5G基站共建共享技术在电力系统中的应用

何 涛，郭 峰，赵锦辉

（国网湖北省电力有限公司信息通信公司，湖北 武汉430077）

0 引言

2020年，工信部、国资委联合发布了《关于推进电信基础设施共建共享支撑5G网络加快建设发展的实施意见》，对持续深化电信基础设施共建共享、支撑5G加快建设发展、推进电信基础设施共建共享工作提出实施意见。电力杆塔资源是电网公司重要的基础设施，要在保证电力线路安全前提下，实现电力杆塔附挂5G基站，同时将5G先进技术更好应用于电网运营，实现共建共享、双向应用。电力基础资源共享共用，也能够减少城市公用基础设施的重复建设，减少土地资源的浪费，对节能减排、服务双碳目标均有益处。根据有关数据，每共享一基电力杆塔，将减少土地征用面积50 m2，节约钢材15 t，节约建设资金12万元，缩短建设周期40 d。通过资源共享后，不仅可以降低5G网络建设成本，缩短建设周期，还可以提升5G网络的覆盖质量和进度。

1 关于5G技术

5G即第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technolog），是具有高速率、低时延和广连接特点的新一代宽带移动通信技术。国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大类应用场景，即增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC），具有速率高、延迟低、覆盖广等特点。

增强移动宽带（eMBB）特点是速率高，致力于无缝用户体验，用户数据速率极高，峰值速率可达到10 Gbit/s～20 Gbit/s，可满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

超高可靠低时延通信（uRLLC）的特点是低时延高可靠，主要应用于对时延极其敏感并且对可靠性要求严格的场景，例如远程医疗、车联网、工业控制等应用场景。其中，低时延高可靠场景中时延的要求可达到1 ms量级。

海量机器类通信（mMTC）特点是广覆盖，应用场景对吞吐量、时延、可用性等性能的要求十分严格，具备百万连接/km2的设备连接能力，应用领域包括生产流程的无线控制、智能电网配电自动化等。

2 共享电力杆塔基站

5G通信基站是移动通信网络中最关键的基础设施，连接终端用户与传输网，解决5G用户连接“最后一公里”。5G通信基站主要分为宏基站和微基站，宏基站一般为铁塔站，一个站覆盖几十公里，机房设施完备，微基站是在楼宇中或密集区安装的小型基站，覆盖小，用户量低，覆盖单个村庄、大楼等场景。

5G基站架构主要采用BBU+AAU方式。BBU是基带控制单元，集中管理整个基站系统，提供基站与传输设备的物理接口。AAU设备（有源天线单元）主要负责传送和处理BBU和天馈线之间的射频信号，由于mMIMO（大规模多路多出）技术的应用，AAU尺寸和重量进一步加大，尤其是64T64R多天线的应用，5G天馈线系统的安装比2G、3G、4G更复杂。

根据电力安全工作规程，不同电压等级的输电线路都有相应安全距离，在安全距离范围内上塔作业可以保证人身安全。电力塔属于高耸结构，国家对该类设施都有严格的接地要求。在设计过程中，考虑到安全因素，结合附挂高度，通信基站附挂位置符合要求，既能保证不发生触电事故，也能保证设备达到通信要求的相应高度。同时，由于电磁频段不同，加之塔上通信基站天线波束主瓣角度可以调整，通信设备自身具备纠错功能，在满足电气安全距离的前提下，架空线路不会对通信基站信号产生干扰。

3 共享电力杆塔基站安装

3.1 天线挂高

电力杆塔作为输配电线路的重要组成部分，起到支撑和架空电力线缆的作用。按结构形式，可分为杆类和塔类；按用途，可分为直线塔、转角塔、终端塔以及跨越塔。不同类型的电力杆塔承载能力不同，对5G基站而言，室外电力杆塔适合安装宏基站。

根据电力杆塔所处地形及信号覆盖范围要求，宏基站安装高度为15 m～35 m。电力杆塔附挂基站天线典型方案为电压等级220 kV，双回路铁塔，天线设备挂于塔身，挂高25 m，天线可布置在同一水平面上的不同平台处，通过支架与铁塔连接。

