基于TD-LTE的智能配電網終端通信技術研究

楊 柳

（江西省郵電規劃設計院有限公司，江西 南昌 330008）

在電力行業中，通常將配電網中的各種設備單元統稱為配電自動化終端，簡稱為配電終端。如遠程監測及各種控制單元均是配電網監控系統的基層智能單元，實現對配電網上開閉所、環網柜、柱上開關、配電變壓器、電容器等一次設備的實時監控。配電終端采集配電網實時運行數據、檢測、識別故障、開關設備的運行工況，并對現場信息進行分析處理及控制，通過有線/無線通信等技術，上傳信息、接收控制命令，實現電源的不間斷性供電。

隨著當今智能電網的提出，智能配電系統的建設也愈發急迫。配電終端設備的單一通信方式已經不能滿足當下的配電網發展需求。因此，本文主要介紹了一種新型智能配電網終端通信技術，從而有效提升智能配電網的應用與效率。

1 配電終端介紹

根據應用場合和作用的不同，配電終端主要包括站所終端（Distribution Terminal Unit，DTU）、配電變壓器監測終端（Transformer Terminal Unit，TTU）和饋線終端（Feeder Terminal Unit，FTU），以下將對這些常見的配電終端及主要功能進行介紹[1]。

（1）DTU安裝在配電網饋線回路上的配電室、開關站、環網柜、箱式變電站等位置，是具有遙信、遙測、遙控和饋線自動化功能的配電自動化終端，站所終端的監控對線是開關。

（2）FTU安裝在配電網架空線路桿塔等處并具有遙信、遙測、遙控及饋線自動化功能的配電自動化終端，饋線終端的監控對象也是開關。

（3）TTU可以說是電力供配電系統中最關鍵的設備，配電變壓器把電壓直接分配于低壓用戶電力裝置，相關運行數據是整體配電網基礎數據的關鍵部分，包括三相電壓、三相電流和三相有功等各個方面。負責對配電變壓器運行狀態實時監控，是配電自動化基礎及核心裝置。

配電終端的核心功能包括遙信、遙測、遙控等。遙信是對諸如告警狀態、開關位置狀態等信號的遠程監視，通常采集監測的是開關合閘狀態、分閘狀態、儲能狀態、接地信號、氣壓告警信號等。在國內的配電網自動化系統中，配電終端所采集的遙信狀態接入點通常被要求開關側提供無源接點。遙測是將一些電力信號模擬量進行測量并通過通信系統傳送到配電網自動化主站。而遙控則是對開關進行遠程控合控分。

2 終端的通信方式

作為智能配電網的神經系統，配電終端智能通信網是電網自動化系統中的核心組成部分，智能化網絡化的物理基礎。作為控制單元的配電終端，肩負采集處理控制整個電網的運行數據，所以電網系統的通信網對整個系統的安全高效運行有著至關重要的作用。

2.1 電力線載波通信技術

電力線載波主要是以電力線路為媒介擴散到電力系統的各區域，無需構建其他的專用線路且不用經過無線電管理委員會使用便能進行。一般情況下高壓配電線路的傳輸速率為60～300 bit/s，傳輸距離不超過10 km，可直線利用電力線路加半截波設備實施。適用于非通信干道電纜線路載波以及低壓集中抄表，電力線載波通信技術雖然投資低、覆蓋范圍較大、安裝運行維護方便，但也存在傳輸速率相對較慢并且抗干擾能力較差等缺點。

2.2 光纖通信技術

根據國家電網“十二五”規劃，光纖通信依靠高的可靠性、保密性、抗干擾能力、帶寬及傳輸距離等優越性，我國的電力通信建設已經基本實現“主干通道的光纖化、數據傳輸的網絡化”等總體目標。雖然光纖通信技術具有重多方面的技術優勢，但是在配電網系統建設中作為終端設備的通信方式卻也有不可避免的劣勢，如建設成本極高、安裝維護成本也極高，難以滿足國內大范圍的建設需求。

2.3 GPRS通信技術

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線服務技術的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。GPRS可以說是GSM的延續。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包（Packet）式來傳輸，在端到端的分組轉移模式下接收數據包與發送數據包在GPRS技術中是被允許的，無需通過電路交換模式的網絡資源，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。前些年GPRS技術在配短自動化終端的發展異常迅速，但也存在較為突出的劣勢：傳輸速率低，丟包率高，調制方式不佳等。

