多介质融合电力信息通信网建设 9787302483199

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作者: 王如伟编著
出版社: 清华大学出版社
ISBN: 9787302483199

出版时间: 2017-12
装帧: 其他
开本: 其他

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出版社: 清华大学出版社

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目录
本书分九大章节, 分别从绪论、光传输技术、无线专网通信技术、电力载波技术、EPON网络技术、波分复用技术、软交换技术、电力在线监测技术、大连电力通信网多介质融合建设实例等方面系统地介绍多介质融合的电力通信网络技术和研究进展, 结合电力通信网特点, 阐述了多介质融合的电力通信网建设示范应用。

内容摘要
王如伟编著的《多介质融合电力信息通信网建设》结合电力通信的特点，对近年来电力通信应用的技
术进行了深刻分析，就其在电力通信网络中的应用情况、发展趋势和优缺点进行了详细论述，并就多技术、多介质融合的实施案例进行了介绍和研讨。
本书的主要内容包括绪论、光传输技术、无线专刚通信技术、电力载波通信技术、EPON网络技术、波分复用技术、软交换技术、电力在线监测技术、大连电力通信网多介质融合建设实例等。
本书对全国电力通信网以及其他专用网络的建设都有重要的参考价值和现实指导意义。

精彩内容
第3章无线专网通信技术多介质融合电力信息通信网建设3.1无线专网通信技术综述无线专用通信网是指为满足一些企业单位内部的组织管理需求，利用无线宽带技术建设的通信网络，它往往根据企业的具体业务进行针对性的定制，以解决其生产调度之类的需求。通常来说，电力保护、调度控制、应急通信等业务对网络的安全性、时延、路由、
通道可用性等有严格要求，公网难以满足此要求，只能建设专网并由专门机构管理，才能确保电网安全可靠地运行。
无线专用通信网的产生原因一般有三点：（1）内部生产和管理对通信有特殊的需求；（2）公用网络的现状不能满足企业需求；（3）租用公用通信网络的费用较高，自建专网具有更好的性价比。
虽然专用通信网不面向公众开放，属于行业专用，但它对社会经济的发展也具有很大的影响。专用通信网不仅可以满足行业的特定需要，还可以起到促进电信市场和技术发展的作用。
3.1.1无线专网通信技术无线通信是利用电磁波信号可以在空间中自由传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近年来已成为信息通信领域发展最快的一种通信技术。电力信息通信系统是智能电网运行和管理的重要支撑系统，贯穿智能电网发电、输电、变电、配电、用电及调度各个环节。20世纪70年代，微波通信开始在电力系统得到应用；80年代，电力系统开始建设电力无线专用通信网，数字微波、卫星通信等无线通信技术得到应用；90年代，电力通信网建设持续高速发展。进入21世纪，新的高速通信技术在电力通信中得到广泛应用，可选择的无线通信技术也越来越多，为电力无线通信专网建设与发展提供了强有力的技术支撑。
.第3章无线专网通信技术29可以说，电力系统是推动无线通信技术应用和发展的重要实践者，从早期规模应用的微波通信、230MHz数传电台到近年发展起来的WiMAX、TD-LTE230M，电力无线通信专网可选用的无线通信技术越来越多。
1）微波通信微波通信是指利用波长为0.1mm～1m（频率为300MHz～3000GHz）的无线电波作为载波并通过中继方式实现的一种通信技术。其中数字微波通信一般采用调相、正交调幅等数字调制技术，用于传输多路数字电话、可视电话及数字电视等。
20世纪80年代，电力系统国内第1条干线——京汉PDH数字微波电路建成投运；90年代初，覆盖全国范围的电力微波通信网建成。目前，国家电网公司拥有100余条微波电路，现有微波系统主要采用数字SDH微波（155Mb/s）和PDH微波（34Mb/s）两种制式，工作范围在7～8GHz。
2）230MHz数传电台（RadioModem）数传电台又称为“无线数传电台”，是指借助数字信号处理技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。20世纪80年代，国家无线电管理委员会将230MHz频段（223～225MHz）15组双工频点（F3组9对、F4组6对）和10个单工频点（全部在F1组）批复给电力系统使用。这些频点目前主要由用于电力负荷控制和电力调度信息传输的数传电台使用，20多年来该频段一直在电力负荷管理方面发挥着重要作用。
