基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的電力TD-LTE無線專網(wǎng)的研究

王一妹，陳亞琨，李俊領(lǐng)

（1.鄭州電力高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450000；2.河南送變電工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，我國的電力體制改革進(jìn)程逐步加快，智能電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，配電自動化水平得到了進(jìn)一步提升。在這一背景下，電力通信網(wǎng)絡(luò)的重要性不斷突顯。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)通信和可靠傳輸提供了保障。鑒于此，基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建電力TD-LTE無線專網(wǎng)，以此提高配電網(wǎng)的整體通信水平，保證各項(xiàng)電力業(yè)務(wù)高效開展。

1 電力TD-LTE無線專網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)

目前，電力TD-LTE無線專網(wǎng)（以下簡稱專網(wǎng)）采用230 MHz頻段，具有運(yùn)行安全性和可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)音視頻和數(shù)據(jù)信息的雙向互傳。專網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1.1 混合自動重傳請求

混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）歸屬于抗衰落和抗干擾技術(shù)的范疇，是前向糾錯(cuò)編碼（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）與自動重傳請求（Automatic Repeat Request，ARQ）兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。利用FEC在接收端對可糾正的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，經(jīng)檢測找出無法糾正的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包丟棄，隨后向發(fā)射端發(fā)送請求。接到請求后，發(fā)射端會重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。在專網(wǎng)中，HARQ的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是軟合并（Chase Combine，CC），另一種是增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。

1.1.1 CC

通常情況下，HARQ為單純機(jī)制時(shí)，會直接將接收到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包做丟棄處理。錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包雖然無法正確譯碼，但其中仍然含有一些有用信息。CC是充分利用這部分可用的信息，以臨時(shí)存儲的方式保存錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，然后與重傳數(shù)據(jù)包合并后一起譯碼，以進(jìn)一步提升傳輸效率。

1.1.2 IR

IR是在第一次傳輸時(shí)發(fā)送兩種不同類型的比特（一種為發(fā)送信息，另一種為部分冗余），然后在重傳時(shí)發(fā)送額外的冗余比特。若是首次解碼不成功，則可利用重傳降低編碼率，以大幅度提升解碼的成功率。

1.2 正交頻分復(fù)用

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）歸屬于多載波調(diào)制的范疇，也被稱為頻域多址技術(shù)。從現(xiàn)階段的通信情況來看，業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢。為確保各類業(yè)務(wù)的正常開展，必須不斷提升傳輸信號的帶寬。由于受到多徑效應(yīng)的影響，碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的性能受限，但正交頻分多 址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的性能卻并未受到影響。因此，采用OFDMA能夠滿足帶寬增長的需求。OFDMA可在基站實(shí)現(xiàn)分組調(diào)度，可通過頻域調(diào)度的方法增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。與OFDMA相比，SC-FDMA的峰均比更低，可顯著提升上行功放被終端利用的效率。OFMA系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。與CDMA和TDMA相比，OFDMA的頻譜效率更高，借助頻域均衡，適用于復(fù)雜程度相對較低的接收機(jī)。

圖1 OFDM系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 動態(tài)資源分配

動態(tài)資源分配（Dynamic Resource Allocation，DRA）可為用戶分配控制打包的數(shù)據(jù)流，主要功能是選擇無線承載和管理調(diào)度資源。在包調(diào)度的過程中，需要重點(diǎn)考慮無線承載的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求。QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，能夠解決網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題。對于無時(shí)間限制的應(yīng)用系統(tǒng)而言，基本上不需要QoS，但關(guān)鍵應(yīng)用必須要有QoS。它能夠在網(wǎng)絡(luò)過載時(shí)保證重要業(yè)務(wù)不延遲和不被丟棄，可以使網(wǎng)絡(luò)保持高效運(yùn)行狀態(tài)。專網(wǎng)在構(gòu)建過程中采用了OFDMA，能夠使無線資源在頻域上靈活劃分若干子帶，并從時(shí)域上劃分多個(gè)時(shí)隙構(gòu)成時(shí)頻二維資源，從而可按用戶的QoS等級完成動態(tài)調(diào)度，順利實(shí)現(xiàn)頻率分集。由于專網(wǎng)內(nèi)用戶資源的使用并非完全正交，因此用戶間并不會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)性能[1-2]。

1.4 載波聚合

載波聚合（Carrier Aggregation，CA）是LTE中的關(guān)鍵技術(shù)，主要作用是增加傳輸帶寬。CA能夠?qū)⒉怀^5個(gè)LTE成員載波聚合起來，實(shí)現(xiàn)100 MHz的傳輸帶寬，促使傳輸速率隨之提高。CA還支持連續(xù)與非連續(xù)的載波聚合，其中每個(gè)載波的最大可用資源為110個(gè)資源塊（Resource Block，RB）。近年來，隨著無線技術(shù)的不斷完善，它的應(yīng)用量進(jìn)一步增加。在這一背景下，想要獲得連續(xù)頻譜的難度越來越大，使較大帶寬的無線傳輸變得非常困難。CA技術(shù)的出現(xiàn)，為解決該問題提供了新途徑。CA技術(shù)在解決離散頻譜的高速傳輸問題方面具有良好的適用性，可大幅提升專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，減少傳輸時(shí)延。

