基于LTE230長(zhǎng)島電力無線專網(wǎng)建設(shè)與研究

◆劉 晗 戴國良 柳培忠

(1.國網(wǎng)山東省電力公司 山東 250001；2.福建先創(chuàng)通信有限公司 福建 362000；3.廈門大學(xué) 福建 361000）

基于LTE230長(zhǎng)島電力無線專網(wǎng)建設(shè)與研究

◆劉 晗1戴國良2柳培忠3

(1.國網(wǎng)山東省電力公司 山東 250001；2.福建先創(chuàng)通信有限公司 福建 362000；3.廈門大學(xué) 福建 361000）

本文針對(duì)在海島環(huán)境下建設(shè)LTE230系統(tǒng)，通過分析長(zhǎng)島的環(huán)境狀況和對(duì)建設(shè)條件的描述，并經(jīng)過嚴(yán)格的選址要求，著重介紹了LTE230系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，具有成本低、覆蓋廣等特點(diǎn)。在復(fù)雜的環(huán)境下，對(duì)比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，可以發(fā)揮其良好的優(yōu)勢(shì)，滿足了當(dāng)?shù)刂悄茈娋W(wǎng)的發(fā)展需求。

環(huán)境狀況；LTE230；智能電網(wǎng)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的普及，越來越多的地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨笸度氲浇ㄔO(shè)中，其中無線專網(wǎng)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著重大的作用，是解決配用電全覆蓋、信息全采集的關(guān)鍵。LTE230科技項(xiàng)目的實(shí)施建設(shè)完善長(zhǎng)島的骨干通信網(wǎng)、建設(shè)電力專用的無線通信接入網(wǎng)。通過LTE230接入系統(tǒng)也將實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)島的覆蓋，實(shí)現(xiàn)一個(gè)能承載用電信息采集、負(fù)荷控制、配電自動(dòng)化通信業(yè)務(wù)、快速相應(yīng)通信業(yè)務(wù)的4G無線專網(wǎng)。

配用電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在其智能化建設(shè)過程中由于其架構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)屬性等決定了它的復(fù)雜性和多樣化。以LTE230系統(tǒng)為技術(shù)支撐的智能電網(wǎng)，必然滿足配用電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的要求等技術(shù)特征。本文根據(jù)LTE230技術(shù)特點(diǎn)，在長(zhǎng)島以其獨(dú)特的海島地理環(huán)境，建設(shè)具有當(dāng)?shù)靥厣闹悄茈娋W(wǎng)，并配備獨(dú)具特色的業(yè)務(wù)功能。

1 LTE230無線專網(wǎng)需求分析

1.1 環(huán)境現(xiàn)狀

目前，長(zhǎng)島已建成包括蓬萊至南、北長(zhǎng)山島、黑山島至大黑山島、砣磯島至大欽島、大欽島至南隍城島間的海底光纜。北隍城島至南隍城島、砣磯島至北長(zhǎng)山島、黑山島至北長(zhǎng)山島間還沒有海底光纜。整個(gè)長(zhǎng)島南北間還沒有通信鏈路，東西間也沒有形成通信鏈路，長(zhǎng)島還沒有完整的電力專網(wǎng)。

長(zhǎng)島電力供應(yīng)主要由煙臺(tái)電網(wǎng)經(jīng)110千伏架空線路和海底電纜輸送至 110千伏長(zhǎng)山變電站，再由長(zhǎng)山變電站向北輸送至 35千伏砣磯變電站和大欽變電站、向西輸送至35千伏西三島變電站。作為山東省唯一的海島縣，長(zhǎng)島是山東省較早建設(shè)風(fēng)電基地的地區(qū)。到目前，長(zhǎng)島已有80臺(tái)風(fēng)電機(jī)組投入運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量6.2萬千瓦，年實(shí)現(xiàn)發(fā)電量1.3億千瓦時(shí)。

