電力LTE無線專網(wǎng)架構(gòu)研究

卞寶銀，張道農(nóng)

（1.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司)，江蘇省 南京市 211000；2.華北電力設(shè)計院有限公司，北京市 西城區(qū) 100120）

0 引言

當前電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的業(yè)務對于無線通信方式的應用需求低于有線方式，對無線數(shù)據(jù)傳輸速率要求較低，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)中業(yè)務類型也發(fā)生改變。目前電力系統(tǒng)中設(shè)備的監(jiān)視及運維中需要的圖像及視頻傳送業(yè)務，對通信的傳輸速率提出了更高的要求。電力電力 3GPP長期演進技術(shù)(power long term evolution，LTE)專網(wǎng)通信作為電網(wǎng)新型通信方式，在電力系統(tǒng)中正處于快速發(fā)展階段，與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)相比，能夠極大地提高通信系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。同時能夠提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡覆蓋，數(shù)據(jù)采集速率以及系統(tǒng)上下行帶寬，為電力系統(tǒng)通信方式的智能化提供支持[1-2]。

本文通過研究已有的無線公網(wǎng)通信方式以及無線專網(wǎng)通信方式，結(jié)合電力接入網(wǎng)及光伏并網(wǎng)的業(yè)務需求，深入研究了電力LTE無線通信系統(tǒng)架構(gòu)，該網(wǎng)絡架構(gòu)具有高效性、可靠性，滿足城區(qū)及郊區(qū)的覆蓋問題，并滿足電網(wǎng)的安全需求。最后結(jié)合已部署的電力LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)開展測試分析研究，LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡方式能夠滿足接入網(wǎng)的業(yè)務需求，為接入網(wǎng)統(tǒng)一建設(shè)模式的可行性及系統(tǒng)安全可靠性提供技術(shù)支持。

1 電力無線通信應用

1.1 無線公網(wǎng)通信

1）通用分組無線服務技術(shù)(general packet radio service，GPRS)是一種數(shù)據(jù)封包交換的標準技術(shù)，基于GSM的無線分組技術(shù)，與GSM通信網(wǎng)配合，其傳輸數(shù)據(jù)的速率能夠達到115 kbps。對于數(shù)據(jù)量小且發(fā)送頻繁及數(shù)據(jù)量大非頻繁傳送的應用場合比較適用。目前在電力系統(tǒng)中配用電網(wǎng)的應用場景主要有無功補償、無線集抄、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于郊區(qū)終端設(shè)備以及非城區(qū)中心設(shè)備，適用于對于動作要求不需要瞬時動作，以及實時性要求不高的業(yè)務[3]。

2）第三代移動通信技術(shù)(3rd Generation，3G)的主要優(yōu)勢是能夠增加網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量、提高數(shù)據(jù)傳送速率和通信質(zhì)量。目前，在配用電網(wǎng)絡中作為替代原有GPRS技術(shù)，隨著LTE技術(shù)的演進與發(fā)展，由于其速率的劣勢，逐漸被LTE技術(shù)所替代[4]。

1.2 無線專網(wǎng)通信

1）多載波無線信息本地環(huán)路(multi-carrier wireless information local loop，McWiLL)。McWiLL是在原有的窄帶同步碼分多址(synchronous code division multiple access，SCDMA)無線接入技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，國內(nèi)具有自主產(chǎn)權(quán)的研發(fā)的集 CS- OFDMA、智能天線、預測和信道跟蹤等技術(shù)核心的寬帶通信系統(tǒng)。

