0 引言

国家电网公司2019-10-14在北京发布了《泛在电力物联网白皮书2019》^[1]。白皮书定义泛在电力物联网为围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等特征的智慧服务系统，并指出要充分应用先进通信技术实现电力系统各个环节的万物互联^[2]。为支撑电力物联网上层的业务应用，需要在底层构建泛在互联的电力通信接入网络。

随着泛在电力物联网的建设和能源变革的持续深化，远程抄表、网络售电、主动报修等智能用电营销业务对通信网络提出更多更高的要求。“十三五”期间，电力通信网以光纤为主要形式向35 kV及以下的输变电设备进行延伸^[3]，但光纤通信无法适应配电自动化业务需求的站点多、单点业务量小的特点，且普遍存在建设难度大、综合费用高和业务拓展性差等弊端，不能完全满足泛在电力物联网的发展需求。此外，用电信息采集业务主要租用无线公网进行传输，但无线公网以热点区域覆盖为主，与电网业务终端部署位置不完全匹配，承载电网末端控制业务时还存在传输延时、安全防护等问题^[4]。

为解决电力通信接入网覆盖深度不够、带宽不足的问题，满足泛在电力物联网对设备的实时态势感知和掌控，传输泛在、宽带化的数据，支撑和控制电气化、互动化等业务，需开展电力无线专网的建设以完善整个电力通信网络的适应性。电力无线专网是由电力公司主导建设专用于电力业务，采用广域无线接入技术的数据通信网络系统，其应用场景包括精准负荷控制、配电自动化、用电信息采集、电动汽车充电站/桩、分布式电源、输变电状态监测、配电所综合监测、输配变机器巡检、电能质量监测、智能家居、智能营业厅、电力应急通信、视频监控、开闭所环境监测、移动作业、仓储管理等业务。电力无线专网能够为电力系统的各个环节提供泛在的网络接入^[5]，部署方便，可降低网络的建设难度和成本，提高建设速度。通过建设具有全业务接入的高带宽、广覆盖的宽带电力无线专网，可以有效支持数据采集、语音、视频等各类业务。同时建设广覆盖的无线网络也能提高无线信号的可靠性，当基站发生故障时，相邻小区能够提供覆盖以满足控制业务的接入需求。

1 电力无线专网技术比较 1.1 电力无线专网应用场景

电力无线专网基于专用频段进行定制化设计，是电网公司采用自建方式为电网的输变配用环节提供泛在、可靠、高效、安全接入的无线网络^[6]。电力无线专网可实现电力通信系统发电、输电、变电、配电、用电、调度和信息化等整个业务环节的全覆盖，如图 1所示。配电网自动化、计量自动化、视频传输、移动巡检、移动办公、电动汽车充电桩远程控制IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）和移动化应用等业务均可承载于电力无线专网。此外，在新变电站建设时，无线专网可为现场建设调度指挥和设备调试提供临时通信通道。

电力无线专网可用于承载配电自动化、视频监控、机器人巡检和需求响应等业务^[7-8]。配电自动化终端上传的数据包括总通话数据和遥测数据，单台终端的接入速率至少为19.2 kbit/s。视频业务主要满足视频监控的灵活接入要求，可用于站点修复、线路和重要的电源保障等，标清视频的传输速率大于2 Mbit/s，高清视频的传输速率大于4 Mbit/s。需求响应业务主要终端采集用户的可中断负荷信息收集，接收控制站的控制指令，快速切断部分可中断负荷。采集参数包括三相电压、电流、有功/无功功率等，远程测量的最大带宽为1.2 Mbit/s。智能机器人对电气设备和输电线路进行全面观察，智能诊断设备缺陷，其到主站的业务带宽约为4 Mbit/s。

此外，还有电动汽车充电、大客户能源管理、智能机器人巡检、移动办公等新兴业务可承载于电力无线专网上。随着泛在电力物联网的不断建设，基础及扩展业务的数量和带宽需求将不断增加，对网络安全的要求也更高。覆盖范围广、传输速率高的电力无线专网，将在一定范围内承载智能化和移动化的电力通信业务。

1.2 230 MHz与1.8 GHz电力无线专网技术特点比较

工业和信息化部无线电管理局在公网频谱外划定了1785~1805 MHz频段，用于建设电力、交通等重要行业的时分长期演进（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）专用网^[9]，即1.8 GHz TD-LTE技术体系。1.8 GHz TD-LTE技术体系具有宽带宽、快速度、全IP、扁平化、安全等特点，上、下行速率易于调整，尤其适合上行业务量大的电力用户。系统特征指标为^[10-11]：宏基站支持9600个在线终端，下行和上行峰值速率分别为100 Mbit/s和50 Mbit/s，天线间耦合干扰小，多天线容易增强传输和覆盖，宏基站在城区覆盖范围为10~20 km²，空旷郊区可达70~120 km²。

