電力無線專網(wǎng)在抽水蓄能電站建設(shè)中的應(yīng)用研究

李晉先 陳磊 張明儒 岳明奕

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)峰及黑啟動等重要作用。針對抽水蓄能電站位置偏僻、電站覆蓋面廣和洞室錯綜復雜等特點，首次將電力無線專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到抽水蓄能電站，有助于抽水蓄能電站更好的實現(xiàn)工程現(xiàn)場智能管控。系統(tǒng)以光纖傳輸為主，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸為輔，選用eLTE技術(shù)，經(jīng)多次仿真測試，結(jié)果表明系統(tǒng)滿足電站無線信號覆蓋需求。

1引言

絕大部分抽水蓄能電站地處偏遠、電站覆蓋面廣、電站區(qū)域山谷河流較多，海拔落差大，地理條件復雜，通信運營商網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋整個電站，例如：隧道內(nèi)、地下洞室、交通道路和山下庫區(qū)等諸多區(qū)域覆蓋效果不佳，無法滿足電站正常應(yīng)急及安全智能管控系統(tǒng)等通信需求。

電力無線專網(wǎng)通過部署基站的方式，以光纖傳輸為主，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸為輔，采用eLTE技術(shù)進行信號覆蓋。單個基站的覆蓋半徑可達5 ～15 km，覆蓋范圍廣、距離遠；數(shù)據(jù)時延小于50 ms，可實現(xiàn)應(yīng)急通信指揮功能；吞吐量下行100 Mbps，上行50 Mbps，滿足視頻監(jiān)控、視頻對講等業(yè)務(wù)的帶寬需求；CPE終端、生產(chǎn)調(diào)度終端、雙網(wǎng)手機（專網(wǎng)+運營商）和移動PDA等多種移動終端均可接入，滿足數(shù)據(jù)采集等多種業(yè)務(wù)場景的使用需求；安全性高，本身具備完善的安全防護措施。

2抽水蓄能電站業(yè)務(wù)需求

本文以河北豐寧抽水蓄能電站為例進行介紹，抽水蓄能電站無線專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求包括：

（1）集群通信

以eLTE應(yīng)急指揮系統(tǒng)大網(wǎng)，將電站現(xiàn)場音視頻信息實時傳回指揮中心，實時通信高效保證安全生產(chǎn)；對突發(fā)事件，可緊急調(diào)度、快速響應(yīng)；多媒體調(diào)度提高效率。

（2）視頻監(jiān)控

包括實時監(jiān)控、視頻巡檢以及對固定視頻監(jiān)控補充，對視頻監(jiān)控盲區(qū)，通過臨時架設(shè)無線攝像頭回傳系統(tǒng)，避免破路、挖溝和布線，實現(xiàn)快速部署；高清監(jiān)控，可以用于短期突發(fā)監(jiān)控需求。

（3）數(shù)據(jù)回傳

通過移動接入終端完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回傳，包括對巡檢數(shù)據(jù)進行實時回傳；對分散在電站區(qū)域的傳感業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行采集；對人員車輛定位等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行承載。

（4）移動通信

包括日常巡檢時的移動辦公、實時回傳；在建擴容時搭建臨時通信設(shè)施，方便拆裝；應(yīng)急搶修搶險時的便攜移動、快速安裝。

3主要研究內(nèi)容

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

業(yè)務(wù)應(yīng)用層，部署各種應(yīng)用服務(wù)器，為用戶提供應(yīng)用業(yè)務(wù)。目前主要業(yè)務(wù)有視頻監(jiān)控、移動辦公和集群調(diào)度等。

傳輸網(wǎng)絡(luò)層，部署核心網(wǎng)設(shè)備以及電站內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)設(shè)備部署在內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡(luò)的邊緣、電站的信息機房內(nèi)。

無線覆蓋層，電站的無線覆蓋分為室外覆蓋和室內(nèi)覆蓋。室外區(qū)域包括業(yè)主營地、上下庫區(qū)和道路，在室外部署無線基站進行覆蓋。室內(nèi)區(qū)域包括洞室區(qū)、地下主廠房和隧道，采用部署基站+天線進行覆蓋。

