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TD-LTE技术在配用电通信中的应用

2012年12月1日第35卷第23期

现代电子技术

ModernElectronicsTechnique

Dec.2012

V01.35No.23TD—LTE技术在配用电通信中的应用

欧清海,谢杰洪,曾令康,李祥珍,甄岩

(南瑞集团公司物联网技术中心,北京100761)

摘要:为了解决现有电力无线通信系统体制杂乱、不能统一规划、不能有效支撑智能电网新型业务的现实问题,国家电网公司首次采用TpI。TE技术构建新型电力专用230MHz频段无线通信系统,并在浙江省电力公司搭建实验网。实验网承载用电信息采集、视频监控等电力业务,可大幅提升配用电系统的传输速率、系统容量、覆盖半径以及传输可靠性,显著提升电力专用频段的服务能力,提高电网的互动化水平,为国网公司“坚强智能电网”的通信建设提供技术支撑。

关键词:TnI。TE;载波聚合;配用电通信;智能电网

中图分类号:TN914—34文献标识码:A文章编号:1004—373X(2012)23一0027一05

ApplicationofTD—LTEtechnoIogyinpowerdistributiOnandutilizatiOnsystem

0UQing—hai,XIEJie—hong,ZENGI。ing—kang,LIXiang—zhen,ZHENYan

(InternetofThingsTechnicalCenter.NARlGroupCorporation,Bejing100761,Chma)

Abstract:Therearemanypracticalproblemsincurrentpowerwirelesscommunication5ystem,includingmultiplestandards,difficultyincarryingoutunifiedplanningandsupportingnewservicesandsooninsmartgrid.StateGridCorpora—tionofChina(SGCC)developedaninnovativepowerwirelesscommunicationsystembasedonTD—LTEtechnologyandpowerindustryauthorizedradiofrequencyin230MHz,andestablishedatrialnetworkinZhejiangprDvincepowercompany.Thetri—a1networkmainlysupportstwopowerbusiness:electricenergydataacquisitionandvideomonito“ng,andmanyparameterssuchastransmissionrate,systemcapacity,cellradius,andreIiabilityaremeasuredindetailinordertoevaluatethefeasib“ityoftheinnovativepowerwirelesscommunicationsystem.TheTnLTE230MHzpowerwirelesscommunicationsystemcanenhancethespectrumefficiencygreatlycomparingwith230MHzdataradiostationandtheinteractionlevelofsmartgrid,whichmeansitcanprovidestrongsupportforthecommunicationsystemofsmartgrid.

Keywords:TD—I。TE;carrieraggregation;powerdistributionandutilizationcommunicationsystem;smartgrid

0引言1配用电通信现状

2009年5月,国家电网公司提出了建设具有“信息化、自动化、互动化”的智能电网”发展战略,计划到2020年全面建成坚强智能电网。配用电是电力供应末端环节,是直接面向社会和广大客户的重要能源网络,也是坚强智能电网的重要基础[1]。配网自动化和智能用电服务是实施坚强智能电网的重要手段,是提高供电可靠性的必然需要,也是电力系统现代化发展的必然趋势[2]。

LTE技术代表当前无线通信技术的演进方向,本文提出一种以TnLTE技术为基础的新型电力无线宽带系统,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,拓展了无线通信在电力行业的应用范围,承载实现用电信息采集、配网自动化、视频传输等多项智能电网业务,提高了电力无线宽带通信系统服务智能电网的能力比J。

收稿日期:2012—08—22

配用电网对通信的要求是能够运行在各种恶劣环境下,不受天气、停检修等影响;具有灵活的业务接口和安装方式,可扩展性强,同时具有较好维护性。现有电力无线通信系统由于历史原因,缺乏统一的科学规划与网络建设,现有网络包含光纤通信、230MHz电台专网、Mobitex专网、GPRS公网(租用)、CDMA公网(租用)等,体制杂乱、性能落后,严重制约了电力无线通信网服务智能电网新型业务的能力口]。