2）長期演進計劃(long term evolution，LTE) 。LTE是 3GPP(3rd generation partnership project)標準化組織編制的下一代無線通信體系標準，業(yè)務終端設(shè)備的下行速率最大可達 100 Mbps。目前，工信部已經(jīng)完成了TD-LTE網(wǎng)絡部署試驗，在上海、北京等 7座城市開展建設(shè)TD-LTE通信，作為國家通信信息產(chǎn)業(yè)研發(fā)試驗基地。同時，國家電網(wǎng)公司和中國南方電網(wǎng)公司均已開展TD-LTE通信網(wǎng)絡系統(tǒng)應用示范網(wǎng)絡，并且在珠海等城市建立了 TD-LTE配網(wǎng)應用體系。LTE通信方式的引入能夠改善電力通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，優(yōu)化接入網(wǎng)的網(wǎng)絡處理能力，同時能夠簡化現(xiàn)場通信結(jié)構(gòu)，降低管理成本，隨著LTE網(wǎng)絡大規(guī)模的部署和商用，專用LTE網(wǎng)絡將成為智能電網(wǎng)無線寬帶通信技術(shù)的主流選擇。全球應用LTE技術(shù)的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡數(shù)量已超過10個，未來將會得到更大規(guī)模的應用[5]。

3）230 MHz數(shù)傳電臺。國家無線電管理委員會于1991年分配了230 MHz附近非連續(xù)的電力系統(tǒng)專用的40個25 kHz頻點，總帶寬為1 MHz，傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺技術(shù)發(fā)展成熟并且具有組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍大、建立系統(tǒng)成本低等優(yōu)勢，但由于其網(wǎng)絡的特性，還存在其業(yè)務傳送速率較低的缺點。目前電力系統(tǒng)中已經(jīng)開始應用230 MHz頻段開展LTE試點工作，采用頻譜聚合技術(shù)，提高了傳統(tǒng)的速率(由于帶寬限制，速度低于3GPP要求的速率)，但缺乏相應的無線接入安全機制，無法滿足多業(yè)務承載的需求。

無線通信方式技術(shù)特點如表1所示。

表1 無線通信方式技術(shù)比對Tab. 1 Wireless communication technology comparison

2 電力無線業(yè)務需求分析

2.1 光伏并網(wǎng)業(yè)務通信需求分析

隨著電網(wǎng)分布式光伏的發(fā)展，其分布式的特性決定其需要更加適用的通信方式來進行數(shù)據(jù)傳輸和交互。分布式光伏的并網(wǎng)同時也改變了配電業(yè)務的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使得輻射狀的無源網(wǎng)絡變成有源的分布式網(wǎng)絡，通信方式的優(yōu)化極為迫切。傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)通信方式主要為光纖和載波技術(shù)，而分布式光伏由于環(huán)境的差異性，需要更加靈活有效的傳輸方式。同時，現(xiàn)有運行管理方式需要高可靠、高帶寬和低時延的通信要求，傳統(tǒng)的載波通信方式已經(jīng)無法滿足，光纖通信方式由于建設(shè)成本等方面的原因，需要無線通信方式進行替代和補充。目前，光伏并網(wǎng)的通信方式主要有公網(wǎng)通信方式和專網(wǎng)通信方式，根據(jù)接入配用電系統(tǒng)的應用需求和業(yè)務屬性來選擇通信方式。配用電網(wǎng)絡通信方式的最后一公里逐漸被無線專網(wǎng)替代，光伏并網(wǎng)的通信方式也需要隨之演進和升級[6]。

2.2 電網(wǎng)業(yè)務無線通信方式需求分析

電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的業(yè)務對無線數(shù)據(jù)傳輸速率要求較低，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的業(yè)務類型也發(fā)生改變。目前電力系統(tǒng)中設(shè)備的監(jiān)視及運維中需要的圖像及視頻傳送業(yè)務，對通信的傳輸速率提出了更高的要求。目前對無線業(yè)務的需求主要在物資、運檢、營銷、基建等環(huán)節(jié)。

物資環(huán)節(jié)無線業(yè)務需求主要為倉庫管理、電子商務平臺等。物資環(huán)節(jié)的無線業(yè)務多借助掌上電腦(personal digital assistant，PDA)終端完成。