工业和信息化部无线电管理局批准230 MHz频段附近的40个离散频点约1 MHz的带宽作为电力企业传输遥测、遥控、数据等业务的窄带专用频段^[12]。230 MHz TD-LTE针对电力223~235 MHz频段1 MHz离散频点的特点，对TD-LTE协议栈进行了适应性优化，其系统特征指标为^[13-15]：宏基站支持6000个在线终端，下行峰值吞吐量0.71 Mbit/s，上行峰值吞吐量1.76 Mbit/s，宏基站在城区的覆盖范围为15~ 30 km²，空旷郊区可达90~150 km²。

为进一步比较1.8 GHz和230 MHz TD-LTE系统的技术特性，利用理论仿真和实验测试2种手段，选取郊区空旷环境和市区密集建筑环境进行实验，测试上行速率，结果如图 2所示。

图 2（a）为郊区空旷环境下，1.8 GHz和230 MHz TD-LTE系统的理论和实验上行速率随距离的变化情况。随着距离的增加，1.8 GHz TD-LTE的理论上行速率逐渐降低，而实验上行速率在距离小于2 km时有波动，距离大于2 km后逐渐下降，在2 km处为最大实验上行速率28 Mbit/s，距离9 km时为0；距离超过14 km后，230 MHz TD-LTE系统无信号。换言之，230 MHz TD-LTE系统的覆盖半径约为1.8 GHz TD-LTE系统的1.5倍，但在4~6 km的范围内后者的上行速率是前者的9倍。

图 2（b）给出了1.8 GHz和230 MHz TD-LTE系统在有建筑物和移动物体密集的建筑环境中理论和实验上行速率。总体而言，2者的实验上行速率随距离的增加而降低。距离对1.8 GHz TD-LTE的上行速率影响较大，但在终端与通信基站的距离相同时，230 MHz TD-LTE系统的上行速率远低于1.8 GHz TD-LTE系统。

由上可见，1.8 GHz TD-LTE信号在空间衰减较快，但在发射功率和上行速率方面具有较强的优势，其在城区的覆盖能力与230 MHz TD-LTE信号基本一致；230 MHz信号在空间衰减较慢，在无遮挡的情况下具有较明显的覆盖优势。在业务接入能力方面，前者支持宽带和窄带电力通信业务接入，后者主要面向窄带业务，接入宽带业务的能力较差。1.8 GHz和230 MHz TD-LTE电力无线专网都是泛在电力物联网无线接入的主要手段，前者为宽带系统，因此，采用1.8 GHz TD-LTE构建电力无线专网能更好地满足泛在电力物联网业务的通信需求。

2 电力无线专网性能评估

选取典型城镇区进行电力无线专网建设，各区域地貌特征如下。小镇区地势平坦，建筑低矮；居民区为低层建筑，主要包括住宅、厂房、空地和农田；工业区地势平坦，主要包括工厂、住宅楼和空地。建设区内共设A到H 8个1.8 GHz TD-LTE基站，天线挂高35 m，频谱为1790~1800 MHz，频带带宽为10 MHz，基站发射功率为23 dBm，基站接收机灵敏度为-120 dBm。各基站的位置分布如图 3所示。

为满足高带宽业务的接入需求，提高电力无线专网的安全性和可靠性，工程采用广覆盖方式，即尽量使多个基站同时覆盖通信终端，当某一基站发生故障后，原区域可由相邻基站提供信号覆盖以满足业务的服务质量（Quality of Service, QoS）要求。

工程目标是为电力通信业务提供高带宽、高可靠的电力专用无线接入平台，要求室外手持终端可以1 Mbit/s速率与基站通信的区域面积应占整体面积的90%以上。同时，无线专网应能在一定范围内提供高清视频接入（4 Mbit/s），满足宽带业务的需求。此外，为满足无线网生存需求，在任何一个基站发生故障后，终端在故障站点覆盖范围内的128 kbit/s速率覆盖面积应大于90%。

各区域无线专网信号覆盖率随接入速率要求的变化如图 4所示。由图可见，通信终端可在92.1%的区域内获得至少1 Mbit/s的接入速率。随着接入速率要求的提高，各地区达到给定速率要求的覆盖率呈下降趋势。小镇区面积较小且设立了3个基站，可保证2 Mbit/s的全覆盖。对于居民区，当接入速率要求不超过1 Mbit/s时，覆盖率在90%以上。

任一单个基站发生故障后，该站点覆盖范围内无线专网信号的覆盖率随速率要求的变化如图 5所示。由图 5（a）—（h）可见，任何单个基站故障后，全区域终端仍有90%的覆盖率获得至少128 kbit/s的上行速率，从而极大地保证了电力无线专网的安全性。

3 结束语

经测试验证，1.8 GHz TD-LTE电力无线专网能够承载电网末端的控制、信息采集、移动应用等业务，满足各类业务在带宽、容量和可靠性等方面的通信需求，能够有效支撑泛在电力物联网的落地实施。鉴于频谱资源、建网成本等因素，在实际组网时以接入电网末端控制业务为主，兼顾覆盖区域内其他类型业务。未来，国家电网公司还将继续推进电力无线专网和终端通信建设，提升通信带宽，实现对通信终端的全覆盖，为泛在电力物联网环境下新兴业务的通信需求提供有力支撑。