無線公網2G/3G技術在智能電網中的應用

樊會叢，趙建華，邵 華，林 榕

（國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊 050021）

無線公網2G/3G技術在智能電網中的應用

樊會叢，趙建華，邵 華，林 榕

（國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊 050021）

智能電網是國內外電網技術發展的必然趨勢，而配網自動化管理系統的建設是關鍵環節。文章介紹了利用無線公網技術建設智能配電網的優勢，并具體結合2G GPRS（通用分組無線服務）和3G WCDMA（寬帶碼分多址）技術承載配網自動化業務中的低壓集抄業務的應用場景，對無線公網承載智能電網業務的性能進行了理論分析與仿真驗證。得出的相關結論拓寬了智能電網的建設思路，具有一定的理論參考價值。

配網自動化；無線寬帶公網；通用分組無線服務；寬帶碼分多址

0　引 言

配電通信網絡是實現配電自動化和智能化電網的重要信息基礎設施，是建設智能電網的主要組成部分［1］。當前的智能配電網通信系統主要有光纖通信、載波電力線通信和公網無線寬帶通信3種方式。傳統的光纖和載波電力線傳輸雖然實現簡單，但是布置成本高。無線通信網不依賴于電網架構，覆蓋范圍廣，且抗自然災害能力較強，同時具有帶寬大、傳輸距離遠和非視距傳輸等優點，非常適合彌補目前通信方式單一化、覆蓋面不全的缺陷。目前，在電網電力系統通信中仍然以光纖通信為主，但隨著電網對災難應急、配網自動化和辦公智能化等需求的提出，傳統的光纖通信和載波電力線通信系統已不能很好地滿足智能電網發展日益增長的要求。

而現有公網無線寬帶技術并沒有為電力行業提供針對性的保障。針對這一問題，本文將重點介紹現有無線公網在承載移動用戶業務的同時，能否有效承載配網自動化業務。

1　GPRS網絡承載低壓集抄業務分析

GPRS（通用分組無線服務）是在GSM（全球移動通信系統）的基礎上發展起來的一種新的分組數據承載技術。GPRS網絡更加適合間斷、突發和頻繁的小數據量業務的傳輸。結合低壓集抄業務特點與GPRS業務特點分析可知，相比GSM網絡，低壓集抄業務更適合承載在GPRS網絡上。

在GPRS系統中主要使用PDTCH（分組數據業務信道）來承載分組數據業務，PDTCH采用4種不同的編碼方案來承載業務數據。

假設低壓集抄業務的數據量大小為155字節，當GPRS采用CS-2（編碼方式2）時，無線塊信息量為268 bit，單時隙最大速率為13.4 kbit/s，那么每秒可傳輸低壓集抄業務的終端為13.4×1 000/8/ 155=10.8（個）。而GPRS規定一個單時隙最多可被6個用戶復用，因此，盡管在CS-2下的傳輸速率理論上足以支持10個用戶的復用，但是實際上僅有6個用戶可復用同一信道。所以，1s內，只有當一個TDMA（時分復用多址接入）幀的8個時隙全部分配給PDTCH時，PDTCH最多才可能容納6×8= 48個低壓集抄業務終端進行業務傳輸。假設單小區內有24 000個低壓集抄終端，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據業務以及話音業務，將8個時隙全部分配給PDCTH，且不考慮業務的碰撞和重傳等因素的最理想的情況下，計算得到的最短完成接入時間。而在實際過程中，這種情況不可能存在，低壓集抄設備的接入必然會造成PDTCH負荷的大大增加，對正常蜂窩通信產生極大的影響。

在實際的無線通信系統中，GSM主要承載CS（電路交換）域的話音業務，GPRS主要承載PS（分組交換）域的數據業務，GSM網絡和GPRS網絡共用相同的頻譜資源。當以GPRS網絡承載低壓集抄業務時，大量低壓集抄業務的接入必然會帶來網絡中PS域數據的急劇增加，這就需要有足夠的GPRS數據業務信道來支撐。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務質量，嚴重時可能造成語音業務擁塞，所以必須考慮GSM和GPRS資源的合理分配，以便在GPRS網絡上更好地承載低壓集抄業務。

