基于泛在电力物联网的电力TD-LTE无线专网的研究

王一妹，陈亚琨，李俊领

（1.郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000；2.河南送变电工程有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

近年来，我国的电力体制改革进程逐步加快，智能电网规模不断扩大，配电自动化水平得到了进一步提升。在这一背景下，电力通信网络的重要性不断突显。泛在电力物联网的出现为电力业务数据信息的实时通信和可靠传输提供了保障。鉴于此，基于泛在电力物联网构建电力TD-LTE无线专网，以此提高配电网的整体通信水平，保证各项电力业务高效开展。

1 电力TD-LTE无线专网中的关键技术

目前，电力TD-LTE无线专网（以下简称专网）采用230 MHz频段，具有运行安全性和可靠性高、实时性强以及覆盖范围广等特点，能够实现音视频和数据信息的双向互传。专网中的关键技术如下。

1.1 混合自动重传请求

混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）归属于抗衰落和抗干扰技术的范畴，是前向纠错编码（Forward Error Correction，FEC）与自动重传请求（Automatic Repeat Request，ARQ）两项技术结合的产物。利用FEC在接收端对可纠正的错误进行纠正，经检测找出无法纠正的错误数据包丢弃，随后向发射端发送请求。接到请求后，发射端会重新发送相同的数据包。在专网中，HARQ的实现方式有两种，一是软合并（Chase Combine，CC），另一种是增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。

1.1.1 CC

通常情况下，HARQ为单纯机制时，会直接将接收到的错误数据包做丢弃处理。错误的数据包虽然无法正确译码，但其中仍然含有一些有用信息。CC是充分利用这部分可用的信息，以临时存储的方式保存错误数据包，然后与重传数据包合并后一起译码，以进一步提升传输效率。

1.1.2 IR

IR是在第一次传输时发送两种不同类型的比特（一种为发送信息，另一种为部分冗余），然后在重传时发送额外的冗余比特。若是首次解码不成功，则可利用重传降低编码率，以大幅度提升解码的成功率。

1.2 正交频分复用

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）归属于多载波调制的范畴，也被称为频域多址技术。从现阶段的通信情况来看，业务量呈现出持续增长的态势。为确保各类业务的正常开展，必须不断提升传输信号的带宽。由于受到多径效应的影响，码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的性能受限，但正交频分多 址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的性能却并未受到影响。因此，采用OFDMA能够满足带宽增长的需求。OFDMA可在基站实现分组调度，可通过频域调度的方法增加网络带宽。与OFDMA相比，SC-FDMA的峰均比更低，可显著提升上行功放被终端利用的效率。OFMA系统的框架结构如图1所示。与CDMA和TDMA相比，OFDMA的频谱效率更高，借助频域均衡，适用于复杂程度相对较低的接收机。

图1 OFDM系统框架结构示意图

1.3 动态资源分配

动态资源分配（Dynamic Resource Allocation，DRA）可为用户分配控制打包的数据流，主要功能是选择无线承载和管理调度资源。在包调度的过程中，需要重点考虑无线承载的服务质量（Quality of Service，QoS）要求。QoS是网络的一种安全机制，能够解决网络延迟和网络阻塞等问题。对于无时间限制的应用系统而言，基本上不需要QoS，但关键应用必须要有QoS。它能够在网络过载时保证重要业务不延迟和不被丢弃，可以使网络保持高效运行状态。专网在构建过程中采用了OFDMA，能够使无线资源在频域上灵活划分若干子带，并从时域上划分多个时隙构成时频二维资源，从而可按用户的QoS等级完成动态调度，顺利实现频率分集。由于专网内用户资源的使用并非完全正交，因此用户间并不会出现干扰现象，大幅提升了网络性能[1-2]。

1.4 载波聚合

载波聚合（Carrier Aggregation，CA）是LTE中的关键技术，主要作用是增加传输带宽。CA能够将不超过5个LTE成员载波聚合起来，实现100 MHz的传输带宽，促使传输速率随之提高。CA还支持连续与非连续的载波聚合，其中每个载波的最大可用资源为110个资源块（Resource Block，RB）。近年来，随着无线技术的不断完善，它的应用量进一步增加。在这一背景下，想要获得连续频谱的难度越来越大，使较大带宽的无线传输变得非常困难。CA技术的出现，为解决该问题提供了新途径。CA技术在解决离散频谱的高速传输问题方面具有良好的适用性，可大幅提升专网的数据传输速率，减少传输时延。

2 基于泛在电力物联网的电力TD-LTE无线专网

2.1 泛在电力物联网

泛在电力物联网（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）以电力系统作为立足点，围绕其中不同的环节，运用人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术和移动互联网（Mobile Internet）等，实现各个环节中物与物互联和人与设备交互。光交叉连接是UEIOT的核心技术（简称OXC），是整个光网络中的重要网络设备，其中光分插复用装置（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）是该技术的功能简化[3-4]。OXC除了能够完成光通道的交叉连接之外，还能实现本地上路/下路功能。光信号交换是OXC的核心，原理与电交换类似。OXC可以对物联网（Internet of Things，IoT）的承载网络进行优化。UEIOT为智慧服务系统，除了能够全面感知状态外，还能高效处理信息。UEIOT采用的是当前较为流行的分层架构体系，共分为感知层、网络层、平台层以及应用层4层。

2.1.1 感知层

在UEIOT中，感知层处于最底端。该层与电力系统中的设备、电力用户的用电设备以及各种耗能组件相连。可以选用的数据信息采集方式有二维码、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）以及传感器3种方式。感知层能够为上级提供较为全面的信息，从而实现区域的全面覆盖。感知层可以获取的数据种类如图2所示。

