無線專網技術在電力通信網中的應用

吳博科 芮小峰 錢瑛

【摘要】 為支撐堅強智能電網建設發展需求，需要建設覆蓋廣闊、接入靈活的終端通信接入網，僅僅依靠光纖接入網絡已經難以滿足不同地區、不同業務的通信需求。本文主要介紹了無線專網的技術特點與應用場景，分析了無線專網通信承載的傳統業務及未來適應“互聯網+”概念所擴展的智能業務，并以常州供電公司LTE無線專網試點項目為依據，描述了無線專網技術在配電自動化中的應用，并進一步闡述常州供電公司未來終端通信接入網的發展趨勢及方向。

關鍵詞：無線專網；終端通信接入網；智能電網；配電自動化

Wireless private network technology application in the electric power communication network Wu Bo-ke1， Rui Xiao-feng2， Qian Ying2（ChangZhou Power Supply Company，ChangZhou，JiangSu， 213003）

Abstract： To support strong smart grid construction and development needs， we have to build terminal communication access

network covering broad and flexible access. It has been difficult to meet the demand of different areas， different business

communication just relying on optical fiber access network. This paper mainly introduces the technical characteristics and

application of wireless private network， analyses the traditional business of wireless private network communication loading and

the intelligent business to adapt to the concept of "Internet +" extension in the future. Based on the LTE wireless private network

pilot project in ChangZhou power supply company， it describes the wireless private network technology application in distribution

automation， and further expounds terminal communication access network development trend and direction in ChangZhou power

supply company in the future.

Key words： Wireless private network； Terminal communication access network； The smart grid； Distribution automation

引言

隨著特高壓輸電、各種智能化等先進技術的推廣應用，堅強智能電網[1]價值巨大、功能多元。智能電網的核心在于“電力流、信息流、業務流”的高度融合，在保障電能安全、可靠、優質供應的同時，促進清潔能源開發和清潔消費，推動城市低碳發展；提供安全、經濟、便捷、環保的用電服務，滿足用戶個性化、多元化需求和其他高品質增值服務需求。

為了支撐智能電網建設的發展需求，需要建設覆蓋廣闊、接入靈活的終端通信接入網，僅僅依靠光纖接入網絡已經難以滿足不同地區、不同業務的通信需求，如邊遠地區、居民小區覆蓋的業務以及眾多依賴移動作業終端的智能電網智慧管理業務，光纖接入網絡或者建設成本較高施工周期較長，或者根本不可行。而無線通信網絡更適合分布較為分散的電力終端，尤其是滿足移動業務終端的通信需求。

一、無線專網技術特點與應用場景

1.1無線專網技術特點

4G寬帶LTE無線專網技術[2]作為國際電聯唯一認可的第四代通信技術，在全世界范圍都受到高度重視，網絡遍及全球133個國家，全球用戶數已經突破10億人。LTE技術分為TD和FD兩種上下行版本，技術體制和性能指標有微小差異。中國主導TD版本，用戶已經突破1億人。在專網中，工信部先后發布了工部無[2015]59號和[2015]65號文，批準電力等行業用戶的寬帶TD-LTE無線專網使用頻率。北京、南京已經全面建成寬帶TD-LTE智慧城市專網，珠海、廣州也已經成規模建設TD-LTE電力專網，充分驗證了寬帶LTE專網的安全和可靠。4G LTE專網的優勢具體包括以下幾個方面。

（1）服務質量優勢

電力無線專網的網絡資源屬于電力公司自有資產，在網絡資源分配、優化調整、維護管理等方面都可以自行按需進行，因此在響應及時性、服務質量等方面優于無線公網，通過自己建設基站及核心網，打造一個專屬于自己的自建自維自用無線網絡。

（2）安全優勢

無線專網可根據電力業務特殊安全需求在核心網、基站、終端等多個層面進行安全加固，全面提升無線通信安全性；且與公網相比，不存在接入互聯網的安全問題，也不存在引入第三方導致的安全問題。

