面向配電網業務傳輸的TD-LTE專網性能測試與分析

楊貴

摘? ?要：無線通信是當前配電網通信的重要組成部分。首先分析了配電網各類業務對TD-LTE無線專網性能的需求，然后在TD-LTE無線專網實驗平臺上，測試了傳輸時延和時延抖動兩項網絡性能指標。實驗測試及分析結果表明，在正常業務量狀態下，TD-LTE無線專網可以滿足配電網業務傳輸要求，但在用戶過載或網絡擁塞時，則難以提供可靠的網絡通信服務。文章最后給出了保障配電網TD-LTE無線專網可靠性的幾點建議。

關鍵詞：分時長期演進;無線專網;電力系統通信;配電網

中圖分類號：TM769;TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

TD-LTE Specialized Network for Distribution Network

Service Transmission Performance Test and Analysis

YANG Gui

（NR Electric Co.，Ltd，Nanjing，Jiangsu 211102，China）

Abstract：Wireless communication is an important part of current distribution network communication. Firstly，this paper analyzes the demand of distribution network for TD-LTE wireless network performance，then on the experimental platform of TD-LTE wireless network，two performance indexes of transmission delay and delay jitter are tested. Experimental tests and analysis results show that TD-LTE wireless network can meet the transmission requirements of distribution network under normal business conditions，but it is difficult to provide reliable network communication services when users overload or network congestion. Finally，the paper gives some suggestions to ensure the reliability of the distribution network TD-LTE wireless network.

Key words：LTE;wireless special network;electricity system communications;distribution network

配電網信息化是我國智能電網建設的重要內容。近年來，信息通信技術的不斷發展為實現配電網信息化提供了關鍵技術支撐[1]。與輸電網不同，配電網具有設備數量大、種類多、分布廣等特點，而其相應的通信網絡呈現出通信點多、單點信息量小、覆蓋面廣等特征[2]。如果完全采用光纖通信來支撐滿足配電網各類業務的通信傳輸需求，不僅不經濟且工程實施困難。以光纖通信作為主干網，將無線通信作為光纖末端網絡補充的這種混合通信模式可滿足配電網各類業務的通信要求，已成為配電網通信的發展趨勢[3]。

近年來，以長期演進LTE為代表的無線通信技術得到快速發展。根據雙工方式的不同，LTE可分為分頻雙工FD-LTE和分時雙工TD-LTE。后者是我國通信產業界擁有自主知識產權、具有國際影響力的4G技術標準。考慮到產業鏈支撐、國家政策支持、發展潛力等因素，國家電網公司電力無線寬帶專網建設優先選用TD-LTE技術[4]。TD-LTE技術為采用時分復用的4G技術之一，無委會為行業用戶分配的1785 MHz-1805 MHz的頻帶要求采用的即為TD-LTE技術。隨著配電網信息化建設的不斷推進，TD-LTE通信技術已經越來越廣泛地應用于配電網通信系統，其所承載的配電網業務涵蓋配電網自動化、SCADA、負荷控制、自動抄表、狀態監測、負荷預測、監控視頻、運維以及應急通信等[5]。

針對TD-LTE無線網應用于配電網通信的相關問題，國內外學者已經開展了系列研究工作。例如，文獻[6]分析研究了TD-LTE無線網應用于配電網自動抄表業務的可行性;文獻[7-8]介紹了TD-LTE 230系統的關鍵技術及其在浙江海鹽電網的應用情況;文獻[9]利用基于射頻拉遠技術的電力無線專網通信構建了用電信息采集通信系統;文獻[10-11]結合智能配用電的業務需求，提出了以光纖通信為骨干接入、以TD-LTE無線通信為全域覆蓋的綜合通信系統解決方案。

為掌握TD-LTE無線專網在承載配電網各類業務時的網絡性能，須對TD-LTE專網進行實驗測試。從現有文獻資料看來，目前尚缺乏面向配電網業務的TD-LTE無線專網的性能測試分析數據。鑒于此，本文在分析配電網傳輸各類業務的通信需求的基礎上，實驗測試了TD-LTE無線專網的網絡時延、時延抖動等性能。進一步，結合實驗結果提出了保障TD-LTE無線專網業務可靠傳輸的幾點建議。

1? ?配電網無線通信技術需求

1.1? ?配電網業務要求

在電力通信網中，LTE無線通信專網主要服務于配電和用電業務系統，即以配電自動化、配電網檢修、用電信息采集為代表的各類配電網狀態監測業務。

配電網無線通信業務需求如下：

（1）對安全需求較高的業務，例如應急搶修業務，應當優先選擇無線專網承載，僅在專網不易覆蓋的地區，采用少量公網技術;

（2）對傳輸流量要求較高或對終端移動性要求較高的業務，如視頻監控業務、移動作業業務、移動辦公業務等，因無線公網具有網絡覆蓋方面的優勢，可借助無線公網實現業務支撐;

（3）對傳輸速率要求較小但終端規模較大的業務，如用電信息采集，可采用無線公網技術進行承載。

在配電網生產業務系統中，終端處的數據量一般在1k～10k數量級，匯聚處的數據量通常在100 k ～ 1 M數量級，目前主流的無線寬帶通信技術均能滿足帶寬要求。但是，生產業務所需要的實時性、可靠性、過程可管性等網絡性能，則只能通過無線專網實現。

