电力无线专网

电力无线专网（通用7篇）

电力无线专网 篇1

0 引言

随着智能电网建设的深入推进, 电力信息通信专网网络规模、带宽容量、安全稳定性发生了巨大变化, 电力通信骨干网、光传输网络和城域光网都得到飞速发展。电力通信接入网采用电力光纤到户、230 MHz无线通信、电力线载波通信以及公网通信多种组网方式[1], 初步形成了延伸到户的终端通信接入网, 为以“信息化、自动化、互动化”为技术特征的坚强智能电网建设提供了重要基础保障。

智能电网各环节中涌现出多种业务创新实践, 包括风电等间歇型新能源的接入、输电线路智能化巡检、智能变电站、配电自动化系统、用电信息采集、电网与客户的实时交互响应、智能调度技术支持系统等, 极大提高了电网的安全生产和智能化水平。

随着智能电网建设的飞速发展, 公网运营商2G/3G无线网络具有无需部署、快速接入等优点, 智能电网业务中依托运营商2G/3G无线网络的通信方式规模不断提高。

1 电力无线业务应用分析

无线通信技术和智能移动终端的飞速发展, 有力影响和促进了智能电网业务的发展和应用部署。目前, 电力无线通信业务主要集中在营销、运行检修、物资、生产基建等环节[2] (见表1) 。

营销环节最主要的应用是用电信息采集。国家电网公司计划2014年建成覆盖2亿多电力用户的用电信息采集系统, 实现国家电网公司经营区域内电力用户的“全覆盖、全采集、全费控”。截至2013年5月, 国家电网公司用电信息采集系统已覆盖约1.4亿用户, 其中, 90%采用了运营商的2G/3G无线网络接入, 移动终端类型为符合国家电网公司企业标准的专用采集终端。国家电网公司采用电力POS缴费 (售电) 移动终端开展移动营销业务, 实时解决对欠费客户催费和客户交费后及时恢复送电的问题。

运行检修的无线业务种类最多, 终端类型也多样化。在线检测业务有助于降低输、变电力设备故障率, 提高输、变电力设备安全性和供电可靠性。移动巡检解决了传统人工巡检、手工纸质记录等工作方式中存在的人为因素多、效率低、管理成本高、无法监督巡检人员工作状态等缺陷, 提升了设备巡检管理的工作效率。应急抢修现场指挥小组和事故处理人员通过移动终端实时与应急领导小组通信, 查看决策信息、指令信息, 记录现场处理信息, 并将现场视频及声音及时上传到指挥中心, 提高抢修效率。

物资环节开展了物资集约化管理信息系统仓储模块的建设, 利用移动终端完成条码的自动识别和数据采集, 实现仓储管理精益化。

基建环节采用移动终端采集现场的图片和数据, 实现远程工程指挥。此外, 移动办公的需求日渐强烈。

2 电力无线业务通信需求

国家电网公司无线应用业务的蓬勃发展对无线虚拟专网网络覆盖范围、Qo S、安全性、移动性等提出了新的需求[3]。表2将电力无线业务分为广泛采集、远程控制、监控告警、识别与定位、业务互动、信息发布并进行分析[4]。

3 电力无线业务网络架构现状

传统电力无线业务采用GRRS/CDMA方式接入, 通过运营商公众互联网或IP专用承载网接入, 最后以光纤专线方式接入电力通信信息内网或外网[5] (见图1) 。

目前的电力无线业务网络架构存在以下问题。

1) 通信通道传输Qo S没有保证, 很多业务数据没有采用通用路由封装 (Generic Routing Encapsulation, GRE) 或虚拟私有拨号网 (Virtual Private Dial Network, VPDN) 等隧道技术构建虚拟专线穿越运营商的IP承载网, 无法保证通道Qo S, 且还有部分业务数据经过公众互联网传输。

2) 安全接入方式不规范, 部分无线业务接入信息内网时没有通过安全接入平台。

3) 电力无线业务不可管理, 各省市电力公司, 各无线业务网络分散建设, 多条同步数字体系 (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) 光纤专线接入电力信息内外网, 无统一网管, 无法实现对终端、业务、传输数据的可管可控, 极大地限制了电力无线通信业务的规模发展。

《国家电网公司“十二五”通信网规划》提出, “十二五”期间, 坚强智能电网建设不仅要求通信网在核心层要有强大的承载能力和坚强网架, 还要在接入层有广泛、灵活的边缘接入能力。智能电网各相关环节, 特别是配电和用电环节, 对通信网接入能力提出高质量、多形式、全方位、多样化等新的要求。