運檢環(huán)節(jié)無線業(yè)務需求主要為生產(chǎn)管理、移動作業(yè)、供電電壓自動采集、輸變電設(shè)備在線監(jiān)測、配電自動化系統(tǒng)、配網(wǎng)終端數(shù)據(jù)采集、車載GPS(global positioning system，GPS)監(jiān)控管理等。運檢環(huán)節(jié)的無線業(yè)務多借助PDA、筆記本、數(shù)據(jù)采集裝置、手持終端、定制終端、輸電線路在線監(jiān)測裝置等終端完成。

營銷環(huán)節(jié)無線業(yè)務需求主要為用電信息采集、95598門戶互動(移動服務、移動作業(yè))、一體化繳費平臺等。營銷環(huán)節(jié)的無線業(yè)務多借助集中器、移動POS機、負荷控制終端、專變終端、移動作業(yè)終端等完成。

在基建環(huán)節(jié)無線業(yè)務需求主要為施工現(xiàn)場圖像和數(shù)據(jù)采集功能，主要應用包括工程指揮、基建項目管理移動監(jiān)控、基建管理信息等[7]。

2.3 電力系統(tǒng)LTE專網(wǎng)建設(shè)需求

無線傳輸通道建設(shè)屬于堅強智能電網(wǎng)必不可少的重要組成部分，電力通信網(wǎng)絡服務對象為電力生產(chǎn)，無線通信應用范圍包括配用電網(wǎng)，以用電信息采集和配電自動化作為主要應用對象，其中狀態(tài)監(jiān)測對于無線的網(wǎng)絡帶寬需要逐年增加，對通信可靠性、實時性要求較高,其視頻傳輸帶寬需求較高，并且數(shù)據(jù)傳輸以上傳為主。同時配用電業(yè)務位于生產(chǎn)控制大區(qū)，對信息安全的要求比較高，要求通信信道具備較高的信息安全防護等級。由于所處地理環(huán)境復雜多變，要求數(shù)據(jù)采集終端分布廣泛、分散，采用有線通信方式建設(shè)、運維難度大。對無線專網(wǎng)的建設(shè)需求較高。表 2為電網(wǎng)狀態(tài)業(yè)務對無線業(yè)務帶寬需求[8]。

表2 狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務對無線業(yè)務帶寬需求Tab. 2 Bandwidth requirement table of distribution business for wireless monitoring

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對寬帶無線數(shù)據(jù)業(yè)務需求不斷增加，傳統(tǒng)的230 MHz電臺專網(wǎng)、GPRS公網(wǎng)(租用)、CDMA公網(wǎng)等通信制式無法適應新業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬的需求，為了適應電網(wǎng)對無線通信方式的需求，需要繼續(xù)完善或引進電力無線通信系統(tǒng)。在已發(fā)布的文件中，工業(yè)和信息化部《關(guān)于重新發(fā)布1 785~1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知(65號文)》對于其中的量20 MHz帶寬用于軌道交通、石油、電力等專用通信網(wǎng)絡中。電力LTE的方式主要為TDD制式，相比之前的230 MHz的LTE載波聚合技術(shù)，1.8 G頻段在性能上具有很大提升，能夠滿足新型業(yè)務對無線帶寬的需求，并滿足現(xiàn)場安全防護要求。

3 電力LTE系統(tǒng)架構(gòu)研究及測試分析

3.1 電力LTE系統(tǒng)架構(gòu)研究

電力LTE網(wǎng)絡的總體架構(gòu)將“物聯(lián)網(wǎng)”、“互聯(lián)網(wǎng)”及網(wǎng)絡安全等方面進行技術(shù)拓展，研究適應電網(wǎng)的配用電網(wǎng)絡等業(yè)務接入，滿足電力系統(tǒng)多業(yè)務的數(shù)據(jù)傳遞及控制服務，構(gòu)建一張安全、可靠、高效、經(jīng)濟的多業(yè)務承載統(tǒng)一網(wǎng)絡平臺，在傳統(tǒng)通信通道的基礎(chǔ)上提供包括通信終端、通信模塊和上層應用在內(nèi)的通信服務。