長(zhǎng)島正在實(shí)施的分布式發(fā)電及微電網(wǎng)接入控制項(xiàng)目，是以砣磯島電網(wǎng)為依托，包括開發(fā)建設(shè)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與調(diào)度系統(tǒng)，在砣磯島建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)北部五島現(xiàn)有柴油發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)進(jìn)行改造，建成具有分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)及能量轉(zhuǎn)換裝置、調(diào)控系統(tǒng)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)清潔能源并網(wǎng)控制和電網(wǎng)安全運(yùn)行，并為今后微電網(wǎng)推廣和應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1.2 建設(shè)有利條件

在擬建基站的島嶼上一般有聯(lián)通、移動(dòng)、電信處于海拔較高山上建設(shè)的基站鐵塔，這些基站鐵塔可租用來建設(shè)基站。一是這些鐵塔位置海拔高，本身高度也高，位置優(yōu)越，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋的理想選址。二是已有供電電源，不用考慮供電問題。三是這些鐵塔未來將劃入鐵塔公司，鐵塔公司成立的初衷就是充分利用這些鐵塔資源，所以租用鐵塔不會(huì)存在協(xié)調(diào)上障礙。四是租用鐵塔減少了建設(shè)成本，也減少了維護(hù)成本。

通過掃頻測(cè)試發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)島230MHz頻段頻率干擾相對(duì)較少，電磁環(huán)境比較干凈，有利于LTE230系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。另外由于長(zhǎng)島是海島環(huán)境，比較獨(dú)立，可以申請(qǐng)應(yīng)用更寬的頻率資源。以下選取南長(zhǎng)山島北山站為例，并給出掃頻結(jié)果如圖1所示。

圖1 北山站掃頻結(jié)果

1.3 承載業(yè)務(wù)功能

（1）用電信息采集。通過對(duì)居民用電信息采集，實(shí)現(xiàn)停電事件記錄和主動(dòng)上報(bào)；停電時(shí)間、復(fù)電時(shí)間，讀取電表停復(fù)電事件記錄；電能表全記錄、全事件采集及上傳功能，電能表透抄功能；電表對(duì)時(shí)功能；電能質(zhì)量檢測(cè)、電壓、電流監(jiān)測(cè)（交流采樣）功能。

（2）負(fù)荷控制。根據(jù)對(duì)用戶用電情況監(jiān)控，控制功能指通過 LTE230E系統(tǒng)中眾多的調(diào)度生產(chǎn)資料及管理資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)有序用電管理及用戶用電信息自動(dòng)采集的功能。

（3）配電自動(dòng)化。配電自動(dòng)化通過對(duì)配電開關(guān)、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜等電氣設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高效的用電管理、故障的及時(shí)預(yù)警和處理，提高配電網(wǎng)可靠性，提高工作人員工作效率。

（4）快速相應(yīng)通信業(yè)務(wù)。如海底電纜、光纜日常維護(hù)監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)島內(nèi)部會(huì)議電視系統(tǒng)、移動(dòng)辦公系統(tǒng)，配用電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（變壓器、開關(guān)等）溫度監(jiān)測(cè)，線路巡視、設(shè)備檢修過程中的應(yīng)急通信保障，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮、現(xiàn)場(chǎng)視頻回傳顯示存儲(chǔ)、與GIS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等業(yè)務(wù)功能。

2 LTE230專網(wǎng)建設(shè)與研究

2.1 無線專網(wǎng)基站選址

經(jīng)工程勘察、研究、測(cè)算LTE230無線網(wǎng)絡(luò)基站分別建設(shè)在南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島、大黑山島、砣磯島、大欽島、北隍城島等共建設(shè)6個(gè)基站。其中南長(zhǎng)山島基站最好建設(shè)在南長(zhǎng)山島的黃山、北長(zhǎng)山島基站建在北長(zhǎng)山島的嵩山、大黑山島基站建在大黑山島的西大山、砣磯島基站建在砣磯島的看船山、大欽島基站建在大欽島的小浩北山。具體站址及站址具備的條件等如表1。

