电力LTE无线专网架构研究

卞宝银，张道农

（1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，江苏省 南京市 211000；2.华北电力设计院有限公司，北京市 西城区 100120）

0 引言

当前电力系统中传统的业务对于无线通信方式的应用需求低于有线方式，对无线数据传输速率要求较低，随着智能电网技术的快速发展，电力系统中业务类型也发生改变。目前电力系统中设备的监视及运维中需要的图像及视频传送业务，对通信的传输速率提出了更高的要求。电力电力 3GPP长期演进技术(power long term evolution，LTE)专网通信作为电网新型通信方式，在电力系统中正处于快速发展阶段，与传统的无线通信系统相比，能够极大地提高通信系统的可靠性、稳定性和安全性。同时能够提高系统的网络覆盖，数据采集速率以及系统上下行带宽，为电力系统通信方式的智能化提供支持[1-2]。

本文通过研究已有的无线公网通信方式以及无线专网通信方式，结合电力接入网及光伏并网的业务需求，深入研究了电力LTE无线通信系统架构，该网络架构具有高效性、可靠性，满足城区及郊区的覆盖问题，并满足电网的安全需求。最后结合已部署的电力LTE专网通信系统开展测试分析研究，LTE专网通信系统网络方式能够满足接入网的业务需求，为接入网统一建设模式的可行性及系统安全可靠性提供技术支持。

1 电力无线通信应用

1.1 无线公网通信

1）通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)是一种数据封包交换的标准技术，基于GSM的无线分组技术，与GSM通信网配合，其传输数据的速率能够达到115 kbps。对于数据量小且发送频繁及数据量大非频繁传送的应用场合比较适用。目前在电力系统中配用电网的应用场景主要有无功补偿、无线集抄、环境监测系统，主要用于郊区终端设备以及非城区中心设备，适用于对于动作要求不需要瞬时动作，以及实时性要求不高的业务[3]。

2）第三代移动通信技术(3rd Generation，3G)的主要优势是能够增加网络的系统容量、提高数据传送速率和通信质量。目前，在配用电网络中作为替代原有GPRS技术，随着LTE技术的演进与发展，由于其速率的劣势，逐渐被LTE技术所替代[4]。

1.2 无线专网通信

1）多载波无线信息本地环路(multi-carrier wireless information local loop，McWiLL)。McWiLL是在原有的窄带同步码分多址(synchronous code division multiple access，SCDMA)无线接入技术发展基础上，国内具有自主产权的研发的集 CS- OFDMA、智能天线、预测和信道跟踪等技术核心的宽带通信系统。

2）长期演进计划(long term evolution，LTE) 。LTE是 3GPP(3rd generation partnership project)标准化组织编制的下一代无线通信体系标准，业务终端设备的下行速率最大可达 100 Mbps。目前，工信部已经完成了TD-LTE网络部署试验，在上海、北京等 7座城市开展建设TD-LTE通信，作为国家通信信息产业研发试验基地。同时，国家电网公司和中国南方电网公司均已开展TD-LTE通信网络系统应用示范网络，并且在珠海等城市建立了 TD-LTE配网应用体系。LTE通信方式的引入能够改善电力通信网络的网络结构，优化接入网的网络处理能力，同时能够简化现场通信结构，降低管理成本，随着LTE网络大规模的部署和商用，专用LTE网络将成为智能电网无线宽带通信技术的主流选择。全球应用LTE技术的智能电网网络数量已超过10个，未来将会得到更大规模的应用[5]。

3）230 MHz数传电台。国家无线电管理委员会于1991年分配了230 MHz附近非连续的电力系统专用的40个25 kHz频点，总带宽为1 MHz，传统的数传电台技术发展成熟并且具有组网灵活、覆盖范围大、建立系统成本低等优势，但由于其网络的特性，还存在其业务传送速率较低的缺点。目前电力系统中已经开始应用230 MHz频段开展LTE试点工作，采用频谱聚合技术，提高了传统的速率(由于带宽限制，速度低于3GPP要求的速率)，但缺乏相应的无线接入安全机制，无法满足多业务承载的需求。

