超距無(wú)線光網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

顧煥之 李新華 徐步塵 孫衛(wèi)軍

（國(guó)網(wǎng)昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

1 目的和意義

電力通信主要為電網(wǎng)的自動(dòng)化控制、商業(yè)化運(yùn)營(yíng)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理服務(wù)。它是電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)和調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商業(yè)化的保障，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的重要前提，也是非電產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)多樣化的基礎(chǔ)。隨著電力工業(yè)的日益發(fā)展，電力系統(tǒng)通信網(wǎng)作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的一重要組成部分，正在不斷成長(zhǎng)、發(fā)展和完善，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。電力通信網(wǎng)是以光纖、微波及衛(wèi)星電路構(gòu)成主干線，各支路充分利用電力線載波、特種光纜等電力系統(tǒng)特有的通信方式，并采用明線、電纜、無(wú)線等多種通信手段及程控交換機(jī)、調(diào)度總機(jī)等設(shè)備組成的多用戶、多功能的綜合通信網(wǎng)。

目前，在電網(wǎng)電力系統(tǒng)通信中仍然以具有高傳輸率、高帶寬、高可靠性等特性的光纖通信為主，但隨著電網(wǎng)對(duì)災(zāi)難應(yīng)急、配網(wǎng)自動(dòng)化、辦公智能化等需求的提出，無(wú)線通信將以其迅速部署、不受地面限制等特點(diǎn)尋求到在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用。因此，無(wú)線通信可以成為電力系統(tǒng)通信的一個(gè)重要補(bǔ)充手段，為電力系統(tǒng)構(gòu)建綜合通信網(wǎng)提供非常重要的一個(gè)部分。

本文研究利用5.8G無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)，組建大容量、長(zhǎng)距離覆蓋、可管理的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為以下電力應(yīng)用提供可靠的通信接入保障∶

（1）基建施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)通信

（2）變電站間應(yīng)急通信處置

（3）事故現(xiàn)場(chǎng)音、視頻應(yīng)急指揮應(yīng)用

2 國(guó)內(nèi)外研究水平綜述

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)外比較常用的施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、應(yīng)急指揮控通信接入方式有∶

2.1 運(yùn)營(yíng)商GRPS網(wǎng)絡(luò)

運(yùn)營(yíng)商2G網(wǎng)絡(luò)可以為輸電線路在線監(jiān)測(cè)提供56--114Kbps帶寬，3G網(wǎng)絡(luò)可以提供100--200Kbps帶寬。應(yīng)急通信需要與運(yùn)行商IP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)延時(shí)大，因此系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，大于秒級(jí)。同時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商，需要考慮安全通信處理的各個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)營(yíng)商GRPS網(wǎng)絡(luò)接入成本包括∶無(wú)線公網(wǎng)通信設(shè)備成本（2G，3G），安裝施工成本，支付給運(yùn)營(yíng)商的流量費(fèi)用。采用運(yùn)營(yíng)商GRPS網(wǎng)絡(luò)的好處是施工環(huán)節(jié)不用考慮，但存在有信號(hào)盲區(qū)，信號(hào)會(huì)受到天氣、遮擋、電磁波的干擾，系統(tǒng)可用性較低，最重要的是運(yùn)營(yíng)商的GRPS網(wǎng)絡(luò)帶寬不能滿足應(yīng)急通信的需求。

2.2 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信簡(jiǎn)單地說(shuō)就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無(wú)線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是∶通信范圍大；只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點(diǎn)之間都可進(jìn)行通信；不易受陸地災(zāi)害的影響（可靠性高）；只要設(shè)置地球站電路即可開(kāi)通（開(kāi)通電路迅速）；同時(shí)可在多處接收，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播、多址通信（多址特點(diǎn)）；電路設(shè)置非常靈活，可隨時(shí)分散過(guò)于集中的話務(wù)量；同一信道可用于不同方向或不同區(qū)間（多址聯(lián)接）。衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)是投資大，需配備專業(yè)人員管理和維護(hù)。

