大型地下變電站無(wú)線覆蓋系統(tǒng)研究

趙修旻，吳國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司，上海 200122)

大型地下變電站無(wú)線覆蓋系統(tǒng)研究

趙修旻，吳國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司，上海 200122)

根據(jù)大型地下變電站無(wú)線覆蓋的需求，通過(guò)分析對(duì)比各類(lèi)無(wú)線覆蓋技術(shù)的特點(diǎn)，選擇無(wú)線直放站作為優(yōu)選方案。結(jié)合設(shè)計(jì)案例對(duì)某大型地下變電站的無(wú)線覆蓋方案做出具體分析，給出相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)、配置參數(shù)和測(cè)試結(jié)果，為大型地下變電站的無(wú)線覆蓋實(shí)施提供了參考。

無(wú)線覆蓋；直放站；施主天線；室內(nèi)分布

隨著城市重型工業(yè)產(chǎn)業(yè)逐步退出，用電負(fù)荷逐步向大型商業(yè)區(qū)和居民區(qū)轉(zhuǎn)移，城區(qū)范圍的供電密度上升，僅依靠原有的110 kV和35 kV電網(wǎng)無(wú)法支撐，必須依靠220 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)供電，這就需要在城區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)大型超高壓變電站(220 kV及以上電壓等級(jí))。顯然，大型變電站需要更多的建設(shè)用地，而城區(qū)范圍也是土地供需矛盾最突出的地方。為了提高土地利用率，城區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)了越來(lái)越多的地下變電站。地下變電站通常與建筑物融為一體，地上部分只留有人行通道和設(shè)備吊裝孔，這樣既節(jié)約了用地，也顯得美觀[1-2]。近年來(lái)，上海電網(wǎng)已先后投運(yùn)了500 kV靜安變電站、220 kV廣場(chǎng)變電站、宛平變電站、提籃橋變電站、即墨變電站、大渡河變電站等地下超高壓變電站，分布在市中心靜安、人民廣場(chǎng)、徐家匯、北外灘和真如副中心等區(qū)域，2017年還將投運(yùn)第二座500 kV地下變電站——五角場(chǎng)變電站。

運(yùn)維檢修人員在變電站內(nèi)工作時(shí)，一般通過(guò)電話與外界聯(lián)系。按照變電站通信業(yè)務(wù)的配置原則，變電站內(nèi)控制室設(shè)有外線電話一門(mén)、內(nèi)線電話一門(mén)以及變電站至相關(guān)調(diào)度機(jī)構(gòu)的調(diào)度電話各一門(mén)。這些電話都設(shè)置在變電站控制室內(nèi)的調(diào)度臺(tái)上，并且不設(shè)置無(wú)線終端。因此，當(dāng)運(yùn)維檢修人員在控制室內(nèi)遠(yuǎn)離調(diào)度臺(tái)處工作或在控制室以外的場(chǎng)所工作時(shí)，就需要通過(guò)手機(jī)與外界聯(lián)系。在地上變電站，通常運(yùn)營(yíng)商的手機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量較好，手機(jī)通話簡(jiǎn)單可行，然而在地下變電站卻很難。由于地下變電站是鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，無(wú)線信號(hào)的穿透力差，變電站的地下部分基本都沒(méi)有手機(jī)信號(hào)，尤其是大型超高壓地下變電站，地下建筑面積大多超過(guò)一萬(wàn)平方米，并且大量的操作是遠(yuǎn)離控制室和調(diào)度臺(tái)的。這對(duì)運(yùn)維檢修人員在地下變電站工作時(shí)與外界通話產(chǎn)生了極大的不便，也影響了工作效率[3-5]。因此，應(yīng)考慮在大型地下變電站建立無(wú)線信號(hào)覆蓋系統(tǒng)，為地下變電站內(nèi)的運(yùn)維檢修人員提供對(duì)外手機(jī)通話的通信渠道，同時(shí)也提供了調(diào)度臺(tái)電話通信的備用通道，有利于提高地下變電站內(nèi)的工作效率。