当天线安装于塔身时，高度建议不超过地线，并确保天线在地线45°保护范围之内。天线布置位置一般可分为3种情况：第1种安装在塔顶头部；第2种安装在塔头段，位于导线以上；第3种安装在塔头段，位于导线以下。综合考虑系统安全性，稳定性和运维便利性等多种因素，尽量实现两个系统平行运行，相互间干扰最小。基于以上原则，基站天线安装位置建议位于输电线路带电部分以下，并满足相关安全距离。

图1 电力杆塔共享天线安装位置示意图Fig.1 Schematic diagram of installation position of power tower shared antenna

不宜进行附挂服务的电力杆塔主要包括：同塔四回路及以上多回线路杆塔；投运30年以上的电力杆塔和20年以上水泥杆等老旧电力杆塔；评估不达标或需进行杆塔主材、基础加固方可达标的电力杆塔；达到临界使用条件的电力杆塔；位于20 mm及以上重冰区的杆塔。

表1 基站附挂安全距离计算值Table 1 Calculation value of safety distance for base station attachment

3.2 天线角度

天线是实现移动通信网络覆盖的核心设备之一。用来实现传输线中的电磁能与自由空间的电磁波间的相互转换。

安装天线倾角时必须考虑的因素有天线的高度、方位角、增益、垂直半功率角度，以及期望覆盖的范围。

天线主瓣波束与地平面的关系如图2所示，其中所需覆盖半径为D（m），天线高度为H（m），倾角为α，垂直半功率角为θ。

图2 天线主瓣波束与地平面的关系Fig.2 Relationship between antenna main lobe beam and ground plane

当天线倾角为0度时，天线波束主瓣即主要能量沿水平方向辐射，当天线下倾α度时，主瓣方向的延长线将与地面一点相交，由于天线在垂直方向有一定的波束宽度，因此在A点到B点方向，仍会有较强的能量辐射。根据天线的技术性能，在半功率角内，天线增益下降缓慢，超过半功率角后，天线增益迅速下降［3］。因此，可以认为半功率角延长线到地平面交点（B点）内为天线的实际覆盖范围。根据上述分析以及三角几何原理，可以推导出天线高度、下倾角、覆盖距离三者之间的关系为：α=arctan（H/D）+θ/2。

上述为常规移动通信系统的下倾角设计，对于5G系统，5G基站m-MIMO天线具有更多的功能，由于很多根天线同时可以调整，这就使得信号覆盖变得更多样，可以变成长条形、方形、椭圆形等等，而且可以快速调整，完全根据需要来转换。目前主流的mMIMO有64T64R、32T32R、16T16R等多种通道数天线可以选择，其区别在于垂直面上分别支持4层、2层和1层波束，利用mMIMO天线具有多个垂直波束的特点，可扩展网络的覆盖范围，调整站址或者天线型号、挂高、方位角、下倾角、发射功率等，充分满足电力杆塔附挂基站信号及覆盖要求。

3.3 机房建设

通信机房是5G基站建设中不可或缺的组成部份，通信机房由动力柜、设备柜、电池柜、电源柜组成。目前5G基站通信机房多使用一体化机柜或模块化机房，内部可安装通信系统设备、交直流配电、蓄电池、温度调节设备及其它配套设备，能为内部设备正常工作提供可靠的运行环境。对于附挂基站的电力角钢塔，一体化机柜宜安装在铁塔内部，对于附挂基站的钢管杆，一体化机柜宜安装在杆塔旁边。电力角钢塔/钢管杆布置一体化机柜示意图如图3。如采用小型模块化机房，安装位置参考一体化机柜，机房内部尺寸不低于3 m×2 m，加上周围附属设施占地约10 m2，净空不小于2.5 m，内部可设置机柜3个，嵌入式直流通信电源1台、通信蓄电池2组以及交流配电箱、空调、监控设备等。实际利用的有效机柜数量约为2个，满足基本的基站信号接入及回传、处理需求。

图3 电力角钢塔/钢管杆布置一体化机柜示意图Fig.3 Schematic diagram of integrated cabinet for power angle steeltower/steel pipe pole layout

