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技术|国家电网公司电力无线专网的规划与思考

[日期:2021-04-07]   来源:51对讲机世界   作者:   [字体: ]

  随着时代的发展,电力行业对电力无线专网的需求日益增加。业务需求爆发增长、公网安全性有待增加、光缆建设成本高、各专业分散建设。王磊表示,电力无线专网是终端通信接入网一种重要的通信方式。通过电力业务需求和技术经济分析,国家电网有限公司向工信部提出增补频率资源的申请。

  2017年9月,国网信息通信产业集团有限公司携手华为、中兴、普天、信通院、国家无线电监测中心、南瑞等55家单位成立了中国无线电协会电力无线专网产业联盟(后更名为“中国无线电协会电力无线专网产业分会”),覆盖研发、制造、测试、集成等上下游产业链。近期,产业分会配合编制国家电网有限公司电力无线专网企业标准,开展技术研究及产业培育工作。已研发13款230MHz产品,预计2018年底完成21款设备研制。

  在标准方面,国家电网有限公司已经发布了2项企业标准,即将发布8项企业标准,3项管理制度已印发试行。在实验室认证方面,开展电力无线专网终端、基站、核心网、网管全环节设备检测工作,已完成2家厂商230MHz设备、7家厂商1800MHz设备检测。国家电网有限公司还联合华为、普天等开展联合创新工作。

  电力无线专网总体架构能够实现生产控制大区和管理信息大区业务横向隔离,为精准负荷控制业务提供专线通道,满足毫秒级业务时延及安全接入需求。

  
 

  电力专网试点工作已全面展开

  据统计,LTE电力无线专网自2009年开始研发,11个省市公司已经建设一定规模的LTE电力无线专网,包括北京、天津、冀北、江苏、浙江、福建、湖南、江西、重庆、辽宁、蒙东公司。

  从应用效果来看,已经接入22类业务,业务支撑效果良好,供电可靠性有效提升,优质服务水平显著增强,电网运维效率大幅提高。可支持智能电表集采周期从原来的一天缩短至15分钟。

  电力无线专网实现数据、语音、图像、视频等业务的泛在接入和可靠承载,满足电力系统发输配变用环节的业务通信需求。

  
 

  2018年国家电网有限公司规划在11个省(自治区、直辖市)的电力公司29个城市C类级以上供电区域计划覆盖1.12万平方公里建设基站800余座,接入业务终端15.9万个。

  2019-2020年,国家电网有限公司规划建设基站2500余座,接入终端数十万个,至十三五末初步建成有效覆盖全网范围C类及以上供电区域的无线电力专网。(来源:通信世界网 作者:程琳琳)

  国家电网公司电力无线专网的规划与思考

  本文作者:梁雪梅 李新 颜军 彭雄根 陈冠军

  “关于电力无线专网该如何规划和设计,是一个需要不断研究和探索的课题。本文首先介绍了电力无线专网的建设背景、业务需求,然后分析了电力无线专网的网络架构,最后围绕规划设计这一重点工作,阐述了规划原则及规划思路,对国网公司各省市的电力无线专网的建设提供借鉴和思路。”

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  电力无线专网建设背景

  国家能源局发布《配电网建设改造计划(2015-2020年)》后,全国配电网改造升级明显加速,对通信网络的需求进一步提升,加快建设电力终端通信接入网,打通“最后一公里”成为电力通信网建设的重中之重,而电力无线专网因其安全可靠、泛在灵活的优势,成为支撑电力终端通信接入网建设的重要选择。

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  电力无线通信业务需求

  根据电力二次系统的特点,国网公司电力业务划分为生产控制大区和管理信息大区。

  生产控制大区分为控制区(安全区Ⅰ)和非控制区(安全区Ⅱ):安全区Ⅰ为实时控制区,凡是具有实时监控功能的系统或其中的监控功能部分均应属于该区;安全区Ⅱ为非控制生产区,原则上不具备控制功能的生产业务和批发交易业务系统均属于该区。生产控制大区的典型业务有配电自动化三遥、精准负荷控制、非工空调负荷控制等。

  管理信息大区分为生产管理区(安全区Ⅲ)和管理信息区(安全区Ⅳ):安全区Ⅲ主要进行生产管理,安全区Ⅳ主要为管理信息系统及办公自动化系统。不同安全区确定不同安全防护要求,其中安全区Ⅰ安全等级最高,安全区Ⅱ次之,其余依次类推。管理信息大区的典型业务有配电自动化二遥、用电信息采集、输变电状态监测、充电桩监控、负控、视频监控等。

  基本业务需求包括:配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站/桩。

  扩展业务需求包括:输配变机器巡检、输变电状态监测、电能质量监测、配电所综合监测、智能营业厅、智能家居、电力应急通信、开闭所环境监测、视频监控、仓储管理、移动IMS语音、移动作业。

