樊會(huì)叢，趙建華，邵 華

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

LTE寬帶無(wú)線公網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的性能分析

樊會(huì)叢，趙建華，邵 華

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021）

配網(wǎng)通信技術(shù)是DA（配網(wǎng)自動(dòng)化）管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章首先分別討論了以光纖通信、電力線載波技術(shù)和蜂窩無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)承載DA業(yè)務(wù)的優(yōu)劣；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡述了基于第四代移動(dòng)通信技術(shù)LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）系統(tǒng)的組網(wǎng)方案；最后，針對(duì)DA業(yè)務(wù)中低壓集抄業(yè)務(wù)的兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景（周期匯報(bào)和供電恢復(fù)）仿真評(píng)估了LTE在FDD（頻分雙工）以及TDD（時(shí)分雙工）模式下承載DA業(yè)務(wù)的可行性。仿真結(jié)果表明，對(duì)于周期性匯報(bào)居民用電業(yè)務(wù)，LTE FDD系統(tǒng)和LTE TDD系統(tǒng)均能滿足該項(xiàng)業(yè)務(wù)QoS（服務(wù)質(zhì)量）需求，而LTE FDD系統(tǒng)更適合承載此類業(yè)務(wù)。在居民區(qū)供電中斷后恢復(fù)場(chǎng)景下，無(wú)論是LTE FDD系統(tǒng)還是LTE TDD系統(tǒng)，在無(wú)線側(cè)都需要進(jìn)一步的優(yōu)化方案，以解決大量低壓集抄終端同時(shí)接入時(shí)產(chǎn)生擁塞的問題。

配網(wǎng)自動(dòng)化；無(wú)線寬帶公網(wǎng)；基于頻分雙工的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)；基于時(shí)分雙工的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)

0 引 言

配網(wǎng)通信技術(shù)是DA（配網(wǎng)自動(dòng)化）管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通信系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)劣［1］。考慮到配網(wǎng)通信對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性的特殊要求，目前主要有光纖通信、載波電力線通信以及無(wú)線通信這3種通信方式［2-4］。本文將分別討論以光纖通信、電力線載波技術(shù)和蜂窩無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)承載DA業(yè)務(wù)的優(yōu)劣。無(wú)線通信具有施工速度快、投資小和可以快速投入使用等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得DA的設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試和維護(hù)工作得到極大的簡(jiǎn)化。然而，DA業(yè)務(wù)并非現(xiàn)有無(wú)線公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的核心業(yè)務(wù)和重點(diǎn)保障對(duì)象，因此需要進(jìn)一步地分析研究無(wú)線公網(wǎng)所提供的通信性能是否能夠滿足當(dāng)前配網(wǎng)通信的需求。本文將以DA業(yè)務(wù)中低壓集抄業(yè)務(wù)為例，針對(duì)低壓集抄業(yè)務(wù)的兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景（周期匯報(bào)和供電恢復(fù)）分析現(xiàn)有無(wú)線公網(wǎng)在承載正常蜂窩業(yè)務(wù)的同時(shí)，承載低壓集抄業(yè)務(wù)的可行性。

1 技術(shù)體制選擇

光纖通信具有保密性強(qiáng)、帶寬寬、抗干擾能力強(qiáng)以及傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于智能電網(wǎng)部署環(huán)境各不相同，若都使用光纖通信，勢(shì)必會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)布局成本過高［5］。而載波電力線通信雖然布網(wǎng)全面，解決了敷設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)難等問題［6］，但是載波電力線通信也存在不足，主要體現(xiàn)為其傳輸數(shù)據(jù)速率低，難以滿足數(shù)據(jù)控制信息流量日益增長(zhǎng)的要求［7］。

目前，備受各研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的4G（第四代移動(dòng)通信）技術(shù)可以支持更大的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率，其保密性及低時(shí)延性能都有很大的提升，對(duì)不同業(yè)務(wù)的QoS（服務(wù)質(zhì)量）保證效率也不斷提高，這些特性使得LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）系統(tǒng)在智能電網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2 智能電網(wǎng)低壓集抄業(yè)務(wù)場(chǎng)景分析

現(xiàn)階段的低壓集抄業(yè)務(wù)主要是居民小區(qū)的居民用電信息采集，如圖1所示。首先對(duì)采集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯聚，然后將匯聚后的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸，最后由管理與業(yè)務(wù)平臺(tái)對(duì)此業(yè)務(wù)信息進(jìn)行處理。

