無(wú)線公網(wǎng)2G/3G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

樊會(huì)叢，趙建華，邵 華，林 榕

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

無(wú)線公網(wǎng)2G/3G技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

樊會(huì)叢，趙建華，邵 華，林 榕

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

智能電網(wǎng)是國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而配網(wǎng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的建設(shè)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章介紹了利用無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)建設(shè)智能配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，并具體結(jié)合2G GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）和3G WCDMA（寬帶碼分多址）技術(shù)承載配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)中的低壓集抄業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)無(wú)線公網(wǎng)承載智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的性能進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證。得出的相關(guān)結(jié)論拓寬了智能電網(wǎng)的建設(shè)思路，具有一定的理論參考價(jià)值。

配網(wǎng)自動(dòng)化；無(wú)線寬帶公網(wǎng)；通用分組無(wú)線服務(wù)；寬帶碼分多址

0　引 言

配電通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化和智能化電網(wǎng)的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，是建設(shè)智能電網(wǎng)的主要組成部分［1］。當(dāng)前的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)主要有光纖通信、載波電力線通信和公網(wǎng)無(wú)線寬帶通信3種方式。傳統(tǒng)的光纖和載波電力線傳輸雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是布置成本高。無(wú)線通信網(wǎng)不依賴于電網(wǎng)架構(gòu)，覆蓋范圍廣，且抗自然災(zāi)害能力較強(qiáng)，同時(shí)具有帶寬大、傳輸距離遠(yuǎn)和非視距傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，非常適合彌補(bǔ)目前通信方式單一化、覆蓋面不全的缺陷。目前，在電網(wǎng)電力系統(tǒng)通信中仍然以光纖通信為主，但隨著電網(wǎng)對(duì)災(zāi)難應(yīng)急、配網(wǎng)自動(dòng)化和辦公智能化等需求的提出，傳統(tǒng)的光纖通信和載波電力線通信系統(tǒng)已不能很好地滿足智能電網(wǎng)發(fā)展日益增長(zhǎng)的要求。

而現(xiàn)有公網(wǎng)無(wú)線寬帶技術(shù)并沒(méi)有為電力行業(yè)提供針對(duì)性的保障。針對(duì)這一問(wèn)題，本文將重點(diǎn)介紹現(xiàn)有無(wú)線公網(wǎng)在承載移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)的同時(shí)，能否有效承載配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)。

1　GPRS網(wǎng)絡(luò)承載低壓集抄業(yè)務(wù)分析

GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）是在GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載技術(shù)。GPRS網(wǎng)絡(luò)更加適合間斷、突發(fā)和頻繁的小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的傳輸。結(jié)合低壓集抄業(yè)務(wù)特點(diǎn)與GPRS業(yè)務(wù)特點(diǎn)分析可知，相比GSM網(wǎng)絡(luò)，低壓集抄業(yè)務(wù)更適合承載在GPRS網(wǎng)絡(luò)上。

在GPRS系統(tǒng)中主要使用PDTCH（分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道）來(lái)承載分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，PDTCH采用4種不同的編碼方案來(lái)承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

假設(shè)低壓集抄業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量大小為155字節(jié)，當(dāng)GPRS采用CS-2（編碼方式2）時(shí)，無(wú)線塊信息量為268 bit，單時(shí)隙最大速率為13.4 kbit/s，那么每秒可傳輸?shù)蛪杭瓨I(yè)務(wù)的終端為13.4×1 000/8/ 155=10.8（個(gè)）。而GPRS規(guī)定一個(gè)單時(shí)隙最多可被6個(gè)用戶復(fù)用，因此，盡管在CS-2下的傳輸速率理論上足以支持10個(gè)用戶的復(fù)用，但是實(shí)際上僅有6個(gè)用戶可復(fù)用同一信道。所以，1s內(nèi)，只有當(dāng)一個(gè)TDMA（時(shí)分復(fù)用多址接入）幀的8個(gè)時(shí)隙全部分配給PDTCH時(shí)，PDTCH最多才可能容納6×8= 48個(gè)低壓集抄業(yè)務(wù)終端進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。假設(shè)單小區(qū)內(nèi)有24 000個(gè)低壓集抄終端，那么至少需要24 000/48=500 s=8.3 min才能完成全部低壓集抄終端的接入。這還是在不考慮蜂窩用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及話音業(yè)務(wù)，將8個(gè)時(shí)隙全部分配給PDCTH，且不考慮業(yè)務(wù)的碰撞和重傳等因素的最理想的情況下，計(jì)算得到的最短完成接入時(shí)間。而在實(shí)際過(guò)程中，這種情況不可能存在，低壓集抄設(shè)備的接入必然會(huì)造成PDTCH負(fù)荷的大大增加，對(duì)正常蜂窩通信產(chǎn)生極大的影響。

