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TD-LTE 电力无线宽带专网技术应用研究李文伟 1，陈宝仁 2，吴谦 1，赖木波 1（1. 深圳供电局有限公司 调度控制中心，广东 深圳 518020 ；2. 广东省电力设计研究院，广东 广州 510663）中图分类号：TN929.5文献标志码：B文章编号：1005-7641(2012)11-0082-060引言随着智能配电网的发展以及电网对于应急2）TD-LTE 采用时分双工（Test-Driven Develo-pment，TDD）模式，上下行使用同一频段，可有效 节省带宽资源，便于电网申请一段独立的频段；3）TD-LTE 上下行时隙子帧的配比可调，根 据用户的上下行数据比例要求，充分满足智能电 网业务“上行数据吞吐量大、下行数据吞吐量小” 的需求；4）TD-LTE 采用扁平化组网方案，减少网元 层次，有效降低了数据传输时延，满足后续用户在 控制命令、实时视频回传等方面的应用。因此，基于 TD-LTE 技术体制，结合电力无线 宽带专网技术需求，定制开发适合电力智能配电 网业务应用和应急通信的电力无线宽带专网，能 有效推动、促进智能电网的发展。通信的需求，新一代无线宽带技术在配电网中的应用成为目前电力系统通信研究的热点。分时 长期演 进（Time Division Long Term Evolution， TD-LTE）是目前主流的无线宽带技术，电力配电 网中采用 TD-LTE 技术体制建设电力无线宽带专 网，将是未来配电网通信的重要方式。因此，研究TD-LTE 电力无线宽带专网技术在电网中的应用 具有重要意义。1TD-LTE在电网中的应用优势TD-LTE 是具备中国自主知识产权的新一 代无线宽带技术，采用了多种先进的无线通信技术，如正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多输入多输出技 术（Multi-Input Multi-Output，MIMO）、多通道智 能天线技术等，有效提升了数据吞吐率、覆盖范围 以及用户在线数量。基于 TD-LTE 的无线电网专网解决方案的主 要应用优势如下：1）数据吞吐率及频谱利用效率高，在带宽资 源受限情况下，能满足电网用户对数据业务的速 率要求；22.1电力无线专网关键问题研究配网业务承载能力电网业务根据其功能属性，可分为保护类、控制类（遥控）、信息监测类（遥信、遥测）、视频类（遥视）、市场营销类。不同属性业务的特性见表 1 所列。 根据以上业务属性，保护类、控制类业务必须采用专用的电力通信专网；信息监测类、视频监测 类、市场营销类业务应优先采用电力通信专网，在 电力通信专网暂无网络覆盖的区域，可选择租用 公用通信网络。摘要：为了充分掌握 TD-LTE 在电网中的应用特性，文章通过对 TD-LTE 在电力无线宽带专网重点应用优势，以及 TD-LTE 电力无线宽带专网的业务承载能力、网络安全性、无线覆盖、时延 性能、数据吞吐量、用户容量、业务 QoS 管理等关键问题进行分析，提出了基于 TD-LTE 技术体 制建设电力无线宽带专网，应用中应开展覆盖优化、无线终端管理、终端接口标准化等工作。 关键词：TD-LTE；无线宽带；技术体制表 1 不同属性业务的特性Tab.1 Characteristics of different service2.2网络安全性无线通信网络在空间中传播，信息安全成为 电力无线宽带转电力无线网络的主要问题。安全 威胁的主要来源包括：电力信息业务及用户隐私的关键信息外 泄；非法电力控制信号下 发；外界因素导致的网络受损。面对以上网络安全威胁，需要为电力无线专 网引入更先进的安全机制来规避风险，并配备足 够周全的安全策略来应对风险。TD-LTE 采用当 前最先进的安全机制，其独特的双层安全架构和 流程，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。特别在无线用户 认证方面，TD-LTE 采用 128 位密钥长度算法和 双向认证机制，可有效提高网络用户的接入安全 性，解决伪基站欺骗问题。2.3无线覆盖根据南方电网供电区域规划导则，A 类供电3较高数秒级 一般 几 kbit/s一般Mbit/s5高数秒级 一般 几 kbit/s一般每种具体业务可能具有 1 种或多种属性。智能电网业务属性及无线承载适应性见表 2 所列。表 2 智能电网业务属性及无线承载适应性Tab.2 Radio bearer adaptability and attributes of smart grid service区规划 110 kV 变电站供电范围宜按 34 km2 考虑，业务名称监测信是否B 类宜按 46 km2 考虑，C 类宜按 69 km2 考虑，D类宜按 916 km2 考虑。