0 引言

内蒙古电力通信网络呈骨干网强、接入网弱的局面，在各盟市供电局推进配电网自动化建设的背景下，仅有极少数地区实现了基于无源光网络光纤通信技术的配电通信网。在配电网中，有通信需求的终端节点数量巨大、网络拓扑结构复杂且变化频繁，因此对通信系统的组网灵活性提出很高要求。目前，配电网采用的通信技术主要有光纤通信（如无源光网络PON、工业以太网）、无线通信（如公网即运营商网络、电力专网）和电力线载波通信。

光纤通信带宽大、传输速率高、安全性好，但需沿着配电网线路及其他电力设施铺设光缆，建设成本较高。电力线载波通信不需铺设通信线缆，建设成本低，且安全性好；但带宽小、传输速率低，信道噪声及信号衰减变化大，可靠性低。无线通信的组网灵活性更好，但公网稳定性差，安全可靠性低，不能满足电力系统控制类业务对通信系统的可靠性要求。配电网业务对通信系统的泛在性、组网灵活性和安全可靠性的较高要求促进了电力无线专网的建设。电力无线专网部署简单快捷、组网灵活、扩展性好，能够实现各类配电网业务终端的灵活接入，在安全可靠性方面能够满足传输控制类业务要求。电力无线专网在国家电网公司、南方电网公司的部分省市已试点运行近10 a，但在内蒙古电力（集团）有限责任公司所辖的内蒙古电网尚未进行电力无线专网的试点建设。在此背景下，本文根据电力无线专网的发展概况、覆盖范围、承载业务种类、安全防护等关键性问题，结合内蒙古电网通信网络现状、通信需求及特点，提出内蒙古电网电力无线专网的建设原则、技术方案和工程难点。

1 电力无线专网发展概述

电力无线专网是指由电力公司主导建设、专用于电力业务，采用无线接入技术的数据通信网络。国家无线电管理委员会于1991年分配给电力行业230 MHz频段的40个带宽为25 kHz的离散频点（15对双工频点和10个单工频点），主要用于电力大型专用变压器用户用电信息采集和负荷控制^[1-2]。

1.1 数传电台

传统230 MHz无线通信系统的主要组成部分为数传电台。数传电台早期采用模拟电台加无线调制解调器，通信速率在1200 bit/s以下；采用数字信号处理、数字调制解调等技术的数字电台传输速率可达19.2 kbit/s以上。数传电台只能支持点对点通信，因此采用轮询方式完成多个终端电台对1个基站电台的通信。当1个主站下的监控终端数量过多时，轮询一遍所花费的时间过长，不能满足用电业务的发展需求。

1.2 4G TD-LTE无线通信

随着智能电网的建设与发展，配电网自动化、负荷管理与控制、分布式电源系统等智能配电网业务对配电通信网提出了新要求。第4代（4G）移动通信时分长期演进（TD-LTE）技术作为无线通信网络演进的主流技术，其系统物理层基于正交频分多址技术，同时引入多输入多输出、波束赋形、载波聚合等关键技术，可显著提高频谱效率和数据传输速率，并支持多种带宽分配，系统容量和覆盖性能显著提升^[3-4]。

国家电网公司于2009年开始建设基于TD-LTE技术的电力无线专网试点工程，在浙江海盐县供电公司建设了全国第一个大规模LTE-230 MHz电力无线专网系统，承载配电网自动化、用电信息采集和负荷管理等业务；之后试点建设了基于LTE-1.8 GHz和LTE-230 MHz的电力无线专网^[5-8]。南方电网公司于2011年启动电力无线专网试点建设，目前已在广州、珠海等10个城市展开基于LTE-1.8 GHz和LTE-230 MHz的电力无线专网试点应用。LTE-230 MHz系统在规模化试点验证过程中有效解决了离散频谱宽带化传输、频谱效率低下、宽窄带系统共存、地区性频谱资源差异等难题，已具备规模化商用能力。

1.3 5G无线通信

华为技术有限公司凭借在4.5G和5G方面的技术优势，研发了基于4.5G、面向5G的IoT-G 230 MHz电力无线专网解决方案。5G具有超大带宽、超高速率、超低时延性、超多链接等特点，而5G网络切片技术，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，以灵活应对不同的网络应用场景，为电力系统中对时延和安全可靠性要求高的电力业务提供新的通信解决方案。随着5G无线通信技术进入商用化临近，5G公网切片技术为运营商进入行业用户市场提供了技术手段，应用公网的成本优势及业务开通便捷性，在一定程度会挤占电力无线专网的发展空间。

国家电网公司已经开展5G技术在电网中应用的研究，未来几年电力无线专网也会根据业务需求向5G方向演进升级。南方电网公司成立南方电网5G无线通信技术专题研究工作组，与中国移动公司、华为技术有限公司在产、研、用各环节开展合作，共同推进基于5G无线通信技术的面向智能电网的电力无线专网建设。

