WiMAX在配电网自动化中的应用探讨

伍 瑞，朱吉然

(1． 湖南省电力公司长沙电业局，湖南 长沙410015;2． 湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙410007)

配电网自动化对于提高供电可靠性、提升供电能力、降低线耗和减轻劳动强度具有重要意义。配电自动化系统通过实时获取配电设备的运行状态，协调和监控配电设备运行情况，在发生配网故障时，进行快速故障定位、隔离和恢复，实现配电网安全、优质运行。

配电自动化系统需要借助可靠的通信手段，将各远方FTU，DTU 和TTU 等配电终端采集的各类遥测遥信信息上传至配电主站或子站，同时将配电主站或子站的遥控命令下发至各配电终端。因此，通信系统的性能在一定程度上决定了配电自动化系统的优劣。近年，随着配电自动化系统的发展，配电网通信领域涌现出多种无线通信方式。其中，宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注，尤其是WiMAX 技术。

1 WiMAX 无线专网简介

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波互联接入，是一项基于IEEE 802.16 标准的宽带无线接入城域网技术(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network)，该标准仅制订了物理层(PHY)和媒质接入层(MAC)的规范，是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准。WiMAX 基本目标是确保不同厂商的无线设备在城域网接入环境下，实现互连互通，主要用于为家庭、企业、移动通信及电力通信中提供“最后1 km”的高速宽带接入方式。

目前，电力系统依托高压输电线路已建成SDH 光纤骨干网络，主要覆盖110 kV 及以上变电站，同时也连接到了各电业局，并根据电力营销系统等业务需求，覆盖到所有配营部、营业所。电业局下属的业务单位如果都采用光纤实现宽带接入，建设难度大、投资高。若采用WiMAX 技术开通无线宽带接入服务，连至各单位，提供语音、数据和视频等业务，是一个成本低且见效快的建设方案。

WiMAX 电力专网作为一个全IP 网络，可以充分利用现有的网络设备，实现与现有的网络直连。WiMAX 无线基站提供标准的以太网口，支持TCP/IP 协议，连结城域网。WiMAX 无线终端可直接连接二层交换机、综合接入设备、无线路由器和其他常见网络终端设备，提供语音和视频数据传输，实现了无线宽带接入和现有光纤网络及软交换网络的无缝连接。

2 WiMAX 在配电网通信中的优势

2.1 配电网的通信现状

目前，配电自动化系统主要包括有线和无线2种通信方式，有线以光纤通信、电力载波通信为主导，无线主要以GPRS/CDMA 技术为主。无线方式较之有线方式具有更多优势。

配电网通信终端点多面广，有线通信方式在网络拓扑设计、有线通道铺设及施工等方面都将面临较大问题〔1〕。以电力通信骨干中的光纤通信技术为例，光纤通信要成为配电网通信的主流方式，在成本等方面具有一定的劣势。首先，在配电网各配电站点广泛铺设光纤，特别是配电终端节点较多时，建设成本过高;其次，当配电线路与电力光缆同杆架设时，如果出现通信中断，则需要停电对通信信道进行检验，这对于供电可靠性要求较高的配电网而言，是个很大的问题。无线通信方式不需要进行通信信道的敷设且扩展方便。目前使用的无线通信主要是GPRS/CDMA 通信方式，采用电信服务商提供的服务成本高，且具有信息安全隐患。在出现与电话通信数据冲突时，通信时延大，无法完全满足配网自动化的要求，且通信信道不为电力通信部门监控，不能进行很好地维护和掌控。

2.2 WiMAX 技术的优点

相对于目前的配电网通信方式，WiMAX 技术具有以下技术优点:

1)广覆盖、高宽带。WiMAX 作为面向城域网的无线宽带接入技术，支持的数据传输速率最高可达75Mbps，对电力载波通信和传统无线通信而言具有巨大的优势。且最远传输距离可达50 km〔2〕，覆盖面积是传统无线发射塔的10 倍，建设少数无线基站就能实现全城覆盖。

2)成本低、可靠性高。城市配电网中，配电终端数量大、分布范围广，一个中等城市配电终端有上万个。与铺设光纤的通信方式相比，WiMAX建设无线基站数量少，大大降低了建设成本，同时，也能降低通信系统投运后的运维成本。WiMAX 的MAC 层包含QoS 机制，可确保网络接入业务的服务质量，为用户提供高可靠性的数据和视频等业务。

3)易监管、实时性强。WiMAX 通信系统作为电力通信部门自身建设的城域网络，完全由电力部门掌控，易于监管维护。与传统的无线通信方式相比，最高传输速率可达75 Mbps，传输时延小。

4)安全性强，吞吐率大。WiMAX 在介质访问层中定义了一个加密子层，为用户提供了完善的加密机制〔3〕。用户可通过数字证书的方式，对WiMAX 网络内传输的数据进行加密，使其满足配电网自动化业务二次安全防护方面的要求。此外，WiMAX 能实现不同的信号区调制方式的自动切换，使系统在远距离上的数据吞吐率最大。

