无线公网2G/3G技术在智能电网中的应用

樊会丛，赵建华，邵 华，林 榕

（国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050021）

无线公网2G/3G技术在智能电网中的应用

樊会丛，赵建华，邵 华，林 榕

（国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050021）

智能电网是国内外电网技术发展的必然趋势，而配网自动化管理系统的建设是关键环节。文章介绍了利用无线公网技术建设智能配电网的优势，并具体结合2G GPRS（通用分组无线服务）和3G WCDMA（宽带码分多址）技术承载配网自动化业务中的低压集抄业务的应用场景，对无线公网承载智能电网业务的性能进行了理论分析与仿真验证。得出的相关结论拓宽了智能电网的建设思路，具有一定的理论参考价值。

配网自动化；无线宽带公网；通用分组无线服务；宽带码分多址

0　引 言

配电通信网络是实现配电自动化和智能化电网的重要信息基础设施，是建设智能电网的主要组成部分［1］。当前的智能配电网通信系统主要有光纤通信、载波电力线通信和公网无线宽带通信3种方式。传统的光纤和载波电力线传输虽然实现简单，但是布置成本高。无线通信网不依赖于电网架构，覆盖范围广，且抗自然灾害能力较强，同时具有带宽大、传输距离远和非视距传输等优点，非常适合弥补目前通信方式单一化、覆盖面不全的缺陷。目前，在电网电力系统通信中仍然以光纤通信为主，但随着电网对灾难应急、配网自动化和办公智能化等需求的提出，传统的光纤通信和载波电力线通信系统已不能很好地满足智能电网发展日益增长的要求。

而现有公网无线宽带技术并没有为电力行业提供针对性的保障。针对这一问题，本文将重点介绍现有无线公网在承载移动用户业务的同时，能否有效承载配网自动化业务。

1　GPRS网络承载低压集抄业务分析

GPRS（通用分组无线服务）是在GSM（全球移动通信系统）的基础上发展起来的一种新的分组数据承载技术。GPRS网络更加适合间断、突发和频繁的小数据量业务的传输。结合低压集抄业务特点与GPRS业务特点分析可知，相比GSM网络，低压集抄业务更适合承载在GPRS网络上。

在GPRS系统中主要使用PDTCH（分组数据业务信道）来承载分组数据业务，PDTCH采用4种不同的编码方案来承载业务数据。

假设低压集抄业务的数据量大小为155字节，当GPRS采用CS-2（编码方式2）时，无线块信息量为268 bit，单时隙最大速率为13.4 kbit/s，那么每秒可传输低压集抄业务的终端为13.4×1 000/8/ 155=10.8（个）。而GPRS规定一个单时隙最多可被6个用户复用，因此，尽管在CS-2下的传输速率理论上足以支持10个用户的复用，但是实际上仅有6个用户可复用同一信道。所以，1s内，只有当一个TDMA（时分复用多址接入）帧的8个时隙全部分配给PDTCH时，PDTCH最多才可能容纳6×8= 48个低压集抄业务终端进行业务传输。假设单小区内有24 000个低压集抄终端，那么至少需要24 000/48=500 s=8.3 min才能完成全部低压集抄终端的接入。这还是在不考虑蜂窝用户数据业务以及话音业务，将8个时隙全部分配给PDCTH，且不考虑业务的碰撞和重传等因素的最理想的情况下，计算得到的最短完成接入时间。而在实际过程中，这种情况不可能存在，低压集抄设备的接入必然会造成PDTCH负荷的大大增加，对正常蜂窝通信产生极大的影响。

在实际的无线通信系统中，GSM主要承载CS（电路交换）域的话音业务，GPRS主要承载PS（分组交换）域的数据业务，GSM网络和GPRS网络共用相同的频谱资源。当以GPRS网络承载低压集抄业务时，大量低压集抄业务的接入必然会带来网络中PS域数据的急剧增加，这就需要有足够的GPRS数据业务信道来支撑。此外，考虑到在频率资源一定的情况下，PS域信道资源的增加必然导致CS域信道资源的减少，而CS域信道容量的减少将直接影响话音业务质量，严重时可能造成语音业务拥塞，所以必须考虑GSM和GPRS资源的合理分配，以便在GPRS网络上更好地承载低压集抄业务。

