中国联通3G服务智能电网的应用研究

张 余，李东艳，吴 宇，吴兴建，易先锋，贾海军

(1.中国联通研究院，北京 100032；2.中国联通集团客户事业部电力行业销售服务部，北京 100030；3.中国联通 河南省分公司，郑州 450000；4.河南电力腾龙信息工程有限公司，郑州 450000）

1 智能电网概述

2009年5月，国家电网公司正式对外界公布了“坚强智能电网”计划[1-3]，并给出了智能电网的定义及核心内容。国家电网公司对智能电网的定义是：以坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，以智能控制为手段，包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代化电网[4-6]。国家电网还提出了符合中国国情的智能电网发展目标：加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。智能电网的核心内容是：以先进的计算机、电子设备和智能元器件为基础，通过引入通信、自动控制和其他信息技术，创建开放的系统和共享的信息模式，整合系统数据、优化电网管理，使用户之间、用户与电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、双向和高效，将大大提升电网的互动运转，提高整个电网运行的可靠性和综合效率[7-10]。

智能电网计划的启动将带动电网生产运行、经营管理、客户服务以及社会能源利用模式的重大变革。信息化作为智能电网的突破口，其重要性凸显。智能电网下信息化的重要特征，其发展趋势、建设方向都将成为电网企业以及IT业界共同关注的问题。

2 3G技术服务智能电网建设

智能电网建设将开启电网的一次重大革新，而信息化则是这次革新中不可或缺的重要内容和变革手段，信息化与电力工业的深度融合也将随着智能电网的建设体现得更加充分。

智能电网的建设将覆盖发电、输电、配电、售电、用电管理以及全程调度的各个环节，信息化也将成为各业务环节实现智能化的手段，电信运营商需要为更多新的业务需求提供支撑和服务，紧跟智能电网建设带来的业务变革。

无线通信技术的发展日新月异，其系统的特性也发生巨大的变化。鉴于采用无线通信网不依赖于电网网架，且抗自然灾害能力较强，同时具有带宽大、传输距离远、非视距传输等优点，非常适合弥补目前电力系统通信方式的单一化、覆盖面不全的缺陷。

随着智能电网建设需求的提出，无线通信将以其迅速部署、不受地面限制等特点寻求到在电力系统通信中的应用，其中3G技术的高传输速率、高带宽、高可靠性的特性可解决广域无缝覆盖和强漫游的移动性需求，因此，3G技术将成为建设智能电网的一个重要手段，将强有力的服务于智能电网建设。

3 中国联通3G技术优势

中国联通依托自身网络优势、技术优势、服务体系优势，可为电力行业提供全方位信息服务，在促进电力行业信息化发展中发挥生力军作用，为提高电力行业消费环境做出贡献。

WCDMA技术是最成熟的3G制式。其技术优势和另外2种技术比较如表1。WCDMA具有以下优势：

表1 3种3G技术对比分析

1）漫游最广。截至2009年11月，全球WCDMA商用网络已达到290个。

2）产业链最成熟。全球第一个采用WCDMA制式的3G商用网络于2001年在日本开通，至今WCDMA制式终端已有超过2000余款。

3）数据业务速度最快。WCDMA技术峰值速率下行为14.4 Mbit/s，上行为5.76 Mbit/s，在现有3种3G标准中，速度最快。

4）行业应用最全面。由于终端、速度、技术稳定性等方面均优于另外2种技术，因此其行业应用也最为全面，目前主流行业应用，大多采用WCDMA技术。

4 中国联通3G服务于智能电网成功案例

2008年以来，山东、新疆、河南、内蒙古、黑龙江、重庆等省分公司均开展了电力远程抄表项目。

2009年6月起，安徽宣城市公司开展了“基于3G网络的穿戴式无线音视频交互系统”项目，应用于集控站及无人值班变电站的巡视、定期切换等现场工作。

2009年起，内蒙分公司还分别为电力用户实施了针对中间站设备、变电设备的远程监控项目。

4.1 在数据传送方面

4.1.1 河南电力远程抄表项目解决方案

国家电网公司已确定智能电网6大投资领域，包括发电、输电、变电、配电、用电以及电网调度，其中用电领域投资重点是智能电表和用电信息采集系统。电力用户用电信息采集系统在未来3 ～5 a内会实现全面覆盖。

