用電信息采集系統(tǒng)無線專網(wǎng)與無線公網(wǎng)通信技術(shù)的比較分析

李 飛，王鴻璽，楊 鵬，樊曉輝，張穎琦，張 琳

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

用電信息采集系統(tǒng)無線專網(wǎng)與無線公網(wǎng)通信技術(shù)的比較分析

李 飛1，王鴻璽1，楊 鵬1，樊曉輝1，張穎琦2，張 琳1

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

為更好地支撐用電信息采集系統(tǒng)深化應(yīng)用需求，同時(shí)提高用電信息采集終端與采集主站之間通信數(shù)據(jù)傳輸速率、安全性和可靠性，對(duì)采集系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)程通信技術(shù)提出了更高的要求，對(duì)現(xiàn)有的用電信息采集遠(yuǎn)程通信方式與新型先進(jìn)的通信技術(shù)進(jìn)行比較分析，指出各種通信技術(shù)在用電信息采集應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足，為選擇更好的遠(yuǎn)程通信方式提供理論依據(jù)。

用電信息采集；終端；遠(yuǎn)程通信技術(shù)；電力無線專網(wǎng)；無線公網(wǎng)

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入推進(jìn)，電網(wǎng)智能化、信息化水平日益提升，對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)陌踩?、可靠性、?shí)時(shí)性提出了更高的要求。用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大，并已成為電網(wǎng)公司各專業(yè)的重要數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用支撐系統(tǒng)，與公共通信網(wǎng)不同，用電信息采集終端通信接入網(wǎng)是電力系統(tǒng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，涉及電力生產(chǎn)、調(diào)度、控制等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性等具有很高的要求。

目前，多采用租用電信運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS、CDMA 業(yè)務(wù)作為用電信息采集業(yè)務(wù)的無線通信手段[1]，而現(xiàn)有的通信技術(shù)手段已逐漸不能滿足支撐用電信息采集系統(tǒng)深化應(yīng)用的需求。智能電網(wǎng)信息的用電側(cè)數(shù)據(jù)采集存在節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大(百萬到千萬級(jí))、分布廣、環(huán)境差、空間有限、處理能力低、存儲(chǔ)空間小等問題，解決這些問題是無線通信技術(shù)在該領(lǐng)域發(fā)展的方向。

1 用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信架構(gòu)

用電信息采集系統(tǒng)通信信道包括遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道兩部分。遠(yuǎn)程通信信道是指各類采集終端與采集系統(tǒng)主站之間的通信接入信道。遠(yuǎn)程通信信道一端連接用電信息采集系統(tǒng)主站，另一端連接專用變壓器終端、集中器等終端或具備遠(yuǎn)程通信功能的智能電能表。

遠(yuǎn)程通信方式可供選擇的技術(shù)包括GPRS無線公網(wǎng)、CDMA無線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)、有線電視通信網(wǎng)、中壓電力線載波等[2]，可以是其中一種方式或多種通信方式的組合。遠(yuǎn)程通信架構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程通信架構(gòu)

國(guó)家電網(wǎng)公司用電采集系統(tǒng)建設(shè)快速推進(jìn)，遠(yuǎn)程信道主要采用外部電信運(yùn)營(yíng)商提供的無線公網(wǎng)通信方式，少部分采用光纖專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)等其他通信方式。

2 用電信息采集遠(yuǎn)程通信技術(shù)

2.1 無線公網(wǎng)通信技術(shù)

無線公網(wǎng)通信指采用公共運(yùn)營(yíng)商架設(shè)的GPRS、CDMA等通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用電信息采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，具有覆蓋范圍廣、永久在線、接入速度快、支持中高速數(shù)據(jù)傳輸、投入費(fèi)用低、可按流量收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，但無線公網(wǎng)通信方式的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性不高。目前用電信息采集系統(tǒng)中96%以上[3]的遠(yuǎn)程通信通道都是采用無線公網(wǎng)的方式。

目前應(yīng)用在電力系統(tǒng)的無線公用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有GPRS、CDMA、LTE等技術(shù)。

2.1.1 GPRS技術(shù)

GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)的英文簡(jiǎn)稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?Packet)式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。它突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換。

