基于LTE-230MHz 无线专网的用电信息采集技术研究…

随着坚强智能电网建设的深入和全球能源互联网的发展要求，作为坚强智能电网重要环节之一的用电信息采集系统被赋予了新的、更高的技术和应用要求。现有用电信息采集系统所采用的通信技术类型多样，通信效果参差不齐，系统功能实用化效果也存在一定程度的差异，这对用电信息采集系统应用造成了一定影响。为了解决以上问题，文章提出了一种基于新型LTE-230MHz无线专网的用电信息采集技术以及系统解决方案。该方案充分运用新型LTE-230MHz无线专网的技术优势，可提升配用电专用无线通信的通信速率、系统容量、覆盖范围以及可靠性，为用电信息采集业务提供有力支撑。0引言随着坚强智能电网的不断发展，全球能源互联网作为智能电网的高级阶段，在业界形成了广泛的共识。全球能源互联网的特征是网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动。通过电网广泛互联，实现能源资源全球配置，各级电网协调发展，各类电源和用户灵活接入的坚强智能电网。顺应能源互联网的大趋势，国家电网公司“信息化、自动化、互动化”坚强智能电网建设稳步推进，极大促进了能源结构和利用效率不断完善，以满足未来电力应用的各种需求。用电信息采集系统是坚强智能电网建设用电环节的重要内容，为智能用电服务提供了业务支撑，成为坚强智能电网建设的重要基础之一。为了在智能电网与电力用户之间构建“电力流、信息流、业务流”实时互动的新型供用电关系，满足电力企业各层面、各专业对用电信息的新需求，迫切要求形成统一的技术标准和方案，全力推进用电信息采集系统建设。作为用电信息采集系统的业务传输载体，通信技术必须满足高可靠性、广域的覆盖性、恶劣环境的适应性等要求，并且要具备灵活的扩展性和互联互通性。而现有的用电信息采集系统所采用的通信技术类型多样，通信效果参差不齐，各单位使用的通信方式差异性较大，系统功能实用化效果也存在一定程度的差异。因此，智能用电业务的发展急需建设高性能、高可靠性和安全性的电力无线宽带通信系统。针对上述问题，根据目前无线宽带技术的发展状况，本文在现有研究成果的基础上，采用自研产品TDLTE230终端基带芯片，提出了基于LTE-230MHz电力无线专网的用电信息采集系统，设计出系统解决方案并进行试点应用。应用效果表明，LTE-230MHz电力无线基于电力专用230MHz频谱资源，采用频谱聚合技术，实现离散窄带宽带传输的目的，承载实现用电信息采集业务，提高了电力无线宽带通信系统服务智能电网的能力。1用电信息采集系统组成用电信息采集系统综合了计量、通信和自动控制等技术，能够及时采集分析电力用户的用电信息，实现数据采集、数据管理、电能质量数据统计、线损统计分析等功能，从而在技术上为实现阶梯电价、智能费控等营销业务策略奠定基础。用电信息采集系统主要由众多智能电能表与采集器、一部或多部集中器、本地/远程通信信道、主站及其他管理系统构成（见图1）。智能电能表是用电信息采集系统中最基本的计量和采集装置，具有高精度计量、数据采集、智能费控、用电基本信息存储、远程通信等功能。用电信息采集系统中，集中器是用电信息采集系统的关键设备之一。一方面，集中器通过本地信道与采集器或电能表进行本地通信，以获取并存储电力用户的用电数据信息；另一方面，集中器通过远程信道与主站进行数据信息和控制指令的交互，根据主站下达的指令，进行数据上报和控制指令下发。主站是以在局端的数据库系统为核心，负责整套用电采集子系统的数据采集任务，并进行各类用电数据等信息的集中存储、实时控制和在线分析。此外，主站提供相应接口，为营销管理系统等提供电费统计查询和管理、线损计算和分析等有力支撑。2用电信息采集系统通信需求与技术分析2.1用电信息采集系统通信需求作为智能电网的重要环节之一，全费控是用电信息采集系统建设的最终目标。通过建设和完善智能双向互动服务平台和相关技术支持系统，实现“电力流、信息流、业务流”的双向互动，全面提升电网公司双向互动用电服务能力。