LTE230系统在智能电网中的应用

张瀚峰 闫淑辉 杨元漪 冯世英

（普天信息技术有限公司，北京 100080）

通信网络是智能电网的神经系统，是智能电网的基石。电力通信网可分为骨干网和接入网两大部分，电力通信骨干网目前以光缆为主流传输介质，采用在同步数字传送网（SDH）基础上引入光传送网（OTN）技术，逐步形成OTN与SDH联合组网模式；电力通信接入网定位为骨干网的延伸，实现最后一到数十公里的延伸覆盖。

经过多年建设国家电网已经建立了一张具有相当规模的光纤通信网络，该网络已经全面覆盖国家电网的调度控制中心、管理营销机构、110kv及以上高电压等级发输电网络。该网络在坚强智能电网建设中起了巨大作用。

光纤通信在110kV及以上的骨干通信网络游刃有余，但是面对点多面广、环境复杂的35kV及以下中低压配用电通信网络还有待提高。因此引入了宽带无线通信技术对光纤通信进行补充，构建高速、可靠、灵活的电力通信接入网，是解决配用电侧全覆盖、全采集发展目标的必然选择，在智能电网中发挥着越来越不可替代的作用。

基于电网230MHz专用频段，结合第四代移动通信TD-LTE先进技术的新一代电力无线通信系统为“坚强智能电网”提供优质的通信保障，已成为电力通信的必然选择。该系统兼具信息安全性高、信息传输带宽高、系统可靠性高、维护方便性好、网络扩展能力强、业务适应性强等特点。

1 系统组成

本文提出TD-LTE230系统是为电力行业量身打造的宽带无线接入系统。系统集成第四代移动通信LTE网络架构的全部优点，并结合电力应用需求，利用载波聚合技术，将230MHz频段离散的窄带频点资源进行统一整合形成宽带资源以满足行业应用。同时，该系统引入了OFDM、高阶调制、高效编码等新技术，一方面提高了频谱效率，另一方面使系统具有优越的解调性能，提升了系统的抗干扰能力，从而保证了与数传电台系统在230MHz频段的共存。该系统能够支持包括用电信息采集、配电自动化、专变负控采集、视频传输等电力业务，并能根据电力用户需求不断进行改进与定制。

LTE230 系统主要由无线终端UE、无线基站eNodeB、核心网EPC及网管eOMC构成。具体参见图1。

图1 LTE230 系统图

1）无线终端UE

LTE230系统的无线终端模块，直接与集中器、负控终端、配电自动化终端等电力终端设备通信。终端与监控单元能够无缝连接，即插即用。

2）无线基站eNodeB

LTE230系统的无线基站，能够接入多路用户。包括固定基站以及移动基站（车载）。每个基站单个扇区最多可接入2000个电力数据用户。

3）无线核心网EPC

LTE230系统的核心网，负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等，直接连接智能电网主站。通过核心网，电力终端能够完成数据采集、视频监控、调度指挥、应急抢险等功能。

4）网管eOMC

LTE230系统的网络管理单元。主要包括两部分内容：网络状态监控和设备运维。该中心支持对现存的电力信息管理进行融合，并能利用各种多媒体手段，GIS技术，完成统一集成的多媒体调度指挥系统。

2 系统特点

1）覆盖广、信号绕射能力强：密集城区覆盖3km，乡村30km。

2）安全性高：遵循LTE规范，实现3GPP最严格的加密鉴权机制，支持IP地址过滤与用户数据协议过滤。

3）数据传输稳定：支持Turbo信道编码、HARQ、AMC等先进物理层技术保证数据传输可靠。

4）设备可靠性高：设计过程中及进行了大量的高可靠性设计考虑，并在产品开发完成后进行了各种可靠性验证。

5）可维护性强：操作维护中心OMC可实现对LTE230网络中的EPC、eNodeB、UE进行集中统一的管理，可以远程、实时地对网元设备和网络实现配置管理、拓扑管理、故障管理、性能管理、报表管理、软件管理、日志管理和安全管理。

6）可扩展性强：全IP网络架构、支持软件无线电技术。

7）深度定制：上行为主、支持QOS设定、实时性强、终端产品丰富。

3 基于LTE230 系统的配用电自动化解决方案

目前电力网中配电和用电环节，存在网络拓扑复杂、变化快、终端节点数量和种类多、空间分布广等实际情况，且不同配用电业务之间对信息传输的要求不尽相同。配用电网的区域差异和业务的多样性决定配用电通信网需要采取多种通信体制，建立以光纤为骨干网、无线通信网作为全覆盖接入的组网模式。

随着智能电网的发展，配用电业务对通信网的可靠性、传输容量、接入灵活性等方面均提出了新的要求。同时配用环节具有用电信息采集、配电自动化、新能源接入等多种智能电网业务双向通信的需求。而构建LTE230电力无线宽带通信系统可以较好地解决智能电网配用电业务的要求。