电力无线通信业务的通信量已成为电力信息通信网络流量的重要组成部分, 对电力信息通信网络承载能力产生深远影响。同时, 电力无线通信业务的复杂性和多样性也对电力无线虚拟专网的可视、可管、可控能力提出了更高的要求。

4 电力无线虚拟专网目标

电力无线虚拟专网充分利用电力信息通信网络资源, 通过各移动运营商2G/3G无线接入网络, 打造一个规范化的、端到端的、可管、可靠的无线虚拟专网, 提供安全的信息传输通道, 将安全纳入国家电网公司统一的安全机制, 建成一个融合语音、数据、图像、视频等多业务和应用的、可扩展的智能化平台, 实现国家电网公司无线通信业务集约化运营、规模化发展 (见图2) 。

电力无线虚拟专网统一规范电力无线业务的网络接入方式、终端IP地址分配和使用, 将电力无线虚拟专网安全机制纳入电力信息通信网络统一的安全体系, 从终端、通信通道、安全接入平台等环节进行安全防护。电力无线虚拟专网分为终端层、网络层、平台层和应用层。

4.1 终端层

终端层满足专业采集终端、智能表计、工业级PDA、平板电脑、笔记本等终端的安全灵活接入。

4.2 网络层

网络层利用电力信息通信网络资源和运营商的2G/3G无线接入网络实现通信网络承载, 采用GRE和VPDN隧道技术构建专网虚拟专线链路, 保证电力无线虚拟专网网络链路与互联网的完全隔离, 保证通信传输质量和安全保密性。在电力信息内外网边界部署安全接入平台实现边界安全隔离、访问控制、身份认证和数据安全交换。

4.3 平台层

平台层部署运行业务支撑平台, 实现电力无线虚拟专网统一管理。统一管理移动无线资源, 包括GPRS/CDMA/3G、短信、彩信等;对业务实现统一运行管理、控制和全业务展示;实现电力物联网全业务支撑。

4.4 应用层

应用层满足用电信息采集、移动缴费、移动充值等营销业务, 输变电在线监测、移动作业等运检业务, 物资管理、物资调配等物资业务, 以及移动办公等物联网业务承载。

5 电力无线虚拟专网网络设计

5.1 网络架构

电力无线虚拟专网网络在27个省电力公司与中国移动、中国电信、中国联通统一进行SDH光纤专线接入 (见图3) 。

电力无线虚拟专网省级接入网络架构如图4所示。

国家电网公司信息内网或外网业务数据从终端接入运营商的无线网络, 遵循运营商的不同隧道加密机制进行封装, 经过虚拟专属通道传输至目的地址进行解封装, 还原业务数据格式后通过专线接入国家电网公司信息内网或外网。

电力无线虚拟专网分2个层面进行业务的安全接入认证。

1) 在公网运营商侧对SIM/UIM卡、电力专用接入点 (Access Point Name, APN) 和用户名中的域名进行合法性认证。终端通电启用后, SIM卡向公网运营商网络进行入网注册, 通过运营商的AAA认证;根据用户名中的域名建立电力虚拟专用隧道。

2) 接入电力通信专网的网络认证。通过电力无线虚拟专网的AAA认证系统实现无线终端的接入。

5.2 安全接入平台设计

国家电网公司安全接入平台采取传输通道加密、终端加固防外联、边界基于数字证书接入认证、数据隔离交换、实时安全监测与审计等措施, 解决对非公司信息内网区域信息采集类、移动作业类终端以安全专网方式接入信息内网的问题, 保障信息传输安全和数据安全。

5.3 运行支撑平台设计

运行支撑平台是电力无线虚拟专网的基础平台, 主要包括网络资源管理和配置、流量信息管理、IP地址管理、在线状态查询和维护、业务统计分析、故障告警管理等, 实现异构电力智能终端的网络接入和安全可靠通信需求, 实现全业务端到端Qo S保障, 促进电力物联网业务的统一部署。

6 结语

电力无线虚拟专网是国家电网公司SG-ERP信息网络在新形势下的扩展, 是国家电网公司信息内网和外网的延伸。电力无线虚拟专网是支撑电力物联网发展的重要基础网络, 实现电力生产、输送、消费、管理各环节信息安全可靠传输, 促进电网生产运行及企业管理全过程的全景全息感知、信息融合及智能管理与决策。

