普天新型230MHz宽带通信技术助力打造“坚强智能电网”

责任编辑:王德清 2017.12.29 12:42 来源:通信世界全媒体

一、 总体背景随着智能电网建设的不断推进以及与“互联网+”的高度融合,电力业务终端规模迅速扩大,各行业对电网的供电质量和用户服务提出了更高的要求。经过多年的建设,电力通信骨干网已经具备一定规模,通过光纤网络连接的电力节点,对提高供电的可靠性,提升服务水平起到了重要支撑作用。然而随着电力终端规模和业务应用形式的不断扩大,现有终端通信接入网暴露出一些问题,一方面由于建设光纤网络投资高、覆盖慢、建设周期长、维护困难等原因,很难做到电力终端的全面覆盖,无法实现电网末梢各类通信业务的综合接入;另一方面,租赁无线公网信道存在安全性差、与公众竞争信道,通信质量不可控、高额租赁费,以及2G即将退网等严峻问题。基于上述原因,国家电网公司积极研究无线专网解决方案,有助于解决实际问题,实现“最后一公里”业务的快速接入与覆盖。

二、 系统简介普天新型230MHz宽带通信系统是将TD-LTE关键技术迁移到223-235MHz工作频段,针对电力行业应用深度定制的无线通信系统,系统运用先进的载波聚合技术和频谱感知技术实现了宽带化应用和高抗干扰性。新型230MHz宽带通信系统契合当代物联网理念,具有覆盖广、容量大、投入低、部署快等特点,可以承载数据、语音和视频业务。

系统采用标准的LTE扁平化网络架构,相比原来的2G和3G网络,扁平化网络架构可以降低组网成本,减少系统时延,增加组网灵活性。主要网元包括核心网设备(EPC)、网管设备(eOMC)、基站设备(eNodeB)和无线终端(UE),网络架构如图1。

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图1   新型230MHz宽带通信系统架构图

核心网设备(EPC):负责终端认证、终端IP地址管理、移动性管理等,提供接口直接连接电力业务主站。

网管设备(eOMC):负责核心网、基站、无线终端的远程配置管理和状态监测。

基站设备(eNodeB):负责通过空间接口与无线终端通信,实现资源调度、无线资源管理、无线接入控制、移动性管理等功能。

无线终端(UE):无线终端提供无线数据的采集与传输,可直接嵌入式安装于电力用采集中器、负荷控制等电力终端中。

三、 系统功能新型230MHz宽带通信系统设计理念为宽窄融合、一网多用,可以支持如下业务功能。

²  数据业务

系统提供双向数据通信能力,无线终端具备动态灵活的通信速率,对外设计RS232串行接口和RJ45以太网口,支持常见的电力数据传输业务,包括用电信息采集、配电自动化、分布式电源、充换电站(桩)等。

按照电力安全性防护要求,系统提供端到端的安全解决方案,从终端到基站,从基站到核心网均为双向鉴权,加密传输,完整性检测。核心网数据通过安全接入区进入生产控制区内业务主站,通过安全接入平台进入信息管理区内业务主站。安全通道如图2。

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图2  电力业务接入通道图

²  集群语音

系统具备手持语音终端,配合集群软件平台可以实现集群语音业务,包括单呼、组呼、多方通话、广播、视频调度、远程会议等功能。

²  视频传输

通过具有载波聚合功能无线终端,实现摄像机视频流的宽带传输,可对固定、移动摄像头的视频进行统一管理,支持电力现场视频监控、移动巡检、输变电机器巡检等业务。

四、 方案亮点频率创新应用

无线频谱是不可再生的国家战略资源,在通信技术高速发展的今天,世界各国均致力于采用新技术、新方法持续提升频谱资源利用率。本解决方案突破传统230MHz数传电台的技术模式,采用TD-LTE关键技术提升频谱效率,改善传统数传电台的不足,国家无线电管理部门也支持对230MHz无线频段的创新应用,并实际授权了更多的无线频率支持国家电网开展此频段的宽带应用,取得了良好效果。

宽窄一体设计

基于载波聚合技术实现离散频点高效利用。3GPP于R10版本中提出了载波聚合技术,通过多个连续或离散载波间的协同作用,利用更大的带宽来增强系统容量,提高单小区吞吐量,降低小区干扰。新型230MHz宽带通信系统在低频段实现多个25 kHz离散频点的载波聚合,在同一个无线网络内,可针对不同业务通信需求配置无线终端使用不同的通信带宽,实现宽窄融合、一网多用。

电力深度定制

新型230MHz宽带通信系统针对电力业务需求深度定制,优化通信协议,降低传输时延,提升常驻网络的终端数量,设计符合电力规约的通信模块,并对业内主流电力终端做适配性设计,降低网络部署的难度和成本。

低成本广覆盖

230MHz频段为低频段,先天具有绕射能力强,传输距离远特性,伴随先进的编码解调技术实现低成本广覆盖的优势。相对其他频段的无线系统,单基站可以覆盖更大的面积,即利用较少的基站设备可以覆盖更多区域,达到降本增效的目的。

五、 测试与应用新型230MHz宽带通信系统设计和应用过程中获得多项测试认证,均证明其可以成为电力终端接入网的主要无线通信方式。

早在2012年2月,中国电机工程学会在北京组织召开的科学成果鉴定会,鉴定委员会一致认为:从智能电网应用需求出发,运用载波聚合、干扰协调等关键技术开发的新型230MHz电力无线宽带通信系统,首次在国际上应用,具有创新性。

