一种非视距传播的变电站调试通道方案

一种非视距传播的变电站调试通道方案谢明海，王亚伦，徐习东（绍兴大明电力设计院312000）（杭州儒普310058）（浙江大学）摘 要在电力系统中最常发生的是局部性事故。当发生局部的停电事故时，如何尽快恢复供电是事故应急措施的重要内容。建设变电站机动应急通信系统是应对局部事故的有效手段。这就需要建设一套能够快速重建通道的应急通信系统，在现有通信网络发生故障或遭受破坏时，临时承担起传递监控和管理电网的信息，为恢复供电提供保障机制，降低因电力通信系统故障或供电系统故障所造成的损失和影响。本文从国网绍兴供电公司的实际出发，对变电站机动应急通信系统进行了研究。本文首先分析了国网绍兴供电公司的电力通信网现状和特点，提出一种利用现有的光缆网络，通过无线、有线结合的方法建设机动、可靠、经济的应急通信系统的思路；根据变电站机动应急通信的要求，设计出一个由应急通信中心、机动应急通道、综合接入设备及现有的SDH/MSTP传输网组成的变电站机动应急通信系统的方案；对现代常用的几种宽带无线技术在电力系统中应用的优、缺点进行对比分析，选取TD-LTE基站中继通信作为应急通信通道；通过对微波非视距绕射损耗计算和对非视距传播特点、抗多径衰落措施的分析，以及对TD-LTE基站中继损耗估算和链路预算，证明了基于TD-LTE基站中继的机动应急通道的技术可行性；介绍了LTE的演变过程、关键技术、系统组成，分析了TD-LTE系统的性能和安全性；通过借助于绍兴供电公司已建的LTE230系统的基站及用户终端进行模拟测试，验证TD-LTE系统的关健性能，分析测试数据表明TD-LTE系统满足应急通信通道的要求；文中对综合接入设备的功能要求、设备组成、通信接口、数据帧结构等作了详细的规定；对应急通信车辆的要求和布置作了描述。本文设计的变电站机动应急通信系统基本能满足的需要。随着输变电工程通用设计的深入，此系统还能进一步简化和提高性能，在灵活性、可靠性。经济性方面有很大的优势。关键词：调试通道 变电站 LTE作者简介谢明海1967年6月出生于浙江绍兴。1985年9月考入华北电力学院（现华北电力大学）电子工程系通信工程专业，1989年7月本科毕业。1989年7月到浙江省电力公司绍兴供电公司工作。工作过的部门有调度所（现调控中心、信道公司）、设计所，现在绍兴供电公司经研所工作，任设计中心总师办主任，高级工程师。1 前言现代的变电站自动化程度很高，国网公司220kV以下的变电站基本上实行无人值班。变电站的遥信、遥测、遥控需要在变电站投运前完成点位、对象核对，功能测试等。在输、变电工程建设中，由于线路路径政策处理难度大、地形复杂，输电工程建设滞后于变电工程。并且线路的改接会影响电力系统的接线，往往要到变电站投运前才进行线路割接，造成通信光缆不能提前进入变电站。为了保证自动化远动信息的调试时间，需要建设临时调试通道。由于公用通信网没有与电力系统以外的数据进行有效的隔离，在安全方面存在隐患，一般采用自建通道的方式解决。临时调试通道通常的构成是在新建变电站与附近已建成的变电站之间建设无线或有线的临时通道，再借助于原有的通信网络实现新建站与主站端的通信。由于新建变电站与附近已建成的变电站之间的临时通道是整条调试通道中的关键部分，本文主要计论的是这段临时通道的建设方案，文中的“调试通道”特指这段临时通道。调试通道可以用有线或无线的通信方式来实现，有线方式主要采用架设临界时光缆，一般是与相临的变电站之间架设一根普通光缆作为调试光缆。调试光缆架设费时费力费财，变电站投运后就没有利用价值，拆除造成资产浪费，如果不拆除就需要维护，加重通信运维人员的负担。无线中继通信方式有数字微波、特高频/甚高频（VHF/UHF）、卫星通信等。卫星通信具有中继距离远、覆盖范围广、通信容量大、可靠性高的优点，在电力系统中多用于应急通信业务。