LTE寬帶無線公網在智能電網中的性能分析

樊會叢，趙建華，邵 華

（國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊 050021）

LTE寬帶無線公網在智能電網中的性能分析

樊會叢，趙建華，邵 華

（國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊 050021）

配網通信技術是DA（配網自動化）管理系統的關鍵技術之一。文章首先分別討論了以光纖通信、電力線載波技術和蜂窩無線公網技術承載DA業務的優劣；然后在此基礎上進一步闡述了基于第四代移動通信技術LTE（長期演進）系統的組網方案；最后，針對DA業務中低壓集抄業務的兩種典型應用場景（周期匯報和供電恢復）仿真評估了LTE在FDD（頻分雙工）以及TDD（時分雙工）模式下承載DA業務的可行性。仿真結果表明，對于周期性匯報居民用電業務，LTE FDD系統和LTE TDD系統均能滿足該項業務QoS（服務質量）需求，而LTE FDD系統更適合承載此類業務。在居民區供電中斷后恢復場景下，無論是LTE FDD系統還是LTE TDD系統，在無線側都需要進一步的優化方案，以解決大量低壓集抄終端同時接入時產生擁塞的問題。

配網自動化；無線寬帶公網；基于頻分雙工的長期演進系統；基于時分雙工的長期演進系統

0 引 言

配網通信技術是DA（配網自動化）管理系統的關鍵技術之一，通信系統的性能在很大程度上決定了自動化系統的優劣［1］。考慮到配網通信對實時性、可靠性和安全性的特殊要求，目前主要有光纖通信、載波電力線通信以及無線通信這3種通信方式［2-4］。本文將分別討論以光纖通信、電力線載波技術和蜂窩無線公網技術承載DA業務的優劣。無線通信具有施工速度快、投資小和可以快速投入使用等特點，這些特點使得DA的設計、建設、調試和維護工作得到極大的簡化。然而，DA業務并非現有無線公網運營商的核心業務和重點保障對象，因此需要進一步地分析研究無線公網所提供的通信性能是否能夠滿足當前配網通信的需求。本文將以DA業務中低壓集抄業務為例，針對低壓集抄業務的兩種典型應用場景（周期匯報和供電恢復）分析現有無線公網在承載正常蜂窩業務的同時，承載低壓集抄業務的可行性。

1 技術體制選擇

光纖通信具有保密性強、帶寬寬、抗干擾能力強以及傳輸距離遠等優點。然而，由于智能電網部署環境各不相同，若都使用光纖通信，勢必會造成通信網絡布局成本過高［5］。而載波電力線通信雖然布網全面，解決了敷設光纖網絡難等問題［6］，但是載波電力線通信也存在不足，主要體現為其傳輸數據速率低，難以滿足數據控制信息流量日益增長的要求［7］。

目前，備受各研究機構關注的4G（第四代移動通信）技術可以支持更大的帶寬、更高的數據速率，其保密性及低時延性能都有很大的提升，對不同業務的QoS（服務質量）保證效率也不斷提高，這些特性使得LTE（長期演進）系統在智能電網等行業應用中有著得天獨厚的優勢。

2 智能電網低壓集抄業務場景分析

現階段的低壓集抄業務主要是居民小區的居民用電信息采集，如圖1所示。首先對采集的信息進行簡單的匯聚，然后將匯聚后的數據信息經過LTE網絡傳輸，最后由管理與業務平臺對此業務信息進行處理。

圖1 無線電力遠程低壓集抄系統場景圖

低壓集抄業務主要是一些數據量較低的應用（傳輸速率≤1 kbit/s，每月每終端流量約3 Mbit）。通常情況下，低壓集抄終端會安裝在居民家或者是企業集團，安裝后便不再移動。低壓集抄終端可以周期性地上報抄表數據，也可以根據管理與業務平臺的請求按需上報數據。低壓集抄業務對時延要求較低（≤10 s，無考核要求），但對傳輸數據誤碼率要求極高（≤10-3），因為配電站的運營效益以及居民對供電公司的信任必須通過極高的準確率來保證。

3 基于LTE技術的組網性能分析

由于DA業務并非公網運營商的核心業務和重點保障對象，現有4G技術并未對電力行業提供針對性保障，因此本文通過搭建OPNET系統級仿真平臺，評估現有LTE網絡承載智能電網業務的有效性。為了體現市區和郊區居民分布的差異性，分別考慮在單小區（半徑為500 m）中有5 000、10 000和30 000個低壓集抄終端處于激活狀態的情形。海量的低壓集抄終端同時接入而導致接入碰撞甚至擁塞的典型應用場景主要有以下兩種：

場景一：居民住戶低壓集抄終端周期性匯報業務數據。低壓集抄終端在應用層有業務發起隨機分布控制功能，在此場景下，5 000、10 000和30 000個低壓集抄終端在60 s內按照均勻分布等概率地接入LTE網絡。

場景二：居民區供電中斷后恢復，所有低壓集抄終端同時發起業務恢復過程。低壓集抄終端的應用層無法進行隨機分布控制，其隨機接入請求可能無法容忍延時。低壓集抄終端的隨機接入請求可能分布在10 s內。在此場景下，5 000、10 000和30 000個設備在10 s內按照beta分布請求隨機接入。