5)易于施工，受外界影响小。WiMAX 可克服某些地区光缆难于敷设的困难，不受河流、密集住宅区、桥梁道路等复杂地理环境的影响;不会受冰雪、洪灾等地质灾害的影响。且当配网设备发生异动导致配电终端位置变化时，相对于光纤通信需要重新敷设光缆，WiMAX 网络不需要调整。

3 WiMAX 在配电网中的应用模型

WiMAX 无线专网能够按需对带宽进行分配，最大程度地利用带宽资源，可以订制上千种服务流，设置时延，带宽范围和优先级，实现P2P 的QoS 服务。

WiMAX 在兼顾公平性原则基础上，平衡特殊业务要求的带宽需求。可向配电终端提供不同性能质量的数据、视频等服务，并根据信息的优先级，保证重要的数据业务优先传输。对于视频等对时延较为敏感的业务数据传输，控制传输时延，确保业务流畅性。

WiMAX 具有的灵活带宽分配、时延控制、安全防护性能好等特点，特别适合配电网建设的需求。配电自动化通信系统采用WiMAX 电力专网具有良好的应用前景。典型的利用WiMAX 实现配电自动化通信系统的网络图如图1 所示，配电终端通过WiMAX 无线通信模块将设备信息上传至WiMAX 通信基站，经由交换机连接至SDH 电力光纤主干网，传输至配电自动化主站系统。图中配电自动化终端可为DTU，FTU 或者TTU 等设备。

图1 WiMAX 在配电网中的应用模型

在城市配电网中，可以根据配电终端覆盖面积和通信带宽要求，架设1 台或者多台WiMAX 无线基站，实现所有WiMAX 无线终端接入及交叉覆盖。WiMAX 无线基站基于宏蜂窝技术，设计阶段需要综合考虑接入无线网络的配电终端分布位置数量、传输频率选取以及覆盖范围等因素。

WiMAX 无线基站通过专用光纤通道接入电力主干通信网。配电自动化终端通过WiMAX 无线终端形成的网络接入，从而实现配电自动化终端与配电主站之间遥信、遥测和遥控等实时数据传输，满足了配电自动化实时通信的要求。图2 给出了某城市实际利用WiMAX 无线通信方式实现配电网网络覆盖的示意图。

图2 某城市WiMAX 无线通信方式网络示意图

4 WiMAX 在配电网应用存在问题和难点

WiMAX 作为配电网通信中发展的一种新型通信方式，集中了传统有线通信方式的QoS 服务质量保证、高带宽及无线通信方式的灵活性、移动性。然而，WiMAX 在配电网应用中仍存在问题和难点。

首先，建设WiMAX 无线电力专网需要分析提供的业务所需的通信模式、终端分布、覆盖面积和通信频段要求，分析带宽的需求和分布;根据应用要求，做出容量规划和覆盖规划的配置。

其次，在WiMAX 电力无线专网建设初期，需要充分考虑未来业务对网络容量扩充的要求，要预留足够的容量。分配网络带宽的同时，综合考虑各种业务服务需要，针对不同业务类型进行服务优先级划分，并考虑不同位置、不同时段通信容量需求变化情况〔4〕。

当前，频谱资源分配是WiMAX 技术在实际应用中面临的核心问题。信息产业部已经为宽带无线接入分配了3.5 GHz 和5.8 GHz 2 个频段。目前商用的WiMAX 无线设备多采用3.5 GHz 频段，国内这个频段在很多地区已由众多电信运营商获得，且获得的频段资源均有限，因此，电力通信部门需要争取使用权。5.8 GHz 频段在我国虽属开放频段，可用于建设宽带无线接入网，但也存在与多点扩频通信系统、高速无线局域网、蓝牙系统等的共存问题，需要协调使用。

5 结束语

通过以上探讨，可以看出WiMAX 已经具备了诸多适用于配电网通信系统的技术优势。虽然它在实际应用中还存在频率资源紧张等问题和难点，但WiMAX 打破了传统通信方式的概念，为配电网自动化提供了新的通信解决方案，也为电力部门通信服务带来了新的机遇和挑战。

〔1〕刘承成． 配电自动化系统通信方式的研究〔J〕． 安徽电力，2009，26(1):70-72．

〔2〕杨强，张朝霞． WiMAX 在电力通信中的应用探讨〔J〕． 电力系统通信，2008，29(189):19-20，24．

〔3〕王茜，王岩． 无线城域网WiMAX 技术及其应用〔J〕． 电信科学，2004，(8):27-30．

〔4〕Ghosh，A． Woher，D R，Andrews，J G，et a1． Broad band wireless access with WiMAX － 802． 16:current performance benchmarks and future potential 〔J〕. IEEE Communications Magazine，2005，43(2):129-136．