表1 長(zhǎng)島LTE230無線網(wǎng)絡(luò)基站站址信息

2.2 LTE230網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)整體描述

長(zhǎng)島LTE230網(wǎng)絡(luò)部署1套核心網(wǎng)和網(wǎng)管，建設(shè)6套LTE230全向站，300個(gè)（用電信息采集、負(fù)荷控制、配電業(yè)務(wù)、溫度監(jiān)測(cè)、寬帶業(yè)務(wù)）通信終端，實(shí)現(xiàn)全電力通信接入業(yè)務(wù)承載。

2.2.2 核心網(wǎng)部署

長(zhǎng)島 LTE230網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)可以部署在長(zhǎng)島電力公司通信機(jī)房，也可以部署在煙臺(tái)電力公司通信機(jī)房。核心網(wǎng)硬件形態(tài)為機(jī)架式服務(wù)器；軟件包括 HSS（簽約數(shù)據(jù)管理）模塊、SGI（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理）模塊、MME（業(yè)務(wù)邏輯處理）模塊。與業(yè)務(wù)主站的通信可以通過電力光纖骨干網(wǎng)的 IP口實(shí)現(xiàn)，與基站的通信通過光纖骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)（支持IP口、2M口）。核心網(wǎng)設(shè)備主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，接入網(wǎng)絡(luò)的控制管理。

2.2.3 網(wǎng)管部署

網(wǎng)管負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的核心網(wǎng)EPC、基站eNodeB、終端UE進(jìn)行集中統(tǒng)一管理。網(wǎng)管eOMC由服務(wù)器和客戶端兩部分組成，硬件形態(tài)為臺(tái)式服務(wù)器。軟件包括對(duì)配置模塊、故障管理模塊、性能管理模塊、資產(chǎn)管理模塊。網(wǎng)管系統(tǒng)是對(duì)網(wǎng)元進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，而且網(wǎng)管客戶端可以遠(yuǎn)程部署，以方便LTE230網(wǎng)路維護(hù)和管理。

圖2 長(zhǎng)島LTE230網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.4 基站建設(shè)

LTE230的無線基站eNodeB負(fù)責(zé)提供無線覆蓋、終端設(shè)備的接入控制等，設(shè)備為BBU+RRU一體化基站和全向天線。以大欽島站為例，部署一套全向站，基站設(shè)備和天線安裝在所在站址的聯(lián)通鐵塔上。信號(hào)回傳通過同鐵塔上部署的無線網(wǎng)橋下傳到本島內(nèi)光纖接口處的無線網(wǎng)橋，再由光纖傳輸?shù)巾却墠u，光纖出來通過無線網(wǎng)橋上傳到砣磯島基站處聯(lián)通鐵塔上部署的第二端無線網(wǎng)橋，信號(hào)再經(jīng)同站部署的第一套無線網(wǎng)橋回傳到北長(zhǎng)山站的無線網(wǎng)橋（北長(zhǎng)山站部署的第二端無線網(wǎng)橋設(shè)備），再通過網(wǎng)橋傳送到南長(zhǎng)山北山站后經(jīng)光纖骨干網(wǎng)聯(lián)接到核心網(wǎng)，其信號(hào)回傳路由如圖3所示。

圖3 大欽島站信號(hào)回傳方式

2.2.5 終端部署

LTE230的無線終端模塊，硬件形態(tài)分為內(nèi)嵌式模塊和外置式模塊。內(nèi)嵌式模塊符合國網(wǎng)規(guī)范，能直接內(nèi)嵌到專變負(fù)控終端、集中器、采集器等電力終端中。外置式模塊大小與傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)一樣，通過網(wǎng)口和串口直接與電力終端通信。通信終端模塊包括負(fù)荷控制通信終端、用電信息采集通信終端和配電自動(dòng)化通信終端，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳、控制信息的下發(fā)。按照實(shí)際通信終端選取相應(yīng)的無線模塊，根據(jù)不同的安裝現(xiàn)場(chǎng)，采用不同的安裝方式。