2012年6月,工信部无线电管理局召开“230MHz频段管理与技术创新研讨会”,会议围绕230MHz频段管理与技术创新,结合无线电宽带通信技术发展面临的形势,对载波聚合、频谱感知等先进的新技术在智能配用电网的应用给予关注和支持,明确了通过新技术、新应用带动频谱资源管理创新的思路。

2014年3月,国家电网科学研究院针对新型230MHz无线宽带通信系统进行安全性测试,验证系统具备防止伪终端、伪基站、违核心网的外来攻击,安全性极高。

2016年下半年,国家电网推动展开电力终端通信接入网试点工作,确认新型230MHz无线宽带通信系统作为两种主要通信技术之一,统一组织了无线性能测试、系统安全性测试、业务支撑能力测试,均获得满意结论。

2017年,无线电管理部门组织下,在浙江嘉兴、重庆武隆、福建晋江进行新型230MHz无线宽带通信系统相应关键技术通信试验,并于2017年6月成功通过验收,与会专家一致建议接下来的扩大规模试验,将实现业务接入规模化。

2017年9月,中国无线电协会电力无线专网产业联盟成立大会在京召开。国家无线电监测中心、普天技术等39家会员单位代表参会。产业联盟旨在加强以LTE 230为主的无线专网技术研发应用,制定、推广电力无线专网标准体系,构建完善的电力无线专网产业生态,促进电力无线专网产业发展。国网信通部主任王继业会上发言,指出电力无线专网因经济高效、敷设灵活、应用广泛,成为支撑终端通信接入网建设的最有效方式。

国家电网业务应用

新型230MHz宽带通信系统自2009年开始研发,经过多年的不断改进和全国多个试点网络应用实践,系统已经成熟。已经建设LTE230电力无线通信网络的省市包含且不限于北京、天津、冀北、江苏、浙江、重庆、山东、福建、湖北、山西、青海、宁夏、深圳、广州等。2014年“新型230MHz电力无线宽带通信系统研究与应用项目”荣获国家电网公司科技进步二等奖。

Ø  浙江嘉兴电力无线专网

浙江嘉兴海盐县供电有限公司2010年开始研究应用新型230Mhz电力无线宽带通信系统及应用、并被定为全国范围内第一个开展TD-LTE技术在智能电网实际应用试点的城市。截止2017年10月共建成包含11座无线基站的通信网络,实际接入无线通信终端7584个,通过230MHz电力无线宽带通信系统承载的电力业务应用涉及用电信息采集、配变监测、故障指示器、视频传输、移动应用、配电自动化、分布式电源、充换电(站)桩、路灯管理、语音集群等。随着国家电网终端通信接入网工作的统一规划部署,嘉兴海盐的无线网络也在持续建设中,并通过不断的研究与探索,基于无线应用提高智能电网的管理水平和工作效率。如图3所示。

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图3  嘉兴海盐网络覆盖示意图

Ø  江苏昆山电力无线专网

昆山市工厂林立,专变用户众多,负荷控制终端对通信信道的速率和延迟性要求较高,但是之前采用的数传电台技术落后,已经无法保证负荷数据的及时获取和控制指令的实时下发。昆山电力公司建设包含14座基站的新型230MHz宽带通信系统,覆盖整个昆山市1000平方公里,首批接入的3000家企业用户负荷控制终端,系统接入能力提高了50~60倍,数据采集和控制效率明显提高,同时实现了企业用电数据采集与反馈的实时化和电力负荷控制、配电监测、低压集抄等三大功能的集成化。如图4所示。

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图4  江苏昆山网络覆盖仿真图

其他行业应用

新型230Mhz电力无线宽带通信系统具有广深覆盖优势也广泛应用于智慧油田业务应用,用作生产数据自动采集业务、井场高清视频监控业务、难点井场高清图片监控业务等场景。

在电力、石油等能源行业外,新型230Mhz电力无线宽带通信系统还可以为农业、林业等领域建设无线专网,提供丰富的物联网应用。

六、 结束语除了提供更高的数据速率之外,5G技术的一个重要目标是实现万物互联, 物联网将广泛适用于电力、石油、农业、林业监测、抄表、资产管理等多种多样的应用场景,新型230MHz宽带通信系统已经在这个进程中迈出坚实的步伐。

普天技术助力打造“坚强智能电网”,从能源互联网与智能电网“最后一公里”通信的需求出发,探讨构建符合电力业务特征的无线专网技术应用创新模式,通过对电网设备与用户的实时感知与交互,支撑电网运行智能化、用电服务主动化。打造提升末端业务的感知能力与数据掌控能力,促进电网运营水平及服务模式质的飞跃,为“互联网+服务、营销、运检、调度、物资、管理”实践创造载体,最终促进电网规划精细化、建设投资精准化、电网调度精准化及营销服务主动化。

随着移动通信技术的发展,尤其是5G标准带来的物联网接入场景,激发了许多新的技术来改进,新型230MHz宽带通信系统将逐步引入相关5G核心技术来快速提高网络的广深覆盖、低时延高可靠等主要网络性能,推动电力无线通信专网向5G技术的平滑演进。


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