1.2? ?配電網業務對TD-LTE性能需求

上述配電網無線通信業務需求可以分為高優先級業務和低優先級兩類。每類業務的帶寬以及時延要求如表1所示。高優先級業務主要用于快速隔離故障源，確保電網的安全穩定運行，例如配網差動保護業務通過線路兩端的電壓電流比較跳開故障線路，隔離故障，確保電網整體安全;負荷控制業務用于實時調控用戶負荷，確保供需平衡。在傳輸延時、傳輸誤碼無法保證情況下，會直接導致保護動作時間變長或保護退出，配電網將處于無保護狀態下工作，極大威脅配電網的安全運行。低優先級窄帶業務主要包括抄表業務、狀態監測和負荷預測，具有數據流量小，實時性要求低的特點，對于報文丟包等沒有嚴格要求，在通信質量下降情況下，抄表等業務的收集原始數據時間將變得更長，會出現丟幀和通信中斷等現象，但業務本身實時性要求不高，并不會帶來較嚴重得后果。低優先級寬帶業務主要包括視頻監控、移動運維、應急通信等，具有數據流量大，延時要求嚴格，但業務重要性不高的特點，在延時等不能滿足要求等情況下，視頻業務將出現卡頓，視頻不連續等，業務可用性無法得到保證。

需要說明的是，當配電網有保電任務時，所有范圍內的電力通信終端優先級應當提高。

2? ?配電網TD-LTE專網測試

配電網TD-LTE專網測試平臺主要包括基站模擬、終端模擬和核心網模擬，可以對各個設備進行包圍性測試，即可在測試基站時同時模擬終端和核心網。

2.1? ?多用戶業務時延及抖動分析

在進行多用戶業務（大于200個用戶終端）通信性能測試時，利用測試儀模擬用戶數逐漸增加對網絡性能的影響。在測試過程中，用戶數以10個/秒的速度增加到設置值。

配電網TD-LTE專網在承載多用戶業務時的時延和抖動測試結果如圖2、圖3和圖4所示。鑒于配電網業務主要涉及用戶端上行功能，這里只分析上行網絡性能。根據如圖2所示的測試曲線可知，當用戶數量逐漸增大時，整個業務系統的用戶端上行時延的最大值和平均值隨之增加，最大值達到1.024 s，平均值達到146.171 ms，系統重傳率約為10%左右。由圖3所示時延統計情況可知，時延區間主要集中在25-500 ms之間，其中時延在100-200 ms區間的可能性最大。從圖4所示的抖動測試結果可以看出，系統的時延抖動值最大達到4.598 s。

將圖2至圖4的測試結果與配電網業務對網絡性能需求（表1至表3）作對比可以發現，當用戶較少時，TD-LTE專網的時延滿足各項業務傳輸要求;隨著用戶數增加，網絡時延逐漸增大，當時延超過500 ms時，TD-LTE專網將不能保證配電自動化、SCADA、負荷控制、監控視頻、移動運維以及應急通信等業務的可靠傳輸。將導致配電自動化的保護功能無法及時跳開故障開關，同時無法及時下達遙控命令切除故障，存在生產事故隱患。

2.2? ?業務擁塞狀態下時延和抖動分析

在配電網TD-LTE專網中，由于目前未對配電網各項業務進行區分，當業務發送速率大于網絡線速時，整個系統將出現網絡擁塞現象，從而造成較大的時延，甚至出現丟包情況。

為測試配電網TD-LTE在業務擁塞狀態下的網絡性能，本文利用測試儀模擬多個用戶同時發送數據包，測試分析基站出現擁塞排隊狀態時的網絡性能。網絡時延、時延分布以及時延抖動的測試結果如圖5、圖6和圖7所示。從業務擁塞狀態下的測試結果可知，TD-LTE網絡的最大時延達到1.08 s，平均時延近400 ms，時延分布主要集中在200-500 ms區間，最大時延抖動為11.37 ms。可見，在TD-LTE專網出現業務擁塞時，網絡性能僅能滿足配電網自動抄表、狀態監測、負荷預測等低優先級窄帶業務需求，而其它業務則無法保證可靠傳輸。

由于面向配電網的TD-LTE專網的容量和業務性能的特點，當突發事件發生時，存在系統用戶并發傳輸，造成業務性能降低，增大了業務傳輸時延，增加了排隊等待時間。隨著用戶數的增長，業務輪詢周期增加，業務可靠性降低，重傳率升高。

2.3? ?提高TD-LTE無線專網可靠性的建議

TD-LTE無線通信技術已逐步應用于配電網業務傳輸，未來將成為配電網光纖末端通信的重要組成部分，承載多項配電網業務。為保證配電網TD-LTE無線專網的可靠性，須對TD-LTE專網進行合理地規劃和配置。針對TD-LTE專網傳輸配電網各項業務的實際應用需求，在規劃和配置網絡時的建議如下：

（1）在配電網TD-LTE專網建設時，應當充分考慮周圍環境干擾特性，并盡可能地排除通信干擾;

（2）在TD-LTE基站選址時，應在綜合評估用戶數量和業務類型的基礎上，科學地規劃基站地址以及基站分布;

（3）在TD-LTE專網運行時，應根據配電網不同業務類型的特點及其對網絡性能的需求，合理劃分不同業務的優先級;

（4）在TD-LTE基站及核心網設備配置時，應具備業務擁塞處理機制，保障擁塞狀態下高優先級業務的可靠傳輸。

3? ?結? ?論

TD-LTE無線通信技術應用于配電網的配電、用電以及運維等業務是提高配電網自動化、信息化水平的重要途徑。針對配電網各類業務對無線通信網絡的性能需求，實驗測試分析了TD-LTE無線專網的網絡時延和時延抖動這兩項主要網絡性能，并結合實驗結果給出了保障TD-LTE無線專網可靠承載配電網各項業務的幾點建議。給出的實驗測試數據以及網絡規劃配置改進建議可為配電網無線通信系統規劃與運行提供參考。

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