图2 感知层获取的数据种类

2.1.2 网络层

网络层是UEIOT的重要组成部分，由骨干网、支撑网、业务网以及接入网构成，可通过专网接入。该层能够为感知层与平台层的数据信息传输提供通道，可收集整理感知层获取的相关信息，并在分析后传给平台层。

2.1.3 平台层

平台层是UEIOT的核心层，处于网络层与应用层中间，使UEIOT具有智慧性。平台层由工作站、服务器以及光纤等部分组成，负责管理网络层上传的数据信息，并下达相关的运行指令。

2.1.4 应用层

应用层位于UEIOT的最顶端，主要负责监控和指挥，可将之看做是UEIOT的大脑。它能够监控管辖范围内的电网潮流等，从而提高电网的运行可靠性。

2.2 系统构成及重要指标

基于UEIOT的专网由演进分组核心网、基站、通信终端以及网管系统等构成。

2.2.1 核心网

核心网是专网的重要组成部分，具有数据信息加密处理、终端鉴定权限认证以及管理IP地址及移动性等功能。通过无线数据块短间隔接口，可以直接接入电力骨干网络，并与业务主站进行实时通信。按照性能可以将核心网细分为5大类，每类的容量指标如表1所示。

表1 核心网每一类的容量指标

2.2.2 基 站

基站是专网中的核心网元，主要由天线、射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）以及基带处理单元（Base Band Unit，BBU）等构成。基站具备通信协议转换、管理无线资源以及控制终端等功能。通过通信接口可以直接接入到电力同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）回传网，从而实现与核心网的数据信息交互。基站的典型工作带宽有500 kHz、1.0 MHz、5.0 MHz等，不同的工作带宽上/下行峰值速率有所区别，如1.0 MHz的上/下行峰值速度分别为2.1 Mb/s和1.0 Mb/s。

2.2.3 通信终端

通信终端通过专用接口能够与电力业务终端进行数据信息交互，由于是即插即用，因此可实现无缝连接。通信终端具有支持电力采集类业务数据上传和控制相关信息的下发等功能。在专网中，通信终端有独立式和嵌入式两种基本形态，支持带宽为25 kHz的离散CA。

2.2.4 网管系统

专网中，网管系统能够对核心网、基站以及通信终端进行管理，如软件管理和配置管理等，同时提供了地理信息系统（Geographic Information System，GIS）功能，经北向接口可以直接接入电力终端通信接入网。

2.3 安全防护

对于电力系统而言，网络安全防护尤为重要。部分业务应当进行物理隔离，并对通信通道进行逻辑隔离。专网需要为电力系统中的不同业务提供通信通道。基于这一前提，必须采取有效措施有效防护网络安全。经过研究，决定采用APN/VPN方式，实现不同电力业务的逻辑隔离。同时，针对内网边界，采用安全接入和加密认证等措施，对网络边界进行隔离。

2.4 接入方案

根据国家电网公司提出的推进电力无线专网扩大试点的要求，在相关试点建设的基础上进一步扩大试点范围，构建了电力TD-LTE无线专用网络。专网覆盖的供电区域面积约为4 050 km2，可承载区域内90%以上的电力业务终端。目前，共计接入10类业务，其中较具代表性的有配电自动化、配电变压器监测以及用电信息采集等。

2.4.1 配电自动化的接入

配电自动化是电力系统中最重要的业务之一，在提高供电可靠性和改善供电质量方面具有不可替代的作用。可以利用专网对配电自动化业务进行承载，并经由主站侧的安全接入区，以安全可靠的方式接入专网的业务主站。可将配电与无线通信两个终端连接到一起，利用空中接口直接接入专网的基站，并由基站将相关数据经传输网发送给专网的核心网。

2.4.2 用电信息采集

电力用户在使用电能的过程中会产生相关的用电信息，通过采集部分信息，能够为用电量分析提供依据。可以通过专网承载用电信息采集业务，以实现智能表采集信号的实时传输。

2.4.3 配电变压器监测

在配电网中，配电变压器是最重要的电气设备之一。它的运行稳定与否，对整个配电网的运行具有直接影响。因此，需要实时监测配电变压器，是掌握线路损耗、变压器损耗、负荷率以及电能质量等参数的有效途径。监测配电变压器运行状况，有助于提升管理效率。监测归属于数据信息采集类业务的范畴。配电变压器监测业务接入专网的方案与用电信息采集的接入方案基本相同。

2.5 业务承载性能

2.5.1 通信性能

在测试专网的通信性能时，可将重点放在网络基本性能、时延以及分组丢失率等方面。用各项测试所得的结果与系统标准要求进行对比，从而验证专网的数据传输能力。经测试，专网接入的成功率为100%，分组丢失率为0%，不同业务类型的时延有所不同，但都达到标准要求，证明专网的通信性能良好。

2.5.2 覆盖测试

在规划的覆盖区域内测试专网的覆盖能力，结果表明，覆盖率在96%～97%的站点比例为4.5%，在99%以上的站点比例为45.4%，没有低于96%的情况，说明覆盖率均超过95%，与相关规定要求相符。同时，专网的覆盖半径与理论值基本一致，表明专网的覆盖性能良好。

3 结 论

综上所述，泛在电力物联网以其自身具备的强大功能，可使电力系统中各类设备之间的协作变得更加顺畅，还能使人与电气设备进行交互，有利于及时发现问题，保证系统稳定运行。因此，可基于泛在电力物联网构建电力TD-LTE无线专网，从而确保配电业务传输的可靠性。未来应当加大电力TD-LTE无线专网相关技术的研究力度，除优化现有技术之外，还应开发一些新技术，从而使其更好地为电力通信服务。