GPRS的傳輸速率可提升至56～114 Kb/s。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都更方便容易。由于使用了“分組”技術(shù)，用戶上網(wǎng)相對(duì)穩(wěn)定，避免了不必要的短線帶來的困擾。

2.1.2 CDMA技術(shù)

3G是第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的通稱，與2G技術(shù)相比較，3G技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)早在2000年5月即確定了CDMA、WCDMA和TD-SCDMA 3個(gè)主流3G標(biāo)準(zhǔn)。

a. CDMA是碼分多址的英文縮寫，它是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。它能夠滿足市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)通信容量和品質(zhì)的高要求，具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強(qiáng)、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點(diǎn)，可以大量減少投資和降低運(yùn)營(yíng)成本。

b. WCDMA中文譯名為“寬帶分碼多工存取”，源于歐洲和日本幾種技術(shù)的融合。WCDMA采用MC FDD雙工模式，與GSM網(wǎng)絡(luò)有良好的兼容性和互操作性。它采用直擴(kuò)(MC)模式，載波帶寬為5 MHz，可支持384 Kb/s到2 Mb/s不等的數(shù)據(jù)傳輸速率，在高速移動(dòng)的狀態(tài)，可提供384 Kb/s的傳輸速率，在低速或是室內(nèi)環(huán)境下，則可提供高達(dá)2 Mb/s的傳輸速率。在費(fèi)用方面，WCDMA因?yàn)槭墙柚职粨Q的技術(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)使用的費(fèi)用不是以接入的時(shí)間計(jì)算，而是以消費(fèi)者的數(shù)據(jù)傳輸量來定。

c. TD-SCDMA是ITU正式發(fā)布的第3代移動(dòng)通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中國(guó)電信百年來第一個(gè)完整的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動(dòng)通信技術(shù)，它采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)。TD-SCDMA傳輸方向的時(shí)域自適應(yīng)資源分配可取得獨(dú)立于對(duì)稱業(yè)務(wù)負(fù)載關(guān)系的頻譜分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通過最佳自適應(yīng)資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8 Kb/s到2 Mb/s的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)。

2.1.3 LTE技術(shù)

4G LTE是TD-LTE和FDD-LTE等LTE網(wǎng)絡(luò)制式的統(tǒng)稱。在中國(guó)4G網(wǎng)絡(luò)還處于TD-LTE的特殊時(shí)期，4G LTE一般特指TD-LTE制式網(wǎng)絡(luò)。LTE也被通俗的稱為3.9G，具有100 Mb/s的數(shù)據(jù)下載能力，被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。4G LTE最大的數(shù)據(jù)傳輸速率超過100 Mb/s，這個(gè)速率是移動(dòng)電話數(shù)據(jù)傳輸速率的1萬倍，也是3G移動(dòng)電話速率的50倍。

2.2 無線專網(wǎng)通信技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的展開，電力業(yè)務(wù)對(duì)可靠性、安全性的需求不斷提高。目前，用電信息采集多租用電信運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS、CDMA無線公網(wǎng)業(yè)務(wù)作為遠(yuǎn)程通信手段。公網(wǎng)雖然無需網(wǎng)絡(luò)部署和后期維護(hù)，僅需向運(yùn)營(yíng)商交納租賃費(fèi)用，但這種以公眾語音通話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為最高優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，始終無法滿足電力業(yè)務(wù)信息安全、實(shí)時(shí)性以及服務(wù)質(zhì)量的需求。因此，在用電信息采集深化應(yīng)用過程中電力無線專網(wǎng)建設(shè)受到了越來越多的關(guān)注。電力無線專網(wǎng)目前最為可行的技術(shù)方案有TD-LTE 230和TD-LTE 1800 2種。

2.2.1 TD-LTE 230

TD-LTE 230新型無線寬帶通信系統(tǒng)[4](簡(jiǎn)稱“TD-LTE 230系統(tǒng)”)是基于230 MHz頻段的無線頻譜，利用TD-LTE先進(jìn)無線通信技術(shù)，為電力行業(yè)用戶深度定制的電力無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣覆蓋，高可靠性，高速率傳輸，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全性強(qiáng)，頻譜適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。LTE 230系統(tǒng)采用先進(jìn)的全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以共享TCP/IP體系的龐大技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，獲得更好的穩(wěn)定性、互通性和經(jīng)濟(jì)性，也利于對(duì)其他基于IP業(yè)務(wù)的引入，使得系統(tǒng)和其它電力信息系統(tǒng)潛在的未來對(duì)接更簡(jiǎn)便。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是TD-LTE的關(guān)鍵技術(shù)之一，其將整個(gè)頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線傳輸環(huán)境中的頻率選擇性衰落。正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)是第4代移動(dòng)通信的主要調(diào)制方式，與普通的FDMA、TDMA、CDMA相比有以下優(yōu)勢(shì)：帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)，抗頻率選擇性衰落的能力強(qiáng)，通過頻域均衡可以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的接收機(jī)。

