伍 瑞，朱吉然

(1． 湖南省電力公司長(zhǎng)沙電業(yè)局，湖南 長(zhǎng)沙410015;2． 湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

配電網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)于提高供電可靠性、提升供電能力、降低線耗和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。配電自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)和監(jiān)控配電設(shè)備運(yùn)行情況，在發(fā)生配網(wǎng)故障時(shí)，進(jìn)行快速故障定位、隔離和恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)需要借助可靠的通信手段，將各遠(yuǎn)方FTU，DTU 和TTU 等配電終端采集的各類(lèi)遙測(cè)遙信信息上傳至配電主站或子站，同時(shí)將配電主站或子站的遙控命令下發(fā)至各配電終端。因此，通信系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)劣。近年，隨著配電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)通信領(lǐng)域涌現(xiàn)出多種無(wú)線通信方式。其中，寬帶無(wú)線接入技術(shù)作為下一代通信網(wǎng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕尤爰夹g(shù)之一，正受到業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是WiMAX 技術(shù)。

1 WiMAX 無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)簡(jiǎn)介

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波互聯(lián)接入，是一項(xiàng)基于IEEE 802.16 標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)技術(shù)(Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network)，該標(biāo)準(zhǔn)僅制訂了物理層(PHY)和媒質(zhì)接入層(MAC)的規(guī)范，是針對(duì)微波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX 基本目標(biāo)是確保不同廠商的無(wú)線設(shè)備在城域網(wǎng)接入環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)互連互通，主要用于為家庭、企業(yè)、移動(dòng)通信及電力通信中提供“最后1 km”的高速寬帶接入方式。

目前，電力系統(tǒng)依托高壓輸電線路已建成SDH 光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，主要覆蓋110 kV 及以上變電站，同時(shí)也連接到了各電業(yè)局，并根據(jù)電力營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)等業(yè)務(wù)需求，覆蓋到所有配營(yíng)部、營(yíng)業(yè)所。電業(yè)局下屬的業(yè)務(wù)單位如果都采用光纖實(shí)現(xiàn)寬帶接入，建設(shè)難度大、投資高。若采用WiMAX 技術(shù)開(kāi)通無(wú)線寬帶接入服務(wù)，連至各單位，提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)，是一個(gè)成本低且見(jiàn)效快的建設(shè)方案。

WiMAX 電力專(zhuān)網(wǎng)作為一個(gè)全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)，可以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)直連。WiMAX 無(wú)線基站提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，支持TCP/IP 協(xié)議，連結(jié)城域網(wǎng)。WiMAX 無(wú)線終端可直接連接二層交換機(jī)、綜合接入設(shè)備、無(wú)線路由器和其他常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，提供語(yǔ)音和視頻數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線寬帶接入和現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)及軟交換網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

2 WiMAX 在配電網(wǎng)通信中的優(yōu)勢(shì)

2.1 配電網(wǎng)的通信現(xiàn)狀

目前，配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括有線和無(wú)線2種通信方式，有線以光纖通信、電力載波通信為主導(dǎo)，無(wú)線主要以GPRS/CDMA 技術(shù)為主。無(wú)線方式較之有線方式具有更多優(yōu)勢(shì)。

配電網(wǎng)通信終端點(diǎn)多面廣，有線通信方式在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、有線通道鋪設(shè)及施工等方面都將面臨較大問(wèn)題〔1〕。以電力通信骨干中的光纖通信技術(shù)為例，光纖通信要成為配電網(wǎng)通信的主流方式，在成本等方面具有一定的劣勢(shì)。首先，在配電網(wǎng)各配電站點(diǎn)廣泛鋪設(shè)光纖，特別是配電終端節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，建設(shè)成本過(guò)高;其次，當(dāng)配電線路與電力光纜同桿架設(shè)時(shí)，如果出現(xiàn)通信中斷，則需要停電對(duì)通信信道進(jìn)行檢驗(yàn)，這對(duì)于供電可靠性要求較高的配電網(wǎng)而言，是個(gè)很大的問(wèn)題。無(wú)線通信方式不需要進(jìn)行通信信道的敷設(shè)且擴(kuò)展方便。目前使用的無(wú)線通信主要是GPRS/CDMA 通信方式，采用電信服務(wù)商提供的服務(wù)成本高，且具有信息安全隱患。在出現(xiàn)與電話通信數(shù)據(jù)沖突時(shí)，通信時(shí)延大，無(wú)法完全滿足配網(wǎng)自動(dòng)化的要求，且通信信道不為電力通信部門(mén)監(jiān)控，不能進(jìn)行很好地維護(hù)和掌控。

