基于TD-LTE的智能配電網(wǎng)終端通信技術(shù)研究

楊 柳

（江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330008）

在電力行業(yè)中，通常將配電網(wǎng)中的各種設(shè)備單元統(tǒng)稱為配電自動(dòng)化終端，簡(jiǎn)稱為配電終端。如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及各種控制單元均是配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的基層智能單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)上開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、配電變壓器、電容器等一次設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。配電終端采集配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢測(cè)、識(shí)別故障、開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行工況，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行分析處理及控制，通過有線/無線通信等技術(shù)，上傳信息、接收控制命令，實(shí)現(xiàn)電源的不間斷性供電。

隨著當(dāng)今智能電網(wǎng)的提出，智能配電系統(tǒng)的建設(shè)也愈發(fā)急迫。配電終端設(shè)備的單一通信方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的配電網(wǎng)發(fā)展需求。因此，本文主要介紹了一種新型智能配電網(wǎng)終端通信技術(shù)，從而有效提升智能配電網(wǎng)的應(yīng)用與效率。

1 配電終端介紹

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和作用的不同，配電終端主要包括站所終端（Distribution Terminal Unit，DTU）、配電變壓器監(jiān)測(cè)終端（Transformer Terminal Unit，TTU）和饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU），以下將對(duì)這些常見的配電終端及主要功能進(jìn)行介紹[1]。

（1）DTU安裝在配電網(wǎng)饋線回路上的配電室、開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等位置，是具有遙信、遙測(cè)、遙控和饋線自動(dòng)化功能的配電自動(dòng)化終端，站所終端的監(jiān)控對(duì)線是開關(guān)。

（2）FTU安裝在配電網(wǎng)架空線路桿塔等處并具有遙信、遙測(cè)、遙控及饋線自動(dòng)化功能的配電自動(dòng)化終端，饋線終端的監(jiān)控對(duì)象也是開關(guān)。

（3）TTU可以說是電力供配電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，配電變壓器把電壓直接分配于低壓用戶電力裝置，相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)是整體配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，包括三相電壓、三相電流和三相有功等各個(gè)方面。負(fù)責(zé)對(duì)配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，是配電自動(dòng)化基礎(chǔ)及核心裝置。

配電終端的核心功能包括遙信、遙測(cè)、遙控等。遙信是對(duì)諸如告警狀態(tài)、開關(guān)位置狀態(tài)等信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，通常采集監(jiān)測(cè)的是開關(guān)合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)、接地信號(hào)、氣壓告警信號(hào)等。在國內(nèi)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，配電終端所采集的遙信狀態(tài)接入點(diǎn)通常被要求開關(guān)側(cè)提供無源接點(diǎn)。遙測(cè)是將一些電力信號(hào)模擬量進(jìn)行測(cè)量并通過通信系統(tǒng)傳送到配電網(wǎng)自動(dòng)化主站。而遙控則是對(duì)開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控合控分。

2 終端的通信方式

作為智能配電網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，配電終端智能通信網(wǎng)是電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心組成部分，智能化網(wǎng)絡(luò)化的物理基礎(chǔ)。作為控制單元的配電終端，肩負(fù)采集處理控制整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，所以電網(wǎng)系統(tǒng)的通信網(wǎng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

2.1 電力線載波通信技術(shù)

電力線載波主要是以電力線路為媒介擴(kuò)散到電力系統(tǒng)的各區(qū)域，無需構(gòu)建其他的專用線路且不用經(jīng)過無線電管理委員會(huì)使用便能進(jìn)行。一般情況下高壓配電線路的傳輸速率為60～300 bit/s，傳輸距離不超過10 km，可直線利用電力線路加半截波設(shè)備實(shí)施。適用于非通信干道電纜線路載波以及低壓集中抄表，電力線載波通信技術(shù)雖然投資低、覆蓋范圍較大、安裝運(yùn)行維護(hù)方便，但也存在傳輸速率相對(duì)較慢并且抗干擾能力較差等缺點(diǎn)。

2.2 光纖通信技術(shù)

根據(jù)國家電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃，光纖通信依靠高的可靠性、保密性、抗干擾能力、帶寬及傳輸距離等優(yōu)越性，我國的電力通信建設(shè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)“主干通道的光纖化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化”等總體目標(biāo)。雖然光纖通信技術(shù)具有重多方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在配電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中作為終端設(shè)備的通信方式卻也有不可避免的劣勢(shì)，如建設(shè)成本極高、安裝維護(hù)成本也極高，難以滿足國內(nèi)大范圍的建設(shè)需求。

2.3 GPRS通信技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，屬于第二代移動(dòng)通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS可以說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，在端到端的分組轉(zhuǎn)移模式下接收數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包在GPRS技術(shù)中是被允許的，無需通過電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。前些年GPRS技術(shù)在配短自動(dòng)化終端的發(fā)展異常迅速，但也存在較為突出的劣勢(shì)：傳輸速率低，丟包率高，調(diào)制方式不佳等。

2.4 TD-LTE通信技術(shù)

時(shí)分長期演進(jìn)（TD-LTE）主要是指4G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信技術(shù)。對(duì)比之前的通信技術(shù)，TD-LTE在物理層傳輸上有較明顯的改進(jìn)，因?yàn)門DD雙工方式可以通過信道所具有的對(duì)稱性特點(diǎn)來提高信號(hào)的傳輸率，可以不需要運(yùn)用那些較為復(fù)雜的頻率雙工器，可以有效實(shí)現(xiàn)上下信道中無線資源的靈活分配，可以不需要對(duì)稱性頻帶等多種優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被全球所公認(rèn)，而且是運(yùn)用非對(duì)稱性頻譜的重要解決方案。

