无线专网技术在电力通信网中的应用

吴博科 芮小峰 钱瑛

【摘要】 为支撑坚强智能电网建设发展需求，需要建设覆盖广阔、接入灵活的终端通信接入网，仅仅依靠光纤接入网络已经难以满足不同地区、不同业务的通信需求。本文主要介绍了无线专网的技术特点与应用场景，分析了无线专网通信承载的传统业务及未来适应“互联网+”概念所扩展的智能业务，并以常州供电公司LTE无线专网试点项目为依据，描述了无线专网技术在配电自动化中的应用，并进一步阐述常州供电公司未来终端通信接入网的发展趋势及方向。

关键词：无线专网；终端通信接入网；智能电网；配电自动化

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

随着特高压输电、各种智能化等先进技术的推广应用，坚强智能电网[1]价值巨大、功能多元。智能电网的核心在于“电力流、信息流、业务流”的高度融合，在保障电能安全、可靠、优质供应的同时，促进清洁能源开发和清洁消费，推动城市低碳发展；提供安全、经济、便捷、环保的用电服务，满足用户个性化、多元化需求和其他高品质增值服务需求。

为了支撑智能电网建设的发展需求，需要建设覆盖广阔、接入灵活的终端通信接入网，仅仅依靠光纤接入网络已经难以满足不同地区、不同业务的通信需求，如边远地区、居民小区覆盖的业务以及众多依赖移动作业终端的智能电网智慧管理业务，光纤接入网络或者建设成本较高施工周期较长，或者根本不可行。而无线通信网络更适合分布较为分散的电力终端，尤其是满足移动业务终端的通信需求。

一、无线专网技术特点与应用场景

1.1无线专网技术特点

4G宽带LTE无线专网技术[2]作为国际电联唯一认可的第四代通信技术，在全世界范围都受到高度重视，网络遍及全球133个国家，全球用户数已经突破10亿人。LTE技术分为TD和FD两种上下行版本，技术体制和性能指标有微小差异。中国主导TD版本，用户已经突破1亿人。在专网中，工信部先后发布了工部无[2015]59号和[2015]65号文，批准电力等行业用户的宽带TD-LTE无线专网使用频率。北京、南京已经全面建成宽带TD-LTE智慧城市专网，珠海、广州也已经成规模建设TD-LTE电力专网，充分验证了宽带LTE专网的安全和可靠。4G LTE专网的优势具体包括以下几个方面。

（1）服务质量优势

电力无线专网的网络资源属于电力公司自有资产，在网络资源分配、优化调整、维护管理等方面都可以自行按需进行，因此在响应及时性、服务质量等方面优于无线公网，通过自己建设基站及核心网，打造一个专属于自己的自建自维自用无线网络。

（2）安全优势

无线专网可根据电力业务特殊安全需求在核心网、基站、终端等多个层面进行安全加固，全面提升无线通信安全性；且与公网相比，不存在接入互联网的安全问题，也不存在引入第三方导致的安全问题。

（3）建设环境优势

无线网络建设中所需要的传输、电源、机房、楼面等都可以利旧，无需另外投资，也不需要机房租赁费，投资非常节省。据国网公司规划，所有35kV及以上电压等级变电站都已铺设光纤，110kV及以上电压等级变电站都是光纤成环，也就是说，新建设的基站完全可以利用现有传输通道，且安全可靠。电网公司变电站都有现成通信机房，且都是自有物业，具有建设无线基站的天然资源，避免了非自有物业建设可能产生的征用及纠纷等问题。

（4）国家政策优势

工信部无[2015]65号文明确指出电力、石油等行业可以使用1785MHz-1805MHz频段采用TD-LTE制式建设专用无线接入系统。为了抢占先机，电力行业需要加快频率资源申请。

