基于TD-LTE的智能配电网终端通信技术研究

杨 柳

（江西省邮电规划设计院有限公司，江西 南昌 330008）

在电力行业中，通常将配电网中的各种设备单元统称为配电自动化终端，简称为配电终端。如远程监测及各种控制单元均是配电网监控系统的基层智能单元，实现对配电网上开闭所、环网柜、柱上开关、配电变压器、电容器等一次设备的实时监控。配电终端采集配电网实时运行数据、检测、识别故障、开关设备的运行工况，并对现场信息进行分析处理及控制，通过有线/无线通信等技术，上传信息、接收控制命令，实现电源的不间断性供电。

随着当今智能电网的提出，智能配电系统的建设也愈发急迫。配电终端设备的单一通信方式已经不能满足当下的配电网发展需求。因此，本文主要介绍了一种新型智能配电网终端通信技术，从而有效提升智能配电网的应用与效率。

1 配电终端介绍

根据应用场合和作用的不同，配电终端主要包括站所终端（Distribution Terminal Unit，DTU）、配电变压器监测终端（Transformer Terminal Unit，TTU）和馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU），以下将对这些常见的配电终端及主要功能进行介绍[1]。

（1）DTU安装在配电网馈线回路上的配电室、开关站、环网柜、箱式变电站等位置，是具有遥信、遥测、遥控和馈线自动化功能的配电自动化终端，站所终端的监控对线是开关。

（2）FTU安装在配电网架空线路杆塔等处并具有遥信、遥测、遥控及馈线自动化功能的配电自动化终端，馈线终端的监控对象也是开关。

（3）TTU可以说是电力供配电系统中最关键的设备，配电变压器把电压直接分配于低压用户电力装置，相关运行数据是整体配电网基础数据的关键部分，包括三相电压、三相电流和三相有功等各个方面。负责对配电变压器运行状态实时监控，是配电自动化基础及核心装置。

配电终端的核心功能包括遥信、遥测、遥控等。遥信是对诸如告警状态、开关位置状态等信号的远程监视，通常采集监测的是开关合闸状态、分闸状态、储能状态、接地信号、气压告警信号等。在国内的配电网自动化系统中，配电终端所采集的遥信状态接入点通常被要求开关侧提供无源接点。遥测是将一些电力信号模拟量进行测量并通过通信系统传送到配电网自动化主站。而遥控则是对开关进行远程控合控分。

2 终端的通信方式

作为智能配电网的神经系统，配电终端智能通信网是电网自动化系统中的核心组成部分，智能化网络化的物理基础。作为控制单元的配电终端，肩负采集处理控制整个电网的运行数据，所以电网系统的通信网对整个系统的安全高效运行有着至关重要的作用。

2.1 电力线载波通信技术

电力线载波主要是以电力线路为媒介扩散到电力系统的各区域，无需构建其他的专用线路且不用经过无线电管理委员会使用便能进行。一般情况下高压配电线路的传输速率为60～300 bit/s，传输距离不超过10 km，可直线利用电力线路加半截波设备实施。适用于非通信干道电缆线路载波以及低压集中抄表，电力线载波通信技术虽然投资低、覆盖范围较大、安装运行维护方便，但也存在传输速率相对较慢并且抗干扰能力较差等缺点。

2.2 光纤通信技术

根据国家电网“十二五”规划，光纤通信依靠高的可靠性、保密性、抗干扰能力、带宽及传输距离等优越性，我国的电力通信建设已经基本实现“主干通道的光纤化、数据传输的网络化”等总体目标。虽然光纤通信技术具有重多方面的技术优势，但是在配电网系统建设中作为终端设备的通信方式却也有不可避免的劣势，如建设成本极高、安装维护成本也极高，难以满足国内大范围的建设需求。

2.3 GPRS通信技术

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS可以说是GSM的延续。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，在端到端的分组转移模式下接收数据包与发送数据包在GPRS技术中是被允许的，无需通过电路交换模式的网络资源，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。前些年GPRS技术在配短自动化终端的发展异常迅速，但也存在较为突出的劣势：传输速率低，丢包率高，调制方式不佳等。