LTE系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。利用VPN(virtual private network，VPN)隔離業(yè)務系統(tǒng)，不同業(yè)務區(qū)域處于不同 VPN中。基站側(cè)采用雙 BBU(building baseband unit，BBU)板卡，分別接入來自生產(chǎn)與管理2個安全大區(qū)的業(yè)務數(shù)據(jù)?；咎幚砗蟮臄?shù)據(jù)向上經(jīng)LTE專用光纖回傳網(wǎng)絡傳輸，接入LTE核心網(wǎng)設(shè)備。核心網(wǎng)側(cè)同樣采用2套設(shè)備，以滿足不同安全大區(qū)數(shù)據(jù)的物理隔離要求。

圖1 LTE系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig. 1 LTE logic architecture

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡整體架構(gòu)包含以下特點。

1）配用電業(yè)務系統(tǒng)采用包含無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)及光纖專網(wǎng)方式混合組網(wǎng)。終端通信接入網(wǎng)是電力骨干通信網(wǎng)的向下延伸，終端通信接入網(wǎng)具有承載業(yè)務多、分布散及環(huán)境復雜等特點，導致了終端接入網(wǎng)絡沒有采用單一的組網(wǎng)方式。需要根據(jù)業(yè)務需求進行混合組網(wǎng)設(shè)計，滿足配電網(wǎng)網(wǎng)絡中通信需求。光纖與無線專網(wǎng)融合組網(wǎng)技術(shù)是研究重點：主要為利用已有的網(wǎng)絡資源，包括光纖資源和光纖加無線專網(wǎng)的通信方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡的無線延伸，能夠?qū)?、物?lián)網(wǎng)、應急指揮、移動接入等業(yè)務進行支撐。

2）公、專無線融合組網(wǎng)技術(shù)。利用已有的電信等運營商的公共無線網(wǎng)絡，結(jié)合無線專網(wǎng)的高可靠性、高網(wǎng)絡帶寬及安全性能等優(yōu)點，滿足智能電網(wǎng)中包括配用電業(yè)務在內(nèi)的多業(yè)務進行支持，實現(xiàn)公、專無線融合組網(wǎng)技術(shù)的融合和互補。

3）光纖、載波與無線融合組網(wǎng)技術(shù)。對電力系統(tǒng)中已有的光纖及載波通信等方式進行擴展整合，對無法覆蓋的區(qū)域進行無線專網(wǎng)拓展。

電力系統(tǒng)業(yè)務總體架構(gòu)如圖2所示，按照業(yè)務系統(tǒng)的安全分區(qū)進行結(jié)構(gòu)劃分，將邏輯隔離和業(yè)務隔離相結(jié)合。

圖2 電力系統(tǒng)業(yè)務總體架構(gòu)Fig. 2 Business architecture of power system

3.2 電力LTE信道容量分析及測試

電力LTE信道容量分析主要根據(jù)實際項目需要，根據(jù)某城市的LTE現(xiàn)場架構(gòu)為現(xiàn)實參考。以某公司試點LTE通信網(wǎng)絡為例，電力LTE無線通信系統(tǒng)共涉及2套核心網(wǎng)，網(wǎng)絡覆蓋達160 km2，在機房部署2套核心網(wǎng)和1套室內(nèi)基帶處理單元(building baseband unit，BBU)設(shè)備；在下屬供電所部署1套BBU設(shè)備，并在樓頂部署2套遠端射頻模塊(remote radio unit，RRU)設(shè)備；在樓頂部署2套RRU設(shè)備，1套工作在5 M頻段；在村拉遠基站部署1套RRU設(shè)備及2套天線設(shè)備，工作在10 M頻段；在鎮(zhèn)及城區(qū)部署50客戶終端設(shè)備(customer premise equipment，CPE)。