针对目前无线宽带技术的发展状况,各电力公司也在不断尝试新型无线通信技术的应用,如北京信威公司开发的McwiLI。系统在辽宁电力公司、北京电力公司、宁夏电力公司进行了示范应用,华为在WiMAX技术基础之上提出的1.8GHz系统在浙江电力公司、辽宁电力公司进行了试验和测试。2007年底南方电网公司在广州委托广东电力设计研究院在1.8GHz频段组建无线宽带试验网,分别对McWiI。L及华为1.8GHz系

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统进行组网测试,并完成技术测试及相应测试报告,辽宁电力公司、重庆电力公司也做过类似的测试。

所以,智能电网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。光纤通信前期投资成本较高,且不能覆盖所有的配用电业务节点,尤其是农村地区的配用电业务;230MHz电台专网、Mobitex专网均为窄带系统,无法满足统一坚强智能电网的传输带宽需求;GPRS/CDMA/3G公网在安全性和可靠性方面存在隐患,部分时间段服务质量得不到保证,且无法对其进行网络管理,同时要长期支付大量租赁费用。欧美、澳大利亚、加拿大、日韩等国家的电力公司也在积极研制和使用电力专用无线宽带通信系统,提高电网的互动化水平¨]。

2T胁LTE230系统关键技术民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》(国无管[1991]5号),将223.025~235.000MHz作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段。

近年来,随着无线通信技术的迅速发展,可用于构建电力无线通信系统的频谱资源越来越稀缺,电力系统专有的230MHz频段也越来越受到重视,如何利用这段频谱资源解决电网通信的实际问题也变得越来越迫切。

在目前可申请的频谱之中,1800MHz频段传输衰耗大、与GSM网存在干扰问题,且部分地区该频段已经分配给民航使用,需解决机场周边电力设施的覆盖问题;1400MHz频段由各地无委会自行审批,差异性较大;450~470MHz,698~806MHz这部分频段用于广播电视传输业务,传输特性良好;而在223~235MHz频段内有无委会授权电力专用的40个25kHz离散频

2.1宽带传输关键技术点,该频段传输特性良好。2GHz以下可用于构建电1991年,原国家无线电管理委员会发布《关于印发力无线宽带通信系统的频谱分析如表1所示。

裹l2GHz以下频谱使用现状

为了实现离散窄带实现宽带传输的功能,3GPP在LTE增强型系统中提出了载波聚合技术。载波聚合技术是指对于某一终端来说,通过基站调度,为其分配和使用多个离散载波,用于数据传输。载波聚合技术可以根据不同用户需求和网络规划,将现有LTE系统中分配的多个不同分量载波聚合使用,能够灵活地将频谱带宽扩展到T》LTE增强型系统中,要求带宽(最多100MHz)[4-6]。具体如图1所示。

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聚合五个载波总带宽IoohlHo

图1连续载波聚合技术

引入载波聚合技术,可以对离散频谱进行有效聚合.提高离散载波的使用效率。

根据国无管[1991]5号文件规定,电力系统所分配的40个频点均为离散频点,不能按照上述连续载波聚合方法实现连续频谱应用。但可以考虑将每个离散信道看作一个成员载波,将不连续分配的成员载波通过软件无线电方式进行虚拟连续聚合,并统一分配给一个用户使用,这样可以产生大于原来窄带系统几倍的传输带宽,从而达到宽带传输效果。如图2所示。

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图2非连续载波聚合技术

2.2大容量接入关键技术

2.2.1OFDMA多址技术

OFDMA(0rthogonaIFrequencyDivisionMultipleAccess)调制方式是第四代移动通信的主要调制方式,与FDMA,TDMA,CDMA相比具有以下优势:频谱效率高;抗频率选择性衰落的能力比较强;通过频域均衡可以实现低复杂度接收机。采用OFDMA技术,可以

