eLTE 无线专网在智能电厂中应用研究

刁保圣

（国家能源集团宿迁发电有限公司，江苏 宿迁 223800）

智能电厂是利用信息技术、通信技术、物联网技术等对电厂生产运行及经营管理过程中的各项关键信息进行采集、分析，并对监测、监控、管理等业务需求做出智能响应，从而实现电厂生产经营管理的精益化、高效化和少人或无人化，同时为发电企业开展智慧转型提供安全保障。

随着通信技术的不断发展，无线通信技术逐渐广泛应用于电力通信。长期演进（long term evolution，LTE）通信网络[1]作为一个支持高速无线宽带的系统，可以应用在很多方面，市场前景非常广阔。在物联网方面，随着行业数字化的深入，像电力、石油、港口、机场、航运等行业[2-5]对数据采集的要求越来越高，需要传输的数据量也越来越大，对无线宽带的需求也很迫切；在应急通信方面，当发生人员违章、设备事故时，在现场快速部署高带宽专用无线网络能大大提高处置效率。

随着行业数字化的深入，工业领域对连接的诉求越来越高，虽然现场总线、工业以太网以及基于Wifi、RFID 等无线技术的使用，实现了部分工业设备的连接，但更大部分的工业设备还属于无任何连接的“哑设备”。

eLTE 作为以LTE 技术为基础的行业无线专网技术，通过借助互联网行业的新兴技术和调制方式，提高了无线网络的数据传输能力及传输速度，使其具有更加灵活的信道带宽、更低的无线网时延、更高的频谱效率、更强的移动性能、更高的峰值数据率。宿迁电厂网络规划基于授权频谱的eLTE-Licensed（1.8 GHz），采用4G TD-LTE 技术开发设计专网集群系统。该系统可承载不同业务场景数据接入，提供稳定可靠的数据通道，并在网络安全性、可靠性、可扩展性等方面具有强大技术优势。

本文通过对比eLTE 技术与其他无线技术，并将eLTE 技术首次应用于宿迁电厂智能化建设实践，通过性能测试、数据对比，分析了eLTE 技术的优势。

1 eLTE 无线专网的技术特征

1.1 eLTE 网络结构

图1 为eLTE 网络架构示意。由图1 可见，eLTE网络主要分为无线接入网和核心网两大部分。

图1 eLTE 网络架构示意Fig.1 Architecture diagram of eLTE network

无线接入网设备主要包括基带处理单元和射频拉远单元。基带处理单元主要功能为基带处理、信令处理、无线资源管理以及提供到核心网的传输接口，提供操作维护功能和时钟同步。射频拉远单元主要实现基带信号、中频信号和射频信号之间的转换，实现对无线接收信号的解调、对发送信号的调制和功率放大。电力网无线接入网频率目前根据“工信部 [2015]65 号”文件要求，一般选择1 790～1 800 MHz 频段，单独小区采用5 MHz 或10 MHz系统带宽同频组网。

核心网主要集成有MME、HSS、S-GW、P-GW网元[6]。MME 负责控制面的移动性管理，包括用户上下文和移动状态管理，分配用户临时身份标识等。HSS 用于完成3GPP LTE/SAE 网络中的签约用户数据管理功能，HSS 功能单元存储了网络中用户所有与业务相关的数据，提供用户签约信息管理和用户位置管理功能。S-GW 是3GPP 定义的不同接入网络间的用户面锚点，用于屏蔽3GPP 内部不同接入网络的接口，S-GW 承担EPC 的网关功能，终结E-UTRAN 方向的接口。P-GW 是3GPP 定义的与外部PDN 连接的接口，P-GW 承担EPC 的网关功能，终结与PDN 相连的SGi 接口。

1.2 eLTE 关键技术

eLTE 基于LTE 技术，其主要关键技术[7]如下。

1）MIMO（多入多出）发射端利用多根发射天线将多个数据在相同时间、频率资源上同时发送，接收端利用多根接受天线同时接收多个数据流。由于收发两端使用了多根天线，相比相同带宽的单发单收链路，MIMO 信道容量可以成倍提升。

2）OFDMA（正交频分多址）OFDMA 是一种资源分配粒度更小的多址方式，同时支持多个用户。它将传输带宽划分为一系列正交的子载波资源，将不同子载波资源分配给不同用户实现多址。