長(zhǎng)島LTE230接入網(wǎng)絡(luò)部署完成后覆蓋示意圖如圖4 所示。

圖4 長(zhǎng)島LTE230網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意圖

2.2.6 頻率規(guī)劃

國家無線電管理委員會(huì)極力支持對(duì)電力現(xiàn)有230MHz頻段的技術(shù)改造，以提高其頻譜利用率，適應(yīng)智能電網(wǎng)的無線通信需求。目前各個(gè)行業(yè)在230MHz的使用并不充分，絕大部分頻點(diǎn)還屬于空閑狀態(tài)。隨著無線電力專網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)的發(fā)展，寬頻的需求越來越強(qiáng)烈，國家電網(wǎng)可在230MHz頻段進(jìn)一步申請(qǐng)5MHz甚至更多的頻譜資源。目前電力行業(yè)擁有40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)，是授權(quán)頻點(diǎn)最多的行業(yè)，很好地適應(yīng)了電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求，可以支持電力所有用電、配電以及負(fù)控終端的業(yè)務(wù)需求，并可以提供少數(shù)視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求；后期通過申請(qǐng)更寬的頻帶（例如5MHz），可以更好地支持視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求。

長(zhǎng)島項(xiàng)目目前多為寬帶業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)采集類、溫度監(jiān)測(cè)類業(yè)務(wù)需要最低有0.5MHz的頻率資源，會(huì)議電視業(yè)務(wù)和應(yīng)急通信業(yè)務(wù)按時(shí)分復(fù)用模式最低需要有1.5MHz的頻率資源，海底電纜監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需要1.5MHz頻率資源，移動(dòng)辦公需要1MHz的頻率資源，總計(jì)需要頻率資源4.5MHz～5MHz。

3 LTE230系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

載波聚合技術(shù)，就是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過基站的調(diào)度作用，按照用戶的需求的當(dāng)?shù)氐耐ㄐ啪W(wǎng)規(guī)劃情況，對(duì)已有的 LTE的多個(gè)不同的子載波進(jìn)行整合，以解決頻帶資源受限的問題。LTE230系統(tǒng)中，由于每一個(gè)離散的信道都可以看作一個(gè)成員載波，通過相關(guān)技術(shù)將這些成員載波進(jìn)行聚合，最后使這些不連續(xù)分配的成員載波根據(jù)用戶的需要進(jìn)行統(tǒng)一分配。相比傳統(tǒng)的230MHz數(shù)傳電臺(tái)，LTE230的傳輸帶寬有了很大的提高。

動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，LTE230系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)調(diào)度的技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)每個(gè)信道的傳輸情況、無線通信網(wǎng)的信道變化情況對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配調(diào)整。主要包含以下三個(gè)方面：

（1）信道質(zhì)量監(jiān)測(cè)

可以針對(duì)系統(tǒng)中信道干擾狀況、傳輸情況、信號(hào)強(qiáng)度等信息進(jìn)行收集和檢測(cè)。

（2）資源分配

根據(jù)用戶的信道使用情況，使用戶的在使用中的頻譜傳輸效率達(dá)到最好，則需要調(diào)度器的合理調(diào)度，為用戶分配合適的頻段，在業(yè)務(wù)處理上讓用戶感到滿意。

（3）信道質(zhì)量匹配

如用戶當(dāng)前所在位置需要業(yè)務(wù)處理，LTE230系統(tǒng)可以匹配當(dāng)前空閑頻點(diǎn)信道質(zhì)量，用戶就可以在合適時(shí)間得到合適的業(yè)務(wù)傳輸頻點(diǎn)，有效的提高頻譜利用率。

干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，LTE230系統(tǒng)中每個(gè)長(zhǎng)島地區(qū)內(nèi)分配的系統(tǒng)資源是正交的子載波資源。

