700 MHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

熊正平，完顏紹澎，顧舒嫻，于 佳

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222002；2．南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；3．南京蘇逸實(shí)業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡(luò)分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

無線通信是保障能源互聯(lián)網(wǎng)安全、可靠和高效運(yùn)行的有效手段［1-2］。隨著大量分布式可再生能源的接入和智能量測設(shè)備的應(yīng)用，無線通信的重要性將進(jìn)一步提高［3］。5G作為面向2020年后的新一代移動通信技術(shù)，是未來無線技術(shù)的發(fā)展方向［4-5］。5G能夠帶來超高帶寬、超低時(shí)延以及超大規(guī)模連接的用戶體驗(yàn)［6］，其基于軟件定義、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠支持網(wǎng)絡(luò)資源的按需定制、高動態(tài)擴(kuò)展與自動化部署，支持從接入網(wǎng)、核心網(wǎng)到承載網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，從而為電力行業(yè)用戶打造定制化的“行業(yè)專網(wǎng)”服務(wù)，從而更好地適應(yīng)未來電力多場景、差異化業(yè)務(wù)靈活承載的需求，有力促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新［7-8］。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5G專網(wǎng)將作為支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施來滿足各類場景需求，形成電網(wǎng)新業(yè)態(tài)，推動能源生態(tài)圈的質(zhì)效提升和業(yè)態(tài)變革。為滿足業(yè)務(wù)需求，提高通信技術(shù)指標(biāo)的適應(yīng)性，需要采用5G技術(shù)從根本上解決電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)支撐問題［9-10］。文獻(xiàn)［11］雖然描述了5G切片在電力物聯(lián)網(wǎng)中的研究和實(shí)踐，但是沒有針對電力業(yè)務(wù)，對5G網(wǎng)絡(luò)在電力中的應(yīng)用做詳細(xì)描述。重點(diǎn)針對700 MHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析，并闡述了700 MHz 5G專網(wǎng)與230 MHz無線專網(wǎng)混合組網(wǎng)的方式，以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。

1 電力業(yè)務(wù)需求分析

未來電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，配電物聯(lián)網(wǎng)、用戶側(cè)需求響應(yīng)、電力現(xiàn)貨交易等新興業(yè)務(wù)將蓬勃發(fā)展，促進(jìn)電網(wǎng)“透明化”、“可感知”，助力公司向智能電網(wǎng)運(yùn)營商、能源產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈整合商、能源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)商轉(zhuǎn)型發(fā)展［12］。電網(wǎng)將被打造成源網(wǎng)荷儲全程在線、設(shè)備和裝置全程在線、產(chǎn)業(yè)與生態(tài)全程在線的平臺，使電網(wǎng)成為能源輸送和轉(zhuǎn)換的樞紐，社會經(jīng)濟(jì)和民眾需求的共享平臺。同時(shí)，驅(qū)動電網(wǎng)從傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)向平臺型轉(zhuǎn)化，支撐供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)的聯(lián)動，高效連接新能源、各類儲能、電動汽車、電能替代、能效互動等元素和服務(wù)，形成電網(wǎng)新業(yè)態(tài)，推動能源生態(tài)圈的質(zhì)效提升和業(yè)態(tài)變革。

以配電物聯(lián)網(wǎng)為例，配電物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，通過配電網(wǎng)設(shè)備間的全面互聯(lián)、互通、互操作，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，滿足配電網(wǎng)精益化管理需求，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。配電物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)包括“云、管、邊、端”四大核心層級，需滿足業(yè)務(wù)靈活、高效、可靠、多樣的通信接入需求。配電物聯(lián)網(wǎng)包含多種信息采集類業(yè)務(wù)，如配變監(jiān)測、臺區(qū)與低壓用戶用電信息監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、剩余電流動作保護(hù)器監(jiān)測、配電箱功耗監(jiān)測、線損分析等。當(dāng)前采集范圍主要為電力一次設(shè)備，采集頻次包括月、天、小時(shí)級，采集內(nèi)容以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖像為主，單終端碼率約為100 kbit／s，每平方千米連接數(shù)量可達(dá)百個(gè)。未來，配電物聯(lián)網(wǎng)采集范圍將擴(kuò)展到電力二次設(shè)備及各類環(huán)控、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體場景，采集頻次將達(dá)到分鐘級、準(zhǔn)實(shí)時(shí)水平，采集內(nèi)容視頻化、高清化，單終端帶寬需求增加至4~100 Mbit／s之間，連接數(shù)量預(yù)計(jì)顯著增加，每平方千米達(dá)數(shù)百甚至上千個(gè)。

