基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術的用電信息采集系統的通信系統設計

董俐君 ，張 芊 ，祝恩國 ，劉 宣

（1.中國電力科學研究院 北京 100192；2.國網北京市電力公司 北京 100061）

1 引言

用電信息采集系統是智能電網的重要組成部分，主要覆蓋營銷業務應用的電能信息采集業務，對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監控，實現用電信息的自動采集、用電異常監測、電能質量監測、用電業務管理、分布式能源監控、智能用電信息交互、增值服務等功能。選用穩定可靠的通信技術是用電信息采集系統建設至關重要的環節，采集終端和系統主站之間的遠程通信必須保證其可靠性、實時性和安全性，否則將對整個系統的安全穩定運行帶來很大影響[1～3]。230 MHz無線專網通信技術是用電信息采集系統建設中一種重要的遠程通信技術，其糾錯能力強，數據處理效率高，支持事件上報功能，在很大程度上解決了光纖通信方式成本高的問題，在用電信息采集系統建設中發揮了積極作用。在早期用戶數量不是很多的情況下，這種基本的通信方式不僅能很好地滿足業務需求，而且技術簡單成熟。隨著我國經濟社會的快速發展，用電用戶數不斷增長，電網的智能化和信息化迫切需要尋求一種更為高效、快速、可靠的通信系統。但由于230 MHz無線專網通信方式自身的限制，存在通信速率低、接入點較少、采集成功率不高、實時性較差的問題。

為更好地解決目前230 MHz無線專網在采集速度、采集用時及系統容量上的問題，進一步提升230 MHz無線專網在數據采集方面的整體優勢，需要深入研究基于新型通信技術的用電信息采集系統通信技術方案，為建設用電信息采集系統提供有力支撐。本文開展了新型通信技術SGWM在用電信息采集系統中的應用研究，提出了基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術的用電信息采集系統的通信系統的技術方案以及功能實現，重點分析通信系統組網建設的關鍵技術、設計組網方案。分析結果表明，基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術在用電信息采集系統的應用效果較好，對進一步提高用電信息采集系統通信的可靠性、實時性和安全性，降低系統建設費用具有重要意義，為推廣應用信息雙向交互和加快推進智能電網建設提供技術支持。

2 通信系統概述

2.1 SGWM與230 MHz數傳電臺技術對比

SGWM是一種新興的無線寬帶接入技術，可以為用戶提供無線數據接入服務，基于IEEE 802.16技術標準可以替代現有的有線和DSL連接方式，提供“最后一公里”的無線寬帶接入，并且在成本、傳輸距離和帶寬方面都具有諸多優勢，目前在北美、歐洲等地區獲得廣泛應用和關注，在亞洲地區也呈現出旺盛的生命力和良好的應用前景。目前基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術在用電信息采集系統中的應用尚未開展較多研究，其與230 MHz數傳電臺的技術對比見表1，可見SGWM新型通信技術具有良好的應用前景[4～10]。

2.2 通信系統構成

基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術的用電信息采集系統的通信系統由多臺基站設備、基站管理的大量終端通信模塊和相關的軟硬件傳輸設備構成，其網絡拓撲結構如圖1所示。通信主體包括主站、基站和終端通信模塊3部分，其主站與基站之間通過有線鏈路連接，可實現雙向數據傳輸；基站與終端之間構成點對多點的網絡拓撲結構，通過無線網絡進行雙向通信。

表1 SGWM與230 MHz數傳電臺技術對比

圖1 網絡拓撲結構

在下行鏈路，主站可向下發送查詢指令與管理指令，數據經過有線鏈路傳送到基站，基站通過無線鏈路發送到終端的通信模塊，再傳到終端內部進行數據處理；在上行鏈路，終端將主站查詢結果與采集所得的用電信息通過無線網絡發送到基站，基站將數據經過有線鏈路轉發到主站。在主站與終端進行數據交互的整個過程中，基站只具有數據轉發的功能，并不具備數據處理功能。但基站具有對無線網絡的組網、在網管理與所轄終端退網管理的主導權利。

