1前言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，迫切需要建設(shè)一個(gè)技術(shù)體制先進(jìn)、滿足配電網(wǎng)智能化要求的通信平臺［1、2］;智能配網(wǎng)的通信系統(tǒng)不僅應(yīng)為分布廣、數(shù)量多的配電終端提供可靠的通信保障，同時(shí)，也應(yīng)具備部署靈活、快速恢復(fù)等特點(diǎn)，為智能配網(wǎng)構(gòu)筑可靠的支撐系統(tǒng)。

2智能配電網(wǎng)的通信需求與現(xiàn)狀

2.1智能配網(wǎng)的通信需求

2.1.1常規(guī)通信需求

在智能配電網(wǎng)中，通信系統(tǒng)主要用于智能配電裝置與各智能應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息傳輸，包括用電量信息、裝置狀態(tài)信息以及各類控制信息。特別是在面向未來的分布式能源網(wǎng)絡(luò)中，通信系統(tǒng)作為一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)應(yīng)滿足以下需求:首先，大量的控制信息和監(jiān)測信息具有較強(qiáng)的時(shí)效性，因此通信系統(tǒng)必須支持實(shí)時(shí)傳輸［3］;第二，隨著智能電網(wǎng)乃至物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將會涌現(xiàn)出各類新型的業(yè)務(wù)，配網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求;另外，未來物聯(lián)網(wǎng)將會涌現(xiàn)出更多設(shè)備與設(shè)備之間信息互通、互操作的應(yīng)用場景，面對眾多的智能終端和更多的新興業(yè)務(wù)，配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)必須支持多用戶接入和寬帶傳輸。此外，由于電能系統(tǒng)的狀態(tài)信息必須實(shí)現(xiàn)保密性，通信網(wǎng)絡(luò)必須為所承載的業(yè)務(wù)提供安全保障。

2.1.2應(yīng)急場景下的通信需求

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在城市配電網(wǎng)范圍內(nèi)將分布有大量的配電終端，這些配電終端的接入與控制都必須經(jīng)過通信系統(tǒng)所提供的可靠通道［4］。面向應(yīng)急場景的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)是構(gòu)筑智能配電網(wǎng)的重要支撐系統(tǒng)。如何建立一套面向配電網(wǎng)應(yīng)用的，具備快速靈活部署、高寬帶、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，在災(zāi)害后支撐快速高效搶險(xiǎn)、救災(zāi)就變得極為重要。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)，為電網(wǎng)受災(zāi)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)獲取與分析、應(yīng)急決策指揮和資源調(diào)度等提供應(yīng)急通信支撐手段。綜上，在應(yīng)急場景下，智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)除應(yīng)當(dāng)具備傳輸可靠、高寬帶數(shù)據(jù)傳輸外，還應(yīng)具備組網(wǎng)靈活、具有魯棒性等特點(diǎn)，以高效傳輸應(yīng)急救災(zāi)所需的采集數(shù)據(jù)、圖片、視頻等各種海量應(yīng)用。

2.2配電網(wǎng)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的配網(wǎng)通信系統(tǒng)大多由光纖通信系統(tǒng)構(gòu)建，主要應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和EPON兩種通信技術(shù)。在配網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境中，以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和EPON為代表的光纖通信主要存在以下問題:

1)兩種技術(shù)都采用了光纖作為物理傳輸媒介，由于光纜路由依附于一次系統(tǒng)，因此接入用戶數(shù)量和光纜路由受限。而在智能配網(wǎng)中，將有越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)對信息的采集點(diǎn)和受控點(diǎn)的要求不同，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信系統(tǒng)所提供的通信接入點(diǎn)將呈指數(shù)型增長，因此以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為代表的有線通信方式存在部署和成本等方面存在著明顯的弊端。

