TD-LTE 230無線專網(wǎng)在嘉興電力通信的應用

周 浩，吳國慶，陸 竑，俞 涯，黃震宇

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著國網(wǎng)公司“兩個一流”建設的不斷深化以及“一體兩翼”戰(zhàn)略布局的逐步展開，電網(wǎng)智能化向配用電網(wǎng)側(cè)快速推進，信息通信技術(shù)開始成為建設堅強電網(wǎng)、提升企業(yè)優(yōu)勢競爭力的核心要素。公司配用電設備數(shù)量多、分布廣，且信息化、自動化水平大幅提升，對終端通信接入網(wǎng)的安全性、可靠性、靈活性提出了更高的要求，建設“安全、泛在、友好”的通信網(wǎng)絡勢在必行。公司已建成覆蓋各電壓等級變電站、生產(chǎn)管理場所的堅強光纖通信骨干網(wǎng)絡，由于無線專網(wǎng)的缺位，歷年來公司業(yè)務部門大量租用電信運營商提供的無線網(wǎng)絡以滿足生產(chǎn)經(jīng)營需求。無線公網(wǎng)存在信息安全整體防御能力不足、通信質(zhì)量不可控、公網(wǎng)2G/3G面臨退網(wǎng)等問題，且不允許傳輸配電自動化等“三遙”業(yè)務。2013年國家無線電管理委員會印發(fā)相關(guān)文件《工業(yè)和信息化部關(guān)于同意國家電網(wǎng)公司使用電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)頻率的批復》，再次確認電力企業(yè)可以將230 MHz頻段用于相關(guān)生產(chǎn)活動中[1]，此后電力無線專網(wǎng)成為了電力通信各類業(yè)務新的通信傳輸方式。

TD-LTE（分時長期演進）是目前最主要的4G無線通信技術(shù)，利用TD-LTE技術(shù)搭建的電力無線專網(wǎng)[2]可以和光纖通信等相結(jié)合，彌補相關(guān)方面的局限性，更好地為智能電網(wǎng)的業(yè)務需求提供支持。

1 低頻段無線頻譜概況

低頻無線電頻率主要被廣播、公眾移動通信、航空移動/無線電導航、集群通信、衛(wèi)星通信、空間操作業(yè)務以及對講等業(yè)務占用。可用于電力無線寬帶LTE（長期演進）系統(tǒng)的頻段為1 800 MHz頻段和230 MHz頻段。

1 800 MHz頻段：2015年2月工信部發(fā)布1 785~1 805 MHz頻段TDD（時分雙工）方式無線接入系統(tǒng)使用頻率有關(guān)事宜，該頻段可用于交通（民航地勤、城市軌道交通等）、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)的應用，多行業(yè)競爭共用該頻段。

230 MHz頻段：國家無線電管理委員會在1991年印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務頻段規(guī)劃的通知》（國無管[1991]5號），文件中規(guī)定將230 MHz頻段共12M作為遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務使用的頻段。其中1 MHz指配用于電力行業(yè)，無線電管理委員會于2013年再次確認電力公司使用230 MHz頻段，并可以根據(jù)需要提出擴展申請。

1 800 MHz頻段相對于230 MHz頻段具備傳輸容量大的優(yōu)勢，但也存在覆蓋距離短、大規(guī)模組網(wǎng)需要基站數(shù)量多等劣勢，站址選擇涉及征地和租賃鐵塔，投入高，維護強度和難度大；230 MHz屬于低頻段，具有天然覆蓋遠的優(yōu)勢，既能減少基站設備投入數(shù)量，又能減少租賃和建設鐵塔費用，而電力自有建筑物業(yè)可以較好地滿足站址選擇要求。

針對電網(wǎng)光纖網(wǎng)絡已經(jīng)大部分建成，而配電網(wǎng)及用電信息采集等大量非高寬帶業(yè)務迅速擴展的需求，選用具備覆蓋廣、成本低優(yōu)勢的LTE 230組建電力無線專網(wǎng)，可以全面提升電力系統(tǒng)各類業(yè)務傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

