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1 第 39 卷第 4 期发电技术 Vol. 39 No 年 8 月 Power Generation Technology Aug DOI: /j pgt 电力 LTE 无线专网架构研究卞宝银 1, 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 ; 2. 华北电力设计院有限公司, 北京市西城区 ) 2 Research of Power LTE Private Network Architecture BIAN Baoyin 1,ZHANG Daonong 2 (1. NARI Group(State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing , Jiangsu Province, China; 2. North China Power Engineering Co., Ltd., Xicheng District, Beijing , China) 摘要 : 电力通信接入网是电力通信网的重要组成部分, 为智能电网建设提供全面的通信接入支撑随着智能电网技术的发展与创新, 迫切要求通过技术手段提升电网智能化运维水平, 降低运维成本同时, 由于互联网 + 及云技术等新技术的应用, 电力通信网络正发生着重大改变随着配用电及光伏并网等数据采集量的不断增加, 移动业务需求不断提升, 接入网建设将成为通信网建设的重点和难点该文通过研究电力 3GPP 长期演进 (power long term evolution,lte) 无线技术的特点, 以及在通信接入网等领域的应用, 提出电力 LTE 无线专网整体网络架构, 并深入研究电力 LTE 无线通信信道特性参数, 结合目前已部署实施的电力 LTE 通信网络性能进行分析和测试, 为电力终端通信接入网的统一建设和统一运维管理提供技术支撑, 为 LTE 电力无线专网的推广应用奠定坚实基础关键词 : 无线通信 ; 架构 ; 信道容量 ; 电力专网 ; 时延 ABSTRACT: Electric power communication access network is an important part of power communication network which provides comprehensive support for smart grid. With the development of smart grid, the urgent need is to enhance the level of intelligent network operation and maintenance through technical means to reduce operation and maintenance costs. Meanwhile, the Internet plus, Cloud and other new technologies have been promoted the application. Electric power communication network is undergoing significant change. The increasing of all levels on electric network and user data acquisition, the rising demand for mobile services, construction of distribution network will be the focus. By studying the technical characteristics of power long term evolution (LTE) wireless technology and its application in areas of access network, the paper proposed overall network architecture of power LTE wireless network, and studied LTE wireless communication channel parameters. Finally, through testing and analyzing performance of on-site power LTE communication network which combined currently deployed system, this study can provide technical support for unified construction and unified management of the power terminal access network. The study and the result will lay a solid foundation for the promotion and application of power private LTE network. KEY WORDS: wireless communications; architecture; channel capacity; power private network; delay 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

2 第 39 卷第 4 期发电技术 323 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 通信通信方式带宽传输距离可靠性实时性 McWiLL 15 M(5 M 带宽 ) 城域 1~3 km 高较高无线 LTE 18 M(M 带宽 ) 城域 1~5 km 较高较高专网 230 M 70k(1 M 带宽 ) 城域 1~10 km 较高较高无线 GPRS 100 k 不限一般不能保证公网 3G 几百 k 不限一般不能保证 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,

3 324 卞宝银等 : 电力 LTE 无线专网架构研究 Vol.39 No.4 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 项目业务类型终端形态业务时延业务带宽 SCADA 数据固定 <500 ms 30 kbps 移动办公视频 / 数据移动 <150 ms 1 Mbps 电力巡检视频 / 数据移动 <150 ms 1 Mbps 视频 500 kbps 地图等数据 1 Mbps 视频电力监控视频 / 数据固定 / 移动 <150 ms 500 kbps 地图等数据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