无线通信方式技术特点如表1所示。

表1 无线通信方式技术比对Tab. 1 Wireless communication technology comparison

2 电力无线业务需求分析

2.1 光伏并网业务通信需求分析

随着电网分布式光伏的发展，其分布式的特性决定其需要更加适用的通信方式来进行数据传输和交互。分布式光伏的并网同时也改变了配电业务的网络结构，使得辐射状的无源网络变成有源的分布式网络，通信方式的优化极为迫切。传统的发电企业通信方式主要为光纤和载波技术，而分布式光伏由于环境的差异性，需要更加灵活有效的传输方式。同时，现有运行管理方式需要高可靠、高带宽和低时延的通信要求，传统的载波通信方式已经无法满足，光纤通信方式由于建设成本等方面的原因，需要无线通信方式进行替代和补充。目前，光伏并网的通信方式主要有公网通信方式和专网通信方式，根据接入配用电系统的应用需求和业务属性来选择通信方式。配用电网络通信方式的最后一公里逐渐被无线专网替代，光伏并网的通信方式也需要随之演进和升级[6]。

2.2 电网业务无线通信方式需求分析

电力系统中，传统的业务对无线数据传输速率要求较低，随着智能电网技术的发展，电力系统中的业务类型也发生改变。目前电力系统中设备的监视及运维中需要的图像及视频传送业务，对通信的传输速率提出了更高的要求。目前对无线业务的需求主要在物资、运检、营销、基建等环节。

物资环节无线业务需求主要为仓库管理、电子商务平台等。物资环节的无线业务多借助掌上电脑(personal digital assistant，PDA)终端完成。

运检环节无线业务需求主要为生产管理、移动作业、供电电压自动采集、输变电设备在线监测、配电自动化系统、配网终端数据采集、车载GPS(global positioning system，GPS)监控管理等。运检环节的无线业务多借助PDA、笔记本、数据采集装置、手持终端、定制终端、输电线路在线监测装置等终端完成。

营销环节无线业务需求主要为用电信息采集、95598门户互动(移动服务、移动作业)、一体化缴费平台等。营销环节的无线业务多借助集中器、移动POS机、负荷控制终端、专变终端、移动作业终端等完成。

在基建环节无线业务需求主要为施工现场图像和数据采集功能，主要应用包括工程指挥、基建项目管理移动监控、基建管理信息等[7]。

2.3 电力系统LTE专网建设需求

无线传输通道建设属于坚强智能电网必不可少的重要组成部分，电力通信网络服务对象为电力生产，无线通信应用范围包括配用电网，以用电信息采集和配电自动化作为主要应用对象，其中状态监测对于无线的网络带宽需要逐年增加，对通信可靠性、实时性要求较高,其视频传输带宽需求较高，并且数据传输以上传为主。同时配用电业务位于生产控制大区，对信息安全的要求比较高，要求通信信道具备较高的信息安全防护等级。由于所处地理环境复杂多变，要求数据采集终端分布广泛、分散，采用有线通信方式建设、运维难度大。对无线专网的建设需求较高。表 2为电网状态业务对无线业务带宽需求[8]。

表2 状态监测业务对无线业务带宽需求Tab. 2 Bandwidth requirement table of distribution business for wireless monitoring

随着智能电网的发展，对宽带无线数据业务需求不断增加，传统的230 MHz电台专网、GPRS公网(租用)、CDMA公网等通信制式无法适应新业务对网络带宽的需求，为了适应电网对无线通信方式的需求，需要继续完善或引进电力无线通信系统。在已发布的文件中，工业和信息化部《关于重新发布1 785~1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知(65号文)》对于其中的量20 MHz带宽用于轨道交通、石油、电力等专用通信网络中。电力LTE的方式主要为TDD制式，相比之前的230 MHz的LTE载波聚合技术，1.8 G频段在性能上具有很大提升，能够满足新型业务对无线带宽的需求，并满足现场安全防护要求。

3 电力LTE系统架构研究及测试分析

3.1 电力LTE系统架构研究

电力LTE网络的总体架构将“物联网”、“互联网”及网络安全等方面进行技术拓展，研究适应电网的配用电网络等业务接入，满足电力系统多业务的数据传递及控制服务，构建一张安全、可靠、高效、经济的多业务承载统一网络平台，在传统通信通道的基础上提供包括通信终端、通信模块和上层应用在内的通信服务。

LTE系统架构如图1所示。利用VPN(virtual private network，VPN)隔离业务系统，不同业务区域处于不同 VPN中。基站侧采用双 BBU(building baseband unit，BBU)板卡，分别接入来自生产与管理2个安全大区的业务数据。基站处理后的数据向上经LTE专用光纤回传网络传输，接入LTE核心网设备。核心网侧同样采用2套设备，以满足不同安全大区数据的物理隔离要求。

