基于TD_LTE系统的智能配电网组网技术研究.docx

基于 TD LTE 系统的智能配电网组网技术研究智能电网是国内外电网技术发展的必然趋势，已成为 各国电网技术研究的重要内容，而智能配电网络的建设是 关键环节。从我国智能配电网的现状及需求来看，目前主 要问题在于通信接入层部分的网络建设。介绍了利用未来 无线通信技术分时长期演进 ( TD LTE，Time Division Long Term Evolution) 网络技术建设智能配电网络及使 用无线通信建设智能电网的关键技术，分析了 TD LTE 无线通信系统的性能及其优势，为智能电网的建设拓宽思 路，提供理论参考。沈 冬 / 上海市电力公司奉贤供电分公司 李锦鸿 / 北京邮电大学信息与通信工程学院智能电网是当今世界各国电力系统 发展 变 革 的 最 新 动 向， 它 以 发、 输、 变、配、用及调度等多个环节的电力供 应及电力通信系统为研究对象，不断引 入新型管理、控制和通信技术，朝着智 能化、信息化发展。电力通信系统作为 支撑智能电网建设的公共平台和重要手 段，始终贯穿于六大应用环节，是实施 配电自动化的基础，是智能电网发展的 一项关键技术。要实现数据和命令即 技术提供了新思路，加快了智能电网的建 设进程。目前对于使用无线网络承载智能 电网通信业务的研究较少，因此，将从利 用无线网络研究智能配电网的建设问题。配电通信网的现状及业务需求1. 配电通信网现状配电通信网是实现配电自动化和智能 电网的重要信息基础设施，是建设智能电 网的重要内容。配电网自动化业务主要包 括配电自动化、计量自动化、远程管理控 制和少量视频监控业务，满足配电网运行 监测、管理、控制和配电线路纵联保护等 功能。配电通信网主要与城市配电自动化系 统配套建设，由于缺乏统一的网络规划， 电力通信基础资源得不到有效利用。从目 前我国实施配电自动化通信系统总体发展 看1，东部沿海地区及发达城市开展情况 较好，覆盖率相对较高，光纤网络覆盖的 面积较大，建网施工相对容易，部分老旧小区、农村和城郊没有敷设电力通信光纤沈 冬 / 工程师关键词/ Keywords 智能配电网组网技术 无线通信 分时长期演进时、快速地传递都离不开稳定可靠的电力通信系统作为支撑。 经过多年建设，电力通信系统主干网络已基本实现传输媒介光纤化，业务 承载网络化，运行监视和管理自动化和 信息化。然而，作为骨干网接入层网络 的配电通信网，由于节点多、覆盖面广 以及建设难度大等原因，一直以来缺乏 适用的通信技术和建设模式，成为电力 通信系统发展的瓶颈，制约了智能配电 业务的应用。通过无线网络可以有效解 决有线传输介质部署难题，极大地丰富 了骨干网接入层技术，为智能电网接入网络，需要部署载波通信或无线通信网络 实现覆盖; 中、西部地区只有少量试点， 覆盖率较低。2. 配电通信业务需求根据上海市奉贤区的电力通信网发展 状况，35 kV 以上变电站已经基本完成光 纤到站的接入网建设，目前的主要工作在 于解决 10 kV 变电站的通信接入问题。根 据 配电自动化建设与改造标准化设计技 术规定，10 kV 通信接入网可采用光纤 专网、电力线通信和无线通信等多种通信 方式，并应同步考虑通信网络管理系统的36 电力电气2014 年第 33 卷第 1 期基于 TD LTE 系统的智能配电网组网技术研究Power System | 电力系统建设、扩容和改造，实现对配电通信系统的统一 管理。在利用无线公网方式通信时，应符合相关 安全防护和可靠性规定要求，采用可靠的安全隔 离和认证措施，支持用户优先级管理，并宜以专 线方式建立与运营商间高可靠性的网络连接。主 要通信指标如下表所示2。表 无线通信方式通信指标内容遥测越限由终端传递到主站 遥信变位由终端传递到主站指标 ( 时延) / s 30模拟量状态量 30，目前，3G 技术标准中规定，用户的语音、视 频和数据业务的时延最大均不能超过 10 s，可以 充分满足配电通信网的通信时延需求。TD LTE 网络的系统时延要求比 3G 网络更加高，用户从 开机到接入网络的控制面时延大约为 1. 5 s，而当 用户连接上网络后，数据的发送时延能够控制在 100 ms 以内，能够满足配电通信网的需求。配电通信网无线组网技术研究利用无线通信方式建设智能配电网，可以选 择专用网络及公用网络方式。