摘要：隨著電網(wǎng)業(yè)務(wù)對通信的需求日趨多元化，無線專網(wǎng)在電力系統(tǒng)中也受到越來越多的關(guān)注。本文立足智能電網(wǎng)的背景，結(jié)合LTE技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用場景和常見解決方案，對LTE無線通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：LTE；無線專網(wǎng)；智能電網(wǎng)。

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，時分長期演進(jìn)）無線專網(wǎng)通信技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中也受到越來越多的關(guān)注，全球30多家主要電力公司建設(shè)了無線智能電網(wǎng)。國內(nèi)電力系統(tǒng)已經(jīng)獲得國家無線電管理委員會的專用頻率使用批復(fù)，國家電網(wǎng)信通部主導(dǎo)成立了電力無線專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。天津、浙江、江蘇、廣東和貴州等電網(wǎng)公司近幾年紛紛開展了基于不同技術(shù)體制的配用電通信無線專網(wǎng)試點建設(shè)和探索性應(yīng)用，廣州、珠海和佛山等地區(qū)供電局已經(jīng)陸續(xù)開展TD-LTE電力無線專網(wǎng)建設(shè)。2011年，浙江海鹽供電局將TD-LTE技術(shù)引入電力系統(tǒng)，工作在230MHz電力頻段，建成國網(wǎng)首個4G電力通信系統(tǒng)。2012年，廣東珠海供電局和華為技術(shù)公司試點建設(shè)了電力無線寬帶專網(wǎng)，解決老舊城區(qū)有線接入困難、現(xiàn)有器件自動化程度低、PLC傳輸距離有限等問題。2014年，南方電網(wǎng)在廣州花都地區(qū)開始建設(shè)國內(nèi)規(guī)模最大的4G 電力無線專網(wǎng)，擁有29 座基站、3353臺無線終端。2017年，國網(wǎng)天津市電力公司建設(shè)完成2 套核心網(wǎng)、16 個基站等組成的LTE電力無線專網(wǎng)，覆蓋了商務(wù)區(qū)、自貿(mào)區(qū)、開發(fā)區(qū)等各類型區(qū)域。

2 網(wǎng)絡(luò)特性

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

TD-LTE的網(wǎng)絡(luò)特性使其在建設(shè)電力專網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢：高速率和低時延能夠充分保障配網(wǎng)自動化、多媒體應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控等智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的實時雙向通道；扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易建設(shè)，易維護(hù)，易擴(kuò)容，無需光纖鋪設(shè)，可實現(xiàn)對配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速覆蓋，解決配網(wǎng)通信最后一公里的難題；采用動態(tài)帶寬分配，上下行時隙靈活配置，更加適應(yīng)電力業(yè)務(wù)特點，并可根據(jù)業(yè)務(wù)的不同優(yōu)先級來進(jìn)行帶寬分配，從而保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的可靠性；靈活的頻譜適配能力，支持多種系統(tǒng)帶寬等級（1.4、3、5、10、15、20MHz），利于電力行業(yè)頻譜申請。在安全性方面，TD-LTE采用雙向鑒權(quán)、UTRAN加密、信令完整性保護(hù)等技術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)安全可靠，結(jié)合VPN和防火墻技術(shù)確保不同安全等級的業(yè)務(wù)之間相互隔離，滿足電網(wǎng)對于網(wǎng)絡(luò)高安全性的需求。

2.2 頻率選擇

無線通信網(wǎng)建設(shè)的最主要制約因素就是無線頻率。無線頻段資源屬于不可再生的獨占資源，作為國內(nèi)移動通信網(wǎng)絡(luò)的主要建設(shè)運營單位，國內(nèi)三大電信運營商在無線頻段分配方面會受到國家無線電管理部門的優(yōu)先考慮。電網(wǎng)企業(yè)要建設(shè)無線寬帶專網(wǎng)，首先要解決的問題就是爭取國家無線電管理部門的頻段資源。根據(jù)國家無線頻率管理政策，電網(wǎng)可考慮申請的頻段如表1所示。由于 1400MHz 頻段在城市政務(wù)網(wǎng)已有使用，電網(wǎng)企業(yè)申請難度較大，因此重點考慮比較1800MHz和230MHz在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，ISM頻譜470M-510MHz和5725～5850 MHz也可考慮在電網(wǎng)特定場景進(jìn)行使用。