数字微波、特高频/甚高频（VHF/UHF）方式要求在无线信号传播的通道上无阻挡物，这就需要提高收、发天线的高度，把天线架设在高楼上或新建铁塔用来安装天线，安装维度大、建设周期长、费用高、通用性差，不能重复利用。可以用对于光缆不能提前架通的变电站，目前没有解决调试通道的好办法。如果能找到并利用一种非视距传播的无线通信装置，在新建变电站与附近已建成的变电站之间建立临时通道，就能较好地解决新建变电站的调试通道。非视距传播方式不需要修建天线铁塔，不需要天、馈线的安装，也无需对天线方向进行调整，大大提高建设速度，节省投资，是一种比较理想的调试通道方案。通过对浙江电网某地级供电公司变电站情况的统计分析，35kV及以上电压等级的变电站共有216座，地理分布不均但相对集中，主要分在三块区域。一个变电站距它相近的另一个变电站都不太远，极大部分在5km以内，110kV及以上的变电站中只有大市聚110kV变电站、儒岙110kV变电站、长乐110kV变电站三个站离相近变电站的距离超过5km。5km作为非视距传播设备的传输距离能够满足绝大多数变电站的需求。2 无线信号的非视距传播2.1 视距条件下的传播损耗无线电波有多种传播方式，根据在传播路径上有无阻挡通常分为视距（LOS）传播和非视距（NLOS）传播。在传播通路内没有对微波造成阻挡的物体，微波无阻挡地在发信端与接收端之间直线传播，这种传播方式叫视距传播，视距传播的通信最常见的是微波中继通信、卫星通信。视距通信要求在0.6倍的第一菲涅尔区域内无障碍物，否则接收信号的强度会明显减弱。图4.1 微波的视距传播传播损耗与电波的频率和传输距离有关，微波在视距条件下的传播损耗为：Llos=32.44+20lgf+20lgD(4.1)式中：Llos为视距条件下的传播损耗（dB），f为微波频率（MHz），D为传播距离（km）。2.2 非视距通信的特点与视距（LOS）传播相比，非视距（NLOS）传播的损耗通常远大于视距（LOS）传播损耗。非视距（NLOS）环境下，微波信号经过反射、折射和衍射到达接收端，因为各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化。实现非视距通信需要克服二个技术难点：一是设备要有很大的衰耗余量，二是采用的设备、技术能对抗多径效应。2.2.1 非视距传播的衰耗非视距传输环境十分复杂，无线电波在地球表面的绕射受地形不规则的影响。一般是将传输路径中遇到的障碍物理想化，用各种无线信道模型来模拟，希望对非视距环境下信号传输做出准确的预测。这些模型一般都会分析无线信号空中传输损耗、地形因素、收发天线高度、信号频率等特征参数。ITU-R（the International Telegraph Union Radiocommunicationssector，国际电信联盟无线电通信组）针对无线电波的光滑球面绕射和障碍物绕射提出多种预测模型，并通过大量的实测数据加以验证，其研究成果体现在ITR-R P.526建议书中。利用其研究成果，可以估算非视距传播的衰耗。变电站调试通道的衰耗决定了信号的传输距离，但要计算各种情况下实际的通道衰耗几乎是不可能的。我们可以假设一种理想化的传输模型，通过对传输模型的衰耗计算，大致了解非视距传播的衰耗值，明确传输设备的衰耗余量。假设两台无线通信设备的收发频段均采用300MHz，天线高度均为5m，两设备相距6km，在传播的路径2km处和4km处上有二个高度20m的刀刃形障碍物，如图4.9所示。图4.9 有二个障碍物的传播图无线信号从左侧发射，遇到第一个障碍物时发生绕射后继续向右传播，第一个障碍物的顶部起电波源的作用，到达第二个障碍物时再发生绕射。因此传播过程可分解成二部分：从左侧发射点经第一个障碍物向第二个障碍物顶点传播；从第一个障碍物顶点经第二个障碍物向右侧接收点传播。第一绕射路径由距离a、b和高度h1确定，计算出损耗值L1（dB）。