吳博科 芮小峰 錢瑛

【摘要】 為支撐堅強智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展需求，需要建設(shè)覆蓋廣闊、接入靈活的終端通信接入網(wǎng)，僅僅依靠光纖接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足不同地區(qū)、不同業(yè)務(wù)的通信需求。本文主要介紹了無線專網(wǎng)的技術(shù)特點與應(yīng)用場景，分析了無線專網(wǎng)通信承載的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)及未來適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”概念所擴展的智能業(yè)務(wù)，并以常州供電公司LTE無線專網(wǎng)試點項目為依據(jù)，描述了無線專網(wǎng)技術(shù)在配電自動化中的應(yīng)用，并進(jìn)一步闡述常州供電公司未來終端通信接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢及方向。

關(guān)鍵詞：無線專網(wǎng)；終端通信接入網(wǎng)；智能電網(wǎng)；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(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用，堅強智能電網(wǎng)[1]價值巨大、功能多元。智能電網(wǎng)的核心在于“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度融合，在保障電能安全、可靠、優(yōu)質(zhì)供應(yīng)的同時，促進(jìn)清潔能源開發(fā)和清潔消費，推動城市低碳發(fā)展；提供安全、經(jīng)濟、便捷、環(huán)保的用電服務(wù)，滿足用戶個性化、多元化需求和其他高品質(zhì)增值服務(wù)需求。

為了支撐智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展需求，需要建設(shè)覆蓋廣闊、接入靈活的終端通信接入網(wǎng)，僅僅依靠光纖接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足不同地區(qū)、不同業(yè)務(wù)的通信需求，如邊遠(yuǎn)地區(qū)、居民小區(qū)覆蓋的業(yè)務(wù)以及眾多依賴移動作業(yè)終端的智能電網(wǎng)智慧管理業(yè)務(wù)，光纖接入網(wǎng)絡(luò)或者建設(shè)成本較高施工周期較長，或者根本不可行。而無線通信網(wǎng)絡(luò)更適合分布較為分散的電力終端，尤其是滿足移動業(yè)務(wù)終端的通信需求。

一、無線專網(wǎng)技術(shù)特點與應(yīng)用場景

1.1無線專網(wǎng)技術(shù)特點

4G寬帶LTE無線專網(wǎng)技術(shù)[2]作為國際電聯(lián)唯一認(rèn)可的第四代通信技術(shù)，在全世界范圍都受到高度重視，網(wǎng)絡(luò)遍及全球133個國家，全球用戶數(shù)已經(jīng)突破10億人。LTE技術(shù)分為TD和FD兩種上下行版本，技術(shù)體制和性能指標(biāo)有微小差異。中國主導(dǎo)TD版本，用戶已經(jīng)突破1億人。在專網(wǎng)中，工信部先后發(fā)布了工部無[2015]59號和[2015]65號文，批準(zhǔn)電力等行業(yè)用戶的寬帶TD-LTE無線專網(wǎng)使用頻率。北京、南京已經(jīng)全面建成寬帶TD-LTE智慧城市專網(wǎng)，珠海、廣州也已經(jīng)成規(guī)模建設(shè)TD-LTE電力專網(wǎng)，充分驗證了寬帶LTE專網(wǎng)的安全和可靠。4G LTE專網(wǎng)的優(yōu)勢具體包括以下幾個方面。

（1）服務(wù)質(zhì)量優(yōu)勢

電力無線專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源屬于電力公司自有資產(chǎn)，在網(wǎng)絡(luò)資源分配、優(yōu)化調(diào)整、維護管理等方面都可以自行按需進(jìn)行，因此在響應(yīng)及時性、服務(wù)質(zhì)量等方面優(yōu)于無線公網(wǎng)，通過自己建設(shè)基站及核心網(wǎng)，打造一個專屬于自己的自建自維自用無線網(wǎng)絡(luò)。

（2）安全優(yōu)勢

無線專網(wǎng)可根據(jù)電力業(yè)務(wù)特殊安全需求在核心網(wǎng)、基站、終端等多個層面進(jìn)行安全加固，全面提升無線通信安全性；且與公網(wǎng)相比，不存在接入互聯(lián)網(wǎng)的安全問題，也不存在引入第三方導(dǎo)致的安全問題。