3 理論和實(shí)踐依據(jù)

無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)主要的接入方式有∶

3.1 MMDS（Multichannel Multipoint Distribution Service，多信道多點(diǎn)分配服務(wù)）∶是一種點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)分布，提供寬帶業(yè)務(wù)的無(wú)線技術(shù)。

系統(tǒng)包括∶2.4G，3.5G，5.8G頻段產(chǎn)品。設(shè)備覆蓋范圍廣，可達(dá)幾十公里。此頻段受雨衰影響較小，并且在相同條件下自由空間傳輸損傷較低。它適用于企業(yè)用戶和集團(tuán)用戶。MMDS可透明傳輸業(yè)務(wù)，在基站端與網(wǎng)絡(luò)的接口為T(mén)l/El、100Base－T和O－3等，在用戶端的接口為El和10Base－T等，可以為用戶提供Internet的接入、本地用戶的數(shù)據(jù)交換、話音業(yè)務(wù)和VOD視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)。

3.2 LMDS（Local Multipoint Distribution Services，區(qū)域多點(diǎn)傳輸服務(wù)）頻段主要是26G左右，覆蓋范圍小，數(shù)據(jù)帶寬大。此頻段受雨衰影響較大，并且在相同條件下自由空間傳輸損傷比MMDS大。它適用于骨干網(wǎng)基站互聯(lián)。本地多點(diǎn)分布業(yè)務(wù)系統(tǒng)LMDS是一種提供點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的固定寬帶無(wú)線接入技術(shù)，其工作頻率在20GHZ以上，利用毫米波傳輸，可在一定的范圍內(nèi)提供數(shù)字雙工語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、因特網(wǎng)和視頻業(yè)務(wù)，是一種非常好的寬帶固定無(wú)線接入解決方案。在最優(yōu)情況下，距離可達(dá)8公里;但是由于受降雨的原因，距離通常限于1.5公里。

MMDS和LMDS的對(duì)比見(jiàn)下表所示∶

表1

從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，MMDS更加適合電力無(wú)線通信網(wǎng)應(yīng)用。LMDS由于距離、雨衰的原因不適合。

如果一方面考慮傳輸帶寬、傳輸容量，另一方面考慮傳輸距離、傳輸質(zhì)量、投資成本。從兩方面綜合考慮，在目前技術(shù)條件下，5.8GHz頻段應(yīng)屬于固定無(wú)線接入中性能價(jià)格比最高的優(yōu)選頻段，具有足夠的接入帶寬，無(wú)線電傳輸特性好，受雨衰和多徑的影響小，覆蓋范圍廣等特點(diǎn)。所以我們建議采用5.8G作為無(wú)線專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的頻段。

國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)于2002年7月開(kāi)放了5.8GHz頻段。綜合比較不同微波頻段的穿透性能和電磁環(huán)境多項(xiàng)指標(biāo)，5.8GHz頻段總體較好,該頻段微波大氣衰耗為每10km僅0.1dB。因此,最合適的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入方式就是頻段開(kāi)放、價(jià)格低廉的5.8GHz無(wú)線寬帶接入。

4 研究?jī)?nèi)容及實(shí)施方案

4.1 研究?jī)?nèi)容

4.1.1 高容量無(wú)線寬帶連接

為充分保證各種業(yè)務(wù)帶寬需求，本文研究最高可達(dá)雙向50M的無(wú)線寬帶連接。本文研究MIMO（多進(jìn)多出）、OFDM（正交頻分多路復(fù)用）、QAM（正交振幅調(diào)制）等技術(shù)，在無(wú)線寬帶設(shè)備上提供50Mbit/s的數(shù)據(jù)凈速率。