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提高频谱利用率,有效提高接人用户数量,保证开展宽带业务,满足多用户的需求。

2.2.2干扰协调技术

对于OFDM系统,每个小区内分配的系统资源是正交的子载波资源。这种正交的子载波资源分配方式对用户的区分可以降低同一小区内的用户间干扰,因此小区内用户所受的干扰主要来自相邻小区。特别是在同频组网时,相邻小区之间会存在相互干扰的情况,为保证邻小区之间的干扰降到最低,需要考虑干扰协调和抑制技术。这两项技术的关键技术包括[7]:

(1)软频率复用技术

将用户分为小区边缘用户和小区中心用户两类,所有频谱资源分为主子载波组和辅子载波组两类(如图3所示)。主子载波组可以覆盖整个小区,辅子载波组只能覆盖小区中心位置,使得频率复用因子在l~3之间变化。另外,通过配置两类子载波组的最大发射功率值,来设置不同的功率比值,相邻小区的主子载波保持正交,边缘用户将优先接入主子载波组,可以很大程度上减少小区间干扰。

图3软频率复用示意图

(2)小区加扰和调频技术使得小区间的干扰随机化

无线通信系统中一般需采用信道编码技术提高传输的可靠性。在基于TDLTE技术的宽带数字集群系统中采用卷积码和Turbo码,这两种编码技术对编码块中的随机差错具有较强的纠错能力,而对于连续错误的纠错能力较差。

因此,不同小区采用具有正交特性的伪随机序列进行数据加扰传输,能够使差错随机化,从而提高数据正确译码的能力。

2.3高可靠性关键技术——自适应重传(HARQ)为了适应电力通信网布网环境的差异性。提高系统传输数据的健壮性,需要考虑HARQ技术。HARQ是一种前向纠错FEC和自动重传请求ARQ相结合的技术。AMC(自适应编码调制)能够提供粗略的数据速率的选择,而HARQ基于信道条件可以提供较为精确的速率调节。AMC根据通信终端(通信终端)检测的或网络端决定的信道条件来选择一个适当MCS,对信道测量的准确性和时延敏感。HARQ能自动适应瞬间的信道条件并且不太受暂态信道测量结果和时延的影响。综合使用AMC和HARQ可以均衡这两方面的优势,AMC提供了较粗的数据速率选择,而HARQ提供了基于信道条件的细微数据速率调整[8]。

2.4可扩展的关键技术

2.4.1全IP网络架构

系统采用全IP网络架构,如图4所示,不仅能够适用现有业务的开展,而且方便未来新业务的扩展应用。固臣四[至匹]圈

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图4全IP网络示意图

2.4.2软件无线电

T胁LTE230系统采用软件无线电构架进行设计,可以对离散载波进行非连续聚合,因此当授权频点增加,或者申请到额外频点时,能够简单通过软件升级即可支持。

T口LTE230的软件无线电结构示意图如图5所示。

图5软件无线电示意图

3智能电网业务需求

TDLTE230电力无线通信系统首先面向智能电网通信网的应用,主要是配用电侧的用电信息采集、配网自动化与负荷管理、应急抢修、检修及移动资产可视化管理、智能用电服务以及电力物联网的其他业务。3.1用电信息采集业务

居民用户用电信息采集以小区楼道、柱上变或小区箱变(公变)为单位,完成单个楼道或箱变负荷范围内全

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部居民用户(E类)、关口计量点(F类——包含台变自身)的用电信息采集。安装于楼道的采集器、农村柱上变或小区箱变处的集中器即为一个远程通信节点嘲。

