李 飛，王鴻璽，楊 鵬，樊曉輝，張穎琦，張 琳

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2. 國網河北省電力公司，石家莊 050021)

用電信息采集系統(tǒng)無線專網與無線公網通信技術的比較分析

李 飛1，王鴻璽1，楊 鵬1，樊曉輝1，張穎琦2，張 琳1

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2. 國網河北省電力公司，石家莊 050021)

為更好地支撐用電信息采集系統(tǒng)深化應用需求，同時提高用電信息采集終端與采集主站之間通信數據傳輸速率、安全性和可靠性，對采集系統(tǒng)使用的遠程通信技術提出了更高的要求，對現(xiàn)有的用電信息采集遠程通信方式與新型先進的通信技術進行比較分析，指出各種通信技術在用電信息采集應用中的優(yōu)勢與不足，為選擇更好的遠程通信方式提供理論依據。

用電信息采集；終端；遠程通信技術；電力無線專網；無線公網

隨著我國智能電網建設的不斷深入推進，電網智能化、信息化水平日益提升，對數據采集傳輸的安全性、可靠性、實時性提出了更高的要求。用電信息采集系統(tǒng)的建設規(guī)模也隨之不斷擴大，并已成為電網公司各專業(yè)的重要數據來源和應用支撐系統(tǒng)，與公共通信網不同，用電信息采集終端通信接入網是電力系統(tǒng)的專用通信網絡，涉及電力生產、調度、控制等基礎環(huán)節(jié)，對網絡的實時性、安全性、可靠性等具有很高的要求。

目前，多采用租用電信運營商提供的GPRS、CDMA 業(yè)務作為用電信息采集業(yè)務的無線通信手段[1]，而現(xiàn)有的通信技術手段已逐漸不能滿足支撐用電信息采集系統(tǒng)深化應用的需求。智能電網信息的用電側數據采集存在節(jié)點數目龐大(百萬到千萬級)、分布廣、環(huán)境差、空間有限、處理能力低、存儲空間小等問題，解決這些問題是無線通信技術在該領域發(fā)展的方向。

1 用電信息采集系統(tǒng)遠程通信架構

用電信息采集系統(tǒng)通信信道包括遠程通信信道和本地通信信道兩部分。遠程通信信道是指各類采集終端與采集系統(tǒng)主站之間的通信接入信道。遠程通信信道一端連接用電信息采集系統(tǒng)主站，另一端連接專用變壓器終端、集中器等終端或具備遠程通信功能的智能電能表。

遠程通信方式可供選擇的技術包括GPRS無線公網、CDMA無線公網、光纖專網、230 MHz無線專網、有線電視通信網、中壓電力線載波等[2]，可以是其中一種方式或多種通信方式的組合。遠程通信架構如圖1所示。

圖1 遠程通信架構

國家電網公司用電采集系統(tǒng)建設快速推進，遠程信道主要采用外部電信運營商提供的無線公網通信方式，少部分采用光纖專網、230 MHz無線專網等其他通信方式。

2 用電信息采集遠程通信技術

2.1 無線公網通信技術

無線公網通信指采用公共運營商架設的GPRS、CDMA等通信網絡進行用電信息采集數據遠程傳輸，具有覆蓋范圍廣、永久在線、接入速度快、支持中高速數據傳輸、投入費用低、可按流量收費等優(yōu)點，但無線公網通信方式的安全性、可靠性、實時性不高。目前用電信息采集系統(tǒng)中96%以上[3]的遠程通信通道都是采用無線公網的方式。

目前應用在電力系統(tǒng)的無線公用通信網絡技術主要有GPRS、CDMA、LTE等技術。

2.1.1 GPRS技術

GPRS是通用無線分組業(yè)務的英文簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸的方式不同，是以封包(Packet)式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。它突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換。

GPRS的傳輸速率可提升至56～114 Kb/s。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都更方便容易。由于使用了“分組”技術，用戶上網相對穩(wěn)定，避免了不必要的短線帶來的困擾。