無(wú)線設(shè)備具備兩個(gè)獨(dú)立且完全一樣的信道與收發(fā)信機(jī)，結(jié)合不同的極化方式，實(shí)現(xiàn)空間與時(shí)間的編碼，有效抵抗衰落，克服非視距，提高可靠性；在兩個(gè)信道上傳輸不同的數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)雙負(fù)載，雙256QAM（Dual Payload）調(diào)制方式可以獲得單向高達(dá)25Mbit/s的數(shù)據(jù)凈速率。

圖1

4.1.2 長(zhǎng)距離無(wú)線鏈路覆蓋

最遠(yuǎn)可建立100公里的無(wú)線鏈路連接。在一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中會(huì)存在傳輸線損耗和路徑損耗，在這兩種損耗中路徑損耗包括了自由空間損耗、雨衰、k型衰落和波導(dǎo)型衰落。其中的k型衰落和波導(dǎo)型衰落研究通過(guò)天線的不同配置來(lái)克服。研究通過(guò)最大化系統(tǒng)增益，保證能克服長(zhǎng)距離的自由空間損耗實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大化系統(tǒng)增益，克服5.8G頻率電磁波100公里自由空間的損耗，保證充足的建立無(wú)線鏈接的余量。

圖2

4.1.3 服務(wù)質(zhì)量保證

語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展需要通信設(shè)備具備高可靠性并具備業(yè)務(wù)識(shí)別能力。流媒體業(yè)務(wù)可以允許在一定范圍內(nèi)的時(shí)延和抖動(dòng)，但丟包會(huì)對(duì)流媒體數(shù)，據(jù)播放質(zhì)量造成極其重大的影響。丟包率會(huì)造成視頻和音頻質(zhì)量嚴(yán)重惡化，小的丟包率會(huì)造成圖像的失真和語(yǔ)音的間歇中斷，過(guò)高的丟包率甚至可以導(dǎo)致業(yè)務(wù)的中斷。

利用QOS技術(shù)，采用Differentiated service（區(qū)分服務(wù)模型），利用IP報(bào)文的優(yōu)先級(jí)位（IP Precedence)，報(bào)文的源地址和目的地址等信息來(lái)進(jìn)行報(bào)文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和隊(duì)列調(diào)度，保證語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展。

圖3

4.1.4 無(wú)縫接入電力光傳輸網(wǎng)

無(wú)線設(shè)備對(duì)于各類數(shù)據(jù)接口的支持。研究基于IP技術(shù)的無(wú)線專網(wǎng)設(shè)備可以同時(shí)支持各種業(yè)務(wù)接口∶以太網(wǎng)，E1，STM-1等。滿足電力數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，同時(shí)符合整體通信系統(tǒng)向IP遷移。

電力光傳輸MSTP設(shè)備利用彈性分組環(huán)(RPR)、多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)等機(jī)制提供帶寬的動(dòng)態(tài)管理能力,可以提供帶寬動(dòng)態(tài)可調(diào)的專線業(yè)務(wù),提供超額帶寬,提高傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率,增加專線業(yè)務(wù)的靈活性。MSTP支持以太網(wǎng)二層交換,可以進(jìn)行業(yè)務(wù)匯聚,能進(jìn)一步提高傳輸帶寬的利用率。本項(xiàng)目研究MSTP以太網(wǎng)二層交換的VLAN支持。

表2

4.2 實(shí)施方案

利用5.8G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線設(shè)備，搭建一套高帶寬、長(zhǎng)距離覆蓋、高可靠性、可管理的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，為電力施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、應(yīng)急通信提供高質(zhì)量的通信接入，實(shí)時(shí)將施工現(xiàn)場(chǎng)、事故的視頻圖像和語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娏局笓]中心。

