周 浩，吴国庆，陆 竑，俞 涯，黄震宇

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

随着国网公司“两个一流”建设的不断深化以及“一体两翼”战略布局的逐步展开，电网智能化向配用电网侧快速推进，信息通信技术开始成为建设坚强电网、提升企业优势竞争力的核心要素。公司配用电设备数量多、分布广，且信息化、自动化水平大幅提升，对终端通信接入网的安全性、可靠性、灵活性提出了更高的要求，建设“安全、泛在、友好”的通信网络势在必行。公司已建成覆盖各电压等级变电站、生产管理场所的坚强光纤通信骨干网络，由于无线专网的缺位，历年来公司业务部门大量租用电信运营商提供的无线网络以满足生产经营需求。无线公网存在信息安全整体防御能力不足、通信质量不可控、公网2G/3G面临退网等问题，且不允许传输配电自动化等“三遥”业务。2013年国家无线电管理委员会印发相关文件《工业和信息化部关于同意国家电网公司使用电力负荷监控系统频率的批复》，再次确认电力企业可以将230 MHz频段用于相关生产活动中[1]，此后电力无线专网成为了电力通信各类业务新的通信传输方式。

TD-LTE（分时长期演进）是目前最主要的4G无线通信技术，利用TD-LTE技术搭建的电力无线专网[2]可以和光纤通信等相结合，弥补相关方面的局限性，更好地为智能电网的业务需求提供支持。

1 低频段无线频谱概况

低频无线电频率主要被广播、公众移动通信、航空移动/无线电导航、集群通信、卫星通信、空间操作业务以及对讲等业务占用。可用于电力无线宽带LTE（长期演进）系统的频段为1 800 MHz频段和230 MHz频段。

1 800 MHz频段：2015年2月工信部发布1 785~1 805 MHz频段TDD（时分双工）方式无线接入系统使用频率有关事宜，该频段可用于交通（民航地勤、城市轨道交通等）、电力、石油等行业专用通信网和公众通信网的应用，多行业竞争共用该频段。

230 MHz频段：国家无线电管理委员会在1991年印发的《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》（国无管[1991]5号），文件中规定将230 MHz频段共12M作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段。其中1 MHz指配用于电力行业，无线电管理委员会于2013年再次确认电力公司使用230 MHz频段，并可以根据需要提出扩展申请。

1 800 MHz频段相对于230 MHz频段具备传输容量大的优势，但也存在覆盖距离短、大规模组网需要基站数量多等劣势，站址选择涉及征地和租赁铁塔，投入高，维护强度和难度大；230 MHz属于低频段，具有天然覆盖远的优势，既能减少基站设备投入数量，又能减少租赁和建设铁塔费用，而电力自有建筑物业可以较好地满足站址选择要求。

针对电网光纤网络已经大部分建成，而配电网及用电信息采集等大量非高宽带业务迅速扩展的需求，选用具备覆盖广、成本低优势的LTE 230组建电力无线专网，可以全面提升电力系统各类业务传输的可靠性和安全性。

2 TD-LTE 230无线技术特点

中国拥有大量自主知识产权的TD-LTE技术专利，并且这是一种由中国主导、得到国际广泛认可的国际标准。

TD-LTE[3]采用的是TDD模式，利用时间来分离接收和发送信道。在TDD模式的通信过程中，接收和发送使用的是同一频率的载波的不同时隙来作为传输信道，在时间上上行或下行单方向的传输信息是不连续的，通过时间分离给上下行两个方向进行资源分配，上下行的时隙子帧的配比可根据用户的上下行业务需求进行调整，适用于智能电网“上行数据大而下行数据小”的特殊情况，同时这样有利于节省带宽资源。因此频谱利用率较高，即便在带宽有限的状况下也能满足用电用户的通信需求。

TD-LTE使用了多种常用的无线通信技术，例如MIMO（多进多出）技术、OFDM（正交频分复用技术）、智能天线技术等，有效扩大了系统的覆盖范围，增加了系统容量，调高了频谱利用率。

综上所述，基于TD-LTE技术体制，以及电力行业在频率使用上的政策优势，开发适合智能电网电力业务的无线宽带通信专网具有可行性，能在一定程度上推动智能电网的发展。

3 TD-LTE 230基站布点选址

根据TD-LTE无线基站选址的基本要求，结合电力系统自身独有的优势和特点，考虑建筑物的高度及电源的可靠供给，嘉兴供电公司优先利用地县域范围内大量的供电所、县公司大楼、通信微波铁塔等资源作为无线基站，对于域内资源缺失的采用向铁塔公司租赁等方式补充基站。基站安装在变电站内的，但须考虑与高压线保持一定的安全距离，详见表1。