1 信號(hào)源接入方式

根據(jù)信號(hào)源設(shè)備的不同可以分為宏蜂窩基站、微蜂窩基站、直放站，根據(jù)接入方式不同可分為直接接入、直接耦合和空間耦合方式。

基站包括微蜂窩和宏蜂窩。基站即公用移動(dòng)通信基站，是無(wú)線電臺(tái)站的一種形式，是指在有限的無(wú)線電覆蓋區(qū)中，通過(guò)移動(dòng)通信交換中心，與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無(wú)線電收發(fā)信電臺(tái)。基站是移動(dòng)通信中組成蜂窩小區(qū)的基本單元，完成移動(dòng)通信網(wǎng)和移動(dòng)通信用戶(hù)之間的通信和管理功能。

宏蜂窩式移動(dòng)電話的建網(wǎng)初期，蜂窩小區(qū)的覆蓋半徑較大，一般在1.0～2.5 km，有的甚至達(dá)到20 km以上，因此被稱(chēng)作“宏蜂窩”小區(qū)。

微蜂窩是在宏蜂窩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)。與宏蜂窩相比，它的發(fā)射功率較小，一般在2 W左右；覆蓋半徑為100 m～1 km；基站天線置于相對(duì)低的地方，如屋頂下方，高于地面5～10 m，無(wú)線波束折射、反射、散射于建筑物間或建筑物內(nèi)，限制在街道內(nèi)部。微蜂窩最初被用來(lái)加大無(wú)線覆蓋，消除宏蜂窩中的“盲點(diǎn)”。同時(shí)由于低發(fā)射功率的微蜂窩基站允許較小的頻率復(fù)用距離，每個(gè)單元區(qū)域的信道數(shù)量較多，因此業(yè)務(wù)密度得到了巨大的增長(zhǎng)，將它安置在宏蜂窩的“熱點(diǎn)”上，可滿(mǎn)足該微小區(qū)域質(zhì)量與容量?jī)煞矫娴囊蟆?/p>

直放站屬于同頻放大設(shè)備，是指在無(wú)線通信傳輸過(guò)程中起到信號(hào)增強(qiáng)的一種無(wú)線電發(fā)射中轉(zhuǎn)設(shè)備。直放站的基本功能就是一個(gè)射頻信號(hào)功率增強(qiáng)器。直放站在下行鏈路中，由施主天線現(xiàn)有的覆蓋區(qū)域中拾取信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器對(duì)帶通外的信號(hào)進(jìn)行極好的隔離，將濾波的信號(hào)經(jīng)功放放大后再次發(fā)射到待覆蓋區(qū)域。在上行鏈接路徑中，覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)手機(jī)的信號(hào)以同樣的工作方式由上行放大鏈路處理后發(fā)射到相應(yīng)基站，從而達(dá)到基站與手機(jī)的信號(hào)傳遞。

使用直放站作為實(shí)現(xiàn)“小容量、大覆蓋”目標(biāo)的必要手段之一，主要由于使用直放站是在不增加基站數(shù)量的前提下保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，造價(jià)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有同樣效果的微蜂窩系統(tǒng)。直放站是解決通信網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋能力的一種優(yōu)選方案。它與基站相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資較少和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于難于覆蓋的盲區(qū)和弱區(qū)，如商場(chǎng)、賓館、機(jī)場(chǎng)、碼頭、車(chē)站、體育館、娛樂(lè)廳、地鐵、隧道、高速公路、海島等各種場(chǎng)所，提高通信質(zhì)量，解決掉話等問(wèn)題。不同信號(hào)源接入方式的比較見(jiàn)表1。

表1 不同信號(hào)源接入方式的比較

從接入方式看直接接入即由基站直接將信號(hào)接入室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，采用專(zhuān)門(mén)的基站直接接入在室內(nèi)話務(wù)較低時(shí)基站話務(wù)利用率低，并且須考慮基站的頻率配置，以避免站間的干擾。

直接耦合即從附近的基站收、發(fā)端口用耦合器或分路器獲取一定比例的信號(hào)，接入室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，該方式適用于距離基站較近的分布系統(tǒng)或安裝有專(zhuān)供室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)接入的基站的情況，優(yōu)點(diǎn)是接入或耦合的信號(hào)不會(huì)泄露到外界空間，避免了干擾，但采用直接耦合方式限制了系統(tǒng)信源的位置。

