LTE無線通信技術在智能電網中的應用

摘要：隨著電網業務對通信的需求日趨多元化，無線專網在電力系統中也受到越來越多的關注。本文立足智能電網的背景，結合LTE技術優勢、應用場景和常見解決方案，對LTE無線通信技術在智能電網中的應用情況進行了分析和討論。

關鍵詞：LTE；無線專網；智能電網。

1 引言

隨著無線通信技術的發展，TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，時分長期演進）無線專網通信技術在電力通信系統中也受到越來越多的關注，全球30多家主要電力公司建設了無線智能電網。國內電力系統已經獲得國家無線電管理委員會的專用頻率使用批復，國家電網信通部主導成立了電力無線專網產業聯盟。天津、浙江、江蘇、廣東和貴州等電網公司近幾年紛紛開展了基于不同技術體制的配用電通信無線專網試點建設和探索性應用，廣州、珠海和佛山等地區供電局已經陸續開展TD-LTE電力無線專網建設。2011年，浙江海鹽供電局將TD-LTE技術引入電力系統，工作在230MHz電力頻段，建成國網首個4G電力通信系統。2012年，廣東珠海供電局和華為技術公司試點建設了電力無線寬帶專網，解決老舊城區有線接入困難、現有器件自動化程度低、PLC傳輸距離有限等問題。2014年，南方電網在廣州花都地區開始建設國內規模最大的4G 電力無線專網，擁有29 座基站、3353臺無線終端。2017年，國網天津市電力公司建設完成2 套核心網、16 個基站等組成的LTE電力無線專網，覆蓋了商務區、自貿區、開發區等各類型區域。

2 網絡特性

2.1 技術優勢

TD-LTE的網絡特性使其在建設電力專網行業應用中具有得天獨厚的技術優勢：高速率和低時延能夠充分保障配網自動化、多媒體應急通信、視頻監控等智能電網業務的實時雙向通道；扁平化網絡結構，易建設，易維護，易擴容，無需光纖鋪設，可實現對配網通信網絡的快速覆蓋，解決配網通信最后一公里的難題；采用動態帶寬分配，上下行時隙靈活配置，更加適應電力業務特點，并可根據業務的不同優先級來進行帶寬分配，從而保證高優先級業務的可靠性；靈活的頻譜適配能力，支持多種系統帶寬等級（1.4、3、5、10、15、20MHz），利于電力行業頻譜申請。在安全性方面，TD-LTE采用雙向鑒權、UTRAN加密、信令完整性保護等技術保障網絡安全可靠，結合VPN和防火墻技術確保不同安全等級的業務之間相互隔離，滿足電網對于網絡高安全性的需求。

2.2 頻率選擇

無線通信網建設的最主要制約因素就是無線頻率。無線頻段資源屬于不可再生的獨占資源，作為國內移動通信網絡的主要建設運營單位，國內三大電信運營商在無線頻段分配方面會受到國家無線電管理部門的優先考慮。電網企業要建設無線寬帶專網，首先要解決的問題就是爭取國家無線電管理部門的頻段資源。根據國家無線頻率管理政策，電網可考慮申請的頻段如表1所示。由于 1400MHz 頻段在城市政務網已有使用，電網企業申請難度較大，因此重點考慮比較1800MHz和230MHz在電力系統中的應用。此外，ISM頻譜470M-510MHz和5725～5850 MHz也可考慮在電網特定場景進行使用。

3 組網方式

無線專網重點考慮1.8GHz和230MHz在電力系統中的應用。1.8GHz的5MHz帶寬能夠承載更高的傳輸速率，有利于視頻監控、移動辦公等高帶寬業務的接入；230MHz頻段卻具有較好的覆蓋能力，可用于接入配網自動化、計量自動化等流量小、分布廣的業務。因此，電力無線專網建議優先采用1785-1805MHz頻段，230MHz頻段作為輔助。多頻混合組網規劃主要因考慮下面幾點因素：一是1.8GHz 與230MHz 頻段的基站在覆蓋能力、吞吐量上的性能差異；二是電網各類型業務在流量需求、分布情況、安全防護需求上的差異；三是電力無線專網基站選址一般限制在變電站、辦公樓等電網公司自有物業上，應最大程度利用有限的站址資源提升覆蓋范圍。

3.1 單頻組網

由于不同地區電網建設情況、無線頻率審批情況的差異，在電力無線寬帶專網建設資金有限、政府無線管理部門審批的頻段有限的階段，宜采用單一頻段開展無線寬帶專網試點建設。采用單頻組網時若接入多類型業務，管理信息區業務與生產控制區業務不可避免的會承載在同一張無線網絡上傳輸，需采用額外的安全措施解決電力系統二次安防隔離的問題。由于目前電力監管部門尚未針對無線專網制定具有針對性的二次安防方案，采用單頻組網雖成本較低，但在大規模接入不同分區業務時存在政策許可問題。單頻組網時可針對主要接入的業務類型選取組網頻段，若將電力無線寬帶專網用于接入配網自動化、計量自動化等流量小、分布廣的業務，宜采用230MHz 頻段組網。若接入的主要為流量大、終端分布集中在辦公場所、變電站周邊的視頻監控、移動辦公等管理區業務，宜采用1800MHz 頻段組網。