3）ICIC（小区间干扰协调）相邻小区通过频带区分，错开各自边缘用户的资源，达到降低同频干扰的目的。

4）高阶调制 相比TD-SCDMA 采用16QAM，eLTE 采用64QAM 调制，减少冗余字节，以携带更大数据量，速率更快。

1.3 eLTE 与一般无线通信技术对比分析

eLTE 与传统其他无线通信技术性能指标对比见表1。

表1 eLTE 与一般无线通信技术性能指标对比Tab.1 Comparison between eLTE and general wireless technologies

1.4 eLTE-1.8G 与5G 对比分析

1）网络安全方面 发电企业对于网络安全要求极高，eLTE 电力无线专网是根据电力行业需求，实现专网专用的网络[8-9]，能够满足安全需求。而5G则是公网通信，可能存在传输通道阻塞，虽然有多重网络安全措施，但仍然存在安全风险等问题。

2）设备功耗方面 某运营商在广州、深圳对不同厂家5G 基站功耗的实际测试，在关注5G 大带宽高速率优异性能的同时，5G 单站功耗是4G 单站功耗2.5～3.5 倍。在电厂一定空间区域和业务使用范围，再算上空调的功耗，单个站点的整体功耗只会更大。

3）技术成熟度方面 5G 的发展给社会及企业带来了机会和挑战，eMBB、uRLLC、mMTC 3 个典型应用场景将大大拓展电厂无线应用边界，未来4K、8K 高清视频、远程无线自动化控制等新兴场景必将采用5G 技术。但由于目前这些相关应用还不成熟，且5G 是新技术，尚未完全成熟，发电行业应用较少，而eLTE-1.8G 电力无线专网已形成产品生态链，在现有应用场景下技术相对成熟。

4）覆盖面方面 有数据显示，2G 基站的覆盖半径约为5～10 km；3G 基站的覆盖半径约为2～5 km；4G 基站的覆盖半径约为1～3 km；同样的覆盖范围，5G 所需的基站数是eLTE 的3～4 倍，5G基站的覆盖半径一般约为100～300 m。5G 覆盖低基站多，频点太高，信号穿透力差[10]，在电厂密集型设备空间内应用具有一定的难度，而eLTE-1.8G 的覆盖和穿透能力已得到广泛认可。

5）深化技术应用方面 在电力行业，eLTE-1.8G 已广泛应用在配电自动化、风电控制等工控系统远程控制，其安全稳定、自主可控的组网方式，结合智能发电领域智能发电运行控制系统（ICS），更适用于发电企业深入探究。

1.5 eLTE 无线专网的技术优势

由上述分析可知，在安全性上，eLTE 技术采用1 785～1 805 MHz 行业频谱建立电力无线专网[11]，保证了与公网的隔离，实现了专网专用，同时eLTE核心网能够识别用户身份并对用户和网络双向鉴权，保证只有合法用户才能访问网络，同时保证用户身份、数据和信令传输的保密性和完整性，保证了电厂生产运行过程的无线网络安全。技术先进性方面，eLTE 技术已充分论证，不论性能、安全、工程建设的便利性都能满足电力无线专网的需求。业务适用性方面，eLTE 技术充分满足电力业务宽带、窄带业务并存，海量终端接入，高可靠、低时延、低功耗等业务场景需求[12]。产业链方面，国际移动通信标准组织3GPP 定义的LTE 技术具备广泛的产业链基础，可保证电力无线专网建设的经济性和长期演进性。当然，相比5G 技术，eLTE 技术在终端设备接入数量、空口时延、上下行带宽上都存在劣势，但目前主流应用还不能充分利用5G 相关性能；相比WiFi，eLTE 技术主要问题是需要专用设备才能进入，普通无线设备不支持eLTE，但对于电厂使用场景下，通过专用设备才能接入无线网反而能更好的保证网络安全。因此，目前阶段eLTE 无线专网能够更好地满足电厂无线网络需求及智能电厂建设需求。

2 eLTE 无线专网性能优化测试

2.1 站点信息

结合宿迁电厂实际厂房布置情况以及实际网络覆盖需求：1）对宿迁电厂厂区和厂房内进行全覆盖，无明显盲区；2）通过新建的LTE 无线网络作为人员定位、移动作业、生产调度、物联网等系统的网络主通道；3）新建的LTE 网络不能对高精密的电子产品产生干扰和影响，最终确定eLTE 站点部署方案见表2。

表2 eLTE 站点部署方案Tab.2 eLTE site deployment information

2.2 网络优化

在网络调试过程中，发现存在问题：1）锅炉房部分区域SINR 差，网络信号不佳；2）厂区部分路段SINR 差，网络信号不佳；3）存在场外信号外泄情况，系统内干扰严重。