2.2 WiMAX 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于目前的配電網(wǎng)通信方式，WiMAX 技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):

1)廣覆蓋、高寬帶。WiMAX 作為面向城域網(wǎng)的無(wú)線寬帶接入技術(shù)，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)75Mbps，對(duì)電力載波通信和傳統(tǒng)無(wú)線通信而言具有巨大的優(yōu)勢(shì)。且最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)50 km〔2〕，覆蓋面積是傳統(tǒng)無(wú)線發(fā)射塔的10 倍，建設(shè)少數(shù)無(wú)線基站就能實(shí)現(xiàn)全城覆蓋。

2)成本低、可靠性高。城市配電網(wǎng)中，配電終端數(shù)量大、分布范圍廣，一個(gè)中等城市配電終端有上萬(wàn)個(gè)。與鋪設(shè)光纖的通信方式相比，WiMAX建設(shè)無(wú)線基站數(shù)量少，大大降低了建設(shè)成本，同時(shí)，也能降低通信系統(tǒng)投運(yùn)后的運(yùn)維成本。WiMAX 的MAC 層包含QoS 機(jī)制，可確保網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供高可靠性的數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù)。

3)易監(jiān)管、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。WiMAX 通信系統(tǒng)作為電力通信部門(mén)自身建設(shè)的城域網(wǎng)絡(luò)，完全由電力部門(mén)掌控，易于監(jiān)管維護(hù)。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信方式相比，最高傳輸速率可達(dá)75 Mbps，傳輸時(shí)延小。

4)安全性強(qiáng)，吞吐率大。WiMAX 在介質(zhì)訪問(wèn)層中定義了一個(gè)加密子層，為用戶提供了完善的加密機(jī)制〔3〕。用戶可通過(guò)數(shù)字證書(shū)的方式，對(duì)WiMAX 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，使其滿足配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)二次安全防護(hù)方面的要求。此外，WiMAX 能實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)區(qū)調(diào)制方式的自動(dòng)切換，使系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離上的數(shù)據(jù)吞吐率最大。

5)易于施工，受外界影響小。WiMAX 可克服某些地區(qū)光纜難于敷設(shè)的困難，不受河流、密集住宅區(qū)、橋梁道路等復(fù)雜地理環(huán)境的影響;不會(huì)受冰雪、洪災(zāi)等地質(zhì)災(zāi)害的影響。且當(dāng)配網(wǎng)設(shè)備發(fā)生異動(dòng)導(dǎo)致配電終端位置變化時(shí)，相對(duì)于光纖通信需要重新敷設(shè)光纜，WiMAX 網(wǎng)絡(luò)不需要調(diào)整。

3 WiMAX 在配電網(wǎng)中的應(yīng)用模型

WiMAX 無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)能夠按需對(duì)帶寬進(jìn)行分配，最大程度地利用帶寬資源，可以訂制上千種服務(wù)流，設(shè)置時(shí)延，帶寬范圍和優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)P2P 的QoS 服務(wù)。

WiMAX 在兼顧公平性原則基礎(chǔ)上，平衡特殊業(yè)務(wù)要求的帶寬需求?？上蚺潆娊K端提供不同性能質(zhì)量的數(shù)據(jù)、視頻等服務(wù)，并根據(jù)信息的優(yōu)先級(jí)，保證重要的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸。對(duì)于視頻等對(duì)時(shí)延較為敏感的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，控制傳輸時(shí)延，確保業(yè)務(wù)流暢性。

WiMAX 具有的靈活帶寬分配、時(shí)延控制、安全防護(hù)性能好等特點(diǎn)，特別適合配電網(wǎng)建設(shè)的需求。配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)采用WiMAX 電力專(zhuān)網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景。典型的利用WiMAX 實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示，配電終端通過(guò)WiMAX 無(wú)線通信模塊將設(shè)備信息上傳至WiMAX 通信基站，經(jīng)由交換機(jī)連接至SDH 電力光纖主干網(wǎng)，傳輸至配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)。圖中配電自動(dòng)化終端可為DTU，F(xiàn)TU 或者TTU 等設(shè)備。