在實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)中，GSM主要承載CS（電路交換）域的話音業(yè)務(wù)，GPRS主要承載PS（分組交換）域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GSM網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)共用相同的頻譜資源。當(dāng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)承載低壓集抄業(yè)務(wù)時(shí)，大量低壓集抄業(yè)務(wù)的接入必然會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)中PS域數(shù)據(jù)的急劇增加，這就需要有足夠的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道來(lái)支撐。此外，考慮到在頻率資源一定的情況下，PS域信道資源的增加必然導(dǎo)致CS域信道資源的減少，而CS域信道容量的減少將直接影響話音業(yè)務(wù)質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能造成語(yǔ)音業(yè)務(wù)擁塞，所以必須考慮GSM和GPRS資源的合理分配，以便在GPRS網(wǎng)絡(luò)上更好地承載低壓集抄業(yè)務(wù)。

根據(jù)按需分配原則和坎貝爾算法［2］，在GPRS網(wǎng)絡(luò)上承載低壓集抄業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)GSM和GPRS信道資源作如下分配：以一個(gè)星期或者一個(gè)月為周期，調(diào)研統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)每天不同時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)量（這里主要以話音業(yè)務(wù)為主），包括業(yè)務(wù)到達(dá)率和平均持續(xù)時(shí)間，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)小區(qū)內(nèi)低壓集抄業(yè)務(wù)終端的數(shù)目，然后，根據(jù)抄表業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量和完成一次數(shù)據(jù)傳輸需要的時(shí)間計(jì)算出一次抄表數(shù)據(jù)上報(bào)情況下的抄表總業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，最后用坎貝爾算法計(jì)算出不同時(shí)間段內(nèi)話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)該分配的信道數(shù)目，即分配GSM和GPRS之間的信道資源比例。進(jìn)一步考慮到低壓集抄業(yè)務(wù)大多數(shù)是周期性（如月周期、季周期等）上報(bào)，在一個(gè)月內(nèi)或者一個(gè)季度內(nèi)只需要某一個(gè)固定時(shí)間段就可以完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上傳。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以理性地選擇低壓集抄業(yè)務(wù)的上報(bào)時(shí)間，如避開(kāi)節(jié)假日及白天話音業(yè)務(wù)的高峰期等。我們可以考慮根據(jù)坎貝爾話務(wù)量統(tǒng)計(jì)選擇一個(gè)月內(nèi)某一天內(nèi)話音業(yè)務(wù)量最低的一個(gè)時(shí)間段，例如，假設(shè)每天凌晨，發(fā)起隨機(jī)接入過(guò)程傳輸抄表數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這樣既可以避開(kāi)話音業(yè)務(wù)的高峰期減少對(duì)GSM語(yǔ)音業(yè)務(wù)的影響，最大限度地降低由于低壓集抄業(yè)務(wù)的接入而給話音業(yè)務(wù)帶來(lái)的干擾，同時(shí)又可以考慮分配更多的PDTCH支持GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，高效地完成低壓集抄業(yè)務(wù)的接入。

2　WCDMA網(wǎng)絡(luò)承載低壓集抄業(yè)務(wù)分析

在3 G（第三代移動(dòng)通信）規(guī)范提案的概念評(píng)估過(guò)程中，WCDMA（寬帶碼分多址）以其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)成為3G的主流技術(shù)之一。相比GPRS技術(shù)，WCDMA具有更大的系統(tǒng)容量、更高的頻譜效率和更快的數(shù)據(jù)速率等特性，因此，更適合承載海量的低壓集抄業(yè)務(wù)。

海量低壓集抄終端在某一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)觸發(fā)周期性業(yè)務(wù)匯報(bào)，在短時(shí)間段內(nèi)發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求，以完成業(yè)務(wù)傳輸。典型的應(yīng)用場(chǎng)景有3種：（1）周期性匯報(bào)場(chǎng)景：低壓集抄終端周期性匯報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；（2）響應(yīng)群組尋呼場(chǎng)景：低壓集抄終端響應(yīng)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)尋呼；（3）供電恢復(fù)場(chǎng)景：供電中斷后恢復(fù)，所有低壓集抄終端同時(shí)發(fā)起非業(yè)務(wù)恢復(fù)過(guò)程。