3）Wi-FiWi-Fi是生活中最常用的无线通信技术之一，随着802.11b、802.11g、802.11n协议的出现，其通信速率得到大幅提升。Wi-Fi在电力企业日常办公的外网通信中得到较大范围的应用，部分变电站利用Wi-Fi开展状态监测、巡检机器人控制等工作。由于Wi-Fi系统
多采用2.4GHz、5.8GHz等公共频段，应用中易受干扰，难以成为电力无线通信专网的主力军。
4）多载波无线信息本地环路（Multi-carrierWirelessInformationLocalLoop，McWiLL）McWiLL是一种移动宽带无线接入系统，也是SCDMA综合无线接入技术的宽带演进版，它可以同时支持语音业务、数据业务和多媒体，是语音数据一体化的宽带无线接入系统。受通信速率等因素制约，McWiLL未能得到大规模应用，仅在部分省公司得到小规模应用。
5）全球微波互联接入（WorldwideInteropera-bilityforMicrowaveAccess，WiMAX）WiMAX以IEEE802.16的系列宽频无线标准为基础，其中802.16d标准面向无线宽带接入，802.16e标准主要面向移动通信。WiMAX采用了代表通信技术未来发展方向的正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）/正交频分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）、自适应天线系统（AdaptiveAntennaSystem，AAS）、多入多出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）等先进技术。
WiMAX在部分省电力公司得到小范围试点应用，取得了较好的效果。
6）无线Mesh网络无线Mesh网络（无线网格网络）由adhoc网络发展而来，是一种“多跳（multihop）”网络，是解决“最后一公里”供电问题的关键技术之一。无线Mesh网络具有动态
自组织、自配置、自维护等特点。双频或多频无线Mesh网络采用多个频段（如5.8GHz和2.4GHz）实现回程网络的构建及无线覆盖。无线Mesh网络是无线城市采用的重要技术，在部分城区电网及高压输电线路状态监测中也得到小规模应用。
7）时分长期演进（TimeDivision-LongTermEvolution，TD-LTE）TD-LTE是TDD版本的LTE技术，即LTE-TDD（国内亦称TD-LTE），由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定，是国际电信联盟确立的第4代通信标准之一。2009年以来，国家电网公司结合智能电网配用电等业务需求，基于电力系统现有的230MHz频谱资源，利用TD-LTE关键技术开展了一定范围的电力无线通信试点建设，取得了良好的应用效果。
除上述无线通信技术以外，电力系统租用的公网无线/移动通信还采用了如 2G通信GPRS（GSM）/CDMA、3G通信TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000，以及正在兴起的LTE等一系列移动通信技术。此外，在电力应急通信中也用到卫星通信、数字集群、超短波通信等技术。
3.1.2国内外电力企业无线专网通信技术发展状况国外智能无线专网通信技术研究已有较长时间，加拿大在2009年就已将1800～1830MHz频段分配给智能电网无线专网通信，美国FCC也将采用同样的频段用于智能电网项目。目前在美国、澳大利亚和加拿大，大型能源企业均考虑或已选择以无线专网作为其智能电网系统的通信解决方案，具体应用案例包括：（1）加拿大HydroOne，全网采用无线专网进行智能电网建设，共建设基站近4000个，覆盖业务包括智能集抄、监控、配网控制、内部员工通信及宽带接入。
（2）美国通用电气（GE）2010年成功测试了利用无线专网技术的智能电表。此次测试由GE公司与美国电力公司（AEP）以及美国密歇根州第二大电力公司（ConsumersEnergy）共同完成。
（3）美国国家电力公司（NationalGrid）在2009年9月进行无线专网技术的智能电网规划。
随着国内配网自动化、计量自动化（用电信息采集）业务的开展，现有主网采用的光纤通信技术、载波技术在中低压配电网中应用存在诸多困难。中低压配电网具有数量大、