直放站空間耦合即利用直放站來(lái)選取合適的附近基站小區(qū)信號(hào)。直放站的施主天線耦合接收施主小區(qū)的下行信號(hào)，同時(shí)向施主小區(qū)發(fā)射覆蓋區(qū)用戶(hù)的上行信號(hào)。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本低，耦合方式簡(jiǎn)易，但在復(fù)雜的空間無(wú)線環(huán)境中，耦合得到的施主小區(qū)信號(hào)噪聲難以抑制，發(fā)射的上行信號(hào)可能會(huì)對(duì)別的小區(qū)造成干擾，影響系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。如果室內(nèi)話務(wù)量高，則會(huì)增加施主小區(qū)的負(fù)擔(dān)，甚至造成阻塞。

通過(guò)分析可知，地下變電站作為典型的“小容量、大覆蓋”的需求場(chǎng)所，使用直放站空間耦合進(jìn)行無(wú)線覆蓋是性?xún)r(jià)比較高的選擇，也是本文推薦的方案。

2 無(wú)線直放站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線直放站由施主天線、無(wú)線站和室內(nèi)分布系統(tǒng)組成。施主天線通常安裝在地下變電站的地上部分，與基站天線構(gòu)成通信鏈路，完成上下行鏈路無(wú)線信號(hào)的傳遞。無(wú)線站將從施主天線輸入端輸入的下行弱信號(hào)經(jīng)雙工器輸出，再經(jīng)下行低噪放前級(jí)放大、頻段選擇器選出有用頻段，最后經(jīng)高線性功放將信號(hào)放大并從雙工器輸出到天饋線，完成下行鏈路信號(hào)的傳輸和放大；上行同理，從上行輸入端輸入的上行弱信號(hào)經(jīng)雙工器輸出，再經(jīng)低噪放放大然后進(jìn)入上行頻段選擇器，選出有用頻段，通過(guò)末級(jí)功放及雙工器輸出。室內(nèi)分布系統(tǒng)一般由吸頂天線、壁掛天線、功分器、耦合器等組成，用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線信號(hào)的覆蓋。無(wú)線直放站的系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線直放站的系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 施主天線和高度選取

(1)接收信號(hào)比較弱(-80 dBm左右)或者隔離比較差的地方，可以選取大口徑高增益的拋物面天線作為施主天線。

(2)接受信號(hào)強(qiáng)度在-80 dBm以上的，可以選用可調(diào)角反射天線作為施主天線，安裝比較方便，角度增益大小可以調(diào)整，但其前后比較差。

(3)在市區(qū)接收信號(hào)很強(qiáng)，距離基站較近的地方可選用八木天線作為施主天線，其角度小方向性強(qiáng)可以減小對(duì)其他鄰近基站的干擾，安裝也很方便。

(4)施主天線高度視接收?qǐng)鰪?qiáng)和前方阻擋物決定，一般天線越高，接收信號(hào)越好，在前方無(wú)明顯高大阻擋物下，經(jīng)驗(yàn)值為高度增加10 m，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)增加10 dB左右。

2.3 無(wú)線站目標(biāo)指標(biāo)

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，室內(nèi)通話質(zhì)量良好，無(wú)乒乓切換發(fā)生。

(2)95%室內(nèi)覆蓋，保證在95%以上所需要室內(nèi)覆蓋的地區(qū)，不論空閑和通話狀態(tài)用戶(hù)占用室內(nèi)信道。

(3)95%室內(nèi)用戶(hù)占用，保證95%以上的信道占用由室內(nèi)用戶(hù)產(chǎn)生。并盡可能達(dá)到100%。

(4)無(wú)信號(hào)泄漏，保證室內(nèi)信號(hào)不對(duì)室外網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，室內(nèi)信號(hào)在覆蓋邊界(如窗口)在保證室內(nèi)通話基礎(chǔ)上不會(huì)太強(qiáng)。

