無線通信技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

佘世洲

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240; 2.安徽省電力公司銅陵供電公司，安徽銅陵 244000)

長期以來，國家對中低壓配電網(wǎng)建設(shè)投資有限，相對于主網(wǎng)來說，配電網(wǎng)架顯得比較薄弱。2012年，國家電網(wǎng)公司將加快配電網(wǎng)建設(shè)改造作為年度重點(diǎn)工作，而建設(shè)配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)不僅是智能配電網(wǎng)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)條件。

1 智能配電通信網(wǎng)總體介紹

智能配電通信網(wǎng)建設(shè)目標(biāo):利用經(jīng)濟(jì)合理、先進(jìn)成熟的通信技術(shù)，滿足智能配電網(wǎng)發(fā)展各階段對電力通信網(wǎng)絡(luò)的需求，支持各類業(yè)務(wù)的靈活接入，為電力智能化系統(tǒng)或設(shè)備提供“即插即用”的電力通信保障，為電力用戶與分布式電源提供信息交互通信渠道。

智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的發(fā)展，對配電通信網(wǎng)在實(shí)時(shí)性和傳輸帶寬方面提出比過去更高的要求。智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)主要分為實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)監(jiān)測、管理業(yè)務(wù)。例如縱聯(lián)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、高級配電自動(dòng)化、分布式能源接入等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)適合采用高可靠、低時(shí)延的光纖通信技術(shù)，智能電能表、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)適合采用覆蓋廣泛的無線寬帶通信技術(shù)。同時(shí)智能配電通信網(wǎng)還需要考慮滿足安全性要求，根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》及總體方案的要求，智能配電網(wǎng)中的縱聯(lián)保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化、能源站監(jiān)測、負(fù)荷控制等業(yè)務(wù)屬于電力監(jiān)控系統(tǒng)的范疇，該部分業(yè)務(wù)必須由生產(chǎn)控制大區(qū)的安全區(qū)1和安全區(qū)2承載。

根據(jù)智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)需求，配網(wǎng)主要通信方式有光端機(jī)通信、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通信、電力載波通信、無線公網(wǎng)通信、無源光網(wǎng)絡(luò)通信、無線寬帶WLAN通信、無線傳感網(wǎng)通信、無線專網(wǎng)通信等。目前主流建設(shè)方案一般為以光纖專網(wǎng)對重要節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)保障，以無源光網(wǎng)絡(luò)或者無線通信實(shí)現(xiàn)廣泛覆蓋、載波通信作為接入補(bǔ)充。

2 智能配電通信網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

智能電網(wǎng)通信主干網(wǎng)的核心要求是“堅(jiān)強(qiáng)高速”，接入網(wǎng)的核心要求是“可靠靈活易部署”，目前國內(nèi)智能配電通信網(wǎng)十二五規(guī)劃中，各省公司一般都考慮將xPON，PLC載波和無線專網(wǎng)進(jìn)行組合使用作為配電通信網(wǎng)解決方案，具體方式可分為以下兩種模型。

2.1 配網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋區(qū)域內(nèi)

配網(wǎng)自動(dòng)化站點(diǎn)一般包括柱上開關(guān)、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、配電室等，需要實(shí)現(xiàn)三遙(遙信、遙測、遙控)功能，通信網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和帶寬要求高，通信網(wǎng)宜采用光纖方式。由于傳統(tǒng)的SDH，ATM傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資高、建設(shè)周期長、運(yùn)行維護(hù)要求高等缺點(diǎn)，PON技術(shù)以組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展快速等比較明顯的優(yōu)勢已成為當(dāng)前國內(nèi)智能配電通信骨干網(wǎng)首選組網(wǎng)技術(shù)。

2.2 配網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋區(qū)域外

配網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋區(qū)域外的配電通信網(wǎng)建設(shè)，主要考慮無源光網(wǎng)絡(luò)通信、載波通信、無線公網(wǎng)通信以及無線專網(wǎng)通信等方式。無線寬帶WLAN通信和無線傳感網(wǎng)主要針對最后100 m接入網(wǎng)，覆蓋范圍較小。GPRS/CDMA/3G無線公網(wǎng)通信方式由于依賴公網(wǎng)運(yùn)營商，其安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性不能保證，當(dāng)接入用戶數(shù)目增加時(shí)，通信速率受影響嚴(yán)重，一般無線公網(wǎng)大多用于不需要遙控的終端通信等應(yīng)用。載波通信方式存在傳輸帶寬狹窄，信號質(zhì)量差等問題，xPON無源光網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)由于配網(wǎng)改造工程多、網(wǎng)架頻繁變動(dòng)等特點(diǎn)，存在光纜敷設(shè)難度、成本過大問題。綜合考慮應(yīng)用無線專網(wǎng)技術(shù)規(guī)劃智能配電通信網(wǎng)是較為理想的選擇。

3 LTE無線通信技術(shù)簡介

3.1 WIMAX和LTE兩種主流無線通信技術(shù)比較

WIMAX英文全稱為Worldwide Interoperability for Microwave Access，即全球微波互聯(lián)接入，屬于廣域網(wǎng)技術(shù)范疇，主要用于寬帶無線連接和回程鏈路，目前IEEE802.16e和IEEE802.16m是WIMAX主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。LTE無線標(biāo)準(zhǔn)英文全稱Long Term Evolution，即長期演進(jìn)計(jì)劃，LTE有著高數(shù)據(jù)傳輸率、可分組傳送、延遲時(shí)間低、廣域覆蓋和向下兼容等優(yōu)勢(見表1)。