分布广、变动较频繁、单点业务速率低、安全性和可靠性要求高等特点，光纤通信技术、
载波技术等有线通信技术建设成本昂贵、工期长（无法预期）等致命问题，而无线公网的网络可靠性、安全性、低带宽、大时延、业务中断率高等缺陷，均严重影响了配网自动化业务的开展。
由于成本太高、难于施工等原因，光纤通信技术无法在配网通信中进行大规模普及，因此无线专网仍将作为配网通信主要的通信方式。配网自动化通信系统的建设原则应该为“光纤通信+无线专网，以专网为主、公网为辅，无线技术为主、其他无线通信技术为辅”。
3.1.3无线专网通信技术应用的意义随着无线通信技术的发展，运营商占用的频谱资源和网络接入带宽逐步提高，但是无线公网在容量规划上是按照一定的并发比（一般为30%左右）设计的，无法满足所有在线用户同时发生通信的需求。在发生重大事故（如抢险、救灾等）、重要事件（如重大会议、重大赛事活动等）时，公网的通信量会达到网络容量设计容限，存在大量用户无法接入的情况，而此时一般电力公司也正在执行保电任务或抢修业务（包括恢复运营商设备供电），如果电力设备信息传送和现场通信过度依靠公网，必然存在不可靠因素。电力无线专网只接入电力业务，相对于无线公网接入存在有线、无线等多方面入侵方式，无线专网只存在无线空口入侵威胁，同时可根据电力业务特殊安全需求在核心网、基站、终端等多个层面进行安全加固，全面提升无线通信的安全性。
多介质融合电力信息通信网建设无线专网接入系统相对于光纤网络具有组网灵活、施工简易等优势，无线专网相对于无线公网具有传输资源可控、服务质量保障高等优势。近年来，随着智能电网建设的持
续推进，配电自动化建设需求增加，终端通信接入网建设规模不断扩大，仅靠光纤通信难以满足通信覆盖的要求，而无线专网可与光纤通信互为补充、有机融合，形成光纤+无线专网的终端通信接入网主流建设模式，为智能配用电业务的发展持续提供坚实的支撑和保障。另外，电力通信专网主要的组网方式是光纤通信，如果出现自然灾害，就会导致光缆的正常运行受到影响，严重时将导致大面积的光缆中断继而影响其通信安全，且对其进行抢修将会面临难度大和时间较长的问题，这将直接对电力系统的安全稳定运行产生影响。
鉴于无线通信技术具有不依赖于电网网架、抗自然灾害能力强、覆盖面广等优点，正好弥补了光纤通信的不足，非常适用于紧急情况下的电力系统应急通信。在这样的背景下，研究更好地利用无线通信技术构建电力通信网络，对电力系统运行和提供优质高效的电力服务具有重要的意义。 3.2无线专网通信的关键技术3.2.14G宽带LTE技术4G宽带LTE无线专网技术作为国际电联唯一认可的第四代通信技术，在全世界范围都受到高度重视，网络遍及各式各样的智能传感器将电力设备、设施互联并感知，实现电力系统的分布式智能信息传输、计算和控制。该技术构建接入灵活、标准统一、稳定可靠的电力智能物联网，为智能电网的稳定运行保驾护航。全球133个国家，使用此技术的用户人数已经突破10亿。LTE技术分为TD和FD两种版本，二者技术体制和性能指标有微小差异。中国主导TD版本，用户已经突破1亿人。对于专网，工信部发布中华人民共和国无线电频率划分规定，批准电力等行业用户的宽带TD-LTE无线专网使用频率。北京、南京已经全面建成宽带TD-LTE智慧城市专网，珠海、广州也已经成规模地建设起TD-LTE电力专网，充分验证了宽带LTE专网的安全性和可靠性。
相比于3G技术，LTE技术的特点包括以下6个方面：（1）LTE技术有利于通信速率的提高，上行峰值速率和下行峰值速率都得到了相应的提高。
（2）频谱的效率在很大程度上得到了增强。
（3）基于分组，系统在整体架构上进行交换。
（4）无线网络的时延问题得到了一定改善。
（5）基站的分布位置不发生变化时，小区边界的比特率会得到相应的增加。
（6）网络兼容性也随之得到了增强，这样就使得系统可以在同时对3G通信系统和非3GPP规范系统进行必要的支持。
LTE技术的关键技术包括3方面的内容，可以使用户在移动通信体验方面得到进一步提升，同时可以为运营商带来技术优势和成本效益。
1）OFDM技术在LTE技术中，OFDM技术是主要的技术。运用OFDM技术的主要目的是降低信道时延，防止符号相互干扰。通常，当信道时延在扩展上小于OFDM符号前所增加的保护间隔时，符号相互干扰的情况就会得到完全消除。此外，对OFDM参数进行设定，有助于提高系统的整体性能。运用循环前缀可消除符号间的干扰，循环前缀的长度决定着OFDM系统
在抵抗多径方面的能力。为了使直径为200km的区域满足OFDM系统的覆盖要求，需要根据场地进行选择，并在LTE系统中运用两层前缀循环。
