LTE230系統在智能電網中的應用

張瀚峰 閆淑輝 楊元漪 馮世英

（普天信息技術有限公司，北京 100080）

通信網絡是智能電網的神經系統，是智能電網的基石。電力通信網可分為骨干網和接入網兩大部分，電力通信骨干網目前以光纜為主流傳輸介質，采用在同步數字傳送網（SDH）基礎上引入光傳送網（OTN）技術，逐步形成OTN與SDH聯合組網模式；電力通信接入網定位為骨干網的延伸，實現最后一到數十公里的延伸覆蓋。

經過多年建設國家電網已經建立了一張具有相當規模的光纖通信網絡，該網絡已經全面覆蓋國家電網的調度控制中心、管理營銷機構、110kv及以上高電壓等級發輸電網絡。該網絡在堅強智能電網建設中起了巨大作用。

光纖通信在110kV及以上的骨干通信網絡游刃有余，但是面對點多面廣、環境復雜的35kV及以下中低壓配用電通信網絡還有待提高。因此引入了寬帶無線通信技術對光纖通信進行補充，構建高速、可靠、靈活的電力通信接入網，是解決配用電側全覆蓋、全采集發展目標的必然選擇，在智能電網中發揮著越來越不可替代的作用。

基于電網230MHz專用頻段，結合第四代移動通信TD-LTE先進技術的新一代電力無線通信系統為“堅強智能電網”提供優質的通信保障，已成為電力通信的必然選擇。該系統兼具信息安全性高、信息傳輸帶寬高、系統可靠性高、維護方便性好、網絡擴展能力強、業務適應性強等特點。

1 系統組成

本文提出TD-LTE230系統是為電力行業量身打造的寬帶無線接入系統。系統集成第四代移動通信LTE網絡架構的全部優點，并結合電力應用需求，利用載波聚合技術，將230MHz頻段離散的窄帶頻點資源進行統一整合形成寬帶資源以滿足行業應用。同時，該系統引入了OFDM、高階調制、高效編碼等新技術，一方面提高了頻譜效率，另一方面使系統具有優越的解調性能，提升了系統的抗干擾能力，從而保證了與數傳電臺系統在230MHz頻段的共存。該系統能夠支持包括用電信息采集、配電自動化、專變負控采集、視頻傳輸等電力業務，并能根據電力用戶需求不斷進行改進與定制。

LTE230 系統主要由無線終端UE、無線基站eNodeB、核心網EPC及網管eOMC構成。具體參見圖1。

圖1 LTE230 系統圖

1）無線終端UE

LTE230系統的無線終端模塊，直接與集中器、負控終端、配電自動化終端等電力終端設備通信。終端與監控單元能夠無縫連接，即插即用。

2）無線基站eNodeB

LTE230系統的無線基站，能夠接入多路用戶。包括固定基站以及移動基站（車載）。每個基站單個扇區最多可接入2000個電力數據用戶。

3）無線核心網EPC

LTE230系統的核心網，負責終端認證、終端IP地址管理、移動性管理等，直接連接智能電網主站。通過核心網，電力終端能夠完成數據采集、視頻監控、調度指揮、應急搶險等功能。

4）網管eOMC

LTE230系統的網絡管理單元。主要包括兩部分內容：網絡狀態監控和設備運維。該中心支持對現存的電力信息管理進行融合，并能利用各種多媒體手段，GIS技術，完成統一集成的多媒體調度指揮系統。

2 系統特點

1）覆蓋廣、信號繞射能力強：密集城區覆蓋3km，鄉村30km。

2）安全性高：遵循LTE規范，實現3GPP最嚴格的加密鑒權機制，支持IP地址過濾與用戶數據協議過濾。

3）數據傳輸穩定：支持Turbo信道編碼、HARQ、AMC等先進物理層技術保證數據傳輸可靠。

4）設備可靠性高：設計過程中及進行了大量的高可靠性設計考慮，并在產品開發完成后進行了各種可靠性驗證。

5）可維護性強：操作維護中心OMC可實現對LTE230網絡中的EPC、eNodeB、UE進行集中統一的管理，可以遠程、實時地對網元設備和網絡實現配置管理、拓撲管理、故障管理、性能管理、報表管理、軟件管理、日志管理和安全管理。

6）可擴展性強：全IP網絡架構、支持軟件無線電技術。

7）深度定制：上行為主、支持QOS設定、實時性強、終端產品豐富。

3 基于LTE230 系統的配用電自動化解決方案

目前電力網中配電和用電環節，存在網絡拓撲復雜、變化快、終端節點數量和種類多、空間分布廣等實際情況，且不同配用電業務之間對信息傳輸的要求不盡相同。配用電網的區域差異和業務的多樣性決定配用電通信網需要采取多種通信體制，建立以光纖為骨干網、無線通信網作為全覆蓋接入的組網模式。

隨著智能電網的發展，配用電業務對通信網的可靠性、傳輸容量、接入靈活性等方面均提出了新的要求。同時配用環節具有用電信息采集、配電自動化、新能源接入等多種智能電網業務雙向通信的需求。而構建LTE230電力無線寬帶通信系統可以較好地解決智能電網配用電業務的要求。

