基于公共频段资源的电力无线专网关键技术研究*

姚继明， 张 浩， 何 浩， 李 新

(1.全球能源互联网研究院 信息通信研究所，江苏 南京 210003;2.江苏省邮电规划设计院有限责任公司 通信信息技术研究院，江苏 南京 210019)



基于公共频段资源的电力无线专网关键技术研究*

姚继明1*， 张 浩1， 何 浩2， 李 新2

(1.全球能源互联网研究院 信息通信研究所，江苏 南京 210003;2.江苏省邮电规划设计院有限责任公司 通信信息技术研究院，江苏 南京 210019)

提出一种建设电力无线专网的组网方案，将具有统一IP 核心网的4G通信技术与异构融合技术结合，为电力及其他行业无线专网的建设提供了参考.

智能电网；公共频段；电力无线专网；组网方案

电网在国家能源产业链中占据非常重要的地位，是国家综合运输体系的命脉[1].采用无线通信专网来提升居民和社会的用电稳定性、便捷性，实现绿色用电是非常必要的.然而，现在制约电力专网建设的一个主要因素是可供选择的公共频段极其有限[2]，且由于电力通信中无线电频谱利用率而导致电力系统不稳定的现象时有发生[3].因此，为建设坚强的智能电网通信专网，急需迫切解决申请无线频段资源并提高频谱利用率与消除同频干扰的问题.目前，无线频段问题是制约电网公司建设无线专网解决配网通信，甚至将来智能电网通信技术问题的瓶颈[4-6].本文对电力无线通信专网建设过程中可能存在的一些关键问题进行了分析，如专网频段选择、组网技术选择和组网方案等.

1 电力专网无线频段选择

电网是关乎国家民生与经济的支柱性企业，通过采用无线电力专网来提升整个电力网络的运行效率，有利于实现节能降耗的可持续发展目标[7].目前，鉴于对频段抗干扰性和覆盖性的综合考虑， 200 MHz～ 2 GHz 频段具有抗干扰强，覆盖效果良好等性能，是适用于建设电力无线专网的可供选择频段.

1.1 三种频段简介

根据国家相关文件规定，230 MHz频段的40个离散频点共计1 M带宽授权给电力系统传输负荷监控业务，该频段需5年续申备案一次.

1.8 GHz频段与2 GHz频段仅相差200 Hz左右，而2 GHz是3G技术中应用广泛的频段，故1.8 GHz频段在频率上容易实现产业链的迁徙.此外，1.8 GHz频段目前能被通信行业内的大多数终端设备支持，因此，1 785～ 1 805 MHz(1.8 GHz 频段)是无线电力专网建设不错的选择频段.

1.2 对比分析

作为3个可供选择用作电力专网建设的公共无线频段，下面将对它们作详细的分析比对.

1) 使用现状对比. 230 MHz频段中360个频点的审批工作主要由各地市无线电管理处自行处理，其中有40个频点已被授权给电力能源行业[7].此外，目前此频段主要应用于地矿、军队、能源等行业，因此230 MHz频段很好地满足了无线电力专网的建设需求.与被授权电力能源行业的230 MHz相比，1.4 GHz频段使用情况差异较大，主要是因为被各地市无线电管理处自行审批，所以已在此频段上承载的业务要被清理的难度较大，需要时间.1.8 GHz频段被各地市无线电管理处自行审批，使用情况差异较大，需要解决与GSM系统的干扰问题.

表1 三种不同频段使用情况对比Tab.1 Three different frequency usage comparison table

2) 技术对比. 230 MHz频段的优势主要体现在以下几个方面：电力频点是电力专用频点，不用申请，带宽和时延等指标能满足电力基本应用要求；相对于1.4 GHz与1.8 GHz频段，230 MHz低频段具有天然覆盖远的优势，能够大大降低组网成本，特别针对于广覆盖低成本系统，低频段是宝贵的频率资源.1.4 GHz与1.8 GHz的优势是：已具备全球大规模部署的成熟产业链，能较容易地实现核心网和系统与终端的紧密衔接.具有大容量、低时延、高并发、上下行时隙比配置灵活的特点，能支撑电力视频监控、集抄、配网等多种业务，实现一张网络多种业务并存，节省投资；维护方便，不容易受到市政施工等影响；建设周期短，节约时间.

3) 可用频段分析. 目前国家无线电管理局对230 MHz频段(223～235 MHz)的频谱政策如下：25 kHz为一个频点，继续使用已为电网分配的40个频点资源，鼓励采用先进技术提升授权频点使用效率，暂不考虑分配其他频点资源.1.4 GHz频段(1 427～1 525 MHz)属于尚未分配的频段，原用于一点多址微波系统，部分电网公司使用其中部分频点作为微波使用.1.8 GHz频段(1 785～1 805 MHz)中有20 M连续频率尚未分配，电力无线宽带专网被授权可使用.