由于配电网对通信 的性能及安全性要求较高，将研究运用集群通信 系统建立智能配电网的组网方案及关键技术。集群通信系统是为了满足行业用户指挥调度 需求而开发的、面向特定行业应用的专用无线通 信系统。其发展经过了三个阶段: 第一代集群系 统是模拟集群通信系统，目前市场上已经不再使 用。第二代集群系统是窄带数字集群通信系统 是当前国际、国内市场上应用最广泛的集群通信 系统3。由于技术限制，频谱利用率低，数据速 率较低，窄带数字集群通信系统难以满足配电网 通信需求。第三代集群系统是宽带数字集群通信 系统，其带宽大，支持的数据速率高。随着业务 种类的增多及对高数据速率的需求增大，部署宽 带数字集群通信系统是专用网络发展的必然趋势。 TD LTE 作为新一代宽带移动通信技术的代表， 具有广阔的发展前景。TD LTE 是我国自主创新推出的第四代移动 通信国际标准，从支持国家创新角度来看，TD LTE 的应用优势将大于其他无线通信制式。国家对于电网应用自主创新的 TD LTE 技术来发展智 能电网持积极支持态度。基于 TD LTE 技术体 制，定制开发满足智能电网应用的电力无线宽带 专网技术体制，无线频率申请容易获得国家批准， 并能有针对性地满足智能配电网的业务需求。因 此选择 TD LTE 集群通信系统作为智能配电网的 通信载体。1. TD LTE 配电通信网接入网架构配电网覆盖范围广，通信网应根据配电站的 分布进行网络规划，本方案拟采用 TD LTE 无线 公网与专网结合的方式搭建集群网络，以满足配 电网的通信需求。在电网设备较集中，用电管理 或监测频繁的地区，搭建 TD LTE 专用网络，保 障配电网络各业务的服务质量，保证通信的可靠 性，宏观的网络架构如图 1 所示。图 1 基于 TD LTE 的智能电网系统架构利用无线公网时，根据配电站所在区域或服 务用户的不同，将邻近的子站与终端划分在多个 无线虚拟专用网 ( Virtual Private Network，VPN) 中，利用与其他群体共享的网络基础设施组成虚 拟专网，向配电网提供一般专用网络所具有的功 能，通信架构如图 2 所示。2. 基于 TD LTE 的配电通信网关键技术( 1) 虚拟专用网络技术 虚拟专用网络技术实现是基于隧道传输技术。在 TD LTE 网络中使用隧道技术可以有两种方www. eage. com. cn2014 年 1 月上电力电气 37电力系统 | Power System图 2 TD LTE 智能电网通信架构式4: 自愿模式。即端到端的隧道模式，是由 用户发起到宿主网络端点的隧道。端到端模式需 要用户侧自己具备封装功能，宿主端具备解封装 能力，成本比较高。强制模式。也称基于网络 的隧道模式，是由用户连接到 TD LTE 核心网的 公共数据网关 ( P GW) ，由 P GW 根据用户归 属服务器 ( HSS) 中用户的签约信息建立 ( 或共 享) 隧道到宿主网络的端点，如图 2 所示。( 2) 快速连接建立 为解决快速连接，必须将信令流程进行改造，减少不必要的流程和协商，应尽量采用并行处理 方式，节省用户的接入时间。LTE 的用户面时延 低至 10 ms，使用 TD LTE 建立集群网络，单用 户的呼叫建立时延可以满足配电网的需求。配电网同时有对多终端的群组寻呼操作，此 时可使用 LTE 中的广播多播技术通知目标成员加 入组呼，符合条件的终端不需要与网络有信息交 互即可加入到组呼通信中，获取发起组呼用户所 要传递的信息，因此可以迅速地接到由控制台发 出的消息。( 3) 故障弱化故障弱化指基站与交换节点连接失效时，基 站仍能通信，但系统不提供全功能服务。当基站 转入故障弱化工作方式时，基站通过广播系统消 息通知小区内用户终端基站进入故障弱化工作方 式，该基站覆盖范围内的终端通过特殊的登记流 程向当前基站登记，使基站获得其覆盖区域内的38 电力电气2014 年第 33 卷第 1 期终端信息，并能为该基站服务区内的终端提供有 效的连接，保证未出现故障部分通信网络的正常 运行，维护变电子站与各配电终端之间的通信链 路。当基站监测到网络恢复正常工作时，基站自 动转入集群工作方式，同时广播系统消息通知该 范围内的用户终端转入集群工作方式，并将故障 状态时存储的信息传至管理控制平台。