表1 高压线与设备距离

站址选择要考虑地区覆盖目标和自有物业的分布情况，能满足有线回传网络和供电能力。

4 TD-LTE 230无线专网工程测试

首先确定整个无线专网终端接入规模，其次计算出扇区数量，再规划基站建设数量。在基站全部建成后，通过对外场提供的路测数据进行分析，找出信号与干扰加噪声比过低的弱覆盖区域，并增加调整和补盲方案，完成网络优化。

通过对建成后的专网进行网络测试，发现嘉兴海盐的各项关键指标达到预期目标值，数据如表2所示。

5 TD-LTE 230无线专网在嘉兴的业务应用

230 MHz电力无线宽带通信系统是为智能配用电网业务通信需求而定制开发的无线通信系统。该系统从智能配用电网的业务特点出发，基于电力已有的230 MHz离散频点，采用先进的TDLTE 4G技术以及专有的窄带离散载波聚合技术。系统具备广覆盖、大容量、安全性强、频谱适应性强等特性。其中TD-LTE 230系统单扇区性能如表3所示。

表2 关键指标完成情况

表3 TD-LTE 230系统单扇区性能

国网公司在嘉兴海盐建设了电力无线专网试点，采用TD-LTE 230系统针对用电信息采集、配电变压器（简称配变）监测、故障指示器、视频传输、移动应用、分布式电源、充换电（站）桩、路灯管理、语音集群等业务进行有益尝试。海盐目前已经建成11个基站（共13个扇区），覆盖海盐全域面积约500 km2。

TD-LTE 230系统可提供安装在用电信息采集业务中的集中器、采集器、专用变压器终端、配变监测终端中的无线终端模块，也可提供支持语音集群、视频监控业务的无线终端设备，可以支持多种营销业务，电力业务适应能力强。针对多种电力业务开发的实用化通信终端模块已经在海盐投入使用，承载各种电力业务。

5.1 用电信息采集

目前通过TD-LTE 230无线通信终端承载的用电信息采集终端数量达到4 000多个，分布于海盐县区域内，数据通过省公司安全接入平台融入浙江省电力公司统一的采集主站系统及营销结算系统。采集通信系统自建成后运行稳定，一次采集成功率在99.95%以上，满足电力系统业务稳定性和可靠性要求。通信终端模块符合国网用电信息采集系统对通信终端的要求，可以直接嵌入集中器内部使用，安装方便。

5.2 配变监测

在电力配变监测应用方面，TD-LTE 230系统可以实现对信息的采集和传输，公用配电变压器进行相对实时监测和数据采集，实现模块统一，海盐已经安装1 000多个LTE终端通信模块承载配变监测业务。

5.3 故障指示器

通过简单的通信终端适配，TD-LTE 230系统可实现电力线路故障指示器监测数据的采集和传输，目前已经对接成功TD-LTE终端和故障指示器终端，并且配备了15个TD-LTE通信终端，接入省公司平台进行数据传输。

5.4 负荷控制业务

在电力负荷控制应用方面，TD-LTE 230系统可以实现对负控终端的信息传输、双向互动，支持对负控终端的遥测、遥信、遥控等功能，满足实际应用需求。

5.5 应急通信业务

TD-LTE 230系统支持集群应用，手持终端支持移动漫游、集群调度等各种应急应用。

车载式LTE 230热点提供局部覆盖，方便现场人员的手机、电脑等快速接入。

背负式LTE 230单兵设备，通过随身携带的单兵设备实现无线网络覆盖范围内的语音集群应用，恢复指挥中心到灾害现场的通信，支持现场调度指挥。

一体化应急LTE设备，通过高度集成核心网和基站，当有突发情况时通过车载或者快速投放，在当地形成无线覆盖，开阔区域覆盖半径可以达到2 km。

5.6 “四表合一”业务

“四表合一”工程是利用电力系统现有采集平台实现水、电、暖、气等公共事业数据一体化远程抄收模式，依托现有用电信息采集系统主站和营销业务应用系统实现数据归集、存储。

6 TD-LTE 230系统设计

嘉兴供电公司在海盐县架设的TD-LTE 230无线专网，通过实验网络验证确认TD-LTE 230系统稳定可靠，具备低成本、广覆盖的特点，可以支撑电力主要业务。

6.1 组网架构

整个组网架构如图1所示，由主站层、骨干通信网、10 kV通信接入网、终端层4部分组成。

图1 LTE 230组网架构

其中，核心网设备负责终端鉴权认证、数据加密、IP地址管理、移动性管理等，通过骨干通信网与业务主站通信。基站设备作为无线网络的核心网元，提供有线/无线协议转换、无线资源管理分配、终端接入与控制等主要功能。通信终端与电力业务终端相连接，配合基站系统传输电力终端的上下行数据。通信模块的物理和协议规范均符合国网规约，可以直接内嵌于相应电力终端，减少实施的复杂度。

6.2 网络管理方案

利用设备网管标准化的北向接口，可以将配电网通信系统管理配置、告警和性能数据集中接入并归一化处理，综合网管系统通过数据分析计算和服务应答，以浏览器的方式为使用人员提供相关人机交互界面和业务应用。