(5)環(huán)保性，保證室內(nèi)信號(hào)在規(guī)定的最高電平以?xún)?nèi)，一般規(guī)定在人員經(jīng)常停留地區(qū)最高信號(hào)接收電平不超過(guò)-25 dBm。

(6)通常情況，窗口電平應(yīng)保持在-75～-80 dBm，如果有干凈頻段，此范圍應(yīng)在-85～-75 dBm。

2.4 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)無(wú)線信道的呼損率小于2%；無(wú)線信道的接通率大于98%。

(2)室內(nèi)無(wú)線覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)：≥ -75 dBm；室內(nèi)封閉區(qū)域≥ -85 dBm。

(3)無(wú)線覆蓋區(qū)內(nèi)可接通率： 要求在無(wú)線覆蓋區(qū)內(nèi)的95%位置，99%的時(shí)間移動(dòng)臺(tái)可接入網(wǎng)絡(luò)。

(4)室內(nèi)覆蓋信號(hào)泄漏：在距離建筑10～15m處室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)降到-85 dBm以下。

(5)在基站接收端位置的收到的上行噪聲電平小于-120 dBm。

(6)分布系統(tǒng)覆蓋區(qū)與周?chē)餍^(qū)之間有良好的無(wú)間斷切換。

(7)室內(nèi)覆蓋區(qū)誤碼率(RxQual)等級(jí)為3以下的地方占95%以上。

2.5 室內(nèi)分布系統(tǒng)的分類(lèi)和特點(diǎn)

按所采用設(shè)備的不同，室內(nèi)分布系統(tǒng)可以分為無(wú)源系統(tǒng)和有源系統(tǒng)。按布線材料的不同，室內(nèi)分布系統(tǒng)還可以分為同軸電纜系統(tǒng)、光纖系統(tǒng)、泄漏電纜系統(tǒng)和光電混合系統(tǒng)等。

(1)同軸電纜是最常用的材料，性能穩(wěn)定、造價(jià)便宜，但線路損耗大。大型同軸電纜室內(nèi)分布系統(tǒng)通常需要多個(gè)干線放大器作信號(hào)放大接力。同軸電纜系統(tǒng)由于造價(jià)便宜，安裝方便，在實(shí)際工程中大量采用，適用于樓層不是很高，分布天線數(shù)量較少的室內(nèi)分布系統(tǒng)中。這種方式主要使用功分器和耦合器等無(wú)源器件將功率分配至各個(gè)天線，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以增加干線放大器來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度。

(2)光纖線路損耗小，不加干線放大器也可將信號(hào)送到多個(gè)區(qū)域，能保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度，性能穩(wěn)定可靠。

(3)泄漏電纜系統(tǒng)不需要室內(nèi)天線，在電纜通過(guò)的地方，信號(hào)即可泄露出來(lái)，完成覆蓋。

不同室內(nèi)分布系統(tǒng)的比較見(jiàn)表2。

表2 不同室內(nèi)分布系統(tǒng)的比較

信號(hào)分布系統(tǒng)的選擇具體如下。

(1)對(duì)于小型室內(nèi)覆蓋，一般指覆蓋面積在一萬(wàn)平方米，應(yīng)采用無(wú)源分布系統(tǒng)。

(2)對(duì)于中大型室內(nèi)覆蓋，一般指覆蓋面積在五萬(wàn)平方米以下，通過(guò)加干線放大器的電分布系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋。加入干線放大器會(huì)引起噪聲惡化和插損，所以要仔細(xì)測(cè)量和計(jì)算。在滿(mǎn)足覆蓋指標(biāo)的條件下盡量少用干線放大器，最好不超過(guò)四個(gè)，另外干線放大器的級(jí)聯(lián)會(huì)形成噪聲積累，一般不采用級(jí)聯(lián)方式。

(3)對(duì)大型建筑物或離散型區(qū)域進(jìn)行室內(nèi)覆蓋時(shí)，可以采用光—電綜合分布的方式，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后通過(guò)光纖傳輸?shù)酱笮徒ㄖ锏姆謱踊蚋鱾€(gè)離散區(qū)域，然后通過(guò)光—電轉(zhuǎn)換進(jìn)入到室內(nèi)的信號(hào)分布系統(tǒng)中。

