面向配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)腡D-LTE專網(wǎng)性能測試與分析

楊貴

摘? ?要：無線通信是當(dāng)前配電網(wǎng)通信的重要組成部分。首先分析了配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)對TD-LTE無線專網(wǎng)性能的需求，然后在TD-LTE無線專網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺上，測試了傳輸時延和時延抖動兩項網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)測試及分析結(jié)果表明，在正常業(yè)務(wù)量狀態(tài)下，TD-LTE無線專網(wǎng)可以滿足配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸要求，但在用戶過載或網(wǎng)絡(luò)擁塞時，則難以提供可靠的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。文章最后給出了保障配電網(wǎng)TD-LTE無線專網(wǎng)可靠性的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：分時長期演進(jìn);無線專網(wǎng);電力系統(tǒng)通信;配電網(wǎng)

中圖分類號：TM769;TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

TD-LTE Specialized Network for Distribution Network

Service Transmission Performance Test and Analysis

YANG Gui

（NR Electric Co.，Ltd，Nanjing，Jiangsu 211102，China）

Abstract：Wireless communication is an important part of current distribution network communication. Firstly，this paper analyzes the demand of distribution network for TD-LTE wireless network performance，then on the experimental platform of TD-LTE wireless network，two performance indexes of transmission delay and delay jitter are tested. Experimental tests and analysis results show that TD-LTE wireless network can meet the transmission requirements of distribution network under normal business conditions，but it is difficult to provide reliable network communication services when users overload or network congestion. Finally，the paper gives some suggestions to ensure the reliability of the distribution network TD-LTE wireless network.

Key words：LTE;wireless special network;electricity system communications;distribution network

配電網(wǎng)信息化是我國智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。近年來，信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)信息化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐[1]。與輸電網(wǎng)不同，配電網(wǎng)具有設(shè)備數(shù)量大、種類多、分布廣等特點(diǎn)，而其相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出通信點(diǎn)多、單點(diǎn)信息量小、覆蓋面廣等特征[2]。如果完全采用光纖通信來支撐滿足配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)的通信傳輸需求，不僅不經(jīng)濟(jì)且工程實(shí)施困難。以光纖通信作為主干網(wǎng)，將無線通信作為光纖末端網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充的這種混合通信模式可滿足配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)的通信要求，已成為配電網(wǎng)通信的發(fā)展趨勢[3]。

近年來，以長期演進(jìn)LTE為代表的無線通信技術(shù)得到快速發(fā)展。根據(jù)雙工方式的不同，LTE可分為分頻雙工FD-LTE和分時雙工TD-LTE。后者是我國通信產(chǎn)業(yè)界擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、具有國際影響力的4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到產(chǎn)業(yè)鏈支撐、國家政策支持、發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩兀瑖译娋W(wǎng)公司電力無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)優(yōu)先選用TD-LTE技術(shù)[4]。TD-LTE技術(shù)為采用時分復(fù)用的4G技術(shù)之一，無委會為行業(yè)用戶分配的1785 MHz-1805 MHz的頻帶要求采用的即為TD-LTE技術(shù)。隨著配電網(wǎng)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，TD-LTE通信技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于配電網(wǎng)通信系統(tǒng)，其所承載的配電網(wǎng)業(yè)務(wù)涵蓋配電網(wǎng)自動化、SCADA、負(fù)荷控制、自動抄表、狀態(tài)監(jiān)測、負(fù)荷預(yù)測、監(jiān)控視頻、運(yùn)維以及應(yīng)急通信等[5]。

針對TD-LTE無線網(wǎng)應(yīng)用于配電網(wǎng)通信的相關(guān)問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了系列研究工作。例如，文獻(xiàn)[6]分析研究了TD-LTE無線網(wǎng)應(yīng)用于配電網(wǎng)自動抄表業(yè)務(wù)的可行性;文獻(xiàn)[7-8]介紹了TD-LTE 230系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其在浙江海鹽電網(wǎng)的應(yīng)用情況;文獻(xiàn)[9]利用基于射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)的電力無線專網(wǎng)通信構(gòu)建了用電信息采集通信系統(tǒng);文獻(xiàn)[10-11]結(jié)合智能配用電的業(yè)務(wù)需求，提出了以光纖通信為骨干接入、以TD-LTE無線通信為全域覆蓋的綜合通信系統(tǒng)解決方案。

為掌握TD-LTE無線專網(wǎng)在承載配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)時的網(wǎng)絡(luò)性能，須對TD-LTE專網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料看來，目前尚缺乏面向配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的TD-LTE無線專網(wǎng)的性能測試分析數(shù)據(jù)。鑒于此，本文在分析配電網(wǎng)傳輸各類業(yè)務(wù)的通信需求的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)測試了TD-LTE無線專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時延、時延抖動等性能。進(jìn)一步，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了保障TD-LTE無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠傳輸?shù)膸c(diǎn)建議。

