5G基站共建共享技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

何 濤，郭 峰，趙錦輝

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司，湖北 武漢430077）

0 引言

2020年，工信部、國(guó)資委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享支撐5G網(wǎng)絡(luò)加快建設(shè)發(fā)展的實(shí)施意見》，對(duì)持續(xù)深化電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享、支撐5G加快建設(shè)發(fā)展、推進(jìn)電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享工作提出實(shí)施意見。電力桿塔資源是電網(wǎng)公司重要的基礎(chǔ)設(shè)施，要在保證電力線路安全前提下，實(shí)現(xiàn)電力桿塔附掛5G基站，同時(shí)將5G先進(jìn)技術(shù)更好應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)共建共享、雙向應(yīng)用。電力基礎(chǔ)資源共享共用，也能夠減少城市公用基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，減少土地資源的浪費(fèi)，對(duì)節(jié)能減排、服務(wù)雙碳目標(biāo)均有益處。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，每共享一基電力桿塔，將減少土地征用面積50 m2，節(jié)約鋼材15 t，節(jié)約建設(shè)資金12萬(wàn)元，縮短建設(shè)周期40 d。通過(guò)資源共享后，不僅可以降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期，還可以提升5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和進(jìn)度。

1 關(guān)于5G技術(shù)

5G即第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technolog），是具有高速率、低時(shí)延和廣連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的三大類應(yīng)用場(chǎng)景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC），具有速率高、延遲低、覆蓋廣等特點(diǎn)。

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）特點(diǎn)是速率高，致力于無(wú)縫用戶體驗(yàn)，用戶數(shù)據(jù)速率極高，峰值速率可達(dá)到10 Gbit/s～20 Gbit/s，可滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸。

超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）的特點(diǎn)是低時(shí)延高可靠，主要應(yīng)用于對(duì)時(shí)延極其敏感并且對(duì)可靠性要求嚴(yán)格的場(chǎng)景，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)景。其中，低時(shí)延高可靠場(chǎng)景中時(shí)延的要求可達(dá)到1 ms量級(jí)。

海量機(jī)器類通信（mMTC）特點(diǎn)是廣覆蓋，應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)吞吐量、時(shí)延、可用性等性能的要求十分嚴(yán)格，具備百萬(wàn)連接/km2的設(shè)備連接能力，應(yīng)用領(lǐng)域包括生產(chǎn)流程的無(wú)線控制、智能電網(wǎng)配電自動(dòng)化等。

2 共享電力桿塔基站

5G通信基站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，連接終端用戶與傳輸網(wǎng)，解決5G用戶連接“最后一公里”。5G通信基站主要分為宏基站和微基站，宏基站一般為鐵塔站，一個(gè)站覆蓋幾十公里，機(jī)房設(shè)施完備，微基站是在樓宇中或密集區(qū)安裝的小型基站，覆蓋小，用戶量低，覆蓋單個(gè)村莊、大樓等場(chǎng)景。

5G基站架構(gòu)主要采用BBU+AAU方式。BBU是基帶控制單元，集中管理整個(gè)基站系統(tǒng)，提供基站與傳輸設(shè)備的物理接口。AAU設(shè)備（有源天線單元）主要負(fù)責(zé)傳送和處理BBU和天饋線之間的射頻信號(hào)，由于mMIMO（大規(guī)模多路多出）技術(shù)的應(yīng)用，AAU尺寸和重量進(jìn)一步加大，尤其是64T64R多天線的應(yīng)用，5G天饋線系統(tǒng)的安裝比2G、3G、4G更復(fù)雜。

根據(jù)電力安全工作規(guī)程，不同電壓等級(jí)的輸電線路都有相應(yīng)安全距離，在安全距離范圍內(nèi)上塔作業(yè)可以保證人身安全。電力塔屬于高聳結(jié)構(gòu)，國(guó)家對(duì)該類設(shè)施都有嚴(yán)格的接地要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到安全因素，結(jié)合附掛高度，通信基站附掛位置符合要求，既能保證不發(fā)生觸電事故，也能保證設(shè)備達(dá)到通信要求的相應(yīng)高度。同時(shí)，由于電磁頻段不同，加之塔上通信基站天線波束主瓣角度可以調(diào)整，通信設(shè)備自身具備糾錯(cuò)功能，在滿足電氣安全距離的前提下，架空線路不會(huì)對(duì)通信基站信號(hào)產(chǎn)生干擾。