图2 基于LTE230 系统的配电自动化解决方案图

LTE230终端可以根据电力业务需要，安装连接专变负控采集终端或者配电自动化终端。通过230MHz无线链路接入到LTE230基站。LTE230基站可以建设在变电站的楼顶，利用现有电网的光纤资源接入到电力大楼。而LTE230的核心网及网管部署在电力大楼并与电力主站系统对接，可实现区域内所有LTE230基站及终端的管理和控制，如图2所示。

配用电自动化终端的数据通过LTE230系统的专用通道送到远端监控主站系统，监控主站的下发指令也通过LTE230网络传递到配用电自动化终端中，以控制配用电自动化终端的操作，实现安全可靠的双向通信。

LTE230电力无线宽带通信系统提供在农村地区超过30公里半径的覆盖，支持最大2000个电力业务终端同时在线，以及最高达 14.96Mbps 的上行无线传输链路，具备优先级设置功能，能按需分配业务带宽，较好地满足各类型配用电业务顺利开展对通信通道的要求，保障了业务可靠性、实时性、安全性。LTE230电力无线宽带通信网络建设速度快，即可较好的实现专变负控终端或者集中器的用电信息数据采集的通信接入；也可较好地覆盖开闭所、环网柜、柱上开关等配电设备，实现配电自动化终端的通信接入。

4 基于光纤到台区的微基站解决方案

目前，部分电力公司的光缆线路已经铺设到配电台区，台区的业务数据通过EPON接入电网数据控制中心，但是从集中器到台区的通信尚未解决。如果继续使用光纤通信，则光缆线路建设施工周期长、建设路径组织困难、施工难度大，而通过基于LTE230无线通信方式解决，则容易施工，并且可以降低成本。

基于LTE230电力无线宽带通信系统的台区无线通信数据采集方案，通过在每个配电台区安装小型、简易化的LTE230基站来实现，同时在电力数据中心机房需要部署一套LTE 230核心网（EPC）系统，管理和维护其管辖区域内的所有基站及终端设备。台区无线数据采集系统连接图如3所示。

图3 基于光纤到台区的微基站解决方案图

该方案是利用在台区变压器附件架设1个小型基站，然后连接到台区已有的光纤接入点，实现对台区变压器1km范围内的电力采集终端用户的无线覆盖，完成区域内终端设备数据的采集。供电方式是利用台区已有的220V/380V电压，通过AC/DC转换模块产生基站所需的-48V直流电压。

该方案综合了光纤和无线通信的优势，利用宽带无线技术解决了光纤“最后1km”的部署难题；同时通过光纤网络延长无线信号的传播距离，提升了电力无线接入网的带宽。

5 地下室覆盖解决方案

由于现有电力终端多数安装在居民小区、大型写字楼或者商场内部或者地下室，电力无线网络难以覆盖，目前，往往采用终端天线拉远或者终端拉远方式进行解决，但该方案存在拉远距离远，施工量大，物业协调困难等问题。

LTE230系统在采用终端天线拉远技术实现地下室覆盖的同时创新性的结合基于470MHz的近距离无线增强系统，混合组网构建了基于LTE230的电力地下室无线覆盖解决方案，如图4所示。该方案远距离传输采用基于230MHz的LTE技术，近距离传输采用基于470MHz的ZigBee无线技术，支持自组网技术，可以支持多跳传输，组网非常灵活，且系统功耗较低。很好解决了LTE230电力无线网络在大面积覆盖时地下室覆盖阴影区域多的难题。

图4 地下室覆盖解决方案图

该方案在接入网侧由LTE230基站、核心网及网管构成。在地下室侧如果墙体的信号衰减小，且电力应用终端靠近墙体，施工简单易行时，可以直接进行LTE230信号覆盖，这时根据信号检测的强度，可能需要采用230射频天线的拉远技术，如图4所示。如果地下室墙体信号衰减大甚至是要跨越多个墙体，则地下室侧的信息传输由230终端接入点（AP）、短距离无线增强模块（RE）、短距离无线通信终端节点（ED）三部分组成，其中AP负责远距离LTE230信号与470M近距离信号的转换；RE负责470信号的路由转换；ED负责最后与电力终端进行对接。其中，路由节点可以根据网络的复杂程度进行增加，终端节点根据电力终端的数量进行增加。

该方案在室内全部采用近距离无线增强通信方式，避免了拉线等施工难题，对物业破坏小，物业协调简单；同时设备支持220V市电，并备有应急锂电池，电源供应稳定可靠，容灾性强。

6 结论

本文从智能电网的通信业务需求出发，基于电网独有的230M频段离散频谱，利用TD-LTE先进无线通信技术，提出了具有深覆盖、高速率传输、实时性强、安全性高等特点的无线通信解决方案。解决了用电信息采集、配网自动化、负荷控制等业务对电力无线通信的需求。