（5）已经规模试用

目前，国网公司内部江苏淮安、南京、冀北、临安、唐山曹妃甸、湖南长沙等地陆续使用了1.8G LTE[3]系统展开LTE与电力系统业务结合的研究工作。共建设基站20余座，终端150余台。南网在广东珠海、广州分别建设了实验网，并正式通过了南方电网的验收并网运行。其中珠海项目工建设10个基站、65个终端（53个配网自动化、10个计量自动化业务点、2个视频终端），为70个站点的配网自动化提供通信服务，满足1万多配电节点通信需求。广州供电局正在建设包括15个基站、接入各类型无线终端达3353台、接入6种业务类型的TD-LTE电力无线专网。相比于传统的光纤网络，无线专网施工周期从270天降低到66天，单点接入成本降低了75%。

（6）与光纤相比的成本优势

无线专网采用与公网完全相同的技术体制，但是不同的通信频率，这使得专网设备可以大幅度降低成本。但是由于采购数量少的原因，LTE无线专网的设备和终端价格仍然远高于公网设备。

1.2无线专网技术应用场景

无线专网接入系统相对光纤网络具有组网灵活、施工简易等优势，无线专网相对无线公网具有传输资源可控、服务质量保障高等优势。近年来，随着智能电网建设的持续推进，配电自动化建设需求增加，终端通信接入网建设规模不断扩大，仅靠光纤通信难以满足通信覆盖的要求，无线专网可与光纤通信互为补充、有机融合，形成光纤+无线专网的终端通信接入网主流建设模式，为智能配用电业务的发展持续提供坚实的支撑和保障。

随着无线通信技术的发展，运营商占用的频谱资源和网络接入带宽逐步提高，但是无线公网在容量规划上是按照一定的并发比（一般为30%左右）设计的，无法满足所有在线用户同时发生通信需求。在发生重大事故（如抢险、救灾等）、重要事件（如重大会议、重大赛事活动等）时，公网的通信量会达到网络容量设计容限，存在大量用户无法接入的情况，而此时一般电力公司也正在执行保电任务或抢修业务（包括恢复运营商设备供电），如果电力设备信息传送和现场通信过度依靠公网，必然存在不可靠因素。

电力无线专网只接入电力业务，相对于无线公网接入存在有线、无线等多方面入侵方式，无线专网只存在无线空口入侵威胁，同时可根据电力业务特殊安全需求在核心网、基站、终端等多个层面进行安全加固，全面提升无线通信安全性。

二、无线专网通信承载的业务需求分析

2.1配电自动化保障业务需求分析

2.1.1配电自动化[4]及配变监测

配电自动化业务将现代计算机技术、通信网络技术、自动化控制技术集于一体，对配电环节的设备进行远方实时监视、协调及控制，是改进供电质量、提高供电可靠性、扩大供电能力、实现电网高效经济运行的重要手段。配电自动化需要可靠的通信手段，在城区、郊区、农村地区等大量信息点光缆布放不到位的地方，无线专网的建设和扩容工程难度低于光缆，在需要快速提高覆盖率的地方，采用无线专网可以缩短工程周期。

根据能源局2015-2020年配电网建设改造行动计划，对配电自动化建设的目标是：“根据可靠性需求、网架结构与设备状况合理选择故障处理模式、终端配置及通信方式。中心城市（区）及城镇地区推广集中式馈线自动化方式，在网络关键性节点采用“三遥”终端，在分支线和一般性节点采用“二遥”终端，合理选用光纤、无线通信方式，提高电网运行控制水平；乡村地区推广以故障指示器为主的简易配电自动化，合理选用无线、载波通信方式，提高故障定位能力。2020年，配电自动化覆盖率达到90%”。

目前采用无线方式工作的故障指示器和配变监测终端主要依靠无线公网，选择的制式有2G的GPRS、3G的CDMA和4G的LTE，制式的不统一给运维管理带来了诸多不便，而且存在安全性、可靠性、实时性的问题或者隐患。为了提高相关监测信息的安全可靠性，可以考虑在需要快速部署配电自动化的地区采用无线专网方式覆盖。

常州配電自动化三期区域涉及变电站43个，线路433条，线路总长2245.49千米。10kV（20kV）环网柜506座，10kV（20kV）站所290座，10kV（20kV）柱上开关237台。每个变电站配网二遥终端和三遥终端对通信安全要求高，质量要求高（不允许误差，时延要求<50ms）。

