張瀚峰 閆淑輝 楊元漪 馮世英

（普天信息技術(shù)有限公司，北京 100080）

通信網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)的基石。電力通信網(wǎng)可分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩大部分，電力通信骨干網(wǎng)目前以光纜為主流傳輸介質(zhì)，采用在同步數(shù)字傳送網(wǎng)（SDH）基礎(chǔ)上引入光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)，逐步形成OTN與SDH聯(lián)合組網(wǎng)模式；電力通信接入網(wǎng)定位為骨干網(wǎng)的延伸，實(shí)現(xiàn)最后一到數(shù)十公里的延伸覆蓋。

經(jīng)過多年建設(shè)國家電網(wǎng)已經(jīng)建立了一張具有相當(dāng)規(guī)模的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面覆蓋國家電網(wǎng)的調(diào)度控制中心、管理營銷機(jī)構(gòu)、110kv及以上高電壓等級(jí)發(fā)輸電網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中起了巨大作用。

光纖通信在110kV及以上的骨干通信網(wǎng)絡(luò)游刃有余，但是面對點(diǎn)多面廣、環(huán)境復(fù)雜的35kV及以下中低壓配用電通信網(wǎng)絡(luò)還有待提高。因此引入了寬帶無線通信技術(shù)對光纖通信進(jìn)行補(bǔ)充，構(gòu)建高速、可靠、靈活的電力通信接入網(wǎng)，是解決配用電側(cè)全覆蓋、全采集發(fā)展目標(biāo)的必然選擇，在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越不可替代的作用。

基于電網(wǎng)230MHz專用頻段，結(jié)合第四代移動(dòng)通信TD-LTE先進(jìn)技術(shù)的新一代電力無線通信系統(tǒng)為“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”提供優(yōu)質(zhì)的通信保障，已成為電力通信的必然選擇。該系統(tǒng)兼具信息安全性高、信息傳輸帶寬高、系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)方便性好、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

本文提出TD-LTE230系統(tǒng)是為電力行業(yè)量身打造的寬帶無線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)集成第四代移動(dòng)通信LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合電力應(yīng)用需求，利用載波聚合技術(shù)，將230MHz頻段離散的窄帶頻點(diǎn)資源進(jìn)行統(tǒng)一整合形成寬帶資源以滿足行業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，該系統(tǒng)引入了OFDM、高階調(diào)制、高效編碼等新技術(shù)，一方面提高了頻譜效率，另一方面使系統(tǒng)具有優(yōu)越的解調(diào)性能，提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證了與數(shù)傳電臺(tái)系統(tǒng)在230MHz頻段的共存。該系統(tǒng)能夠支持包括用電信息采集、配電自動(dòng)化、專變負(fù)控采集、視頻傳輸?shù)入娏I(yè)務(wù)，并能根據(jù)電力用戶需求不斷進(jìn)行改進(jìn)與定制。

LTE230 系統(tǒng)主要由無線終端UE、無線基站eNodeB、核心網(wǎng)EPC及網(wǎng)管eOMC構(gòu)成。具體參見圖1。

圖1 LTE230 系統(tǒng)圖

1）無線終端UE

LTE230系統(tǒng)的無線終端模塊，直接與集中器、負(fù)控終端、配電自動(dòng)化終端等電力終端設(shè)備通信。終端與監(jiān)控單元能夠無縫連接，即插即用。

2）無線基站eNodeB

LTE230系統(tǒng)的無線基站，能夠接入多路用戶。包括固定基站以及移動(dòng)基站（車載）。每個(gè)基站單個(gè)扇區(qū)最多可接入2000個(gè)電力數(shù)據(jù)用戶。

3）無線核心網(wǎng)EPC

LTE230系統(tǒng)的核心網(wǎng)，負(fù)責(zé)終端認(rèn)證、終端IP地址管理、移動(dòng)性管理等，直接連接智能電網(wǎng)主站。通過核心網(wǎng)，電力終端能夠完成數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、調(diào)度指揮、應(yīng)急搶險(xiǎn)等功能。

4）網(wǎng)管eOMC

LTE230系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理單元。主要包括兩部分內(nèi)容：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)維。該中心支持對現(xiàn)存的電力信息管理進(jìn)行融合，并能利用各種多媒體手段，GIS技術(shù)，完成統(tǒng)一集成的多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）覆蓋廣、信號(hào)繞射能力強(qiáng)：密集城區(qū)覆蓋3km，鄉(xiāng)村30km。

