHz在國內(nèi)的使用情況進(jìn)行了分析，并且在政策支持、覆蓋范圍等角度做了詳細(xì)的對比.而針對電力系統(tǒng)可用的頻譜資源較為匱乏這一現(xiàn)狀，以及如何提高頻譜效率的問題上,對頻率復(fù)用及軟頻率復(fù)用技術(shù)、軟件無線電技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù)等做了介紹，這些技術(shù)的應(yīng)用能在電力專網(wǎng)建設(shè)中有效地解決電力通信專網(wǎng)中頻譜不足與干擾的問題.最后，基于4G技術(shù)的智能電網(wǎng)的網(wǎng)路拓?fù)鋱D，并以智能配電網(wǎng)為例，給出了以4G技術(shù)為核心的異構(gòu)配電網(wǎng)方案，此方案能在確保網(wǎng)絡(luò)性能質(zhì)量和安全的前提下，最大程度利用原有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備、基站、傳輸和反饋等資源.鑒于頻譜資源的稀缺性，考慮到建設(shè)成本以及與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)融合及未來的技術(shù)演進(jìn)、電網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性，未來的智能電網(wǎng)將會是以多個頻段多種技術(shù)融合而成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).

[1] 康重慶,周天睿,陳啟鑫,等. 南方電網(wǎng)低碳發(fā)展戰(zhàn)略思考[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2010, 4(6): 1-6.

[2] CHEN J C, LI W T, WEN C K, et al. Efficient identification method for power line outages in the smart power grid[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(4):1788-1800.

[3] 祁超. 認(rèn)知無線電技術(shù)及其典型應(yīng)用[J]. 電信快報:網(wǎng)絡(luò)與通信, 2009, 46(7): 13-16.

[4] 周建勇,陳寶仁,吳謙.智能電網(wǎng)電力無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)若干關(guān)鍵問題探討[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2014, 8(1): 46-49.

[5] POULADI F, SALEHINEJAD H, SANATNAMA H, et al. Optimum communicationinfrastructure design for power grids synchronisation in smart grids[J]. International Journal of Bio-Inspired Computation, 2014, 6(4): 262-274.

[6] 席旭亮, 劉耀俊, 王煥麗. 考慮運行風(fēng)險的配電網(wǎng)運行方式多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 2015, 38(4): 117-121.

[7] 李金友, 閆磊, 齊歡,等. 基于LTE230系統(tǒng)的電力無線通信專網(wǎng)研究與實踐[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(1): 132-134.

[8] 王玉娟. 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案設(shè)計與切換技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué), 2013.

責(zé)任編輯：龍順潮

Research on the Key Technology of Power Wireless Network Resources Based on the Common Frequency Band

YAOJi-ming1*,ZHANGHao1,HEHao2,LIXin2

(1.Research Institute of Information Technology & Communication, Global Energy Interconnection Research Institute, Nanjing 210003;2 Research Institute of Communication & Information Technology, Jiangsu Posts &Telecommunications Planning and Designing Institute CO, LTD, Nanjing 210019 China)

A networking scheme constructing the wireless private network in electric power system is proposed. In the proposed schema, the solutions with unified IP core network of 4G communication technology and heterogeneous fusion technique are combined to build wireless network power networking, which has provided a reference for the construction of electric power and other industry wireless network.

smart grid; common frequency band; power wireless private network; networking solution

2016-04-07

國網(wǎng)科技項目(SGRIXTKJ[2015]349)

姚繼明(1987-)，男，河南 信陽人，工程師. E-mail:yaojiming@sgri.sgcc.com.cn

TM732

A

1000-5900(2016)03-0094-05