根据按需分配原则和坎贝尔算法［2］，在GPRS网络上承载低压集抄业务时，对GSM和GPRS信道资源作如下分配：以一个星期或者一个月为周期，调研统计试验小区内每天不同时间段内移动用户的业务量（这里主要以话音业务为主），包括业务到达率和平均持续时间，同时根据试验小区内用户数统计小区内低压集抄业务终端的数目，然后，根据抄表业务数据量和完成一次数据传输需要的时间计算出一次抄表数据上报情况下的抄表总业务数据量，最后用坎贝尔算法计算出不同时间段内话音业务和数据业务应该分配的信道数目，即分配GSM和GPRS之间的信道资源比例。进一步考虑到低压集抄业务大多数是周期性（如月周期、季周期等）上报，在一个月内或者一个季度内只需要某一个固定时间段就可以完成业务数据的上传。因此在实际应用中，可以理性地选择低压集抄业务的上报时间，如避开节假日及白天话音业务的高峰期等。我们可以考虑根据坎贝尔话务量统计选择一个月内某一天内话音业务量最低的一个时间段，例如，假设每天凌晨，发起随机接入过程传输抄表数据业务，这样既可以避开话音业务的高峰期减少对GSM语音业务的影响，最大限度地降低由于低压集抄业务的接入而给话音业务带来的干扰，同时又可以考虑分配更多的PDTCH支持GPRS数据业务，高效地完成低压集抄业务的接入。

2　WCDMA网络承载低压集抄业务分析

在3 G（第三代移动通信）规范提案的概念评估过程中，WCDMA（宽带码分多址）以其自身的技术优势成为3G的主流技术之一。相比GPRS技术，WCDMA具有更大的系统容量、更高的频谱效率和更快的数据速率等特性，因此，更适合承载海量的低压集抄业务。

海量低压集抄终端在某一时间段内同时触发周期性业务汇报，在短时间段内发起随机接入请求，以完成业务传输。典型的应用场景有3种：（1）周期性汇报场景：低压集抄终端周期性汇报业务数据；（2）响应群组寻呼场景：低压集抄终端响应业务管理平台寻呼；（3）供电恢复场景：供电中断后恢复，所有低压集抄终端同时发起非业务恢复过程。

我们通过搭建系统级仿真平台，在上述3种场景下评估现有WCDMA网络同时承载移动业务和低压集抄业务的有效性。仿真平台部署场景如图1所示。

图1　仿真平台部署场景示意图

为了保证仿真工具的效率及市区、郊区居民分布的差异性，仿真中将低压集抄终端数目设置为800和2 400。此外，本文的目的是评估现有无线公网能否同时承载移动业务和低压集抄业务，因此，仿真中同时考虑了正常蜂窝通信用户数为20。

由仿真结果可知，当海量的低压集抄终端在短时间内同时接入WCDMA网络时，如果对低压集抄设备与移动用户采用相同的接纳策略，那么，移动用户的接入平均时延、失败率会大大上升。除了低压集抄终端周期性汇报场景下，移动用户能够正常接入网络外，其他场景中移动用户的通信性能要求并不能很好地得到满足。特别是在供电恢复场景下，单位时间内低压集抄终端发起接入请求的密度相当大，以致于根本不能保证移动用户的通信质量以及低压集抄设备正常运行。承载低压集抄业务前后移动用户业务统计如表1所示。

表1　承载低压集抄业务前后移动用户业务统计

由此可见，在实际应用中必须制定相应的策略（特定接入控制限制策略［3］、特定退避时间以及群组触发策略［4］），将海量低压集抄设备对移动用户的性能冲击降至最低。

3　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。本文从配电网的发展现状及业务需求出发，提出了利用无线公网技术建设配电通信网的思路，并以2G GPRS系统和3G WCDMA技术为背景，从理论和仿真上分析了无线公网技术承载配网自动化业务的可行性，为智能电网的发展提供了参考。

［1］ 孙毅，龚钢军，许刚.Mc WiLL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，（20）：201-204.

［2］ 张慧瑜，杜明辉.WCDMA系统混合业务下的小区容量预测与仿真［J］.微计算机信息，2006，22（15）：186-187.

［3］ 3GPP TSG RAN WG2 Meeting 68bis-2010，R2-100182：Access Control of MTC Devices［S］.

［4］ 3GPP TSG RAN WG2 Meeting 70-2010，RACH O-verload Control for MTC Devices［S］.

Researches on the Application of 2G/3G Wireless Techniques in Smart Grid

FAN Hui-cong，ZHAO Jian-hua，SHAO Hua，LIN Rong
（Economic and Technical Research Institute of State Grid Corporation of Hebei China，Shijiazhuang 050021，China）

The past few years has witnessed the inevitable trend of the development of smart grid，where the construction of Distribution Automation Management System is a key component.This paper discusses the performances and advantages of using broadband wireless communication technology to construct the smart grid.The operation of low-voltage meter reading is based on the combination of the second generation mobile communication technique-General Packet Radio Service（GPRS）and the third generation mobile communication technique-Wideband Code Division Multiple Access（WCDMA）.Then we evaluate the system performance of smart metering application operated in GPRS system as well as WCDMA system.The simulation results can provide theoretical guidelines when smart grids are deployed in realistic network.

distribution network automation；broadband wireless network；GPRS；WCDMA

TN926

A

1005-8788（2016）04-0075-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.022

2016-04-20

国网河北省电力公司2014年度科技计划资助项目（kj2014-027）

樊会丛（1979-），女，河北石家庄人。工程师，硕士研究生，主要研究方向为电力通信网规划。