需求分析：

①解决手工抄表效率低、失误多等问题。

②大幅降低电力计量与收费成本。

③对窃电、电力故障等现象进行远程监控，有效提高电力监管效率。

④实现远程设备控制，使拉闸、恢复等操作更为简便。

方案设计：

1）拓扑图如图1所示。

图1 电力远程抄表方案拓扑图

2）数据采集过程：

①部署采集终端，通过采集终端的RS485或RS232接口总线采集相关的电力用户用电信息。

②终端集成GPRS模块，插入河南联通提供的配置好专用APN的SIM卡，将相关数据通过移动通信无线网络传至GGSN。

③GGSN通过专线方式与河南电力的中心平台进行对接，将集采的数据上传至中心平台，保证数据的安全性、可靠性。

3）方案的主要优势：

①采用GPRS APN行业应用接入网络，实现GPRS APN和集团增值业务企业用户接入(如图2所示)。

图2 GPRS APN行业应用示意图

②采用GPRS APN集团业务集中接入管理平台，支持APN的认证；支持用户名、密码、MSISDN的认证；能够配合GGSN实现SINGLE APN的功能；支持企业专网；支持对IP资源的分配管理；支持MSISDN、APN、用户名对业务按时间段进行控制。4.1.2 智能电网计量自动化解决方案

1）业务现状：智能电网在电力传输、分配过程中，需要对整个电网各个节点包括变电站、电厂、专变大客户、配变、低压客户供用点的电力参数进行自动化采集和处理，以有效利用和调配有限的电力资源、减少电力通信故障处理时间、提高电网综合通信保障水平。但是现有电力自动化计量网络的通信承载多采用传统固定有线网络方式或者第二代移动通信网络，后者存在传输速率低、数据容量小、通信安全性差的缺点。

2）网络结构：中国联通基于全球应用最广泛的WCDMA第三代移动通信网络技术，能够提供更大的数据传输带宽、更高的安全性和稳定性保证，可以作为电力新增线路计量自动化系统的通信承载手段，并逐步替换旧的电力计量网络通信承载。

智能电网计量自动化系统方案由电力厂站计量节点监测终端、WCDMA移动通信网络、计量自动化管理中心3部分组成。该方案的网络结构如图3所示。

图3 计量自动化系统网络结构图

电力计量节点部分需要具有数字化实时通讯功能的智能电表系统、配置有WCDMA无线传输模块的配网关键设备。

中国联通高速WCDMA网络以其高可用带宽满足安全传输电表读数、监控负载、实时流量、工作异常情况以及其它特殊需求。

电力计量自动化系统管理中心负责电力数据接收、综合处理，为智能化配电调度提供依据。

3）本方案可以实现的功能：①电力计量自动化；②负荷控制自动化；③二遥配网自动化。

4）本方案将电力计量监测技术和3G移动通信技术高度结合，克服了传统电力计量自动化系统的缺点，充分满足智能电网计量自动化方面的综合需求，本方案具有如下特点：

①高速率——中国联通WCDMA网络具有比第二代移动通信系统高出几十倍的可用传输速率。

②大容量——WCDMA大容量通信特色满足电力计量通信大数据量密集传输的需要。

③高安全性——WCDMA提供全程专网的五级安全措施，更好地保证电力通信数据安全。4.1.3 智能电网电力线路监测解决方案

1）业务现状：目前电网输电线路的巡查工作采用人工方式，劳动强度大、效率低、难于管理，尤其是对于一些无人区和交通不便地区，线路巡查更加困难，并且无法查看到杆塔顶端的具体情况和附近的环境情况，这种方式远远不能适应电网现代化管理的需求。传统的巡查管理工作采用将巡查结果通过手工抄录后录入计算机进行管理的方式，工作量大、资料量大、工作效率低、巡查记录不规范，并且无法做到对巡视人员的监督、考核。

2）网络结构：该方案由现场监测终端、3G移动通信网络、监测中心服务器3部分组成（见图4）。

图4 电力线路监测网络结构图

电力线路现场终端部分需要安装具有3G网络接入模块的监测终端，用以监测电力塔、线的物理状况。在现场出现故障（包括现场温度过高、瞬时风速太大、通讯不畅）的情况下，监测终端也能够实时上传故障信息。

中国联通高速WCDMA网络以其高可用带宽安全传输电力线路现场监测信息。电力线路监测中心负责电力线路现场监测数据接收、综合处理，为电网调度、抢修提供支持。

3）方案功能：①监测。通过在电力线路上安装配置有3G无线通信模块的监测终端，定期监测电力线路上的温度、湿度和其他物理参数，自动或者根据后台中心命令上传监测信息，以便动态了解电力线路的运行情况，为排除隐患和抢修抢险提供第一手资料。②管理。监测中心收到采集数据后，完成对输电线路故障监测的报警、显示、系统诊断、维护、查询、数据传送以及打印等一系列的工作，可绘出电力线路一个运行周期内各项数据的曲线图，供技术人员分析电力线路运行状况，监测中心通过短信、彩信等方式从后台服务器发送到巡线、抢修人员的手机终端，以便及时处理线路现场故障。