2）安全性高：遵循LTE規(guī)范，實(shí)現(xiàn)3GPP最嚴(yán)格的加密鑒權(quán)機(jī)制，支持IP地址過濾與用戶數(shù)據(jù)協(xié)議過濾。

3）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定：支持Turbo信道編碼、HARQ、AMC等先進(jìn)物理層技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸可靠。

4）設(shè)備可靠性高：設(shè)計(jì)過程中及進(jìn)行了大量的高可靠性設(shè)計(jì)考慮，并在產(chǎn)品開發(fā)完成后進(jìn)行了各種可靠性驗(yàn)證。

5）可維護(hù)性強(qiáng)：操作維護(hù)中心OMC可實(shí)現(xiàn)對LTE230網(wǎng)絡(luò)中的EPC、eNodeB、UE進(jìn)行集中統(tǒng)一的管理，可以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地對網(wǎng)元設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配置管理、拓?fù)涔芾?、故障管理、性能管理、?bào)表管理、軟件管理、日志管理和安全管理。

6）可擴(kuò)展性強(qiáng)：全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、支持軟件無線電技術(shù)。

7）深度定制：上行為主、支持QOS設(shè)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、終端產(chǎn)品豐富。

3 基于LTE230 系統(tǒng)的配用電自動(dòng)化解決方案

目前電力網(wǎng)中配電和用電環(huán)節(jié)，存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜、變化快、終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量和種類多、空間分布廣等實(shí)際情況，且不同配用電業(yè)務(wù)之間對信息傳輸?shù)囊蟛槐M相同。配用電網(wǎng)的區(qū)域差異和業(yè)務(wù)的多樣性決定配用電通信網(wǎng)需要采取多種通信體制，建立以光纖為骨干網(wǎng)、無線通信網(wǎng)作為全覆蓋接入的組網(wǎng)模式。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，配用電業(yè)務(wù)對通信網(wǎng)的可靠性、傳輸容量、接入靈活性等方面均提出了新的要求。同時(shí)配用環(huán)節(jié)具有用電信息采集、配電自動(dòng)化、新能源接入等多種智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)雙向通信的需求。而構(gòu)建LTE230電力無線寬帶通信系統(tǒng)可以較好地解決智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的要求。

圖2 基于LTE230 系統(tǒng)的配電自動(dòng)化解決方案圖

LTE230終端可以根據(jù)電力業(yè)務(wù)需要，安裝連接專變負(fù)控采集終端或者配電自動(dòng)化終端。通過230MHz無線鏈路接入到LTE230基站。LTE230基站可以建設(shè)在變電站的樓頂，利用現(xiàn)有電網(wǎng)的光纖資源接入到電力大樓。而LTE230的核心網(wǎng)及網(wǎng)管部署在電力大樓并與電力主站系統(tǒng)對接，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有LTE230基站及終端的管理和控制，如圖2所示。

配用電自動(dòng)化終端的數(shù)據(jù)通過LTE230系統(tǒng)的專用通道送到遠(yuǎn)端監(jiān)控主站系統(tǒng)，監(jiān)控主站的下發(fā)指令也通過LTE230網(wǎng)絡(luò)傳遞到配用電自動(dòng)化終端中，以控制配用電自動(dòng)化終端的操作，實(shí)現(xiàn)安全可靠的雙向通信。

LTE230電力無線寬帶通信系統(tǒng)提供在農(nóng)村地區(qū)超過30公里半徑的覆蓋，支持最大2000個(gè)電力業(yè)務(wù)終端同時(shí)在線，以及最高達(dá) 14.96Mbps 的上行無線傳輸鏈路，具備優(yōu)先級(jí)設(shè)置功能，能按需分配業(yè)務(wù)帶寬，較好地滿足各類型配用電業(yè)務(wù)順利開展對通信通道的要求，保障了業(yè)務(wù)可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性。LTE230電力無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快，即可較好的實(shí)現(xiàn)專變負(fù)控終端或者集中器的用電信息數(shù)據(jù)采集的通信接入；也可較好地覆蓋開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)等配電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化終端的通信接入。

4 基于光纖到臺(tái)區(qū)的微基站解決方案

目前，部分電力公司的光纜線路已經(jīng)鋪設(shè)到配電臺(tái)區(qū)，臺(tái)區(qū)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過EPON接入電網(wǎng)數(shù)據(jù)控制中心，但是從集中器到臺(tái)區(qū)的通信尚未解決。如果繼續(xù)使用光纖通信，則光纜線路建設(shè)施工周期長、建設(shè)路徑組織困難、施工難度大，而通過基于LTE230無線通信方式解決，則容易施工，并且可以降低成本。