第二绕射路径由b、c和h2高度确定，计算出损耗值L2（dB）。L1、L2用单个刀刃形障碍物绕射损耗计算公式进行计算。考虑到两个刀刃形障碍物之间有距离b，必须加上校正项LS。LS可以用下面公式进行估算：LS=10lga+b(b+c)b(a+b+c)(4.16)相对于自由空间传播，二个孤立的刀刃形障碍物的总绕射损耗为：L=L1+L2+LS(4.17)单个刀刃形障碍物绕射的损耗J（）（dB）近似为：J=6.9+20lg-0.12+1+-0.1(4.15)为标记的单个归一化、无量纲的参数，与连接路径两端的直线上方障碍物顶部的高度、波长、障碍物与路径两端之间的距离相关。的计算可参照ITR-R P.526建议书。单个刀刃形障碍物绕射的损耗也可查损耗曲线得到。图4.6 单个刃形障碍物绕射损耗曲线根据上述公式，可估算出二个孤立的刀刃形障碍物的总绕射损耗：h1=h2=10(m)=h2(1d1+1d2)=1021(12000.08+12000.08)=0.4472L1=6.9+20lg0.4472-0.12+1+0.4472-0.1=9.86(dB)L2=L1=9.86(dB)LS=10lga+b(b+C)b(a+b+c)=10lg1612=1.25(dB)总绕射损耗为：L=L1+L2+LS=9.86+9.86+1.25=20.97(dB)发射点与接收点间的总损耗为：97.55+20.97=118.52（dB）当采用2000MHz频段时，总损耗为：114.02+30.03=145.05（dB）2.2.2 非视距通信的多径衰落及对策非视距信道与视距信道相比，不只是损耗变大，在非视距信道中，无线电波经多条反射、绕射和衍射到达接收端，不同路径的信号具有不同的时延、衰减和极化，同时多径传输还具有时变特性，产生随机衰落和周期性衰落，传输的信号特性和信道特性决定了衰落的类型。多径传输的时延扩展引起的衰落有平坦衰落和频率选择性衰落；如果无线信道带宽大于传输信号的带宽且有恒定的幅频特性，传输信号带宽的倒数（即信号周期）远大于信道的多径时延扩展，接收信号会经历平坦落过程，接收信号的幅度分布是瑞利分布。当无线信道带宽小于传输信号的带宽，多径时延接近或超过传输信号的周期时就会产生频率选择性衰落。系统可以采取均衡、直接序列扩频、OFDM、智能无线电等技术来改善频率选择性落对数字通信造成的影响。多径传输的多普勒扩展引起的衰落有快衰落和慢衰落。如果信道冲击响应在信号周期内变化很快，即信道的相干时间小于传输信号的周期，由于多普勒扩展引起频率色散，从而导致信号失真，信号经历快衰落。快衰落会增加系统的误码率和误分组率。常用的对抗快衰落的技术有差错控制编码、调频技术、跳频技术、分集技术和交织技术等。当信道冲击响应变化率比传输的基带信号变化率低得多，信道的多普勒扩展远小于基带信号带宽，此时信道为慢衰落信道。3 通信方式的选择3.1 新兴无线传输技术的优点：无线传输技术有应用非常成熟的小型数字微波，也有新兴的方式如McWiLL技术、WiMax技术、LTE等。这些新兴技术采用了频分多址（FDMA）、自适应调制编码（AMC）、多入多出（MIMO）、自动重传请求（ARQ）、多重加密等现代无线通信和计算机技术，发射功率低、容量大、安全性高等优点，由于采用频分多址等新技术，具有抗多径衰落能力，非常适合非视距环境下的传输。但是这些新兴的无线传输技术和设备多数是用作集群通信应用，主要是利用基站进行大范围的覆盖，提供一种固定用户或移动用户的接入技术，系统主要由基站和用户终端构成。受用户终端尺寸和性能的限制，非视距的传输距离都不太远，一般仅1公里左右，不能满足变电站调试通道的要求。3.2 LTE技术的特点LTE（Long Term Evolution长期演进）技术是3GPP大力发展的新一代宽带无线通信技术，属于国际标4G标准。根据上行、下行信道的方式，分为LTE的TDD（时分双工）系统和FDD（频分双工）系统。