（3）建設環境優勢

無線網絡建設中所需要的傳輸、電源、機房、樓面等都可以利舊，無需另外投資，也不需要機房租賃費，投資非常節省。據國網公司規劃，所有35kV及以上電壓等級變電站都已鋪設光纖，110kV及以上電壓等級變電站都是光纖成環，也就是說，新建設的基站完全可以利用現有傳輸通道，且安全可靠。電網公司變電站都有現成通信機房，且都是自有物業，具有建設無線基站的天然資源，避免了非自有物業建設可能產生的征用及糾紛等問題。

（4）國家政策優勢

工信部無[2015]65號文明確指出電力、石油等行業可以使用1785MHz-1805MHz頻段采用TD-LTE制式建設專用無線接入系統。為了搶占先機，電力行業需要加快頻率資源申請。

（5）已經規模試用

目前，國網公司內部江蘇淮安、南京、冀北、臨安、唐山曹妃甸、湖南長沙等地陸續使用了1.8G LTE[3]系統展開LTE與電力系統業務結合的研究工作。共建設基站20余座，終端150余臺。南網在廣東珠海、廣州分別建設了實驗網，并正式通過了南方電網的驗收并網運行。其中珠海項目工建設10個基站、65個終端（53個配網自動化、10個計量自動化業務點、2個視頻終端），為70個站點的配網自動化提供通信服務，滿足1萬多配電節點通信需求。廣州供電局正在建設包括15個基站、接入各類型無線終端達3353臺、接入6種業務類型的TD-LTE電力無線專網。相比于傳統的光纖網絡，無線專網施工周期從270天降低到66天，單點接入成本降低了75%。

（6）與光纖相比的成本優勢

無線專網采用與公網完全相同的技術體制，但是不同的通信頻率，這使得專網設備可以大幅度降低成本。但是由于采購數量少的原因，LTE無線專網的設備和終端價格仍然遠高于公網設備。

1.2無線專網技術應用場景

無線專網接入系統相對光纖網絡具有組網靈活、施工簡易等優勢，無線專網相對無線公網具有傳輸資源可控、服務質量保障高等優勢。近年來，隨著智能電網建設的持續推進，配電自動化建設需求增加，終端通信接入網建設規模不斷擴大，僅靠光纖通信難以滿足通信覆蓋的要求，無線專網可與光纖通信互為補充、有機融合，形成光纖+無線專網的終端通信接入網主流建設模式，為智能配用電業務的發展持續提供堅實的支撐和保障。

隨著無線通信技術的發展，運營商占用的頻譜資源和網絡接入帶寬逐步提高，但是無線公網在容量規劃上是按照一定的并發比（一般為30%左右）設計的，無法滿足所有在線用戶同時發生通信需求。在發生重大事故（如搶險、救災等）、重要事件（如重大會議、重大賽事活動等）時，公網的通信量會達到網絡容量設計容限，存在大量用戶無法接入的情況，而此時一般電力公司也正在執行保電任務或搶修業務（包括恢復運營商設備供電），如果電力設備信息傳送和現場通信過度依靠公網，必然存在不可靠因素。

電力無線專網只接入電力業務，相對于無線公網接入存在有線、無線等多方面入侵方式，無線專網只存在無線空口入侵威脅，同時可根據電力業務特殊安全需求在核心網、基站、終端等多個層面進行安全加固，全面提升無線通信安全性。

二、無線專網通信承載的業務需求分析

2.1配電自動化保障業務需求分析

2.1.1配電自動化[4]及配變監測

配電自動化業務將現代計算機技術、通信網絡技術、自動化控制技術集于一體，對配電環節的設備進行遠方實時監視、協調及控制，是改進供電質量、提高供電可靠性、擴大供電能力、實現電網高效經濟運行的重要手段。配電自動化需要可靠的通信手段，在城區、郊區、農村地區等大量信息點光纜布放不到位的地方，無線專網的建設和擴容工程難度低于光纜，在需要快速提高覆蓋率的地方，采用無線專網可以縮短工程周期。

根據能源局2015-2020年配電網建設改造行動計劃，對配電自動化建設的目標是：“根據可靠性需求、網架結構與設備狀況合理選擇故障處理模式、終端配置及通信方式。中心城市（區）及城鎮地區推廣集中式饋線自動化方式，在網絡關鍵性節點采用“三遙”終端，在分支線和一般性節點采用“二遙”終端，合理選用光纖、無線通信方式，提高電網運行控制水平；鄉村地區推廣以故障指示器為主的簡易配電自動化，合理選用無線、載波通信方式，提高故障定位能力。2020年，配電自動化覆蓋率達到90%”。

