基于LTE 技術(shù)的電力通信應(yīng)用研究

孔文霞 KONG Wen-xia；王敬 WANG Jing

（國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司，邯鄲 056035）

（State Grid Hebei Electric Power Company Handan Power Supply Company，Handan 056035，China）

0 引言

電力通信網(wǎng)同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)被合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的三大支柱，是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營市場化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。隨著智能電網(wǎng)的應(yīng)用普及，尋求一種合理的電力通信網(wǎng)實(shí)施策略，從而支撐智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)、安全性、保密性和實(shí)時(shí)性差異需求，成為了保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前，電力通信網(wǎng)采用的通信方式可分為有線方式和無線方式，其中，有線方式包括電力線載波、音頻電纜、光纖通信，無線方式包括微波通信、數(shù)傳電臺、租用公網(wǎng)的無線通信（短信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPRS 無線數(shù)據(jù)采集、CDMA 無線數(shù)據(jù)采集）等。電力通信網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)依托于高壓輸電線路已建成光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，光纜已經(jīng)覆蓋到35kV 以上變電站，而如果全部配電網(wǎng)采用光纖覆蓋，則投資巨大。

鑒于以上原因，在眾多的電力通信方式中，LTE 寬帶無線技術(shù)以其頻帶寬、傳輸速率高、覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)支撐能力強(qiáng)、可靠、安全等特點(diǎn)，成為國際電力界公認(rèn)的電力無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 LTE 技術(shù)研究

LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn))是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，于2004年12月在3GPP 多倫多TSG RAN#26會(huì)議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。LTE 系統(tǒng)引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）和MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多輸入多輸出）等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率（20M 帶寬2X2MIMO 在64QAM 情況下，理論下行最大傳輸速率為201Mbps，除去信令開銷后大概為140Mbps，但根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)以及終端能力限制，一般認(rèn)為下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps），并支持多種帶寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz 和20MHz 等，且支持全球主流2G/3G 頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化簡單化，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)復(fù)雜度，從而減小了系統(tǒng)時(shí)延，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本。LTE 系統(tǒng)有兩種制式：FDDLTE 和TDD-LTE，即頻分雙工LTE 系統(tǒng)和時(shí)分雙工LTE系統(tǒng)，二者技術(shù)的主要區(qū)別在于空中接口的物理層上（像幀結(jié)構(gòu)、時(shí)分設(shè)計(jì)、同步等）。FDD-LTE 系統(tǒng)空口上下行傳輸采用一對對稱的頻段接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，而TDD-LTE 系統(tǒng)上下行則使用相同的頻段在不同的時(shí)隙上傳輸，相對于FDD 雙工方式，TDD 有著較高的頻譜利用率。

LTE 網(wǎng)絡(luò)有能力提供300Mbit/s 的下載速率和75Mbit/s 的上傳速率。在E-UTRA 環(huán)境下可借助QOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)低于5ms 的延遲。LTE 可提供高速移動(dòng)中的通信需求，支持多播和廣播流。LTE 頻段擴(kuò)展度好，支持1.4MHZ至20MHZ 的時(shí)分多址和碼分多址頻段。

2 基于LTE 技術(shù)的電力通信網(wǎng)絡(luò)組建

2.1 電力通信系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行需要借助于有效的通信手段，將控制中心的命令準(zhǔn)確地傳送到遠(yuǎn)方終端，并將反映遠(yuǎn)方設(shè)備運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)信息收集到控制中心。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用移動(dòng)運(yùn)營商提供的移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸，將是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要發(fā)展方向。

與此同時(shí)，GPRS（General Packet RadioService）也是一種被廣泛采用的通信方式，它是一種基于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM 的2.5G 無線分組交換技術(shù)。這種技術(shù)具有覆蓋范圍廣、永遠(yuǎn)在線、投入費(fèi)用低、可按流量收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。相比之下，LTE 技術(shù)不僅具有GPRS 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也彌補(bǔ)了GPRS 技術(shù)在傳輸速度、保密性、安全性等方面的不足，因此更能適應(yīng)未來智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展方向與技術(shù)要求。系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及終端組成如圖1所示。