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无线专网在电力通信中的应用 篇2

随着智能电网建设的推进, 需要构建覆盖全网直至用户侧的高速实时、支持多业务灵活接入的电力通信网络。若将现有的电力骨干光纤通信网络向下延伸, 存在短时间内无法大面积覆盖、光纤布放难度大、投资高、运维工作量大等问题。因此, 单一的光纤通信方式已经不能满足智能电网业务全覆盖要求, 需要开展以光纤通信为主、无线通信为辅相结合的复合通信网络建设与应用尝试, 以更好地开展配电自动化、输电线路监测、无人值守可视化管理、应急抢险、视频监控等业务。近年来电力企业对于供电质量提出了更高的需求, 输电线路在线监测系统应运而生。该系统通过各种传感器技术, 通信技术, 信息处理技术实现输电线路运行状态的感知、预警、分析、评估, 以保障电力输电线路的安全运行。输电线路在线监测系统中视频监控是最重要、最直观的手段, 而实现视频监控最核心的问题就是如何解决系统的通信。

应急通信系统是电力系统必不可少的组成部分, 在特殊情况、突发事件下, 常规电力通信网络很可能已经失效, 导致抢修指挥中心、相关部门不能及时、充分地了解相关情况而无法下达指令。因此, 建设一套电力应急通信系统, 将事故现场的视频、语音回传至指挥中心, 确保对突发事件做出有序、快速、高效的反应, 对于电力企业提高生产安全水平意义重大。

1 5.8 GHz无线通信技术简介

1.1 开放频段

频率对于无线通信来说是非常宝贵的资源, 通常需要经过国家无线电管理机构严格审批才可使用某一频段。而5.8 GHz频段主要开放给工业、科学、医学三类机构使用, 无需授权许可, 只需在无线电管理机构备案, 遵守发射功率要求, 并且不要对其它频段造成干扰即可使用。因此, 5.8GHz频段的开放性是5.8 GHz无线通信技术的最大优势。

5.8 GHz是一个纯净宽阔的无线传输频段, 目前使用该频段的设备较少, 可使用的信道带宽较大, 传输速率也有保障。尤其是在一个频率干扰极小的环境下, 5.8 GHz设备可以稳定在一个频段, 无需频繁调频, 从而也降低了设备的能耗。

1.2 信道划分及载波带宽

从频率规划和业务带宽综合考虑, 既要能很好进行频率规划又要有较宽的业务带宽, 5.8 GHz系统信道带宽采用15 MHz到25 MHz比较合理。

1.3 调制方式及业务带宽

5.8 GHz频段没有规定上下行信道范围, 多数5.8 GHz系统采用TDD方式, 上下行共用一个信道。其业务带宽指标一般指上下行业务带宽之和。5.8 GHz无线系统主要采用BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM等调制方式, 业务带宽从6 Mbps到105 Mbps不等。

1.4 传播特性及覆盖距离

对于单载波5.8 GHz系统, 无线设备之间通常要求视距传输;对于采用OFDM技术的5.8GHz系统, 无线设备之间可以不要求视距传输。5.8 GHz点对多点系统覆盖距离通常可以达到5km~10 km。5.8 GHz点对点系统使用抛物面定向天线, 最远传输距离可达到80 km。

1.5 协议标准及Qo S

5.8 GHz无线通信系统采用的协议有802.11a、私有协议。目前还没有完全依据802.16标准开发的5.8 GHz系统。Qo S方面, 5.8GHz系统支持限制最大带宽、保证最小带宽及按业务流优先级传输。系统通过判别IP包的TOS字段识别不同的业务流, 对视频、Vo IP等业务流进行优先传输。

2 在输电线路监测中的应用

2.1 无线和光纤混合式接入方式

在输电线路中采用无线方式将就近的多个杆塔监控节点进行汇聚, 然后利用OPGW光缆或ADSS光缆实现光纤汇聚点到变电站的连接, 变电站到监控中心之间利用现有电力光纤通信网进行数据传送。

2.2 全无线接入方式

在输电线路中全部采用无线方式, 将就近多个杆塔监控节点进行点到多点的汇聚, 然后采用无线点到点方式将汇聚信号传到变电站, 变电站到监控中心之间利用现有电力光纤通信网进行数据传送。

3 在电力应急通信中的应用

5.8 GHz无线通信技术用于电力应急通信系统, 克服了现有应急通信系统中存在的通信距离短、通信带宽低、设备运输不便、无法传输视频及其它高带宽业务等缺点。

基于5.8 GHz无线专网的电力应急通信系统中, 应急现场的通信设备与作为中继节点的某个变电站通过无线专网进行通信, 变电站通信系统与主控和指挥中心通过已有光纤通信网络进行通信, 从而快速、精确地完成远程应急指挥任务。

