智能配电网的通信需求与现状

1前言

随着智能电网的发展，迫切需要建设一个技术体制先进、满足配电网智能化要求的通信平台［1、2］;智能配网的通信系统不仅应为分布广、数量多的配电终端提供可靠的通信保障，同时，也应具备部署灵活、快速恢复等特点，为智能配网构筑可靠的支撑系统。

2智能配电网的通信需求与现状

2.1智能配网的通信需求

2.1.1常规通信需求

在智能配电网中，通信系统主要用于智能配电装置与各智能应用系统之间的信息传输，包括用电量信息、装置状态信息以及各类控制信息。特别是在面向未来的分布式能源网络中，通信系统作为一个关键的环节应满足以下需求:首先，大量的控制信息和监测信息具有较强的时效性，因此通信系统必须支持实时传输［3］;第二，随着智能电网乃至物联网的发展，将会涌现出各类新型的业务，配网通信系统应满足不同业务的QoS需求;另外，未来物联网将会涌现出更多设备与设备之间信息互通、互操作的应用场景，面对众多的智能终端和更多的新兴业务，配电网的通信系统必须支持多用户接入和宽带传输。此外，由于电能系统的状态信息必须实现保密性，通信网络必须为所承载的业务提供安全保障。

2.1.2应急场景下的通信需求

随着智能电网的发展，在城市配电网范围内将分布有大量的配电终端，这些配电终端的接入与控制都必须经过通信系统所提供的可靠通道［4］。面向应急场景的智能配电网通信系统是构筑智能配电网的重要支撑系统。如何建立一套面向配电网应用的，具备快速灵活部署、高宽带、稳定可靠等特点的应急通信系统，在灾害后支撑快速高效抢险、救灾就变得极为重要。配电网通信系统应实现快速恢复，为电网受灾现场信息的实时获取与分析、应急决策指挥和资源调度等提供应急通信支撑手段。综上，在应急场景下，智能配电网通信系统除应当具备传输可靠、高宽带数据传输外，还应具备组网灵活、具有鲁棒性等特点，以高效传输应急救灾所需的采集数据、图片、视频等各种海量应用。

2.2配电网通信系统现状

现有的配网通信系统大多由光纤通信系统构建，主要应用工业以太网交换机和EPON两种通信技术。在配网的应用环境中，以工业以太网交换机和EPON为代表的光纤通信主要存在以下问题:

1)两种技术都采用了光纤作为物理传输媒介，由于光缆路由依附于一次系统，因此接入用户数量和光缆路由受限。而在智能配网中，将有越来越多的应用系统，每个系统对信息的采集点和受控点的要求不同，特别是随着物联网的发展，通信系统所提供的通信接入点将呈指数型增长，因此以工业以太网交换机为代表的有线通信方式存在部署和成本等方面存在着明显的弊端。

2)工业以太网交换机和EPON技术都是基于全IP的，不同的业务共享带宽资源，目前针对电网业务的分区隔离要求没有较好的解决方案。而在配网中，业务的传输也应遵循安全分区、横向隔离的原则，以保证各业务之间的相关度较小，保证重要业务的安全传输，因此上述两种基于资源共享的技术不能很好的满足业务分区隔离的需求。

3)随着智能电网、汽车充电技术和物联网的发展，未来配网中更强调物与物之间的智能通信，此时，通信的实体可能不再是固定位置的，这为配网通信系统提出了移动状态下通信的新需求。而工业以太网交换机和EPON技术无法满足未来配网中的移动场景下的通信要求。此外，智能配电网应急通信系统必须具备快速部署、灵活组网的能力，以实现在突发情况下配电网通信系统的快速恢复，为配电网受灾现场提供应急通信的支撑手段。

3基于LTE的无线宽带通信技术

3.1LTE概述

LTE(LongTermEvolution，长期演进计划)是3GPP标准化组织的一个无线通信技术标准制定计划，简称E－UTRAN或LTE。在无线接入方面，LTE系统物理层基于OFDMA技术，下行传输速率可达100Mbps，上行可达50Mbps，提供从1.5Mhz到20Mhz的动态频谱分配技术，频谱效率提升到当前3G系统的2～4倍。在网络结构方面，通过扁平的网络架构降低接入延迟，用户面单向数据传输延迟低于10ms，降低复杂度和组网低成本，提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。虽然LTE在公共通信网领域发展迅猛，但尚未在智能电网包括配电网中探讨其应用。随着智能配网的分布式电源与储能技术、配电自动化与智能调度、智能电表远程集抄等应用的发展，智能配网的通信系统必须对分布广、数据量大、用户密集的智能配电网实现无缝化覆盖，并承载其海量数据，LTE作为新一代的宽带无线技术，在上述方面具有较强的优势。

