摘要：隨著電網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)通信的需求日趨多元化，無(wú)線專網(wǎng)在電力系統(tǒng)中也受到越來(lái)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(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景和常見(jiàn)解決方案，對(duì)LTE無(wú)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(wú)線專網(wǎng)；智能電網(wǎng)。

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)）無(wú)線專網(wǎng)通信技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中也受到越來(lái)越多的關(guān)注，全球30多家主要電力公司建設(shè)了無(wú)線智能電網(wǎng)。國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)已經(jīng)獲得國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)的專用頻率使用批復(fù)，國(guó)家電網(wǎng)信通部主導(dǎo)成立了電力無(wú)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(kāi)展了基于不同技術(shù)體制的配用電通信無(wú)線專網(wǎng)試點(diǎn)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(kāi)展TD-LTE電力無(wú)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(guó)網(wǎng)首個(gè)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(diǎn)建設(shè)了電力無(wú)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(dòng)化程度低、PLC傳輸距離有限等問(wèn)題。2014年，南方電網(wǎng)在廣州花都地區(qū)開(kāi)始建設(shè)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的4G 電力無(wú)線專網(wǎng)，擁有29 座基站、3353臺(tái)無(wú)線終端。2017年，國(guó)網(wǎng)天津市電力公司建設(shè)完成2 套核心網(wǎng)、16 個(gè)基站等組成的LTE電力無(wú)線專網(wǎng)，覆蓋了商務(wù)區(qū)、自貿(mào)區(qū)、開(kāi)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(shì)

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(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高速率和低時(shí)延能夠充分保障配網(wǎng)自動(dòng)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(shí)時(shí)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(wú)需光纖鋪設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)態(tài)帶寬分配，上下行時(shí)隙靈活配置，更加適應(yīng)電力業(yè)務(wù)特點(diǎn)，并可根據(jù)業(yè)務(wù)的不同優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行帶寬分配，從而保證高優(yōu)先級(jí)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(jí)（1.4、3、5、10、15、20MHz），利于電力行業(yè)頻譜申請(qǐng)。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(jí)的業(yè)務(wù)之間相互隔離，滿足電網(wǎng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)高安全性的需求。

2.2 頻率選擇

無(wú)線通信網(wǎng)建設(shè)的最主要制約因素就是無(wú)線頻率。無(wú)線頻段資源屬于不可再生的獨(dú)占資源，作為國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位，國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商在無(wú)線頻段分配方面會(huì)受到國(guó)家無(wú)線電管理部門的優(yōu)先考慮。電網(wǎng)企業(yè)要建設(shè)無(wú)線寬帶專網(wǎng)，首先要解決的問(wèn)題就是爭(zhēng)取國(guó)家無(wú)線電管理部門的頻段資源。根據(jù)國(guó)家無(wú)線頻率管理政策，電網(wǎng)可考慮申請(qǐng)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(qǐng)難度較大，因此重點(diǎn)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(chǎng)景進(jìn)行使用。

3 組網(wǎng)方式

無(wú)線專網(wǎng)重點(diǎn)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(dòng)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(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化等流量小、分布廣的業(yè)務(wù)。因此，電力無(wú)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(diǎn)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(wú)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(wú)線頻率審批情況的差異，在電力無(wú)線寬帶專網(wǎng)建設(shè)資金有限、政府無(wú)線管理部門審批的頻段有限的階段，宜采用單一頻段開(kāi)展無(wú)線寬帶專網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)。采用單頻組網(wǎng)時(shí)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(huì)承載在同一張無(wú)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(wèn)題。由于目前電力監(jiān)管部門尚未針對(duì)無(wú)線專網(wǎng)制定具有針對(duì)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(shí)存在政策許可問(wèn)題。單頻組網(wǎng)時(shí)可針對(duì)主要接入的業(yè)務(wù)類型選取組網(wǎng)頻段，若將電力無(wú)線寬帶專網(wǎng)用于接入配網(wǎng)自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)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(chǎng)所、變電站周邊的視頻監(jiān)控、移動(dòng)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(diǎn)或業(yè)務(wù)分布特點(diǎn)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(diǎn)劃分：在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)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(kāi)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(duì)業(yè)務(wù)分布特點(diǎn)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(wú)線寬帶通信系統(tǒng)的不兼容性，需采購(gòu)兩套獨(dú)立的無(wú)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(chǎng)所或變電站附近的電子表單提交等）的移動(dòng)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(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化等業(yè)務(wù)，但此時(shí)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(wèn)題。（2）針對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(gòu)兩套獨(dú)立的無(wú)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(shì)，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(wú)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(jī)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(shí)際業(yè)務(wù)支撐方面，LTE無(wú)線專網(wǎng)對(duì)運(yùn)檢、營(yíng)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(yùn)檢業(yè)務(wù)方面包括基于4G專網(wǎng)的配電自動(dòng)化應(yīng)用、配電環(huán)境和安防監(jiān)控、變/配電站房機(jī)器人智能巡檢、智能化配搶移動(dòng)作業(yè)、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、變電運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)移動(dòng)作業(yè)等八項(xiàng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景；在營(yíng)銷業(yè)務(wù)方面，主要應(yīng)用場(chǎng)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(cè)以及業(yè)擴(kuò)移動(dòng)服務(wù)；基建業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景為基建現(xiàn)場(chǎng)管理；物資業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景為物資倉(cāng)儲(chǔ)管理；能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用主要針對(duì)綜合用能優(yōu)化服務(wù)。

4.2 解決方案

常見(jiàn)的LTE電力無(wú)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(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信業(yè)務(wù)的低時(shí)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(wú)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(cè)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)抄表智能化。對(duì)于信號(hào)有嚴(yán)重衰減或者屏蔽的場(chǎng)景，解決方案可增加電表外接天線和室外安裝等手段來(lái)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(wú)線資源利用技術(shù)。變電站視頻監(jiān)控、基建現(xiàn)場(chǎng)適配回傳或移動(dòng)作業(yè)等場(chǎng)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(wú)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(diǎn)，相比Wi-Fi和微波技術(shù)，具備覆蓋距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點(diǎn)。

以上不同的解決方案，各有特點(diǎn)，可以根據(jù)各地、各項(xiàng)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(lái)實(shí)現(xiàn)支撐業(yè)務(wù)的最終訴求。華為L(zhǎng)TE電力無(wú)線專網(wǎng)解決方案全景圖如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

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(gè)領(lǐng)域和專業(yè)，人類對(duì)電網(wǎng)的要求也會(huì)越來(lái)越高。LTE電力無(wú)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(jì)模式，可方便電網(wǎng)各業(yè)務(wù)部門方便、快速、無(wú)障礙共用接入網(wǎng)通信資源，必將在未來(lái)配電通信網(wǎng)絡(luò)中獲得廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)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(yùn)維相關(guān)工作。