4）方案特点：①中国联通WCDMA网络提供高速、大容量、安全的无线通信传输；②对输电线路实时监测，准确可靠；③操作方便，减轻巡检人员和设备管理人员的工作强度，从而提高工作效率；④对输电线路故障的检测速度快，定位准确；⑤加强巡查与检修工作的衔接力度。

4.2 在音视频应用方面

4.2.1 安徽宣城基于3G网络的穿戴式无线音视频交互系统

1）系统构成。系统主要由移动音视频终端、3G无线传输网络和音视频综合管理平台3部分组成，系统的运行示意图如图5所示：

图5 穿戴式无线音视频交互系统运行示意图

2）移动终端。移动音视频终端设计成穿戴式信息头盔和一个集成了供电电源的数据集控便携背包。信息头盔依据人体工程学原理安装微型摄像头、麦克风、耳机、单目显示器、控制电路等设备。数据集控便携背包包含蓄电池供电模块、数据采集与处理模块及3G无线上网功能模块（见图6）。

图6 穿戴式无线音视频交互系统应用场景

3)3G APN传输网络。系统3G传输网络可以有2种组网方式：一是完成基于互联网接入，二是通过无线VPN接入。由于无线VPN组网在网络质量、数据安全等方面都具有优势，因此系统选择采用3G VPN方式进行组网，网络拓扑图如图7。

图7 3G VPN网络拓扑图

4）综合管理平台。中心音视频服务器采用多线程处理技术，支持H.264视频优化的压缩算法，实现点对多点的双向语音对讲、多画面实时音视频传送及实时处理。

4.2.2 智能电网无人值守机房监测解决方案

1）客户需求。随着电力网络的全面改造，电力机房要求实现无人值守，以提高电力系统生产效益。目前，各电力局已建立了运行管理调度部门，协调各专业运行归口职能，但是，这样仍然不能及时掌握现场设备运行状况，难以指挥处理运行障碍。主要问题有：①全部通过电话进行调度指挥，无法指导现场操作，现场操作情况无法预测。②由于无法保证无人值守机房现场安全，大部分采用有人值守方式。③通过操作队巡检方式，难以保证及时发现设备隐患，只能采取事后处理的方式，影响了供电系统的可靠性和电力局的供电可靠率达标。④在很大程度上，定时巡检方式是对资源的一种不合理分配。⑤电力通讯的安全性要求非常高，但是，目前电力系统的很多机房都处于无监控状态，电力通讯安全存在非常大的隐患，所以多数机房采用有人值守方式，人力成本较高，并且对一些比较偏远机房维护和监视非常困难。

建立一套技术先进、功能强大的监控系统，保证通讯机房设备正常工作，已经得到各地电力部门的重视。电力监控系统在电力调度通讯中心建立监控中心，实现对各变电站（所）、通讯机房的设备运行数据、环境参量、图像进行监控，能够实时、直接地掌握各个机房和通讯设备的运行情况，并及时处理现场发生的故障,适应电力系统的高速发展。从某种意义上，无人值守站的建设和运行是电网现代化的重要标志。

2)网络结构。①无人值守机房前端监控采集系统位于系统前端现场，配置视频监视装置、各种物理报警信息传感器、设备监控前置机等。主要负责通讯机房现场视频、动力环境数据的采集，并且执行监控中心的控制指令。②前端监控设备配备了3G无线传输模块，采用中国联通高速WCDMA网络以其高可用带宽安全传输系统前端监控信息。③无人值守机房监测管理中心作为系统后台，实时处理前端传来的各种信息，并能提供通知、查询、监控。主要由数据库服务器、中心管理服务器、接入/存储/转发服务器、磁盘阵列、业务台及电视墙显示设备组成。监控中心软件安装灵活，根据监控系统规模大小，可以将多个软件安装在同一台服务器上，也可以分别安装在不同的服务器上。

中心还支持手机客户端监控。

系统典型组网图如图8所示。

3）系统功能。①视频管理功能。视频监控系统可为用户实现远程实时视频监控、存储与回放、报警联动、远程调度与控制、视频内容分发、语音通信等主要功能，以及根据用户需求定制的个性化功能（见图9）。

图8 无人值守机房监控系统组网图

② 动力环境监控功能。动力环境集中监控系统对电力通讯机房内多种动力设备、环境参量进行实时检测，能够及时判断故障并产生告警，对远端设备进行遥控和调节，实现通讯机房远程高效管理（见图10）

图9 视频管理功能示意图

图10 系统组态临控示意图

③门禁管理功能。门禁管理功能用于监控门的开关状态、人员的出入情况，同时对持卡人员和操作人员进行管理。门禁管理操作简单、方便、实时性强，可进行在线授权、撤权、操作门的开关和配置门禁参数。