3 共享電力桿塔基站安裝

3.1 天線掛高

電力桿塔作為輸配電線路的重要組成部分，起到支撐和架空電力線纜的作用。按結(jié)構(gòu)形式，可分為桿類和塔類；按用途，可分為直線塔、轉(zhuǎn)角塔、終端塔以及跨越塔。不同類型的電力桿塔承載能力不同，對(duì)5G基站而言，室外電力桿塔適合安裝宏基站。

根據(jù)電力桿塔所處地形及信號(hào)覆蓋范圍要求，宏基站安裝高度為15 m～35 m。電力桿塔附掛基站天線典型方案為電壓等級(jí)220 kV，雙回路鐵塔，天線設(shè)備掛于塔身，掛高25 m，天線可布置在同一水平面上的不同平臺(tái)處，通過(guò)支架與鐵塔連接。

當(dāng)天線安裝于塔身時(shí)，高度建議不超過(guò)地線，并確保天線在地線45°保護(hù)范圍之內(nèi)。天線布置位置一般可分為3種情況：第1種安裝在塔頂頭部；第2種安裝在塔頭段，位于導(dǎo)線以上；第3種安裝在塔頭段，位于導(dǎo)線以下。綜合考慮系統(tǒng)安全性，穩(wěn)定性和運(yùn)維便利性等多種因素，盡量實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)平行運(yùn)行，相互間干擾最小?；谝陨显瓌t，基站天線安裝位置建議位于輸電線路帶電部分以下，并滿足相關(guān)安全距離。

圖1 電力桿塔共享天線安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of power tower shared antenna

不宜進(jìn)行附掛服務(wù)的電力桿塔主要包括：同塔四回路及以上多回線路桿塔；投運(yùn)30年以上的電力桿塔和20年以上水泥桿等老舊電力桿塔；評(píng)估不達(dá)標(biāo)或需進(jìn)行桿塔主材、基礎(chǔ)加固方可達(dá)標(biāo)的電力桿塔；達(dá)到臨界使用條件的電力桿塔；位于20 mm及以上重冰區(qū)的桿塔。

表1 基站附掛安全距離計(jì)算值Table 1 Calculation value of safety distance for base station attachment

3.2 天線角度

天線是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的核心設(shè)備之一。用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸線中的電磁能與自由空間的電磁波間的相互轉(zhuǎn)換。

安裝天線傾角時(shí)必須考慮的因素有天線的高度、方位角、增益、垂直半功率角度，以及期望覆蓋的范圍。

天線主瓣波束與地平面的關(guān)系如圖2所示，其中所需覆蓋半徑為D（m），天線高度為H（m），傾角為α，垂直半功率角為θ。

圖2 天線主瓣波束與地平面的關(guān)系Fig.2 Relationship between antenna main lobe beam and ground plane

當(dāng)天線傾角為0度時(shí)，天線波束主瓣即主要能量沿水平方向輻射，當(dāng)天線下傾α度時(shí)，主瓣方向的延長(zhǎng)線將與地面一點(diǎn)相交，由于天線在垂直方向有一定的波束寬度，因此在A點(diǎn)到B點(diǎn)方向，仍會(huì)有較強(qiáng)的能量輻射。根據(jù)天線的技術(shù)性能，在半功率角內(nèi)，天線增益下降緩慢，超過(guò)半功率角后，天線增益迅速下降［3］。因此，可以認(rèn)為半功率角延長(zhǎng)線到地平面交點(diǎn)（B點(diǎn)）內(nèi)為天線的實(shí)際覆蓋范圍。根據(jù)上述分析以及三角幾何原理，可以推導(dǎo)出天線高度、下傾角、覆蓋距離三者之間的關(guān)系為：α=arctan（H/D）+θ/2。

