基于泛在電力物聯網的電力TD-LTE無線專網的研究

王一妹，陳亞琨，李俊領

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000；2.河南送變電工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，我國的電力體制改革進程逐步加快，智能電網規模不斷擴大，配電自動化水平得到了進一步提升。在這一背景下，電力通信網絡的重要性不斷突顯。泛在電力物聯網的出現為電力業務數據信息的實時通信和可靠傳輸提供了保障。鑒于此，基于泛在電力物聯網構建電力TD-LTE無線專網，以此提高配電網的整體通信水平，保證各項電力業務高效開展。

1 電力TD-LTE無線專網中的關鍵技術

目前，電力TD-LTE無線專網（以下簡稱專網）采用230 MHz頻段，具有運行安全性和可靠性高、實時性強以及覆蓋范圍廣等特點，能夠實現音視頻和數據信息的雙向互傳。專網中的關鍵技術如下。

1.1 混合自動重傳請求

混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）歸屬于抗衰落和抗干擾技術的范疇，是前向糾錯編碼（Forward Error Correction，FEC）與自動重傳請求（Automatic Repeat Request，ARQ）兩項技術結合的產物。利用FEC在接收端對可糾正的錯誤進行糾正，經檢測找出無法糾正的錯誤數據包丟棄，隨后向發射端發送請求。接到請求后，發射端會重新發送相同的數據包。在專網中，HARQ的實現方式有兩種，一是軟合并（Chase Combine，CC），另一種是增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。

1.1.1 CC

通常情況下，HARQ為單純機制時，會直接將接收到的錯誤數據包做丟棄處理。錯誤的數據包雖然無法正確譯碼，但其中仍然含有一些有用信息。CC是充分利用這部分可用的信息，以臨時存儲的方式保存錯誤數據包，然后與重傳數據包合并后一起譯碼，以進一步提升傳輸效率。

1.1.2 IR

IR是在第一次傳輸時發送兩種不同類型的比特（一種為發送信息，另一種為部分冗余），然后在重傳時發送額外的冗余比特。若是首次解碼不成功，則可利用重傳降低編碼率，以大幅度提升解碼的成功率。

1.2 正交頻分復用

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）歸屬于多載波調制的范疇，也被稱為頻域多址技術。從現階段的通信情況來看，業務量呈現出持續增長的態勢。為確保各類業務的正常開展，必須不斷提升傳輸信號的帶寬。由于受到多徑效應的影響，碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的性能受限，但正交頻分多 址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的性能卻并未受到影響。因此，采用OFDMA能夠滿足帶寬增長的需求。OFDMA可在基站實現分組調度，可通過頻域調度的方法增加網絡帶寬。與OFDMA相比，SC-FDMA的峰均比更低，可顯著提升上行功放被終端利用的效率。OFMA系統的框架結構如圖1所示。與CDMA和TDMA相比，OFDMA的頻譜效率更高，借助頻域均衡，適用于復雜程度相對較低的接收機。

圖1 OFDM系統框架結構示意圖

1.3 動態資源分配

動態資源分配（Dynamic Resource Allocation，DRA）可為用戶分配控制打包的數據流，主要功能是選擇無線承載和管理調度資源。在包調度的過程中，需要重點考慮無線承載的服務質量（Quality of Service，QoS）要求。QoS是網絡的一種安全機制，能夠解決網絡延遲和網絡阻塞等問題。對于無時間限制的應用系統而言，基本上不需要QoS，但關鍵應用必須要有QoS。它能夠在網絡過載時保證重要業務不延遲和不被丟棄，可以使網絡保持高效運行狀態。專網在構建過程中采用了OFDMA，能夠使無線資源在頻域上靈活劃分若干子帶，并從時域上劃分多個時隙構成時頻二維資源，從而可按用戶的QoS等級完成動態調度，順利實現頻率分集。由于專網內用戶資源的使用并非完全正交，因此用戶間并不會出現干擾現象，大幅提升了網絡性能[1-2]。