圖1 WiMAX 在配電網(wǎng)中的應(yīng)用模型

在城市配電網(wǎng)中，可以根據(jù)配電終端覆蓋面積和通信帶寬要求，架設(shè)1 臺(tái)或者多臺(tái)WiMAX 無(wú)線基站，實(shí)現(xiàn)所有WiMAX 無(wú)線終端接入及交叉覆蓋。WiMAX 無(wú)線基站基于宏蜂窩技術(shù)，設(shè)計(jì)階段需要綜合考慮接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配電終端分布位置數(shù)量、傳輸頻率選取以及覆蓋范圍等因素。

WiMAX 無(wú)線基站通過(guò)專(zhuān)用光纖通道接入電力主干通信網(wǎng)。配電自動(dòng)化終端通過(guò)WiMAX 無(wú)線終端形成的網(wǎng)絡(luò)接入，從而實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化終端與配電主站之間遙信、遙測(cè)和遙控等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，滿足了配電自動(dòng)化實(shí)時(shí)通信的要求。圖2 給出了某城市實(shí)際利用WiMAX 無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的示意圖。

圖2 某城市WiMAX 無(wú)線通信方式網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 WiMAX 在配電網(wǎng)應(yīng)用存在問(wèn)題和難點(diǎn)

WiMAX 作為配電網(wǎng)通信中發(fā)展的一種新型通信方式，集中了傳統(tǒng)有線通信方式的QoS 服務(wù)質(zhì)量保證、高帶寬及無(wú)線通信方式的靈活性、移動(dòng)性。然而，WiMAX 在配電網(wǎng)應(yīng)用中仍存在問(wèn)題和難點(diǎn)。

首先，建設(shè)WiMAX 無(wú)線電力專(zhuān)網(wǎng)需要分析提供的業(yè)務(wù)所需的通信模式、終端分布、覆蓋面積和通信頻段要求，分析帶寬的需求和分布;根據(jù)應(yīng)用要求，做出容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃的配置。

其次，在WiMAX 電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)初期，需要充分考慮未來(lái)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)充的要求，要預(yù)留足夠的容量。分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)，綜合考慮各種業(yè)務(wù)服務(wù)需要，針對(duì)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行服務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分，并考慮不同位置、不同時(shí)段通信容量需求變化情況〔4〕。

當(dāng)前，頻譜資源分配是WiMAX 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的核心問(wèn)題。信息產(chǎn)業(yè)部已經(jīng)為寬帶無(wú)線接入分配了3.5 GHz 和5.8 GHz 2 個(gè)頻段。目前商用的WiMAX 無(wú)線設(shè)備多采用3.5 GHz 頻段，國(guó)內(nèi)這個(gè)頻段在很多地區(qū)已由眾多電信運(yùn)營(yíng)商獲得，且獲得的頻段資源均有限，因此，電力通信部門(mén)需要爭(zhēng)取使用權(quán)。5.8 GHz 頻段在我國(guó)雖屬開(kāi)放頻段，可用于建設(shè)寬帶無(wú)線接入網(wǎng)，但也存在與多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙系統(tǒng)等的共存問(wèn)題，需要協(xié)調(diào)使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上探討，可以看出WiMAX 已經(jīng)具備了諸多適用于配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然它在實(shí)際應(yīng)用中還存在頻率資源緊張等問(wèn)題和難點(diǎn)，但WiMAX 打破了傳統(tǒng)通信方式的概念，為配電網(wǎng)自動(dòng)化提供了新的通信解決方案，也為電力部門(mén)通信服務(wù)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

〔1〕劉承成． 配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信方式的研究〔J〕． 安徽電力，2009，26(1):70-72．

〔2〕楊強(qiáng)，張朝霞． WiMAX 在電力通信中的應(yīng)用探討〔J〕． 電力系統(tǒng)通信，2008，29(189):19-20，24．

〔3〕王茜，王巖． 無(wú)線城域網(wǎng)WiMAX 技術(shù)及其應(yīng)用〔J〕． 電信科學(xué)，2004，(8):27-30．

〔4〕Ghosh，A． Woher，D R，Andrews，J G，et a1． Broad band wireless access with WiMAX － 802． 16:current performance benchmarks and future potential 〔J〕. IEEE Communications Magazine，2005，43(2):129-136．