除OFDM外，TD-LTE230還采用了載波聚合、頻譜感知、干擾協(xié)調(diào)優(yōu)先等先進(jìn)通信技術(shù)[5]。可以根據(jù)不同用戶的不同需求，為其分配不同的帶寬，增加用戶的上/下行數(shù)據(jù)傳輸速率，減少傳輸時(shí)延，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)；解決與傳統(tǒng)230 MHz電臺(tái)和諧共處以及更好頻譜效率的問題，保證全網(wǎng)系統(tǒng)的效率最高。

2.2.2 TD-LTE 1800

TD-LTE 1800無線寬帶通信系統(tǒng)[6](簡(jiǎn)稱“TD-LTE 1800系統(tǒng)”)同樣是以TD-LTE為核心技術(shù)，將TD-LTE技術(shù)的高速率、大帶寬應(yīng)用與無線專網(wǎng)建設(shè)的無線通信系統(tǒng)。滿足大容量、大帶寬、高速率、高頻譜利用率的無線接入業(yè)務(wù)。

其關(guān)鍵技術(shù)與TD-LTE 230系統(tǒng)基本類似，包括：OFDMA技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線、同頻組網(wǎng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)資源分配等。

3 電力無線通信技術(shù)比較分析

結(jié)合電力行業(yè)及國(guó)家電網(wǎng)公司部署無線專網(wǎng)的需求，從技術(shù)頻率政策、配用電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用適用性、技術(shù)整合兼容性、網(wǎng)管系統(tǒng)的部署及與上級(jí)單位的連接及組網(wǎng)成本等方面來對(duì)無線專網(wǎng)TD-LTE 230、TD-LTE 1800和無線公網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行比較，見表1。

表1 無線通信技術(shù)比較

通信技術(shù)無線專網(wǎng)TD-LTE230TD-LTE1800無線公網(wǎng)GPRS/CDMA3G最高速率/(b·s-1)15M100M20K2M頻率資源223～235MHz1785～1805MHz800MHz/900MHz1.8G傳輸距離城區(qū)3km,郊區(qū)10km,農(nóng)村30km城區(qū)1～3km,郊區(qū)4～8km,農(nóng)村15km不限不限業(yè)務(wù)保障能力專網(wǎng),穩(wěn)定性好專網(wǎng),穩(wěn)定性好公網(wǎng),延遲較大公網(wǎng),延遲較大信息安全較高較高低低產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)備廠商少設(shè)備廠商少完備完備標(biāo)準(zhǔn)化情況無無國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1對(duì)多種無線通信技術(shù)性能指標(biāo)綜合比對(duì)可以得出以下結(jié)論。

公網(wǎng)通信的優(yōu)勢(shì)在于無需新建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)由運(yùn)營(yíng)商投資；網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)歸屬運(yùn)營(yíng)商，電力企業(yè)無需承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維；覆蓋廣泛，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋城鄉(xiāng)區(qū)域。其不足之處：長(zhǎng)期大規(guī)模應(yīng)用將產(chǎn)生大量的租用費(fèi)用，河北省南部電網(wǎng)共有采集終端約56萬臺(tái)，每臺(tái)終端配備一張SIM的租用費(fèi)用為60元/年，一年租用公網(wǎng)產(chǎn)生的通信費(fèi)用達(dá)到3 360萬元；部分區(qū)域GPRS/CDMA等無線公網(wǎng)終端在線率較低，不能很好地滿足費(fèi)控等實(shí)時(shí)性較高的業(yè)務(wù)要求；業(yè)務(wù)應(yīng)用依賴于運(yùn)營(yíng)商提供的網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)用水平和推廣進(jìn)度受限于公網(wǎng)建設(shè)程度，部分區(qū)域無通信覆蓋；存在公網(wǎng)系統(tǒng)升級(jí)換代風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)營(yíng)商將網(wǎng)絡(luò)升級(jí)至下一代通信方式后，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)資源會(huì)大幅下降，服務(wù)質(zhì)量難以保證；用電信息采集終端安裝位置存在無線公網(wǎng)覆蓋盲點(diǎn)；隨著終端數(shù)量的不斷增加，存在用戶密集區(qū)域無線公網(wǎng)信道接入能力有限，造成終端爭(zhēng)搶信道現(xiàn)象，使該區(qū)域穩(wěn)定性下降，采集成功率下降。

