基于LTE230無線寬帶通信網(wǎng)絡的用電信息采集應用研究

齊火箭 徐海賓 張庚

【摘要】 本文介紹了LTE230無線寬帶通信專網(wǎng)在張家口地區(qū)的建設情況，結(jié)合現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)上行通信方式特點，給出LTE230 通信模塊開發(fā)設計的要點，并通過實際應用驗證了LTE230無線寬帶網(wǎng)絡能很好地滿足電力系統(tǒng)的用電信息采集業(yè)務要求。

【關(guān)鍵詞】 LTE230 無線寬帶 用電信息采集 通信模塊

長期以來，由于業(yè)務終端點多、覆蓋面廣且分布分散的特點，電力用戶用電信息采集可選擇的通信手段不多。光纖通信方式雖然具備業(yè)務傳輸能力強的優(yōu)勢，但部署施工難度大，成本高，難以全面覆蓋。目前，無線公網(wǎng)（ GPRS、CDMA等）已成為用電信息采集系統(tǒng)遠程通信方式的主要選擇，但隨著采集業(yè)務的大規(guī)模開展，常用的無線公網(wǎng)也逐漸暴露出諸多問題，如采集成功率低、存在信息安全隱患、服務得不到保障、無優(yōu)先級保障，同時每年需支出大量的通道租賃費用。

因此，電力企業(yè)一直在進行無線專網(wǎng)建設的探索，早期的230 MHz電臺專網(wǎng)由于其技術(shù)落后、點對點通信、采集周期長等問題，無法滿足統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的傳輸帶寬需求；McWiLL、 WiMAX等無線寬帶方式傳輸距離短、穿透能力弱，可靠性難以滿足業(yè)務需求，同時使用2.4 G、1800M的頻段，需要向無線電管委會申請頻段，存在較大困難，因而也難以得到大規(guī)模使用。

LTE230 系統(tǒng)是工作在230MHz頻段的無線寬帶通信系統(tǒng)，該技術(shù)的優(yōu)勢在于采用的230 MHz頻段為電力負荷管理專用無線通信頻段，不需要向無線電管委會申請頻點，可用頻段為40個25 kHz，共計1 MHz帶寬。具有低頻段、高網(wǎng)速、覆蓋距離遠的特點，使其在建網(wǎng)和后期維護成本上都優(yōu)于其他系統(tǒng)。近年來在電力配用電領(lǐng)域得到良好的推廣應用。

一、張家口地區(qū)LTE230無線寬帶專網(wǎng)建設情況

2013年，張家口地區(qū)LTE230無線寬帶專網(wǎng)試點建設項目正式啟動，工程同時對試點區(qū)域內(nèi)原運行在無線公網(wǎng)上的采集終端通信方式進行改造，逐步把相關(guān)采集業(yè)務轉(zhuǎn)移到LTE230無線專網(wǎng)上。系統(tǒng)包括了核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)各一套，基站設備三套。

在公司營銷大樓頂建一個基站，實現(xiàn)城區(qū)核心區(qū)域覆蓋；在宣化縣公司樓頂建一個基站，覆蓋以該站點為中心，方圓5～6公里的縣城區(qū)域；市區(qū)人頭山頂建一個基站，覆蓋周邊9公里內(nèi)山區(qū)區(qū)域?；就ㄟ^電力光纖直拉方式、電力光纖專網(wǎng)和數(shù)字微波等多種通信方式接入位于公司營銷大樓通信機房的核心網(wǎng)和網(wǎng)管系統(tǒng)。LTE230寬帶專網(wǎng)通過覆蓋城區(qū)、縣城、山區(qū)等不同地形，驗證LTE230無線專網(wǎng)系統(tǒng)在不同地域支撐電力業(yè)務的特性。

二、基于LTE230無線專網(wǎng)用電信息采集通信方式改造的研究

2.1 采集系統(tǒng)業(yè)務簡介

居民用戶用電信息采集以小區(qū)樓道、柱上變或小區(qū)箱變（公變）為單位，完成單個樓道或箱變負荷范圍內(nèi)全部居民用戶、關(guān)口計量點的用電信息采集。安裝于樓道的采集器、農(nóng)村柱上變或小區(qū)箱變處的集中器即為一個遠程通信節(jié)點。

用電信息采集系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：主站、通信信道、集中器、低壓電力線網(wǎng)絡、專變終端、電能表。采集系統(tǒng)主要工作原理：以低壓居民集抄GPRS通信方式為例，居民用戶的用電數(shù)據(jù)信息由電能表采集，通過電力載波將用電信息傳輸給集中器。用電信息數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議封裝后發(fā)送到中國移動（或中國聯(lián)通）的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，通過該網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至主站，實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)和主站的實時在線連接。同時，集中器還可將主站發(fā)送的遙控指令傳給電能表控制模塊，對電能表進行數(shù)據(jù)請求等各種操作。

用電信息采集系統(tǒng)中集中器等采集終端的主要通信方式有光纖專網(wǎng)通信、GPRS無線公網(wǎng)通信、230MHz無線專網(wǎng)通信、電力線載波通信、RS-485通信方式等。

2.2主要研究內(nèi)容

通信方式的改造目標是各個集中器或?qū)Ｗ兘K端通過LTE230上行通信模塊（UE）將本地采集業(yè)務相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿采w區(qū)域基站設備，基站通過光纖、微波等方式將業(yè)務數(shù)據(jù)回傳核心網(wǎng)，核心網(wǎng)將各個基站業(yè)務數(shù)據(jù)匯總通過網(wǎng)絡接口回傳給用電信息采集主站系統(tǒng)，完成主站系統(tǒng)通過LTE230系統(tǒng)對各個居民用戶、專變用戶等用電信息數(shù)據(jù)的采集工作。