基于LTE230電力無線寬帶通信系統(tǒng)的臺(tái)區(qū)無線通信數(shù)據(jù)采集方案，通過在每個(gè)配電臺(tái)區(qū)安裝小型、簡易化的LTE230基站來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在電力數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要部署一套LTE 230核心網(wǎng)（EPC）系統(tǒng)，管理和維護(hù)其管轄區(qū)域內(nèi)的所有基站及終端設(shè)備。臺(tái)區(qū)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接圖如3所示。

圖3 基于光纖到臺(tái)區(qū)的微基站解決方案圖

該方案是利用在臺(tái)區(qū)變壓器附件架設(shè)1個(gè)小型基站，然后連接到臺(tái)區(qū)已有的光纖接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對臺(tái)區(qū)變壓器1km范圍內(nèi)的電力采集終端用戶的無線覆蓋，完成區(qū)域內(nèi)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。供電方式是利用臺(tái)區(qū)已有的220V/380V電壓，通過AC/DC轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生基站所需的-48V直流電壓。

該方案綜合了光纖和無線通信的優(yōu)勢，利用寬帶無線技術(shù)解決了光纖“最后1km”的部署難題；同時(shí)通過光纖網(wǎng)絡(luò)延長無線信號(hào)的傳播距離，提升了電力無線接入網(wǎng)的帶寬。

5 地下室覆蓋解決方案

由于現(xiàn)有電力終端多數(shù)安裝在居民小區(qū)、大型寫字樓或者商場內(nèi)部或者地下室，電力無線網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋，目前，往往采用終端天線拉遠(yuǎn)或者終端拉遠(yuǎn)方式進(jìn)行解決，但該方案存在拉遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)，施工量大，物業(yè)協(xié)調(diào)困難等問題。

LTE230系統(tǒng)在采用終端天線拉遠(yuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下室覆蓋的同時(shí)創(chuàng)新性的結(jié)合基于470MHz的近距離無線增強(qiáng)系統(tǒng)，混合組網(wǎng)構(gòu)建了基于LTE230的電力地下室無線覆蓋解決方案，如圖4所示。該方案遠(yuǎn)距離傳輸采用基于230MHz的LTE技術(shù)，近距離傳輸采用基于470MHz的ZigBee無線技術(shù)，支持自組網(wǎng)技術(shù)，可以支持多跳傳輸，組網(wǎng)非常靈活，且系統(tǒng)功耗較低。很好解決了LTE230電力無線網(wǎng)絡(luò)在大面積覆蓋時(shí)地下室覆蓋陰影區(qū)域多的難題。

圖4 地下室覆蓋解決方案圖

該方案在接入網(wǎng)側(cè)由LTE230基站、核心網(wǎng)及網(wǎng)管構(gòu)成。在地下室側(cè)如果墻體的信號(hào)衰減小，且電力應(yīng)用終端靠近墻體，施工簡單易行時(shí)，可以直接進(jìn)行LTE230信號(hào)覆蓋，這時(shí)根據(jù)信號(hào)檢測的強(qiáng)度，可能需要采用230射頻天線的拉遠(yuǎn)技術(shù)，如圖4所示。如果地下室墻體信號(hào)衰減大甚至是要跨越多個(gè)墻體，則地下室側(cè)的信息傳輸由230終端接入點(diǎn)（AP）、短距離無線增強(qiáng)模塊（RE）、短距離無線通信終端節(jié)點(diǎn)（ED）三部分組成，其中AP負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離LTE230信號(hào)與470M近距離信號(hào)的轉(zhuǎn)換；RE負(fù)責(zé)470信號(hào)的路由轉(zhuǎn)換；ED負(fù)責(zé)最后與電力終端進(jìn)行對接。其中，路由節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度進(jìn)行增加，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)電力終端的數(shù)量進(jìn)行增加。

該方案在室內(nèi)全部采用近距離無線增強(qiáng)通信方式，避免了拉線等施工難題，對物業(yè)破壞小，物業(yè)協(xié)調(diào)簡單；同時(shí)設(shè)備支持220V市電，并備有應(yīng)急鋰電池，電源供應(yīng)穩(wěn)定可靠，容災(zāi)性強(qiáng)。

6 結(jié)論

本文從智能電網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)需求出發(fā)，基于電網(wǎng)獨(dú)有的230M頻段離散頻譜，利用TD-LTE先進(jìn)無線通信技術(shù)，提出了具有深覆蓋、高速率傳輸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)的無線通信解決方案。解決了用電信息采集、配網(wǎng)自動(dòng)化、負(fù)荷控制等業(yè)務(wù)對電力無線通信的需求。