2.4 TD-LTE通信技术

时分长期演进（TD-LTE）主要是指4G网络移动通信技术。对比之前的通信技术，TD-LTE在物理层传输上有较明显的改进，因为TDD双工方式可以通过信道所具有的对称性特点来提高信号的传输率，可以不需要运用那些较为复杂的频率双工器，可以有效实现上下信道中无线资源的灵活分配，可以不需要对称性频带等多种优点已经被全球所公认，而且是运用非对称性频谱的重要解决方案。

TD-LTE技术的主要性能如下[2]。

（1）较高的频谱效率。频谱的效率和用户平均的吞吐率下行可以达到HSDPADE的3～4倍，上行可以达到HSDPADE的2～3倍，而系统中的平均频谱率有时则可以达到1.57 b/Hz。

（2）覆盖范围相对较广。0～5 km可以满足移动性和吞吐量的目标；5～30 km有轻微的降低；而覆盖范围最大的可以达到100 km。

（3）通信速率较快。TD-LTE技术可以显著的提高峰值速率。在20 MHz的宽带内可以达到500 Mbit/s的上行速率和100 Mbit/s的下行速率。

（4）延迟性较小。通常情况下，帧子的长度为0.675 ms和0.5 ms，不仅可以有效解决向下兼等问题。同时还可以使得网络延时有所降低，其中用户面的延时低于5 m，控制面的延时低于100 ms。

3 智能配电网终端通信技术发展与应用

3.1 集成式配电终端

根据智能配电网的发展趋势来看，一种智能化、支持多方式通信、插件式模块化设计于一体的配电终端亟待开发。该种智能终端可同时实现FTU，DTU，TTU多种功能，并有多种通信方式、在对电能信号采集与分析处理、电能的质量进行管理、分布式电源设备的监控与保护等方面有着重要的作用。集成式配电终端总体结构如图1所示。

图1 集成式配电终端总体结构

主控模块采用的是DSP加ARM双CPU构架，以提供强大的综合分析处理能力。而通信模块方面采用不同的RJ-44端口和通信串口相结合，使得系统支持众多通信链路功能和不同类型的通信协议，兼容性高，在信号传输和程序软件的上载和下载方面均令人满意。终端还可另外配置以太网口，扩展外接GRPS、卫星、微波等通信设备[3]。

3.2 TD-LTE与智能电网结合

为满足配电网智能化建设的需要，配电系统要求能够实现数据信息的远程采集与分析监控处理和配电网的无线通信功能。通过TD-LTE技术结合配电网可以在实际的生产运行中发挥良好的效果[4]。

就TD-LTE通信技术而言，可以被运用到不同的频段范围内：1 448～1 466 MHz、224～232 MHz等，在以TD-LTE为底层技术的基础上，TD-LTE230技术被陆续研发出并运用与通信网络系统，使该项技术在国家电网智能配电网建设上发挥出极其重要的作用。如2013年南昌市东湖区供电公司完成TDLTE230系统实验网的测试工作，其传输速率如图2所示。

图2 传输速率

根据图2的结果可以看出不同的调制方式下该项技术在配电网中传输数据时吞吐量的性能测试数据。TD-LTE的高传输速率足以达到配电网系统的生产业务需求。由于离散特征在此频段范围内的影响，可利用频谱感知和载波聚合等相关技术，以保证宽带数据信息的高效传递，和智能配电网系统的运行发展相匹配。对于传统的2G和3G技术而言，TDLTE由于引入了有关调制技术使得单位频谱相应的传输效率得到了极大的提升，频谱效率如图3所示。

图3 频谱效率

与前几代通信技术相比较，不难发现TD-LTE技术有较大的性能提升，处于20 MHz的频段下其峰值速率的上行可达到60 Mbit/s，对应的下行速率可达到更惊人的120 Mbit/s。但是TD-LTE技术在电力行业应用发展的同时，也带来了一个严重问题，随着电力用户基数的骤增，信息安全等问题也愈演愈烈，也是今后急需解决的课题。

4 结语

配电自动化系统中通信技术的优劣势对于整个配电网运行的效益会产生重要的影响。本文根据当下常用的配电终端各种通信方式的优劣势，提出一种基于TD-LTE技术的无线通信方式，解决了今后智能化网络化云端大数据的电网建设发展需求。