电力公司集中抄表业务有“集中器汇聚方式”和“采集器直接上报方式”两种,如图6所示。

fbl方式二::采集器直接上报方式

图6用电信息采集方式

方式一符合国家电网用电信息采集规范,方式二在江苏、浙江等地均有较多的实际应用[5]。

配电变压器的运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分,实现中低压配电网的自动化已成为电力系统发展的趋势,而通信技术一直是解决上述问题的瓶颈。目前配电网上主要以光纤通信为主,由于用电信息采集的终端具有终端节点数多、单点数据量小的特点,并要求通信系统时延较小,实时性较高,通信距离远,光纤不能实现终端节点的全覆盖。TpLTE230通信系统能解决上述难题,同时具有低成本、广覆盖、低时延、大容量、并发的网络接入方式等优点,为用电信息采集提供可靠的远程通信信道。

3.2配电自动化业务

我国配电网自动化业务起源于20世纪70年代末开始的电力负控业务,配网自动化通信具有多点、分散、每一点的通信数据量较少的特点。为减少投资、优化通道结构,通常是采用一个配电子站转发附近一个区域内的配电终端的数据,配电子站一般设置在变电所、开闭所内。然而光纤敷设到每一个节点面临的不仅是施工周期长、投资成本大的问题,对于边远地区而言单独敷设光纤经济效益更不明显。而TpLTE230通信系统只需在配网自动化的设备安装专用的无线通信终端,即可以实现配电主站数据采集与监控等基本功能和电网分析应用等扩展功能;实现配电网现场的各种配电开关监控终端FTU、配电变压器监测终端TTU、开关站和公用及用户配电所的监控终端等。采用光纤为主无线为辅的方式实现配网自动化的全覆盖[1…。

3.3应急抢修、检修及移动资产可视化管理

电力视频/图像监控主要用于电力施工现场、输电线路重点地段、应急指挥和事故处理现场、变电站等重要运营和操作场所、重大活动保电现场等。TD—I。TE230系统通过聚合40个离散载波,可以达到1.76MHz的上行传输带宽,满足监控视频传输的宽带要求。对作业现场的视频/图像的传输,实现对应急抢修、检修的可视化监控。使非现场人员实时监控抢修、检修的现场情况,在必要时及时调整作业内容,提高现场作业的效率和规范化、标准化配电网现场作业的管理要求。由于电力行业对基于告警形式的视频传输有一定需求,基于前端图像分析或其他传感器(温度、震动、电流、电压等)进行告警模式的判断,只有在出现必要的告警情况后,才启动视频传输。

3.4其他智能电网应用

针对城区大多是平原,配电网站点、用户用电设施相对比较集中,密度大,比较适用电力无线宽带专网解决通信接入。将T盼LTE技术与智能电网实际应用相结合,利用无线宽带接入技术实现智能电网配用电侧智能用电服务、电动汽车充换电服务、视频监控、电气设备的状态检测、生产现场的可视化等业务,如图7所示。TnLTE230电力无线通信系统的作用是在远端监控模块与后台主站之间提供安全、可靠的数据传输通道,并提供对网络设备和远端通信模块的配置和管理功能。

4浙江海盐供电局实验网

TnLTE230系统在浙江海盐配用电网进行了示范应用,在海盐供电局大楼、沈荡供电所、通元供电所部署了3套无线宽带电力专网基站,实现了对海盐县的全境覆盖,承载用电信息采集、负荷控制、配网自动化、视频监控业务,如图7所示。TD~LTE230系统在海盐县郊区环境下最远覆盖距离可达12km,城区环境下覆盖距离可达3.5km,并且在有树木遮挡环境、楼宇遮挡环境、室内环境、雨天、雾天等复杂环境下,能够保证无线信号传输的可靠性。通过示范系统建设以及详实的试点数据和现场测试,该系统在浙江海盐供电局可靠运行一年半,为电力无线通信技术的规模化应用提供了良好的示范作用。

