用电信息采集系统无线专网与无线公网通信技术的比较分析

李 飞，王鸿玺，杨 鹏，樊晓辉，张颖琦，张 琳

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2. 国网河北省电力公司，石家庄 050021)

用电信息采集系统无线专网与无线公网通信技术的比较分析

李 飞1，王鸿玺1，杨 鹏1，樊晓辉1，张颖琦2，张 琳1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2. 国网河北省电力公司，石家庄 050021)

为更好地支撑用电信息采集系统深化应用需求，同时提高用电信息采集终端与采集主站之间通信数据传输速率、安全性和可靠性，对采集系统使用的远程通信技术提出了更高的要求，对现有的用电信息采集远程通信方式与新型先进的通信技术进行比较分析，指出各种通信技术在用电信息采集应用中的优势与不足，为选择更好的远程通信方式提供理论依据。

用电信息采集；终端；远程通信技术；电力无线专网；无线公网

随着我国智能电网建设的不断深入推进，电网智能化、信息化水平日益提升，对数据采集传输的安全性、可靠性、实时性提出了更高的要求。用电信息采集系统的建设规模也随之不断扩大，并已成为电网公司各专业的重要数据来源和应用支撑系统，与公共通信网不同，用电信息采集终端通信接入网是电力系统的专用通信网络，涉及电力生产、调度、控制等基础环节，对网络的实时性、安全性、可靠性等具有很高的要求。

目前，多采用租用电信运营商提供的GPRS、CDMA 业务作为用电信息采集业务的无线通信手段[1]，而现有的通信技术手段已逐渐不能满足支撑用电信息采集系统深化应用的需求。智能电网信息的用电侧数据采集存在节点数目庞大(百万到千万级)、分布广、环境差、空间有限、处理能力低、存储空间小等问题，解决这些问题是无线通信技术在该领域发展的方向。

1 用电信息采集系统远程通信架构

用电信息采集系统通信信道包括远程通信信道和本地通信信道两部分。远程通信信道是指各类采集终端与采集系统主站之间的通信接入信道。远程通信信道一端连接用电信息采集系统主站，另一端连接专用变压器终端、集中器等终端或具备远程通信功能的智能电能表。

远程通信方式可供选择的技术包括GPRS无线公网、CDMA无线公网、光纤专网、230 MHz无线专网、有线电视通信网、中压电力线载波等[2]，可以是其中一种方式或多种通信方式的组合。远程通信架构如图1所示。

图1 远程通信架构

国家电网公司用电采集系统建设快速推进，远程信道主要采用外部电信运营商提供的无线公网通信方式，少部分采用光纤专网、230 MHz无线专网等其他通信方式。

2 用电信息采集远程通信技术

2.1 无线公网通信技术

无线公网通信指采用公共运营商架设的GPRS、CDMA等通信网络进行用电信息采集数据远程传输，具有覆盖范围广、永久在线、接入速度快、支持中高速数据传输、投入费用低、可按流量收费等优点，但无线公网通信方式的安全性、可靠性、实时性不高。目前用电信息采集系统中96%以上[3]的远程通信通道都是采用无线公网的方式。

目前应用在电力系统的无线公用通信网络技术主要有GPRS、CDMA、LTE等技术。

2.1.1 GPRS技术

GPRS是通用无线分组业务的英文简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。

GPRS的传输速率可提升至56～114 Kb/s。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都更方便容易。由于使用了“分组”技术，用户上网相对稳定，避免了不必要的短线带来的困扰。

2.1.2 CDMA技术

3G是第3代移动通信系统的通称，与2G技术相比较，3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。国际电信联盟(ITU)早在2000年5月即确定了CDMA、WCDMA和TD-SCDMA 3个主流3G标准。

a. CDMA是码分多址的英文缩写，它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。

b. WCDMA中文译名为“宽带分码多工存取”，源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用MC FDD双工模式，与GSM网络有良好的兼容性和互操作性。它采用直扩(MC)模式，载波带宽为5 MHz，可支持384 Kb/s到2 Mb/s不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384 Kb/s的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2 Mb/s的传输速率。在费用方面，WCDMA因为是借助分包交换的技术，所以网络使用的费用不是以接入的时间计算，而是以消费者的数据传输量来定。

c. TD-SCDMA是ITU正式发布的第3代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中国电信百年来第一个完整的通信技术标准，是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术，它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8 Kb/s到2 Mb/s的语音、互联网等所有的3G业务。