OFDMA技术是OFDM（正交频分复用）技术的一个变体，在无线网络系统中被广泛应用，但在蜂窝网络里应用则属于相对较新的技术。OFDM系统不是使用单载波来传输高速率数据流，而是利用大量紧密间隔的正交子载波并行进行大量数据的传输。每个子载波采用的都是传统的调制方案，如QPSK（正交相移键控）、16QAM（正交振幅调制）或64QAM。利用成百上千的子载波同时进行数据传输，而每个子载波在相同带宽条件下都能获得类似传统的单载波调制方案的传输速率。虽然OFDM技术在通信系统中的应用的历史很长，但在移动设备上的应用则是最近的事。欧洲电信标准协会（ETSI）在20世纪80年代末已经在研究OFDM在GSM中的应用，然而那时受移动设备处理能力的限制，作为OFDM系统核心的快速傅里叶变换（FFT）需要消耗大量的计算资源，在当时条件下显得过于昂
贵。1998年，3GPP才开始严肃考虑在UMTS中采用OFDM技术，但最后选择了基于CDMA的替代技术。今天的数字信号处理成本已大大降低，OFDM系统目前已被认为是解决手机终端无线传输问题可行的商用解决方案。
2）MIMO技术对LTE来说非常重要的一个概念是多天线技术，该技术更多时候被简称为多入多出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）技术，该技术利用的是无线信道的空间多样性。多天线技术主要有三种类型：分集技术、MIMO和波束成形。这些技术被用来提高信号的健壮性，提升系统容量和单用户数据速率。每种技术都有其自身的性能优势和代价，MIMO要求有两个或两个以上的发射器和两个或更多的接收器。对于一个MIMO系统
而言，它必须拥有与传输流数量相等的接收器。传输流的数量不应与发射天线的数量相混淆，它们不是一个概念。MIMO的理论增益是多个变量的函数，这些变量包括发射和接收天线的数量、电波传播环境、发信机适应不断变化环境的能力及信噪比（SNR）。理想情况下，在无线信道里路径是完全不相关的，物理电缆连接下的发射器和接收器之间不存在任何串扰。但这种情况在自由空间中几乎是不可能实现的，因为存在很多的变数，所以不考虑环境变化条件计算MIMO增益是没有意义的。在理想条件下，MIMO增益的上限更容易界定。对于一个有两个同步数据流的2×2系统，利用MIMO技术可以使其容量和数据传输速率翻倍。
MIMO技术有利于系统在传输率方面进一步得到提高，所以应该重视MIMO技术。根据相关比较可以发现，OFDM系统的子波衰落更为平坦，结合MIMO技术一起使用可以有效地提高系统的性能。将多天线运用于发射端，并将多通道运用于接收端，使得MIMO技
术得到了更好的运用。其中，多天线接收机凭借空时编码处理方式对数据子流进行分开和解码，确保处理效果达到最佳。运用并行信道传输数据，可以在很大程度上提高传输速
率。当然，MIMO技术使得发射多径无线信道和接收多径无线信道这两个过程成为一个整体，显然有利于通信容量的提高，以及高频谱利用率的增强。也就是说，MIMO技术有利于干扰对消处理以及空域时域处理。
3）高阶调制技术为了使系统的下行峰值速率达到100Mb/s，基于原有的3G通信，LTE系统应该使64QAM的高阶调制增加。通过计算可知，64QAM的频谱有着较高的利用率，然而却在信号比和可靠性方面不高。也就是说，对该高阶调制加以运用，可以提高信道利用率。
此外，由于制式和频段（多处于如2.6GHz的高频）的差异，TD-LTE的基站覆盖能力比3G差，在实际网络建设中（如在TD-LTE初期建设中，多与现网的3G共基站或基于3G基站进行升级），室外覆盖的盲区、弱覆盖问题较为严重，而室内覆盖更差。若使用传统的宏基站解决弱覆盖问题，则存在站点选址困难、投资高等问题。LTE-A系统引入了Relay技
术来增强室外的覆盖能力，可提高小区边缘吞吐量，同时又引入了SmallCell技术来增强室内的覆盖能力。
3.2.2宽带无线专网WiMAX技术WiMAX即全球微波互联接入。WiMAX也叫802.16无线城域网或802.16网。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km，此外它还具有QoS（服务品质）保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。
WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、