2 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的電力TD-LTE無線專網(wǎng)

2.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）以電力系統(tǒng)作為立足點(diǎn)，圍繞其中不同的環(huán)節(jié)，運(yùn)用人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)（Mobile Internet）等，實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)中物與物互聯(lián)和人與設(shè)備交互。光交叉連接是UEIOT的核心技術(shù)（簡稱OXC），是整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)中的重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其中光分插復(fù)用裝置（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）是該技術(shù)的功能簡化[3-4]。OXC除了能夠完成光通道的交叉連接之外，還能實(shí)現(xiàn)本地上路/下路功能。光信號交換是OXC的核心，原理與電交換類似。OXC可以對物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。UEIOT為智慧服務(wù)系統(tǒng)，除了能夠全面感知狀態(tài)外，還能高效處理信息。UEIOT采用的是當(dāng)前較為流行的分層架構(gòu)體系，共分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層以及應(yīng)用層4層。

2.1.1 感知層

在UEIOT中，感知層處于最底端。該層與電力系統(tǒng)中的設(shè)備、電力用戶的用電設(shè)備以及各種耗能組件相連。可以選用的數(shù)據(jù)信息采集方式有二維碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）以及傳感器3種方式。感知層能夠?yàn)樯霞壧峁┹^為全面的信息，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的全面覆蓋。感知層可以獲取的數(shù)據(jù)種類如圖2所示。

圖2 感知層獲取的數(shù)據(jù)種類

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是UEIOT的重要組成部分，由骨干網(wǎng)、支撐網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)以及接入網(wǎng)構(gòu)成，可通過專網(wǎng)接入。該層能夠?yàn)楦兄獙优c平臺層的數(shù)據(jù)信息傳輸提供通道，可收集整理感知層獲取的相關(guān)信息，并在分析后傳給平臺層。

2.1.3 平臺層

平臺層是UEIOT的核心層，處于網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層中間，使UEIOT具有智慧性。平臺層由工作站、服務(wù)器以及光纖等部分組成，負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)層上傳的數(shù)據(jù)信息，并下達(dá)相關(guān)的運(yùn)行指令。

2.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于UEIOT的最頂端，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和指揮，可將之看做是UEIOT的大腦。它能夠監(jiān)控管轄范圍內(nèi)的電網(wǎng)潮流等，從而提高電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及重要指標(biāo)

基于UEIOT的專網(wǎng)由演進(jìn)分組核心網(wǎng)、基站、通信終端以及網(wǎng)管系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.2.1 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)是專網(wǎng)的重要組成部分，具有數(shù)據(jù)信息加密處理、終端鑒定權(quán)限認(rèn)證以及管理IP地址及移動性等功能。通過無線數(shù)據(jù)塊短間隔接口，可以直接接入電力骨干網(wǎng)絡(luò)，并與業(yè)務(wù)主站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。按照性能可以將核心網(wǎng)細(xì)分為5大類，每類的容量指標(biāo)如表1所示。

表1 核心網(wǎng)每一類的容量指標(biāo)

2.2.2 基 站

基站是專網(wǎng)中的核心網(wǎng)元，主要由天線、射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）以及基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）等構(gòu)成?；揪邆渫ㄐ艆f(xié)議轉(zhuǎn)換、管理無線資源以及控制終端等功能。通過通信接口可以直接接入到電力同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）回傳網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)與核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息交互?；镜牡湫凸ぷ鲙捰?00 kHz、1.0 MHz、5.0 MHz等，不同的工作帶寬上/下行峰值速率有所區(qū)別，如1.0 MHz的上/下行峰值速度分別為2.1 Mb/s和1.0 Mb/s。

2.2.3 通信終端

通信終端通過專用接口能夠與電力業(yè)務(wù)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，由于是即插即用，因此可實(shí)現(xiàn)無縫連接。通信終端具有支持電力采集類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳和控制相關(guān)信息的下發(fā)等功能。在專網(wǎng)中，通信終端有獨(dú)立式和嵌入式兩種基本形態(tài)，支持帶寬為25 kHz的離散CA。

2.2.4 網(wǎng)管系統(tǒng)

專網(wǎng)中，網(wǎng)管系統(tǒng)能夠?qū)诵木W(wǎng)、基站以及通信終端進(jìn)行管理，如軟件管理和配置管理等，同時(shí)提供了地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）功能，經(jīng)北向接口可以直接接入電力終端通信接入網(wǎng)。