TD-LTE技術(shù)的主要性能如下[2]。

（1）較高的頻譜效率。頻譜的效率和用戶平均的吞吐率下行可以達(dá)到HSDPADE的3～4倍，上行可以達(dá)到HSDPADE的2～3倍，而系統(tǒng)中的平均頻譜率有時(shí)則可以達(dá)到1.57 b/Hz。

（2）覆蓋范圍相對(duì)較廣。0～5 km可以滿足移動(dòng)性和吞吐量的目標(biāo)；5～30 km有輕微的降低；而覆蓋范圍最大的可以達(dá)到100 km。

（3）通信速率較快。TD-LTE技術(shù)可以顯著的提高峰值速率。在20 MHz的寬帶內(nèi)可以達(dá)到500 Mbit/s的上行速率和100 Mbit/s的下行速率。

（4）延遲性較小。通常情況下，幀子的長度為0.675 ms和0.5 ms，不僅可以有效解決向下兼等問題。同時(shí)還可以使得網(wǎng)絡(luò)延時(shí)有所降低，其中用戶面的延時(shí)低于5 m，控制面的延時(shí)低于100 ms。

3 智能配電網(wǎng)終端通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

3.1 集成式配電終端

根據(jù)智能配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，一種智能化、支持多方式通信、插件式模塊化設(shè)計(jì)于一體的配電終端亟待開發(fā)。該種智能終端可同時(shí)實(shí)現(xiàn)FTU，DTU，TTU多種功能，并有多種通信方式、在對(duì)電能信號(hào)采集與分析處理、電能的質(zhì)量進(jìn)行管理、分布式電源設(shè)備的監(jiān)控與保護(hù)等方面有著重要的作用。集成式配電終端總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成式配電終端總體結(jié)構(gòu)

主控模塊采用的是DSP加ARM雙CPU構(gòu)架，以提供強(qiáng)大的綜合分析處理能力。而通信模塊方面采用不同的RJ-44端口和通信串口相結(jié)合，使得系統(tǒng)支持眾多通信鏈路功能和不同類型的通信協(xié)議，兼容性高，在信號(hào)傳輸和程序軟件的上載和下載方面均令人滿意。終端還可另外配置以太網(wǎng)口，擴(kuò)展外接GRPS、衛(wèi)星、微波等通信設(shè)備[3]。

3.2 TD-LTE與智能電網(wǎng)結(jié)合

為滿足配電網(wǎng)智能化建設(shè)的需要，配電系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程采集與分析監(jiān)控處理和配電網(wǎng)的無線通信功能。通過TD-LTE技術(shù)結(jié)合配電網(wǎng)可以在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮良好的效果[4]。

就TD-LTE通信技術(shù)而言，可以被運(yùn)用到不同的頻段范圍內(nèi)：1 448～1 466 MHz、224～232 MHz等，在以TD-LTE為底層技術(shù)的基礎(chǔ)上，TD-LTE230技術(shù)被陸續(xù)研發(fā)出并運(yùn)用與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使該項(xiàng)技術(shù)在國家電網(wǎng)智能配電網(wǎng)建設(shè)上發(fā)揮出極其重要的作用。如2013年南昌市東湖區(qū)供電公司完成TDLTE230系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的測(cè)試工作，其傳輸速率如圖2所示。

圖2 傳輸速率

根據(jù)圖2的結(jié)果可以看出不同的調(diào)制方式下該項(xiàng)技術(shù)在配電網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)吞吐量的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。TD-LTE的高傳輸速率足以達(dá)到配電網(wǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。由于離散特征在此頻段范圍內(nèi)的影響，可利用頻譜感知和載波聚合等相關(guān)技術(shù)，以保證寬帶數(shù)據(jù)信息的高效傳遞，和智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)展相匹配。對(duì)于傳統(tǒng)的2G和3G技術(shù)而言，TDLTE由于引入了有關(guān)調(diào)制技術(shù)使得單位頻譜相應(yīng)的傳輸效率得到了極大的提升，頻譜效率如圖3所示。

圖3 頻譜效率

與前幾代通信技術(shù)相比較，不難發(fā)現(xiàn)TD-LTE技術(shù)有較大的性能提升，處于20 MHz的頻段下其峰值速率的上行可達(dá)到60 Mbit/s，對(duì)應(yīng)的下行速率可達(dá)到更驚人的120 Mbit/s。但是TD-LTE技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，也帶來了一個(gè)嚴(yán)重問題，隨著電力用戶基數(shù)的驟增，信息安全等問題也愈演愈烈，也是今后急需解決的課題。

4 結(jié)語

配電自動(dòng)化系統(tǒng)中通信技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)于整個(gè)配電網(wǎng)運(yùn)行的效益會(huì)產(chǎn)生重要的影響。本文根據(jù)當(dāng)下常用的配電終端各種通信方式的優(yōu)劣勢(shì)，提出一種基于TD-LTE技術(shù)的無線通信方式，解決了今后智能化網(wǎng)絡(luò)化云端大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展需求。