电力无线专网建设模式分析
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随着无线通信技术的快速发展，目前，可选用的无线通信技术比较多：传统230MHz数传电台、公网GPRS/CDMA、WiMAX（全球微波互联接入）、McWILL（多载波无线信息本地环路）、Mobitex、TD-LTE230系统等。这些技术均可实现农村电网信息的远程通信。采用GPRS/CDMA公网租用方式每年的租用费用较高，如果引入视频、宽带等业务，费用更高昂，网络安全性方面也存在问题；230MHz电台专网、Mobitex专网通信带宽较小很难满足电力系统对宽带业务的需求。如何对现有农网多种无线通信方式进行客观的分析与评价，进行统一规划、设计和建设公司县域农村电网无线通信专网，成为一个有待解决的问题。本文在分析农村电网通信现状与业务需求基础上，论述了无线通信在农村电网发展的必要性与定位，结合无线专网通信技术的最新发展和应用，分析了无线通信专网技术性能、业务支持能力、组网应用及技术发展路线，提出了构建农村电力无线通信专网的技术方案，探讨了农村电力无线专网建设模式，为无线通信技术在广大农村电网的应用提供了参考。
电力无线通信技术现状
发展我国的电力通信网伴随着电网的发展，从小到大、从点到面发展并形成覆盖全国的电力通信网。电力通信技术也经历了电力线载波、无线（微波、卫星、一点多址微波、无线集群、230MHz数传电台）、光纤通信为主的3个发展阶段。20世纪80年代开始以数字微波为干线，覆盖全国大部分省、市的电力通信干线网初步形成，作为骨干网的补充和延伸，150MHz、450MHz无线移动通信、800MHz集群移动通信、一点多址微波通信等也得到应用。由于无线通信频率资源有限，随着通信信息量的急剧增加，无线通信已经远远不能满足电网通信业务的需求。光纤通信技术的成熟和应用，依托电力系统特有的线路资源，20世纪90年代中后期电力光纤通信系统迅猛建设，目前，已经建成了覆盖各级变电站的电力骨干通信网络。数字微波、卫星、一点多址微波、无线集群等无线通信在不断萎缩并基本退出历史舞台。230MHz数传电台自1991年国家无线电管理委员批复电力负荷控制专用频点以来，经过多年发展，全国大部城市已建有230MHz无线系统。系统以地市公司为单位建设，在地市公司主站附近建一主台站，在辖区随信号覆盖情况建设基站/中继站，实现地市级大用户覆盖。电网智能化发展需要构建覆盖全网直至用户侧的高速实时、支持多业务灵活接入的电力通信网络。受到农村电网尤其是广大中西部地区农村经济发展与通信基础设施薄弱、农网通信点多、覆盖范围广、通信设备工作环境差等限制，面向广大农村用户侧通信网络资源极其匮乏，已成为电网建设与智能发展的瓶颈。现有的电力骨干光纤通信网络向下延伸，存在短时间内无法大面积覆盖、光纤布放难度大、投资高、运维工作量大等问题。为满足农网复杂业务的需求，单一的光纤通信方式已经不能满足农村电网业务全覆盖要求，需要开展以光纤通信为主、无线通信为辅相结合的复合通信网络建设与应用尝试，以更好地开展农网配电自动化、负荷控制、用电营销、输电线路监测、无人值守可视化管理、移动办公、巡检、应急抢险、视频监控等业务。
现状一直以来，无线通信技术在农电通信中的应用采用各业务部门单独建设无线通信网的方式，自建网承载自有业务。2005年以前，县级电力公司主要选用230MHz无线通信系统实现专变用户的数据采集与负荷控制等功能，具有投资少、建设周期短、维护简单等优点，非常适合应用于通信节点分散的配电网。230MHz无线数传电台也存在一些诸如传输速率低、实时性差、管理能力差、系统容量小、组网能力弱等缺点，在很大程度上制约了该项技术的发展和应用。近几年，各地农村县级电力公司结合配电自动化、用电信息采集、应急抢修、视频监控等系统建设，采用了最新的宽带无线专网技术构建县域无线通信专网，支撑有关业务系统的建设。（1）McWILL试点工程McWILL试点工程主要集中在重庆永川、河北张家口、山东蓬莱、商河等县，主要承载负荷控制、远程抄表、配变电监测、移动视频监控等业务。