2.2.1主站系統

主站系統結構如圖2所示。主站系統由應用服務器、前置服務器、數據庫服務器、接口服務器等組成，主要完成業務應用、數據采集、協議處理、通信調度、數據庫管理、運行管理、現場管理等功能，存儲所有電力用戶的電能信息，并與營銷管理應用系統或其他業務系統接口。

圖2 系統主站結構

2.2.2 基站設備

基站負責遠端通信，其下行鏈路接收主站下發的管理信息，并通過無線信道轉發給終端通信模塊；上行鏈路接收終端通信模塊通過無線信道發送的響應信息和采集數據，并轉發給主站。基站同時負責230 MHz無線通信系統的管理，包括終端通信模塊的驗證、入網、組網和退網等。

2.2.3 終端通信模塊

終端通信模塊負責本地通信，其下行鏈路接收接入設備通過無線信道轉發的管理信息，并通過本地接口轉發給終端電能模塊；上行鏈路接收終端電能模塊的響應和采集數據，并通過無線信道轉發給接入設備。終端通信模塊同時響應接入設備的通信系統管理指令，并根據需要支持智能路由功能。

3 通信系統功能

3.1 通信系統業務功能

通信系統業務功能介紹如下。

（1）用電信息傳輸

在指定時間將終端存儲的用電信息數據傳送至主站；在限定時間內將所有用電數據傳送完畢；保證通信過程的可靠性與實時性。

（2）組網與網絡管理

硬件設備上電后，基站對其所覆蓋的所有終端的通信模塊進行自動組網，并根據指定協議方式形成具有較高穩定性的無線網絡。通信網絡正常建立后，基站可以對相應終端進行監測與管理，在終端出現異常時，基站可強制其退網。在基站容量范圍內，新增加的終端通信模塊可實時地通過競爭時隙入網。

（3）主站查詢與控制

主站通過通信網絡實時、定向地查詢專變用戶的用電信息，可以動態掌握終端設備在網絡中的工作狀態、物理屬性等，實時控制終端通斷電。主站通過通信網絡掌握用戶用電狀態，并根據用電狀態分析用戶是否正常用電。當用戶欠費或者用電出現異常時，主站可及時進行相應處理。

3.2 基站功能

基站功能介紹如下。

· 定期接收終端發送的用戶用電信息，并發送至主站。

·對接入系統的終端以及無線資源進行管理，使用電信息采集系統中的設備處于同步狀態，實現了資源的合理利用，是用電信息采集系統得以正常工作的關鍵。

·負荷監測、控制功能。根據上級要求，定時多播或廣播配電指令，是實現用電信息采集系統有序供電、分時段用電的核心步驟。

· 數據處理功能?；究梢詫祿M行簡單處理，對于傳輸錯誤的數據，可以要求終端重傳。通過此功能可避免到更高層判斷數據傳輸的正確性，減小了網絡傳輸的時延，提高了數據傳輸的可靠性。

3.3 終端通信模塊的功能

終端通信模塊的功能介紹如下。

·終端通信模塊在規定的時間內自動發送用電信息到基站，是用電信息采集系統實現遠程抄表業務的重要條件。

序列密碼起源于Vernam密碼，1917年，G.Vernam提出了流密碼Vernam cipher，若密鑰流字符是隨機的，那么Vernam密碼成為一次一密，這種密碼在一定條件下是無條件安全的。當然序列密碼也存在缺陷，即密鑰的個數必須和明文的個數相同，密鑰的分配和管理十分的困難。1949年，Shannon信息論的提出為序列密碼奠定了理論基礎。序列密碼分為同步序列密碼SSC和自同步序列密碼SSSC。相比于分組密碼，序列密碼特殊在于它每次用一個密鑰加密一個比特，它的速度更快，占用硬件資源更少。

·終端通信模塊將主站所發的配電指令數據從串口傳入終端主板，終端主板再對其所控制的負荷進行控制，這也是用電信息采集系統完成負荷管理功能、電力調度業務，實現有序供電的最終執行步驟。

·終端通信模塊根據基站廣播定期向基站發送自身的終端管理參數（如IP地址、MAC地址等），是用電信息采集系統對接入網絡終端和系統資源進行管理，實現系統自動巡檢的關鍵條件之一。