2)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和EPON技術(shù)都是基于全I(xiàn)P的，不同的業(yè)務(wù)共享帶寬資源，目前針對電網(wǎng)業(yè)務(wù)的分區(qū)隔離要求沒有較好的解決方案。而在配網(wǎng)中，業(yè)務(wù)的傳輸也應(yīng)遵循安全分區(qū)、橫向隔離的原則，以保證各業(yè)務(wù)之間的相關(guān)度較小，保證重要業(yè)務(wù)的安全傳輸，因此上述兩種基于資源共享的技術(shù)不能很好的滿足業(yè)務(wù)分區(qū)隔離的需求。

3)隨著智能電網(wǎng)、汽車充電技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來配網(wǎng)中更強(qiáng)調(diào)物與物之間的智能通信，此時(shí)，通信的實(shí)體可能不再是固定位置的，這為配網(wǎng)通信系統(tǒng)提出了移動狀態(tài)下通信的新需求。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和EPON技術(shù)無法滿足未來配網(wǎng)中的移動場景下的通信要求。此外，智能配電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)必須具備快速部署、靈活組網(wǎng)的能力，以實(shí)現(xiàn)在突發(fā)情況下配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的快速恢復(fù)，為配電網(wǎng)受災(zāi)現(xiàn)場提供應(yīng)急通信的支撐手段。

3基于LTE的無線寬帶通信技術(shù)

3.1LTE概述

LTE(LongTermEvolution，長期演進(jìn)計(jì)劃)是3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織的一個(gè)無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，簡稱E－UTRAN或LTE。在無線接入方面，LTE系統(tǒng)物理層基于OFDMA技術(shù)，下行傳輸速率可達(dá)100Mbps，上行可達(dá)50Mbps，提供從1.5Mhz到20Mhz的動態(tài)頻譜分配技術(shù)，頻譜效率提升到當(dāng)前3G系統(tǒng)的2～4倍。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，通過扁平的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)降低接入延遲，用戶面單向數(shù)據(jù)傳輸延遲低于10ms，降低復(fù)雜度和組網(wǎng)低成本，提供更高的用戶容量、系統(tǒng)吞吐量和端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。雖然LTE在公共通信網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，但尚未在智能電網(wǎng)包括配電網(wǎng)中探討其應(yīng)用。隨著智能配網(wǎng)的分布式電源與儲能技術(shù)、配電自動化與智能調(diào)度、智能電表遠(yuǎn)程集抄等應(yīng)用的發(fā)展，智能配網(wǎng)的通信系統(tǒng)必須對分布廣、數(shù)據(jù)量大、用戶密集的智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫化覆蓋，并承載其海量數(shù)據(jù)，LTE作為新一代的寬帶無線技術(shù)，在上述方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

3.2面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)構(gòu)建

使用LTE構(gòu)建面向智能配網(wǎng)通信系統(tǒng)，可利用LTE高帶寬、廣覆蓋、高移動性支持等方面的優(yōu)點(diǎn)解決智能配網(wǎng)在信息采集、處理以及智能控制的通信問題;此外，還可利用LTE快速部署、靈活組網(wǎng)的特性，在應(yīng)急場景下實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的快速恢復(fù)，為受災(zāi)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)獲取、應(yīng)急決策指揮等提供應(yīng)急通信支撐手段。