针对当前 TD-LTE 系统，采用 230，700，1 400，1 800 MHz 频率结果进行仿真。TD-LTE 不同频率覆盖仿真典型结果见表 3 所列。由表 3 可知，在每个变电站上建设一个无线 宽带基站，230，700，1 400 MHz 频段基本能满足全覆盖需 求，1 800 MHz 频率的上行覆盖受 限，覆盖范围小于单个变电站的供电范围。因此，在考虑采用 230，700，1 400 MHz 频段的基础 上，表 3 TD-LTE 不同频率覆盖仿真典型结果Typical coverage simulation results of TD-LTE with different frequencyTab.3参数具体参数值环境密集城区一般城区频率/MHz2307001 4001 8002307001 4001 800速率配比13 13 13 13 13 13 13 13 上行最小速率/kbits-12020202020202020下行最小速率/kbits-12020202020202020频率带宽/MHz1010101010101010基站高度 /m3030303030303030基站天线增益 /dBi1818181818181818终端高度 /m终端增益 /dBi36.536.536.536.536.536.536.536.5下行最大覆盖距离/km4.902.511.391.087.334.712.62.02上行最大覆盖距离/km2.751.410.980.765.12.641.831.421）LTE 上行速率受限，因此以上行最大覆盖距离决定小区实际覆盖距离2）仿真参数设置采用典型值，因此实际覆盖结果因厂家设备参数不同，结果也不同备注序 号信息 无线通 保护 控制 视频 市场类 类 类 营销类 适合1配网自动化 适合2配网纵联保护 适合3配电网视频监控 适合4设备运行状态监测 适合5分布式能源站控制 适合 适合6微网控制管理7计量自动化 适合8家庭用电智能管理 适合9电动汽车充电桩管理 适合序 业务 安全性 时延 路由 单点带 通信失效对号 属性 要求 要求 要求 宽要求 电网的影响1 保护类 极高 1012 ms 严格 2 Mbit/s严重2 控制类 极高 秒级以下 严格 几 kbit/s严重信息监测类124 视频类 较高 数秒级 一般 一般市场营销类电网公司建设无线通信具有天然的资源优势，在110 kV 及以上变电站和一些供电局、供电所等自 有物业上，各建设一套天线高度达到 30 m 的无线 基站，网络覆盖能满足配电网通信的需求。2.4 时延性能TD-LTE 网络基于扁平化网络结构，该结构有 利于简化网络，有效减少信令在不同层级网元的 传递，从而降低时延对配网业务的影响。为使用 户获得“always online”体验，TD-LTE 网络的时 延要求通常定义为毫秒级，完全能够满足电力专 网各项业务对时延的要求。实际上，从用户面时延分析单向时延从无线 终端发起到核心网整个过程的时间消耗，以配网 终端上报实时数据为例进行说明，配网终端在完 成数据上传至无线终端 后，数据将经过终端调 制、空口传输、基站解调以及核心网处理等不同 步骤，最终达到电力主控机房设备，同时考虑到 数据传输过程中可能存在的误码重传等情况，在 整个配网数据传输过程中，用户面时延可控制在1020 ms 范围内，端到端时延50 ms，与其他无 线网络制式比较，存在较大的应用优势。2.5 数据吞吐量配电自动化业务每个变电站汇集计算带宽流量 约为 803 kbit/s；此外，包括计量自动化（低压集抄、 配变监测、大客户负荷管理）、电动汽车充电桩、分布 式能源站点、部分重要开关站 / 配电站视频监控等 业务，每个变电站应满足 210 Mbit/s 以上带宽。LTE 具有高传输速率、高传输质量和高移动 性的特性，改进并增强了 3G 的空中接入技术，采 用 OFDM 和 MIMO 技术作为其无线网络演进的 唯一标准。TD-LTE 网络峰值速率见表 4 所列。由表 4 可知，当有效带宽为 10 MHz 时，LTE网络的最大数据吞吐量可达到 50 Mbit/s（时隙比3 1 或 7 2 时），但考虑到峰值吞吐率是根据上 下行子帧配比的极端情况计算得到，以 10 MHz 带宽密集城区组网条件为 例，在双发双收且上 下行子帧配比为 2 2 条件下，平均数据速率为17.1 Mbit/s，完全能满足智能电网现有及将来可 能的业务扩展。如带宽变更为 5 MHz，LTE 峰值 速率为 27 Mbit/s（时隙比 7 2），平均速率约为 9 Mbit/s，虽也可满足现有业务开展所需的速率要 求，但对后续的业务扩展会造成一定约束。