1? ?配電網(wǎng)無線通信技術(shù)需求

1.1? ?配電網(wǎng)業(yè)務(wù)要求

在電力通信網(wǎng)中，LTE無線通信專網(wǎng)主要服務(wù)于配電和用電業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即以配電自動化、配電網(wǎng)檢修、用電信息采集為代表的各類配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)。

配電網(wǎng)無線通信業(yè)務(wù)需求如下：

（1）對安全需求較高的業(yè)務(wù)，例如應(yīng)急搶修業(yè)務(wù)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇無線專網(wǎng)承載，僅在專網(wǎng)不易覆蓋的地區(qū)，采用少量公網(wǎng)技術(shù);

（2）對傳輸流量要求較高或?qū)K端移動性要求較高的業(yè)務(wù)，如視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、移動作業(yè)業(yè)務(wù)、移動辦公業(yè)務(wù)等，因無線公網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面的優(yōu)勢，可借助無線公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)支撐;

（3）對傳輸速率要求較小但終端規(guī)模較大的業(yè)務(wù)，如用電信息采集，可采用無線公網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行承載。

在配電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，終端處的數(shù)據(jù)量一般在1k～10k數(shù)量級，匯聚處的數(shù)據(jù)量通常在100 k ～ 1 M數(shù)量級，目前主流的無線寬帶通信技術(shù)均能滿足帶寬要求。但是，生產(chǎn)業(yè)務(wù)所需要的實(shí)時性、可靠性、過程可管性等網(wǎng)絡(luò)性能，則只能通過無線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

1.2? ?配電網(wǎng)業(yè)務(wù)對TD-LTE性能需求

上述配電網(wǎng)無線通信業(yè)務(wù)需求可以分為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)和低優(yōu)先級兩類。每類業(yè)務(wù)的帶寬以及時延要求如表1所示。高優(yōu)先級業(yè)務(wù)主要用于快速隔離故障源，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，例如配網(wǎng)差動保護(hù)業(yè)務(wù)通過線路兩端的電壓電流比較跳開故障線路，隔離故障，確保電網(wǎng)整體安全;負(fù)荷控制業(yè)務(wù)用于實(shí)時調(diào)控用戶負(fù)荷，確保供需平衡。在傳輸延時、傳輸誤碼無法保證情況下，會直接導(dǎo)致保護(hù)動作時間變長或保護(hù)退出，配電網(wǎng)將處于無保護(hù)狀態(tài)下工作，極大威脅配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。低優(yōu)先級窄帶業(yè)務(wù)主要包括抄表業(yè)務(wù)、狀態(tài)監(jiān)測和負(fù)荷預(yù)測，具有數(shù)據(jù)流量小，實(shí)時性要求低的特點(diǎn)，對于報文丟包等沒有嚴(yán)格要求，在通信質(zhì)量下降情況下，抄表等業(yè)務(wù)的收集原始數(shù)據(jù)時間將變得更長，會出現(xiàn)丟幀和通信中斷等現(xiàn)象，但業(yè)務(wù)本身實(shí)時性要求不高，并不會帶來較嚴(yán)重得后果。低優(yōu)先級寬帶業(yè)務(wù)主要包括視頻監(jiān)控、移動運(yùn)維、應(yīng)急通信等，具有數(shù)據(jù)流量大，延時要求嚴(yán)格，但業(yè)務(wù)重要性不高的特點(diǎn)，在延時等不能滿足要求等情況下，視頻業(yè)務(wù)將出現(xiàn)卡頓，視頻不連續(xù)等，業(yè)務(wù)可用性無法得到保證。

需要說明的是，當(dāng)配電網(wǎng)有保電任務(wù)時，所有范圍內(nèi)的電力通信終端優(yōu)先級應(yīng)當(dāng)提高。

2? ?配電網(wǎng)TD-LTE專網(wǎng)測試

配電網(wǎng)TD-LTE專網(wǎng)測試平臺主要包括基站模擬、終端模擬和核心網(wǎng)模擬，可以對各個設(shè)備進(jìn)行包圍性測試，即可在測試基站時同時模擬終端和核心網(wǎng)。

2.1? ?多用戶業(yè)務(wù)時延及抖動分析

在進(jìn)行多用戶業(yè)務(wù)（大于200個用戶終端）通信性能測試時，利用測試儀模擬用戶數(shù)逐漸增加對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。在測試過程中，用戶數(shù)以10個/秒的速度增加到設(shè)置值。

配電網(wǎng)TD-LTE專網(wǎng)在承載多用戶業(yè)務(wù)時的時延和抖動測試結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。鑒于配電網(wǎng)業(yè)務(wù)主要涉及用戶端上行功能，這里只分析上行網(wǎng)絡(luò)性能。根據(jù)如圖2所示的測試曲線可知，當(dāng)用戶數(shù)量逐漸增大時，整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶端上行時延的最大值和平均值隨之增加，最大值達(dá)到1.024 s，平均值達(dá)到146.171 ms，系統(tǒng)重傳率約為10%左右。由圖3所示時延統(tǒng)計情況可知，時延區(qū)間主要集中在25-500 ms之間，其中時延在100-200 ms區(qū)間的可能性最大。從圖4所示的抖動測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的時延抖動值最大達(dá)到4.598 s。