TnLTE230系统在基站覆盖区域内部署了50个无线通信终端,涵盖用电信息采集、配网自动化、负荷控制、应急抢修视频传输等业务。在配用电业务方面TpLTE230系统目前已经接入的电力用电信息采集通信终端(采集器、集中器通信)主要分布于城西村大曲机站、城西村姚桥老站、南环村康家会机站3个用电区,实时抄收一共3个用电区10l户电力用户的用电信息,数据已经融入浙江省电力公司统一的采集主站系统及营销结算系统,采集通信系统自建成后运行稳定,采集成功率达100%,满足电力系统业务稳定性和可靠性要求。

第23期欧清海,等:T肛LTE技术在配用电通信中的应用3l

图7海盐供电局基站分布示意图

在电力负荷控制系统应用方面,T胁I。TE230系统可以实现对负控终端的信息传输、双向互动,稳定、安全、可靠的支持对负控终端的遥测、遥信功能,时延小于0.1s,满足实际应用需求。

在视频监控应用方面,通过为沈荡和通元供电所附近布置视频监控设备,可以实现对电力设备和线路等设施的实时监控,传输速率最高达到1.5Mb/s,视频流畅清晰,有助于电力维护人员远程监控电力资产设备和掌握线路故障情况。视频监控系统已经受台风、暴雨、高温等环境考验,仍能将视频监控信息顺利传输到集控中心;TnI。TE230系统在海盐县电力抢修、现场作业也得到充分的应用:2011年9月首次在海盐局使用TnI,TE230系统进行应急抢险演习任务的过程,演习过程模拟8月底的海盐大雨导致2条传输线路故障,历时3.5h完成了故障侦查、抢修、故障恢复等过程.整个演习过程中视频传输流畅,图像清晰。

5结语

本文从电力无线通信现状,频率配置、关键技术、智能电网业务需求出发,分析了智能电网业务对电力无线通信系统的需求,通过对比现有的多种无线技术及无线电频段,提出了T口LTE230电力无线宽带技术。该系统基于230MHz电力负荷管理专用无线通信频点,采用离散频谱聚合及TnLTE第四代移动通信的先进技术,构建电力宽带无线通信网络,满足了用电信息采集、负荷控制、配网自动化、智能用电、视频传输等智能电网配用电侧业务的实时、高可靠通信需求,对智能电网的发展具有重要意义。目前,该系统已在浙江海盐完成了实验系统的建设,该系统自投运以来受到多家单位和领导的参观,并且受到浙江省公司、国家电网公司相关领导的一致好评,同时也受到社会各界以及通信行业专家的赞许,为将先进的无线通信技术应用于智能电网建设提供了良好的示范作用。

参考文献

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[10]国家电网公司.Q/GDW338340-2009农村配网自动化典型设计规范等3项标准[S].北京:中国电力出版社,2010.

作者简介:欧清海男.1970年出生,四川广安人,硕士研究生,高级工程师。主要从事电力系统信息通信、物联网技术及其应用领域的研究工作。

谢杰洪男,1986年出生.江苏无锡人。主要从事电力无线宽带通信系统的研究工作。

曾令康男,l982年出生.河北保定人,博士研究生。主要从事无线通信、电力物联网领域的研究工作。

李祥珍男,l964年出生,江苏赣榆人.教授级高工,享受国务院政府特殊津贴。从事无线宽带通信、下一代通信网络、物联网应用技术、智能电网信息通信的研究工作。

甄岩男.1982年出生.辽宁葫芦岛人.博士研究生。主要从事电力物联网技术研究、传感技术研究等工作。

《坝代电子技市》(半月刊)欢娅投稿029—85398771

TD-LTE技术在配用电通信中的应用

作者:欧清海, 谢杰洪, 曾令康, 李祥珍, 甄岩, OU Qing-hai, XIE Jie-hong, ZENG Ling-kang, LI Xiang-zhen, ZHEN Yan 作者单位:南瑞集团公司物联网技术中心,北京,100761

刊名:

现代电子技术

英文刊名:Modern Electronics Technique

年,卷(期):2012,35(23)

本文链接:https://www.doczj.com/doc/918987215.html,/Periodical_xddzjs201223008.aspx

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