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  无线专网网络架构

  3.1B-TrunC网络架构

  关于政企行业LTE无线专网,工信部在2014年发布了《基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统总体技术要求(第一阶段)》(YD/T 2689-2014),定义了行业LTE无线专网通信系统架构,具体如图1所示。

  
 

  图1 行业LTE无线专网通信系统架构图

  3.2电力无线专网架构

  电力无线专网通信系统,包括230MHz LTE-G、230M IoT-G和1800MHz LTE,均由核心网、基站、通信终端、业务终端、业务系统等组成,系统架构如图2所示。

  
 

  图2 电力无线专网通信系统架构图

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  电力无线专网规划原则及思路

  4.1 规划目标

  电力无线专网规划应明确承载业务类型、规模、目标覆盖区、覆盖面积、容量及性能规划目标。

  电力无线专网规划应满足调度自动化、配电自动化、用电信息采集等业务系统对通信网安全性、可靠性、实时性和承载能力的要求。

  电力无线专网应与光纤专网、电力线载波、无线公网等相结合,主要实现对区域内配电自动化“三遥”、“二遥”终端、用电信息采集等业务终端的全覆盖。

  在同频组网、邻区实际用户占用 50%网络资源条件下,在 A+、A 类地区规划目标覆盖区域内无线网络总体覆盖率应满足RSRP≥-115dBm且RS SINR≥-3dB的位置不低于95%,在B、C类地区不低于90%,业务终端99%的时间可接入网络。

  4.2 核心网规划原则及思路4.2.1 规划原则

  核心网应根据电力无线专网承载业务、建设规模确定部署方式,宜部署在地市公司;可根据业务接入规模、流向等,部署在省(市)公司。

  承载毫秒级精准负荷控制业务的区域,应设置2套核心网,分别承载生产控制大区业务(含精准负荷控制业务)和管理信息大区业务。

  核心网容量应根据覆盖区域规划的基站数量、业务需求预测合理确定。

  核心网关键单元应冗余配置,网络规模较大区域可考虑本地或异地容灾。

  4.2.2 规划思路

  核心网规划流程如图3所示。

  
 

  图3 核心网规划流程图

  (1)资料准备阶段

  主要收集核心网规划的基础信息、规划依据和建设原则等。

  (2)规划目标确定阶段

  核心网规划目标主要有业务发展目标和网络发展目标,该阶段需要完成相关目标确定和策略制定。

  (3)需求分析阶段

  基于现有业务、终端的现状,对未来几年的业务进行预测。

  (4)核心网规划阶段

  根据网元设置原则、容灾备份原则,编制核心网方案,包括网元设置、网络架构、容灾备份方案,并计算接口带宽等。

  4.3 无线网规划原则及思路4.3.1 规划原则

  规划设计中基站站型规划以室外覆盖的基站为主,基站设备关键单元可冗余配置。

  基站的选址应根据技术体制并结合业务终端类型和数量、覆盖区域地形地貌、干扰情况等进行测算,并应满足电磁环境限值要求。在规划阶段,对基站数量可适度预留。站址优先选择变电站、供电所等电力自有物业,充分利用现有机房、电源、杆塔等基础设施,条件不具备时可考虑新建或租用,租用时应考虑运维和安全要求。基站塔桅可根据站址位置、天线高度、天线类型等,选择采用独立杆塔或利用现有建筑物和构筑物建设抱杆、增高架等。

  无线通信终端分布在超高建筑阴影、室内、地下室等环境时,可采用增加基站或光纤射频拉远、无线中继转发、泄漏电缆等方式进行深度覆盖。

  4.3.2 规划思路

  (1)无线网规划流程

  无线网规划主要分为规划准备、预规划和详细规划三个阶段,规划准备阶段的重点工作主要是调研和资料收集,本阶段可以在规划目标的基础上制作调研表格,调研传输网现状、业务现状及规划内的增量、国网自有物业基本情况、各地市供电区域边界等基本信息。资料收集工作直接影响着规划内容的深度和准确度,需要特别重视并务必做好。预规划和详细规划阶段的重点主要集中在覆盖规划、容量规划、站址规划及仿真验证等环节,具体流程如图4所示。

  
 

  图4 无线网规划流程图

  (2)覆盖规划

  LTE230MHz无线网络的覆盖规划的核心是链路预算,采用经验的Hata-Okumura模型或校正后的模型。首先根据覆盖区域内各子区域提供的业务类型和业务速率目标,估算各种业务在一定的服务质量要求下所能允许的最大路径损耗;然后通过传播模型计算该区域中每种业务的覆盖半径,并取计算结果的最小值作为LTE基站的覆盖半径;最后基于标准蜂窝结构估算实现该区域覆盖所需的LTE基站个数。