2.2智能电网扩展业务需求分析

2.2.1用电信息采集业务需求分析[5]

对采用无线公网采集的采集终端，将目前的“2G”GPRS通信方式升级为“4G”LTE无线专网通信方式；对目前已建的采集系统进行优化，升级现有的II型集中器，设备下行通过485线连接电表，实现电表数据采集，设备上行，通过“4G”网络或光纤通信，实现数据的高速、稳定传输。

系统建成后，数据采集高速、稳定，实现供、购、售电环节的电能信息实时采集，达到准确实时抄表的要求，提高远程费控效率，降低电费欠费风险；通过用电监测，实时提供异常用电、电能质量、线损分析等统计分析，实现故障及时抢修、信息实时互通、管控精确到位。

终端（传感器、采集装置、移动设备等）所采集的数据可通过无线专网传送至市公司或省公司后台应用服务器。以变电站为断面，每变电站用采终端需求大约2000个，为支持数据传输的固定终端，安全要求低，质量要求低（数据传输不允许误差，时延要求<60s）。

2.2.2多媒体调度及移动巡检需求分析

多媒体调度集语音、集群、宽带数据、视频调度、短信彩信等功能于一体。除了传统的语音调度外，还可实现可视化调度、视频监控调度、轨迹定位和文字调度。该业务系统可将手持终端、单兵、摄像头等采集的数据发送到调度指挥中心。可通过给用户发送文字消息指令下达，实现快速发布作业计划，可随时进行调阅。同时在强噪音干扰环境等不方便语音通信场合，文字指令调度可以作为语音，很好替代调度手段。

移动巡检通过手持终端将现场采集的音视频、监测数据、地理位置等上传调度平台，接收/下载调度平台的数据，与调度保持实时通信。

2.2.3智能家居业务需求分析

随着用户对用电交互体验的感知要求越来越高，需将家居生活的接入智能交互终端、智能插座、家庭用能管理模块等多种设备接入系统，通过对用户各种设备的信息采集、分析、处理和监控，实现用户对家居设备的全面智能管理，并实现小区低压配电设备故障的精确定位。因此信息交互体现实现的承载通道要求高带宽、高可靠性、接入灵活等特点，需要通过电力终端接入网覆盖居民用电设备。在公网无法覆盖的地区可以考虑部署部分电力无线专网热点，为用户提供家用电器信息化服务。

三、常州供电公司LTE无线专网试点项目

3.1项目建设概述

本项目计划2016年内在常州约60平方公里的区域内建设LTE宽带无线专网。采用1785MHz-1805MHz频段TDLTE制式建设专用无线接入系统，拟申请10MHZ频率带宽，满足未来智能电网业务需求。该专网可承载语音、视频、数据业务。

首先满足区域内10kV线路配电自动化二遥、三遥业务的通信需求。

同时可以为智能家居、用电信息采集业务提供基础环境。通过增加调度业务系统还可开展多媒体调度、多方会诊、移动巡检等业务。试点区域西至淹城路、东至常武路、北至延政路、南至武进大道，区域面积约60平方公里。

工程范围建设1套核心网、5座基站、1个拉远单元、1台三层交换机、2套直流通信电源（含蓄电池）、1套网管服务器、1套多媒体调度系统、1套安全接入装置。试点区内有凤林变、凤墅变、小留变、龙潜变、鸣凰变、营配基地和工区7处位置可建基站。经勘察，选择5处建设基站，1处建设拉远单元。

本项目将接入三遥配电自动化终端34个、二遥节点162个。可选择接入用电信息采集终端5个、智能家居信息接入点5个、手持终端10个。具备未来约17770个潜在配用电等业务终端的接入能力，其中二遥终端约1000个、三遥终端约700个、用电信息采集业务终端约10000个、视频多业务终端约290个，其他业务终端约5780个。