3.2.1常規(guī)通信場景

在常規(guī)通信場景下，智能配網(wǎng)的通信系統(tǒng)是溝通配電主站與配電終端的橋梁。主站側(cè)需處理多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)，而在終端側(cè)，每個(gè)終端只需與主站進(jìn)行通信。因此主站側(cè)和終端側(cè)的數(shù)據(jù)流是不平衡:主站側(cè)作為匯聚大量信息和下發(fā)所有命令的實(shí)體，其通信量較大，對帶寬的要求也較高;而終端側(cè)僅與一個(gè)實(shí)體通信，信息量較小。在這種不平衡的信息流模式下，若智能配電網(wǎng)的主站側(cè)和終端側(cè)都采用用戶設(shè)備(UserE-quipment，UE)作為通信接入設(shè)備，這種對等的組網(wǎng)模型不能滿足主站側(cè)的大量數(shù)據(jù)需求，因此在常規(guī)通信需求下，面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:在常規(guī)通信場景下，面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)包括了UE、基站(E－UTRANNodeB，eNB)、移動管理實(shí)體(MobilityManagementEntity，MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)(ServicesGateway，S－GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(PacketDataNetworkGateway，P－GW)。其中UE和eNB負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的無線接入;MME執(zhí)行管理控制面協(xié)議，如終端標(biāo)識的分配、安全性、鑒權(quán)和漫游控制等;S－GW負(fù)責(zé)用戶信息的保存，連接控制等功能;P－GW完成核心網(wǎng)承載的控制管理、包過濾、UEIP的地址分配和速率限制等工作。面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)中，各配電終端的數(shù)據(jù)通過UE以無線的方式接入LTE系統(tǒng)，配電主站側(cè)通過P－GW從LTE系統(tǒng)中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，以滿足配電主站向多個(gè)配電終端的海量數(shù)據(jù)傳輸以及配電終端的靈活接入。數(shù)據(jù)的傳輸過程如圖2所示，在配電終端側(cè)，數(shù)據(jù)通過IP層遞交到UE，UE內(nèi)部通過分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PacketDataConvergenceProtocol，PDCP)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行頭壓縮和加密處理［5］，通過無線鏈路控制(RadioLinkControl，RLC)層完成ARQ功能與數(shù)據(jù)的分段和重組［6］;通過媒體接入控制(MediumAccessControl，MAC)層完成邏輯信道和傳輸信道的映射、復(fù)用和解復(fù)用［7］;最后通過物理層以無線的方式將數(shù)據(jù)傳送至eNB。eNB執(zhí)行上述過程的逆處理，并從PCDP層實(shí)體中取出數(shù)據(jù)，使用GTP－U協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝后傳送至S－GW。S－GW根據(jù)數(shù)據(jù)流的映射信息，將數(shù)據(jù)傳送至相應(yīng)的P－GW，P－GW進(jìn)行GTP－U協(xié)議的解封裝，最終將IP包透明地遞交給主站側(cè)的通信接口。在上述過程中，LTE系統(tǒng)通過承載(bearer)來實(shí)現(xiàn)從配電終端到配電主站的端到端的QoS控制。Bearer是一個(gè)邏輯概念，映射到相同bearer上的服務(wù)數(shù)據(jù)流可在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)獲得相同的服務(wù)等級［8］。配電終端與配電主站建立通信連接時(shí)，LTE系統(tǒng)將在管理平面為該數(shù)據(jù)流建立bearer，在UE與P－GW通信的整個(gè)過程內(nèi)，都要根據(jù)該bearer來決定數(shù)據(jù)流的處理策略，包括不同的調(diào)度策略、隊(duì)列管理策略、速率控制策略。對于面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)來說，可通過對不同類型的配網(wǎng)業(yè)務(wù)分配不同的bearer來實(shí)現(xiàn)對多種業(yè)務(wù)的分級通信服務(wù)。在組網(wǎng)方面，LTE系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速靈活的部署。由于不受線纜路由的限制，UE可放置于任何智能配網(wǎng)的信息受控點(diǎn)和信息采集點(diǎn)。對于eNB而言，在城市的密集區(qū)域，可使用多個(gè)eNB組建蜂窩網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)eNB覆蓋周圍1～2km區(qū)域內(nèi)的終端;在城市稀疏區(qū)域，由于LTE的覆蓋半徑最多可達(dá)100Km且網(wǎng)絡(luò)容量大，因此只需部署一個(gè)eNB即可滿足整個(gè)區(qū)域內(nèi)配電終端的數(shù)據(jù)傳輸需求。而S－GW、P－GW和MME可以合設(shè)，并部署于配網(wǎng)控制主站的通信機(jī)房內(nèi)。