上述為常規(guī)移動(dòng)通信系統(tǒng)的下傾角設(shè)計(jì)，對(duì)于5G系統(tǒng)，5G基站m-MIMO天線具有更多的功能，由于很多根天線同時(shí)可以調(diào)整，這就使得信號(hào)覆蓋變得更多樣，可以變成長(zhǎng)條形、方形、橢圓形等等，而且可以快速調(diào)整，完全根據(jù)需要來(lái)轉(zhuǎn)換。目前主流的mMIMO有64T64R、32T32R、16T16R等多種通道數(shù)天線可以選擇，其區(qū)別在于垂直面上分別支持4層、2層和1層波束，利用mMIMO天線具有多個(gè)垂直波束的特點(diǎn)，可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，調(diào)整站址或者天線型號(hào)、掛高、方位角、下傾角、發(fā)射功率等，充分滿足電力桿塔附掛基站信號(hào)及覆蓋要求。

3.3 機(jī)房建設(shè)

通信機(jī)房是5G基站建設(shè)中不可或缺的組成部份，通信機(jī)房由動(dòng)力柜、設(shè)備柜、電池柜、電源柜組成。目前5G基站通信機(jī)房多使用一體化機(jī)柜或模塊化機(jī)房，內(nèi)部可安裝通信系統(tǒng)設(shè)備、交直流配電、蓄電池、溫度調(diào)節(jié)設(shè)備及其它配套設(shè)備，能為內(nèi)部設(shè)備正常工作提供可靠的運(yùn)行環(huán)境。對(duì)于附掛基站的電力角鋼塔，一體化機(jī)柜宜安裝在鐵塔內(nèi)部，對(duì)于附掛基站的鋼管桿，一體化機(jī)柜宜安裝在桿塔旁邊。電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機(jī)柜示意圖如圖3。如采用小型模塊化機(jī)房，安裝位置參考一體化機(jī)柜，機(jī)房?jī)?nèi)部尺寸不低于3 m×2 m，加上周圍附屬設(shè)施占地約10 m2，凈空不小于2.5 m，內(nèi)部可設(shè)置機(jī)柜3個(gè)，嵌入式直流通信電源1臺(tái)、通信蓄電池2組以及交流配電箱、空調(diào)、監(jiān)控設(shè)備等。實(shí)際利用的有效機(jī)柜數(shù)量約為2個(gè)，滿足基本的基站信號(hào)接入及回傳、處理需求。

圖3 電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機(jī)柜示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated cabinet for power angle steeltower/steel pipe pole layout

3.4 設(shè)備安裝

宏基站設(shè)備主要分為室外（塔上）部分、室內(nèi)（塔下）部分及室外與室內(nèi)（即設(shè)備與通信機(jī)房）連接部分。其中，室外（塔上）部分主要包括天線、RRU（無(wú)線射頻單元）設(shè)備或AAU設(shè)備（有源天線單元）、鐵塔支臂。室內(nèi)（塔下）部分主要包括機(jī)房或機(jī)柜，在機(jī)房或機(jī)柜內(nèi)部安裝BBU（無(wú)線基帶單元）設(shè)備、電源、空調(diào)以及監(jiān)控設(shè)備。室外與室內(nèi)連接部分距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用獨(dú)立光纜；當(dāng)室內(nèi)外緊鄰時(shí)，只需穿墻套管等附屬設(shè)施即可。