2.1.3 LTE技术

4G LTE是TD-LTE和FDD-LTE等LTE网络制式的统称。在中国4G网络还处于TD-LTE的特殊时期，4G LTE一般特指TD-LTE制式网络。LTE也被通俗的称为3.9G，具有100 Mb/s的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。4G LTE最大的数据传输速率超过100 Mb/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。

2.2 无线专网通信技术

随着智能电网建设的展开，电力业务对可靠性、安全性的需求不断提高。目前，用电信息采集多租用电信运营商提供的GPRS、CDMA无线公网业务作为远程通信手段。公网虽然无需网络部署和后期维护，仅需向运营商交纳租赁费用，但这种以公众语音通话和数据业务为最高优先级的网络，始终无法满足电力业务信息安全、实时性以及服务质量的需求。因此，在用电信息采集深化应用过程中电力无线专网建设受到了越来越多的关注。电力无线专网目前最为可行的技术方案有TD-LTE 230和TD-LTE 1800 2种。

2.2.1 TD-LTE 230

TD-LTE 230新型无线宽带通信系统[4](简称“TD-LTE 230系统”)是基于230 MHz频段的无线频谱，利用TD-LTE先进无线通信技术，为电力行业用户深度定制的电力无线通信系统，该系统具有广覆盖，高可靠性，高速率传输，实时性强，安全性强，频谱适应性强等特点。LTE 230系统采用先进的全IP的网络架构，可以共享TCP/IP体系的庞大技术和产业体系，获得更好的稳定性、互通性和经济性，也利于对其他基于IP业务的引入，使得系统和其它电力信息系统潜在的未来对接更简便。

正交频分复用(OFDM)技术是TD-LTE的关键技术之一，其将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线传输环境中的频率选择性衰落。正交频分多址(OFDMA)技术是第4代移动通信的主要调制方式，与普通的FDMA、TDMA、CDMA相比有以下优势：带宽扩展性强，抗频率选择性衰落的能力强，通过频域均衡可以实现低复杂度的接收机。

除OFDM外，TD-LTE230还采用了载波聚合、频谱感知、干扰协调优先等先进通信技术[5]。可以根据不同用户的不同需求，为其分配不同的带宽，增加用户的上/下行数据传输速率，减少传输时延，增强用户体验；解决与传统230 MHz电台和谐共处以及更好频谱效率的问题，保证全网系统的效率最高。

2.2.2 TD-LTE 1800

TD-LTE 1800无线宽带通信系统[6](简称“TD-LTE 1800系统”)同样是以TD-LTE为核心技术，将TD-LTE技术的高速率、大带宽应用与无线专网建设的无线通信系统。满足大容量、大带宽、高速率、高频谱利用率的无线接入业务。

其关键技术与TD-LTE 230系统基本类似，包括：OFDMA技术、MIMO技术、智能天线、同频组网技术、动态资源分配等。

3 电力无线通信技术比较分析

结合电力行业及国家电网公司部署无线专网的需求，从技术频率政策、配用电网领域应用适用性、技术整合兼容性、网管系统的部署及与上级单位的连接及组网成本等方面来对无线专网TD-LTE 230、TD-LTE 1800和无线公网技术进行比较，见表1。

表1 无线通信技术比较

通信技术无线专网TD-LTE230TD-LTE1800无线公网GPRS/CDMA3G最高速率/(b·s-1)15M100M20K2M频率资源223～235MHz1785～1805MHz800MHz/900MHz1.8G传输距离城区3km,郊区10km,农村30km城区1～3km,郊区4～8km,农村15km不限不限业务保障能力专网,稳定性好专网,稳定性好公网,延迟较大公网,延迟较大信息安全较高较高低低产业链设备厂商少设备厂商少完备完备标准化情况无无国际标准国际标准

