基于特高頻無(wú)線技術(shù)變電站自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道的探究及應(yīng)用

段振英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引 言

在碳中和建設(shè)浪潮中，新能源需求日益劇增，為了快速實(shí)現(xiàn)新能源電廠并網(wǎng)發(fā)電，保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)調(diào)度和安全運(yùn)行，必須加強(qiáng)新型智能電網(wǎng)建設(shè)。特別是新能源新增變電站的建設(shè)，其中變電站投運(yùn)前的自動(dòng)化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)試是新能源并網(wǎng)前必須完成的技術(shù)驗(yàn)證工作。一般情況下電力調(diào)度通信網(wǎng)的光纖通道大都采用OPGW 復(fù)合架空地線承載，把光纖放置于架空高壓輸電線的地線中，隨高壓線路同步架設(shè)，往往到變電站投運(yùn)前幾天才完成光纖線路的熔接貫通，由于高壓輸送線路建設(shè)的滯后性，通常自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道必須等到變電站配套光纖通道開(kāi)通后才能正式調(diào)試試驗(yàn)，留給電氣自動(dòng)化試驗(yàn)的時(shí)間極為緊迫。為此相關(guān)的光纖通信、電氣自動(dòng)化調(diào)試技術(shù)人員均需要加班加點(diǎn)趕工期，若調(diào)試過(guò)程中遇到預(yù)想不到的遺漏項(xiàng)或隱患整改項(xiàng)，就會(huì)耽擱投產(chǎn)進(jìn)度，進(jìn)而影響項(xiàng)目并網(wǎng)發(fā)電。同時(shí)由于項(xiàng)目工期短、工作壓力大，有可能給項(xiàng)目后期運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。為解決以上問(wèn)題，本文深入研究了一種基于UHF 特高頻無(wú)線技術(shù)的臨時(shí)通信鏈路的實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證了UHF 特高頻無(wú)線技術(shù)在新型變電站建設(shè)的自動(dòng)化無(wú)線數(shù)據(jù)通道試驗(yàn)中靈活部署的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

1 基于UHF 特高頻無(wú)線技術(shù)搭建無(wú)線數(shù)據(jù)通道的簡(jiǎn)析

依照相關(guān)技術(shù)部門(mén)此前遵循的智能變電站建設(shè)項(xiàng)目快速并網(wǎng)調(diào)試要求，變電站從主體建設(shè)到內(nèi)部電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試試驗(yàn)都有一套標(biāo)準(zhǔn)操作，其關(guān)鍵步驟不僅包括生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)參數(shù)配置，控制模擬聯(lián)調(diào)和出廠驗(yàn)收測(cè)試，還包括現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備安裝調(diào)試。在變電站投運(yùn)前必須按最嚴(yán)格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，一絲不茍地完成投產(chǎn)試驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證工作，確保新建變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)與電力調(diào)度中心完成系統(tǒng)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和投產(chǎn)試驗(yàn)是由電網(wǎng)公司技術(shù)主管部門(mén)協(xié)調(diào)組織相關(guān)專家在新建變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證的，只有通過(guò)此項(xiàng)考核才能說(shuō)明智能變電站做好了投運(yùn)前的技術(shù)準(zhǔn)備工作，一旦時(shí)機(jī)成熟變電站就可以投入運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和投產(chǎn)試驗(yàn)往往是同步進(jìn)行的兩者密不可分，是變電站電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一次全方位產(chǎn)前體檢，按系統(tǒng)功能又可分為單機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；其中系統(tǒng)聯(lián)調(diào)需要提前使用自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道傳輸電力調(diào)度系統(tǒng)控制指令，完成電力調(diào)度控制中心與變電站的遠(yuǎn)程控制通信鏈路搭建，保證調(diào)度控制指令的準(zhǔn)時(shí)傳達(dá)與執(zhí)行結(jié)果反饋。此數(shù)據(jù)傳輸通道一般為ETH 接口或E1 接口。為了把項(xiàng)目投運(yùn)前的基礎(chǔ)技術(shù)工作做牢做實(shí)，驗(yàn)證站內(nèi)自動(dòng)化控制技術(shù)精準(zhǔn)執(zhí)行電力調(diào)度指令，我們深入探討一種基于UHF 特高頻無(wú)線技術(shù)搭建新建變電站自動(dòng)化無(wú)線數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)方案。

2 特高頻無(wú)線通信技術(shù)的工作原理簡(jiǎn)析

2.1 無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是利用某種編解碼技術(shù)加載到特定頻率的電磁波信號(hào)里，讓電磁波在特定空間自由傳播的方式進(jìn)行有效信息傳輸交換的通信手段。無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線通信技術(shù)原理示意圖