表 4Tab.4TD-LTE 网络峰值速率TD-LTE network peak rate-1峰值速率 /Mbits带宽 /MHz子帧配比（DL UL）2T2R/4T4RULDL1 37.490 8810.274 882 24.993 9216.146 243 12.496 9622.017 6056 33.745 4419.815 847 22.496 9622.751 528 11.248 4825.687 203 56.242 4011.008 801 314.981 7620.639 362 29.987 8432.433 283 14.993 9244.227 20106 37.490 8839.804 487 24.993 9245.701 448 12.496 9651.598 403 512.484 8022.113 602.6用户容量智能配电网业务终端主要包括 10 kV 开关 站、配电室、环网单元、柱上开关、配电变压器、分布式能源站 点、电动汽车充电 桩、10 kV 配电线 路、电缆等。10 kV 通信接入网作为电力通信网 接入层公共平台，主要承载配电自动化、电动汽车 充电站、计量自动化（用电信息采集系统）远程通 信。一般市区 1 个 110 kV 变电站可以向约 20 条10 kV 馈线供电，每条馈线带的开关房/ 综合房、公 变房等按平均 10 个估算，因此，每个变电站约有200 个 10 kV 节点用户。 调度用户数可认为是在无线网络环境中同时进行数据业务的用户数，调度用户数的多少直接 反应了无线网络中用户容量以及对用户业务的支 撑能力，经过业务模型分析，TD-LTE 在 10 MHz 带宽下，单站可满足电网 200 个以上的用户同时 进行数据业务，统计在线用户数达到 1 000 个以 上，有效提高了用户同时办理业务的效率，保证了 在极端场景下（信令风暴及数据浪涌），电网设备 的安全性及可靠性。2.7 业务 QoS 管理在 3GPP 23.203 协议中，LTE/ 演进分组系统（Evolved Packet System，EPS）是端到端的服务 质 量（Quality of Service，QoS），与通用移动通 信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）不同，不需要进行 QoS 的协商。 策略与计费规则功能（Policy and Charging RulesFunction，PCRF）中保存了 QoS 的策略，当无线 终端发送业务请求消息，或 PDN 连接建立消息 时，PCRF 根据业务的类型检查之前保存的 QoS 策略，根据业务需要的 QoS 和 PCRF 为用户保存 的 QoS 策略，选择为无线终端建立专用承载；当 不需要为终端建立专用承载时，数据的传输只需 缺省承载即可完成。LTE 的 QoS 通过不同的 QoS 类别标识（QoSClass Identifier，QCI）指示不同的业务 QoS 要求， 由于数据业务请求均需在核心网创建相应承载， 可认为不同的数据业务对应的 QCI 指示也不同。 电网应用中，不同数据业务可以有不同的业务承 载 QCI 指 示，并可以通过 QCI 指示建立保证比 特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）和不保证比 特速率（Non-Guaranteed Bit Rate，NON-GBR）承 载业务。GBR 业务为保障带宽业务，其优先级高 于 NON-GBR 业务，因此，当终端正在进行 NON-GBR 的低优先级业务时，如果临时产生高优先级 业务，将根据 PCRF 配置原则建立 GBR 承载，并 抢占 NON-GBR 承载业务，以保证高优先级业务 可获得更多系统资源满足业务要求。般建议无线终端发射功率在 30 dBm 左右，并可进行动态功率控制。3）提高终端天线高度并至于室外。终端天线 越高，空间传播距离越远，宜尽量提高终端天线高 度，并至于室外，减少配电柜、开关房等对无线信 号的衰耗。4）增大终端天线发射增益。天线增益越大、覆盖距离越远。增大天线增益的方式主要有 2种：增大天线的尺寸（面积、高度），提高天线的 有效接收面积，但受终端安装条件的制约，一般天 线尺寸受限，应结合覆盖范围需要，因地制宜地选 择相应尺寸的天线；采用多天线分集接收，如 MIMO、智能天线等新的天线技术，有效提高天线综合增益；根据电力无线宽带专网上行业务量多、下行业务量小的特点，终端可采用双发单收或双发双收的方式，提高终端天线发射增益。5）提高基站接收机灵敏度。基站接收机灵 敏度越高，覆盖范围越大。