LTE无线通信技术在智能电网中的应用

摘要：随着电网业务对通信的需求日趋多元化，无线专网在电力系统中也受到越来越多的关注。本文立足智能电网的背景，结合LTE技术优势、应用场景和常见解决方案，对LTE无线通信技术在智能电网中的应用情况进行了分析和讨论。

关键词：LTE；无线专网；智能电网。

1 引言

随着无线通信技术的发展，TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，时分长期演进）无线专网通信技术在电力通信系统中也受到越来越多的关注，全球30多家主要电力公司建设了无线智能电网。国内电力系统已经获得国家无线电管理委员会的专用频率使用批复，国家电网信通部主导成立了电力无线专网产业联盟。天津、浙江、江苏、广东和贵州等电网公司近几年纷纷开展了基于不同技术体制的配用电通信无线专网试点建设和探索性应用，广州、珠海和佛山等地区供电局已经陆续开展TD-LTE电力无线专网建设。2011年，浙江海盐供电局将TD-LTE技术引入电力系统，工作在230MHz电力频段，建成国网首个4G电力通信系统。2012年，广东珠海供电局和华为技术公司试点建设了电力无线宽带专网，解决老旧城区有线接入困难、现有器件自动化程度低、PLC传输距离有限等问题。2014年，南方电网在广州花都地区开始建设国内规模最大的4G 电力无线专网，拥有29 座基站、3353台无线终端。2017年，国网天津市电力公司建设完成2 套核心网、16 个基站等组成的LTE电力无线专网，覆盖了商务区、自贸区、开发区等各类型区域。

2 网络特性

2.1 技术优势

TD-LTE的网络特性使其在建设电力专网行业应用中具有得天独厚的技术优势：高速率和低时延能够充分保障配网自动化、多媒体应急通信、视频监控等智能电网业务的实时双向通道；扁平化网络结构，易建设，易维护，易扩容，无需光纤铺设，可实现对配网通信网络的快速覆盖，解决配网通信最后一公里的难题；采用动态带宽分配，上下行时隙灵活配置，更加适应电力业务特点，并可根据业务的不同优先级来进行带宽分配，从而保证高优先级业务的可靠性；灵活的频谱适配能力，支持多种系统带宽等级（1.4、3、5、10、15、20MHz），利于电力行业频谱申请。在安全性方面，TD-LTE采用双向鉴权、UTRAN加密、信令完整性保护等技术保障网络安全可靠，结合VPN和防火墙技术确保不同安全等级的业务之间相互隔离，满足电网对于网络高安全性的需求。

2.2 频率选择

无线通信网建设的最主要制约因素就是无线频率。无线频段资源属于不可再生的独占资源，作为国内移动通信网络的主要建设运营单位，国内三大电信运营商在无线频段分配方面会受到国家无线电管理部门的优先考虑。电网企业要建设无线宽带专网，首先要解决的问题就是争取国家无线电管理部门的频段资源。根据国家无线频率管理政策，電网可考虑申请的频段如表1所示。由于 1400MHz 频段在城市政务网已有使用，电网企业申请难度较大，因此重点考虑比较1800MHz和230MHz在电力系统中的应用。此外，ISM频谱470M-510MHz和5725～5850 MHz也可考虑在电网特定场景进行使用。

3 组网方式

无线专网重点考虑1.8GHz和230MHz在电力系统中的应用。1.8GHz的5MHz带宽能够承载更高的传输速率，有利于视频监控、移动办公等高带宽业务的接入；230MHz频段却具有较好的覆盖能力，可用于接入配网自动化、计量自动化等流量小、分布广的业务。因此，电力无线专网建议优先采用1785-1805MHz频段，230MHz频段作为辅助。多频混合组网规划主要因考虑下面几点因素：一是1.8GHz 与230MHz 频段的基站在覆盖能力、吞吐量上的性能差异；二是电网各类型业务在流量需求、分布情况、安全防护需求上的差异；三是电力无线专网基站选址一般限制在变电站、办公楼等电网公司自有物业上，应最大程度利用有限的站址资源提升覆盖范围。

3.1 单频组网

由于不同地区电网建设情况、无线频率审批情况的差异，在电力无线宽带专网建设资金有限、政府无线管理部门审批的频段有限的阶段，宜采用单一频段开展无线宽带专网试点建设。采用单频组网时若接入多类型业务，管理信息区业务与生产控制区业务不可避免的会承载在同一张无线网络上传输，需采用额外的安全措施解决电力系统二次安防隔离的问题。由于目前电力监管部门尚未针对无线专网制定具有针对性的二次安防方案，采用单频组网虽成本较低，但在大规模接入不同分区业务时存在政策许可问题。单频组网时可针对主要接入的业务类型选取组网频段，若将电力无线宽带专网用于接入配网自动化、计量自动化等流量小、分布广的业务，宜采用230MHz 频段组网。若接入的主要为流量大、终端分布集中在办公场所、变电站周边的视频监控、移动办公等管理区业务，宜采用1800MHz 频段组网。