3 組網(wǎng)方式

無線專網(wǎng)重點考慮1.8GHz和230MHz在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.8GHz的5MHz帶寬能夠承載更高的傳輸速率，有利于視頻監(jiān)控、移動辦公等高帶寬業(yè)務(wù)的接入；230MHz頻段卻具有較好的覆蓋能力，可用于接入配網(wǎng)自動化、計量自動化等流量小、分布廣的業(yè)務(wù)。因此，電力無線專網(wǎng)建議優(yōu)先采用1785-1805MHz頻段，230MHz頻段作為輔助。多頻混合組網(wǎng)規(guī)劃主要因考慮下面幾點因素：一是1.8GHz 與230MHz 頻段的基站在覆蓋能力、吞吐量上的性能差異；二是電網(wǎng)各類型業(yè)務(wù)在流量需求、分布情況、安全防護(hù)需求上的差異；三是電力無線專網(wǎng)基站選址一般限制在變電站、辦公樓等電網(wǎng)公司自有物業(yè)上，應(yīng)最大程度利用有限的站址資源提升覆蓋范圍。

3.1 單頻組網(wǎng)

由于不同地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)情況、無線頻率審批情況的差異，在電力無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)資金有限、政府無線管理部門審批的頻段有限的階段，宜采用單一頻段開展無線寬帶專網(wǎng)試點建設(shè)。采用單頻組網(wǎng)時若接入多類型業(yè)務(wù)，管理信息區(qū)業(yè)務(wù)與生產(chǎn)控制區(qū)業(yè)務(wù)不可避免的會承載在同一張無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸，需采用額外的安全措施解決電力系統(tǒng)二次安防隔離的問題。由于目前電力監(jiān)管部門尚未針對無線專網(wǎng)制定具有針對性的二次安防方案，采用單頻組網(wǎng)雖成本較低，但在大規(guī)模接入不同分區(qū)業(yè)務(wù)時存在政策許可問題。單頻組網(wǎng)時可針對主要接入的業(yè)務(wù)類型選取組網(wǎng)頻段，若將電力無線寬帶專網(wǎng)用于接入配網(wǎng)自動化、計量自動化等流量小、分布廣的業(yè)務(wù)，宜采用230MHz 頻段組網(wǎng)。若接入的主要為流量大、終端分布集中在辦公場所、變電站周邊的視頻監(jiān)控、移動辦公等管理區(qū)業(yè)務(wù)，宜采用1800MHz 頻段組網(wǎng)。

3.2 多頻異址組網(wǎng)

該方式根據(jù)各供電區(qū)域地貌特點或業(yè)務(wù)分布特點在不同區(qū)域建設(shè)不同頻段基站。第一種劃分方式是根據(jù)區(qū)域特點劃分：在業(yè)務(wù)節(jié)點集中、數(shù)據(jù)流量大、可建基站的電網(wǎng)自有物業(yè)密集但建筑遮擋嚴(yán)重的城區(qū)建設(shè)1800MHz基站；在業(yè)務(wù)分散、數(shù)據(jù)流量小、可用站址資源有限、建筑間隔開闊的郊區(qū)或農(nóng)村建設(shè) 230MHz 基站。另外由于各類型業(yè)務(wù)流量分布的不平衡，也可針對業(yè)務(wù)分布特點采用1.8GHz頻率系統(tǒng)吸收容量，230MHz 頻率系統(tǒng)完成覆蓋需要的方式組網(wǎng)，不必按照城鄉(xiāng)分區(qū)的劃分原則。此方案在同一站址仍然只有一套特定頻段的基站設(shè)備，但是由于230MHz 與1800MHz兩套無線寬帶通信系統(tǒng)的不兼容性，需采購兩套獨立的無線核心網(wǎng)系統(tǒng)與網(wǎng)管系統(tǒng)，成本較之第一種方案有所提升。

3.3 多頻同址組網(wǎng)

該方案同一站址修建兩套基站，分別為230MHz 基站與1800MHz基站。此方案又有兩種業(yè)務(wù)劃分模式：（1）1800MHz頻段基站支撐吞吐量大，但覆蓋范圍小，230MHz 基站支撐吞吐量小，但覆蓋范圍大，可將1800MHz基站用于承載流量大、分布集中（辦公場所或變電站附近的電子表單提交等）的移動辦公、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)；將230MHz 基站承載流量小、分布分散的配網(wǎng)自動化、計量自動化等業(yè)務(wù)，但此時管理信息與生產(chǎn)控制區(qū)業(yè)務(wù)在同一張網(wǎng)承載，從安全分區(qū)考慮存在政策規(guī)范問題。（2）針對電力系統(tǒng)二次安防限制將管理信息區(qū)業(yè)務(wù)統(tǒng)一用1800MHz基站承載，生產(chǎn)控制區(qū)業(yè)務(wù)用 230MHz 基站承載，采用不同頻率建設(shè)兩張無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)完全的物理隔離，此劃分模式較為符合相關(guān)安防規(guī)范。此方案在同一站址建設(shè)有兩套基站設(shè)備，且需采購兩套獨立的無線核心網(wǎng)系統(tǒng)與網(wǎng)管系統(tǒng)，成本較之第一種方案有成倍提升，但也有較大的優(yōu)勢，包括：（1）能最大程度利用現(xiàn)有的頻率、站址資源，業(yè)務(wù)承載能力最優(yōu)；（2）不同頻段的兩套基站共站址，共傳輸、電源等資源，節(jié)省投資；（3）網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一建設(shè)、管理，便于優(yōu)化管理。