1.4 載波聚合

載波聚合（Carrier Aggregation，CA）是LTE中的關鍵技術，主要作用是增加傳輸帶寬。CA能夠將不超過5個LTE成員載波聚合起來，實現100 MHz的傳輸帶寬，促使傳輸速率隨之提高。CA還支持連續與非連續的載波聚合，其中每個載波的最大可用資源為110個資源塊（Resource Block，RB）。近年來，隨著無線技術的不斷完善，它的應用量進一步增加。在這一背景下，想要獲得連續頻譜的難度越來越大，使較大帶寬的無線傳輸變得非常困難。CA技術的出現，為解決該問題提供了新途徑。CA技術在解決離散頻譜的高速傳輸問題方面具有良好的適用性，可大幅提升專網的數據傳輸速率，減少傳輸時延。

2 基于泛在電力物聯網的電力TD-LTE無線專網

2.1 泛在電力物聯網

泛在電力物聯網（Ubiquitous Electric Internet of Things，UEIOT）以電力系統作為立足點，圍繞其中不同的環節，運用人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術和移動互聯網（Mobile Internet）等，實現各個環節中物與物互聯和人與設備交互。光交叉連接是UEIOT的核心技術（簡稱OXC），是整個光網絡中的重要網絡設備，其中光分插復用裝置（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）是該技術的功能簡化[3-4]。OXC除了能夠完成光通道的交叉連接之外，還能實現本地上路/下路功能。光信號交換是OXC的核心，原理與電交換類似。OXC可以對物聯網（Internet of Things，IoT）的承載網絡進行優化。UEIOT為智慧服務系統，除了能夠全面感知狀態外，還能高效處理信息。UEIOT采用的是當前較為流行的分層架構體系，共分為感知層、網絡層、平臺層以及應用層4層。

2.1.1 感知層

在UEIOT中，感知層處于最底端。該層與電力系統中的設備、電力用戶的用電設備以及各種耗能組件相連。可以選用的數據信息采集方式有二維碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）以及傳感器3種方式。感知層能夠為上級提供較為全面的信息，從而實現區域的全面覆蓋。感知層可以獲取的數據種類如圖2所示。

圖2 感知層獲取的數據種類

2.1.2 網絡層

網絡層是UEIOT的重要組成部分，由骨干網、支撐網、業務網以及接入網構成，可通過專網接入。該層能夠為感知層與平臺層的數據信息傳輸提供通道，可收集整理感知層獲取的相關信息，并在分析后傳給平臺層。

2.1.3 平臺層

平臺層是UEIOT的核心層，處于網絡層與應用層中間，使UEIOT具有智慧性。平臺層由工作站、服務器以及光纖等部分組成，負責管理網絡層上傳的數據信息，并下達相關的運行指令。

2.1.4 應用層

應用層位于UEIOT的最頂端，主要負責監控和指揮，可將之看做是UEIOT的大腦。它能夠監控管轄范圍內的電網潮流等，從而提高電網的運行可靠性。

2.2 系統構成及重要指標

基于UEIOT的專網由演進分組核心網、基站、通信終端以及網管系統等構成。

2.2.1 核心網

核心網是專網的重要組成部分，具有數據信息加密處理、終端鑒定權限認證以及管理IP地址及移動性等功能。通過無線數據塊短間隔接口，可以直接接入電力骨干網絡，并與業務主站進行實時通信。按照性能可以將核心網細分為5大類，每類的容量指標如表1所示。

表1 核心網每一類的容量指標

2.2.2 基 站

基站是專網中的核心網元，主要由天線、射頻拉遠單元（Radio Remote Unit，RRU）以及基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）等構成。基站具備通信協議轉換、管理無線資源以及控制終端等功能。通過通信接口可以直接接入到電力同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）回傳網，從而實現與核心網的數據信息交互。基站的典型工作帶寬有500 kHz、1.0 MHz、5.0 MHz等，不同的工作帶寬上/下行峰值速率有所區別，如1.0 MHz的上/下行峰值速度分別為2.1 Mb/s和1.0 Mb/s。