2.2 LTE 技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用

圖1

2.2.1 配電自動(dòng)化 配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般分四個(gè)層，第一層為現(xiàn)場設(shè)備層。主要由饋線終端單元（FTU）、配變終端單元（TYU）、遠(yuǎn)動(dòng)終端單元（RTU）和電量集抄器等構(gòu)成，統(tǒng)稱為配電自動(dòng)化終端設(shè)備。第二層為區(qū)域集結(jié)層。以110kV 變電站或重要配電開閉所為中心，將配電網(wǎng)劃分成若干區(qū)域，在各區(qū)域中心設(shè)置配電子站，又稱“區(qū)域工作站”，用于集結(jié)所在區(qū)域內(nèi)大量分散的配電終端設(shè)備。第三層為配電自動(dòng)化子控制中心層。建設(shè)在城市的區(qū)域供電分局，一般配備基于交換式以太網(wǎng)的中檔配電自動(dòng)化后臺系統(tǒng)。第四層為配電自動(dòng)化總控制中心層。建設(shè)在城市的供電局，一般配備基于交換式以太網(wǎng)的高檔配電自動(dòng)化后臺系統(tǒng)和大型數(shù)據(jù)庫，用于管理整個(gè)城市范圍內(nèi)的配電網(wǎng)。中小型城市的配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般只有前三層設(shè)備，不需要第四層。目前集成化、智能化和綜合化是發(fā)展趨勢。

2.2.2 用電信息采集 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)（power user electric energy data acquire system）是對電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的自動(dòng)采集、計(jì)量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能。

2.2.3 負(fù)荷管理 負(fù)荷管理即用經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)的和行政的手段來控制電力系統(tǒng)負(fù)荷的增長速度及調(diào)整電力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線求得最佳經(jīng)濟(jì)效益。電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模愈大，系統(tǒng)各部分的最大負(fù)荷就愈不會(huì)在同一時(shí)刻出現(xiàn)，通過錯(cuò)峰效應(yīng)。可以充分利用整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備的容量，起削峰填谷的作用。

2.2.4 輸電線路監(jiān)控 由終端部分和監(jiān)控管理中心兩大部分組成。終端設(shè)備包括一個(gè)防水、防塵、防電磁干擾、滿足IP65防護(hù)等級的機(jī)箱、太陽能供電板，一體化智能勻速球。監(jiān)控中心包括圖像監(jiān)控服務(wù)器和圖像監(jiān)控客戶端。

采集模擬視頻信號送到無線視頻終端，經(jīng)過數(shù)字化、視頻壓縮編碼后，通過LTE 無線網(wǎng)絡(luò)、internet 發(fā)送到視頻監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心上對視頻流進(jìn)行解碼，即可看到攝像頭拍攝的現(xiàn)場視頻畫面。

2.2.5 應(yīng)急指揮調(diào)度 電力應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)是對電網(wǎng)出現(xiàn)的重大電網(wǎng)事故、突發(fā)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警、防范、化解和善后的全程管理體系。系統(tǒng)包括指揮中心的建設(shè)、通信系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)急指揮平臺軟件的建設(shè)。

3 結(jié)語

智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的新需求是推動(dòng)電力通信網(wǎng)轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動(dòng)力，而其發(fā)展方向的多元化和個(gè)性化也對電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、高效性提出了更高要求。

[1]孫昀.TD-LTE 業(yè)務(wù)和終端現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2010(12).

[2]呂驥,練成棟.LTE 的規(guī)劃和應(yīng)用[J].電信科學(xué),2010(01).

[3]聞立群.LTE 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和演進(jìn)趨勢[J].現(xiàn)代電信科技,2009(09).