故障弱化 功能保证了变电子站与其在一个基站服务区内的 配电终端始终保持通信连接， 提高配电网的可 靠性。( 4) 脱网直通当基站节点失效时，变电子站与附近的配电 终端及邻近的配电终端间支持脱网直通方式进行 通信。变电子站与配电终端通过单跳或者多跳方 式组成无线 Mesh 网络，终端之间可以根据需要进 行通信，提高网络的抗毁能力。脱网直通方式需 要终端在同一频率上工作，并且能够作为中继节 点服务于其他终端，需要信令、协议的支持。( 5) 网络安全性根据电网配电自动化系统安全防护规定的要 求，采用 “网络隔离，身份认证，传输加密，权 限受控” 的措施来进行专网安全防护5，即将虚 拟专网数据与普通公网数据隔离，用户接入专网 需验证身份，并对网络中的数据进行加密，保证 数据安全性。LTE 制式标准中规定了先进的安全 机制，可以有效抵抗非法访问和网络攻击导致的 数据外泄和非法电力信号传输。基于 TD LTE 系统的智能配电网组网技术研究Power System | 电力系统使用 TD LTE 技术的优势TD LTE 是我国自主研发的面向未来的移动 通信新技术，其通信技术指标相比于更加成熟的 第二代、第三代移动通信技术有了大幅度的提升， 无线资源使用效率、通信的可靠性、安全性和网 络的容量及速率都有明显增强，可以充分满足未 来智能电网发展的需求，不仅可以作为当前阶段 快速建网的过渡技术，还能面向未来的智能用电 管理和智能抄表等智能电网 发 展 新 阶 段。 使 用 TD LTE技术作为智能电网接入网络技术，主要 有以下几个优势。1) 政策扶持。由于 TD LTE 标准是我国自 主研发的新一代无线通信标准，国家将更加青睐 于使用该技术进行无线网络部署，政策上存在鼓 励的倾向，有助于网络的快速搭建。同时，中国 通信运营商也在大力发展 TD LTE 网络技术，可 以充分利用这一发展契机，完成电力通信接入网 络的建设，加快智能电网发展进程。2) 带宽大幅度提升。当前有些地区的电力 通信网络使用 GPS 网络作为通信载体，传输配 电、用电网络的部分状态、监测信息。GPS 网 络作为第二代移动通信技术的代表，数据通信速 率最高可达 171. 2 Kbit / s，而 TD LTE 的网络在 20 MHz带宽下最高支 持 下 行 100 Mbit / s、 上 行50 Mbit / s的速率，与 GPS 网络的速度不可同日 而语。使用 TD LTE 网络将使电力通信网数据更 加快速地到达电力控制管理平台，并且可以支持 一部分的视频监控类业务，在一般情况下甚至可 以完全支持电力通信的 “三遥” 业务。3 ) 通 信 成 本 低， 建 设 时 间 短。 如 果 使 用 TD LTE公用网络，电力部门只需从移动运营商 处购买带宽，无须考虑网络的基础设施投资、建 设及运营维护问题。在配电终端加上支持无线通 信的模块之后即可立马上线智能电网业务，初期 投资成本低，但是长期运营需要向运营商缴纳管 道服务费用，可以作为一种过渡阶段使用的方案，加快智能电网的普及速度。如果使用TD LTE通 信专网，可以充分考虑配电终端的分布情况，根 据需求布设基站，相比于有线通信方式，建网难 度低、速度快，有利于智能电网业务的开展。电 力通信公司亦可自行控制基站及网络的运行，便 于管理及维护，长期的使用成本较低，可以作为 未来的建设方案。结束语配电通信网是实现电网智能化管理及配电业 务应用的重要支撑系统，需要因地制宜地采用差 异化的组网方案。从配电网发展现状及业务需求 出发，介绍了智能配电网当前存在着缺乏适用的 通信技术和建设模式，部分地区建设难度大，难 以普及等问题。提出了利用 TD LTE 技术建设智 能配电网的策略，并阐述了通过移动公网 VPN 的 组网架构，VPN、快速链接建立、故障弱化和脱 网直通等关键技术及 TD LTE 的发展优势，为智 能电网的发展提供参考。利用 TD LTE 技术建设实现电力通信网络接 入网，能够充分满足配、用电业务接入电力骨干 通信网及管理平台的需求，可以有效加快电网智 能化通信进程。参考文献1 辛培哲，李隽，王玉东，等 智能配、用电网通信 技术及组网方案 J 电力建设，2011，32 ( 1 ) : 22-262 国家电网公司 配电自动化建设与改造标准化设计 技术规定 S 北京: 中国电力出版社，20113 董 晓 鲁 我 国 数字集