圖1 無(wú)線電力遠(yuǎn)程低壓集抄系統(tǒng)場(chǎng)景圖

低壓集抄業(yè)務(wù)主要是一些數(shù)據(jù)量較低的應(yīng)用（傳輸速率≤1 kbit/s，每月每終端流量約3 Mbit）。通常情況下，低壓集抄終端會(huì)安裝在居民家或者是企業(yè)集團(tuán)，安裝后便不再移動(dòng)。低壓集抄終端可以周期性地上報(bào)抄表數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)管理與業(yè)務(wù)平臺(tái)的請(qǐng)求按需上報(bào)數(shù)據(jù)。低壓集抄業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求較低（≤10 s，無(wú)考核要求），但對(duì)傳輸數(shù)據(jù)誤碼率要求極高（≤10-3），因?yàn)榕潆娬镜倪\(yùn)營(yíng)效益以及居民對(duì)供電公司的信任必須通過極高的準(zhǔn)確率來(lái)保證。

3 基于LTE技術(shù)的組網(wǎng)性能分析

由于DA業(yè)務(wù)并非公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的核心業(yè)務(wù)和重點(diǎn)保障對(duì)象，現(xiàn)有4G技術(shù)并未對(duì)電力行業(yè)提供針對(duì)性保障，因此本文通過搭建OPNET系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，評(píng)估現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)承載智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的有效性。為了體現(xiàn)市區(qū)和郊區(qū)居民分布的差異性，分別考慮在單小區(qū)（半徑為500 m）中有5 000、10 000和30 000個(gè)低壓集抄終端處于激活狀態(tài)的情形。海量的低壓集抄終端同時(shí)接入而導(dǎo)致接入碰撞甚至擁塞的典型應(yīng)用場(chǎng)景主要有以下兩種：

場(chǎng)景一：居民住戶低壓集抄終端周期性匯報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。低壓集抄終端在應(yīng)用層有業(yè)務(wù)發(fā)起隨機(jī)分布控制功能，在此場(chǎng)景下，5 000、10 000和30 000個(gè)低壓集抄終端在60 s內(nèi)按照均勻分布等概率地接入LTE網(wǎng)絡(luò)。

場(chǎng)景二：居民區(qū)供電中斷后恢復(fù)，所有低壓集抄終端同時(shí)發(fā)起業(yè)務(wù)恢復(fù)過程。低壓集抄終端的應(yīng)用層無(wú)法進(jìn)行隨機(jī)分布控制，其隨機(jī)接入請(qǐng)求可能無(wú)法容忍延時(shí)。低壓集抄終端的隨機(jī)接入請(qǐng)求可能分布在10 s內(nèi)。在此場(chǎng)景下，5 000、10 000和30 000個(gè)設(shè)備在10 s內(nèi)按照beta分布請(qǐng)求隨機(jī)接入。

按照3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）TS 36.211標(biāo)準(zhǔn)中PRACH（物理隨機(jī)接入信道）資源分布配置，選取PRACH配置索引數(shù)為6。低壓集抄終端可用于進(jìn)行隨機(jī)接入的preamble（前導(dǎo)序列）個(gè)數(shù)為54個(gè)。低壓集抄終端發(fā)送的preamble到達(dá)LTE基站后，如果發(fā)生沖突，LTE基站則不做任何處理；對(duì)于沒有發(fā)生沖突的preamble，基站按照1-1/ei的概率成功檢測(cè)preamble，其中i指該低壓集抄終端在本次隨機(jī)接入中第i次發(fā)送preamble。低壓集抄終端通過LTE基站下發(fā)的RAR（隨機(jī)接入響應(yīng)）確認(rèn)是否成功接入網(wǎng)絡(luò)。在FDD（頻分雙工）模式下，每個(gè)RAR中最多包含3個(gè)低壓集抄終端；在TDD（時(shí)分雙工）模式下，每個(gè)RAR最多包含6個(gè)低壓集抄終端。低壓集抄終端將在固定的時(shí)間窗口內(nèi)等待LTE基站發(fā)送的RAR，如果在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)沒有接收到相應(yīng)的RAR，則認(rèn)為隨機(jī)接入發(fā)生沖突，然后執(zhí)行退避。退避窗口為20個(gè)TTI（傳輸時(shí)間間隔）。當(dāng)發(fā)生隨機(jī)接入沖突時(shí)，并不采用競(jìng)爭(zhēng)解決的方式解決沖突，而是采用沖突的低壓集抄終端都重傳preamble的方式解決沖突。preamble的最大重傳次數(shù)設(shè)置為10次。