提高基站接收机灵敏 度的方法包括：提高基站天线接收增益，采用 MIMO 技术，如 2T2R 或 4T4R 方式；提高基站 接收机的解调能力，即在更低的信噪比下，有效解 调所接收到的信号；降低基站馈线损耗（可同时 提高下行覆盖范围），目前常用的方法是室内基带 处理单 元（Building Base band Unit，BBU）+ 射频拉远模块（Radio Remote Unit，RRU）的方式，3 电力无线专网网络优化3.1覆盖优化电力无线宽带专网基站受站点数量、位置等 制约，能否有效提高电力无线宽带专网的无线覆 盖范围是电力无线宽带专网能否得到有效推广的 最关键技术问题。移动通信的覆盖包括下行覆盖 和上行覆盖 2 方面。在智能配电网应用中，配网 自动化、配变监测、负荷管理、低压集抄、视频监控 等业务主要以上行业务为主，因此，上行覆盖是电 力无线宽带专网覆盖的瓶颈。电力无线宽带专网 上行覆盖范围的提高，一般可采用以下方法。1）申请更低的终端发射频率。频率越低，空 间传播损耗越小，无线覆盖范围远，宜尽量申请1 GHz 以下的无线频率。2）提高终端发射功率。终端发射功率越大， 覆盖距离越远，但功耗越大、功放成本增大，宜充 分考虑功耗、成本、无线覆盖等因素综合考虑，一减少基站收发信机与天线的距离，从而减少馈线损耗。3.2无线终端监控管理电力无线专网基于数据传输层面，通过无线 传输进行承载。因此，电力监控人员需要同时面 对 2 类设备：无线通信网络设备和配网业务系统 及终端设备。这造成了在配网业务终端数据无法 上报的情况下，监控人员无法及时判定是无线通 信网络故障还是配网业务终端设备故障。无线终 端监控管理系统可对无线通信网络设备进行远程 监控，帮助用户进行快速故障定位。3.3终端接口标准化现有的 TD-LTE 终端设备包括室内 CPE、室外 CPE、Mini PCIe、USB Dongle 无线数据模 块，可适配电力应用场景下的不同接口类型，如 RJ45、Wi-Fi 无线接口、Mini PCIe 接口、USB 接 口。其中各产品选择方案如下。1）CPE 选择方案。用户终端设备可分为室外型、室内型，分别适用于恶劣室外环境及室内环境， 可通过 RJ45 接口、或 Wi-Fi 接口和配网自动化等 业务终端进行连接，支持 PoE 及外部电源供电，可 通过 TDD-LTE 1.8G 无线网络传输电网业务数据。2）Mini PCIe 选择方案。无线数据模块可通 过标准化 MiniPCIe 接口内嵌到计量终端设备，形 成一体化的计量终端、通信设备，承载相应的计量 业务，能有效降低设备故障率、建设无线终端设备 维护工作量等优势。3）USB Dongle 选择方案。USB 接口的数据 卡可通过 USB 进行 LTE 无线数据传输，由于此款 产品定为用户普通消费类产品，只能用于电网用 户的办公应用。on marketing automation network based on McWiLLJ. Communications for Electric Power System, 2009,30(10): 1821.4 王勇, 杨俊权, 陈宝仁, 等. McWiLL 无线宽带接入系统 测试及其在中低压配电网通信中的应用J. 南方电网 技术, 2009, 3(6): 5659.WANG Yong, YANG Jun-quan, CHEN Bao-ren, et al. The test of McWiLL wireless broadband access system and its communication application in middle and low voltage power distribution networkJ. Southern Power System Technology, 2009, 3(6): 5659.5 陈蕾. WiMAX 技术及其在电力系统通信中的应用J.电力系统通信, 2007, 28(7): 4648.CHEN Lei. WiMAX and its applications in power communication systemJ. Communications for Electric Power System, 2007, 28(7): 4648.6 黄盛. 智能配电网通信业务需求分析及技术方案J. 电力系统通信, 2010, 31(6): 1012.HUANG Sheng. Analysis on the demand for communication services in smart distribution networkand communication technical schemeJ. Communications for Electric Power System, 2010, 31(6): 1012.7 陈运生, 付暾. 无线宽带接入技术在配用电通信网中的应用J. 