目前采用無線方式工作的故障指示器和配變監測終端主要依靠無線公網，選擇的制式有2G的GPRS、3G的CDMA和4G的LTE，制式的不統一給運維管理帶來了諸多不便，而且存在安全性、可靠性、實時性的問題或者隱患。為了提高相關監測信息的安全可靠性，可以考慮在需要快速部署配電自動化的地區采用無線專網方式覆蓋。

常州配電自動化三期區域涉及變電站43個，線路433條，線路總長2245.49千米。10kV（20kV）環網柜506座，10kV（20kV）站所290座，10kV（20kV）柱上開關237臺。每個變電站配網二遙終端和三遙終端對通信安全要求高，質量要求高（不允許誤差，時延要求<50ms）。

2.2智能電網擴展業務需求分析

2.2.1用電信息采集業務需求分析[5]

對采用無線公網采集的采集終端，將目前的“2G”GPRS通信方式升級為“4G”LTE無線專網通信方式；對目前已建的采集系統進行優化，升級現有的II型集中器，設備下行通過485線連接電表，實現電表數據采集，設備上行，通過“4G”網絡或光纖通信，實現數據的高速、穩定傳輸。

系統建成后，數據采集高速、穩定，實現供、購、售電環節的電能信息實時采集，達到準確實時抄表的要求，提高遠程費控效率，降低電費欠費風險；通過用電監測，實時提供異常用電、電能質量、線損分析等統計分析，實現故障及時搶修、信息實時互通、管控精確到位。

終端（傳感器、采集裝置、移動設備等）所采集的數據可通過無線專網傳送至市公司或省公司后臺應用服務器。以變電站為斷面，每變電站用采終端需求大約2000個，為支持數據傳輸的固定終端，安全要求低，質量要求低（數據傳輸不允許誤差，時延要求<60s）。

2.2.2多媒體調度及移動巡檢需求分析

多媒體調度集語音、集群、寬帶數據、視頻調度、短信彩信等功能于一體。除了傳統的語音調度外，還可實現可視化調度、視頻監控調度、軌跡定位和文字調度。該業務系統可將手持終端、單兵、攝像頭等采集的數據發送到調度指揮中心?？赏ㄟ^給用戶發送文字消息指令下達，實現快速發布作業計劃，可隨時進行調閱。同時在強噪音干擾環境等不方便語音通信場合，文字指令調度可以作為語音，很好替代調度手段。

移動巡檢通過手持終端將現場采集的音視頻、監測數據、地理位置等上傳調度平臺，接收/下載調度平臺的數據，與調度保持實時通信。

2.2.3智能家居業務需求分析

隨著用戶對用電交互體驗的感知要求越來越高，需將家居生活的接入智能交互終端、智能插座、家庭用能管理模塊等多種設備接入系統，通過對用戶各種設備的信息采集、分析、處理和監控，實現用戶對家居設備的全面智能管理，并實現小區低壓配電設備故障的精確定位。因此信息交互體現實現的承載通道要求高帶寬、高可靠性、接入靈活等特點，需要通過電力終端接入網覆蓋居民用電設備。在公網無法覆蓋的地區可以考慮部署部分電力無線專網熱點，為用戶提供家用電器信息化服務。

三、常州供電公司LTE無線專網試點項目

3.1項目建設概述

本項目計劃2016年內在常州約60平方公里的區域內建設LTE寬帶無線專網。采用1785MHz-1805MHz頻段TDLTE制式建設專用無線接入系統，擬申請10MHZ頻率帶寬，滿足未來智能電網業務需求。該專網可承載語音、視頻、數據業務。

首先滿足區域內10kV線路配電自動化二遙、三遙業務的通信需求。

同時可以為智能家居、用電信息采集業務提供基礎環境。通過增加調度業務系統還可開展多媒體調度、多方會診、移動巡檢等業務。試點區域西至淹城路、東至常武路、北至延政路、南至武進大道，區域面積約60平方公里。