6.3 区域覆盖规划

无线基站的覆盖能力不仅和天线高度相关，还受当地地形、发射功率、扇区、吞吐能力等因素的综合影响[4]，准确覆盖能力需要在数字地图上仿真确定。根据计算，可知30 m和85 m基站天线挂高条件下单基站扇区针对不同环境的覆盖面积，详见表4。

结合多个调研项目以及浙江海盐网络的工程经验值可知，每个扇区平均覆盖面积约50 km2。若要覆盖全嘉兴地区，需综合区域天线挂高度、地理特征、发射功率、扇区、吞吐能力等因素，以及单基站覆盖面积、基站扇区覆盖重叠、遮挡物等，取40%附加冗余量。估测嘉兴所需扇区数为（3 915/50）×1.4=110。施工中根据实际地理环境可以采用单扇区、双扇区或者三扇区类型的基站，按照每基站3个扇区，嘉兴市全覆盖大概需要约40个基站。

表4 单扇区覆盖面积

6.4 安全隔离方案

TD-LTE 230电力无线专网的建设在电力监控系统安全防护“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”原则基础上，遵照国家能源局安全[2015]36号文对电力监控系统安全防护方案提出的“完善体系、注重基础、加强内控、强化边界”总体原则，安全防护策略以业务防护为优先，以无线通道防护为保证，以业务频率池空中接口等效物理隔离为突破，采用“端到端”的安全防护措施，有效保障终端安全接入、数据可靠传输及主站边界安全。TD-LTE 230多业务接入其安全防护方案应综合以下几方面：

6.4.1 无线通道安全传输

首先在空间段针对230 MHz频段离散频谱资源特点，对业务通信终端预设不同频率，通过25 kHz频点分组实现生产控制大区通信与管理信息大区隔离，实现等效可以视为空中接口等效物理隔离。业务频率池隔离如图2所示。

其次采用不同的核心网设备承载不同的电力业务，从物理上隔断交叉通信的可能性；再针对无线通信终端进行业务分组，签约在各自对应的核心网签约数据库中，用电信息采集的核心网和配电自动化的核心网只能针对各自的业务终端发送消息，避免从低保护等级向高保护等级发送指令的可能性。

图2 业务频率池隔离示意

另外系统具备针对不同通信终端赋予不同配置带宽和调度优先级的能力，可以针对重要业务终端提供更快速、更稳定的信息传递。

空中接口等效物理隔离框架结构见图3。

图3 空中接口等效物理隔离框架结构示意

6.4.2 终端安全接入

（1）无线专网启用基于四元组的鉴权，USIM（全球用户识别模块）卡、无线通信终端绑定；采取终端状态与行为监测措施；在配电自动化终端上集成安全芯片（有安全改造需求的存量终端配置外置式安全模块），用电信息采集终端采用ESAM（嵌入式安全控制模块），分别配合业务主站的配电安全接入网关、密码机实现双向认证和数据加密，实现与主站的“端到端”双向认证加密，同时增加VPN（虚拟专用网）通道隔离、网络准入控制、终端边界接入等安全防护措施。

（2）不同业务核心网对相应通信终端分别认证，不同业务无线通信终端进行业务分组，签约在各自对应的核心网签约数据库中，用电信息采集的核心网和配电自动化的核心网只能管理并针对各自的业务终端发送消息，避免从低保护等级向高保护等级发送指令的可能性。

6.4.3 主站边界安全

承载在TD-LTE 230无线网络之上的管理信息大区业务通过专线加VPN通道连接省公司统一建设的安全接入平台，安全接入平台实现终端认证授权、服务代理、数据过滤与交换、设备管理与监控、网络审计、攻击阻断等功能。生产控制大区业务在本地通过安全接入区接口连接业务主站。生产控制大区主站边界部署硬件防火墙、安全接入网关和单向安全隔离装置，管理信息大区主站边界部署硬件防火墙和安全接入平台，对接入终端进行认证加密及数据安全过滤；部署安全审计与监测系统，提升风险管控及态势感知、信息安全事件响应及应急处置能力。

7 结语

电力终端通信接入网必须走有线（光纤）通信与无线通信相结合的技术路线，光纤通信解决骨干网络大容量通信问题，无线通信解决广域、海量终端通信接入问题。电力无线专网试点的建设项目，利用TD-LTE无线通信技术，开发了TDLTE 230系统，提供用电信息采集、配变监测、负荷控制等业务传输通道，满足智能电网生产业务需求，将来可将专网应用到微电网等业务中去。

基于试点的无线专网安全及业务深化应用研究成果，在嘉兴区域规模化无线网络建设中得到验证。证实了TD-LTE 230系统的规模化组网能力和数据管理能力，也为更大范围建设应用电力无线专网提供经验,奠定智能电网快速发展的通信基础。

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