2.2.3 通信終端

通信終端通過專用接口能夠與電力業務終端進行數據信息交互，由于是即插即用，因此可實現無縫連接。通信終端具有支持電力采集類業務數據上傳和控制相關信息的下發等功能。在專網中，通信終端有獨立式和嵌入式兩種基本形態，支持帶寬為25 kHz的離散CA。

2.2.4 網管系統

專網中，網管系統能夠對核心網、基站以及通信終端進行管理，如軟件管理和配置管理等，同時提供了地理信息系統（Geographic Information System，GIS）功能，經北向接口可以直接接入電力終端通信接入網。

2.3 安全防護

對于電力系統而言，網絡安全防護尤為重要。部分業務應當進行物理隔離，并對通信通道進行邏輯隔離。專網需要為電力系統中的不同業務提供通信通道。基于這一前提，必須采取有效措施有效防護網絡安全。經過研究，決定采用APN/VPN方式，實現不同電力業務的邏輯隔離。同時，針對內網邊界，采用安全接入和加密認證等措施，對網絡邊界進行隔離。

2.4 接入方案

根據國家電網公司提出的推進電力無線專網擴大試點的要求，在相關試點建設的基礎上進一步擴大試點范圍，構建了電力TD-LTE無線專用網絡。專網覆蓋的供電區域面積約為4 050 km2，可承載區域內90%以上的電力業務終端。目前，共計接入10類業務，其中較具代表性的有配電自動化、配電變壓器監測以及用電信息采集等。

2.4.1 配電自動化的接入

配電自動化是電力系統中最重要的業務之一，在提高供電可靠性和改善供電質量方面具有不可替代的作用。可以利用專網對配電自動化業務進行承載，并經由主站側的安全接入區，以安全可靠的方式接入專網的業務主站。可將配電與無線通信兩個終端連接到一起，利用空中接口直接接入專網的基站，并由基站將相關數據經傳輸網發送給專網的核心網。

2.4.2 用電信息采集

電力用戶在使用電能的過程中會產生相關的用電信息，通過采集部分信息，能夠為用電量分析提供依據。可以通過專網承載用電信息采集業務，以實現智能表采集信號的實時傳輸。

2.4.3 配電變壓器監測

在配電網中，配電變壓器是最重要的電氣設備之一。它的運行穩定與否，對整個配電網的運行具有直接影響。因此，需要實時監測配電變壓器，是掌握線路損耗、變壓器損耗、負荷率以及電能質量等參數的有效途徑。監測配電變壓器運行狀況，有助于提升管理效率。監測歸屬于數據信息采集類業務的范疇。配電變壓器監測業務接入專網的方案與用電信息采集的接入方案基本相同。

2.5 業務承載性能

2.5.1 通信性能

在測試專網的通信性能時，可將重點放在網絡基本性能、時延以及分組丟失率等方面。用各項測試所得的結果與系統標準要求進行對比，從而驗證專網的數據傳輸能力。經測試，專網接入的成功率為100%，分組丟失率為0%，不同業務類型的時延有所不同，但都達到標準要求，證明專網的通信性能良好。

2.5.2 覆蓋測試

在規劃的覆蓋區域內測試專網的覆蓋能力，結果表明，覆蓋率在96%～97%的站點比例為4.5%，在99%以上的站點比例為45.4%，沒有低于96%的情況，說明覆蓋率均超過95%，與相關規定要求相符。同時，專網的覆蓋半徑與理論值基本一致，表明專網的覆蓋性能良好。

3 結 論

綜上所述，泛在電力物聯網以其自身具備的強大功能，可使電力系統中各類設備之間的協作變得更加順暢，還能使人與電氣設備進行交互，有利于及時發現問題，保證系統穩定運行。因此，可基于泛在電力物聯網構建電力TD-LTE無線專網，從而確保配電業務傳輸的可靠性。未來應當加大電力TD-LTE無線專網相關技術的研究力度，除優化現有技術之外，還應開發一些新技術，從而使其更好地為電力通信服務。