對(duì)于同一區(qū)域的用戶來說，由于是正交的子載波分配方式，因此在用戶間的干擾基本上很小，甚至可以忽略不計(jì)。然而相鄰區(qū)域的互相干擾會(huì)始終存在，這是由于在同頻組網(wǎng)時(shí)，每個(gè)區(qū)域的邊緣終端會(huì)面臨同頻干擾大，造成吞吐量的降低。邊緣頻帶的設(shè)置可以通過相鄰區(qū)域的協(xié)調(diào)進(jìn)行調(diào)整，也可以通過用戶的使用情況，根據(jù)距離遠(yuǎn)近劃分用戶的區(qū)域，調(diào)整區(qū)域的邊緣用戶進(jìn)行資源分配。

4 LTE230無線專網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

4.1 覆蓋廣

LTE230是基于230MHz頻段的無線頻譜，利用TD-LTE無線通信技術(shù)，為電力行業(yè)用戶開發(fā)的電力無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有覆蓋廣、海量用戶、高可靠性、傳輸速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、頻譜適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于 LTE230系統(tǒng)是占用223-235MHz電力專有頻譜，所以干擾較小，在密集城區(qū)覆蓋能力可達(dá) 3km，郊區(qū)可達(dá) 15km，而且建設(shè)及運(yùn)維成本較低。而且LTE230系統(tǒng)工作頻段為230MHz，由于此頻率低，傳播損耗小，覆蓋距離遠(yuǎn)，在樹木遮擋、樓宇遮擋、室內(nèi)、雨天、霧天等復(fù)雜環(huán)境下，LTE230系統(tǒng)都具有良好的覆蓋能力。

4.2 可靠安全

通過建設(shè)無線專網(wǎng)后，相對(duì)于傳統(tǒng)的 3G網(wǎng)絡(luò)和公網(wǎng) GPRS網(wǎng)傳送速度，無線專網(wǎng)表現(xiàn)為更快、更穩(wěn)定、更安全，在滿足用戶信息采集、配網(wǎng)自動(dòng)化、智能用電等要求的情況下，實(shí)時(shí)傳輸性能大大提高。有了智能電網(wǎng)的建設(shè)，為用戶信息采集提供了可靠的信息通道，同時(shí)在運(yùn)維成本上，減少了大量光纜鋪設(shè)、節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本，降低電力設(shè)備被盜率和線路損耗，提升了配用電網(wǎng)在抗擊雨雪冰凍災(zāi)害等方面的利用率和對(duì)海島嚴(yán)峻環(huán)境的適應(yīng)性。

4.3 良好的通信環(huán)境

LTE230系統(tǒng)的建設(shè)主要是為了解決配用電網(wǎng)自動(dòng)化通信的問題。而且當(dāng)前在城市市區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，沒有專用的電纜溝，因此建設(shè)一條配網(wǎng)的光纜是非常困難的。如果大力建設(shè)電纜，會(huì)更加影響城區(qū)生活出行，其成本和后期維護(hù)成本也會(huì)很高。目前主流的配用電通信接入技術(shù)是有線模式，如電力線載波、無源光網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)等，但都無法完美的解決用戶通信需求。公網(wǎng)無線技術(shù)也不適合直接應(yīng)用于電力配網(wǎng)通信應(yīng)用，所以建設(shè)一條既安全又可靠的無線專網(wǎng)，不僅能滿足配用電自動(dòng)化通信需求，也能更好地服務(wù)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)的闡述了LTE230系統(tǒng)的建設(shè)方案，在建設(shè)過程中，根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)勘察地形地貌及整個(gè)長(zhǎng)島的環(huán)境，在海島環(huán)境，風(fēng)力大、高鹽霧腐蝕等問題面前，給出了完整可靠的建設(shè)方案。整個(gè)LTE230系統(tǒng)按照核心網(wǎng)部署、網(wǎng)管部署、基站部署、終端部署和頻率規(guī)劃五個(gè)方面建設(shè)與研究，完成后實(shí)現(xiàn)了整個(gè)長(zhǎng)島的全覆蓋。通過無線專網(wǎng)技術(shù)，提升了長(zhǎng)島安全生產(chǎn)和設(shè)備管理、信息化水平，也加快了長(zhǎng)島電網(wǎng)智能化發(fā)展。

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本文由煙臺(tái)科技項(xiàng)目（編號(hào)：5206051400K9）資助。