2 TD-LTE 230無線技術(shù)特點

中國擁有大量自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE技術(shù)專利，并且這是一種由中國主導、得到國際廣泛認可的國際標準。

TD-LTE[3]采用的是TDD模式，利用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD模式的通信過程中，接收和發(fā)送使用的是同一頻率的載波的不同時隙來作為傳輸信道，在時間上上行或下行單方向的傳輸信息是不連續(xù)的，通過時間分離給上下行兩個方向進行資源分配，上下行的時隙子幀的配比可根據(jù)用戶的上下行業(yè)務需求進行調(diào)整，適用于智能電網(wǎng)“上行數(shù)據(jù)大而下行數(shù)據(jù)小”的特殊情況，同時這樣有利于節(jié)省帶寬資源。因此頻譜利用率較高，即便在帶寬有限的狀況下也能滿足用電用戶的通信需求。

TD-LTE使用了多種常用的無線通信技術(shù)，例如MIMO（多進多出）技術(shù)、OFDM（正交頻分復用技術(shù)）、智能天線技術(shù)等，有效擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍，增加了系統(tǒng)容量，調(diào)高了頻譜利用率。

綜上所述，基于TD-LTE技術(shù)體制，以及電力行業(yè)在頻率使用上的政策優(yōu)勢，開發(fā)適合智能電網(wǎng)電力業(yè)務的無線寬帶通信專網(wǎng)具有可行性，能在一定程度上推動智能電網(wǎng)的發(fā)展。

3 TD-LTE 230基站布點選址

根據(jù)TD-LTE無線基站選址的基本要求，結(jié)合電力系統(tǒng)自身獨有的優(yōu)勢和特點，考慮建筑物的高度及電源的可靠供給，嘉興供電公司優(yōu)先利用地縣域范圍內(nèi)大量的供電所、縣公司大樓、通信微波鐵塔等資源作為無線基站，對于域內(nèi)資源缺失的采用向鐵塔公司租賃等方式補充基站。基站安裝在變電站內(nèi)的，但須考慮與高壓線保持一定的安全距離，詳見表1。

表1 高壓線與設備距離

站址選擇要考慮地區(qū)覆蓋目標和自有物業(yè)的分布情況，能滿足有線回傳網(wǎng)絡和供電能力。

4 TD-LTE 230無線專網(wǎng)工程測試

首先確定整個無線專網(wǎng)終端接入規(guī)模，其次計算出扇區(qū)數(shù)量，再規(guī)劃基站建設數(shù)量。在基站全部建成后，通過對外場提供的路測數(shù)據(jù)進行分析，找出信號與干擾加噪聲比過低的弱覆蓋區(qū)域，并增加調(diào)整和補盲方案，完成網(wǎng)絡優(yōu)化。

通過對建成后的專網(wǎng)進行網(wǎng)絡測試，發(fā)現(xiàn)嘉興海鹽的各項關(guān)鍵指標達到預期目標值，數(shù)據(jù)如表2所示。

5 TD-LTE 230無線專網(wǎng)在嘉興的業(yè)務應用

230 MHz電力無線寬帶通信系統(tǒng)是為智能配用電網(wǎng)業(yè)務通信需求而定制開發(fā)的無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)從智能配用電網(wǎng)的業(yè)務特點出發(fā)，基于電力已有的230 MHz離散頻點，采用先進的TDLTE 4G技術(shù)以及專有的窄帶離散載波聚合技術(shù)。系統(tǒng)具備廣覆蓋、大容量、安全性強、頻譜適應性強等特性。其中TD-LTE 230系統(tǒng)單扇區(qū)性能如表3所示。

