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        5G基站共建共享技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2022-01-21 14:44:18趙錦輝
        湖北電力 2021年5期
        關(guān)鍵詞:機(jī)柜饋線桿塔

        何 濤,郭 峰,趙錦輝

        (國網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司,湖北 武漢430077)

        0 引言

        2020年,工信部、國資委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享支撐5G網(wǎng)絡(luò)加快建設(shè)發(fā)展的實(shí)施意見》,對持續(xù)深化電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享、支撐5G加快建設(shè)發(fā)展、推進(jìn)電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享工作提出實(shí)施意見。電力桿塔資源是電網(wǎng)公司重要的基礎(chǔ)設(shè)施,要在保證電力線路安全前提下,實(shí)現(xiàn)電力桿塔附掛5G基站,同時將5G先進(jìn)技術(shù)更好應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)共建共享、雙向應(yīng)用。電力基礎(chǔ)資源共享共用,也能夠減少城市公用基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè),減少土地資源的浪費(fèi),對節(jié)能減排、服務(wù)雙碳目標(biāo)均有益處。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù),每共享一基電力桿塔,將減少土地征用面積50 m2,節(jié)約鋼材15 t,節(jié)約建設(shè)資金12萬元,縮短建設(shè)周期40 d。通過資源共享后,不僅可以降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本,縮短建設(shè)周期,還可以提升5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和進(jìn)度。

        1 關(guān)于5G技術(shù)

        5G即第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technolog),是具有高速率、低時延和廣連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動通信技術(shù)。國際電信聯(lián)盟(ITU)定義了5G的三大類應(yīng)用場景,即增強(qiáng)移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)和海量機(jī)器類通信(mMTC),具有速率高、延遲低、覆蓋廣等特點(diǎn)。

        增強(qiáng)移動寬帶(eMBB)特點(diǎn)是速率高,致力于無縫用戶體驗(yàn),用戶數(shù)據(jù)速率極高,峰值速率可達(dá)到10 Gbit/s~20 Gbit/s,可滿足高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸。

        超高可靠低時延通信(uRLLC)的特點(diǎn)是低時延高可靠,主要應(yīng)用于對時延極其敏感并且對可靠性要求嚴(yán)格的場景,例如遠(yuǎn)程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等應(yīng)用場景。其中,低時延高可靠場景中時延的要求可達(dá)到1 ms量級。

        海量機(jī)器類通信(mMTC)特點(diǎn)是廣覆蓋,應(yīng)用場景對吞吐量、時延、可用性等性能的要求十分嚴(yán)格,具備百萬連接/km2的設(shè)備連接能力,應(yīng)用領(lǐng)域包括生產(chǎn)流程的無線控制、智能電網(wǎng)配電自動化等。

        2 共享電力桿塔基站

        5G通信基站是移動通信網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施,連接終端用戶與傳輸網(wǎng),解決5G用戶連接“最后一公里”。5G通信基站主要分為宏基站和微基站,宏基站一般為鐵塔站,一個站覆蓋幾十公里,機(jī)房設(shè)施完備,微基站是在樓宇中或密集區(qū)安裝的小型基站,覆蓋小,用戶量低,覆蓋單個村莊、大樓等場景。

        5G基站架構(gòu)主要采用BBU+AAU方式。BBU是基帶控制單元,集中管理整個基站系統(tǒng),提供基站與傳輸設(shè)備的物理接口。AAU設(shè)備(有源天線單元)主要負(fù)責(zé)傳送和處理BBU和天饋線之間的射頻信號,由于mMIMO(大規(guī)模多路多出)技術(shù)的應(yīng)用,AAU尺寸和重量進(jìn)一步加大,尤其是64T64R多天線的應(yīng)用,5G天饋線系統(tǒng)的安裝比2G、3G、4G更復(fù)雜。