（2）TD-LTE230试点工程在浙江海盐县已建成230MHzLTE试点工程，建设3个基站，小区半径5km，站间距10km，覆盖海盐城区。主要承载业务：两个视频监控点，配电自动化终端分布于一条10kV线路，共10个业务点。同时连接20余用电信息采集节点，连接大用户专变采集和居民用电信息采集集中器。海盐未来将有17500个终端接入，为满足需求并预留足够的系统容量，基站数扩容到6个，可以达到36000个终端的接入能力。（3）国网公司启动试点工程建设2012年3月，国网公司启动县域电力通信网试点工程建设，选择35个县进行宽带无线通信专网试点建设，进行包括TD-LTE230电力无线宽带通信系统、McWILL、eWIN宽带多媒体集群系统技术应用，以验证无线宽带通信专网承载农网智能化业务的适用性，探索农村电力无线通信专网建设模式和运维方式。
需求
农村电网通信业务特征（1）终端数量多单基站在线用户数较大，并发用户数需考虑变电终端、配网自动化终端等。（2）单点数据量不大，总数据量大电表信息实时采集、配网自动化业务、负荷管理、智能用电服务等总带宽要求。（3）大上行比智能用电及用电信息采集无线网络上行数据量比例高，需提供灵活上下行带宽配比。（4）设备结构简单，便于安装及维护（5）对传输时延要求高无线通信网络由单向信息收集向双向互动演进，控制信息、安全一区业务信息对传输时延要求很高。
业务需求（1）配电自动化按照配电自动化功能规范DL/T814-2002的要求，开关变位信息要求在5s以内传送到主站，综合考虑一个馈线监控终端传输所有信息，每个终端至主站（或子站）至少需要2.4bit/s全双工通道。（2）负荷管理国家电网公司项目“电力用户用电信息采集系统建设”相关研究表明，如果每一个专变用户的用电信息在15min内采集完成，每个终端至主站（或子站）需要1.2bit/s全双工通道。（3）用电信息采集国家电网公司项目“电力用户用电信息采集系统建设”相关研究表明，如果一个公用变压器按照5户三相工商户、5户单相工商户、200户居民户考虑，15min内要完成公用变压器考核点及其下的所有低压用户用电信息实现采集，至少需要从公用配电变压器至主站具有19.2~100bit/s全双工信道。（4）智能电网用户服务将通信网络延伸到用户家庭，实现用户用电信息、电力交易信息及用户用电智能管理等智能电网用户服务功能，需要为每个用户至少提供100bit/s通信带宽。
业务宽带预测根据我国典型农村电网线路、配电开关、配电变压器、低压用户情况的统计分析，每平方公里拥有的配电设备、用户及其通信需求。
可行性
远程通信技术目前终端通信接入网远程通信技术主要有光纤、GPRS/CDMA无线公网、无线专网和中压电力线载波，通信方式结合系统建设规模、技术前瞻性、实时性、安全性、可靠性等因素综合考虑，以确定适用的组网通信方式。远程通信技术比较见表2。由表2可以看出，光纤通信具有容量大、可靠性好、实时性高的特点，适合作为业务密集城区、重要客户汇集区域的远程通信通道，但是光纤网络的建设和维护难度较大，实现光网络全覆盖花费巨大且没有必要。无线专网和中压载波可以充分利用其无需布线、运维简单的优点和光纤网络形成优势互补，在光纤不能达到或者无必要达到的区域承载配电自动化或者用电信息采集业务。公网通信具有无可比拟的灵活性，目前应用广泛，为此电网公司每年需向运营商支付巨额费用，公网的可靠性和实时性均无保障，应该逐步被专网取代。考虑到实际情况，偏远地区和专网覆盖死角可以继续保留公网通信。
多种无线技术