工程范圍建設1套核心網、5座基站、1個拉遠單元、1臺三層交換機、2套直流通信電源（含蓄電池）、1套網管服務器、1套多媒體調度系統、1套安全接入裝置。試點區內有鳳林變、鳳墅變、小留變、龍潛變、鳴凰變、營配基地和工區7處位置可建基站。經勘察，選擇5處建設基站，1處建設拉遠單元。

本項目將接入三遙配電自動化終端34個、二遙節點162個。可選擇接入用電信息采集終端5個、智能家居信息接入點5個、手持終端10個。具備未來約17770個潛在配用電等業務終端的接入能力，其中二遙終端約1000個、三遙終端約700個、用電信息采集業務終端約10000個、視頻多業務終端約290個，其他業務終端約5780個。

常州TD-LTE無線專網[6]的組網方案如圖3-1所示。網絡架構從業務系統主站到用戶終端總體上分為四層，分別是業務層、安全接入層、LTE接入層以及終端層。

最上層的業務層為各類業務系統，其中多媒體調度和移動巡檢由本次項目提供。

安全接入層設備包括正反向隔離裝置，前置雙向驗證裝置和安全接入裝置。根據業務層設備的位置就近部署。根據國能安全[2015]36號文的電力監控系統安全防護方案要求，I、II區業務系統主站采用正反向隔離裝置與無線接入網絡進行隔離。III、IV區業務系統采用安全接入平臺接進無線終端業務。生產業務的終端和管理業務終端采用相同工作頻率，共享基站和天線。

LTE接入層設備包括核心層、回傳網、基站。其中核心層（含核心網和路由器）部署在市局，核心層的路由器對不同的業務采用VPN進行分離。

LTE回傳光網絡利用既有的光纜資源，采用SDH獨立通道實現，以滿足核心網和基站之間的S1接口控制面的時延要求?；驹O備部署在試點區域內所選變電站及附近合適的地址。

終端層為業務系統相關的各種LTE專網終端，其形態包括LTE手持終端、LTE專網網卡（LTE模塊）和LTE專網CPE等。

3.2項目經濟效益分析

3.2.1光纖+公網成本估算

常州配電自動化三期工程的三遙業務規劃采用光纖接入，二遙業務規劃采用公網接入。常州LTE試點專網建設后，將使配電自動化三期工程的34個三遙終端和162個二遙終端經由LTE專網接入。

從而減少了光纖和公網建設投資，采用光纖+公網建設方案的投資估算見表1。

因此，采用光纖+公網建設方案的投資總費用約319.6萬元，光網絡和公網的運維費約37.2萬元/年。

3.2.2 LTE無線專網成本估算

LTE系統造價=LTE網絡成本+LTE終端成本+安全成本+（專網運行維護費+頻率年費）×年數。本期LTE專網的投資估算如表2所示。

LTE專網總造價約為608.4萬元，維護費約為68.98萬元/年。

LTE專網與光纖+公網的投資對比如表3所示。

無線專網投資費用比光纖+公網方案高，設備費高出約288.7萬元；每年運維費高出約31.7萬元。無線專網投資比光纖+公網方案投資高出較多，主要是因為無線專網的業務承載量還較少，另外投資估算中還考慮了多媒體調度及移動巡檢等擴展應用系統的費用投入。

四、結論

當前無線專網主要解決了配網、計量使用GPRS在線率低；公網不可靠；配用電光纖通信成本過高等問題。

未來無線專網[7]可廣泛應用于從發電、輸電、配電到用電、調度、信息化等整個智能電網業務環節中。如配網自動化、計量自動化（遠程抄表）、視頻傳輸（配電房監控）、移動巡檢、移動辦公（作業表單）、門禁監控、電動汽車充電樁遠程操作、作為IMS系統的無線接入部分實現IMS的移動化應用等。另外在新變電站建設時，無線專網可作為現場建設調度指揮系統并為自動化等設備調試提供臨時通信通道。

總之，電力無線專網不僅可作為現階段配電自動化、計量自動化、移動辦公等電力業務的有效通信方式，還可以滿足未來智能電網通信網向電力物聯網[8]發展的大數據通信需求。

參 考 文 獻

[1] 梅林常；王獻軍. 4G技術在智能電網中的應用[A]；2013年中國信息通信研究新進展論文集[C]；2014年.

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