观察组及对照组患者治疗总有效率分别为90.77%、73.85%，观察组明显高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

2 电力专网组网关键技术

由于公共无线频段带宽有限，组网过程中需要利用频率复用技术提高系统频谱利用率，从而造成各个AP之间存在同频干扰.为了提高频谱利用率与消除同频干扰，解决这些问题和挑战，提出了以下技术.

2.1 频率复用技术和软频率复用技术

频率复用(Frequency Reuse, FR)，顾名思义，就是对相同的频率进行再次使用，这个概念是蜂窝移动通信的基石.在GSM网络中的频率复用主要作用是将同时使用相同频率的两个区域隔开一段距离，从而减少同频干扰的影响.因此，频率复用技术在提升系统容量上具有很大的作用[7].

传统频率复用技术发展的下一步是软频率复用(Soft Frequency Reuse, SFR).软频率复用中频率的用或不用在小区中不再定义，而是定义一个频率使用程度的概念，这个概念被称作发射功率门限，这样能使在小区内各个位置的用户都能获得较传统频率复用技术更大的频谱效率和带宽.

2.2 软件无线电技术

软件定义无线电(Software Defined Radio, SDR)通过软件定义的无线通信协议来实现无线电广播通信，非常灵活，且具有较强的开放性，能使信号有效地传播在各种具有不同功能的硬件通信设备之间.

2.3 认知无线电技术

认知无线电技术提出了一种通过动态频谱共享来提高无线电频谱的利用效率的解决思路.在经过频率管理部门授权的用户不使用授权频段时，认知无线电能使没有经过频率管理部门授权的用户工作在此授权频段上，从而更加充分地利用了已被授权的频段.因此，具备检测和自我调整等功能的认知无线电技术在与其他通信技术的相互合作下，能极大地提升系统的频谱利用率.

2.4 干扰管理技术

干扰管理需要针对各种实际问题和干扰事件的性质建立相应的优化模型和有效的求解算法并快速给出处理干扰事件的最优调整计划.目前，对系统中干扰能有效管理的技术有干扰消除和干扰对齐.干扰消除主要是通过对干扰信号进行译码并重构，再从接受信号中删除的思路来实现的；干扰对齐是将来自不同干扰源的干扰信号在接收端对齐并压缩在一个小的信号维度上，从而达到减少干扰的效果.

表2 不同频段覆盖距离对比表Tab.2 The table of coverage distance of different frequency bands

3 提出的基于空白频段的频谱方案

3.1 公共无线频段在电力行业的应用前景

目前，通信是智能电网的神经传输网络，电网需要一种高带宽、高稳定性、低时延、广覆盖的网络，为智能电网的信息化、自动化、互动化提供坚强支撑，可结合自身优势在智能电网配电、用电环节的通信和信息化领域开拓市场，帮助电力公司解决“最后一公里”网络覆盖、高带宽、低时延等问题.在有关公共无线频段的单基站覆盖半径的研究中，由于覆盖能力不仅是建设无线通信系统的重要性能指标，还会影响硬件成本和维护等成本[5].建立Okumuram-Hata模型，对3种频段上的通信系统进行覆盖能力仿真测试，结果显示，230 MHz频段覆盖范围约为1.8 GHz的4.5倍，为1.4 GHz频段的2.5倍左右.不同频段的覆盖如表2所示.

表中的数据是在乡村环境、路损为135 dB的条件下测得的.

在公共无线频段的传输速率的研究中，一般频率越高的频段其传输速率越高，其中以230 MHz频段为系统的LTE网络，其上行速率最高值可达16 Mbps，下行速率最高值可达6.5 Mbps，频谱效率则高达2.7 bps/Hz.而对于以1.8 GHz频段作为系统的TD-LTE网络，当其有效带宽为10 MHz 时，网络最大数据吞吐量可高达50 Mbps，完全满足智能电网的业务需求.

3.2 分析电力通信网建设的现阶段资源和成果

研究表明，目前城市10 kV配电站点通信覆盖率为17.51%，其中GPRS覆盖率11.17%，中压电力线载波覆盖率2.24%，光纤覆盖率1.5%，CDMA覆盖率1.44%，其他通信方式覆盖率1.16%.在所有通信方式中，GPRS比重占63.8%，中压电力线载波占12.78%，光纤专网占8.58%，CDMA占8.23%，其他占6.62%.

虽然目前电力无线专网建设没有全面开始，但开展配电自动化试点工作的几个典型城市已经分别采用不同通信方式解决了配电自动化通信需求.在北京，柱上开关大多租用运营商的公网服务，开闭所与变电站之间采用专用光纤通信以保证安全性与可靠性.上海主要以中压电力线为传输媒介，利用载波方式进行通信，而杭州、南京等地则采用光纤为主、无线载波为辅的组网方式.