④能耗管理功能。系统支持对机房耗电量自动统计，自动分析，自动排名，多种呈现方式，自动生成报表。

报表部分：所有报表均具备条件设置功能，可按时间、片区、局站、局站类型、设备类型等复选联合查询。查询出的报表可按任意列头排序，所有报表均可将数据导出到EXCEL文件。

⑤电子地图管理功能（见图11）。

a.基于GIS平台的全图形化管理和操作界面，人机交互更友好、生动、直观。可按类型、设备等分区管理。

图11 电子地图管理功能示意图

b.可以定义电子地图，包括全区图和分区图，可以分层次显示，点击全区图的相应区域可以显示分区图，点击分区图的相应区域，可以显示网点的平面图等。

c.客户端支持一机双屏显示，一个是视频界面，一个是地图界面。用户可以采用地图界面进行操作控制，更加直观方便(见图12)。

图12 地图界面操作示意图

d.所有监控点、手动报警按钮都可以在电子地图上标注，只需要点击地图上的监控点标志就可以非常方便的获取该监控点的视频图像，也可以查询和播放该监控点的录像资料；

e.发生报警和发生手动报警按钮请求事件时，能够在电子地图上相应监控点标志直观显示；

⑥报表管理功能。具备设置查询条件，并能实时加载到对应的报表查询功能界面。告警类报表、数据类报表、资产类报表等。

⑦用户管理功能。⑧日志管理功能。

4）无人值守机房监测系统融合了计算机、通讯、网络、多媒体、存储、安全等多种国际先进技术，与同领域产品相比具有的技术优势：①超大系统容量。②电信级的可靠性。③统一的监控平台。④完善的存储方案。⑤系统部署灵活。⑥组网方式多样化。⑦系统扩展性强。⑧专业化的网管。

4.3 在移动生产管理方面

4.3.1 智能电网移动生产解决方案

该方案将电力生产要用到的客户端软件预装到iPhone智能手机中，实现生产应用+移动办公+语音通话三位一体强大功能的综合，便于广东电网管理层和生产人员随时随地掌握公司生产和经营动态。

生产管理系统可以利用智能电网现有的生产管理平台，如网上营业厅等，也可以根据实际生产应用需要开发所需的生产管理系统，完成各种生产流程的数据收集、任务调度、工单处理、信息下发等功能。

图13 智能电网移动生产组网示意图

联通WCDMA网络提供高速移动数据接入，最大可达到7.2 Mbps下载速度，同时结合APN无线专网业务提供独享的传输通道和安全保证，为高速、安全的移动生产提供了条件。

手机终端采用以iPhone为主的WCDMA 3G智能手机终端。iPhone是当前手机业界技术最先进、性能最强、界面最好的手机终端，可以为移动生产提供良好用户体验。通过将电力企业日常生产过程中要用到的生产管理系统的客户端软件内置到手机中，可以通过手机完成各种生产工作，实现移动生产办公。

4.3.2 方案功能：

1）移动报装。营业人员到电网客户现场办理报装业务，只通过手机终端，登陆3G营业厅，填报相关报装表单，点击发送即可完成报装申请。另外可以通过手机终端查看报装处理流程，给客户提供详细的报装信息。

2）移动抄表。对于需要人工抄表的传统电表，营业人员通过手机终端登陆3G营业厅，即可填报电量数据。

3）线路、设备巡检。设备、线路巡检时，工作人员通过手机终端的二维码扫描或者RFID识别功能录入设备、线路标识，通过查看相关的仪表获取设备参数，在手机上填报巡检表单，返回给管理平台。

4）移动收费。业务人员应用WCDMA移动POS终端，为客户办理现场刷卡收费业务。iPhone具有强大的扩展功能，通过安装特定应用软件和第三方配件，iPhone还可以实现诸如二维码识别、RFID识别、移动定位等功能，进一步提高移动生产作业中的信息化、自动化水平。

4.3.3 方案特点：

1）智能终端应用。通过智能手机终端即可完成从用电报装、手续办理、送电接洽、电力抄表、故障报修、电路巡检等全程生产服务，可以大大缩短生产流程处理时间，提高生产效率。

2）多重业务应用安全保障。本方案采用APN技术、SSL VPN技术和CA认证技术，可以为移动办公应用提供更加可靠的安全保障。

5 结语

综上所述，中国联通将凭借丰富的固网资源，以及先进的3G移动技术，并且依托云计算努力打造一个电力行业应用的基础平台：该平台将融合计算、存储、网络、定位能力提供给集成商和用户，降低集成商和用户的使用成本；将通信接口进行封装，推广标准终端，省略用户对通信设备的开发，降低部署成本；根据电力行业的特点开发电力行业套件，用户利用行业套件就能迅速实现个性化业务的开发,同时推出电力行业的标准，实现终端、系统的统一标准，从而降低成本。

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