TDD系统的演进与FDD系统的演进相似度很高，是同步进行的。LTE除了除有其他几种新兴通信方式的优点，在非视距传输环境中更有自己的优势。LTE采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple，正交频分复用技术）和MIMO（Multiple Input Multiple Out，多输入/多输出技术）作为其无线网络演进的标准。将由CDMA技术改变为能够更有效对抗宽带系统多径干扰的OFDM。OFDM技术源于20世纪60年代，其原理是将高速数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中传输，可以减轻无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。OFDM具有抗多径干扰、实现简单、灵活支持不同带宽、频谱利用率高支持高效自适应调度等优点。MIMO技术利用多天线系统的空间信道特性，能同时传输多个数据流，从而有效提高数据速率和频谱效率。将MIMO技术用于非视距传输，能同时利用空间分集接收和频率分集接收，大大提高抗多径干扰能力。TD-LTE网络架构主要由eNodeB（Evolved Node B，演进型Node B）和aGW（接入网关）两部分构成，和2G、3G网络比较，少了RNC，减少了通信时协议的层次。eNodeB除具有原NodeB功能外，还承担了RNC的大部分功能。eNodeB具有现有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分的RNC功能，包括物理层功能（HARQ等），MAC，RRC，调度，无线接入控制，移动性管理等；aGW作为核心网的一部分，包括3种功能实体：MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）、SGW（Service Gateway，服务网关）和PGW（PDN Gateway，分组数据网网关）。LTE网络最大特点是网络扁平化，LTE采用由eNodeB构成的单层结构，有利于简化网络和减小延迟，实现低时延、低复杂度和低成本的要求。相对于3G网络， TD-LTE协议中引入了X2接口，用于基站间的空间接口，多个eNodeB可组成E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）系统，利用空中中继和多站接收，能提供更远的传输距离和更高的传输可靠性，能满足各种复杂情况下的使用要求。这使得利用LTE的eNB互连构成宽带、远距离非视距传输通道成为可能。4 LTE变电站调试通道的组成建设变电站调试通道的就是在新建变电站与就近的运行变电站之间架设一道临时通道，当采用LTE（TD-LTE或FDD-LTE）基站中继作为变电站调试通道时，应由LTE的两个机动eNodeB（Evolved Node B，演进型Node B，俗称基站）构成。机动通信车辆作为调试通道设备的移动承台，与无线通信装置一起组成了车载基站，基站间以非视距传输为主，传输距离不小于5km，通道有效容量不小于1.4Mb/s。变电站电压等级不同、电气二次设备不同、接口类型不同，为了增加变电站调试通道的通用性，需要增加综合接入设备。4.1 基站设备eNodeB（Evolved Node B，演进型Node B）是LTE系统的无线接入设备，也即基站设备，主要由BBU（基带处理单元）、RRU（射频拉远单元）及天线、电源等组成。主要完成无线接入功能，包括空中接口管理、接入控制、移动性控制、用户资源分配等无线资源管理功能。多个eNodeB可组成E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）系统。天线与RRU采用馈线连接，RRU通常靠近天线安装，以减少馈线损耗。