  (3)容量规划

  容量规划要分区域进行,首先估算各区域的业务总量及各种业务类型的业务量;然后根据不同区域的业务模型、用户模型、时隙配置方式及频点配置等估算单小区能提供的容量;接着可由业务总量和单小区容量计算出实际区域的达到容量目标所需的小区数;最后各区域所需的小区数相加即可得到整个业务区所需设置的小区数。

  但是电力无线专网的容量规划比较特殊,体现为以下两个方面:

  电力无线业务中,除移动作业等极少部分业务外,基本上都具有固定或半固定的特性,容量比较容易估算;

  电力无线业务中,配电自动化、用采、负控等都是低带宽业务,精控、视频监控等高带宽业务并不多。

  (4)站址规划

  站址规划的任务就是对业务区进行实地勘查,进行站点的具体布置,确定基站类型,找出适合做基站站址的位置,初步确定基站的高度、扇区方向角及下倾角等参数。电力无线专网基站站址优先选择自有变电站、供电所等电力自有物业,少数情况需要考虑新建或租用第三方资源,另外还需要根据甲方要求适当采用改造电力铁塔的方式建站。由于自有物业的可控性强,站址规划相对容易,但是现有变电站、供电所等物业楼宇高度较低,需要重点考虑站点高度、周围的无线环境等多方面的因素。

  (5)仿真验证

  站址规划完成后,为了了解网络整体的覆盖、容量、信号质量水平,还需要将规划出来的各基站参数输入仿真软件进行模拟预测,输出各区域的各类仿真图层、质量报表来评判网络建成后各项指标可能达到的水平,并通过预期的建设目标对比,判断建设方案能否满足建设目标的要求。

  如果仿真预测的结果未能达到建设目标,则需结合实际情况对建设方案进行优化调整,然后对优化后的建设方案再次进行模拟预测,并对比预测结果和建设目标,直到模拟预测结果达到或者优于建设目标。

  4.4 回传网规划原则及思路4.4.1 规划原则

  基站回传通道应优先选用公司自身传输资源,条件不具备时可租用通道,租用通道应满足安全性、可靠性和网络管理的要求。

  回传通道线路侧采用端到端1+1或1:1保护方式,所在网络需提供电信级的业务保障,在故障情况下业务端到端切换时间小于50ms。

  4.4.2 规划思路

  根据业务承载需求与无线网络规划,提出回传网技术选择、带宽设置、组网方案以及设备配置。

  (1)回传网技术选择:根据信通部2017年9月《关于电力无线专网网络架构优化方案》,回传网采用SDH技术体制,建议共享现有SDH传输系统。

  (2)带宽设置:根据业务需求及分布,计算各基站所需带宽,并考虑适当余量。基站开通之后,业务点的数量和位置变化会引起基站回传网络带宽需求变化,如变化较大导致部分基站回传发生拥塞则需根据实际情况对回传网络带宽分配进行调整。

  (3)组网方案:根据现有骨干通信网和接入网的现状,选择适合无线专网的星型组网方案、环型组网方案或混合组网方案。

  (4)设备配置:基于各基站和汇聚节点的接入带宽需求,核算现有传输设备配置是否满足需求,如不满足,则需考虑设备的新增或扩容。

  4.5 业务接入规划原则及思路4.5.1 规划原则

  电力无线通信专网需求预测包括业务需求分析和容量需求预测等内容。业务需求主要包括配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站/桩、输配变机器巡检、输变电状态监测、电能质量监测、配电所综合监测、智能营业厅、智能家居、电力应急通信、开闭所环境监测、视频监控、仓储管理、移动IMS语音、移动作业等业务;容量需求预测应参考配、用电等业务信息采集与控制的相关技术规定,根据业务类型、时延要求、终端数量、并发数量等数据,进行业务的分类、预测和统计。

  4.5.2 规划思路

  无线通信终端采用专用的安全接入模块实现终端到业务层边界的加密传输、终端业务层合法性认证和数据隔离交换等安全功能。根据业务类型接入相应安全接入区,基站根据通信终端频率将生产类型的数据通过安全接入网关、前置机和正、反向隔离装置送往生产大区,将管理类型的数据通过安全接入网关、IPS、防火墙送往管理大区。在生产大区或者管理大区内部,基站根据终端的全球唯一标识将终端数据送往不同的业务VPN。在进入该VPN的边界处通过安全接入设备进行安全接入。

  生产控制大区业务以配电自动化业务为例,配电自动化业务通过无线专网,构建配电自动化专网通信系统,设备监测采集到的电量参数数据和监测变压器运行状况数据传输到地市配电自动化主站。管理信息大区业务以用采业务为例,用采业务通过无线专网,将信息传输到省级用电信息采集主站。

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  结束语

  国家电网公司正在大力建设电力无线专网,规划设计是其中的重要环节。相信建成后的电力无线专网可以助力智能电网的创新发展。业界产业链上下游需要共同努力,共创全球能源互联网的美好明天。



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