根据表1对多种无线通信技术性能指标综合比对可以得出以下结论。

公网通信的优势在于无需新建网络，网络建设由运营商投资；网络资产归属运营商，电力企业无需承担网络运维；覆盖广泛，无线网络覆盖城乡区域。其不足之处：长期大规模应用将产生大量的租用费用，河北省南部电网共有采集终端约56万台，每台终端配备一张SIM的租用费用为60元/年，一年租用公网产生的通信费用达到3 360万元；部分区域GPRS/CDMA等无线公网终端在线率较低，不能很好地满足费控等实时性较高的业务要求；业务应用依赖于运营商提供的网络资源，应用水平和推广进度受限于公网建设程度，部分区域无通信覆盖；存在公网系统升级换代风险，运营商将网络升级至下一代通信方式后，现有通信网络资源会大幅下降，服务质量难以保证；用电信息采集终端安装位置存在无线公网覆盖盲点；随着终端数量的不断增加，存在用户密集区域无线公网信道接入能力有限，造成终端争抢信道现象，使该区域稳定性下降，采集成功率下降。

电力无线专网的优势在于通过采用离散频谱聚合、频谱感知等先进的无线通信技术，在离散窄带频谱上实现宽带数据传输，大幅提高了无线离散频率资源的使用效率；可无限制使用流量，节约运行费用，长期效益明显；灵活度高、可扩展性强，可以根据电力业务需求，自由规划网络；实时性强，可以根据不同业务登记，灵活自定义业务优先级，确保实时性业务获得最优信道资源；安全性保障机制完善，可采用鉴权、加密等多种安全机制，保障业务安全性；传输速度快，其中TD-LTE 1800最高可达到下行100 Mb/s，上行50 Mb/s，LTE230最高可达到下行6 Mb/s，上行15 Mb/s[7]，均远高于3G通信传输速率，能很好满足用电信息采集深化应用的业务需求；采用电力行业专用频率资源，具有低成本广覆盖的明显优势，同样条件下单基站覆盖半径是无线公网系统的4～5倍，实现同样面积的覆盖所需基站数约为其它无线通信系统的1/16；传输距离远、抗干扰能力强、后期扩展能力强，支持未来双向互动业务。其不足主要在于无线专网商用模式发展有待完善，尚未形成完整的产业结构，目前在电网通信应用领域仅有试点运行项目，没有大规模使用经验；运行维护复杂，需要配备专业的运行维护机构和人员。

4 结论

随着智能电网建设的深入开展，电力业务对数据可靠性、安全性的需求不断提高，电网现有的通信技术已不能满足国家电网公司统一坚强智能电网的特征需求，难以支撑新能源利用、阶梯电价执行以及交互式服务的开展。电力无线专网通信以其强大的技术优势，不仅能够满足坚强电网通信和信息化发展需求，以及国网公司对数据信息安全的要求，并能在长期运行中带来更大的经济效益。综合上述分析，无线专网通信将成为未来电网通信方式发展的一个趋势。

[1] Q/GDW 380.5-2009, 电力用户用电信息采集系统管理规范：通信信道运行管理规范[S].

[2] 曹惠彬.国家电网公司“十二五”通信网规划综述[J].电力系统通信，2011，32(5)：1-6.

[3] 杜新纲.用电信息采集通信技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2015.

[4] 骆凯波，谭元刚，邹 波.电力通信专网中无线通信技术的运用分析及研究[J].电子测试，2016(24)：93-94.

[5] 杨 鹏，李 波.LTE的关键技术及其标准演进[J].电信网技术，2009(1)：40-42.

[6] 李文伟，陈宝仁，吴 谦.TD-LTE电力无线宽带专网技术应用研究[J].电力系统通信，2013，33(11)：82-87.

[7] 李金友，闫 磊.基于LTE230系统的电力无线通信专网研究与实践[J].电气技术，2014(1)：132-134.

本文责任编辑：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，Fan 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 飞(1982-)，男，高级工程师，主要从事采集终端技术检测研究等工作。