2.1.2 CDMA技術

3G是第3代移動通信系統(tǒng)的通稱，與2G技術相比較，3G技術的主要優(yōu)點是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質量和數據傳輸速率。國際電信聯(lián)盟(ITU)早在2000年5月即確定了CDMA、WCDMA和TD-SCDMA 3個主流3G標準。

a. CDMA是碼分多址的英文縮寫，它是在擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。它能夠滿足市場對移動通信容量和品質的高要求，具有頻譜利用率高、話音質量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點，可以大量減少投資和降低運營成本。

b. WCDMA中文譯名為“寬帶分碼多工存取”，源于歐洲和日本幾種技術的融合。WCDMA采用MC FDD雙工模式，與GSM網絡有良好的兼容性和互操作性。它采用直擴(MC)模式，載波帶寬為5 MHz，可支持384 Kb/s到2 Mb/s不等的數據傳輸速率，在高速移動的狀態(tài)，可提供384 Kb/s的傳輸速率，在低速或是室內環(huán)境下，則可提供高達2 Mb/s的傳輸速率。在費用方面，WCDMA因為是借助分包交換的技術，所以網絡使用的費用不是以接入的時間計算，而是以消費者的數據傳輸量來定。

c. TD-SCDMA是ITU正式發(fā)布的第3代移動通信空間接口技術規(guī)范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中國電信百年來第一個完整的通信技術標準，是集CDMA、TDMA、FDMA技術優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術，它采用了智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴頻系統(tǒng)、自適應功率調整等技術。TD-SCDMA傳輸方向的時域自適應資源分配可取得獨立于對稱業(yè)務負載關系的頻譜分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通過最佳自適應資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8 Kb/s到2 Mb/s的語音、互聯(lián)網等所有的3G業(yè)務。

2.1.3 LTE技術

4G LTE是TD-LTE和FDD-LTE等LTE網絡制式的統(tǒng)稱。在中國4G網絡還處于TD-LTE的特殊時期，4G LTE一般特指TD-LTE制式網絡。LTE也被通俗的稱為3.9G，具有100 Mb/s的數據下載能力，被視作從3G向4G演進的主流技術。4G LTE最大的數據傳輸速率超過100 Mb/s，這個速率是移動電話數據傳輸速率的1萬倍，也是3G移動電話速率的50倍。

2.2 無線專網通信技術

隨著智能電網建設的展開，電力業(yè)務對可靠性、安全性的需求不斷提高。目前，用電信息采集多租用電信運營商提供的GPRS、CDMA無線公網業(yè)務作為遠程通信手段。公網雖然無需網絡部署和后期維護，僅需向運營商交納租賃費用，但這種以公眾語音通話和數據業(yè)務為最高優(yōu)先級的網絡，始終無法滿足電力業(yè)務信息安全、實時性以及服務質量的需求。因此，在用電信息采集深化應用過程中電力無線專網建設受到了越來越多的關注。電力無線專網目前最為可行的技術方案有TD-LTE 230和TD-LTE 1800 2種。

2.2.1 TD-LTE 230

TD-LTE 230新型無線寬帶通信系統(tǒng)[4](簡稱“TD-LTE 230系統(tǒng)”)是基于230 MHz頻段的無線頻譜，利用TD-LTE先進無線通信技術，為電力行業(yè)用戶深度定制的電力無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有廣覆蓋，高可靠性，高速率傳輸，實時性強，安全性強，頻譜適應性強等特點。LTE 230系統(tǒng)采用先進的全IP的網絡架構，可以共享TCP/IP體系的龐大技術和產業(yè)體系，獲得更好的穩(wěn)定性、互通性和經濟性，也利于對其他基于IP業(yè)務的引入，使得系統(tǒng)和其它電力信息系統(tǒng)潛在的未來對接更簡便。

正交頻分復用(OFDM)技術是TD-LTE的關鍵技術之一，其將整個頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線傳輸環(huán)境中的頻率選擇性衰落。正交頻分多址(OFDMA)技術是第4代移動通信的主要調制方式，與普通的FDMA、TDMA、CDMA相比有以下優(yōu)勢：帶寬擴展性強，抗頻率選擇性衰落的能力強，通過頻域均衡可以實現(xiàn)低復雜度的接收機。