3.2 多頻異址組網

該方式根據各供電區域地貌特點或業務分布特點在不同區域建設不同頻段基站。第一種劃分方式是根據區域特點劃分：在業務節點集中、數據流量大、可建基站的電網自有物業密集但建筑遮擋嚴重的城區建設1800MHz基站；在業務分散、數據流量小、可用站址資源有限、建筑間隔開闊的郊區或農村建設 230MHz 基站。另外由于各類型業務流量分布的不平衡，也可針對業務分布特點采用1.8GHz頻率系統吸收容量，230MHz 頻率系統完成覆蓋需要的方式組網，不必按照城鄉分區的劃分原則。此方案在同一站址仍然只有一套特定頻段的基站設備，但是由于230MHz 與1800MHz兩套無線寬帶通信系統的不兼容性，需采購兩套獨立的無線核心網系統與網管系統，成本較之第一種方案有所提升。

3.3 多頻同址組網

該方案同一站址修建兩套基站，分別為230MHz 基站與1800MHz基站。此方案又有兩種業務劃分模式：（1）1800MHz頻段基站支撐吞吐量大，但覆蓋范圍小，230MHz 基站支撐吞吐量小，但覆蓋范圍大，可將1800MHz基站用于承載流量大、分布集中（辦公場所或變電站附近的電子表單提交等）的移動辦公、視頻監控等業務；將230MHz 基站承載流量小、分布分散的配網自動化、計量自動化等業務，但此時管理信息與生產控制區業務在同一張網承載，從安全分區考慮存在政策規范問題。（2）針對電力系統二次安防限制將管理信息區業務統一用1800MHz基站承載，生產控制區業務用 230MHz 基站承載，采用不同頻率建設兩張無線網絡實現完全的物理隔離，此劃分模式較為符合相關安防規范。此方案在同一站址建設有兩套基站設備，且需采購兩套獨立的無線核心網系統與網管系統，成本較之第一種方案有成倍提升，但也有較大的優勢，包括：（1）能最大程度利用現有的頻率、站址資源，業務承載能力最優；（2）不同頻段的兩套基站共站址，共傳輸、電源等資源，節省投資；（3）網絡統一建設、管理，便于優化管理。

3.4 網絡架構

無線專網主要分為業務層、安全接入層、LTE接入層、業務接入層。業務層及安全接入層中的前置機為業務應用設備；安全接入層負責生產業務與管理業務的安全防護；LTE接入層包括核心網、LTE回傳光網絡以及基站設備，負責傳輸并處理相關業務數據；業務接入層包括業務終端和采集終端，負責一次設備等的信息采集及業務終端數據的傳輸。

4 應用方案

4.1 業務支撐

在實際業務支撐方面，LTE無線專網對運檢、營銷、物資、基建以及能源互聯網五大業務領域提供通信基礎支撐。運檢業務方面包括基于4G專網的配電自動化應用、配電環境和安防監控、變/配電站房機器人智能巡檢、智能化配搶移動作業、輸變電設備狀態監測、變電運維標準作業、電網諧波監測和繼電保護移動作業等八項業務場景；在營銷業務方面，主要應用場景包括基于物聯網的電能信息采集、充電站樁/群在線監測以及業擴移動服務；基建業務的具體應用場景為基建現場管理；物資業務的具體應用場景為物資倉儲管理；能源互聯網業務應用主要針對綜合用能優化服務。

4.2 解決方案

常見的LTE電力無線專網解決方案中，包含了授權和非授權頻段的組網方案。配電自動化應用場景對通信業務的低時延、可靠性要求較比較高，主要的解決方案是eLTE-Licensed，在頻譜得到授權的情況下，能讓通信系統更好的工作在無干擾的環境中，從而保證業務的質量，保證安全生產的順利進行。在智能抄表、傳感器檢測場景中，以eLTE-IoT網絡解決方案及相關通信模組、DAU等作為主力產品，實現電網抄表智能化。對于信號有嚴重衰減或者屏蔽的場景，解決方案可增加電表外接天線和室外安裝等手段來提升覆蓋效果。eLTE-IoT在免授權頻譜上增加了跳頻和抗干擾技術、符合行業特征的無線資源利用技術。變電站視頻監控、基建現場適配回傳或移動作業等場景中，可考慮使用非授權頻段的寬帶eLTE-U方案。eLTE-U是一種在免授權頻譜上使用LTE的無線寬帶接入技術，eLTE-U結合了LTE的高性能與Wi-Fi易部署的特點，相比Wi-Fi和微波技術，具備覆蓋距離遠、抗干擾能力強、移動性強、用戶容量大、安全性和可靠性更高的特點。

以上不同的解決方案，各有特點，可以根據各地、各項目不同的頻譜法規要求，不同的業務需求，靈活自由的進行選擇搭配和組合，來實現支撐業務的最終訴求。華為LTE電力無線專網解決方案全景圖如圖2所示。

5 結語

隨著智能電網的快速發展，通信技術和通信產品已經深入電網的各個領域和專業，人類對電網的要求也會越來越高。LTE電力無線專網能夠滿足電力通信的快速覆蓋和信息化業務的靈活接入要求，適應統一管理、統一技術選擇、統一安全方案的設計模式，可方便電網各業務部門方便、快速、無障礙共用接入網通信資源，必將在未來配電通信網絡中獲得廣泛應用。

參考文獻：

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[2]孫天偉.3GPP LTE/SAE網絡體系結構和標準化進展[J].廣東通信技術，2007（2）：42-44

作者簡介：

曹小冬，男，湖南郴州人，碩士研究生，工程師，主要從事電力通信運維相關工作。