4 第 39 卷第 4 期发电技术 325 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生产控制大区管理信息大区分布配电低频电力电能调度用电管理式能用户网调低压营销负荷量采地理信息地理源接双向度自减负管理采集信息入系控制集互动业务系统信息动化荷统 VPN_1 业务系统 VPN_2 业务系统图例 VPN_1 数据 VPN_2 数据专网前置机安全接入区前置机无线核心网设备铁塔核心层通信网络光纤专网通信终端接入服务器无线无线公网专网低功耗可信 LTE 物联网网关公专双模终端物联网网络光纤专网通信终端接入服务器无线无线专网公网低功耗可信 LTE 公专双模终端互联网互动网关通业务终端信云服务管理平台回传网回传网业务终端配电终端配电配电终端终端传感传感器器分布式能源接入终端用电用电终端终端微负荷微负荷终端终端单向隔离装置加密认证措施防火墙待开发待改进 BBU RRU 接入层 Fig. 2 图 2 电力系统业务总体架构 Business architecture of power system 终端设备终端设备终端设备终端设备图 1 LTE 系统逻辑架构图 Fig. 1 LTE logic architecture 终端层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 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 km 2, 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 )

5 326 卞宝银等 : 电力 LTE 无线专网架构研究 Vol.39 No.4 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生产控制大区管理信息大区光纤网线 CPE 终端核心网 A 交换机 A 交换机 B 核心网 B 时延 /ms 上行时延下行时延帧长 /Byte 图 5 10 MHz 带宽上行时延及下行时延测试结果 Fig MHz bandwidth uplink and downlink delay test results 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~ 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通信接入服务器套 RRU(5M) 2 套天线 SDH 传输网 BBU1 BBU2 2 套 RRU (5M+10M) 3 套天线溧水局大楼柘塘供电营业厅新纪元大酒店套 RRU (10M) 2 套天线光纤远拉站点覆盖富塘村 Fig. 3 图 3 电力 LTE 系统现场部署架构图 Power LTE system field deployment architecture 图 6 电力 LTE 系统现场测试覆盖图 Fig. 6 Power LTE system field test coverage map 4 结论时延 /ms 上行时延下行时延帧长 /Byte 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 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

6 第 39 卷第 4 期发电技术 327 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参考文献 [1] Zaki Y,Weerawardanel T,Gorg C,et al.multi-qosaware fair scheduling for LTE[C].2011 IEEE 73rd Vehicular Technology Conference(VTC Spring).IEEE: Yokohama,Japan,2011:1-5. [2] Ratan J,Holla A,Sadakale R,et al.perfomance of LTE downlink scheduling algorithm with load[c] rd International Conference on Electronics Computer Technology (ICECT).IEEE:Kanyakumari,India, 2011: [3] 王阳光, 尹项根, 游大海, 等, 应用于变电站自动化系统的无线传感器网络技术 [J]. 电网技术,2009, 33(2): [4] 卞宝银, 李秀彩, 黄鑫, 等, 变电站无线通信模型研究及应用分析 [J]. 电网技术,2013, 34(13): [5] 王文博, 郑侃. 宽带无线通信 OFDM 技术 [M].2 版. 北京 : 人民邮电出版社,2007. [6] 王龙, 刘洪, 王浩鸣. 光蓄互补系统接入对配电网供电可靠性的影响 [J]. 发电与空调,2012,33(3): [7] 黄盛. 智能配电网通信业务需求分析及技术方案 [J]. 电力系统通信,2010,31(6): [8] 陈其铭, 张炎炎, 潘毅, 等.TD-LTE 系统间干扰问题的分析与研究 [J]. 电信工程技术与标准化,2012, 25(7): 收稿日期 : 作者简介 : 卞宝银 (1983), 男, 硕士, 研究方向为电力系统通信技术,bianbaoyin@sgepri. sgcc.com.cn; 张道农 (1961), 男, 教授级高级工程师 / 设计总工程师, 全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会委员全国时间卞宝银频率计量委员会委员中国电工技术学会理事中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员 WAMS 及时间同步工作组组长, 中国电机工程学会高级会员, 主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作,zhangdn@ncpe.com.cn ( 责任编辑车德竞 )

输电线路智能监测系统通信技术应用研究

输电线路智能监测系统通信技术应用研究 Smart Grid 智能电网, 2014, 4, 11-15 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2014.41003 Published Online February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) Application Research of Communication Technology for