2 基于4G TD-LTE技术的电力无线专网技术 2.1 频率选择

目前国内TD-LTE电力无线专网主要采用230 MHz和1.8 GHz 2个频段进行组网，其中LTE-1.8 GHz运行在1785~1805 MHz频段内。LTE-230 MHz是中国普天信息产业股份有限公司针对中国特有的频谱划分方式研制的私有技术协议，运行在国家无线电管理委员会分配给电力行业专用的40个25 kHz离散频点^[9]。

230 MHz比1.8 GHz频率低，绕射能力强，覆盖范围大；230 MHz频段的40个电力行业专用离散频点使用无需申请，而1.8 GHz频段可由运营商与航空、轨道交通等多个行业共同使用，使用时需向当地无线电委员会申请；1.8 GHz频段比230 MHz频段能提供更高的信道带宽，因此传输速率更快；LTE-1.8 GHz产业链十分成熟，从无线终端至核心网设备有完善的产业布局，参与厂家众多，而LTE-230 MHz系统的核心网设备目前只有普天和华为2家公司可以提供。

在电力无线专网系统的建设费用中无线基站费用占很大部分；由于基于230 MHz频段的无线通信系统覆盖范围广，所以基于LTE-230 MHz的电力无线专网单位面积的建设投资要低于LTE-1.8 GHz系统。

鉴于1.8 GHz频段使用行业较多，带宽资源紧张，为了满足电力、燃气、人防、水务等行业以及能源互联网对无线通信频率资源的需求，提高频率使用效率和效益，工业和信息化部于2018年下发工信部无[2018]165号文《关于调整223~235 MHz频段无线数据传输系统频率使用规划的通知》，鼓励相关行业部门采用共网模式在223~226 MHz和229~233 MHz频段建设基于时分双工方式载波聚合、动态频谱共享技术的无线宽带系统，同时明确不再审批基于1785~1805 MHz频段的电力专网频率申请^[10]。

2.2 系统组成

基于TD-LTE的电力无线专网系统主要包括无线终端、无线基站和核心网设备，典型的电力无线专网通信系统如图 1所示^[11]。无线终端设备实现配电自动化和用电信息采集等业务终端数据的汇聚和上传，控制信息的接收和发送。无线终端应根据具体应用场景的要求选择。无线基站主要包括天线、射频拉远模块（RRU）和基带处理模块（BBU）。基站提供无线覆盖、终端设备的接入控制等；BBU与其所在通信站点的传输设备（如SDH光端机）互联，通过电力光纤通信网络将数据传输至调度端的电力无线专网核心网设备。核心网设备实现业务数据的传输，接入网络的控制管理，将不同的业务数据上传至相应业务系统主站平台。

2.3 安全防护

在网络安全方面，TD-LTE可以有效抵抗非法访问和网络攻击导致的数据外泄和非法电力信号传输。特别在无线用户认证方面，TD-LTE采用128位密钥长度算法和双向认证机制，可有效提高网络用户的接入安全性^[12]。

对处于不同安全分区的业务进行隔离的基本要求为：生产控制大区（Ⅰ、Ⅱ区）与管理信息大区（Ⅲ、Ⅳ区）业务间采用物理隔离，大区内不同业务之间采用逻辑隔离^[13]。实现业务隔离的具体方法为：不同业务终端数据通过合理的频谱分配共享无线网络，无线终端根据业务类别设置相应的无线通信部分设置接入点（APN），基站根据APN对该业务终端进行鉴权认证，并将数据包从BBU的不同上联端口接入骨干传输设备。

2.4 承载业务

电力无线专网可以承载的基本业务包括配电自动化“二遥”及“三遥”、用电信息采集、分布式能源控制、充电桩控制、精准负荷控制等。随着授权带宽的增大和先进宽带无线技术的应用，可以承载对传输速率要求较高的扩展业务，如视频监控、输变电设备巡检、电力应急通信等。电力无线专网所承载的业务根据其属性可分为控制类、信息监测类、视频类^[14]。控制类业务对通信系统的安全可靠性要求特别高，对通信系统的时延、路由要求较严格；通信失效可能影响电网的控制执行，导致电网运行故障。信息监测类业务对安全可靠性要求不高，对时延、路由要求相对宽松，通信失效对电网运行的管理方面有一定影响，但不会导致电网故障或瘫痪。视频类业务与信息监测类业务类似，但对通信系统的带宽需求较高^[15]。

