一种非视距传播的变电站调试通道方案.docx

1、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

2、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

3、、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、+20lgf+20lgD (4.1)式中：L los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

10、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

11、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

12、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：(4.16)=10(+)(+)(+)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：(4.17)=1+2+单个刀刃形障碍物绕射的损耗 J（）（dB）近似为：(4.15)()=6.9+20( (0.1)2+1+0.1) 为标记的单 个归一化、无量

13、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)=2(11+12)=1021( 12000.08+ 12000.08)=0.44721=6.9+20( (0.44720.1)2+1+0.44720.1)=9.86()2=1=9.86()=10(+)(+)(+)=101612=1.25()总绕射损耗为：=1+2+=9.86+9.86+1.25=

14、20.97()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）

15、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

16、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

17、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

18、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。

19、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），

20、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

21、 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

22、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 T

23、errestrial 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： 提供 eNodeB 与 MME/S-GW 连接的 S1 接口，以及 eNodeB 与 eNodeB 连接的 X2 接口； 提供与 RRU 通信的 CPRI 接口，完成上下行基带信号处理； 集中管理整个基站系统，包括操作维护和信令处理； 提供与集中操作维护系统连接的维护通道； 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