（3）建設(shè)環(huán)境優(yōu)勢

無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(jié)省。據(jù)國網(wǎng)公司規(guī)劃，所有35kV及以上電壓等級變電站都已鋪設(shè)光纖，110kV及以上電壓等級變電站都是光纖成環(huán)，也就是說，新建設(shè)的基站完全可以利用現(xiàn)有傳輸通道，且安全可靠。電網(wǎng)公司變電站都有現(xiàn)成通信機房，且都是自有物業(yè)，具有建設(shè)無線基站的天然資源，避免了非自有物業(yè)建設(shè)可能產(chǎn)生的征用及糾紛等問題。

（4）國家政策優(yōu)勢

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

（5）已經(jīng)規(guī)模試用

目前，國網(wǎng)公司內(nèi)部江蘇淮安、南京、冀北、臨安、唐山曹妃甸、湖南長沙等地陸續(xù)使用了1.8G LTE[3]系統(tǒng)展開LTE與電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)結(jié)合的研究工作。共建設(shè)基站20余座，終端150余臺。南網(wǎng)在廣東珠海、廣州分別建設(shè)了實驗網(wǎng)，并正式通過了南方電網(wǎng)的驗收并網(wǎng)運行。其中珠海項目工建設(shè)10個基站、65個終端（53個配網(wǎng)自動化、10個計量自動化業(yè)務(wù)點、2個視頻終端），為70個站點的配網(wǎng)自動化提供通信服務(wù)，滿足1萬多配電節(jié)點通信需求。廣州供電局正在建設(shè)包括15個基站、接入各類型無線終端達(dá)3353臺、接入6種業(yè)務(wù)類型的TD-LTE電力無線專網(wǎng)。相比于傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)，無線專網(wǎng)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(yōu)勢

無線專網(wǎng)采用與公網(wǎng)完全相同的技術(shù)體制，但是不同的通信頻率，這使得專網(wǎng)設(shè)備可以大幅度降低成本。但是由于采購數(shù)量少的原因，LTE無線專網(wǎng)的設(shè)備和終端價格仍然遠(yuǎn)高于公網(wǎng)設(shè)備。

1.2無線專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用場景

無線專網(wǎng)接入系統(tǒng)相對光纖網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、施工簡易等優(yōu)勢，無線專網(wǎng)相對無線公網(wǎng)具有傳輸資源可控、服務(wù)質(zhì)量保障高等優(yōu)勢。近年來，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，配電自動化建設(shè)需求增加，終端通信接入網(wǎng)建設(shè)規(guī)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(wǎng)可與光纖通信互為補充、有機融合，形成光纖+無線專網(wǎng)的終端通信接入網(wǎng)主流建設(shè)模式，為智能配用電業(yè)務(wù)的發(fā)展持續(xù)提供堅實的支撐和保障。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，運營商占用的頻譜資源和網(wǎng)絡(luò)接入帶寬逐步提高，但是無線公網(wǎng)在容量規(guī)劃上是按照一定的并發(fā)比（一般為30%左右）設(shè)計的，無法滿足所有在線用戶同時發(fā)生通信需求。在發(fā)生重大事故（如搶險、救災(zāi)等）、重要事件（如重大會議、重大賽事活動等）時，公網(wǎng)的通信量會達(dá)到網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)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(zhí)行保電任務(wù)或搶修業(yè)務(wù)（包括恢復(fù)運營商設(shè)備供電），如果電力設(shè)備信息傳送和現(xiàn)場通信過度依靠公網(wǎng)，必然存在不可靠因素。

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

二、無線專網(wǎng)通信承載的業(yè)務(wù)需求分析

2.1配電自動化保障業(yè)務(wù)需求分析

2.1.1配電自動化[4]及配變監(jiān)測

配電自動化業(yè)務(wù)將現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化控制技術(shù)集于一體，對配電環(huán)節(jié)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實時監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制，是改進(jìn)供電質(zhì)量、提高供電可靠性、擴大供電能力、實現(xiàn)電網(wǎng)高效經(jīng)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(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等大量信息點光纜布放不到位的地方，無線專網(wǎng)的建設(shè)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(wǎng)可以縮短工程周期。

根據(jù)能源局2015-2020年配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃，對配電自動化建設(shè)的目標(biāo)是：“根據(jù)可靠性需求、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與設(shè)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(qū)）及城鎮(zhèn)地區(qū)推廣集中式饋線自動化方式，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性節(jié)點采用“三遙”終端，在分支線和一般性節(jié)點采用“二遙”終端，合理選用光纖、無線通信方式，提高電網(wǎng)運行控制水平；鄉(xiāng)村地區(qū)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(dá)到90%”。