表2 關(guān)鍵指標完成情況

表3 TD-LTE 230系統(tǒng)單扇區(qū)性能

國網(wǎng)公司在嘉興海鹽建設了電力無線專網(wǎng)試點，采用TD-LTE 230系統(tǒng)針對用電信息采集、配電變壓器（簡稱配變）監(jiān)測、故障指示器、視頻傳輸、移動應用、分布式電源、充換電（站）樁、路燈管理、語音集群等業(yè)務進行有益嘗試。海鹽目前已經(jīng)建成11個基站（共13個扇區(qū)），覆蓋海鹽全域面積約500 km2。

TD-LTE 230系統(tǒng)可提供安裝在用電信息采集業(yè)務中的集中器、采集器、專用變壓器終端、配變監(jiān)測終端中的無線終端模塊，也可提供支持語音集群、視頻監(jiān)控業(yè)務的無線終端設備，可以支持多種營銷業(yè)務，電力業(yè)務適應能力強。針對多種電力業(yè)務開發(fā)的實用化通信終端模塊已經(jīng)在海鹽投入使用，承載各種電力業(yè)務。

5.1 用電信息采集

目前通過TD-LTE 230無線通信終端承載的用電信息采集終端數(shù)量達到4 000多個，分布于海鹽縣區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)通過省公司安全接入平臺融入浙江省電力公司統(tǒng)一的采集主站系統(tǒng)及營銷結(jié)算系統(tǒng)。采集通信系統(tǒng)自建成后運行穩(wěn)定，一次采集成功率在99.95%以上，滿足電力系統(tǒng)業(yè)務穩(wěn)定性和可靠性要求。通信終端模塊符合國網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)對通信終端的要求，可以直接嵌入集中器內(nèi)部使用，安裝方便。

5.2 配變監(jiān)測

在電力配變監(jiān)測應用方面，TD-LTE 230系統(tǒng)可以實現(xiàn)對信息的采集和傳輸，公用配電變壓器進行相對實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)模塊統(tǒng)一，海鹽已經(jīng)安裝1 000多個LTE終端通信模塊承載配變監(jiān)測業(yè)務。

5.3 故障指示器

通過簡單的通信終端適配，TD-LTE 230系統(tǒng)可實現(xiàn)電力線路故障指示器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸，目前已經(jīng)對接成功TD-LTE終端和故障指示器終端，并且配備了15個TD-LTE通信終端，接入省公司平臺進行數(shù)據(jù)傳輸。

5.4 負荷控制業(yè)務

在電力負荷控制應用方面，TD-LTE 230系統(tǒng)可以實現(xiàn)對負控終端的信息傳輸、雙向互動，支持對負控終端的遙測、遙信、遙控等功能，滿足實際應用需求。

5.5 應急通信業(yè)務

TD-LTE 230系統(tǒng)支持集群應用，手持終端支持移動漫游、集群調(diào)度等各種應急應用。

車載式LTE 230熱點提供局部覆蓋，方便現(xiàn)場人員的手機、電腦等快速接入。

背負式LTE 230單兵設備，通過隨身攜帶的單兵設備實現(xiàn)無線網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的語音集群應用，恢復指揮中心到災害現(xiàn)場的通信，支持現(xiàn)場調(diào)度指揮。

一體化應急LTE設備，通過高度集成核心網(wǎng)和基站，當有突發(fā)情況時通過車載或者快速投放，在當?shù)匦纬蔁o線覆蓋，開闊區(qū)域覆蓋半徑可以達到2 km。

5.6 “四表合一”業(yè)務

“四表合一”工程是利用電力系統(tǒng)現(xiàn)有采集平臺實現(xiàn)水、電、暖、氣等公共事業(yè)數(shù)據(jù)一體化遠程抄收模式，依托現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)主站和營銷業(yè)務應用系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸集、存儲。

6 TD-LTE 230系統(tǒng)設計

嘉興供電公司在海鹽縣架設的TD-LTE 230無線專網(wǎng)，通過實驗網(wǎng)絡驗證確認TD-LTE 230系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具備低成本、廣覆蓋的特點，可以支撐電力主要業(yè)務。