无线公网技术目前国内公网主要采用GPRS、TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA。（1）GPRSGPRS在国内已经广泛应用于用电信息采集、负荷控制领域，每年需向运营商支付大量费用。一般是租用移动运营商APN资源作为用电信息采集信道，GPRS理论最大瞬时速率为171bit/s，实测一般为8～48bit/s。（2）WCDMAWCDMA是欧洲和日本所采用的3G技术，在国内，中国联通采用WCDMA建立3G网络。WCDMA技术成熟，国际上已有近10年的商用经验。新版本理论峰值下载速度可达14.4Mbit/s，上传速度是6.8Mbit/s。在3G信号覆盖不到的区域，WCDMA可以平滑过渡到GSM网络，这是WCDMA在公网中的一大优势。（3）cdma2000cdma2000是美国采用的3G技术，在国内，中国电信采用cdma2000构建3G网络。理论峰值速率2~3Mbit/s。基站比较庞大，终端成本较高。（4）TD-SCDMATD-SCDMA是我国研发的3G技术，中国移动采用TD-SCDMA技术构建3G网络。目前，政府支持力度很大，但业界普遍持观望态度。理论峰值速度384kbit/s。厂商对终端的支持不够。
无线专网技术相对于公网，专网无线系统具有以下优点：节约运行费用，长期效益明显；灵活度高，可以根据电力业务需求自由规划网络；实时性强，电网可以根据不同业务等级，灵活自定义业务优先级，确保实时性业务获得最优信道资源；安全性保障机制完善，可采用鉴权、加密等多种安全机制保障业务安全性，可以方便地使用应用层加密技术确保端到端数据的可靠传输。构建专网的难度同样不小，具体介绍如下。一次投资成本高，运行维护较公网更为复杂，这也是所有行业专网面临的共性问题。频谱资源问题。频谱资源问题是构建电力无线专网面临的主要问题。虽然电力行业用拥有230MHz频段的40个频点，但是总带宽只有1Mbit/s，与目前3G、4G技术动辄10Mbit/s、20Mbit/s的带宽相比十分有限，且40个频点离散、不对称，技术开发难度较大。申请其他频段的难度较大，目前剩余资源有限。技术制式不统一，缺乏相关标准。目前，电力无线存在多种技术并存、接口不规范的局面，比如，大部分配电自动化设备如FTU、TTU等接口为RS232/485，无线通信终端大部分支持FE口，接口不统一导致设备安装调试、运行维护难度增大。
（1）McWILLMcWILL是在现有大规模商用的窄带SCDMA技术的基础上，国内自主研发宽带无线通信系统，支持用户在数据业务下的移动、漫游、切换等功能。从全球来看，McWILL与WiMAX在技术性能和业务应用领域的差别不大，在国内市场有其独特的优势，如频率资源、市场基础等。McWILL可以使用1785～1805MHz和406.5～409.5MHz两段授权频率，两段频率非McWILL专用，需要地方无委批准使用。基站吞吐量：5MHz带宽下，达到15Mbit/s。小区覆盖范围：密集城区1~3km（1800MHz频段），农村8~13km（1800MHz频段）。McWILL核心技术属于北京信威通信有限公司，只有少数的终端厂商做外围支持。因此，如果大规模建设，产业链支撑能力有限。
（2）TD-LTE230TD-LTE230是国家电网信通公司联合普天公司研发的电力宽带专网技术。目前在海盐电业局有3个基站规模的试点，基站间距10km，覆盖整个城区。该技术采用了TD-LTE所采用的某些技术，采用电力行业授权的230MHz频段的40个离散频点，频点离散、非对称，总带宽1MHz。TD-LTE230采用了载波聚合技术实现离散频谱聚合，提高了频谱利用率。采用了频谱感知技术，目前该技术用于躲避干扰，系统设计支持340个子频点，在检测到除电力专用的40个子频点外其他频点空闲时，可以灵活借用以提高传输速率，但是此项功能在试点系统并未使用。TD-LTE230于2012年4月获得了国家无委基站和终端的设备型号核准证，起草完成了13项国网企业标准。同McWILL技术一样，TD-LTE230同样面临产业链支撑能力弱的问题。