2.3 安全防護(hù)

對于電力系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)尤為重要。部分業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行物理隔離，并對通信通道進(jìn)行邏輯隔離。專網(wǎng)需要為電力系統(tǒng)中的不同業(yè)務(wù)提供通信通道?；谶@一前提，必須采取有效措施有效防護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。經(jīng)過研究，決定采用APN/VPN方式，實(shí)現(xiàn)不同電力業(yè)務(wù)的邏輯隔離。同時(shí)，針對內(nèi)網(wǎng)邊界，采用安全接入和加密認(rèn)證等措施，對網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)行隔離。

2.4 接入方案

根據(jù)國家電網(wǎng)公司提出的推進(jìn)電力無線專網(wǎng)擴(kuò)大試點(diǎn)的要求，在相關(guān)試點(diǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大試點(diǎn)范圍，構(gòu)建了電力TD-LTE無線專用網(wǎng)絡(luò)。專網(wǎng)覆蓋的供電區(qū)域面積約為4 050 km2，可承載區(qū)域內(nèi)90%以上的電力業(yè)務(wù)終端。目前，共計(jì)接入10類業(yè)務(wù)，其中較具代表性的有配電自動化、配電變壓器監(jiān)測以及用電信息采集等。

2.4.1 配電自動化的接入

配電自動化是電力系統(tǒng)中最重要的業(yè)務(wù)之一，在提高供電可靠性和改善供電質(zhì)量方面具有不可替代的作用?？梢岳脤＞W(wǎng)對配電自動化業(yè)務(wù)進(jìn)行承載，并經(jīng)由主站側(cè)的安全接入?yún)^(qū)，以安全可靠的方式接入專網(wǎng)的業(yè)務(wù)主站。可將配電與無線通信兩個(gè)終端連接到一起，利用空中接口直接接入專網(wǎng)的基站，并由基站將相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸網(wǎng)發(fā)送給專網(wǎng)的核心網(wǎng)。

2.4.2 用電信息采集

電力用戶在使用電能的過程中會產(chǎn)生相關(guān)的用電信息，通過采集部分信息，能夠?yàn)橛秒娏糠治鎏峁┮罁?jù)?？梢酝ㄟ^專網(wǎng)承載用電信息采集業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)智能表采集信號的實(shí)時(shí)傳輸。

2.4.3 配電變壓器監(jiān)測

在配電網(wǎng)中，配電變壓器是最重要的電氣設(shè)備之一。它的運(yùn)行穩(wěn)定與否，對整個(gè)配電網(wǎng)的運(yùn)行具有直接影響。因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測配電變壓器，是掌握線路損耗、變壓器損耗、負(fù)荷率以及電能質(zhì)量等參數(shù)的有效途徑。監(jiān)測配電變壓器運(yùn)行狀況，有助于提升管理效率。監(jiān)測歸屬于數(shù)據(jù)信息采集類業(yè)務(wù)的范疇。配電變壓器監(jiān)測業(yè)務(wù)接入專網(wǎng)的方案與用電信息采集的接入方案基本相同。

2.5 業(yè)務(wù)承載性能

2.5.1 通信性能

在測試專網(wǎng)的通信性能時(shí)，可將重點(diǎn)放在網(wǎng)絡(luò)基本性能、時(shí)延以及分組丟失率等方面。用各項(xiàng)測試所得的結(jié)果與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。經(jīng)測試，專網(wǎng)接入的成功率為100%，分組丟失率為0%，不同業(yè)務(wù)類型的時(shí)延有所不同，但都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，證明專網(wǎng)的通信性能良好。

2.5.2 覆蓋測試

在規(guī)劃的覆蓋區(qū)域內(nèi)測試專網(wǎng)的覆蓋能力，結(jié)果表明，覆蓋率在96%～97%的站點(diǎn)比例為4.5%，在99%以上的站點(diǎn)比例為45.4%，沒有低于96%的情況，說明覆蓋率均超過95%，與相關(guān)規(guī)定要求相符。同時(shí)，專網(wǎng)的覆蓋半徑與理論值基本一致，表明專網(wǎng)的覆蓋性能良好。

3 結(jié) 論

綜上所述，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)以其自身具備的強(qiáng)大功能，可使電力系統(tǒng)中各類設(shè)備之間的協(xié)作變得更加順暢，還能使人與電氣設(shè)備進(jìn)行交互，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，可基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建電力TD-LTE無線專網(wǎng)，從而確保配電業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｎ磥響?yīng)當(dāng)加大電力TD-LTE無線專網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究力度，除優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)之外，還應(yīng)開發(fā)一些新技術(shù)，從而使其更好地為電力通信服務(wù)。