图1 LTE系统逻辑架构图Fig. 1 LTE logic architecture

电力系统网络整体架构包含以下特点。

1）配用电业务系统采用包含无线公网、无线专网及光纤专网方式混合组网。终端通信接入网是电力骨干通信网的向下延伸，终端通信接入网具有承载业务多、分布散及环境复杂等特点，导致了终端接入网络没有采用单一的组网方式。需要根据业务需求进行混合组网设计，满足配电网网络中通信需求。光纤与无线专网融合组网技术是研究重点：主要为利用已有的网络资源，包括光纤资源和光纤加无线专网的通信方式，实现网络的无线延伸，能够对基建、物联网、应急指挥、移动接入等业务进行支撑。

2）公、专无线融合组网技术。利用已有的电信等运营商的公共无线网络，结合无线专网的高可靠性、高网络带宽及安全性能等优点，满足智能电网中包括配用电业务在内的多业务进行支持，实现公、专无线融合组网技术的融合和互补。

3）光纤、载波与无线融合组网技术。对电力系统中已有的光纤及载波通信等方式进行扩展整合，对无法覆盖的区域进行无线专网拓展。

电力系统业务总体架构如图2所示，按照业务系统的安全分区进行结构划分，将逻辑隔离和业务隔离相结合。

图2 电力系统业务总体架构Fig. 2 Business architecture of power system

3.2 电力LTE信道容量分析及测试

电力LTE信道容量分析主要根据实际项目需要，根据某城市的LTE现场架构为现实参考。以某公司试点LTE通信网络为例，电力LTE无线通信系统共涉及2套核心网，网络覆盖达160 km2，在机房部署2套核心网和1套室内基带处理单元(building baseband unit，BBU)设备；在下属供电所部署1套BBU设备，并在楼顶部署2套远端射频模块(remote radio unit，RRU)设备；在楼顶部署2套RRU设备，1套工作在5 M频段；在村拉远基站部署1套RRU设备及2套天线设备，工作在10 M频段；在镇及城区部署50客户终端设备(customer premise equipment，CPE)。

业务承载类型包括：配电自动化(7个终端)、智能台区(34个终端)、用电信息采集(1个终端)、安防视频监控(1个终端)、基建视频监控(1个终端)、智能家居(1个终端)、输电线路状态监测(2个终端)、充电桩(1个终端)、负荷控制(2个终端)。

网络工作频率：1 785~795 MHz(10 MHz频段)和1 795~1 800 MHz(5 MHz频段)，其中5 MHz频段主要承载生产控制类业务，10 MHz频段主要承载管理信息类业务。

LTE网络部署架构如图 3所示，系统分为5 MHz和10 MHz这2个带宽的系统频带，频带范围为1 795~1 800 MHz和1 785~1 795 MHz，测试主要分为带宽测试以及系统时延测试，考虑配网的数据应用，时延测试分别测试上行时延和下行时延，上行时延测试主要由配网终端至核心网的单向数据传输时延，下行时延为核心网至CPE的单向数据传输时延；1 795~1 800 MHz频段范围内测试结果如图4所示，1 785~1 795 MHz频段范围内时延测试结果如图5所示。

图3 电力LTE系统现场部署架构图Fig. 3 Power LTE system field deployment architecture

图4 5MHz带宽上行时延及下行时延测试结果Fig. 4 5 MHz bandwidth uplink and downlink delay test results

图5 10 MHz带宽上行时延及下行时延测试结果Fig. 5 10 MHz bandwidth uplink and downlink delay test results

根据现场部署的实际情况，存在信道条件差异的情况，需要对LTE基站的覆盖进行完整性测试，综合评估系统性能以及信道条件对结果的影响，本次测试完整地分析了主机站覆盖的功率分布，如图6所示(单位为dBm)，频带范围为1 795~1 800 MHz和1 785~1 795 MHz，根据现场功率分布评估基站性能及方向性选择，结合业务终端业务性能，现场部署方式满足了配网业务需求及终端的可靠运行。

图6 电力LTE系统现场测试覆盖图Fig. 6 Power LTE system field test coverage map

4 结论

电力LTE无线通信技术目前在电力系统中正处于快速发展阶段，与传统的无线通信系统相比，能够极大地提高通信系统的可靠性、稳定性和安全性。同时能够提高系统的网络覆盖，数据采集速率以及系统上下行带宽，为电力系统通信方式的智能化提供支持。本文通过研究已有的无线公网通信方式以及无线专网通信方式，结合电力接入网的业务需求，深入研究了电力LTE无线通信系统架构，该网络架构具有高效性、可靠性，满足城区及郊区的覆盖问题，并满足电网的安全需求。最后结合已部署的电力LTE专网通信系统开展测试分析研究，验证了现有系统网络方式能够满足接入网的业务需求。本文通过网络架构的研究及现场测试分析，能够为接入网统一建设模式的可行性及系统安全可靠性提供技术支持，为LTE电力无线专网的推广应用提供参考。