(4)泄漏分布作為一種特殊的電分布方式，用于普通天饋系統(tǒng)難以發(fā)揮作用而又必須覆蓋的特殊區(qū)域，如隧道、地鐵等。

3 設(shè)計(jì)案例分析

某500 kV變電站，位于上海市中外環(huán)之間，設(shè)計(jì)為地下結(jié)構(gòu)，地面上方為三幢多層建筑。地下三層合計(jì)建筑面積約25 000 m2，地下每層設(shè)計(jì)為左右兩面過(guò)道結(jié)構(gòu)，單層單面過(guò)道約166 m。地面部分無(wú)線信號(hào)正常，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)1 800 MHz頻段及900 MHz頻段信號(hào)豐富，平均信號(hào)強(qiáng)度在-70 dBm左右。地下部分實(shí)測(cè)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度在-110 dBm以下(即無(wú)信號(hào)狀態(tài))。

基于大型地下變電站話務(wù)需求量小，覆蓋面積大的特點(diǎn)，由于無(wú)需擔(dān)憂(yōu)信號(hào)泄漏對(duì)室外宏蜂窩基站產(chǎn)生影響，可采用無(wú)線直放站空間耦合進(jìn)行無(wú)線覆蓋。

施主天線采用常規(guī)的八木天線，安裝在多層建筑樓頂，并通過(guò)饋線與安裝在地下一層控制室內(nèi)的無(wú)線直放站相連接。

無(wú)線直放站的增益為30～60 dB，下行輸出功率為-40 dBm，上行輸出功率為-15 dBm。

室內(nèi)分布采用同軸電纜系統(tǒng)，采用1/2和7/8兩種阻燃饋線。天線系統(tǒng)采用全向吸頂天線和定向壁掛天線相結(jié)合，并輔以功分器和耦合器組成室內(nèi)分布網(wǎng)絡(luò)。饋線和天線沿走廊呈樹(shù)枝形分叉布置，天線間距離最長(zhǎng)不超過(guò)16m，確保覆蓋沒(méi)有盲點(diǎn)。

經(jīng)測(cè)算，天線信號(hào)強(qiáng)度-65～-70 dBm，滿(mǎn)足無(wú)線覆蓋需求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大型地下變電站而言，對(duì)手機(jī)無(wú)線覆蓋的需求是有限的，業(yè)務(wù)流量相對(duì)較少。從投資經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，針對(duì)地下變電站“小容量、大覆蓋”的特點(diǎn)，建設(shè)無(wú)線直放站既能最大限度滿(mǎn)足地下變電站的無(wú)線覆蓋需求，又能控制投資規(guī)模，降低成本支出，可謂是一舉兩得。此外，對(duì)于通常與地下變電站同步建設(shè)的大型電力隧道，亦可考慮建設(shè)無(wú)線直放站來(lái)實(shí)現(xiàn)電力隧道內(nèi)的無(wú)線覆蓋，并針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整優(yōu)化相應(yīng)的室內(nèi)分布系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主要的大型地下電力設(shè)施無(wú)線信號(hào)的全覆蓋。

[1] 邊永生.直放站的工程設(shè)計(jì)和調(diào)測(cè)[J].中國(guó)無(wú)線電,2006(5): 24-27.

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WirelessCoverageSystemofLargeUndergroundSubstation

ZHAO Xiumin, WU Guodong

(Information and Communication Company, SMEPC, Shanghai 200122, China)

According to the demand of the wireless coverage of large underground substations, this paper analyzes and compares the characteristics of various kinds of wireless coverage technology, and selects the wireless repeater as the preferred option. Then in combination with the design case of a large underground substation wireless coverage, it presents the related design specification, configuration parameters and test results, providing the reference for establishing large underground substation wireless coverage.

wireless coverage; repeater; donor antenna; indoor distribution

10.11973/dlyny201705007

趙修旻(1980—)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力通信傳輸及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。

TU753

A

2095-1256(2017)05-0519-04

2017-05-18

(本文編輯：趙艷粉)