業(yè)務承載類型包括：配電自動化(7個終端)、智能臺區(qū)(34個終端)、用電信息采集(1個終端)、安防視頻監(jiān)控(1個終端)、基建視頻監(jiān)控(1個終端)、智能家居(1個終端)、輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(2個終端)、充電樁(1個終端)、負荷控制(2個終端)。

網(wǎng)絡工作頻率：1 785~795 MHz(10 MHz頻段)和1 795~1 800 MHz(5 MHz頻段)，其中5 MHz頻段主要承載生產(chǎn)控制類業(yè)務，10 MHz頻段主要承載管理信息類業(yè)務。

LTE網(wǎng)絡部署架構(gòu)如圖 3所示，系統(tǒng)分為5 MHz和10 MHz這2個帶寬的系統(tǒng)頻帶，頻帶范圍為1 795~1 800 MHz和1 785~1 795 MHz，測試主要分為帶寬測試以及系統(tǒng)時延測試，考慮配網(wǎng)的數(shù)據(jù)應用，時延測試分別測試上行時延和下行時延，上行時延測試主要由配網(wǎng)終端至核心網(wǎng)的單向數(shù)據(jù)傳輸時延，下行時延為核心網(wǎng)至CPE的單向數(shù)據(jù)傳輸時延；1 795~1 800 MHz頻段范圍內(nèi)測試結(jié)果如圖4所示，1 785~1 795 MHz頻段范圍內(nèi)時延測試結(jié)果如圖5所示。

圖3 電力LTE系統(tǒng)現(xiàn)場部署架構(gòu)圖Fig. 3 Power LTE system field deployment architecture

圖4 5MHz帶寬上行時延及下行時延測試結(jié)果Fig. 4 5 MHz bandwidth uplink and downlink delay test results

圖5 10 MHz帶寬上行時延及下行時延測試結(jié)果Fig. 5 10 MHz bandwidth uplink and downlink delay test results

根據(jù)現(xiàn)場部署的實際情況，存在信道條件差異的情況，需要對LTE基站的覆蓋進行完整性測試，綜合評估系統(tǒng)性能以及信道條件對結(jié)果的影響，本次測試完整地分析了主機站覆蓋的功率分布，如圖6所示(單位為dBm)，頻帶范圍為1 795~1 800 MHz和1 785~1 795 MHz，根據(jù)現(xiàn)場功率分布評估基站性能及方向性選擇，結(jié)合業(yè)務終端業(yè)務性能，現(xiàn)場部署方式滿足了配網(wǎng)業(yè)務需求及終端的可靠運行。

圖6 電力LTE系統(tǒng)現(xiàn)場測試覆蓋圖Fig. 6 Power LTE system field test coverage map

4 結(jié)論

電力LTE無線通信技術(shù)目前在電力系統(tǒng)中正處于快速發(fā)展階段，與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)相比，能夠極大地提高通信系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。同時能夠提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡覆蓋，數(shù)據(jù)采集速率以及系統(tǒng)上下行帶寬，為電力系統(tǒng)通信方式的智能化提供支持。本文通過研究已有的無線公網(wǎng)通信方式以及無線專網(wǎng)通信方式，結(jié)合電力接入網(wǎng)的業(yè)務需求，深入研究了電力LTE無線通信系統(tǒng)架構(gòu)，該網(wǎng)絡架構(gòu)具有高效性、可靠性，滿足城區(qū)及郊區(qū)的覆蓋問題，并滿足電網(wǎng)的安全需求。最后結(jié)合已部署的電力LTE專網(wǎng)通信系統(tǒng)開展測試分析研究，驗證了現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡方式能夠滿足接入網(wǎng)的業(yè)務需求。本文通過網(wǎng)絡架構(gòu)的研究及現(xiàn)場測試分析，能夠為接入網(wǎng)統(tǒng)一建設(shè)模式的可行性及系統(tǒng)安全可靠性提供技術(shù)支持，為LTE電力無線專網(wǎng)的推廣應用提供參考。