終端接入層，包括移動辦公終端、移動巡檢終端、視頻監(jiān)控攝像頭、寬帶數(shù)據(jù)終端和集群終端等。

3.2基站

（1）覆蓋范圍

電站基建期：為施工現(xiàn)場提供通信保障。

電站生產(chǎn)期：為整個電站區(qū)域提供通信保障。

（2）覆蓋設(shè)計

結(jié)合抽水蓄能電站的覆蓋需求，做到重點區(qū)域全面覆蓋，部分區(qū)域選擇性覆蓋。

①上水庫區(qū)域

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，水庫區(qū)域位于多個山頂?shù)捻敳浚w區(qū)域比較開闊，需要全面覆蓋的大部分區(qū)域無遮擋物阻擋無線信號覆蓋，且在西北方向有一座較高的山體，適合布點基站。

②下水庫區(qū)域和業(yè)主營地

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，下水庫區(qū)域和業(yè)主營地區(qū)域由幾座山相鄰，最遠直線相距2.8 km，中部有幾座山相隔，覆蓋區(qū)域比較分散，而且下水庫部分覆蓋區(qū)域有山體阻擋無線信號覆蓋。業(yè)主營地位于山腳平地，比較開闊、無山體阻擋。選擇拉遠RRU進行分別覆蓋。

③地下洞室

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，主廠房和主變洞區(qū)域正在開挖，只能根據(jù)設(shè)計圖紙進行了解，該區(qū)域為設(shè)備安裝區(qū)域，廠房墻體堅硬，金屬設(shè)備比較多，對無線信號衰減和屏蔽大；其他洞區(qū)域（通風洞、交通洞），進行現(xiàn)場勘查，這洞室寬約6 m，高約7 m，有部分區(qū)域存在60°以上的拐彎和上下起伏，整體無線覆蓋環(huán)境比較復雜，且安裝條件比較困難。

3.3核心網(wǎng)

業(yè)務(wù)引擎負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，采用eLTE核心網(wǎng)平臺，集成鑒權(quán)用戶管理功能（部分SAE-HSS功能單元）、MME功能單元、S-GW、P-GW功能單元和PCRF功能。

3.4終端

（1）CPE終端

CPE承擔eLTE無線廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)和本地數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換任務(wù)，具備回傳功能，可獨立使用，用于室外部署。

（2）生產(chǎn)調(diào)度終端

高端寬帶集群手持大屏終端，是專網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中功能強大的集群終端，能同時支持私密呼叫、組呼、短信彩信、寬帶數(shù)據(jù)接入、視頻調(diào)度業(yè)務(wù)及多業(yè)務(wù)并發(fā)。支持4.5英寸高亮觸摸屏，Android智能操作系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于公共安全、能源和交通等非特殊要求行業(yè)，實現(xiàn)專業(yè)集群調(diào)度、多媒體調(diào)度及寬帶數(shù)據(jù)功能。

3.5網(wǎng)管

網(wǎng)管系統(tǒng)提供統(tǒng)一運維管理能力，對網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)質(zhì)量進行監(jiān)視和分析，管理范圍包括：基站設(shè)備管理和業(yè)務(wù)引擎設(shè)備管理。

基站設(shè)備管理功能包括：設(shè)備接入、告警管理、性能管理、拓撲管理、網(wǎng)元管理器、設(shè)備軟件升級、MML客戶端和配置數(shù)據(jù)同步。

業(yè)務(wù)引擎設(shè)備管理功能包括：設(shè)備接入、告警管理、拓撲管理、網(wǎng)元管理器、MML客戶端和配置數(shù)據(jù)同步。

4仿真測試

4.1覆蓋目標

基于現(xiàn)階段無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)主要為視頻監(jiān)控回傳業(yè)務(wù)、集群應(yīng)急通信業(yè)務(wù)等，本項目的覆蓋目標按如下要求取定：

CPE終端速率上行50 Mbps、下行100 Mbps，邊緣速率下行/上行均大于2 Mbps，重點區(qū)域覆蓋率不低于95 %，非重點區(qū)域覆蓋依據(jù)重點區(qū)基站建設(shè)情況盡可能覆蓋最大面積。

4.2參數(shù)取定

（1）系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)制式：TD-LTE；

系統(tǒng)頻率：1.8 GHz；

系統(tǒng)帶寬：10 M（1 785～1 795 MHz）；

TDD上/下行時隙配置：3：1；

特殊子幀配置：3：9：2；

設(shè)備形態(tài)：4T4R，發(fā)射功率為20 W×4（49 dBm）。

（2）定向天線參數(shù)

天線類型：定向天線；

基站天線：天線增益19.5 dBi，半功率角65°；

基站天線掛高：25 m最低要求（實際部署站址高度更高，覆蓋效果更好）。

（3）拋物面天線參數(shù)