在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的驅(qū)動下，電力無線通信業(yè)務(wù)需求將進(jìn)一步提升：電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)的時(shí)延將縮短至10 ms，可靠性需求最高提升至99.999%；采集類業(yè)務(wù)種類將激增，且在覆蓋廣度上最高需要提高50~100倍，達(dá)到數(shù)十億級別，每平方千米接入量將增加至數(shù)千個(gè)；移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)最高需要提升到50 Mbit／s帶寬與毫秒級時(shí)延。存量業(yè)務(wù)優(yōu)化提升、新興業(yè)務(wù)發(fā)展對無線通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力提出了新的挑戰(zhàn)。

結(jié)合目前電力無線專網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證及權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)測試情況，230 MHz電力無線專網(wǎng)系統(tǒng)平均傳輸時(shí)延為 50～100 ms［13］，當(dāng)工作帶寬為 7 MHz時(shí)基站吞吐量約為 10 Mbit／s；4G公網(wǎng)平均傳輸時(shí)延超過100 ms［14］，實(shí)際終端接入速率小于 10 Mbit／s。 因此，230 MHz電力無線專網(wǎng)和4G公網(wǎng)對于電力物聯(lián)網(wǎng)存量業(yè)務(wù)優(yōu)化提升、新興業(yè)務(wù)發(fā)展的支撐上存在瓶頸，不足以支撐單位面積內(nèi)的海量連接、帶寬接入和低時(shí)延業(yè)務(wù)需求。

2 5G網(wǎng)絡(luò)傳播模型

傳播模型用于預(yù)測無線電波在各種復(fù)雜傳播路徑上的損耗，是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。傳播模型的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，是否能以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿足建設(shè)的需求。

5G網(wǎng)絡(luò)的3D傳播模型，支持頻率范圍0.5~6 GHz，分為宏站市區(qū)、宏站郊區(qū)和農(nóng)村這2種模型。

針對宏站市區(qū)，使用的傳播模型公式為［15］

式中：PL為傳播路徑損耗，dB；hUT為終端設(shè)備的實(shí)際高度，m；hBS為基站的實(shí)際高度，m；fC為中心頻率，GHz；d3D為基站與終端設(shè)備的空間距離，m；w為街道寬度，m；h為場景建筑物平均高度，m。具體參數(shù)如圖1所示。

頻率越低傳播損耗越小，覆蓋距離越遠(yuǎn)繞射能力越強(qiáng)。低頻段頻率資源緊張，系統(tǒng)容量有限；高頻段頻率資源豐富，系統(tǒng)容量大，但頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，特別是室內(nèi)覆蓋越差。因此高頻段需要的站址數(shù)量遠(yuǎn)大于低頻段。同時(shí)覆蓋范圍還受建筑物密度高度、地形地貌、植被分布等影響，而適當(dāng)增加天線高度，可以減少傳播損耗。

圖1 傳播模型參數(shù)

根據(jù)式（1）和式（2），可得出在城區(qū)和郊區(qū)農(nóng)村的覆蓋半徑，選取5G最常用的頻段，分析得出各頻段基站覆蓋半徑如表1所示。

表1 各頻段5G基站覆蓋半徑 km

3 5G專網(wǎng)與公網(wǎng)能力對比

若使用5G專網(wǎng)，可由廣電提供700 MHz“黃金頻段”（698~806 MHz）中的部分頻譜資源，自建基站、傳輸網(wǎng)至核心網(wǎng)的5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。5G專網(wǎng)使用的700 MHz頻段具有信號傳播損耗低、覆蓋廣、穿透力強(qiáng)、組網(wǎng)成本低等優(yōu)勢特性，被稱為“數(shù)字紅利”。若使用5G公網(wǎng)，可租用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)資源，運(yùn)營商通過端到端網(wǎng)絡(luò)切片方式為電力行業(yè)用戶提供按需定制的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。5G公網(wǎng)運(yùn)營商所使用的頻譜主要為：中國移動 2.515~2.675 GHz、4.8~4.9 GHz，頻率范圍260MHz；中國電信 3.4~3.5GHz，頻率范圍 100 MHz；中國聯(lián)通3.5~3.6 GHz，頻率范圍100 MHz。