        根據(jù)電力安全工作規(guī)程,不同電壓等級的輸電線路都有相應(yīng)安全距離,在安全距離范圍內(nèi)上塔作業(yè)可以保證人身安全。電力塔屬于高聳結(jié)構(gòu),國家對該類設(shè)施都有嚴(yán)格的接地要求。在設(shè)計(jì)過程中,考慮到安全因素,結(jié)合附掛高度,通信基站附掛位置符合要求,既能保證不發(fā)生觸電事故,也能保證設(shè)備達(dá)到通信要求的相應(yīng)高度。同時,由于電磁頻段不同,加之塔上通信基站天線波束主瓣角度可以調(diào)整,通信設(shè)備自身具備糾錯功能,在滿足電氣安全距離的前提下,架空線路不會對通信基站信號產(chǎn)生干擾。

        3 共享電力桿塔基站安裝

        3.1 天線掛高

        電力桿塔作為輸配電線路的重要組成部分,起到支撐和架空電力線纜的作用。按結(jié)構(gòu)形式,可分為桿類和塔類;按用途,可分為直線塔、轉(zhuǎn)角塔、終端塔以及跨越塔。不同類型的電力桿塔承載能力不同,對5G基站而言,室外電力桿塔適合安裝宏基站。

        根據(jù)電力桿塔所處地形及信號覆蓋范圍要求,宏基站安裝高度為15 m~35 m。電力桿塔附掛基站天線典型方案為電壓等級220 kV,雙回路鐵塔,天線設(shè)備掛于塔身,掛高25 m,天線可布置在同一水平面上的不同平臺處,通過支架與鐵塔連接。

        當(dāng)天線安裝于塔身時,高度建議不超過地線,并確保天線在地線45°保護(hù)范圍之內(nèi)。天線布置位置一般可分為3種情況:第1種安裝在塔頂頭部;第2種安裝在塔頭段,位于導(dǎo)線以上;第3種安裝在塔頭段,位于導(dǎo)線以下。綜合考慮系統(tǒng)安全性,穩(wěn)定性和運(yùn)維便利性等多種因素,盡量實(shí)現(xiàn)兩個系統(tǒng)平行運(yùn)行,相互間干擾最小。基于以上原則,基站天線安裝位置建議位于輸電線路帶電部分以下,并滿足相關(guān)安全距離。

        圖1 電力桿塔共享天線安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of power tower shared antenna

        不宜進(jìn)行附掛服務(wù)的電力桿塔主要包括:同塔四回路及以上多回線路桿塔;投運(yùn)30年以上的電力桿塔和20年以上水泥桿等老舊電力桿塔;評估不達(dá)標(biāo)或需進(jìn)行桿塔主材、基礎(chǔ)加固方可達(dá)標(biāo)的電力桿塔;達(dá)到臨界使用條件的電力桿塔;位于20 mm及以上重冰區(qū)的桿塔。

        表1 基站附掛安全距離計(jì)算值Table 1 Calculation value of safety distance for base station attachment

        3.2 天線角度

        天線是實(shí)現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的核心設(shè)備之一。用來實(shí)現(xiàn)傳輸線中的電磁能與自由空間的電磁波間的相互轉(zhuǎn)換。

        安裝天線傾角時必須考慮的因素有天線的高度、方位角、增益、垂直半功率角度,以及期望覆蓋的范圍。

        天線主瓣波束與地平面的關(guān)系如圖2所示,其中所需覆蓋半徑為D(m),天線高度為H(m),傾角為α,垂直半功率角為θ。

        圖2 天線主瓣波束與地平面的關(guān)系Fig.2 Relationship between antenna main lobe beam and ground plane

        當(dāng)天線傾角為0度時,天線波束主瓣即主要能量沿水平方向輻射,當(dāng)天線下傾α度時,主瓣方向的延長線將與地面一點(diǎn)相交,由于天線在垂直方向有一定的波束寬度,因此在A點(diǎn)到B點(diǎn)方向,仍會有較強(qiáng)的能量輻射。根據(jù)天線的技術(shù)性能,在半功率角內(nèi),天線增益下降緩慢,超過半功率角后,天線增益迅速下降[3]。因此,可以認(rèn)為半功率角延長線到地平面交點(diǎn)(B點(diǎn))內(nèi)為天線的實(shí)際覆蓋范圍。根據(jù)上述分析以及三角幾何原理,可以推導(dǎo)出天線高度、下傾角、覆蓋距離三者之間的關(guān)系為:α=arctan(H/D)+θ/2。