電力無線專網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于通過采用離散頻譜聚合、頻譜感知等先進(jìn)的無線通信技術(shù)，在離散窄帶頻譜上實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，大幅提高了無線離散頻率資源的使用效率；可無限制使用流量，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，長(zhǎng)期效益明顯；靈活度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以根據(jù)電力業(yè)務(wù)需求，自由規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)登記，靈活自定義業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，確保實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)獲得最優(yōu)信道資源；安全性保障機(jī)制完善，可采用鑒權(quán)、加密等多種安全機(jī)制，保障業(yè)務(wù)安全性；傳輸速度快，其中TD-LTE 1800最高可達(dá)到下行100 Mb/s，上行50 Mb/s，LTE230最高可達(dá)到下行6 Mb/s，上行15 Mb/s[7]，均遠(yuǎn)高于3G通信傳輸速率，能很好滿足用電信息采集深化應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求；采用電力行業(yè)專用頻率資源，具有低成本廣覆蓋的明顯優(yōu)勢(shì)，同樣條件下單基站覆蓋半徑是無線公網(wǎng)系統(tǒng)的4～5倍，實(shí)現(xiàn)同樣面積的覆蓋所需基站數(shù)約為其它無線通信系統(tǒng)的1/16；傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、后期擴(kuò)展能力強(qiáng)，支持未來雙向互動(dòng)業(yè)務(wù)。其不足主要在于無線專網(wǎng)商用模式發(fā)展有待完善，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，目前在電網(wǎng)通信應(yīng)用領(lǐng)域僅有試點(diǎn)運(yùn)行項(xiàng)目，沒有大規(guī)模使用經(jīng)驗(yàn)；運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，需要配備專業(yè)的運(yùn)行維護(hù)機(jī)構(gòu)和人員。

4 結(jié)論

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入開展，電力業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)可靠性、安全性的需求不斷提高，電網(wǎng)現(xiàn)有的通信技術(shù)已不能滿足國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的特征需求，難以支撐新能源利用、階梯電價(jià)執(zhí)行以及交互式服務(wù)的開展。電力無線專網(wǎng)通信以其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅能夠滿足堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)通信和信息化發(fā)展需求，以及國(guó)網(wǎng)公司對(duì)數(shù)據(jù)信息安全的要求，并能在長(zhǎng)期運(yùn)行中帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。綜合上述分析，無線專網(wǎng)通信將成為未來電網(wǎng)通信方式發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

[1] Q/GDW 380.5-2009, 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)管理規(guī)范：通信信道運(yùn)行管理規(guī)范[S].

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本文責(zé)任編輯：王洪娟

Comparison Analysis on Wireless Private Network and Wireless Public Network Communication Technology of Power User Electric Data Acquire System

Li Fei1，Wang Hongxi1，Yang Peng1，F(xiàn)an Xiaohui1，Zhang Yingqi2，Zhang Lin1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021, China)

In order to better support needs for deepening application of the power user electric energy data acquire system, and satisfy the requirements for improving data transmission rate, safety and reliability between electric energy data acquire terminal and system, higher requirements for the remote communication technology are presented.It is necessary to comparative and analysis the difference between the old way and the new way on remote communication technology of user electric data acquire system,and point out the advantages and shortages of various communication technology applied in electricity information acquisition, to provide theoretical basis for choosing a better way of remote communication.

electric energy data acquire;terminal;remote communication technique;power wireless private network;wireless public network

TM76；TP274.2

：A

：1001-9898(2017)04-0005-04

2017-04-06

李 飛(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事采集終端技術(shù)檢測(cè)研究等工作。