（3）TD-LTELTE是3G的演进，是以OFDM/FDMA为核心的4G技术。3GPPLTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统时延，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；能够为350km/h高速移动用户提供大于100bit/s的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25~20MHz多种带宽。TD-LTE技术作为国际公认的3G演进方向，在产业链完整性、技术先进性上面是毋庸置疑的，目前国内大规模实验局进展顺利。目前TD-LTE产业链已受到包括日本软银、沃达丰、德国电信、法国电信、SK电讯、印度Yota、美国Clearwire等一批国外主流运营商以及拥有TDD频段的新兴运营商的认可和接纳，在全球已建设33个试验网，预计2012年将有超过10个国家和地区开始TD-LTE网络商用部署。2011年，我国进行了TD-LTE第一阶段规模试验，基站数量超过1000个。目前TD-LTE尚没有面向电力的试点工程，北京政府在城区建设基于TD-LTE的北京政务网，覆盖北京三环内城区，网络规划建设90个基站。该工程平均每基站覆盖1.7km2，基站覆盖半径小于1km，该参数显示了密集城区的基站覆盖密度需求。
典型应用技术方案电力无线宽带通信系统在远端监控模块与后台主站之间提供安全、可靠的数据传输通道，并提供对网络设备和远端通信模块的配置和管理功能，系统采用全IP网络构建,系统架构如图1所示。终端设备：数据采集、监控调度、宽带数据传输等远端模块的统称，是智能电网远端信息采集和监控调度的执行单元，如集中器、配电终端、摄像头等。（1）主站智能电网主站系统。（2）接入终端系统的无线终端模块，直接与监控单元通信。终端与监控单元能够无缝连接，即插即用。（3）基站系统的无线基站，能够接入多路用户，包括固定基站以及移动基站（车载）。（4）核心网系统的核心网，负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等，直接连接智能电网主站。通过核心网，电力终端能够完成数据采集、调度指挥、应急抢险等功能。（5）网管网络管理单元，主要包括两部分内容：网络状态监控和设备运维。该中心支持对现存的电力信息管理进行融合，并能利用各种多媒体手段、GIS技术，完成统一集成的多媒体调度指挥系统。具体包括：调度指挥中心（指控系统以及电视墙、GIS信息显示）；现场应急指挥调度系统（车载应急基站、卫星接入系统、车载台、集群终端、移动视频监控等）；可视电话调度系统（包括有线与无线可视电话）；监控系统。
电力无线网络建设模式探讨
自建自营自建自营电力专网，在安全性、可靠性、业务保障能力方面具有明显优势，与此同时，构建专网也存在一次性投入大、运行维护复杂等问题。目前，电力专网目前尚处于小规模试点阶段，承载业务量有限，系统稳定性尚未得到验证。以浙江海盐TD-LTE230无线专网试点为例，如图2所示，目前采用3个基站实现市区全覆盖，而系统挂载终端的数量只有几十个，与单基站支持6000个点在线的设计指标差距很大，就当前情况看难以评估该系统的实际性能。目前，海盐供电局计划逐步增加终端数量，最终实现17500业务点全接入，届时，TD-LTE230的性能将得到有效的验证。因此，应继续推进电力专网试点工程建设，在增加试点数量的同时，着重提高试点建设质量，以便真实有效地评估电力专网的业务支撑能力。综合考虑建设成本、系统性能、终端分布等因素，宜采用电力无线专网作为终端通信接入网远程通道，可以用于直接承载“二遥”配电自动化业务、负荷控制业务、少量的视频业务，也可以作为用电信息采集业务的主干通道。
租用公网租用公网简便快捷，维护简单，但是安全性、实时性得不到保证，长期经济性差。对于重要性能低的配电自动化业务，普通居民和一般工商用户抄表业务以及构建专网明显有难度的区域可以采用租用无线公网的方式。
结束语
目前各地开展的新型无线宽带通信技术的实践活动表明，基于新型无线宽带技术的农村电网通信系统演进过程正在逐步展开，电力无线通信系统正在朝着宽带、大容量、高可靠、低时延、稳定性强的方向升级换代，新型电力无线宽带通信系统需要充分借鉴公网无线通信系统已有成果，具备广覆盖、低成本、技术先进、标准/产品相对成熟等诸多优势，快速形成新型电力无线宽带通信系统的市场化应用。无线通信具有覆盖范围广的优点，更适合于农村、城乡结合部等大范围、节点分散的应用场合。
作者：李建岐赵涛单位：中国电力科学研究院