圖2 基于LTE230 系統的配電自動化解決方案圖

LTE230終端可以根據電力業務需要，安裝連接專變負控采集終端或者配電自動化終端。通過230MHz無線鏈路接入到LTE230基站。LTE230基站可以建設在變電站的樓頂，利用現有電網的光纖資源接入到電力大樓。而LTE230的核心網及網管部署在電力大樓并與電力主站系統對接，可實現區域內所有LTE230基站及終端的管理和控制，如圖2所示。

配用電自動化終端的數據通過LTE230系統的專用通道送到遠端監控主站系統，監控主站的下發指令也通過LTE230網絡傳遞到配用電自動化終端中，以控制配用電自動化終端的操作，實現安全可靠的雙向通信。

LTE230電力無線寬帶通信系統提供在農村地區超過30公里半徑的覆蓋，支持最大2000個電力業務終端同時在線，以及最高達 14.96Mbps 的上行無線傳輸鏈路，具備優先級設置功能，能按需分配業務帶寬，較好地滿足各類型配用電業務順利開展對通信通道的要求，保障了業務可靠性、實時性、安全性。LTE230電力無線寬帶通信網絡建設速度快，即可較好的實現專變負控終端或者集中器的用電信息數據采集的通信接入；也可較好地覆蓋開閉所、環網柜、柱上開關等配電設備，實現配電自動化終端的通信接入。

4 基于光纖到臺區的微基站解決方案

目前，部分電力公司的光纜線路已經鋪設到配電臺區，臺區的業務數據通過EPON接入電網數據控制中心，但是從集中器到臺區的通信尚未解決。如果繼續使用光纖通信，則光纜線路建設施工周期長、建設路徑組織困難、施工難度大，而通過基于LTE230無線通信方式解決，則容易施工，并且可以降低成本。

基于LTE230電力無線寬帶通信系統的臺區無線通信數據采集方案，通過在每個配電臺區安裝小型、簡易化的LTE230基站來實現，同時在電力數據中心機房需要部署一套LTE 230核心網（EPC）系統，管理和維護其管轄區域內的所有基站及終端設備。臺區無線數據采集系統連接圖如3所示。

圖3 基于光纖到臺區的微基站解決方案圖

該方案是利用在臺區變壓器附件架設1個小型基站，然后連接到臺區已有的光纖接入點，實現對臺區變壓器1km范圍內的電力采集終端用戶的無線覆蓋，完成區域內終端設備數據的采集。供電方式是利用臺區已有的220V/380V電壓，通過AC/DC轉換模塊產生基站所需的-48V直流電壓。

該方案綜合了光纖和無線通信的優勢，利用寬帶無線技術解決了光纖“最后1km”的部署難題；同時通過光纖網絡延長無線信號的傳播距離，提升了電力無線接入網的帶寬。

5 地下室覆蓋解決方案

由于現有電力終端多數安裝在居民小區、大型寫字樓或者商場內部或者地下室，電力無線網絡難以覆蓋，目前，往往采用終端天線拉遠或者終端拉遠方式進行解決，但該方案存在拉遠距離遠，施工量大，物業協調困難等問題。

LTE230系統在采用終端天線拉遠技術實現地下室覆蓋的同時創新性的結合基于470MHz的近距離無線增強系統，混合組網構建了基于LTE230的電力地下室無線覆蓋解決方案，如圖4所示。該方案遠距離傳輸采用基于230MHz的LTE技術，近距離傳輸采用基于470MHz的ZigBee無線技術，支持自組網技術，可以支持多跳傳輸，組網非常靈活，且系統功耗較低。很好解決了LTE230電力無線網絡在大面積覆蓋時地下室覆蓋陰影區域多的難題。

圖4 地下室覆蓋解決方案圖

該方案在接入網側由LTE230基站、核心網及網管構成。在地下室側如果墻體的信號衰減小，且電力應用終端靠近墻體，施工簡單易行時，可以直接進行LTE230信號覆蓋，這時根據信號檢測的強度，可能需要采用230射頻天線的拉遠技術，如圖4所示。如果地下室墻體信號衰減大甚至是要跨越多個墻體，則地下室側的信息傳輸由230終端接入點（AP）、短距離無線增強模塊（RE）、短距離無線通信終端節點（ED）三部分組成，其中AP負責遠距離LTE230信號與470M近距離信號的轉換；RE負責470信號的路由轉換；ED負責最后與電力終端進行對接。其中，路由節點可以根據網絡的復雜程度進行增加，終端節點根據電力終端的數量進行增加。

該方案在室內全部采用近距離無線增強通信方式，避免了拉線等施工難題，對物業破壞小，物業協調簡單；同時設備支持220V市電，并備有應急鋰電池，電源供應穩定可靠，容災性強。

6 結論

本文從智能電網的通信業務需求出發，基于電網獨有的230M頻段離散頻譜，利用TD-LTE先進無線通信技術，提出了具有深覆蓋、高速率傳輸、實時性強、安全性高等特點的無線通信解決方案。解決了用電信息采集、配網自動化、負荷控制等業務對電力無線通信的需求。