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卫星通信在电力系统应急通信的应用探讨
摘要：自然或人为的突发性紧急情况，往往可能导致正常通信设施的破坏，建设应急通信机制，有利于构建坚强可靠的电力通信网。本文结合卫星通信技术的特性，探讨卫星通信在电力系统应急通信的 应用方案。
关键词：应急通信、电网通信、卫星通信、应用分析
作者信息：
罗瑶，广东省电力设计研究院，研究方向：电力系统通信规划和设计，广东，广州，510663
概述
电力系统应急通信是指在出现自然或人为的突发性紧急情况，如台风、海啸、暴雨、洪水、地震、冰雪或人为破坏，在原有变电站正常通信设施可能出现瘫痪或拥塞的情况下，为应对紧急情况而综合利用各种通信资源和设备， 组织建立的一种特殊的通信机制。应急通信在发生紧急情况时，可以在原正常通信系统瘫痪情况下尽快恢复通信，保障电力系统正常运行或尽快恢复运行，最大限度减少对 社会和国家造成的损失，保障社会、国家各项 工作的顺利执行。
大多数情况下，无法确定预知什么时候会需要应急通信，无法进行事先准备。有些情况下，虽然人们可以预知需要应急通信的大致时间，但却没有充分的时间做好应急通信的准备。 大多数情况下，也不确定需要应急通信的地点。仅少数情况下，可以大致确定需要应急通信的地点。这些地点包括有天气预报的台风影响的区域，有地震预报的地震影响区域等。
近年来卫星技术得到很好的 发展，卫星采用动态功率 管理和动态带宽管理(DLA)等新技术，能根据天气的变化自动调整星上的功率分配，同时能自适应地调整卫星链路的调制和纠错编码方式，以保证降雨时通信链路的畅通。目前卫星新技术的采用，使系统的容量更大，在链路带宽、可靠性和传输性能都得到了提高，终端站成本和卫星链路成本也进一步降低。目前采用基于IP 包交换技术的宽带通信系统，能灵活的接入多种业务。新一代的卫星通信地面站安装简单、快捷，更便于受灾情况下的设备迅速安装。
本文将简要介绍卫星通信的技术，给出卫星通信在电力系统应急通信的推荐应用方案，并综合分析其 经济性等，并形成卫星通信在电力应急通信系统应用的结论。
卫星通信技术简介
基本原理
卫星通信设备包括射频设备和中频设备，射频设备选用Ku波段≥16W ODU，中频设备为卫星调制解调器。其工作过程为：上行方向，来自通信终端设备如图像编解码器、 计算机、语音、图像、数据等数据流经过复接器传给卫星调制解调器，经过编码、纠错、调制后形成70MHz中频信号，再传输送至ODU，通过变频及信号放大，形成Ku波段信号，由卫星天线发射上星;下行方向，由天线接收到的来自卫星的Ku波段信号，经ODU放大变频后成为70MHz信号，传送给卫星调制解调器，信号被解调、解码后形成基带信号，再经过复接器分发给各个通信终端。卫星调制解调器可同时接收到自己发射的下行信号，通过显示器监控发射图象信号的质量。
组网方案
同步卫星通信系统(GEO)是终端在移动，卫星是静止的(由于卫星绕地球的运行周期与地球自转同步，而对地球应相对静止)，所以又称为静止轨道卫星系统。 GEO的卫星距地约36,000Km，通常约三颗卫星可以覆盖全球。移动站与卫星间的移动卫星链路用L频段，卫星地面站与卫星间的无线馈线链路采用C频段(图1)。目前较普遍采用的VSAT(小站卫星系统)也属于这类系统。VSAT由主站、小站和卫星组成，主站使用大型天线，用于Ku波段的天线直径为1.2m-8m，用于C波段的天线直径为7m-13m;小站天线的直径为0.3m-2.4m。
图1 VSAT通信系统示意图
技术特点
卫星通信的传播距离远。同步通信卫星可以覆盖最大跨度达一万八千公里的区域。在这个覆盖区的任意两点都可通过卫星进行通信，而微波通信一般是50公里左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于300多个微波中继站。
卫星通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星，可携带几十个转发器，可提供几十路电视和成千上万路电话。
卫星通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少，不受地理条件和气象的影响，可获得高质量的通信信号。
卫星通信运用灵活、适应性强。它不仅能实现陆上任意两点间的通信，而且能实现船与船、船与岸上、空中与陆地之间的通信，它可以组成一个多方向、多点的立体通信网。
卫星通信成本低。在同样容量、同样距离的条件下，卫星通信和其他通信设备相比，耗费的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高，随着设计和工艺的成熟，成本在不断降低。
卫星通信推荐应用方案
卫星通信解决方案