除OFDM外，TD-LTE230還采用了載波聚合、頻譜感知、干擾協(xié)調優(yōu)先等先進通信技術[5]?？梢愿鶕煌脩舻牟煌枨螅瑸槠浞峙洳煌膸?，增加用戶的上/下行數據傳輸速率，減少傳輸時延，增強用戶體驗；解決與傳統(tǒng)230 MHz電臺和諧共處以及更好頻譜效率的問題，保證全網系統(tǒng)的效率最高。

2.2.2 TD-LTE 1800

TD-LTE 1800無線寬帶通信系統(tǒng)[6](簡稱“TD-LTE 1800系統(tǒng)”)同樣是以TD-LTE為核心技術，將TD-LTE技術的高速率、大帶寬應用與無線專網建設的無線通信系統(tǒng)。滿足大容量、大帶寬、高速率、高頻譜利用率的無線接入業(yè)務。

其關鍵技術與TD-LTE 230系統(tǒng)基本類似，包括：OFDMA技術、MIMO技術、智能天線、同頻組網技術、動態(tài)資源分配等。

3 電力無線通信技術比較分析

結合電力行業(yè)及國家電網公司部署無線專網的需求，從技術頻率政策、配用電網領域應用適用性、技術整合兼容性、網管系統(tǒng)的部署及與上級單位的連接及組網成本等方面來對無線專網TD-LTE 230、TD-LTE 1800和無線公網技術進行比較，見表1。

表1 無線通信技術比較

通信技術無線專網TD-LTE230TD-LTE1800無線公網GPRS/CDMA3G最高速率/(b·s-1)15M100M20K2M頻率資源223～235MHz1785～1805MHz800MHz/900MHz1.8G傳輸距離城區(qū)3km,郊區(qū)10km,農村30km城區(qū)1～3km,郊區(qū)4～8km,農村15km不限不限業(yè)務保障能力專網,穩(wěn)定性好專網,穩(wěn)定性好公網,延遲較大公網,延遲較大信息安全較高較高低低產業(yè)鏈設備廠商少設備廠商少完備完備標準化情況無無國際標準國際標準

根據表1對多種無線通信技術性能指標綜合比對可以得出以下結論。

公網通信的優(yōu)勢在于無需新建網絡，網絡建設由運營商投資；網絡資產歸屬運營商，電力企業(yè)無需承擔網絡運維；覆蓋廣泛，無線網絡覆蓋城鄉(xiāng)區(qū)域。其不足之處：長期大規(guī)模應用將產生大量的租用費用，河北省南部電網共有采集終端約56萬臺，每臺終端配備一張SIM的租用費用為60元/年，一年租用公網產生的通信費用達到3 360萬元；部分區(qū)域GPRS/CDMA等無線公網終端在線率較低，不能很好地滿足費控等實時性較高的業(yè)務要求；業(yè)務應用依賴于運營商提供的網絡資源，應用水平和推廣進度受限于公網建設程度，部分區(qū)域無通信覆蓋；存在公網系統(tǒng)升級換代風險，運營商將網絡升級至下一代通信方式后，現(xiàn)有通信網絡資源會大幅下降，服務質量難以保證；用電信息采集終端安裝位置存在無線公網覆蓋盲點；隨著終端數量的不斷增加，存在用戶密集區(qū)域無線公網信道接入能力有限，造成終端爭搶信道現(xiàn)象，使該區(qū)域穩(wěn)定性下降，采集成功率下降。