经测试，问题1）是由于东西两侧锅炉房各为2 个小区，对角进行覆盖，重叠覆盖较高，存在邻区干扰，引发锅炉部分区域SINR 较差。通过对小区进行合并，将锅炉房合并为1 个小区信号覆盖，提升了锅炉房信号覆盖强度。问题2）是由于厂区路测中UE 会占用覆盖锅炉房0～50 m 的板状天线信号，存在重叠覆盖高，MOD3 干扰。通过对锅炉房小区进行合并修改pci，规避MOD3 干扰提升厂区道路的信号覆盖强度。针对问题3），通过多次测试，调整室外宏站-1 天馈及其方位角和所有室外宏站天馈下倾角可解决信号外泄问题。

2.3 测试方法及工具

2.3.1 CQT（定点）测试要求及说明

1）速率测试 将测试手机连接电脑，电脑安装灌包IPERF 软件，网管安装灌包IPERF 软件。电脑做UDP UL 业务，打开测试软件记录定点采集的数据；网管做UDP UL 业务、电脑做UDP DL 业务，打开测试软件记录定点采集的数据。

2）Ping 时延测试 以32 字节包Ping 指定服务器（10.203.36.21）100 次，统计平均Ping 包时延。

2.3.2 DT（路测）测试要求及说明

3）速率测试 将测试手机连接电脑，电脑安装灌包IPERF 软件。电脑做UDP UL 业务，打开测试软件室分别对每层楼进行室内覆盖打点测试，宏站连接GPS 做覆盖测试。

2.3.3 测试工具

测试手机为HUAWEI EP820；测试软件为Probe 5.1及相应的License、HUA软件；分析软件为Assistant 5.1 及相应License 软件；测速软件为IPERF 软件。

2.4 优化后室外宏站测试结果分析

经过对4 个室外宏站接入成功率、延时、速率以及DT（覆盖）、参考信号接收功率（reference signal receiving power，RSRP）分布、SINR 分布等监测参数的分析，1.8G-eLTE 专网在性能方面完全满足电力企业网络需求。CQT（定点）测试结果见表3。

表3 定点测试结果Tab.3 Fixed-point test results

由表3 所示，测试结果表明，站点数据接入成功率、FTP 上传、下载以及扇区接反检查等指标都合格，可支撑智能电厂数据接入应用。图2 为灌包平均下行速率界面。

图2 灌包平均下行速率界面Fig.2 Screenshot of the average downlink rate of data testing

2.5 优化后DT（覆盖）数据分析

表4 为基站覆盖指标统计，室外平均RSPR 为-74.83，平均SINR 为14.29，LTE 覆盖率为99.9%，同频切换成功率100%，满足厂区现有生产需求。应用层平均上传速率23.39 Mbps，平均下载速率15.19 Mbps，在多终端并发情况，仍能保持高速率上传和下载，图3 为厂区覆盖区域。

表4 基站覆盖指标统计Tab.4 Statistical table of base station coverage indexes

图3 厂区覆盖区域Fig.3 The factory coverage area

1）RSRP 分布 RSRP 是LTE 网络中代表无线信号强度的关键参数，是在承载参考信号的所有资源粒子（RE）上接收到信号功率的平均值，取值范围一般为-40～ -140 dbm，值越大越好。图4 为RSRP分布及其在各区间采样点比例。由图4 可见，现场平均RSRP 为-74.83 dbm，且-40～ -90 dbm 占比达到90%以上，表明当前LTE 专网信号覆盖强度优秀。

图4 RSRP 分布及其在各区间采样点占比Fig.4 The RSRP distribution and the proportion of its sampling points in each interval

2）SINR 分布 SINR 指信噪比，是接收的有用信号强度与干扰信号（噪声和干扰）强度的比值，其值一般在-20～35 dbm，值越大说明信号质量越好。现场测试SINR 平均为14.29 dBm，且3～59 dbm占比达到95%以上（图5），表明当前LTE 专网信号质量优秀。

图5 SINR 在各区间采样点占比Fig.5 The proportion of SINR sampling points in each interval

3）上传速率与下载速率 经测试，该电厂数据上传平均速率23.39 Mbps，且下载速率为10～30 MMbps 区域占比达到99.42%，数据下载平均速率为15.19 Mbps，且下载速率为5～40 MMbps 区域占比达到98 以上。

