LTE宽带无线公网在智能电网中的性能分析

樊会丛，赵建华，邵 华

（国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050021）

LTE宽带无线公网在智能电网中的性能分析

樊会丛，赵建华，邵 华

（国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄 050021）

配网通信技术是DA（配网自动化）管理系统的关键技术之一。文章首先分别讨论了以光纤通信、电力线载波技术和蜂窝无线公网技术承载DA业务的优劣；然后在此基础上进一步阐述了基于第四代移动通信技术LTE（长期演进）系统的组网方案；最后，针对DA业务中低压集抄业务的两种典型应用场景（周期汇报和供电恢复）仿真评估了LTE在FDD（频分双工）以及TDD（时分双工）模式下承载DA业务的可行性。仿真结果表明，对于周期性汇报居民用电业务，LTE FDD系统和LTE TDD系统均能满足该项业务QoS（服务质量）需求，而LTE FDD系统更适合承载此类业务。在居民区供电中断后恢复场景下，无论是LTE FDD系统还是LTE TDD系统，在无线侧都需要进一步的优化方案，以解决大量低压集抄终端同时接入时产生拥塞的问题。

配网自动化；无线宽带公网；基于频分双工的长期演进系统；基于时分双工的长期演进系统

0 引 言

配网通信技术是DA（配网自动化）管理系统的关键技术之一，通信系统的性能在很大程度上决定了自动化系统的优劣［1］。考虑到配网通信对实时性、可靠性和安全性的特殊要求，目前主要有光纤通信、载波电力线通信以及无线通信这3种通信方式［2-4］。本文将分别讨论以光纤通信、电力线载波技术和蜂窝无线公网技术承载DA业务的优劣。无线通信具有施工速度快、投资小和可以快速投入使用等特点，这些特点使得DA的设计、建设、调试和维护工作得到极大的简化。然而，DA业务并非现有无线公网运营商的核心业务和重点保障对象，因此需要进一步地分析研究无线公网所提供的通信性能是否能够满足当前配网通信的需求。本文将以DA业务中低压集抄业务为例，针对低压集抄业务的两种典型应用场景（周期汇报和供电恢复）分析现有无线公网在承载正常蜂窝业务的同时，承载低压集抄业务的可行性。

1 技术体制选择

光纤通信具有保密性强、带宽宽、抗干扰能力强以及传输距离远等优点。然而，由于智能电网部署环境各不相同，若都使用光纤通信，势必会造成通信网络布局成本过高［5］。而载波电力线通信虽然布网全面，解决了敷设光纤网络难等问题［6］，但是载波电力线通信也存在不足，主要体现为其传输数据速率低，难以满足数据控制信息流量日益增长的要求［7］。

目前，备受各研究机构关注的4G（第四代移动通信）技术可以支持更大的带宽、更高的数据速率，其保密性及低时延性能都有很大的提升，对不同业务的QoS（服务质量）保证效率也不断提高，这些特性使得LTE（长期演进）系统在智能电网等行业应用中有着得天独厚的优势。

2 智能电网低压集抄业务场景分析

现阶段的低压集抄业务主要是居民小区的居民用电信息采集，如图1所示。首先对采集的信息进行简单的汇聚，然后将汇聚后的数据信息经过LTE网络传输，最后由管理与业务平台对此业务信息进行处理。

图1 无线电力远程低压集抄系统场景图

低压集抄业务主要是一些数据量较低的应用（传输速率≤1 kbit/s，每月每终端流量约3 Mbit）。通常情况下，低压集抄终端会安装在居民家或者是企业集团，安装后便不再移动。低压集抄终端可以周期性地上报抄表数据，也可以根据管理与业务平台的请求按需上报数据。低压集抄业务对时延要求较低（≤10 s，无考核要求），但对传输数据误码率要求极高（≤10-3），因为配电站的运营效益以及居民对供电公司的信任必须通过极高的准确率来保证。

3 基于LTE技术的组网性能分析

由于DA业务并非公网运营商的核心业务和重点保障对象，现有4G技术并未对电力行业提供针对性保障，因此本文通过搭建OPNET系统级仿真平台，评估现有LTE网络承载智能电网业务的有效性。为了体现市区和郊区居民分布的差异性，分别考虑在单小区（半径为500 m）中有5 000、10 000和30 000个低压集抄终端处于激活状态的情形。海量的低压集抄终端同时接入而导致接入碰撞甚至拥塞的典型应用场景主要有以下两种：

场景一：居民住户低压集抄终端周期性汇报业务数据。低压集抄终端在应用层有业务发起随机分布控制功能，在此场景下，5 000、10 000和30 000个低压集抄终端在60 s内按照均匀分布等概率地接入LTE网络。

场景二：居民区供电中断后恢复，所有低压集抄终端同时发起业务恢复过程。低压集抄终端的应用层无法进行随机分布控制，其随机接入请求可能无法容忍延时。低压集抄终端的随机接入请求可能分布在10 s内。在此场景下，5 000、10 000和30 000个设备在10 s内按照beta分布请求随机接入。