電力無線專網的優(yōu)勢在于通過采用離散頻譜聚合、頻譜感知等先進的無線通信技術，在離散窄帶頻譜上實現(xiàn)寬帶數據傳輸，大幅提高了無線離散頻率資源的使用效率；可無限制使用流量，節(jié)約運行費用，長期效益明顯；靈活度高、可擴展性強，可以根據電力業(yè)務需求，自由規(guī)劃網絡；實時性強，可以根據不同業(yè)務登記，靈活自定義業(yè)務優(yōu)先級，確保實時性業(yè)務獲得最優(yōu)信道資源；安全性保障機制完善，可采用鑒權、加密等多種安全機制，保障業(yè)務安全性；傳輸速度快，其中TD-LTE 1800最高可達到下行100 Mb/s，上行50 Mb/s，LTE230最高可達到下行6 Mb/s，上行15 Mb/s[7]，均遠高于3G通信傳輸速率，能很好滿足用電信息采集深化應用的業(yè)務需求；采用電力行業(yè)專用頻率資源，具有低成本廣覆蓋的明顯優(yōu)勢，同樣條件下單基站覆蓋半徑是無線公網系統(tǒng)的4～5倍，實現(xiàn)同樣面積的覆蓋所需基站數約為其它無線通信系統(tǒng)的1/16；傳輸距離遠、抗干擾能力強、后期擴展能力強，支持未來雙向互動業(yè)務。其不足主要在于無線專網商用模式發(fā)展有待完善，尚未形成完整的產業(yè)結構，目前在電網通信應用領域僅有試點運行項目，沒有大規(guī)模使用經驗；運行維護復雜，需要配備專業(yè)的運行維護機構和人員。

4 結論

隨著智能電網建設的深入開展，電力業(yè)務對數據可靠性、安全性的需求不斷提高，電網現(xiàn)有的通信技術已不能滿足國家電網公司統(tǒng)一堅強智能電網的特征需求，難以支撐新能源利用、階梯電價執(zhí)行以及交互式服務的開展。電力無線專網通信以其強大的技術優(yōu)勢，不僅能夠滿足堅強電網通信和信息化發(fā)展需求，以及國網公司對數據信息安全的要求，并能在長期運行中帶來更大的經濟效益。綜合上述分析，無線專網通信將成為未來電網通信方式發(fā)展的一個趨勢。

[1] Q/GDW 380.5-2009, 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)管理規(guī)范：通信信道運行管理規(guī)范[S].

[2] 曹惠彬.國家電網公司“十二五”通信網規(guī)劃綜述[J].電力系統(tǒng)通信，2011，32(5)：1-6.

[3] 杜新綱.用電信息采集通信技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2015.

[4] 駱凱波，譚元剛，鄒 波.電力通信專網中無線通信技術的運用分析及研究[J].電子測試，2016(24)：93-94.

[5] 楊 鵬，李 波.LTE的關鍵技術及其標準演進[J].電信網技術，2009(1)：40-42.

[6] 李文偉，陳寶仁，吳 謙.TD-LTE電力無線寬帶專網技術應用研究[J].電力系統(tǒng)通信，2013，33(11)：82-87.

[7] 李金友，閆 磊.基于LTE230系統(tǒng)的電力無線通信專網研究與實踐[J].電氣技術，2014(1)：132-134.

本文責任編輯：王洪娟

Comparison Analysis on Wireless Private Network and Wireless Public Network Communication Technology of Power User Electric Data Acquire System

Li Fei1，Wang Hongxi1，Yang Peng1，F(xiàn)an Xiaohui1，Zhang Yingqi2，Zhang Lin1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021, China)

In order to better support needs for deepening application of the power user electric energy data acquire system, and satisfy the requirements for improving data transmission rate, safety and reliability between electric energy data acquire terminal and system, higher requirements for the remote communication technology are presented.It is necessary to comparative and analysis the difference between the old way and the new way on remote communication technology of user electric data acquire system,and point out the advantages and shortages of various communication technology applied in electricity information acquisition, to provide theoretical basis for choosing a better way of remote communication.

electric energy data acquire;terminal;remote communication technique;power wireless private network;wireless public network

TM76；TP274.2

：A

：1001-9898(2017)04-0005-04

2017-04-06

李 飛(1982-)，男，高級工程師，主要從事采集終端技術檢測研究等工作。