將圖2至圖4的測試結(jié)果與配電網(wǎng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能需求（表1至表3）作對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用戶較少時，TD-LTE專網(wǎng)的時延滿足各項業(yè)務(wù)傳輸要求;隨著用戶數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)時延逐漸增大，當(dāng)時延超過500 ms時，TD-LTE專網(wǎng)將不能保證配電自動化、SCADA、負(fù)荷控制、監(jiān)控視頻、移動運(yùn)維以及應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)的可靠傳輸。將導(dǎo)致配電自動化的保護(hù)功能無法及時跳開故障開關(guān)，同時無法及時下達(dá)遙控命令切除故障，存在生產(chǎn)事故隱患。

2.2? ?業(yè)務(wù)擁塞狀態(tài)下時延和抖動分析

在配電網(wǎng)TD-LTE專網(wǎng)中，由于目前未對配電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)送速率大于網(wǎng)絡(luò)線速時，整個系統(tǒng)將出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，從而造成較大的時延，甚至出現(xiàn)丟包情況。

為測試配電網(wǎng)TD-LTE在業(yè)務(wù)擁塞狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)性能，本文利用測試儀模擬多個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)包，測試分析基站出現(xiàn)擁塞排隊狀態(tài)時的網(wǎng)絡(luò)性能。網(wǎng)絡(luò)時延、時延分布以及時延抖動的測試結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。從業(yè)務(wù)擁塞狀態(tài)下的測試結(jié)果可知，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的最大時延達(dá)到1.08 s，平均時延近400 ms，時延分布主要集中在200-500 ms區(qū)間，最大時延抖動為11.37 ms?？梢?，在TD-LTE專網(wǎng)出現(xiàn)業(yè)務(wù)擁塞時，網(wǎng)絡(luò)性能僅能滿足配電網(wǎng)自動抄表、狀態(tài)監(jiān)測、負(fù)荷預(yù)測等低優(yōu)先級窄帶業(yè)務(wù)需求，而其它業(yè)務(wù)則無法保證可靠傳輸。

由于面向配電網(wǎng)的TD-LTE專網(wǎng)的容量和業(yè)務(wù)性能的特點(diǎn)，當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時，存在系統(tǒng)用戶并發(fā)傳輸，造成業(yè)務(wù)性能降低，增大了業(yè)務(wù)傳輸時延，增加了排隊等待時間。隨著用戶數(shù)的增長，業(yè)務(wù)輪詢周期增加，業(yè)務(wù)可靠性降低，重傳率升高。

2.3? ?提高TD-LTE無線專網(wǎng)可靠性的建議

TD-LTE無線通信技術(shù)已逐步應(yīng)用于配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸，未來將成為配電網(wǎng)光纖末端通信的重要組成部分，承載多項配電網(wǎng)業(yè)務(wù)。為保證配電網(wǎng)TD-LTE無線專網(wǎng)的可靠性，須對TD-LTE專網(wǎng)進(jìn)行合理地規(guī)劃和配置。針對TD-LTE專網(wǎng)傳輸配電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)的實(shí)際應(yīng)用需求，在規(guī)劃和配置網(wǎng)絡(luò)時的建議如下：

（1）在配電網(wǎng)TD-LTE專網(wǎng)建設(shè)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮周圍環(huán)境干擾特性，并盡可能地排除通信干擾;

（2）在TD-LTE基站選址時，應(yīng)在綜合評估用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)類型的基礎(chǔ)上，科學(xué)地規(guī)劃基站地址以及基站分布;

（3）在TD-LTE專網(wǎng)運(yùn)行時，應(yīng)根據(jù)配電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)類型的特點(diǎn)及其對網(wǎng)絡(luò)性能的需求，合理劃分不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級;

（4）在TD-LTE基站及核心網(wǎng)設(shè)備配置時，應(yīng)具備業(yè)務(wù)擁塞處理機(jī)制，保障擁塞狀態(tài)下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

3? ?結(jié)? ?論

TD-LTE無線通信技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)的配電、用電以及運(yùn)維等業(yè)務(wù)是提高配電網(wǎng)自動化、信息化水平的重要途徑。針對配電網(wǎng)各類業(yè)務(wù)對無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能需求，實(shí)驗(yàn)測試分析了TD-LTE無線專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時延和時延抖動這兩項主要網(wǎng)絡(luò)性能，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了保障TD-LTE無線專網(wǎng)可靠承載配電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)的幾點(diǎn)建議。給出的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置改進(jìn)建議可為配電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行提供參考。

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