目前采用無線方式工作的故障指示器和配變監(jiān)測終端主要依靠無線公網(wǎng)，選擇的制式有2G的GPRS、3G的CDMA和4G的LTE，制式的不統(tǒng)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(guān)監(jiān)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(qū)采用無線專網(wǎng)方式覆蓋。

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

2.2智能電網(wǎng)擴展業(yè)務(wù)需求分析

2.2.1用電信息采集業(yè)務(wù)需求分析[5]

對采用無線公網(wǎng)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(wǎng)通信方式；對目前已建的采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，升級現(xiàn)有的II型集中器，設(shè)備下行通過485線連接電表，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集，設(shè)備上行，通過“4G”網(wǎng)絡(luò)或光纖通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。

系統(tǒng)建成后，數(shù)據(jù)采集高速、穩(wěn)定，實現(xiàn)供、購、售電環(huán)節(jié)的電能信息實時采集，達(dá)到準(zhǔn)確實時抄表的要求，提高遠(yuǎn)程費控效率，降低電費欠費風(fēng)險；通過用電監(jiān)測，實時提供異常用電、電能質(zhì)量、線損分析等統(tǒng)計分析，實現(xiàn)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(shè)備等）所采集的數(shù)據(jù)可通過無線專網(wǎng)傳送至市公司或省公司后臺應(yīng)用服務(wù)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ńK端，安全要求低，質(zhì)量要求低（數(shù)據(jù)傳輸不允許誤差，時延要求<60s）。

2.2.2多媒體調(diào)度及移動巡檢需求分析

多媒體調(diào)度集語音、集群、寬帶數(shù)據(jù)、視頻調(diào)度、短信彩信等功能于一體。除了傳統(tǒng)的語音調(diào)度外，還可實現(xiàn)可視化調(diào)度、視頻監(jiān)控調(diào)度、軌跡定位和文字調(diào)度。該業(yè)務(wù)系統(tǒng)可將手持終端、單兵、攝像頭等采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)度指揮中心?？赏ㄟ^給用戶發(fā)送文字消息指令下達(dá)，實現(xiàn)快速發(fā)布作業(yè)計劃，可隨時進(jìn)行調(diào)閱。同時在強噪音干擾環(huán)境等不方便語音通信場合，文字指令調(diào)度可以作為語音，很好替代調(diào)度手段。

移動巡檢通過手持終端將現(xiàn)場采集的音視頻、監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理位置等上傳調(diào)度平臺，接收/下載調(diào)度平臺的數(shù)據(jù)，與調(diào)度保持實時通信。

2.2.3智能家居業(yè)務(wù)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(shè)備接入系統(tǒng)，通過對用戶各種設(shè)備的信息采集、分析、處理和監(jiān)控，實現(xiàn)用戶對家居設(shè)備的全面智能管理，并實現(xiàn)小區(qū)低壓配電設(shè)備故障的精確定位。因此信息交互體現(xiàn)實現(xiàn)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(wǎng)覆蓋居民用電設(shè)備。在公網(wǎng)無法覆蓋的地區(qū)可以考慮部署部分電力無線專網(wǎng)熱點，為用戶提供家用電器信息化服務(wù)。

三、常州供電公司LTE無線專網(wǎng)試點項目

3.1項目建設(shè)概述

本項目計劃2016年內(nèi)在常州約60平方公里的區(qū)域內(nèi)建設(shè)LTE寬帶無線專網(wǎng)。采用1785MHz-1805MHz頻段TDLTE制式建設(shè)專用無線接入系統(tǒng)，擬申請10MHZ頻率帶寬，滿足未來智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。該專網(wǎng)可承載語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

首先滿足區(qū)域內(nèi)10kV線路配電自動化二遙、三遙業(yè)務(wù)的通信需求。

同時可以為智能家居、用電信息采集業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)環(huán)境。通過增加調(diào)度業(yè)務(wù)系統(tǒng)還可開展多媒體調(diào)度、多方會診、移動巡檢等業(yè)務(wù)。試點區(qū)域西至淹城路、東至常武路、北至延政路、南至武進(jìn)大道，區(qū)域面積約60平方公里。

工程范圍建設(shè)1套核心網(wǎng)、5座基站、1個拉遠(yuǎn)單元、1臺三層交換機、2套直流通信電源（含蓄電池）、1套網(wǎng)管服務(wù)器、1套多媒體調(diào)度系統(tǒng)、1套安全接入裝置。試點區(qū)內(nèi)有鳳林變、鳳墅變、小留變、龍潛變、鳴凰變、營配基地和工區(qū)7處位置可建基站。經(jīng)勘察，選擇5處建設(shè)基站，1處建設(shè)拉遠(yuǎn)單元。