针对电力系统变电站为主的应急通信需求，由于变电站位置固定，故暂不需要考虑可移动的车载卫星终端。采用卫星通信系统组成电力应急通信系统，有以下3个方案：
卫星手机方式
根据需要在变电站配置多套卫星手机，租用运营商的信道。
在应急情况下需要优先解决的是语音业务，目前卫星运营商已推出卫星移动手机的服务，它采用基于卫星的GSM变种模式，卫星上共有140个L波段点波束，系统采用7小区频率复用模型(理论上与GSM相似)。在应急情况下，由卫星手机与调度中心建立语音通信，由调度中心对变电站进行语音调度和指挥。
固定式卫星终端
在调度中心设置一个卫星通信固定中心站，在重要变电站或者台风易发生的变电站设立固定式卫星终端。
应急通信网采用点对多点的结构，租用卫星通信 网络运营商提供的链路服务，组成卫星宽带网的电力调度应急无线通信网，卫星通信网可以作为光纤传输网的备用方式。卫星通信网是基于IP协议的，同一平台支持多种业务，包括话音和数据业务，每条租用的卫星链路不小于64K。其中要求卫星中数据的双向传送应能满足调度自动化设备厂家及电力传输规约要求。
图2 固定式卫星终端结构示意图
便携式卫星终端
在调度中心设置一个卫星通信固定中心站，配置两套便携式卫星终端。
应急通信网采用点对多点的结构，租用卫星通信网络运营商提供的服务，组成卫星宽带网的电力调度应急VPN私有子网。各子站的设置位置既考虑地理上覆盖均匀，又要考虑站点的重要性。便携式卫星终端平时不工作，出现突发灾难或事故时，将便携式卫星终端迅速运往受灾变电站，进行建议安装便可使用，主要与调度指挥中心通信，可以把事故现场的视频图像传回指挥中心，统一由指挥中心进行语音调度，并与现场召开视频会议，指挥抢险救灾。根据灾难情况一般有一个或多个移动子站投入使用。卫星通信网要求基于IP协议的，同一平台支持多种业务，包括数据、话音、图像以及多媒体业务，考虑到视频的质量，建议租用链路不小于2Mbps。
图3 便携式卫星终端结构示意图
方案比较
方案二及方案三，调度中心需配置卫星天线、解调设备及网络管理系统，中心交换机需采用高端的三层交换机，并配置VOIP网关与现有带VOIP网关的行政交换机的连接，可提供多路电话和传真。其中，第三种方案可利用H.323协议接入现有的会议电视系统，由交换机进行VLAN的划分和路由的指向。便携式卫星通信终端要求体积小，重量轻，安装架设快速方便。它可以在卫星通信车无法到达的现场实现卫星通信功能，为现场与指挥中心之间提供视频、音频、数据和语音通信。
卫星通信频段选择
选择Ku波段的优点是：使VSAT小站的天线口径小、便于便携和车载。受变电所电磁谐波干扰影响也更小;但由于主要应急通信区域基本上都在降雨量很大的南方亚热带和热带地区，雨衰问题必须考虑。可根据链路计算，预留足够余量，并将VSAT小站的发射功率按推到饱和状态运行。
选择C波段的优点是：雨衰特性比Ku波段要好，受降雨对VSAT通信的影响比Ku波段要小得多。但在C波段下，VSAT应急台站的天线口径要比Ku的要大、不便于便携，如果用于车载台站，则势必很大的增加车辆的造价。
如果选择固定台站采用C波段，而便携和车载台站选择Ku波段，则会极大地增加台站间各种业务互通之间的难度和质量。因此，无论使固定台站还是移动台站还是宜选择同一波段的同一网络平台。
经济分析评价
卫星通信三种方案在提供业务类型、技术特点及建设费用等方面的比较如下：
卫星手机 固定式卫星终端 便携式卫星终端
提供的业务类型 语音 语音、数据 语音、数据、视频
是否需要中心站 否 是 是
卫星小站硬件费用 最低 中等 最高
移动性 好 不好 好
带宽 (GSM)9.6kbps;
(卫星)2.4kbps 64kbps至2Mbps 2Mbps/4Mbps可选
链路租用费用计算方法 按分钟计算 按带宽及月计算 按小时计算
链路租用费用 最低 中等 较高
综合以上三种方案，如果考虑电力系统二次安全防护体系，调度自动化业务必须在电力专网上承载，那应急情况下也只需恢复语音业务，那就采用卫星手机方式。当在应急情况下如果能允许调度自动化业务由公网承载，固定式卫星终端目前能解决语音和调度自动化业务的传送，它可以作为光纤通信方式的备用，由于固定站的建设费用和链路租赁费用不高，可以在重要的500kV变电站采用这种方式进行业务的保护，需要用的时候才打开设备进行传送。便携式卫星终端更倾向于解决变电站的抢险救灾，由于硬件费用较高，不建议大面积设立，而且由于视频对带宽要求高，只能实现中心站与最多两个受灾点的 联系。
结论
卫星通信具有无缝覆盖，覆盖面广，通信距离长，通信线路稳定，通信频带宽、容量大等特点。对于受灾地点不确定和时间不确定等因素，卫星通信具有不可比拟的优点。建议电力系统可采用以上介绍的三种方案互相结合的方式，实现高效、快捷、灵活、可靠、经济的应急通信。