一般無(wú)線通信技術(shù)所使用的電磁波頻率資源是由國(guó)家無(wú)線電管理局規(guī)劃制定的，按無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及行業(yè)應(yīng)用拓展，頻率資源劃分范圍如表1所示。

表1 無(wú)線通信頻率資源劃分

2.2 特高頻無(wú)線技術(shù)與COFDM 調(diào)制相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

新建變電站與相鄰老變電站空間距離一般不超過(guò)幾十公里，前方不可避免出現(xiàn)建筑物、樹(shù)木等遮擋物，為了能使無(wú)線電磁波順利繞射超過(guò)這些高大的障礙物，我們優(yōu)先選擇特高頻段的電磁波來(lái)完成有效信息的傳輸任務(wù)；還要保證兩個(gè)站點(diǎn)之間的可靠傳輸帶寬達(dá)到16 Mbps。針對(duì)以上兩個(gè)特征要求，強(qiáng)烈推薦基于特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)用于新建變電站自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道用于投產(chǎn)試驗(yàn)，該無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 無(wú)線頻段資源劃分及應(yīng)用范圍分析

目前340 MHz～5 850 MHz 無(wú)線頻段資源基本被各大運(yùn)移動(dòng)營(yíng)商以拍賣方式獲得專營(yíng)權(quán)，只有狹小的340～470 MHz 頻段尚未充分開(kāi)發(fā)，這部分頻段資源還可以申請(qǐng)使用。經(jīng)過(guò)以上頻段資源分析及綜合考慮，UHF 特高頻段的無(wú)線電磁波資源尚未充分開(kāi)發(fā)，通過(guò)無(wú)線電頻率資源劃分表得知特高頻電磁波具備超強(qiáng)的繞射能力，可以搭建兩個(gè)變電站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通道。

2.2.2 無(wú)線信號(hào)調(diào)制方式分析

傳統(tǒng)常用的無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制方式不僅有頻分多址（FDMA）技術(shù)，主要用于模擬通信系統(tǒng)；還有把時(shí)間割成若干個(gè)時(shí)隙的時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，但TDMA 技術(shù)因其擴(kuò)展信號(hào)頻譜而帶來(lái)嚴(yán)重多徑干擾，所以該技術(shù)也不適合單獨(dú)組建寬帶無(wú)線系統(tǒng)；進(jìn)入數(shù)字通信時(shí)代又把碼分多址（CDMA）技術(shù)發(fā)揮到極致，雖然碼分多址（CDMA）技術(shù)具有強(qiáng)抗干擾、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但碼間串?dāng)_大，對(duì)時(shí)鐘同步要求高，不適合組建寬帶無(wú)線系統(tǒng)；后來(lái)真正得到重視發(fā)展的還是正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，它本質(zhì)上是多載波調(diào)制的一種，OFDM 編碼調(diào)制技術(shù)的主要思想是將主信道分成若干個(gè)子信道，在若干個(gè)子信道上并行傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)，從而提高了頻譜利用率；它也可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上下行鏈路中不同的傳輸速率來(lái)滿足不同的業(yè)務(wù)需求。

2.2.3 COFDM 調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性

COFDM 調(diào)制技術(shù)就是完成信源編碼的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的升級(jí)版，該調(diào)制技術(shù)帶有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿εc先進(jìn)性，其開(kāi)發(fā)價(jià)值打破多種限制，使其具有很強(qiáng)的抗干擾性、抗多徑性、信息隱蔽性、測(cè)量高精準(zhǔn)、多址保密等特點(diǎn)。

2.2.4 基于COFDM 編碼的特高頻無(wú)線技術(shù)分析

針對(duì)有阻擋與非視距環(huán)境而言，若想增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)傳輸能力，我們不僅需要加大發(fā)射功率，還要使用更為先進(jìn)COFDM 編碼技術(shù)的配合，才能有效繞開(kāi)或穿透郊區(qū)高大建筑物，形成真正的數(shù)據(jù)通道。在實(shí)際工作中采用COFDM 調(diào)制技術(shù)的無(wú)線終端設(shè)備需要借助全向天線靈活部署，快速建立穩(wěn)定可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)通道，用于高碼流的數(shù)據(jù)傳輸；總而言之，在有限時(shí)間內(nèi)搭建兩個(gè)變電站之間的內(nèi)部自動(dòng)化無(wú)線數(shù)據(jù)通道過(guò)程中，基于COFDM 編碼技術(shù)的特高頻無(wú)線技術(shù)手段是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