MIMO等先进技术。随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。
因为WiMAX有互联网传输的背景，所以WiMAX网络使用的做法类似于移动电话。
我们把一定的地理范围分成多个重叠的区域，这个重叠的区域称为单元。当用户设备从一个单元移动到另一个，无线连接也顺延从一个单元过渡到另一个单元。WiMAX网络包括两个主要组件：一个基站和用户设备。WiMAX基站安装在一个立式设施或高楼上，目的是为了广播此无线信号。用户接收到信号，然后启动笔记本电脑上的WiMAX功能，或MobileInternetDevice（MID），或者WiMAX调制解调器即可使用。
WiMAX的主要技术分析如下：1）传输范围WiMAX的设计可以在需要执照的无线频段，或是公用的无线频段进行网络运作。只要系统所属企业拥有该无线频段的执照，而让WiMAX在授权频段运作时，WiMAX便可以用更多频宽、更多时段与更强的功率进行发送。Wi-Fi的设计是只在公用频段中的2.4GHz到5GHz之间工作。美国的联邦通信委员会（FCC）规定Wi-Fi的传输功率要在1～100mW之间。一般的WiMAX的传输功率大约为100kW，所以Wi-Fi的功率大约是WiMAX的一百万分之一。使用比Wi-Fi基站高一百万倍传输功率的WiMAX基站，会有比Wi-Fi终端更大的传输距离，这也是显而易见的了。
虽然WiMAX显然有较长的传输范围，但是在使用WiMAX基站时必须注意，必需拥有一个经授权的无线电频段。如果WiMAX跟Wi-Fi一样都使用未授权的工作频段，则它的传输优势就消失了。WiMAX跟Wi-Fi都是基于无线频段传输的技术，所以受同样的物理定律限制。反之，如果在同样的条件下，让Wi-Fi使用授权频带，Wi-Fi同样也可以跟WiMAX一样有较大的传输范围。另外，虽然WiMAX可以利用较新的多径处理技术，但新推出的Pre-NMIMO（多天线双向传输）技术也为Wi-Fi所采用。
2）传输速度大多数人都看好WiMAX在传输速度方面的优势。虽然WiMAX声称最高速度为324Mb/s，然而最新的Wi-FiMIMO理论上也有108Mb/s的最高速度，已经经过实验验证确认的速度约为300Mb/s。目前使用WiMAX技术的商用产品很少，且该技术也会受技术问题与物理定律的限制。无线ISP企业在组建WiMAX网络的时候，同样会遇到其他无线企
业遇到的频宽竞争问题。授权频段的WiMAX系统涵盖范围极大，约数十千米，其组建可说是一把双刃剑，这是因为其无线覆盖范围非常大，里面会有极多的使用者同时竞争同样的频宽。即使无线ISP企业使用多个独立的频道来运作，在同一个频道中，还是会有数倍的Wi-Fi用户在使用。一般来说，一家无线ISP企业，不管是无线微波企业、3G移动企
业，还是卫星电话企业，同样都会遇到频宽竞争与QoS管控的问题。如果网络的延迟在200～2000ms，那么很难正常使用VoIP、视频会议、网络游戏等即时应用。理论上可以在WiMAX中加上QoS机制，以供VoIP使用，只是目前仍然没有商用的产品出现；而在Wi-Fi技术方面，Spectralink上的QoS运作效果已被证实，同时802.1le的无线QoS标准也将要推出。无线ISP企业组建WiMAX一般会比非授权的WiMAX或Wi-Fi基站慢一些，因为无线ISP企业不太可能让少数用户使用整个频段。使用公用频段的WiMAX基站与Wi-Fi基站的设置两者哪一个速率更快，在实际应用上取决于推出的商用产品。由于理论上它们的传输功率与频段大致相同，而市场上已经有大量成熟的Wi-Fi产品，Wi-Fi在非授权频段这一点已经领先一大步，因此WiMAX多向无线ISP企业方向发展。
3）安全性从安全性的角度来说，WiMAX使用的是与Wi-Fi的WPA2标准相似的认证与加密方法。其中的微小区别在于WiMAX的安全机制使用3DES或AES加密，然后再加上EAP，这种方法称为PKM-EAP；而Wi-Fi的WPA2则使用典型的PEAP认证与AES加密。两者的安全性都是可以保证的，因此在实际应用中网络的安全性一般取决于实际组建方式的正确合理性。
WiMAX技术与802.16标准都是十分重要的，是无线ISP企业未来合理的演进方向，但并非无线网络技术的终极解决方案。WiMAX或其他无线网络技术将会是互补的，同时这些无线技术也不可能取代人们对有线技术的需求。无线连线方式尽管使用起来更灵活、更方便，但有线连线方式一般传输速度更快、更可靠。
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