3 内蒙古电网建设电力无线专网的设想 3.1 建设原则

根据内蒙古配电网建设改造“十三五”规划，内蒙古地区各供电区依据其行政级别、供电实际情况等将内蒙古地区供电区域划分为A、B、C、D、E 5类。内蒙古电力（集团）有限责任公司及各盟市供电局针对不同供电区域类型提出了相应的配电网自动化建设原则，如表 1所示。其中，A类和B类供电区域的配电网自动化系统主要采用主站集中控制型及与之相应的三遥终端，对通信系统可靠性要求高，故必须采用电力专网通信。根据工程特点并进行技术经济比较后，确定采用光纤通信或无线通信技术。对于10 kV线路新建或改造工程，应配套建设光缆，实现光缆全覆盖；对于配电自动化改造工程，如光缆架设难度不大且费用合理，应优先采用光纤通信技术；如架设光缆的技术经济指标不合理，则应考虑建设电力无线专网。呼和浩特、包头、鄂尔多斯等主要城市的主城区配电网自动化改造是最符合电力无线专网建设条件的。

在电力无线专网建设工程的前期工作中，确定该无线通信系统的工作频率和带宽最为重要，工程建设方应取得当地无线电管理委员会对无线电频率的使用许可。根据工信部无[2018]165号文，内蒙古电网新建的电力无线专网应工作于230 MHz频段，可用带宽应根据当地230 MHz频段的频率资源使用情况由无线电管理委员会确定。内蒙古电网电力无线专网建设应主要采用LTE-230 MHz和IoT-G 230 MHz 2种技术体制。LTE-G 230 MHz基于4G技术，IoT-G 230 MHz基于4.5G技术，对2种技术体制均已制定了相应标准。

3.2 建设方案 3.2.1 网络规划及优化

网络规划是电力无线专网建设的重要环节，是对网络的覆盖范围、容量进行全面的技术和经济性分析；根据现场勘查测试结果和对应用场景的分类，合理规划无线基站的数量、安装位置及设备形式。为减少工程投资和方便运行维护，无线基站应尽量安装于电力公司调度大楼、营业厅、变电站等电力自有物业楼顶。在规划的理想站址与实际建设站址存在差异时，需要进行网络优化。

网络优化应解决网络存在的局部缺陷，达到无线网络全面无缝隙覆盖，保证网络容量满足业务增长需求。网络建设初期，由于网络结构空洞、建筑物阻挡、深度覆盖不足等原因，无线网络会存在弱信号和无信号区域，对电力无线专网网络性能影响较大。网络优化应重点解决室外信号覆盖和部分室内信号延伸覆盖问题，对于无线基站的覆盖盲点，如地下室、强电井、地表盲区等无线专网无信号或弱信号的区域，可采用无线空口信号延伸、业务接口信号延伸等技术实现延伸覆盖。

3.2.2 多业务承载

电力无线专网建设成本较高，应充分利用其组网灵活性，在网络容量允许的范围内承载更多类型的电力系统业务，以提高电力无线专网投资的经济性。除配电网的常规业务如配电自动化、用电信息采集、分布式能源等，电力无线专网承载的业务还可延伸至发电、变电、输电、应急通信等环节，如视频监控、输变电设备监测、移动巡检、应急抢修等。不同业务终端在物理接口、接口协议、安装位置、取电方式、电磁环境等方面对无线通信终端提出了不同要求，无线终端应尽可能采用标准化设计，以减少建设投资和后期运行维护费用。利用电力无线专网实现多业务统一承载时，应保证生产控制大区与管理信息大区的业务物理隔离及大区内不同业务之间的逻辑隔离。

3.2.3 运行维护

电力无线专网的网管系统必须支持多厂家、多类型设备的统一管理，能实现对无线终端、无线基站和核心网设备的拓扑、告警、性能、配置等方面的管理^[16]。同时，随着适应智能电网的配电通信网的建设和普及，配电通信管理应向集约化、智能化发展，即智能配电通信综合网管应能实现对包括电力无线专网在内的多种配电网通信技术相关设备的管理。

随着接入电力无线专网的业务终端数量的增大，电力无线专网的运行维护工作量将显著增加。在电力无线专网建设过程中，应事先做好运行维护工作的规划和部署。在建设方通信运行维护力量有限的情况下，可以考虑将电力无线专网的运行维护工作外委给具有相关资质和运行维护经验的单位实施。

4 结束语

综上所述，在内蒙古电网的A、B类供电区域，电力无线专网可作为光纤通信系统的补充，实现对配用电业务终端的全面覆盖。新建电力无线专网应在230 MHz频段运行，可主要采用LTE-230 MHz和IoT-G 230 MHz两种已制定标准的技术体制。本文针对网络规划和优化、扩展业务承载以及运维管理方式等电力无线专网建设工程中的重要环节和建设难点方面进行分析，可为内蒙古电网的电力无线专网建设提供参考。