對比5G專網(wǎng)與5G公網(wǎng)能力：在頻譜資源方面，5G專網(wǎng)可獨(dú)享廣電700 MHz的部分頻率，而5G公網(wǎng)獨(dú)享部分頻率開展電力5G建設(shè)及應(yīng)用的可能性較小，需與其他行業(yè)共享頻率資源；在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面，5G專網(wǎng)的700 MHz頻段具有明顯優(yōu)勢；在產(chǎn)業(yè)鏈成熟度方面，5G公網(wǎng)現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢，5G專網(wǎng)的700 MHz產(chǎn)業(yè)鏈將隨著牌照的正式發(fā)放日趨成熟；在建網(wǎng)投資規(guī)模方面，5G專網(wǎng)因700 MHz頻率的傳播特性較好，單基站覆蓋半徑大，故建網(wǎng)投資相對較低；在業(yè)務(wù)支撐能力方面，5G專網(wǎng)具備靈活接入配用電側(cè)控制業(yè)務(wù)的能力，以及對電力業(yè)務(wù)需求定制化設(shè)計(jì)的能力，較公網(wǎng)可管、可控；在安全保障方面，5G專網(wǎng)具有明顯優(yōu)勢，具備對所承載業(yè)務(wù)自主管控的能力；在運(yùn)維模式方面，5G公網(wǎng)依托運(yùn)營商成熟的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)和手段，行業(yè)用戶使用5G公網(wǎng)具有免運(yùn)維優(yōu)勢；在運(yùn)營模式方面，5G專網(wǎng)更有利于開展電力物聯(lián)網(wǎng)新興業(yè)務(wù)，為公司培育發(fā)展新的利潤增長點(diǎn)。因此，5G專網(wǎng)能夠滿足電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及發(fā)展需求，以及公司對數(shù)據(jù)信息安全、網(wǎng)絡(luò)可管可控的要求，在長期運(yùn)行中具有更為顯著的效益。

4 5G專網(wǎng)綜合應(yīng)用

結(jié)合各自技術(shù)優(yōu)勢、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀，可實(shí)現(xiàn)700 MHz 5G專網(wǎng)與230 MHz無線專網(wǎng)通過混合組網(wǎng)方式承載電力物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用。當(dāng)前，700 MHz 5G產(chǎn)業(yè)鏈較3.5 GHz中頻段5G產(chǎn)業(yè)鏈薄弱，但隨著國內(nèi)5G牌照的發(fā)放，700 MHz產(chǎn)業(yè)鏈將日趨成熟。230 MHz無線專網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)階段已相對成熟，IoT-G 230 MHz、LTE-G 230 MHz 均已具備系統(tǒng)級設(shè)備。

230 MHz無線專網(wǎng)主要采用純自建方式，可優(yōu)先承載電網(wǎng)末端控制類業(yè)務(wù)，在滿足條件下可承載小顆粒采集類業(yè)務(wù)。5G專網(wǎng)主要采用與廣電合作共建方式，使用廣電700 MHz的部分頻譜資源，自建5G基站、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)與網(wǎng)管運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力5G網(wǎng)絡(luò)的自主建設(shè)及應(yīng)用，可同時(shí)滿足電力物聯(lián)網(wǎng)存量、增量及新興業(yè)務(wù)的承載需求。同時(shí)，230 MHz無線專網(wǎng)核心網(wǎng)支持升級演進(jìn)至5G專網(wǎng)基站接入；230 MHz無線專網(wǎng)基站也可接入公司自建的5G核心網(wǎng)，即實(shí)現(xiàn)5G專網(wǎng)與230 MHz專網(wǎng)共核心網(wǎng)部署，通過混合組網(wǎng)方式承載電力物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用。5G專網(wǎng)、230 MHz專網(wǎng)綜合應(yīng)用如圖2所示，采用700 MHz 5G專網(wǎng)與230 MHz無線專網(wǎng)混合組網(wǎng)的方式承載電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，二者基站共同接入核心網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)統(tǒng)一部署。

圖2 5G專網(wǎng)和無線專網(wǎng)綜合應(yīng)用

5 結(jié)語

5G專網(wǎng)將作為支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施來滿足電力各類場景需求，形成電網(wǎng)新業(yè)態(tài)，推動能源生態(tài)圈的質(zhì)效提升和業(yè)態(tài)變革。5G專網(wǎng)能夠滿足電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及發(fā)展需求，以及公司對數(shù)據(jù)信息安全、網(wǎng)絡(luò)可管可控的要求，并且可與230 MHz專網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用，在長期運(yùn)行中具有更為顯著的效益。