        上述為常規(guī)移動通信系統(tǒng)的下傾角設(shè)計(jì),對于5G系統(tǒng),5G基站m-MIMO天線具有更多的功能,由于很多根天線同時可以調(diào)整,這就使得信號覆蓋變得更多樣,可以變成長條形、方形、橢圓形等等,而且可以快速調(diào)整,完全根據(jù)需要來轉(zhuǎn)換。目前主流的mMIMO有64T64R、32T32R、16T16R等多種通道數(shù)天線可以選擇,其區(qū)別在于垂直面上分別支持4層、2層和1層波束,利用mMIMO天線具有多個垂直波束的特點(diǎn),可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,調(diào)整站址或者天線型號、掛高、方位角、下傾角、發(fā)射功率等,充分滿足電力桿塔附掛基站信號及覆蓋要求。

        3.3 機(jī)房建設(shè)

        通信機(jī)房是5G基站建設(shè)中不可或缺的組成部份,通信機(jī)房由動力柜、設(shè)備柜、電池柜、電源柜組成。目前5G基站通信機(jī)房多使用一體化機(jī)柜或模塊化機(jī)房,內(nèi)部可安裝通信系統(tǒng)設(shè)備、交直流配電、蓄電池、溫度調(diào)節(jié)設(shè)備及其它配套設(shè)備,能為內(nèi)部設(shè)備正常工作提供可靠的運(yùn)行環(huán)境。對于附掛基站的電力角鋼塔,一體化機(jī)柜宜安裝在鐵塔內(nèi)部,對于附掛基站的鋼管桿,一體化機(jī)柜宜安裝在桿塔旁邊。電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機(jī)柜示意圖如圖3。如采用小型模塊化機(jī)房,安裝位置參考一體化機(jī)柜,機(jī)房內(nèi)部尺寸不低于3 m×2 m,加上周圍附屬設(shè)施占地約10 m2,凈空不小于2.5 m,內(nèi)部可設(shè)置機(jī)柜3個,嵌入式直流通信電源1臺、通信蓄電池2組以及交流配電箱、空調(diào)、監(jiān)控設(shè)備等。實(shí)際利用的有效機(jī)柜數(shù)量約為2個,滿足基本的基站信號接入及回傳、處理需求。

        圖3 電力角鋼塔/鋼管桿布置一體化機(jī)柜示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated cabinet for power angle steeltower/steel pipe pole layout

        3.4 設(shè)備安裝

        宏基站設(shè)備主要分為室外(塔上)部分、室內(nèi)(塔下)部分及室外與室內(nèi)(即設(shè)備與通信機(jī)房)連接部分。其中,室外(塔上)部分主要包括天線、RRU(無線射頻單元)設(shè)備或AAU設(shè)備(有源天線單元)、鐵塔支臂。室內(nèi)(塔下)部分主要包括機(jī)房或機(jī)柜,在機(jī)房或機(jī)柜內(nèi)部安裝BBU(無線基帶單元)設(shè)備、電源、空調(diào)以及監(jiān)控設(shè)備。室外與室內(nèi)連接部分距離較遠(yuǎn)時,采用獨(dú)立光纜;當(dāng)室內(nèi)外緊鄰時,只需穿墻套管等附屬設(shè)施即可。

        3.5 防雷接地

        基站天線、饋線以及走線架等設(shè)施均應(yīng)在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。5G AAU的安裝位置位于導(dǎo)線下方,電力鐵塔的防雷保護(hù)可完全滿足天線保護(hù)角的要求[4]。35 kV及以上電力桿塔的引下線纜、電源線、傳輸線及饋線沿鐵塔主材內(nèi)部布置或沿鋼管桿身的爬梯側(cè)面布置,沿鋼管桿身布置時還應(yīng)采用PVC套管保護(hù),按0.5 m間距用夾具固定良好。鐵塔上架設(shè)的饋線及同軸電纜金屬外護(hù)層應(yīng)分別在饋線頂部、離塔處及機(jī)房入口處外側(cè)就近接地;當(dāng)饋線及同軸電纜長度大于60 m時,則宜在塔的中間部位增加一個接地點(diǎn)。室外走線架始末兩端均應(yīng)接地,接地連接線應(yīng)采用截面積不小于10 mm2的多股銅線。饋電機(jī)柜無論是在設(shè)備機(jī)柜附近還是內(nèi)部,都應(yīng)共用同一接地系統(tǒng),該接地系統(tǒng)應(yīng)通過橫截面積35 mm2以上的銅線與電力桿塔地相連[5]。