用电信息采集系统的通信业务需求见表1。用电信息采集系统的通信业务主要有实时抄表、线损管理及费控业务等。业务需求主要来自以下方面：1）自动化抄表业务。自动采集电力用户电能表的数据，获得电费结算所需的电能计量数据和其他信息。该业务要求较低的实时性，较高的安全性和可靠性。2）线损管理业务。目前主要负责采集各供电点和受电点的有功和无功的正/反向电能量数据以及供电网络拓扑数据。该业务数据量一般，对实时性和安全性要求一般，要求较高的采集可靠性。3）费控业务。目前有本地费控和远程费控两种形式。该业务数据量一般，对实时性和安全性要求较高，要求高可靠性。2.2用电信息采集系统通信技术分析作为用电信息采集系统的实现基础之一，通信技术主要有电力线载波通信、无线公网通信、LTE-230MHz无线通信以及光纤通信。每种通信技术均有优点和缺陷，表2对上述通信技术进行了对比分析。其中，电力线载波通信方式和3G/4G无线公网方式在性能上对用电信息采集业务需求的满足程度较低，而光通信方式和新型LTE-230MHz无线专网方式能较好地满足智能用电信息采集系统的业务需求特性。LTE-230MHz系统是工作在230MHz频段的无线宽带通信系统。该技术的优势在于采用的230MHz频段为电力行业专用无线通信频段，具有低频段、高速率、覆盖范围广等优势；与光通信方式相比，LTE-230MHz无线专网在建网和运维方面有着明显的成本优势。经过多方面的综合比较分析，LTE-230MHz系统具有明显的综合优势，在智能用配电领域具有良好的应用前景。3基于LTE-230MHz无线专网的用电信息采集系统3.1LTE-230MHz无线专网技术为了实现对上述用电信息采集通信业务的支持，本文提出了基于LTE-230MHz无线专网的用电信息采集系统技术方案。该系统的技术方案采用电力无线智能频谱感知、灵活载波聚合、轻型可重构电力无线通信系统协议栈以及基站横连协同组网等先进技术，具有优越的传输性能。LTE-230MHz无线宽带专网架构见图2。1）终端UE。LTE-230MHz系统的无线通信终端直接与行业终端通信，无缝连接，即插即用，实现业务数据的汇聚和上传、控制信息的下发等功能终端产品的种类、功能、物理接口多样化，根据业务传输数据量、制造成本、功耗、体积等不同需求，既可以提供高性能的CPE系列终端产品，又可以提供低成本小型化的LCM系列终端产品，二者均支持行业常用的UART接口和以太网接口。2）基站eNodeB。LTE-230MHz增强型无线基站eNodeB是LTE-230MHz系统无线宽带通信系统的重要组成部分，一端通过空中接口直接和终端连接，另一端通过S1接口和核心网EPC相连，完成空口与地面电路之间的信道转换与桥接，提供无线信号覆盖、终端无线接入控制等功能。3）核心网EPC。LTE-230MHz系统的核心网介于业务主站和无线接入网之间，负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等终端的网络管理，负责无线接入网与核心网间链路管理、以及业务数据的统一交换控制和传送，具有可靠性强、集成度高、交换能力大、处理延时短、接口标准化等特点，充分满足高数据带宽、高稳定性、易于升级和扩展的部署要求。4）网管eOMC。LTE-230MHz网管系统基于智能综合网管平台技术，提供对核心网、基站、终端设备的配置管理、故障管理、性能管理、日志管理、安全管理等功能，用于提高网络运维效率，最大程度地降低网络运营维护成本。该网管系统操作便捷，依据网络规模可以灵活部署和扩裁，同时遵循国际、国内通信网管标准，兼容通用的协议接口，便于与第三方系统对接融合。5）业务主站。行业主站，提供业务数据统计、查询、分析等功能，保证系统安全高效运行，并管理与其他系统的数据交换。3.2新型用电信息采集系统在LTE-230MHz无线专网技术的基础上，本文提出并设计了新型用电信息采集系统（见图3）。