4.2.1 基建施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)通信實(shí)施方案

在基建施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如變電站施工過(guò)程中，變電站施工現(xiàn)場(chǎng)范圍大，單一的視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)無(wú)法覆蓋全部施工現(xiàn)場(chǎng)，這樣就無(wú)法對(duì)施工安全生產(chǎn)做到很好的監(jiān)督和指導(dǎo)，因此在施工過(guò)程中需要在變電站關(guān)鍵施工點(diǎn)附近架設(shè)臨時(shí)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是在變電站施工初期不方便鋪設(shè)專用的信號(hào)傳輸線路。為了解決這個(gè)問(wèn)題，制定了如下的變電站工程施工通信實(shí)施方案∶

圖4

在變電站施工場(chǎng)地內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)附近架設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備，并部署無(wú)線點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)端通信設(shè)備，通過(guò)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線AP設(shè)備便可在變電站內(nèi)組建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。

將所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的視頻信號(hào)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)傳輸?shù)阶冸娬究刂剖遥刂剖业臒o(wú)線大容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備傳輸?shù)骄徒木邆涔饩W(wǎng)絡(luò)的變電站，變電站通過(guò)高可靠的光纖網(wǎng)絡(luò)連接到電力公司的指揮中心。

4.2.2 故障應(yīng)急恢復(fù)實(shí)施方案

圖5

當(dāng)電力光纖通道施工時(shí)，或者線路被破壞搶修時(shí)，采用無(wú)線解決方案，可以快速部署高帶寬的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常運(yùn)行。

當(dāng)光纖通道正常后，可以切換到光纖通道運(yùn)行。無(wú)線光網(wǎng)可以作為備用，或者輕松拆除后用于其他場(chǎng)合。

當(dāng)變電站之間光纖纖芯資源緊張的時(shí)候，系統(tǒng)亦可直接實(shí)現(xiàn)變電站之間高速通信通道。

4.2.3 現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急指揮實(shí)施方案

圖6

部署無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)到指揮中心的快速、高效、寬帶通信，使領(lǐng)導(dǎo)小組可以在指揮中心實(shí)時(shí)了解事故現(xiàn)場(chǎng)情況，快速全面地收集到與事故處理相關(guān)的信息。領(lǐng)導(dǎo)小組可以與事故現(xiàn)場(chǎng)指揮小組以及事故處理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，向現(xiàn)場(chǎng)指揮小組直接下達(dá)決策意見(jiàn)，并且告知與現(xiàn)場(chǎng)事故處理相關(guān)的重要信息，現(xiàn)場(chǎng)指揮小組和事故處理人員也能實(shí)時(shí)向應(yīng)急管理指揮中心的領(lǐng)導(dǎo)小組匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況。

4.2.4 應(yīng)急通信處置實(shí)施方案

變電站應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)以某處變電站為中心，部署無(wú)線系統(tǒng)做為整個(gè)無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的核心，按照高壓輸電線路走向，在某條線路的變電站部署無(wú)線中繼系統(tǒng)，和匯聚的無(wú)線核心建立通信鏈路。

圖7

圖8

5 結(jié)束語(yǔ)

利用5.8G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線設(shè)備，搭建一套高帶寬、長(zhǎng)距離覆蓋、高可靠性、可管理的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，為電力施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、應(yīng)急通信提供高質(zhì)量的通信接入，實(shí)時(shí)將施工現(xiàn)場(chǎng)、事故的視頻圖像和語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娏局笓]中心，既解決了電力通信光纖專網(wǎng)建設(shè)成本高、建成速度慢等問(wèn)題，又為電力建設(shè)施工、復(fù)雜環(huán)境下站點(diǎn)通信提供了高效、便捷、高帶寬的通信方式。

通過(guò)本文的研究分析可以看出，無(wú)線5.8G專網(wǎng)技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、即裝即用、部署簡(jiǎn)單便捷、環(huán)境適應(yīng)性好、通信距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、覆蓋能力強(qiáng)、抗多徑干擾、保密性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于電力通信系統(tǒng)傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)是一種高效、便捷的補(bǔ)充。