我們通過(guò)搭建系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，在上述3種場(chǎng)景下評(píng)估現(xiàn)有WCDMA網(wǎng)絡(luò)同時(shí)承載移動(dòng)業(yè)務(wù)和低壓集抄業(yè)務(wù)的有效性。仿真平臺(tái)部署場(chǎng)景如圖1所示。

圖1　仿真平臺(tái)部署場(chǎng)景示意圖

為了保證仿真工具的效率及市區(qū)、郊區(qū)居民分布的差異性，仿真中將低壓集抄終端數(shù)目設(shè)置為800和2 400。此外，本文的目的是評(píng)估現(xiàn)有無(wú)線公網(wǎng)能否同時(shí)承載移動(dòng)業(yè)務(wù)和低壓集抄業(yè)務(wù)，因此，仿真中同時(shí)考慮了正常蜂窩通信用戶數(shù)為20。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)海量的低壓集抄終端在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)接入WCDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如果對(duì)低壓集抄設(shè)備與移動(dòng)用戶采用相同的接納策略，那么，移動(dòng)用戶的接入平均時(shí)延、失敗率會(huì)大大上升。除了低壓集抄終端周期性匯報(bào)場(chǎng)景下，移動(dòng)用戶能夠正常接入網(wǎng)絡(luò)外，其他場(chǎng)景中移動(dòng)用戶的通信性能要求并不能很好地得到滿足。特別是在供電恢復(fù)場(chǎng)景下，單位時(shí)間內(nèi)低壓集抄終端發(fā)起接入請(qǐng)求的密度相當(dāng)大，以致于根本不能保證移動(dòng)用戶的通信質(zhì)量以及低壓集抄設(shè)備正常運(yùn)行。承載低壓集抄業(yè)務(wù)前后移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　承載低壓集抄業(yè)務(wù)前后移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)

由此可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中必須制定相應(yīng)的策略（特定接入控制限制策略［3］、特定退避時(shí)間以及群組觸發(fā)策略［4］），將海量低壓集抄設(shè)備對(duì)移動(dòng)用戶的性能沖擊降至最低。

3　結(jié)束語(yǔ)

配電通信網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化管理及配電業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要支撐系統(tǒng)。本文從配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及業(yè)務(wù)需求出發(fā)，提出了利用無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)建設(shè)配電通信網(wǎng)的思路，并以2G GPRS系統(tǒng)和3G WCDMA技術(shù)為背景，從理論和仿真上分析了無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)承載配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)的可行性，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了參考。

［1］ 孫毅，龔鋼軍，許剛.Mc WiLL寬帶無(wú)線技術(shù)在遼寧電力示范網(wǎng)的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，（20）：201-204.

［2］ 張慧瑜，杜明輝.WCDMA系統(tǒng)混合業(yè)務(wù)下的小區(qū)容量預(yù)測(cè)與仿真［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（15）：186-187.

［3］ 3GPP TSG RAN WG2 Meeting 68bis-2010，R2-100182：Access Control of MTC Devices［S］.

［4］ 3GPP TSG RAN WG2 Meeting 70-2010，RACH O-verload Control for MTC Devices［S］.

Researches on the Application of 2G/3G Wireless Techniques in Smart Grid

FAN Hui-cong，ZHAO Jian-hua，SHAO Hua，LIN Rong
（Economic and Technical Research Institute of State Grid Corporation of Hebei China，Shijiazhuang 050021，China）

The past few years has witnessed the inevitable trend of the development of smart grid，where the construction of Distribution Automation Management System is a key component.This paper discusses the performances and advantages of using broadband wireless communication technology to construct the smart grid.The operation of low-voltage meter reading is based on the combination of the second generation mobile communication technique-General Packet Radio Service（GPRS）and the third generation mobile communication technique-Wideband Code Division Multiple Access（WCDMA）.Then we evaluate the system performance of smart metering application operated in GPRS system as well as WCDMA system.The simulation results can provide theoretical guidelines when smart grids are deployed in realistic network.

distribution network automation；broadband wireless network；GPRS；WCDMA

TN926

A

1005-8788（2016）04-0075-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.022

2016-04-20

國(guó)網(wǎng)河北省電力公司2014年度科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（kj2014-027）

樊會(huì)叢（1979-），女，河北石家莊人。工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)規(guī)劃。