        4 5G技術(shù)在電力系統(tǒng)典型應(yīng)用場景

        4.1 分布式能源調(diào)控

        為適應(yīng)太陽能、風(fēng)能、燃料電池、充電樁等分散電力需求和資源分布特點(diǎn),需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理、有功功率調(diào)節(jié)、電壓無功功率控制、孤島監(jiān)測、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能,需要達(dá)到百萬到千萬級別的連接數(shù)。通過5G面向大連接的能力,可以實(shí)現(xiàn)對接入設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集,從而有效保障多電源并網(wǎng)的有效運(yùn)行。

        4.2 智能配電自動化

        智能配電自動化通過繼電保護(hù)自動裝置監(jiān)測配電網(wǎng)線路和設(shè)備狀態(tài)信息,快速實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)或設(shè)備故障的判斷及精準(zhǔn)定位,迅速隔離故障區(qū)段或故障設(shè)備。而傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護(hù)采用簡單的過流、過壓保護(hù),不依賴通信,不能實(shí)現(xiàn)分段隔離,停電影響范圍大。為了實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)隔離,可以利用5G切片技術(shù)在配網(wǎng)領(lǐng)域推廣應(yīng)用差動保護(hù),要求通信時延小于10 ms,帶寬大于2 Mb/s,可靠性99.999%,信息交互攜帶10μs內(nèi)的高精度時間戳。

        4.3 智能巡檢和應(yīng)急指揮

        利用機(jī)器人、無人機(jī)等搭載高清攝像頭或環(huán)境傳感器,實(shí)現(xiàn)對變電站、配電房、輸電線路進(jìn)行巡檢的過程中,將現(xiàn)場高清視頻、圖片等數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。此外,針對重大電力故障進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)急搶險(xiǎn)時,也需要通過高清視頻等方式將現(xiàn)場情況實(shí)時反饋到指揮中心。為滿足這些通信要求,需要單路帶寬達(dá)到4~10 Mb/s,時延小于100 ms。針對這類業(yè)務(wù)場景,5G網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬,有效地保障智能巡檢和應(yīng)急指揮的進(jìn)行。

        4.4 電力設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程操作

        電網(wǎng)運(yùn)行中,需要通過對電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息進(jìn)行全面監(jiān)測來掌握設(shè)施運(yùn)行情況。利用5G通道實(shí)現(xiàn)電力線路輸變電狀態(tài)監(jiān)測信號、視頻信號的接入,在電力桿塔安裝5G基站的同時,同步安裝輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)5G與電力業(yè)務(wù)雙向應(yīng)用。此外,通過智能電表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表,也存在大量的設(shè)備接入?;?G面向大連接的能力,為末端設(shè)備的全面接入提供支撐,進(jìn)一步保障設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        5 結(jié)語

        電力桿塔安裝5G基站具有投資小、見效快的優(yōu)點(diǎn),同時也可實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。根據(jù)電力基礎(chǔ)資源運(yùn)營工作經(jīng)驗(yàn),提出了5G基站共享電力桿塔的標(biāo)準(zhǔn)、方法和注意事項(xiàng),同時對5G在電網(wǎng)中的應(yīng)用場景進(jìn)行了分析,對推動5G與電網(wǎng)業(yè)務(wù)的共建共享應(yīng)用具有很強(qiáng)的借鑒意義。研究及實(shí)踐表明,只要做好電力桿塔共享基站設(shè)計(jì),確定掛高、天線角度等指標(biāo),就能安全、高效利用電力桿塔基礎(chǔ)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)5G基站、5G技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)的融合以及共建共享共用。

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