4 基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信組網技術在用電信息采集系統中的應用

4.1 載波聚合復用技術

由于用電信息采集系統電力無線寬帶所分配的頻點較少、帶寬較窄、頻點離散分布，當一個小區的頻點受到干擾時，無法自動實現頻率調整，需要人工進行切換，工作量大，且不易實現，從而導致系統性能難以滿足日益增長的電力系統高速無線通信的需求。為充分利用電力行業40個離散頻點，用電信息采集系統考慮利用最新的載波聚合技術，在接入設備實現與多個頻點的終端同時通信，終端通信模塊支持多個頻點間的切換，實現一個基站同時支持與多個頻點的終端進行通信，以解決頻帶資源受限的問題，滿足視頻業務進行多子帶傳輸的高速率特性，有效提高系統容量。

4.2 智能路由技術

在用電信息采集系統中，接入設備與隱藏終端的通信通過智能路由技術實現，接入設備下屬的所有終端通信模塊都應具有中繼能力，各終端通信模塊的中繼級別與功能由實際鏈路環境確定。采集終端自動掃描可用頻點信息，并根據基站指令自動切換工作頻點。基站和終端的頻點切換均是自動完成，不需人工到基站和終端現場進行調試設置，提高了用電信息采集系統的承載能力，達到擴大系統服務規模的目的，為實現客戶雙向互動服務提供了技術支撐，極大地提高了用電信息交互的便捷性、實時性、準確性。

4.3 異頻組網技術

為了適應230 MHz無線專網的數據傳輸業務具有的數據量小、突發性、用戶數量多的特點，SGWM接入網主要是無線基站，支持無線資源管理等功能，核心網支持用戶認證、漫游等功能。用電信息采集系統的組網方式采用異頻蜂窩組網方案，每個蜂窩組（簇）由7個蜂窩小區組成，每個蜂窩小區預先分配至少一個授權頻點，使系統更好地實現主動上報，提升了信道的傳輸速率，增大了網絡容量。

4.4 安全防護技術

由于230 MHz電臺采用透明傳輸模式，無糾錯能力和加密功能，要想實現糾錯和加密，只能在采集終端或主站計算機上進行，使傳輸時延非常大，影響了系統的吞吐量，從而導致用電信息采集系統信息采集量巨大、覆蓋面廣、面臨的安全隱患較多，威脅到電力系統的安全、穩定和經濟運行。為了確保用電信息采集系統主站、通信信道和采集終端的安全，需要針對采集系統各環節可能存在的安全隱患，全面實施安全防護體系建設方案。系統主站要部署高速密碼機，用于主站側數據的加/解密，主要實現身份認證、密鑰協商、密鑰更新、關鍵數據的加/解密、MAC計算和數據校驗等功能；在專變采集終端、集中器和智能電能表中安裝安全加密模塊，用于采集設備與主站、智能電能表之間進行的身份識別、安全認證、關鍵信息和敏感信息安全傳輸，實現設備內部數據的加/解密，實現應用層數據的完整性、機密性、可用性和可靠性。

5 組網方案設計與分析

本文以蜂窩組網為例。從電力專用授權的40個離散頻點來看，主要分布在3個相對集中的頻段，分別是15對雙工頻點和10個單工頻點。因此，組網方式比較靈活，如果考慮通過系統的頻率復用以及容量來減小干擾，可以采用同頻組網；如果考慮減小用戶之間的干擾，可以考慮異頻組網。

5.1 異頻蜂窩組網方案

理論上，使用同一頻率的區域彼此相隔一定的距離（稱為同頻復用距離），就能使同頻干擾抑制到允許的范圍以內。在實際的組網規劃中，根據需要，可以選取不同的頻率復用因子N。

如果把40個離散頻點劃分成7個頻點集合 （每個包含5個或6個頻點），每個基站使用1個頻率集，基站同時使用4個頻點與所轄的終端通信，終端只是用其中的1個頻點，剩余的1～2個頻點作為備用頻點，在頻點收到干擾時切換使用。此時組網方式的頻率復用因子N=7，如圖3所示。