（1）FDD模式仿真結(jié)果

在LTE FDD系統(tǒng)環(huán)境下，低壓集抄終端周期性地（60 s內(nèi)均勻分布）匯報(bào)業(yè)務(wù)時(shí)，其接入時(shí)延的CDF（累計(jì)分布函數(shù)）曲線如圖2所示。由圖中可見，當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在5 000或10 000個(gè)低壓集抄終端時(shí)，幾乎所有的低壓集抄終端都能夠成功地進(jìn)行隨機(jī)接入，并且平均接入時(shí)延（50%的低壓集抄終端）約為20 ms。當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在30 000個(gè)低壓集抄終端的時(shí)，如果低壓集抄終端應(yīng)用層應(yīng)用了隨機(jī)分布控制，則可以在30 ms內(nèi)完成隨機(jī)接入。

圖2 60 s均勻分布場(chǎng)景下低壓集抄終端接入時(shí)延的CDF曲線

在LTE FDD系統(tǒng)環(huán)境下，低壓集抄終端供電恢復(fù)（10 s內(nèi)beta分布）時(shí)，其接入時(shí)延的CDF曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在5 000或10 000個(gè)低壓集抄終端時(shí)，幾乎所有的低壓集抄終端都可以成功地進(jìn)行隨機(jī)接入，并且平均接入時(shí)延＜40 ms。當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在30 000個(gè)低壓集抄終端時(shí)，即使低壓集抄終端的應(yīng)用層應(yīng)用了隨機(jī)分布控制，其平均接入時(shí)延仍達(dá)到約70 ms，因此需要采取合適的解決方案以改善此場(chǎng)景下低壓集抄終端的接入效率。

圖3 10 s beta分布場(chǎng)景下低壓集抄終端接入時(shí)延的CDF曲線

（2）TDD模式仿真結(jié)果

在LTE TDD系統(tǒng)環(huán)境下，低壓集抄終端周期性（60 s內(nèi)均勻分布）地匯報(bào)業(yè)務(wù)時(shí)，其接入時(shí)延的CDF曲線如圖4所示。當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在5 000或10 000個(gè)低壓集抄終端，或者存在30 000個(gè)應(yīng)用層應(yīng)用了隨機(jī)分布控制的低壓集抄終端時(shí)，低壓集抄終端的平均接入時(shí)延（50%的低壓集抄終端）約為30 ms。與FDD系統(tǒng)相比，接入時(shí)延都有較為明顯的增加。這是因?yàn)門DD模式隨機(jī)接入資源與FDD模式相同，但等待上下行時(shí)隙的時(shí)延增大了。

圖4 60 s均勻分布場(chǎng)景下低壓集抄終端接入時(shí)延的CDF曲線

在LTE TDD系統(tǒng)環(huán)境下，低壓集抄終端供電恢復(fù)（10 s內(nèi)beta分布）時(shí)，其接入時(shí)延的CDF曲線如圖5所示。從圖中可以看出，接入成功概率進(jìn)一步下降。當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在5 000或10 000個(gè)低壓集抄終端時(shí)，其平均接入時(shí)延（50%的低壓集抄終端）約為50 ms。但是，當(dāng)單小區(qū)內(nèi)存在30 000個(gè)低壓集抄終端時(shí)，即使低壓集抄終端的應(yīng)用層應(yīng)用了隨機(jī)分布控制，其平均接入時(shí)延仍達(dá)到約100 ms。

圖5 10 s beta分布場(chǎng)景下低壓集抄終端接入時(shí)延的CDF曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過仿真評(píng)估了4G LTE系統(tǒng)在FDD和TDD兩種模式下承載DA業(yè)務(wù)的可行性。仿真結(jié)果表明，LTE TDD系統(tǒng)由于等待上下行時(shí)隙間隔較長(zhǎng)導(dǎo)致接入時(shí)延較大；LTE FDD系統(tǒng)更適合承載低壓集抄類業(yè)務(wù)。但是，無(wú)論是LTE FDD系統(tǒng)還是LTE TDD系統(tǒng)，在無(wú)線側(cè)都需要進(jìn)一步的優(yōu)化方案，以解決大量低壓集抄終端同時(shí)接入時(shí)產(chǎn)生擁塞的問題，以及由此產(chǎn)生的接入成功概率低、接入時(shí)延大的問題。

［1］ 孫毅，龔鋼軍，許剛.Mc WiLL寬帶無(wú)線技術(shù)在遼寧電力示范網(wǎng)的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38 （20）：201-204.

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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

國(guó)網(wǎng)河北省電力公司2014年度科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（kj2014-027）

樊會(huì)叢（1979-），女，河北石家莊人。工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)規(guī)劃。