6.1 組網(wǎng)架構(gòu)

整個組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，由主站層、骨干通信網(wǎng)、10 kV通信接入網(wǎng)、終端層4部分組成。

圖1 LTE 230組網(wǎng)架構(gòu)

其中，核心網(wǎng)設備負責終端鑒權(quán)認證、數(shù)據(jù)加密、IP地址管理、移動性管理等，通過骨干通信網(wǎng)與業(yè)務主站通信。基站設備作為無線網(wǎng)絡的核心網(wǎng)元，提供有線/無線協(xié)議轉(zhuǎn)換、無線資源管理分配、終端接入與控制等主要功能。通信終端與電力業(yè)務終端相連接，配合基站系統(tǒng)傳輸電力終端的上下行數(shù)據(jù)。通信模塊的物理和協(xié)議規(guī)范均符合國網(wǎng)規(guī)約，可以直接內(nèi)嵌于相應電力終端，減少實施的復雜度。

6.2 網(wǎng)絡管理方案

利用設備網(wǎng)管標準化的北向接口，可以將配電網(wǎng)通信系統(tǒng)管理配置、告警和性能數(shù)據(jù)集中接入并歸一化處理，綜合網(wǎng)管系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析計算和服務應答，以瀏覽器的方式為使用人員提供相關(guān)人機交互界面和業(yè)務應用。

6.3 區(qū)域覆蓋規(guī)劃

無線基站的覆蓋能力不僅和天線高度相關(guān)，還受當?shù)氐匦巍l(fā)射功率、扇區(qū)、吞吐能力等因素的綜合影響[4]，準確覆蓋能力需要在數(shù)字地圖上仿真確定。根據(jù)計算，可知30 m和85 m基站天線掛高條件下單基站扇區(qū)針對不同環(huán)境的覆蓋面積，詳見表4。

結(jié)合多個調(diào)研項目以及浙江海鹽網(wǎng)絡的工程經(jīng)驗值可知，每個扇區(qū)平均覆蓋面積約50 km2。若要覆蓋全嘉興地區(qū)，需綜合區(qū)域天線掛高度、地理特征、發(fā)射功率、扇區(qū)、吞吐能力等因素，以及單基站覆蓋面積、基站扇區(qū)覆蓋重疊、遮擋物等，取40%附加冗余量。估測嘉興所需扇區(qū)數(shù)為（3 915/50）×1.4=110。施工中根據(jù)實際地理環(huán)境可以采用單扇區(qū)、雙扇區(qū)或者三扇區(qū)類型的基站，按照每基站3個扇區(qū)，嘉興市全覆蓋大概需要約40個基站。

表4 單扇區(qū)覆蓋面積

6.4 安全隔離方案

TD-LTE 230電力無線專網(wǎng)的建設在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護“安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證”原則基礎(chǔ)上，遵照國家能源局安全[2015]36號文對電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護方案提出的“完善體系、注重基礎(chǔ)、加強內(nèi)控、強化邊界”總體原則，安全防護策略以業(yè)務防護為優(yōu)先，以無線通道防護為保證，以業(yè)務頻率池空中接口等效物理隔離為突破，采用“端到端”的安全防護措施，有效保障終端安全接入、數(shù)據(jù)可靠傳輸及主站邊界安全。TD-LTE 230多業(yè)務接入其安全防護方案應綜合以下幾方面：

6.4.1 無線通道安全傳輸

首先在空間段針對230 MHz頻段離散頻譜資源特點，對業(yè)務通信終端預設不同頻率，通過25 kHz頻點分組實現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)通信與管理信息大區(qū)隔離，實現(xiàn)等效可以視為空中接口等效物理隔離。業(yè)務頻率池隔離如圖2所示。