文章所提出的用电信息采集系统的采集对象包括所有电力用户，包括各类大中小型专变用户、各类380/220V供电的工商业用户和居民用户以及公用配变考核计量点。系统中所有采集计量终端将用电信息数据采集后通过新型LTE-230MHz电力无线专网的专用通道送到远端业务主站。业务主站的下发指令也通过新型LTE-230MHz网络传递到采集计量终端中，以控制电力采集计量终端的操作，实现安全可靠的双向通信。新型用电信息采集系统采用自研产品TD-LTE230终端基带芯片，开发了集中器等终端设备和基站设备的核心部分，用于实现电力业务数据的汇聚和上传以及控制信息的下发。该芯片集成了主频达400MHz的DSP处理器和高速本地存储器，可以快速高效的进行物理层数字信号处理以及MAC层协议解析；同时该芯片具有独立中频处理单元，支持中频数据信号处理以及MAC层协议解析；同时该芯片具有独立中频处理单元，支持中频数据信号的上下行混频、抽取、滤波等，可以自行完成中频信号的处理；芯片内部应用了高可靠性的片上集成eDRAM技术，大幅降低产品成本，提升板级调试和开发效率，保证了系统的高稳定性。为了保证该系统的先进性、高可靠性和高效性，该技术解决方案充分集合了频谱感知、载波聚合以及基站协同组网等前沿技术。1）频谱感知：基于认知无线电的智能频谱感知技术能够为电力无线专网提供一种经济、灵活、实用的通信接入手段，缓解部分地区智能用电通信业务因频谱资源不足导致无法通信的困难，进一步提高接入网的业务承载能力。2）载波聚合：载波聚合技术的优点在于载波聚合是直接聚合多个成员载波，不需要重新设计物理信道和调制编码方案。3）基站协同组网：基站协同组网技术是在没有核心网设备参与的条件下实现相邻基站之间的直接通信。横连协同组网的前提是实现核心网设备与基站设备的一体化。通过对上述先进技术的整合，文章所提出的基于LTE-230MHz无线专网的用电信息采集系统在复杂用电环境下具有较强适应能力和传输可靠性。4应用效果分析基于LTE-230MHz电力无线专网的用电信息采集系统技术方案见图4。LTE-230MHz无线专网能够迅速解决远程信道的信号全覆盖问题，利用230MHz频点的高衍射和穿透能力，保证全台区域内信号无盲点的全面覆盖。LTE-230MHz专网具有高带宽性能，带宽独享，满足实时在线、顺利解决抄收率低的问题，满足国网公司全采集要求。此外，LTE-230MHz系统传输可靠性高，时延小，满足远程全费控的传输需求。并且230MHz专网解决了公网业务重要优先等级不高的问题，无话务量潮汐现象，无网络阻塞，实现资源独享。在扩展性方面，网络拓扑灵活，可扩展性强，满足智能电网配用电业务、配网自动化业务的灵活接入。基于LTE-230MHz无线专网的用电信息采集系统的成功应用，取得了良好的价值和效益。1）业务承载力强，高速传输；支持长数据单帧、分帧发送；适于大型台区（500户以上）实时抄收多个数据项应用。2）大幅降低无线专网的建设和维护投入覆盖面积广，系统容量大，可大大降低单位面积的基站数量，大幅度降低专用网的建设投入，减少维护开销。3）为客户提供灵活、高效的无线传输方案。通过载波聚合、OFDM、上下行非对称配比等技术特性，更为合理和有效的利用频谱资源，大大提升频谱使用效率，在可用频谱资源有限的情况下，为行业应用提供灵活、高效的无线数据传输解决方案。4）为用户提供高安全、高可靠的解决方案设备可靠性强，稳定性好，安全性高，可广泛应用于各行业多领域，能大幅度提升无线通信业务的水平和质量，并为行业应用的拓展和演进提供更宽阔的空间。5）提供多业务集成解决方案，实现规模效应和投资收益最大化系统部署灵活易行，平台方案成熟通用，可结合实际通信需求，将不同业务集成到统一平台上，实现规模效应和投资收益最大化。6）环境适应性强：结合农村、城郊、城市等不同区域电网特点，具有更广泛的环境适应能力。5结语本文分析了用电信息采集系统对通信技术的需求，针