2.4 TD-LTE通信技術

時分長期演進（TD-LTE）主要是指4G網絡移動通信技術。對比之前的通信技術，TD-LTE在物理層傳輸上有較明顯的改進，因為TDD雙工方式可以通過信道所具有的對稱性特點來提高信號的傳輸率，可以不需要運用那些較為復雜的頻率雙工器，可以有效實現上下信道中無線資源的靈活分配，可以不需要對稱性頻帶等多種優點已經被全球所公認，而且是運用非對稱性頻譜的重要解決方案。

TD-LTE技術的主要性能如下[2]。

（1）較高的頻譜效率。頻譜的效率和用戶平均的吞吐率下行可以達到HSDPADE的3～4倍，上行可以達到HSDPADE的2～3倍，而系統中的平均頻譜率有時則可以達到1.57 b/Hz。

（2）覆蓋范圍相對較廣。0～5 km可以滿足移動性和吞吐量的目標；5～30 km有輕微的降低；而覆蓋范圍最大的可以達到100 km。

（3）通信速率較快。TD-LTE技術可以顯著的提高峰值速率。在20 MHz的寬帶內可以達到500 Mbit/s的上行速率和100 Mbit/s的下行速率。

（4）延遲性較小。通常情況下，幀子的長度為0.675 ms和0.5 ms，不僅可以有效解決向下兼等問題。同時還可以使得網絡延時有所降低，其中用戶面的延時低于5 m，控制面的延時低于100 ms。

3 智能配電網終端通信技術發展與應用

3.1 集成式配電終端

根據智能配電網的發展趨勢來看，一種智能化、支持多方式通信、插件式模塊化設計于一體的配電終端亟待開發。該種智能終端可同時實現FTU，DTU，TTU多種功能，并有多種通信方式、在對電能信號采集與分析處理、電能的質量進行管理、分布式電源設備的監控與保護等方面有著重要的作用。集成式配電終端總體結構如圖1所示。

圖1 集成式配電終端總體結構

主控模塊采用的是DSP加ARM雙CPU構架，以提供強大的綜合分析處理能力。而通信模塊方面采用不同的RJ-44端口和通信串口相結合，使得系統支持眾多通信鏈路功能和不同類型的通信協議，兼容性高，在信號傳輸和程序軟件的上載和下載方面均令人滿意。終端還可另外配置以太網口，擴展外接GRPS、衛星、微波等通信設備[3]。

3.2 TD-LTE與智能電網結合

為滿足配電網智能化建設的需要，配電系統要求能夠實現數據信息的遠程采集與分析監控處理和配電網的無線通信功能。通過TD-LTE技術結合配電網可以在實際的生產運行中發揮良好的效果[4]。

就TD-LTE通信技術而言，可以被運用到不同的頻段范圍內：1 448～1 466 MHz、224～232 MHz等，在以TD-LTE為底層技術的基礎上，TD-LTE230技術被陸續研發出并運用與通信網絡系統，使該項技術在國家電網智能配電網建設上發揮出極其重要的作用。如2013年南昌市東湖區供電公司完成TDLTE230系統實驗網的測試工作，其傳輸速率如圖2所示。

圖2 傳輸速率

根據圖2的結果可以看出不同的調制方式下該項技術在配電網中傳輸數據時吞吐量的性能測試數據。TD-LTE的高傳輸速率足以達到配電網系統的生產業務需求。由于離散特征在此頻段范圍內的影響，可利用頻譜感知和載波聚合等相關技術，以保證寬帶數據信息的高效傳遞，和智能配電網系統的運行發展相匹配。對于傳統的2G和3G技術而言，TDLTE由于引入了有關調制技術使得單位頻譜相應的傳輸效率得到了極大的提升，頻譜效率如圖3所示。

圖3 頻譜效率

與前幾代通信技術相比較，不難發現TD-LTE技術有較大的性能提升，處于20 MHz的頻段下其峰值速率的上行可達到60 Mbit/s，對應的下行速率可達到更驚人的120 Mbit/s。但是TD-LTE技術在電力行業應用發展的同時，也帶來了一個嚴重問題，隨著電力用戶基數的驟增，信息安全等問題也愈演愈烈，也是今后急需解決的課題。

4 結語

配電自動化系統中通信技術的優劣勢對于整個配電網運行的效益會產生重要的影響。本文根據當下常用的配電終端各種通信方式的優劣勢，提出一種基于TD-LTE技術的無線通信方式，解決了今后智能化網絡化云端大數據的電網建設發展需求。