3.5 防雷接地

基站天線、饋線以及走線架等設(shè)施均應(yīng)在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。5G AAU的安裝位置位于導(dǎo)線下方，電力鐵塔的防雷保護(hù)可完全滿足天線保護(hù)角的要求［4］。35 kV及以上電力桿塔的引下線纜、電源線、傳輸線及饋線沿鐵塔主材內(nèi)部布置或沿鋼管桿身的爬梯側(cè)面布置，沿鋼管桿身布置時(shí)還應(yīng)采用PVC套管保護(hù)，按0.5 m間距用夾具固定良好。鐵塔上架設(shè)的饋線及同軸電纜金屬外護(hù)層應(yīng)分別在饋線頂部、離塔處及機(jī)房入口處外側(cè)就近接地；當(dāng)饋線及同軸電纜長(zhǎng)度大于60 m時(shí)，則宜在塔的中間部位增加一個(gè)接地點(diǎn)。室外走線架始末兩端均應(yīng)接地，接地連接線應(yīng)采用截面積不小于10 mm2的多股銅線。饋電機(jī)柜無(wú)論是在設(shè)備機(jī)柜附近還是內(nèi)部，都應(yīng)共用同一接地系統(tǒng)，該接地系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)橫截面積35 mm2以上的銅線與電力桿塔地相連［5］。

4 5G技術(shù)在電力系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 分布式能源調(diào)控

為適應(yīng)太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、充電樁等分散電力需求和資源分布特點(diǎn)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理、有功功率調(diào)節(jié)、電壓無(wú)功功率控制、孤島監(jiān)測(cè)、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要達(dá)到百萬(wàn)到千萬(wàn)級(jí)別的連接數(shù)。通過(guò)5G面向大連接的能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，從而有效保障多電源并網(wǎng)的有效運(yùn)行。

4.2 智能配電自動(dòng)化

智能配電自動(dòng)化通過(guò)繼電保護(hù)自動(dòng)裝置監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)線路和設(shè)備狀態(tài)信息，快速實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)或設(shè)備故障的判斷及精準(zhǔn)定位，迅速隔離故障區(qū)段或故障設(shè)備。而傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護(hù)采用簡(jiǎn)單的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，不依賴通信，不能實(shí)現(xiàn)分段隔離，停電影響范圍大。為了實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)隔離，可以利用5G切片技術(shù)在配網(wǎng)領(lǐng)域推廣應(yīng)用差動(dòng)保護(hù)，要求通信時(shí)延小于10 ms，帶寬大于2 Mb/s，可靠性99.999%，信息交互攜帶10μs內(nèi)的高精度時(shí)間戳。

4.3 智能巡檢和應(yīng)急指揮

利用機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等搭載高清攝像頭或環(huán)境傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站、配電房、輸電線路進(jìn)行巡檢的過(guò)程中，將現(xiàn)場(chǎng)高清視頻、圖片等數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。此外，針對(duì)重大電力故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)，也需要通過(guò)高清視頻等方式將現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)反饋到指揮中心。為滿足這些通信要求，需要單路帶寬達(dá)到4～10 Mb/s，時(shí)延小于100 ms。針對(duì)這類業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬，有效地保障智能巡檢和應(yīng)急指揮的進(jìn)行。

4.4 電力設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程操作

電網(wǎng)運(yùn)行中，需要通過(guò)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)來(lái)掌握設(shè)施運(yùn)行情況。利用5G通道實(shí)現(xiàn)電力線路輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)、視頻信號(hào)的接入，在電力桿塔安裝5G基站的同時(shí)，同步安裝輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)5G與電力業(yè)務(wù)雙向應(yīng)用。此外，通過(guò)智能電表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，也存在大量的設(shè)備接入?；?G面向大連接的能力，為末端設(shè)備的全面接入提供支撐，進(jìn)一步保障設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

電力桿塔安裝5G基站具有投資小、見效快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。根據(jù)電力基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)工作經(jīng)驗(yàn)，提出了5G基站共享電力桿塔的標(biāo)準(zhǔn)、方法和注意事項(xiàng)，同時(shí)對(duì)5G在電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析，對(duì)推動(dòng)5G與電網(wǎng)業(yè)務(wù)的共建共享應(yīng)用具有很強(qiáng)的借鑒意義。研究及實(shí)踐表明，只要做好電力桿塔共享基站設(shè)計(jì)，確定掛高、天線角度等指標(biāo)，就能安全、高效利用電力桿塔基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)5G基站、5G技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)的融合以及共建共享共用。