常州TD-LTE无线专网[6]的组网方案如图3-1所示。网络架构从业务系统主站到用户终端总体上分为四层，分别是业务层、安全接入层、LTE接入层以及终端层。

最上层的业务层为各类业务系统，其中多媒体调度和移动巡检由本次项目提供。

安全接入层设备包括正反向隔离装置，前置双向验证装置和安全接入装置。根据业务层设备的位置就近部署。根据国能安全[2015]36号文的电力监控系统安全防护方案要求，I、II区业务系统主站采用正反向隔离装置与无线接入网络进行隔离。III、IV区业务系统采用安全接入平台接进无线终端业务。生产业务的终端和管理业务终端采用相同工作频率，共享基站和天线。

LTE接入层设备包括核心层、回传网、基站。其中核心层（含核心网和路由器）部署在市局，核心层的路由器对不同的业务采用VPN进行分离。

LTE回传光网络利用既有的光缆资源，采用SDH独立通道实现，以满足核心网和基站之间的S1接口控制面的时延要求。基站设备部署在试点区域内所选变电站及附近合适的地址。

终端层为业务系统相关的各种LTE专网终端，其形态包括LTE手持终端、LTE专网网卡（LTE模块）和LTE专网CPE等。

3.2项目经济效益分析

3.2.1光纤+公网成本估算

常州配电自动化三期工程的三遥业务规划采用光纤接入，二遥业务规划采用公网接入。常州LTE试点专网建设后，将使配电自动化三期工程的34个三遥终端和162个二遥终端经由LTE专网接入。

从而减少了光纤和公网建设投资，采用光纤+公网建设方案的投资估算见表1。

因此，采用光纤+公网建设方案的投资总费用约319.6万元，光网络和公网的运维费约37.2万元/年。

3.2.2 LTE无线专网成本估算

LTE系统造价=LTE网络成本+LTE终端成本+安全成本+（专网运行维护费+频率年费）×年数。本期LTE专网的投资估算如表2所示。

LTE专网总造价约为608.4万元，维护费约为68.98万元/年。

LTE专网与光纤+公网的投资对比如表3所示。

无线专网投资费用比光纤+公网方案高，设备费高出约288.7万元；每年运维费高出约31.7万元。无线专网投资比光纤+公网方案投资高出较多，主要是因为无线专网的业务承载量还较少，另外投资估算中还考虑了多媒体调度及移动巡检等扩展应用系统的费用投入。

四、结论

当前无线专网主要解决了配网、计量使用GPRS在线率低；公网不可靠；配用电光纤通信成本过高等问题。

未来无线专网[7]可广泛应用于从发电、输电、配电到用电、调度、信息化等整个智能电网业务环節中。如配网自动化、计量自动化（远程抄表）、视频传输（配电房监控）、移动巡检、移动办公（作业表单）、门禁监控、电动汽车充电桩远程操作、作为IMS系统的无线接入部分实现IMS的移动化应用等。另外在新变电站建设时，无线专网可作为现场建设调度指挥系统并为自动化等设备调试提供临时通信通道。

总之，电力无线专网不仅可作为现阶段配电自动化、计量自动化、移动办公等电力业务的有效通信方式，还可以满足未来智能电网通信网向电力物联网[8]发展的大数据通信需求。

参 考 文 献

[1] 梅林常；王献军. 4G技术在智能电网中的应用[A]；2013年中国信息通信研究新进展论文集[C]；2014年.

[2] 李文伟；陈宝仁；吴谦，等. TD-LTE电力无线宽带专网技术应用研究[J]. 电力系统通信， 2012， 33（11）：82-87.

[3] 王亮. 电力通信专网发展模式的探讨[J]；中国新通信；2007年09期.

[4] 陈豪， 陈杰. 面向智能配用电网络的电力无线专网技术分析[J]. 中国新通信， 2014（17）：8-8.

[5] 高雪；朱骥；程远. LTE电力无线专网多业务承载方案研究电力信息与通信技术， 2014（12）：26-29.

[6] 刘建明；赵峰；张月霞；崔琪楣. 用于智能电网的新一代宽带无线移动通信技术[J]；电力系统通信；2009年10期.

[7]孙圣武；程远. 面向业务覆盖的LTE电力无线专网研究[J]. 电力信息与通信技术， 2015（4）：6-10.

[8]刘建明；李祥珍. 物联网与智能电网[M]. 北京：中国电力出版社，2010.