天線類型：拋物面天線；

基站天線：天線增益19.5 dBi，半功率角65°；

基站天線掛高：10 ～15 m最低要求。

（4）終端參數(shù)

終端類型：CPE終端，1T2R；

終端最大發(fā)射功率：200 mW（23 dBm）；

終端天線增益：12 dBi；

終端天線高度：1.5 m最低要求（實際部署高度更高，覆蓋效果更好）。

4.3實驗仿真測試

根據(jù)研究方案，分別對室外和室內(nèi)進行軟件仿真。從軟件仿真測試結(jié)果可以看出，距離RRU1.8公里的終端，傳輸帶寬為2 MHz，滿足抽水蓄能電站智能管控的需求。將eLTE技術(shù)應(yīng)用到抽水蓄能電站專網(wǎng)中，仿真測試結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足電站信號覆蓋需求。

5建設(shè)效益

為電站基建期及永久期各種移動業(yè)務(wù)提供良好的業(yè)務(wù)承載能力，為各階段業(yè)務(wù)系統(tǒng)的靈活接入和穩(wěn)定高效使用提供網(wǎng)絡(luò)支持，部署無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后可開展基建智能化、指揮通信、應(yīng)急調(diào)度和物聯(lián)網(wǎng)承載等業(yè)務(wù)，避免由于沒有網(wǎng)絡(luò)接入導致業(yè)務(wù)不可用，對電站的建設(shè)和生產(chǎn)管理和工作效率起到不可或缺的支撐作用。

5.1經(jīng)濟效益

自建與租用成本對比分析：采用無線專網(wǎng)自建方案采用一次投入方式，按照目前電站租用運營商設(shè)備的建設(shè)方式對比，其建設(shè)成本與4 ～5年設(shè)備租賃費用與維護費用相當，考慮固定資產(chǎn)的全生命周期，這種自建方式更為節(jié)省成本。

避免多次重復建設(shè)：無線專網(wǎng)一次建設(shè)完畢后，由于其性能滿足未來擴展階段業(yè)務(wù)需求，在新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署時可提供靈活及時的網(wǎng)絡(luò)接入能力，無需再次增加其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入，避免由于基建期轉(zhuǎn)生產(chǎn)期部署多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)時大量的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入成本。

5.2社會效益

提供業(yè)務(wù)支撐能力，提升生產(chǎn)管理效率：從基建期及生產(chǎn)運營期全階段來看，無線專網(wǎng)部署均對生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)控和安全保障具有重要的作用。確保信息系統(tǒng)更好為電站業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)。

目前在電站大部分區(qū)域無法提供有效的網(wǎng)絡(luò)接入能力，包括無法提供4G網(wǎng)絡(luò)接入信號，導致大量的現(xiàn)場基建管理采用傳統(tǒng)方式完成，有時無法實現(xiàn)即時通信保障，從生產(chǎn)管理效率提高方面來看，無線網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)的建設(shè)將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，確保先進可靠的現(xiàn)代化管理手段可以迅速開展，提高工作效率和質(zhì)量。

從網(wǎng)絡(luò)安全的角度來講，電站大量生產(chǎn)業(yè)務(wù)、監(jiān)控業(yè)務(wù)屬于內(nèi)網(wǎng)核心數(shù)據(jù)，如果采用運營商4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，存在嚴重的安全生產(chǎn)管理隱患，甚至存在被黑客實現(xiàn)非正常接入及遠程控制的風險，造成無法估量的安全風險。

為業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新提供網(wǎng)絡(luò)接入：無線專網(wǎng)的部署，可以改變傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式，例如業(yè)務(wù)巡檢，通過無線專網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器自動巡檢，即實現(xiàn)了無人作業(yè)，又保障了監(jiān)控頻度和效率，為電站的業(yè)務(wù)擴展提供了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐，為實現(xiàn)電站生產(chǎn)管理智能化提供業(yè)務(wù)擴展平臺。

6結(jié)束語

電力專網(wǎng)已具備從終端、系統(tǒng)、核心網(wǎng)端到端和完善的商用產(chǎn)業(yè)鏈布局，已經(jīng)開始規(guī)模商用部署，發(fā)展迅速；大容量、低時延、高并發(fā)和上下行時隙比配置靈活，支撐視頻監(jiān)控、集群和數(shù)據(jù)回傳等多種業(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。在抽水蓄能電站應(yīng)用有助于電站更好的實現(xiàn)工程現(xiàn)場智能管控。