电力系统通信, 2010, 31(6): 1317.CHEN Yun-sheng, FU Tun. Application of wireless broadband access technology inpower distribution and utilization networkJ. Communications for Electric Power System, 2010, 31(6): 1317.8 雷煜卿, 李建岐, 侯宝素. 面向智能电网的配用电通信网络研究J. 电网技术, 2011, 35(12): 1419.LEI Yu-qing, LI Jian-qi, HOU Bao-su. Power distribution and utilization communication network for smart gridJ. Power System Technology, 2011, 35(12): 1419.4结语目前，智能电网建设已成为国内电力行业的重点发展项目。作为 TD-SCDMA 的演进技术，新一代宽带移动通信技术 TD-LTE 增强型已成功被国际 电信联盟确定为全球 4G 标准，是当前 2 种主流的4G 标准之一。TD-LTE 电力无线宽带专网的建设， 将有力地促进智能电网的发展，同时可以加快 TD- LTE 产业链发展，增强其在 4G 领域的竞争能力。参考文献1 韦磊, 蔡斌, 韩际晖, 等.“十二五”期间10 kV通信接入 网建设探讨J. 电力系统通信, 2011, 32(5): 8388.WEI Lei, CAI Bin, HAN Ji-hui, et al. Discussion on the construction of 10 kV communication access systems in the“12th Five-Year Plan”periodJ. Telecommunications for Electric Power System, 2011, 32(5): 8388.2 孙毅, 龚钢军, 许刚. McwiLL 宽带无线技术在辽宁电力 示范网的应用J. 电力系统保护与控制, 2010, 38(20):201204.SUN Yi, GONG Gang-jun, XU Gang. Application in the demonstration network of Liaoning provincial power company based on McWiLL broadband wireless access technologyJ. Power System Protection and Control,2010, 38(20): 201204.3 张宝华, 赵琳, 孙毅. 基于 McWiLL 的营销自动化网络 安全分析J. 电力系统通信, 2009, 30(10): 1821. ZHANG Bao-hua, ZHAO Lin, SUN Yi. Security analysis李文伟（1977），男，广东潮州人，高级工程师，从事电力系统调度与管理工作。 陈宝仁（1979），男，江西上饶人，工程师，从事电力系统通信设计、研究工作。 吴谦（1971），男，江西宜春人，高级工程师，从事电力系统调度与管理工作。 赖木波（1971），男，广东河源人，高级工程师，从事电力系统调度与管理工作。（收稿日期：2012-09-14 ；修回日期：2012-10-16）（编辑：李蕊）Applied Research of TD-LTE Power Wireless Broadband Private NetworkLI Wen-wei1, CHEN Bao-ren2, WU Qian1, LAI Mu-bo1( 1. Power Dispatching and Control Center, Shenzhen Power Supply Bureau, Shenzhen 510623, China;2. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China )Abstract: In order to understand the application characteristics of TD-LTE in power grid system. Through analyzing theapplication advantages of TD-LTE in power communication network, and the business carrying capacity, network security, wireless coverage, delay performance, data t