RRU与BBU采用光缆连接。这种分布式基站结构见图4.14。本方案每个车载基站配置一套GPS、1套BBU、2套RRU及天线，两基站间采用双发双收，采用频率分集和空间分集多路技术，提高抗多径衰落的能力。基站GPS信号模块接收到GPS信号后，通过1/2同轴馈线连接至基站设备的时钟板。本系统拟采用GPS作为同步时钟，一个车载基站为一个同步区。不考虑UE的服务区切换。为了能使应急通道快速投入，缩短调试时间，天线采用单极化全向外置天线。图4.14 分布式基站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。是基带控制单元，其主要功能包括：l 提供eNodeB与MME/S-GW连接的S1接口，以及eNodeB与eNodeB连接的X2接口；l 提供与RRU通信的CPRI接口，完成上下行基带信号处理；l 集中管理整个基站系统，包括操作维护和信令处理；l 提供与集中操作维护系统连接的维护通道；l 提供时钟接口、告警监控接口、USB接口等分别用于时钟同步，环境监控和USB调测等。USB加载口具有USB加密特性，可以保证其安全性。射频拉远单元（RUU）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。要求支持TD-LTE主流频带，射频拉远单元具有全工作带宽，大发射功率，高功放效率。RRU可靠近天线安装，节省馈线长度，减少信号损耗，提高系统覆盖容量。RRU主要完成基带信号和射频信号的调制解调、数据处理、功率放大、驻波检测等功能。在本方案中， LTE构建的变电站调试通道包括二个eNB。为了提高基站的通用性和使用的灵活性，两个车载基站都作同样的配置。为了能更有效地对抗多径衰落，在信号速率不变的情况下，LTE系统尽可能采用配置较宽频谱带宽，充分发挥OFDM抗多径衰落的能力。同时采用双发双收的MIMO技术进行空间分集和频率分集。4.2 用户终端设备TD-LTE用户终端设备（UE）主要功能是将变电站中需传递的数据转化为无线信号，传递到车载基站，并接受车载基站下行的无线信号传递给变电站的相关系统。用户终端设备在损耗允许的范围内可以与车载基站相距可靠连接，使车载基站的停放位置更有选择性，提高应急通信系统的实用性和灵活性。4.3 综合接入设备综合接入设备的功能包括多路串口和开关量采集、控制系统和系统软件，实现多路串口和开关量采集的功能。完成串口设备的读写和网络数据的收发，软件系统负责完成协议转换工作、数据封包、数据缓冲、参数配置。通过协议转化完成数据的透明传输。在变电站调试通道中有三个地方需用综合接入设备：新建变电站采用UE与eNodeB连接方式时，为解决UE与变电站各类业务的接口需设置综合接入设备；eNodeB直接设在变电站内，为解决eNodeB与变电站各类业务的接口需设置综合接入设备；在通信中心进行各类业务的汇接与分离，需设置综合接入设备。4.4 通信车辆将LTE的基站（eNodeB）及配套设备就安装在通信车辆上，能节省基站安装、调试和天线的安装、调整，方便运输。用通信车辆作为基站的平台，可以携带蓄电池及其他更多的工具、附件，提高了变电站调试通道的灵活性和适应性。二根单极化全向外置天线分别安装在车身前后两端的天线升降架上，天线升降架的最大升高高度不小于5米。图6.1 机动应急通信车辆外观图通信车辆不是简单的运输工具，它也是一个移动的通信站。为满足变电站调试通道的需要，充分发挥移动的通信站的功能，通信车辆的布置应参照通信机房及移动基站的有关规程。4.5 变电站调试通道组成用于变电站调试通道组成如图3.1所示。图3.1 变电站调试通道模型从变电站调试通道模型中可以看到有二种方式完成新建变电站至中转变电站的数据传送：第一种是将车载基站开到新建变电站的通信机房旁，将变电站的数据通过线缆接入车载基站的综合接入设备，经基站中继传输至附近投运的变电站；第二种将车载基站停靠在一个新建变电站内或附近、各方面条件较好的地方，新建变电站的数据通过无线用户终端（LTE终端UE）接入附近的车载基站，再经车载基站间的无线信道传输至中转变电站。