3.2面向智能配网的LTE系统构建

使用LTE构建面向智能配网通信系统，可利用LTE高带宽、广覆盖、高移动性支持等方面的优点解决智能配网在信息采集、处理以及智能控制的通信问题;此外，还可利用LTE快速部署、灵活组网的特性，在应急场景下实现配电网通信系统的快速恢复，为受灾现场信息的实时获取、应急决策指挥等提供应急通信支撑手段。

3.2.1常规通信场景

在常规通信场景下，智能配网的通信系统是沟通配电主站与配电终端的桥梁。主站侧需处理多个应用系统的大量数据，而在终端侧，每个终端只需与主站进行通信。因此主站侧和终端侧的数据流是不平衡:主站侧作为汇聚大量信息和下发所有命令的实体，其通信量较大，对带宽的要求也较高;而终端侧仅与一个实体通信，信息量较小。在这种不平衡的信息流模式下，若智能配电网的主站侧和终端侧都采用用户设备(UserE-quipment，UE)作为通信接入设备，这种对等的组网模型不能满足主站侧的大量数据需求，因此在常规通信需求下，面向智能配网的LTE系统结构如图1所示:在常规通信场景下，面向智能配网的LTE系统包括了UE、基站(E－UTRANNodeB，eNB)、移动管理实体(MobilityManagementEntity，MME)、服务网关(ServicesGateway，S－GW)和分组数据网关(PacketDataNetworkGateway，P－GW)。其中UE和eNB负责用户数据的无线接入;MME执行管理控制面协议，如终端标识的分配、安全性、鉴权和漫游控制等;S－GW负责用户信息的保存，连接控制等功能;P－GW完成核心网承载的控制管理、包过滤、UEIP的地址分配和速率限制等工作。面向智能配网的LTE系统中，各配电终端的数据通过UE以无线的方式接入LTE系统，配电主站侧通过P－GW从LTE系统中接收和发送数据，以满足配电主站向多个配电终端的海量数据传输以及配电终端的灵活接入。数据的传输过程如图2所示，在配电终端侧，数据通过IP层递交到UE，UE内部通过分组数据汇聚协议(PacketDataConvergenceProtocol，PDCP)层对数据进行头压缩和加密处理［5］，通过无线链路控制(RadioLinkControl，RLC)层完成ARQ功能与数据的分段和重组［6］;通过媒体接入控制(MediumAccessControl，MAC)层完成逻辑信道和传输信道的映射、复用和解复用［7］;最后通过物理层以无线的方式将数据传送至eNB。eNB执行上述过程的逆处理，并从PCDP层实体中取出数据，使用GTP－U协议将数据封装后传送至S－GW。S－GW根据数据流的映射信息，将数据传送至相应的P－GW，P－GW进行GTP－U协议的解封装，最终将IP包透明地递交给主站侧的通信接口。在上述过程中，LTE系统通过承载(bearer)来实现从配电终端到配电主站的端到端的QoS控制。Bearer是一个逻辑概念，映射到相同bearer上的服务数据流可在整个系统内获得相同的服务等级［8］。配电终端与配电主站建立通信连接时，LTE系统将在管理平面为该数据流建立bearer，在UE与P－GW通信的整个过程内，都要根据该bearer来决定数据流的处理策略，包括不同的调度策略、队列管理策略、速率控制策略。对于面向智能配网的LTE系统来说，可通过对不同类型的配网业务分配不同的bearer来实现对多种业务的分级通信服务。在组网方面，LTE系统可实现快速灵活的部署。由于不受线缆路由的限制，UE可放置于任何智能配网的信息受控点和信息采集点。对于eNB而言，在城市的密集区域，可使用多个eNB组建蜂窝网络，每个eNB覆盖周围1～2km区域内的终端;在城市稀疏区域，由于LTE的覆盖半径最多可达100Km且网络容量大，因此只需部署一个eNB即可满足整个区域内配电终端的数据传输需求。而S－GW、P－GW和MME可以合设，并部署于配网控制主站的通信机房内。