总之，优化后电厂各处信号整体覆盖状况优良，满足后续业务使用需求。

3 eLTE 无线专网应用功能

宿迁电厂应用eLTE-1.8G 无线专网和GPON 无源光网络技术[13]，采用BBU 室内基带处理单元及分布式RRU 拉远技术，将基带光信号在远端转换为射频信号进行放大，并传送到核心网设备，从而进行无线覆盖，承载定位业务、设备定期检修、集群通信业务等，并扩展到无线视频监控、移动巡检、电子围栏、智能锁等物联设备接入（图6）。

图6 宿迁电厂“智慧煤电”eLTE 专网拓扑Fig.6 Topology diagram of the eLTE special network of“Smart Power Plant” in Suqian

3.1 人员定位

图7 为基于GPON+eLTE 技术生态网络的人员定位系统架构。

图7 人员定位系统架构Fig.7 Architecture of the personnel positioning system

由图7 可见，定位标签发送无线脉冲信号，定位基站接收到脉冲信号后将数据汇聚至TRU 无线专网多业务接入终端，TRU 无线专网多业务接入终端通过接收无线专网信号发送至服务器端，同时采用GPON 网络作为有线备用链路保障。服务器端经过人员定位引擎软件解算处理后将人员位置信息呈现在客户端管理平台上，最终与三维、物联网融合后通过展示系统呈现。

3.2 可视化检修

移动终端模块化电子安防预警和可视化检修作为宿迁电厂GPON+eLTE 技术的生态网络和物联网技术的一个应用场景（图8），通过在检修区域搭建临时电子安防系统和视频监控系统，结合 RFID射频技术，对区域边界的人员进行身份判别并设置声光报警提醒非检修人员禁止进入设定区域，系统支持无线信号传输，将检修的过程资料通过eLTE无线专网上传至物联网后台，让管理人员可借助第三方高速无线移动通信设备及时调取现场视频、照片信息，获取准确的现场情况，使整个检修工作数据化、可视化，及时禁止非授权行为操作，从而提高检修效率和现场安全管理水平。

图8 移动可视化监控Fig.8 Mobile visual monitoring

3.3 环境监测

基于eLTE 1.8G 无线专网的环境监测系统是对运煤系统、氢站、氨站、汽轮机14.5 m 等区域设置相应的数据采集及传感设备，基于eLTE 1.8 G 无线专网通过物联网平台对传感器数据收集并集中监测[14-15]，实现统一管理与调度，并从源头有效预防、控制和减少职业病危害因素，同时为科学决策提供了重要保证。

3.4 六大管道监测

在宿迁电厂二期2×660 MW 二次再热机组主/再热蒸汽管道的支承系统各个支承、吊点中，接入相应的力值传感器和位移传感器，将得到的信号经数字化处理后，以无线传输形式传输到信号接收中心，信号接收中心（无线接收基站）再把信号传输到物联网平台，由平台把汇集的数据按各种任务的数学模型，进行存储、分类、运算、比对，最后由各个任务模型得出的结果，由显示终端，通过直观、清晰、形象的界面显示出来。图9 为六大管道在线监测界面。

图9 六大管道监测界面Fig.9 Monitoring display of six major pipelines

3.5 移动应用

图10 为基于eLTE 1.8G 无线专网的移动应用。由图10 可见，eLTE 1.8G 无线专网通过构建安全虚拟手机平台，将“虚拟手机”进行集中部署，实现“虚拟手机”的统一管控，使业务开展更加灵活便捷，安全级别更高。通过移动应用实现应用秒级部署及更新，实现图形化Web 控制台，确保数据集中存储在安全服务器，手机终端零数据，支持各类手机平台，减少人力资源投入，降低了移动端资源，此功能在宿迁电厂智能工作票、操作票和日常巡检中应用效果明显。

图10 基于eLTE 1.8G 无线专网的移动应用Fig.10 Mobile application based on eLTE 1.8G wireless private network

4 结语

通过分析对比eLTE 技术与其他无线通信技术特点，明确了现阶段eLTE 技术更适合电厂使用需求，并将其首次应用于宿迁电厂智能化建设实践中。在eLTE 网络覆盖的实施过程中，基于火电厂布置特色测试优化了组网实施方案，实现了更好的网络信号覆盖。

通过eLTE 专网在宿迁智能电厂建设中的实践应用，挖掘了eLTE 专网具备的集群能力、视频能力、语音能力、数据能力、短消息能力等，改变了传统无线网络AC+AP 的模式。在宿迁电厂人员定位场景、可视化检修场景、环境监测场景、六大管道监测场景、移动应用场景等进行了应用尝试，并取得了较好的实际效果。宿迁电厂GPON+eLTE 无线专网的成功实践，为智能电厂基础网络建设作出了应用示范，具有推广意义。