按照3GPP（第三代合作伙伴計劃）TS 36.211標準中PRACH（物理隨機接入信道）資源分布配置，選取PRACH配置索引數為6。低壓集抄終端可用于進行隨機接入的preamble（前導序列）個數為54個。低壓集抄終端發送的preamble到達LTE基站后，如果發生沖突，LTE基站則不做任何處理；對于沒有發生沖突的preamble，基站按照1-1/ei的概率成功檢測preamble，其中i指該低壓集抄終端在本次隨機接入中第i次發送preamble。低壓集抄終端通過LTE基站下發的RAR（隨機接入響應）確認是否成功接入網絡。在FDD（頻分雙工）模式下，每個RAR中最多包含3個低壓集抄終端；在TDD（時分雙工）模式下，每個RAR最多包含6個低壓集抄終端。低壓集抄終端將在固定的時間窗口內等待LTE基站發送的RAR，如果在這個時間窗口內沒有接收到相應的RAR，則認為隨機接入發生沖突，然后執行退避。退避窗口為20個TTI（傳輸時間間隔）。當發生隨機接入沖突時，并不采用競爭解決的方式解決沖突，而是采用沖突的低壓集抄終端都重傳preamble的方式解決沖突。preamble的最大重傳次數設置為10次。

（1）FDD模式仿真結果

在LTE FDD系統環境下，低壓集抄終端周期性地（60 s內均勻分布）匯報業務時，其接入時延的CDF（累計分布函數）曲線如圖2所示。由圖中可見，當單小區內存在5 000或10 000個低壓集抄終端時，幾乎所有的低壓集抄終端都能夠成功地進行隨機接入，并且平均接入時延（50%的低壓集抄終端）約為20 ms。當單小區內存在30 000個低壓集抄終端的時，如果低壓集抄終端應用層應用了隨機分布控制，則可以在30 ms內完成隨機接入。

圖2 60 s均勻分布場景下低壓集抄終端接入時延的CDF曲線

在LTE FDD系統環境下，低壓集抄終端供電恢復（10 s內beta分布）時，其接入時延的CDF曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當單小區內存在5 000或10 000個低壓集抄終端時，幾乎所有的低壓集抄終端都可以成功地進行隨機接入，并且平均接入時延＜40 ms。當單小區內存在30 000個低壓集抄終端時，即使低壓集抄終端的應用層應用了隨機分布控制，其平均接入時延仍達到約70 ms，因此需要采取合適的解決方案以改善此場景下低壓集抄終端的接入效率。

圖3 10 s beta分布場景下低壓集抄終端接入時延的CDF曲線

（2）TDD模式仿真結果

在LTE TDD系統環境下，低壓集抄終端周期性（60 s內均勻分布）地匯報業務時，其接入時延的CDF曲線如圖4所示。當單小區內存在5 000或10 000個低壓集抄終端，或者存在30 000個應用層應用了隨機分布控制的低壓集抄終端時，低壓集抄終端的平均接入時延（50%的低壓集抄終端）約為30 ms。與FDD系統相比，接入時延都有較為明顯的增加。這是因為TDD模式隨機接入資源與FDD模式相同，但等待上下行時隙的時延增大了。

圖4 60 s均勻分布場景下低壓集抄終端接入時延的CDF曲線

在LTE TDD系統環境下，低壓集抄終端供電恢復（10 s內beta分布）時，其接入時延的CDF曲線如圖5所示。從圖中可以看出，接入成功概率進一步下降。當單小區內存在5 000或10 000個低壓集抄終端時，其平均接入時延（50%的低壓集抄終端）約為50 ms。但是，當單小區內存在30 000個低壓集抄終端時，即使低壓集抄終端的應用層應用了隨機分布控制，其平均接入時延仍達到約100 ms。

圖5 10 s beta分布場景下低壓集抄終端接入時延的CDF曲線

4 結束語

本文通過仿真評估了4G LTE系統在FDD和TDD兩種模式下承載DA業務的可行性。仿真結果表明，LTE TDD系統由于等待上下行時隙間隔較長導致接入時延較大；LTE FDD系統更適合承載低壓集抄類業務。但是，無論是LTE FDD系統還是LTE TDD系統，在無線側都需要進一步的優化方案，以解決大量低壓集抄終端同時接入時產生擁塞的問題，以及由此產生的接入成功概率低、接入時延大的問題。

［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，2010，38 （20）：201-204.

［2］ Voltage Markushevich N.VAR Control in Automated Distribution Systems［J］.International Symposium on DA/DSM，1993，（3）：478-485.

［3］ 蔡運清.北美的配電自動化［J］.中國電力，1998，31 （8）：58-59.

［4］ 孫曉韡，姜秋海.對德國配電網的考察［J］.供用電，2006，23（3）：74-76.

［5］ 蔡桂龍，金小達，關志堅.配電自動化系統通信方案設置［J］.電網技術，1999，（4）：70-72.

［6］ 田進章.淺談配電自動化系統中的通信系統［J］.河北電力技術，2000，（2）：22-25.

［7］ 胡憲澤.貴陽市北城區配電自動化的通信方案［J］.電力系統通信，2001，22（11）：7-9.

Performance Analysis of LTE Based Broadband Wireless Network in Distributed Smart Grid

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

Distribution Automation（DA）technology is a key technology in the DA management system.This paper discusses the pros and cons of different communication techniques（i.e.，optical fiber communication，power line communication and broadband wireless communication）in DA.Based on the comparison，we further discuss the wireless broadband technique based on Long Term Evolution（LTE）.Finally，we build the simulation platform and simulate two typical scenarios in the application of smart metering（i.e.，periodic reporting and power recovery）.We evaluate the performance of LTE for the business of DA with both FDD and TDD modes.The results show that both the two modes can meet the requirement of Quality of Service（QoS）for the business of periodic reporting resident power consumption.Particularly，LTE-FDD system is more suitable for this business.In the scenario of power recovery after power outage in the residential areas，further optimizations at the wireless side are required for both LTE-TDD and LTE-FDD systems to solve the congestion problem caused by massive simultaneous access of smart metering terminal.

DA；broadband wireless network；FDD-LTE；TDD-LTE

TN929.5

A

1005-8788（2016）03-0076-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.024

2015-11-30

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。