城市地下变电站信号覆盖方案与实现

王世刚 曹庆洲 邹子君 徐沛 伍国兴 林文校 朱县盛

【摘  要】随着城区用电量的增加，为满足城市用电需求，城市地下变电站是今后的发展方向。本文分析了地下变电站的形式，对地下变电站信号覆盖的必要性进行了一定探讨，并为地下变电站2G/4G信号覆盖的实现提供了一套理论实现方案。

【关键词】地下变电站;信号覆盖;方案设计

随着重工业行业逐步退出城区，电力负荷逐渐转移到大型商业和居民区，城市地区的用电功率密度增加，依靠原来的110千伏和35 kv电网不能满足用电需求，必须依靠超过220 kv的电压等级供电，这就要求大量城市范围内的大型变电站建设（220 kv电压等级以上）。显然，大型变电站需要大量建设用地，为了提高城区土地的利用率，城市地区出现了越来越多的地下变电站。

一、地下变电站的几种形式

参考《35 kV～220 kV城市地下变电站设计规定》，地下变电站按布置类型不同可分为全地下变电站和半地下变电站。

1.半地下站

半地下变电站是指将主要变电站建筑建在地下，并将主变压器或主要电气设备部分设置于地下建筑内，其他变压设备则放置在地面的建筑内。北京、上海均有一定数量半地下站，由于部分设备布置在地面上，特别是主变压器布置于地面，大大减轻了通风、消防两大难题的处理，而且主设备的运行巡视、检修条件都大为改观。由于半地下变电站的地下建筑要求深度降低，使得在地基设计和施工中的难度也大大减少，但如果地面建筑体积较大时，考虑到周围环境要求会比较难以实现。

2.全地下变电站

全地下变电站是指将变电站主建筑、主变压器和全部电气设备都设置在地下，只在地上保留通风口、通风设备以及出入口等少量建筑。全地下变电站又分为单体形式和与地面建筑结合形式，相对于半地下形式变电站，有较高的地下建筑深度要求，整体设计、施工难度大，后期运行维护困难，但结合地面上的条件进行综合利用，有较好的外部条件响应。从近几十年来地下变电站运行的情况看，全地下变电站的综合效果、社会效应相对于半地下更加理想，因此目前新建变电站主要为以全地下形式。

二、信号覆盖的必要性

变电站的运维人员在工作时，通常通过电话与外界进行联系。根据变电站通信业务的配置原则，变电站控制室配有从变电站到相关调度机构的外线电话1部、内线电话1部和调度电话1部。这些电话安装在变电站控制室的配电板上，没有设置无线终端。因此，当维修人员远离调度员在控制室工作或在控制室外工作时，需要通过手机与外界进行沟通。在地面变电站中，运营商的移动电话无线网络覆盖质量通常较好，移动电话通话简单可行，而在地下变电站中则比较困难。由于地下变电站为钢筋混凝土结构，无线信号穿透性差，变电站的地下部分基本没有手机信号，特别是大型超高压地下变电站。地下建筑面积10000多平方米，其中工作人员的大量作业也远离控制室和调度站。这给在地下变电站工作的运维人员带来了极大的不便，影响了工作效率。因此，应该考虑建立一个无线信号覆盖系统，实现2G/4G信号覆盖，为地下变电站内的运维检修人员提供对外手机通话的通信渠道。

三、信号覆盖方案设计

地下变电站属于业务流量较小、但特别需要语音通话的区域，必须解决2G/4G 信号的覆盖问题。本方案使用无线直放站设备耦合地面基站信号进行覆盖，来解决该类场景的信号覆盖问题。

无线直放站主要由施主天线、无线站和室内分布系统三部分组成。施主天线安装在地下变电站的地面建筑内，其功能是与外界基站天线连接构成通信链路，完成上下链路之间的无线信号传输。无线站主要对施主天线输入信号进行放大、反馈处理。室内分布系统用于实现地下变电站内的信号覆盖，主要由壁挂天线、吸顶天线、耦合器、功分器组成 []。无线直放站的系统构成见图1。

1.施主天线选取

一般情况下，发射天线的高度越高，接收信号的效果越好。经验值表明，当施主天线前没有明显的高阻隔时，每增加10m施主天线高度，接收到的信号强度增加约80dB。而施主天线类型选择则可根据接受信号强弱，结合实际需求进行选择，可参考下表1。

2.无线站目标指标

（1）需要达到室内通话质量良好，现场实测中不能发生乒乓切换的情况

（2）室内信号覆盖率达到95%，不考虑是否有处于呼叫状态内用户占用通道。

（3）保证95%-100%信号通道由室内用户占用。

（4）无信号泄漏，确保室内信号不干扰室外网络。

（5）环保，确保室内接收电平不超过-25 dBm。

（6）正常情况下，窗口电平要求保持在-85 ～ -75 dBm之间。

3.室内分布系统设计参数要求

（1）无线信道接通率必须保持在98%-100%之间。

（2）室内无线覆盖区场强要求在-75dBm～-85dBm之间。

（3）在无线覆盖区内，95%的位置、99%时间移动台可接入网络。

（4）在距离建筑10-15m范围内，室内覆盖系统场强≤-85dBm。

（5）上行噪声电平≤-120dBm。

（6）覆盖区域内信号可实现无间断切换。

（7）要求95%的区域内RxQual等级≤3级。

4.室内分布系统的分类和特点

按采用设备的不同，室内分布系统可以分为有源系统和无源系统。按布线材料的不同，室内分布系统可分为光纤系统、泄漏电缆系统等。其中部分常用的室内分布系统的比较见表2。

4.方案实现

由于大型地下变电站的话务需求小，覆盖面积大，无需担心信号泄漏对室外宏蜂窝基站的影响，可以采用无线直放站空间耦合进行无线覆盖。施主天线采用常规的八木天线，安装在多层建筑的屋顶上，通过馈线与安装在地下一层控制室的无线直放站相连。无线直放站的增益为35～65dBm，上行输出功率为-10dbm，下行输出功率为-45dbm。室内分布采用同轴电缆系统，采用1/2和7/8阻燃馈线。天线系统采用全向天花板天线和定向壁挂式天线，并结合功率分配器和耦合器构成室内配电网。馈线和天线沿走廊布置成树枝状分叉。天线之间的最大距离不超过16米，保证覆盖无盲点。经计算，天线信号强度为-65～ -70dbm，可以满足无线覆盖的要求

结语

对于大型地下变电站，移动电话2G/4G信号覆盖需求有限，业务流程相对较小。从经济性角度出发，根据“小容量、大覆盖”的特点，地下变电站建设无线直放站不仅可以满足无线覆盖，满足地下变电站最大程度的要求，而且还控制投资规模，降低建设成本。

参考文献：

[1] 《35 kV～220 kV城市地下变电站设计规定》DL/T 5216—2005[S].北京：中国电力出版社.

[2] 夏泉，贾云华.地下变电站的建设及应用[J].电气应用，2013（S1）：506-510.

[3] 赵修旻，吴国栋.大型地下变电站无线覆盖系统研究[J].电力与能源，2017（05）：31-34.

作者简介：

王世刚（1975.09），男，汉族，贵州省安顺市人，硕士研究生，单位：深圳供电局有限公司，研究方向为变电运行。

（作者單位：深圳供电局有限公司）