第二种方式应用更灵活，当配备足够数量的无线终端，不仅可作单个变电站的调试通道，也可用于局部区域的应急通信。5 LTE通道链路预算链路预算是对发射端至接收端所有增益和衰耗的核算，来估算传输路径的最大允许损耗，进而确定从发射端到接收端的最远距离。LTE调试通道有车载基站车载基站、UE基站、车载基站UE三种链路。最大允许路径损耗PLmax（dB）可以表示为：PLmax=PTXGTXGRXLfMfMILCLbSRX(4.21)其中：PTX为发射机最大发射功率（dBm）；GTX为发射机天线增益；GRX接收机天线增益（dBi）；Lf为馈线损耗（dB）；Mf为阴影衰落余量（dB），阴影衰落标准差为8dB，取85%的边缘覆盖概率和95%的区域覆盖率相对应的阴影余量为8.3dB；LC为建筑物穿透损耗（dB）；Lb为人体损耗（dB）；MI为干扰余量（dB）；SRX为接收机灵敏度（dBm）。SRX是指接收机输入端为保证以一定误码率正确解调信号所必须达到的最小信号功率，收信机灵敏度SRX由下式确定：SRX=底噪（接收端噪声功率）+解调门限（信噪比SINR）(4.22)5.1 LTE基站间链路预算变电站调试通道中，两LTE基站的中继作为主要传输通道，是整个调试通道通信系统的关键。除了预测两基站中继通道的传播损耗，还应计算允许的路径衰耗。在本变电站调试通道方案中，以TD-LTE设备为例。两TD-LTE基站均采用双发双收，最大发射功率46dBm，每路43dBm；发射天线增益18dBi，接收天线增益18dBi；取多径衰落余量8dB。计算得基站间允许的最大路径衰耗为152dB。大于之前双重孤立的刀刃形障碍物绕射的损耗值，说明两基站可以达到预想的中继距离。表.4.1 TD-LTE基站间链路预算（基站基站）（2.1GHz/15MHz/22MIMO）序号项目参数备注1链路速率（kb/s）102440962使用带宽（kHz）180043203RB数10244最大发射功率（dBm）464622,每路43dBm5发射天线增益（dBi）18186接收天线增益（dBi）18187噪声系数（dB）2.32.38接收基底噪声（dBm）-102.5-96.59SINB（dB）-0.4-0.410接收机灵敏度（dBm）-102.9-96.9=(8)+(9)11馈线和接头损耗（dB）2.32.312穿透损耗（dB）2020车载基站在户外时为0dB13多径衰落余量（dB）8814阴影衰落余量（dB）8.38.315干扰余量（dB）3316最大路径损耗（dB）158152=(4)+(5)+(6)-(10)-(11)2-(14)-(15)通过对LTE基站间链路预算的估算，LTE基站中继方式作为变电站调试通道的传输方式，能满足一般情况下的衰耗余量要求。5.1 车载基站与UE间链路预算车载基站与UE间的传输距离较近，传播损耗容易控制，当传播总损耗超过相应的链路预算时，可以通过将UE放在控制室墙外、缩短车载基站与UE之间距离、寻找无阻挡的通道等方法解决，不会成为应急通道的技术制约因素，因此本文不作讨论。6 结论对国网绍兴供电公司现有电力光缆网、SDH/MSTP传输网络及变电站站点分布情况进行分析，得出国网绍兴供电公司适合建设变电站机动应急通信系统的结论。提出了变电站机动应急通信系统建设的设计原则。设计出了一套由一对车载TD-LTE基站作为中继通道、利用现有光缆传输网络中转的变电站机动应急通信系统方案，较详细描述系统中各组成部分，对系统中的关键技术和性能作了定性分析。提出了一种应急通信系统建设的新思路。本方案用无线车载应急通道来代替常规固定通道，通过无线/有线融合完成应急通信业务的传输。因无线