其次采用不同的核心網(wǎng)設備承載不同的電力業(yè)務，從物理上隔斷交叉通信的可能性；再針對無線通信終端進行業(yè)務分組，簽約在各自對應的核心網(wǎng)簽約數(shù)據(jù)庫中，用電信息采集的核心網(wǎng)和配電自動化的核心網(wǎng)只能針對各自的業(yè)務終端發(fā)送消息，避免從低保護等級向高保護等級發(fā)送指令的可能性。

圖2 業(yè)務頻率池隔離示意

另外系統(tǒng)具備針對不同通信終端賦予不同配置帶寬和調(diào)度優(yōu)先級的能力，可以針對重要業(yè)務終端提供更快速、更穩(wěn)定的信息傳遞。

空中接口等效物理隔離框架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 空中接口等效物理隔離框架結(jié)構(gòu)示意

6.4.2 終端安全接入

（1）無線專網(wǎng)啟用基于四元組的鑒權(quán)，USIM（全球用戶識別模塊）卡、無線通信終端綁定；采取終端狀態(tài)與行為監(jiān)測措施；在配電自動化終端上集成安全芯片（有安全改造需求的存量終端配置外置式安全模塊），用電信息采集終端采用ESAM（嵌入式安全控制模塊），分別配合業(yè)務主站的配電安全接入網(wǎng)關(guān)、密碼機實現(xiàn)雙向認證和數(shù)據(jù)加密，實現(xiàn)與主站的“端到端”雙向認證加密，同時增加VPN（虛擬專用網(wǎng)）通道隔離、網(wǎng)絡準入控制、終端邊界接入等安全防護措施。

（2）不同業(yè)務核心網(wǎng)對相應通信終端分別認證，不同業(yè)務無線通信終端進行業(yè)務分組，簽約在各自對應的核心網(wǎng)簽約數(shù)據(jù)庫中，用電信息采集的核心網(wǎng)和配電自動化的核心網(wǎng)只能管理并針對各自的業(yè)務終端發(fā)送消息，避免從低保護等級向高保護等級發(fā)送指令的可能性。

6.4.3 主站邊界安全

承載在TD-LTE 230無線網(wǎng)絡之上的管理信息大區(qū)業(yè)務通過專線加VPN通道連接省公司統(tǒng)一建設的安全接入平臺，安全接入平臺實現(xiàn)終端認證授權(quán)、服務代理、數(shù)據(jù)過濾與交換、設備管理與監(jiān)控、網(wǎng)絡審計、攻擊阻斷等功能。生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務在本地通過安全接入?yún)^(qū)接口連接業(yè)務主站。生產(chǎn)控制大區(qū)主站邊界部署硬件防火墻、安全接入網(wǎng)關(guān)和單向安全隔離裝置，管理信息大區(qū)主站邊界部署硬件防火墻和安全接入平臺，對接入終端進行認證加密及數(shù)據(jù)安全過濾；部署安全審計與監(jiān)測系統(tǒng)，提升風險管控及態(tài)勢感知、信息安全事件響應及應急處置能力。

7 結(jié)語

電力終端通信接入網(wǎng)必須走有線（光纖）通信與無線通信相結(jié)合的技術(shù)路線，光纖通信解決骨干網(wǎng)絡大容量通信問題，無線通信解決廣域、海量終端通信接入問題。電力無線專網(wǎng)試點的建設項目，利用TD-LTE無線通信技術(shù)，開發(fā)了TDLTE 230系統(tǒng)，提供用電信息采集、配變監(jiān)測、負荷控制等業(yè)務傳輸通道，滿足智能電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務需求，將來可將專網(wǎng)應用到微電網(wǎng)等業(yè)務中去。

基于試點的無線專網(wǎng)安全及業(yè)務深化應用研究成果，在嘉興區(qū)域規(guī)模化無線網(wǎng)絡建設中得到驗證。證實了TD-LTE 230系統(tǒng)的規(guī)模化組網(wǎng)能力和數(shù)據(jù)管理能力，也為更大范圍建設應用電力無線專網(wǎng)提供經(jīng)驗,奠定智能電網(wǎng)快速發(fā)展的通信基礎(chǔ)。

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