表1 兩種主流無線通信技術(shù)比較

這兩種技術(shù)都使用了先進(jìn)的方法，如正交頻分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)，而且它們也都是完全基于IP協(xié)議，都能為用戶提供10 Mbps以上傳輸速率，在可靠性方面均能對業(yè)務(wù)提供QoS保障，相對于XPON接入技術(shù)來說網(wǎng)絡(luò)部署方便，故障定位容易，同樣兩種方式都需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理委員會(huì)申請無線頻率資源。

3.2 LTE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀分析

LTE是從最早的GSM語音技術(shù)、用于數(shù)據(jù)傳送的GPRS和EDGE到目前的WCDMA和HSPA先進(jìn)3G技術(shù)發(fā)展而來的，目前LTE正處于ITU標(biāo)準(zhǔn)化過程中。全球大多數(shù)蜂窩運(yùn)營商都同意將LTE作為4G標(biāo)準(zhǔn)，LTE產(chǎn)業(yè)分為兩大技術(shù)流派，其中歐美主導(dǎo)推廣LTE FDD，中國移動(dòng)和日本軟銀主導(dǎo)推廣TD-LTE。

三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)性能比較見表2。

表2 三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)性能比較

TD-LTE是我國3G自主技術(shù)TD-SCDMA的后續(xù)演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，一旦在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的商用，即意味中國在下一代通信技術(shù)LTE標(biāo)準(zhǔn)上獲得了話語權(quán)。目前TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)設(shè)備廠商、芯片廠商、智能手機(jī)等方面與已形成大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的LTE FDD標(biāo)準(zhǔn)相比較，還存在較大差距，主要反映在芯片成熟度和手機(jī)終端支持方面。

4 TD-LTE在智能配電網(wǎng)終端接入網(wǎng)應(yīng)用分析

4.1 LTE基站覆蓋情況

LTE專網(wǎng)在天線高度足夠高(30 m)的情況下覆蓋能力能夠滿足一般城市配用電場景中的配電終端設(shè)備的通信接入需求，但在低天線高度和密集城區(qū)場景下還需要進(jìn)一步優(yōu)化覆蓋效果。

CPE終端高度1.5 m情況下實(shí)測小區(qū)覆蓋半徑見表3。

表3 實(shí)測小區(qū)覆蓋半徑 km

4.2 電網(wǎng)業(yè)務(wù)對無線專網(wǎng)帶寬及時(shí)延要求

電網(wǎng)業(yè)務(wù)對無線專網(wǎng)帶寬及時(shí)延要求見表4。

表4 電網(wǎng)業(yè)務(wù)對無線專網(wǎng)的要求

LTE專網(wǎng)在帶寬及延時(shí)指標(biāo)方面，完全匹配配電自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化、視頻監(jiān)控等等多業(yè)務(wù)承載需求。LTE系統(tǒng)上下行采用基于多業(yè)務(wù)Qos的分組調(diào)度算法，通過對網(wǎng)絡(luò)中不同流量的分類和管理，可以為配電自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化業(yè)務(wù)提供不同的延時(shí)、丟包率保證。

4.3 LTE無線專網(wǎng)實(shí)施注意事項(xiàng)

1)TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)推廣上存在的最主要困難就是頻段資源貧乏，無線電管理機(jī)構(gòu)給中國移動(dòng)分配的LTE頻段是2.6 GHz，企業(yè)如果要申請頻率資源建立無線專網(wǎng)獲批準(zhǔn)難度較大。

2)基站覆蓋范圍內(nèi)所有LTE終端共享無線網(wǎng)絡(luò)帶寬，一般根據(jù)用戶終端總數(shù)量、邊緣用戶的數(shù)據(jù)速率目標(biāo)確定覆蓋規(guī)劃，選擇天線數(shù)量、天線類型和傳輸模式對覆蓋性能影響較大。在實(shí)際施工中，可以通過高增益天線、CPE加高等普適性方案，解決區(qū)域弱覆蓋、上行業(yè)務(wù)無法滿足等問題，從而匹配配網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。

3)環(huán)網(wǎng)柜、電房旁架設(shè)站點(diǎn)天線抱桿需獲得市政部門審批與周邊居民理解。

5 結(jié)語

無線專網(wǎng)通信技術(shù)作為配電通信網(wǎng)終端接入網(wǎng)建設(shè)的一種重要手段，符合地理位置復(fù)雜、通信點(diǎn)多、單點(diǎn)信息量較小但總信息量大的需求，對于電能量抄表、負(fù)荷控制、配電自動(dòng)化等這些業(yè)務(wù)能充分發(fā)揮無線專網(wǎng)部署快速、擴(kuò)充方便、不受地面環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，TD-LTE無線通信技術(shù)能提供高帶寬低時(shí)延的通信通道，并采用128 bit AES加密來提高安全可靠性，使用分組調(diào)度算法來保證Qos服務(wù)質(zhì)量，能為未來配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展提供一種重要的“最后一公里”解決方案。

［1］ 辛培哲.智能配電網(wǎng)通信技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(217)：14-16.

［2］ 黃 朔.WiMax標(biāo)準(zhǔn)下3G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的運(yùn)用分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(1)：8-10.

［3］ 范寅秋，弭 娟.無線專網(wǎng)技術(shù)在智能配網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2011，7(5)：66-67.