3.3 基于4G技术的电力无线专网的组网方案

目前，虽然已有WiMAX、2G/3G/4G、WLAN等各类技术在电力通信网络中小规模试点应用，但大部分传统电力业务都是基于不同的数据传输方式进行通信，如基于PSTN电话网上的语音数据和基于有线电视同轴电缆上的视频数据，以及基于IP的信息数据.此外，前文所提的不同城市的通信组网方式(制式)选择也不尽相同[6].虽然在初期建设中，不同地域之间的通信网建设有各自考量，但从长远来看，繁杂的数据格式、多样的通信制式是实现智能电网一体化建设的一大掣肘[7].智能电网的发展趋势必然是一体化多样性服务平台，为实现这一目标，现存的各种通信网络即各种异构网络的融合是应有之意.将现有的各种类型通信网络融合，通过一个一体化的无线网络平台提供多样化差异化业务选择，将各类网络上的应用IP化[8].

鉴于第四代移动通信的网络结构具有统一的IP 核心网，使得不同的无线和有线接入技术实现互联与融合.对于4G技术，尤其是TD-LTE技术，可以考虑利用原有无线网络的设备、基站、天线等，即在原有网络基础上扩大覆盖范围、扩容、补盲、升级.且4G通信技术具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智慧性和灵活性，更高的传输质量和服务质量(Quality of Service, QoS).而对于其他制式的无线网络，除了同站址且符合要求的天线、机房、管道、电池等管道/配套资源外，基本要求重新建设一张电力无线专网，成本太高不利于电力通信网络的建设.因此，基于空白频段的组网方案利用4G技术来实现无线异构融合网络是最好的选择.

为了实现对上述智能电网通信业务的支持，提出的方案以智能配电网的专网建设为例来展现无线异构融合的设计思路.为了保证配电网的服务质量，配电网的通信网应该基于配电站(子站)的地理位置和服务需求进行网络规划，提出的方案将4G无线公网与电力专网结合，搭建集群网络.

在电网设备密集、用电管理或者流量检测等服务诉求极为频繁的地区，若用公网网络承载通信业务，不仅租用成本高，服务质量也不易保证.为此，4G电力专网的搭建，能够保证各类业务的服务质量，提高通信的可靠性.通信网应根据配电站的分布进行网络规划，对于不需要遥控功能的偏远地区配电网，负荷分布广、监测点密度小、配网线路长，较少应用带有控制配电自动化功能，大部分业务为用电信息采集和配电监测类，通信容量小.若建设异构无线网络会造成资源浪费，不能有效利用异构无线网络的网络资源.为了减少网络建设投资，应当采用无线公网架构来保证偏远地区配电接入通信网业务服务质量，智能配电无线融合网络模型图,如图1所示.

4 结束语

在深入调研国内和国外的频谱资源规划和使用情况的基础上，对可用于电力建设的三个主要潜在频段230 MHz、1.45 GHz和1.8 GHz在国内的使用情况进行了分析，并且在政策支持、覆盖范围等角度做了详细的对比.而针对电力系统可用的频谱资源较为匮乏这一现状，以及如何提高频谱效率的问题上,对频率复用及软频率复用技术、软件无线电技术和认知无线电技术等做了介绍，这些技术的应用能在电力专网建设中有效地解决电力通信专网中频谱不足与干扰的问题.最后，基于4G技术的智能电网的网路拓扑图，并以智能配电网为例，给出了以4G技术为核心的异构配电网方案，此方案能在确保网络性能质量和安全的前提下，最大程度利用原有无线网络的设备、基站、传输和反馈等资源.鉴于频谱资源的稀缺性，考虑到建设成本以及与现有的网络融合及未来的技术演进、电网业务的多样性，未来的智能电网将会是以多个频段多种技术融合而成的异构网络.

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责任编辑：龙顺潮

Research on the Key Technology of Power Wireless Network Resources Based on the Common Frequency Band

YAOJi-ming1*,ZHANGHao1,HEHao2,LIXin2

(1.Research Institute of Information Technology & Communication, Global Energy Interconnection Research Institute, Nanjing 210003;2 Research Institute of Communication & Information Technology, Jiangsu Posts &Telecommunications Planning and Designing Institute CO, LTD, Nanjing 210019 China)

A networking scheme constructing the wireless private network in electric power system is proposed. In the proposed schema, the solutions with unified IP core network of 4G communication technology and heterogeneous fusion technique are combined to build wireless network power networking, which has provided a reference for the construction of electric power and other industry wireless network.

smart grid; common frequency band; power wireless private network; networking solution

2016-04-07

国网科技项目(SGRIXTKJ[2015]349)

姚继明(1987-)，男，河南 信阳人，工程师. E-mail:yaojiming@sgri.sgcc.com.cn

TM732

A

1000-5900(2016)03-0094-05