3.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線專網(wǎng)主要分為業(yè)務(wù)層、安全接入層、LTE接入層、業(yè)務(wù)接入層。業(yè)務(wù)層及安全接入層中的前置機為業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)備；安全接入層負(fù)責(zé)生產(chǎn)業(yè)務(wù)與管理業(yè)務(wù)的安全防護(hù)；LTE接入層包括核心網(wǎng)、LTE回傳光網(wǎng)絡(luò)以及基站設(shè)備，負(fù)責(zé)傳輸并處理相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)接入層包括業(yè)務(wù)終端和采集終端，負(fù)責(zé)一次設(shè)備等的信息采集及業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)的傳輸。

4 應(yīng)用方案

4.1 業(yè)務(wù)支撐

在實際業(yè)務(wù)支撐方面，LTE無線專網(wǎng)對運檢、營銷、物資、基建以及能源互聯(lián)網(wǎng)五大業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供通信基礎(chǔ)支撐。運檢業(yè)務(wù)方面包括基于4G專網(wǎng)的配電自動化應(yīng)用、配電環(huán)境和安防監(jiān)控、變/配電站房機器人智能巡檢、智能化配搶移動作業(yè)、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、變電運維標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、電網(wǎng)諧波監(jiān)測和繼電保護(hù)移動作業(yè)等八項業(yè)務(wù)場景；在營銷業(yè)務(wù)方面，主要應(yīng)用場景包括基于物聯(lián)網(wǎng)的電能信息采集、充電站樁/群在線監(jiān)測以及業(yè)擴(kuò)移動服務(wù)；基建業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用場景為基建現(xiàn)場管理；物資業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用場景為物資倉儲管理；能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用主要針對綜合用能優(yōu)化服務(wù)。

4.2 解決方案

常見的LTE電力無線專網(wǎng)解決方案中，包含了授權(quán)和非授權(quán)頻段的組網(wǎng)方案。配電自動化應(yīng)用場景對通信業(yè)務(wù)的低時延、可靠性要求較比較高，主要的解決方案是eLTE-Licensed，在頻譜得到授權(quán)的情況下，能讓通信系統(tǒng)更好的工作在無干擾的環(huán)境中，從而保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，保證安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在智能抄表、傳感器檢測場景中，以eLTE-IoT網(wǎng)絡(luò)解決方案及相關(guān)通信模組、DAU等作為主力產(chǎn)品，實現(xiàn)電網(wǎng)抄表智能化。對于信號有嚴(yán)重衰減或者屏蔽的場景，解決方案可增加電表外接天線和室外安裝等手段來提升覆蓋效果。eLTE-IoT在免授權(quán)頻譜上增加了跳頻和抗干擾技術(shù)、符合行業(yè)特征的無線資源利用技術(shù)。變電站視頻監(jiān)控、基建現(xiàn)場適配回傳或移動作業(yè)等場景中，可考慮使用非授權(quán)頻段的寬帶eLTE-U方案。eLTE-U是一種在免授權(quán)頻譜上使用LTE的無線寬帶接入技術(shù)，eLTE-U結(jié)合了LTE的高性能與Wi-Fi易部署的特點，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、移動性強、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點。

以上不同的解決方案，各有特點，可以根據(jù)各地、各項目不同的頻譜法規(guī)要求，不同的業(yè)務(wù)需求，靈活自由的進(jìn)行選擇搭配和組合，來實現(xiàn)支撐業(yè)務(wù)的最終訴求。華為LTE電力無線專網(wǎng)解決方案全景圖如圖2所示。

5 結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，通信技術(shù)和通信產(chǎn)品已經(jīng)深入電網(wǎng)的各個領(lǐng)域和專業(yè)，人類對電網(wǎng)的要求也會越來越高。LTE電力無線專網(wǎng)能夠滿足電力通信的快速覆蓋和信息化業(yè)務(wù)的靈活接入要求，適應(yīng)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一技術(shù)選擇、統(tǒng)一安全方案的設(shè)計模式，可方便電網(wǎng)各業(yè)務(wù)部門方便、快速、無障礙共用接入網(wǎng)通信資源，必將在未來配電通信網(wǎng)絡(luò)中獲得廣泛應(yīng)用。

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作者簡介：

曹小冬，男，湖南郴州人，碩士研究生，工程師，主要從事電力通信運維相關(guān)工作。