根據按需分配原則和坎貝爾算法［2］，在GPRS網絡上承載低壓集抄業務時，對GSM和GPRS信道資源作如下分配：以一個星期或者一個月為周期，調研統計試驗小區內每天不同時間段內移動用戶的業務量（這里主要以話音業務為主），包括業務到達率和平均持續時間，同時根據試驗小區內用戶數統計小區內低壓集抄業務終端的數目，然后，根據抄表業務數據量和完成一次數據傳輸需要的時間計算出一次抄表數據上報情況下的抄表總業務數據量，最后用坎貝爾算法計算出不同時間段內話音業務和數據業務應該分配的信道數目，即分配GSM和GPRS之間的信道資源比例。進一步考慮到低壓集抄業務大多數是周期性（如月周期、季周期等）上報，在一個月內或者一個季度內只需要某一個固定時間段就可以完成業務數據的上傳。因此在實際應用中，可以理性地選擇低壓集抄業務的上報時間，如避開節假日及白天話音業務的高峰期等。我們可以考慮根據坎貝爾話務量統計選擇一個月內某一天內話音業務量最低的一個時間段，例如，假設每天凌晨，發起隨機接入過程傳輸抄表數據業務，這樣既可以避開話音業務的高峰期減少對GSM語音業務的影響，最大限度地降低由于低壓集抄業務的接入而給話音業務帶來的干擾，同時又可以考慮分配更多的PDTCH支持GPRS數據業務，高效地完成低壓集抄業務的接入。

2　WCDMA網絡承載低壓集抄業務分析

在3 G（第三代移動通信）規范提案的概念評估過程中，WCDMA（寬帶碼分多址）以其自身的技術優勢成為3G的主流技術之一。相比GPRS技術，WCDMA具有更大的系統容量、更高的頻譜效率和更快的數據速率等特性，因此，更適合承載海量的低壓集抄業務。

海量低壓集抄終端在某一時間段內同時觸發周期性業務匯報，在短時間段內發起隨機接入請求，以完成業務傳輸。典型的應用場景有3種：（1）周期性匯報場景：低壓集抄終端周期性匯報業務數據；（2）響應群組尋呼場景：低壓集抄終端響應業務管理平臺尋呼；（3）供電恢復場景：供電中斷后恢復，所有低壓集抄終端同時發起非業務恢復過程。

我們通過搭建系統級仿真平臺，在上述3種場景下評估現有WCDMA網絡同時承載移動業務和低壓集抄業務的有效性。仿真平臺部署場景如圖1所示。

圖1　仿真平臺部署場景示意圖

為了保證仿真工具的效率及市區、郊區居民分布的差異性，仿真中將低壓集抄終端數目設置為800和2 400。此外，本文的目的是評估現有無線公網能否同時承載移動業務和低壓集抄業務，因此，仿真中同時考慮了正常蜂窩通信用戶數為20。

由仿真結果可知，當海量的低壓集抄終端在短時間內同時接入WCDMA網絡時，如果對低壓集抄設備與移動用戶采用相同的接納策略，那么，移動用戶的接入平均時延、失敗率會大大上升。除了低壓集抄終端周期性匯報場景下，移動用戶能夠正常接入網絡外，其他場景中移動用戶的通信性能要求并不能很好地得到滿足。特別是在供電恢復場景下，單位時間內低壓集抄終端發起接入請求的密度相當大，以致于根本不能保證移動用戶的通信質量以及低壓集抄設備正常運行。承載低壓集抄業務前后移動用戶業務統計如表1所示。

表1　承載低壓集抄業務前后移動用戶業務統計

由此可見，在實際應用中必須制定相應的策略（特定接入控制限制策略［3］、特定退避時間以及群組觸發策略［4］），將海量低壓集抄設備對移動用戶的性能沖擊降至最低。

3　結束語

配電通信網是實現電網智能化管理及配電業務應用的重要支撐系統。本文從配電網的發展現狀及業務需求出發，提出了利用無線公網技術建設配電通信網的思路，并以2G GPRS系統和3G WCDMA技術為背景，從理論和仿真上分析了無線公網技術承載配網自動化業務的可行性，為智能電網的發展提供了參考。

［1］ 孫毅，龔鋼軍，許剛.Mc WiLL寬帶無線技術在遼寧電力示范網的應用［J］.電力系統保護與控制，2010，（20）：201-204.

［2］ 張慧瑜，杜明輝.WCDMA系統混合業務下的小區容量預測與仿真［J］.微計算機信息，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

國網河北省電力公司2014年度科技計劃資助項目（kj2014-027）

樊會叢（1979-），女，河北石家莊人。工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力通信網規劃。