按照3GPP（第三代合作伙伴计划）TS 36.211标准中PRACH（物理随机接入信道）资源分布配置，选取PRACH配置索引数为6。低压集抄终端可用于进行随机接入的preamble（前导序列）个数为54个。低压集抄终端发送的preamble到达LTE基站后，如果发生冲突，LTE基站则不做任何处理；对于没有发生冲突的preamble，基站按照1-1/ei的概率成功检测preamble，其中i指该低压集抄终端在本次随机接入中第i次发送preamble。低压集抄终端通过LTE基站下发的RAR（随机接入响应）确认是否成功接入网络。在FDD（频分双工）模式下，每个RAR中最多包含3个低压集抄终端；在TDD（时分双工）模式下，每个RAR最多包含6个低压集抄终端。低压集抄终端将在固定的时间窗口内等待LTE基站发送的RAR，如果在这个时间窗口内没有接收到相应的RAR，则认为随机接入发生冲突，然后执行退避。退避窗口为20个TTI（传输时间间隔）。当发生随机接入冲突时，并不采用竞争解决的方式解决冲突，而是采用冲突的低压集抄终端都重传preamble的方式解决冲突。preamble的最大重传次数设置为10次。

（1）FDD模式仿真结果

在LTE FDD系统环境下，低压集抄终端周期性地（60 s内均匀分布）汇报业务时，其接入时延的CDF（累计分布函数）曲线如图2所示。由图中可见，当单小区内存在5 000或10 000个低压集抄终端时，几乎所有的低压集抄终端都能够成功地进行随机接入，并且平均接入时延（50%的低压集抄终端）约为20 ms。当单小区内存在30 000个低压集抄终端的时，如果低压集抄终端应用层应用了随机分布控制，则可以在30 ms内完成随机接入。

图2 60 s均匀分布场景下低压集抄终端接入时延的CDF曲线

在LTE FDD系统环境下，低压集抄终端供电恢复（10 s内beta分布）时，其接入时延的CDF曲线如图3所示。从图中可以看出，当单小区内存在5 000或10 000个低压集抄终端时，几乎所有的低压集抄终端都可以成功地进行随机接入，并且平均接入时延＜40 ms。当单小区内存在30 000个低压集抄终端时，即使低压集抄终端的应用层应用了随机分布控制，其平均接入时延仍达到约70 ms，因此需要采取合适的解决方案以改善此场景下低压集抄终端的接入效率。

图3 10 s beta分布场景下低压集抄终端接入时延的CDF曲线

（2）TDD模式仿真结果

在LTE TDD系统环境下，低压集抄终端周期性（60 s内均匀分布）地汇报业务时，其接入时延的CDF曲线如图4所示。当单小区内存在5 000或10 000个低压集抄终端，或者存在30 000个应用层应用了随机分布控制的低压集抄终端时，低压集抄终端的平均接入时延（50%的低压集抄终端）约为30 ms。与FDD系统相比，接入时延都有较为明显的增加。这是因为TDD模式随机接入资源与FDD模式相同，但等待上下行时隙的时延增大了。

图4 60 s均匀分布场景下低压集抄终端接入时延的CDF曲线

在LTE TDD系统环境下，低压集抄终端供电恢复（10 s内beta分布）时，其接入时延的CDF曲线如图5所示。从图中可以看出，接入成功概率进一步下降。当单小区内存在5 000或10 000个低压集抄终端时，其平均接入时延（50%的低压集抄终端）约为50 ms。但是，当单小区内存在30 000个低压集抄终端时，即使低压集抄终端的应用层应用了随机分布控制，其平均接入时延仍达到约100 ms。

图5 10 s beta分布场景下低压集抄终端接入时延的CDF曲线

4 结束语

本文通过仿真评估了4G LTE系统在FDD和TDD两种模式下承载DA业务的可行性。仿真结果表明，LTE TDD系统由于等待上下行时隙间隔较长导致接入时延较大；LTE FDD系统更适合承载低压集抄类业务。但是，无论是LTE FDD系统还是LTE TDD系统，在无线侧都需要进一步的优化方案，以解决大量低压集抄终端同时接入时产生拥塞的问题，以及由此产生的接入成功概率低、接入时延大的问题。

［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，2010，38 （20）：201-204.

［2］ Voltage Markushevich N.VAR Control in Automated Distribution Systems［J］.International Symposium on DA/DSM，1993，（3）：478-485.

［3］ 蔡运清.北美的配电自动化［J］.中国电力，1998，31 （8）：58-59.

［4］ 孙晓韡，姜秋海.对德国配电网的考察［J］.供用电，2006，23（3）：74-76.

［5］ 蔡桂龙，金小达，关志坚.配电自动化系统通信方案设置［J］.电网技术，1999，（4）：70-72.

［6］ 田进章.浅谈配电自动化系统中的通信系统［J］.河北电力技术，2000，（2）：22-25.

［7］ 胡宪泽.贵阳市北城区配电自动化的通信方案［J］.电力系统通信，2001，22（11）：7-9.

Performance Analysis of LTE Based Broadband Wireless Network in Distributed Smart Grid

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

Distribution Automation（DA）technology is a key technology in the DA management system.This paper discusses the pros and cons of different communication techniques（i.e.，optical fiber communication，power line communication and broadband wireless communication）in DA.Based on the comparison，we further discuss the wireless broadband technique based on Long Term Evolution（LTE）.Finally，we build the simulation platform and simulate two typical scenarios in the application of smart metering（i.e.，periodic reporting and power recovery）.We evaluate the performance of LTE for the business of DA with both FDD and TDD modes.The results show that both the two modes can meet the requirement of Quality of Service（QoS）for the business of periodic reporting resident power consumption.Particularly，LTE-FDD system is more suitable for this business.In the scenario of power recovery after power outage in the residential areas，further optimizations at the wireless side are required for both LTE-TDD and LTE-FDD systems to solve the congestion problem caused by massive simultaneous access of smart metering terminal.

DA；broadband wireless network；FDD-LTE；TDD-LTE

TN929.5

A

1005-8788（2016）03-0076-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.024

2015-11-30

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。