目前張家口用電信息采集業(yè)務使用了大量GPRS通信模塊。LTE230無線寬帶通信網(wǎng)絡在張家口的推廣應用，首先要開發(fā)出符合采集終端通信接口的LTE230通信模塊，要求采用與GPRS通信模塊完全一致的技術(shù)規(guī)范和型式規(guī)范，這樣做后無需對采集終端進行升級改造，就可以直接進行模塊替換，降低費用。下面以I型集中器通信模塊為例，簡述LTE230通信模塊開發(fā)的關(guān)鍵要點。

2.3 LTE230 通信模塊開發(fā)設計

2.3.1底層通信原理

考慮到電力系統(tǒng)中大量的終端對業(yè)務時延要求較高，尤其是專變終端的時延要求更為嚴格，需要對系統(tǒng)進行合理設計以有效降低時延。因此，LTE230無線寬帶系統(tǒng)采用扁平化的全IP網(wǎng)絡架構(gòu)，組網(wǎng)靈活，能夠適用現(xiàn)有業(yè)務的開展，而且方便將來新業(yè)務的擴展應用，如下圖1所示。

集中器和無線模塊的底層通過 AT 命令構(gòu)成通信通道，而無線通信模塊，與無線接入設備及主站的底層是基于成熟的 LTE 的底層信令架構(gòu)，并針對行業(yè)業(yè)務特征進行優(yōu)化而成。IP 層是在成熟穩(wěn)定的底層之上，屏蔽了物理層的細節(jié)，使得網(wǎng)絡應用層可以自如設計實現(xiàn)。

集中器的 IP 地址都由LTE230系統(tǒng)的核心網(wǎng)管理和維護，集中器連接的無線通信模塊正常完成底層接入后，核心網(wǎng)分配IP 地址給集中器，核心網(wǎng)一并維護 IP 地址和集中器的對應列表。

2.3.2 LTE230通信芯片選型

目前市面上的LTE230通信芯片很少，只有中國普天信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司的一款芯片，該芯片設計時考慮了在用電信息采集系統(tǒng)中需要的功能，簡化了設計，降低了成本，因此在電力行業(yè)中得到廣泛的應用。

2.3.3 LTE230 通信模塊的TCP軟件流程

用電信息采集系統(tǒng)中集中器或?qū)Ｗ兘K端通過AT指令與LTE230模塊進行命令控制以及數(shù)據(jù)通信；通過LTE230模塊將數(shù)據(jù)傳送至主站，實現(xiàn)與主站的實時在線連接；同時，集中器或?qū)Ｗ兘K端還可接收主站發(fā)送的遙控指令進行請求操作。

2.3.4 LTE230 通信模塊設計開發(fā)的關(guān)鍵點

（1）集中器LTE230通信模塊硬件設計需要符合國家電網(wǎng)公司的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)集中器型式規(guī)范的要求。軟件設計必須符合國家電網(wǎng)公司2013年發(fā)布的最新版電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中的《通信單元技術(shù)規(guī)范》和《遠程通信模塊接口協(xié)議》，同時須兼容2009年版本的終端。

（2）由于各廠家的集中器上行通信模塊與主站的交互信息文本沒有統(tǒng)一標準，為了避免涉及到與多個廠家開發(fā)接口，影響通信模塊的兼容性，建議通信模塊在網(wǎng)絡連接后開啟透明通道，建立透明數(shù)據(jù)傳輸，避免通信模塊對交互信息的解析。圖2是LTE230模塊建立連接流程圖。

三、應用效果

按照上述開發(fā)思路研制出了I型集中器LTE230 通信模塊，經(jīng)試運行后，在LTE230無線信號覆蓋區(qū)域內(nèi)進行了安裝，集中器采集數(shù)據(jù)通過LTE230無線寬帶通信網(wǎng)絡及光纖網(wǎng)絡，上傳至統(tǒng)一的采集主站系統(tǒng)，通信系統(tǒng)自建成后一直運行穩(wěn)定，采集成功率達100%，時延小于2s，滿足了電力系統(tǒng)業(yè)務穩(wěn)定性和可靠性要求。

四、結(jié) 語

LTE 230 MHz無線寬帶通信技術(shù)采用223～235 MHz電力負荷管理專用無線通信頻段，電力行業(yè)擁有40個授權(quán)頻點，不需要向無線電管委會申請頻點，并且作為低頻頻段具有覆蓋范圍遠的優(yōu)勢。因此，LTE 230 MHz比其他無線通信技術(shù)更適用于用電信息采集通信。系統(tǒng)建設后的首要任務是開發(fā)出符合國網(wǎng)標準，兼容性強的遠程通信模塊，以替換現(xiàn)有的通信方式的通信模塊，才能實現(xiàn)用電信息采集業(yè)務從無線公網(wǎng)到LTE 230 MHz無線寬帶專網(wǎng)的逐步轉(zhuǎn)移，擺脫對無線公網(wǎng)的依賴性。張家口地區(qū)進行的LTE 230 MHz無線寬帶專網(wǎng)建設和應用效果表明，無線寬帶網(wǎng)絡完全滿足用電信息采集對通道的要求，可為先進的無線通信技術(shù)應用于智能電網(wǎng)建設發(fā)揮良好的示范作用。

齊火箭（1978-），男，電氣工程及其自動化專業(yè)，大學本科學歷，學士學位，高級工程師，現(xiàn)擔任電能計量技術(shù)高級師，主要從事電能計量專業(yè)技術(shù)管理、質(zhì)量監(jiān)督等工作。