3.2 多频异址组网

该方式根据各供电区域地貌特点或业务分布特点在不同区域建设不同频段基站。第一种划分方式是根据区域特点划分：在业务节点集中、数据流量大、可建基站的电网自有物业密集但建筑遮挡严重的城区建设1800MHz基站；在业务分散、数据流量小、可用站址资源有限、建筑间隔开阔的郊区或农村建设 230MHz 基站。另外由于各类型业务流量分布的不平衡，也可针对业务分布特点采用1.8GHz频率系统吸收容量，230MHz 频率系统完成覆盖需要的方式组网，不必按照城乡分区的划分原则。此方案在同一站址仍然只有一套特定频段的基站设备，但是由于230MHz 与1800MHz两套无线宽带通信系统的不兼容性，需采购两套独立的无线核心网系统与网管系统，成本较之第一种方案有所提升。

3.3 多频同址组网

该方案同一站址修建两套基站，分别为230MHz 基站与1800MHz基站。此方案又有两种业务划分模式：（1）1800MHz频段基站支撑吞吐量大，但覆盖范围小，230MHz 基站支撑吞吐量小，但覆盖范围大，可将1800MHz基站用于承载流量大、分布集中（办公场所或变电站附近的电子表单提交等）的移动办公、视频监控等业务；将230MHz 基站承载流量小、分布分散的配网自动化、计量自动化等业务，但此时管理信息与生产控制区业务在同一张网承载，从安全分区考虑存在政策规范问题。（2）针对电力系统二次安防限制将管理信息区业务统一用1800MHz基站承载，生产控制区业务用 230MHz 基站承载，采用不同频率建设两张无线网络实现完全的物理隔离，此划分模式较为符合相关安防规范。此方案在同一站址建设有两套基站设备，且需采购两套独立的无线核心网系统与网管系统，成本较之第一种方案有成倍提升，但也有较大的优势，包括：（1）能最大程度利用现有的频率、站址资源，业务承载能力最优；（2）不同频段的两套基站共站址，共传输、电源等资源，节省投资；（3）网络统一建设、管理，便于优化管理。

3.4 网络架构

无线专网主要分为业务层、安全接入层、LTE接入层、业务接入层。业务层及安全接入层中的前置机为业务应用设备；安全接入层负责生产业务与管理业务的安全防护；LTE接入层包括核心网、LTE回传光网络以及基站设备，负责传输并处理相关业务数据；业务接入层包括业务终端和采集终端，负责一次设备等的信息采集及业务终端数据的传输。

4 应用方案

4.1 业务支撑

在实际业务支撑方面，LTE无线专网对运检、营销、物资、基建以及能源互联网五大业务领域提供通信基础支撑。运检业务方面包括基于4G专网的配电自动化应用、配电环境和安防监控、变/配电站房机器人智能巡检、智能化配抢移动作业、输变电设备状态监测、变电运维标准作业、电网谐波监测和继电保护移动作业等八项业务场景；在营销业务方面，主要应用场景包括基于物联网的电能信息采集、充电站桩/群在线监测以及业扩移动服务；基建业务的具体应用场景为基建现场管理；物资业务的具体应用场景为物资仓储管理；能源互联网业务应用主要针对综合用能优化服务。

4.2 解决方案

常见的LTE电力无线专网解决方案中，包含了授权和非授权频段的组网方案。配电自动化应用场景对通信业务的低时延、可靠性要求较比较高，主要的解决方案是eLTE-Licensed，在频谱得到授权的情况下，能讓通信系统更好的工作在无干扰的环境中，从而保证业务的质量，保证安全生产的顺利进行。在智能抄表、传感器检测场景中，以eLTE-IoT网络解决方案及相关通信模组、DAU等作为主力产品，实现电网抄表智能化。对于信号有严重衰减或者屏蔽的场景，解决方案可增加电表外接天线和室外安装等手段来提升覆盖效果。eLTE-IoT在免授权频谱上增加了跳频和抗干扰技术、符合行业特征的无线资源利用技术。变电站视频监控、基建现场适配回传或移动作业等场景中，可考虑使用非授权频段的宽带eLTE-U方案。eLTE-U是一种在免授权频谱上使用LTE的无线宽带接入技术，eLTE-U结合了LTE的高性能与Wi-Fi易部署的特点，相比Wi-Fi和微波技术，具备覆盖距离远、抗干扰能力强、移动性强、用户容量大、安全性和可靠性更高的特点。

以上不同的解决方案，各有特点，可以根据各地、各项目不同的频谱法规要求，不同的业务需求，灵活自由的进行选择搭配和组合，来实现支撑业务的最终诉求。华为LTE电力无线专网解决方案全景图如图2所示。

5 结语

随着智能电网的快速发展，通信技术和通信产品已经深入电网的各个领域和专业，人类对电网的要求也会越来越高。LTE电力无线专网能够满足电力通信的快速覆盖和信息化业务的灵活接入要求，适应统一管理、统一技术选择、统一安全方案的设计模式，可方便电网各业务部门方便、快速、无障碍共用接入网通信资源，必将在未来配电通信网络中获得广泛应用。

参考文献：

[1]陈君.基于TDD的B3G/4G关键技术探讨[J].科学咨询导报，2007（7）：61-64

[2]孙天伟.3GPP LTE/SAE网络体系结构和标准化进展[J].广东通信技术，2007（2）：42-44

作者简介：

曹小冬，男，湖南郴州人，硕士研究生，工程师，主要从事电力通信运维相关工作。