3 基于特高頻無(wú)線技術(shù)自動(dòng)化無(wú)線數(shù)據(jù)通道的搭建

由于歷史原因及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，各個(gè)地區(qū)的電力通信網(wǎng)絡(luò)資源差異很大，有些變電站自動(dòng)化試驗(yàn)中需要E1 接口，有些地方需要FE 接口，為了方便業(yè)務(wù)調(diào)試，在各個(gè)站點(diǎn)的特高頻無(wú)線終端設(shè)備下掛接一臺(tái)155M 的SDH 設(shè)備分解出不同的E1 和FE 業(yè)務(wù)類型，以供站內(nèi)電氣自動(dòng)化業(yè)務(wù)調(diào)試需求，下掛SDH 設(shè)備一般配置有16 個(gè)FE 接口和16 個(gè)E1 接口。依照兩個(gè)變電站之間距離的遠(yuǎn)近，我們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)兩種具體的搭建方案。如果兩個(gè)變電站之間距離不大于20 km，就采用背靠背傳輸方案，如果距離超過(guò)20 km，就得在中間增加多個(gè)中繼站傳輸方式。

如果兩個(gè)變電站之間的傳輸距離小于20 km，無(wú)線終端設(shè)備無(wú)須中繼站延伸就能直接背靠背通信。如圖2所示。

圖2 無(wú)中繼特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)示意圖

如果兩個(gè)變電站之間傳輸距離大于20 km，則按每增加20 km 里程就多配置一臺(tái)無(wú)線中繼設(shè)備的方式來(lái)完成兩個(gè)變電站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通道的搭建。如圖3所示。

圖3 有中繼特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)示意圖

我們?cè)谛陆ㄗ冸娬就瓿捎袩o(wú)中繼站的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建后，根據(jù)相關(guān)部門(mén)的要求對(duì)搭建的自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道做了誤碼測(cè)試和可靠性測(cè)試，證實(shí)了基于COFDM 編碼技術(shù)的特高頻無(wú)線技術(shù)自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道方案的可行性。

4 特高頻無(wú)線技術(shù)在變電站建設(shè)中的實(shí)驗(yàn)論證

為了掌握第一手?jǐn)?shù)據(jù)和直觀對(duì)比，按照有無(wú)中繼傳輸方式分別搭建了兩組不同環(huán)境的特高頻無(wú)線數(shù)據(jù)通道方案，我們選取了某地區(qū)具有代表性的新建變電站進(jìn)行真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。按照系統(tǒng)示意圖把特高頻無(wú)線終端設(shè)備安裝調(diào)試好，確保兩個(gè)站點(diǎn)間的無(wú)線數(shù)據(jù)通道正常運(yùn)行，通過(guò)專業(yè)儀器儀表對(duì)系統(tǒng)重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并做好測(cè)試記錄，比如無(wú)線傳輸距離、設(shè)備運(yùn)行測(cè)試時(shí)長(zhǎng)、最大有效傳輸帶寬、單位時(shí)間內(nèi)傳輸通道數(shù)據(jù)丟包率、系統(tǒng)2M 支路誤碼率等指標(biāo)。有/無(wú)中繼方式的特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 無(wú)中繼特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

表3 有中繼特高頻無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在爭(zhēng)分奪秒推進(jìn)項(xiàng)目驗(yàn)收移交的關(guān)鍵工期內(nèi)，以最快速度完成簡(jiǎn)易無(wú)線通信系統(tǒng)部署代替正式的光纖通信系統(tǒng)，體現(xiàn)了特高頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用UHF 特高頻和COFDM 編碼調(diào)制技術(shù)的特高頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)各項(xiàng)重要指標(biāo)完全符合智能電網(wǎng)變電站并網(wǎng)建設(shè)要求。在新建變電站的光纖通道未開(kāi)通之前，快速建立一道穩(wěn)定高效的無(wú)線數(shù)據(jù)通道供自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)驗(yàn)證使用，有效緩解了電氣自動(dòng)化調(diào)試時(shí)間不足，光纖通信建設(shè)滯后等問(wèn)題，確保了自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量，有利于變電站按期投運(yùn)。

5 結(jié) 論

近年來(lái)信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展，推動(dòng)電網(wǎng)越來(lái)越智能化，不僅滿足了人們便捷的生活方式，也對(duì)電力調(diào)度系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提出更高要求?；谔馗哳l無(wú)線技術(shù)和CODFM 編碼調(diào)制技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)通道傳輸方案能夠快速搭建新建變電站的自動(dòng)化數(shù)據(jù)通道，可避免因光纖通道架設(shè)緩慢導(dǎo)致投產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)間倉(cāng)促而造成安全隱患的問(wèn)題，有利用變電站內(nèi)部基建完工的同時(shí)，也保證站內(nèi)電氣自動(dòng)化調(diào)試工作的開(kāi)始，給變電站自動(dòng)化投產(chǎn)試驗(yàn)帶來(lái)充足的反復(fù)驗(yàn)證時(shí)間和糾錯(cuò)補(bǔ)漏的機(jī)會(huì)，給新建變電站順利投產(chǎn)助一臂之力。