本項目將接入三遙配電自動化終端34個、二遙節(jié)點162個?？蛇x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(yè)務(wù)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(yè)務(wù)終端約10000個、視頻多業(yè)務(wù)終端約290個，其他業(yè)務(wù)終端約5780個。

常州TD-LTE無線專網(wǎng)[6]的組網(wǎng)方案如圖3-1所示。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從業(yè)務(wù)系統(tǒng)主站到用戶終端總體上分為四層，分別是業(yè)務(wù)層、安全接入層、LTE接入層以及終端層。

最上層的業(yè)務(wù)層為各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其中多媒體調(diào)度和移動巡檢由本次項目提供。

安全接入層設(shè)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(jù)業(yè)務(wù)層設(shè)備的位置就近部署。根據(jù)國能安全[2015]36號文的電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護方案要求，I、II區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)主站采用正反向隔離裝置與無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離。III、IV區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用安全接入平臺接進(jìn)無線終端業(yè)務(wù)。生產(chǎn)業(yè)務(wù)的終端和管理業(yè)務(wù)終端采用相同工作頻率，共享基站和天線。

LTE接入層設(shè)備包括核心層、回傳網(wǎng)、基站。其中核心層（含核心網(wǎng)和路由器）部署在市局，核心層的路由器對不同的業(yè)務(wù)采用VPN進(jìn)行分離。

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

終端層為業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)的各種LTE專網(wǎng)終端，其形態(tài)包括LTE手持終端、LTE專網(wǎng)網(wǎng)卡（LTE模塊）和LTE專網(wǎng)CPE等。

3.2項目經(jīng)濟效益分析

3.2.1光纖+公網(wǎng)成本估算

常州配電自動化三期工程的三遙業(yè)務(wù)規(guī)劃采用光纖接入，二遙業(yè)務(wù)規(guī)劃采用公網(wǎng)接入。常州LTE試點專網(wǎng)建設(shè)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(jīng)由LTE專網(wǎng)接入。

從而減少了光纖和公網(wǎng)建設(shè)投資，采用光纖+公網(wǎng)建設(shè)方案的投資估算見表1。

因此，采用光纖+公網(wǎng)建設(shè)方案的投資總費用約319.6萬元，光網(wǎng)絡(luò)和公網(wǎng)的運維費約37.2萬元/年。

3.2.2 LTE無線專網(wǎng)成本估算

LTE系統(tǒng)造價=LTE網(wǎng)絡(luò)成本+LTE終端成本+安全成本+（專網(wǎng)運行維護費+頻率年費）×年數(shù)。本期LTE專網(wǎng)的投資估算如表2所示。

LTE專網(wǎng)總造價約為608.4萬元，維護費約為68.98萬元/年。

LTE專網(wǎng)與光纖+公網(wǎng)的投資對比如表3所示。

無線專網(wǎng)投資費用比光纖+公網(wǎng)方案高，設(shè)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(wǎng)投資比光纖+公網(wǎng)方案投資高出較多，主要是因為無線專網(wǎng)的業(yè)務(wù)承載量還較少，另外投資估算中還考慮了多媒體調(diào)度及移動巡檢等擴展應(yīng)用系統(tǒng)的費用投入。

四、結(jié)論

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

未來無線專網(wǎng)[7]可廣泛應(yīng)用于從發(fā)電、輸電、配電到用電、調(diào)度、信息化等整個智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)中。如配網(wǎng)自動化、計量自動化（遠(yuǎn)程抄表）、視頻傳輸（配電房監(jiān)控）、移動巡檢、移動辦公（作業(yè)表單）、門禁監(jiān)控、電動汽車充電樁遠(yuǎn)程操作、作為IMS系統(tǒng)的無線接入部分實現(xiàn)IMS的移動化應(yīng)用等。另外在新變電站建設(shè)時，無線專網(wǎng)可作為現(xiàn)場建設(shè)調(diào)度指揮系統(tǒng)并為自動化等設(shè)備調(diào)試提供臨時通信通道。

總之，電力無線專網(wǎng)不僅可作為現(xiàn)階段配電自動化、計量自動化、移動辦公等電力業(yè)務(wù)的有效通信方式，還可以滿足未來智能電網(wǎng)通信網(wǎng)向電力物聯(lián)網(wǎng)[8]發(fā)展的大數(shù)據(jù)通信需求。

參 考 文 獻(xiàn)

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