3.4 设备安装

宏基站设备主要分为室外（塔上）部分、室内（塔下）部分及室外与室内（即设备与通信机房）连接部分。其中，室外（塔上）部分主要包括天线、RRU（无线射频单元）设备或AAU设备（有源天线单元）、铁塔支臂。室内（塔下）部分主要包括机房或机柜，在机房或机柜内部安装BBU（无线基带单元）设备、电源、空调以及监控设备。室外与室内连接部分距离较远时，采用独立光缆；当室内外紧邻时，只需穿墙套管等附属设施即可。

3.5 防雷接地

基站天线、馈线以及走线架等设施均应在避雷针的保护范围内。5G AAU的安装位置位于导线下方，电力铁塔的防雷保护可完全满足天线保护角的要求［4］。35 kV及以上电力杆塔的引下线缆、电源线、传输线及馈线沿铁塔主材内部布置或沿钢管杆身的爬梯侧面布置，沿钢管杆身布置时还应采用PVC套管保护，按0.5 m间距用夹具固定良好。铁塔上架设的馈线及同轴电缆金属外护层应分别在馈线顶部、离塔处及机房入口处外侧就近接地；当馈线及同轴电缆长度大于60 m时，则宜在塔的中间部位增加一个接地点。室外走线架始末两端均应接地，接地连接线应采用截面积不小于10 mm2的多股铜线。馈电机柜无论是在设备机柜附近还是内部，都应共用同一接地系统，该接地系统应通过横截面积35 mm2以上的铜线与电力杆塔地相连［5］。

4 5G技术在电力系统典型应用场景

4.1 分布式能源调控

为适应太阳能、风能、燃料电池、充电桩等分散电力需求和资源分布特点，需要进行数据采集处理、有功功率调节、电压无功功率控制、孤岛监测、调度与协调控制等。为了实现这些功能，需要达到百万到千万级别的连接数。通过5G面向大连接的能力，可以实现对接入设备进行控制和数据采集，从而有效保障多电源并网的有效运行。

4.2 智能配电自动化

智能配电自动化通过继电保护自动装置监测配电网线路和设备状态信息，快速实现配电网或设备故障的判断及精准定位，迅速隔离故障区段或故障设备。而传统的配网保护采用简单的过流、过压保护，不依赖通信，不能实现分段隔离，停电影响范围大。为了实现故障的精准隔离，可以利用5G切片技术在配网领域推广应用差动保护，要求通信时延小于10 ms，带宽大于2 Mb/s，可靠性99.999%，信息交互携带10μs内的高精度时间戳。

4.3 智能巡检和应急指挥

利用机器人、无人机等搭载高清摄像头或环境传感器，实现对变电站、配电房、输电线路进行巡检的过程中，将现场高清视频、图片等数据传回远程监测中心。此外，针对重大电力故障进行现场应急抢险时，也需要通过高清视频等方式将现场情况实时反馈到指挥中心。为满足这些通信要求，需要单路带宽达到4～10 Mb/s，时延小于100 ms。针对这类业务场景，5G网络提供的高带宽，有效地保障智能巡检和应急指挥的进行。

4.4 电力设施运行状态监测及远程操作

电网运行中，需要通过对电网设备运行环境、运行状态、故障信息进行全面监测来掌握设施运行情况。利用5G通道实现电力线路输变电状态监测信号、视频信号的接入，在电力杆塔安装5G基站的同时，同步安装输电线路状态监测系统，可以实现5G与电力业务双向应用。此外，通过智能电表实现远程抄表，也存在大量的设备接入。基于5G面向大连接的能力，为末端设备的全面接入提供支撑，进一步保障设施安全稳定运行。

5 结语

电力杆塔安装5G基站具有投资小、见效快的优点，同时也可实现5G业务在电网中的应用。根据电力基础资源运营工作经验，提出了5G基站共享电力杆塔的标准、方法和注意事项，同时对5G在电网中的应用场景进行了分析，对推动5G与电网业务的共建共享应用具有很强的借鉴意义。研究及实践表明，只要做好电力杆塔共享基站设计，确定挂高、天线角度等指标，就能安全、高效利用电力杆塔基础设施，实现5G基站、5G技术和电网技术的融合以及共建共享共用。