圖3 異頻組網

圖3中，A小區對應的小區基站同時使用4個頻點（另有1～2個備用頻點），終端使用的頻點可以根據實際需求進行劃分，但終端同一時刻只能使用該頻率集內的一個頻點。對于一個頻點，基站與終端之間采用點對點（P2P）的通信方式，對于整個小區來說，基站與終端之間采用點對多點（PMP）的通信方式。

5.2 同頻蜂窩組網方案

頻率復用意味著在一個較大的區域內存在多個同頻小區，其相互干擾稱為同頻干擾或同信道干擾（CCI）。同頻干擾無法通過增大/減小發射功率來克服，因為增大發射功率雖能提高本小區的接收信干噪比，但會增大對相鄰小區的同頻干擾；反之，雖能減小對相鄰小區的同頻干擾，但也會降低本小區的接收信干噪比。一般采取的措施是保證同頻小區必須相隔一個最小距離，為電波傳播提供充分的空間間隔。

分析表明，如果小區大小和形狀一樣，各小區發射功率相同，那么同頻復用比例Q與發射功率無關，而與小區半徑R、最小同頻小區間距D相關。

對于六邊形蜂窩小區結構，同頻復用比例Q為：

其中，N為簇的大小（即簇中小區數）。

由式（1）可見，Q值越大，同頻小區間距和小區覆蓋半徑之比就越大，來自同頻小區的輻射能量就越小，信干噪比就越高，通信質量也越好；而Q值較小時，簇也小，意味著在覆蓋范圍中可容納更多的簇，系統能獲得更大的容量。因此，在設計蜂窩系統時，需要在同頻干擾和系統容量之間進行權衡。

顯然，如果電波傳播路徑無特殊變化，距離增加一倍，場強約衰減12 dB。由此可以分析，下行場強22 dBμV/m衰減到0 dBμV/m時，電波傳播路徑約為有效覆蓋半徑的4倍。但山區地貌及城市建筑物密集區應考慮乘以60%的衰減，即電波傳播路徑為有效覆蓋半徑的2.5倍左右。

表2為小區覆蓋半徑與同頻小區最小間距之間的關系參考，以此指導小區覆蓋規劃。

表2 小區覆蓋半徑與同頻小區間距之間關系

對于230 MHz頻點蜂窩系統，同頻點基站之間的距離不小于基站覆蓋半徑的4倍即可，例如基站覆蓋半徑設定為3 km時，同頻點基站之間的距離應大于12 km。

比較同頻、異頻蜂窩組網方案，為了適應230 MHz無線專網的數據傳輸業務具有的數據量小、突發性、用戶數量多的特點，用電信息采集系統的組網方式采用異頻蜂窩組網方案，每個蜂窩組（簇）由7個蜂窩小區組成，每個蜂窩小區預先分配至少一個授權頻點，使系統更好地實現了主動上報，提升了信道的傳輸速率，增大了網絡容量。

6 試點應用及數據分析

基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術在國網福建省電力有限公司永春電力公司得到成功應用，接入7個試點小區，共2 184戶，其中城東南街變電站、新安小區25#變電站、縣農業局門口變電站和服務大廈門口變電站為窄帶載波，君悅江山2#、3#、5#變電站為寬帶載波。試點工程小區終端接入和召測情況見表3。

7 結束語

針對現有230 MHz無線專網在用電信息采集系統應用中的不足，為滿足智能電網互動化、智能化、實時性、可靠性的要求，提出了一種新型用電信息采集系統數據傳輸方案，并且進行了現場試驗驗證。試驗結果表明，基于SGWM的230 MHz新型通信組網架構更符合電力無線專網需要，具有速度快、容量大、頻譜資源利用效率大、通信成功率高的優勢，提高了數據傳輸速率，增大了用戶容量，提高了頻譜資源利用效率，為采集系統的應用提供了新的數據傳輸方式，具有廣闊的應用前景，滿足用電信息采集系統全覆蓋、全采集的應用要求，為加快推進用電信息采集系統和智能電網建設提供技術支撐。

表3 終端接入和召測情況

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