4结束语

通过实际测试, 可以确定基于5.8 GHz无线专网的视频监控系统在易用性、功能完善性以及可靠性方面均具有优势, 能够较好地满足实际项目中的应用。无线视频远程控制系统能够传输多路视频, 且均能够以720p/1080p的标准实时回传, 保证控制端可远程操作摄像头进行变焦、转向等调整。

另一方面, 也应看到, 5.8 GHz属于超高频频段 (3~30 GHz) , 无线信号波长很短, 为厘米波, 绕射能力较差。因此, 今后在进行5.8 GHz无线专网建设时, 利用仿真软件初步选点之后, 还必须对每一个设备部署位置进行实地踏勘, 只有确定链路具有视距条件, 且设备周围没有树木, 未来也无建设较高建筑物的规划时, 才可开展建设。

摘要：结合当前电力系统需求, 提出了5.8 GHz无线通信技术在输电线路监测以及应急通信等2个领域的应用方案, 选择位于高海拔地区的迪庆供电局作为试点, 利用仿真软件选择设备部署位置, 实地搭建小型无线专网, 对无线专网的各项技术指标进行了测试。通过对测试结果进行分析, 验证了利用5.8 GHz无线通信技术构建电力通信专网的可行性, 总结了无线专网建设的一些经验。

关键词：5.8 GHz通信技术,无线专网,输电线路监测,应急通信

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电力无线专网 篇3

随着智能电网的发展和电网信息化建设的不断推进,电网配用电环节的业务不断丰富,电力通信网对网络带宽和时延的要求越来越高,现有网络已经开始制约电网业务的发展。与此同时,配用电业务终端数量庞大,分布相对分散。传统的电力通信方式如:电力载波、230 MHz数字电台已经很难满足不同地区、不同业务的通信需求[1]。光纤通信网的建设成本高、施工周期长,难以覆盖所有的终端。因此利用先进的移动通信技术将电力终端设备接入电力通信网,是电网发展的趋势。

电力无线网络的建设可分为公网和专网2个部分。公网即移动运营商的网络,目前电力无线公网的建设多采用租借公网的2G/3G数据通道承载电力业务[2]。租用公网的方式可以大大节约电力无线专网的建设成本和运营费用,但其中存在很多问题。首先,电力业务的安全性和稳定性得不到保证;其次,租用网络必然会“受制于人”,不利于管理和维护; 最后,电力无线网络没有自有的核心技术,对整个电力通信行业的发展不利。在无线专网方面,国家电网公司建设了230 MHz数传电台、TD-LTE230等[3]。然而,这些专网在建设模式上生搬硬套了公网的“全覆盖”方式,没有考虑到配用电业务的分布特点,很大程度上浪费了无线频谱资源。

本文提出了一种利用现有电网光纤线路资源建设基于TD-LTE的分布式电力无线专网的组网方案, 优点如下。

1)灵活部署、灵活覆盖。充分利用现有光纤资源,可以实现无线射频单元的拉远。电力终端设备一般都相对集中,无线射频单元可以有选择性的部署在电力终端密集处,部署方式灵活。光纤线路是随着电力线路出线的,由于天线角度的可调节,可以方便的实现信号覆盖的灵活性。

2)提高基站边缘区域的通信质量。无线基站的覆盖范围是有限的,增加覆盖范围就需要增加天线的发射功率,从而增加了电磁污染。为解决基站边缘的电力设备信号质量低、通信困难的问题,采用光纤拉远回传的方式,使天线远端部署,扩大了基站覆盖的范围,可以使处于边缘的电力设备提高通信质量。

3)面向业务覆盖,提高频谱利用率。采用光纤拉远的方式也可以实现面向业务的无线覆盖方式, 保证重要业务的通信质量。相对于传统的基站信号覆盖形式,该方案可以避免无设备区域的信号覆盖, 提高了无线频谱的利用率。

1 LTE 电力无线专网架构

电力通信网由骨干传输网和接入网组成,接入网是指10 k V通信接入网和0.4 k V通信接入网,承载了配电自动化、配电信息监测、用电信息采集等业务[4]。接入网将终端上传的数据通过路由器接入到骨干传输网。骨干传输网采用SDH、OTN等技术组网,通过路由器接入到主站业务平台。电力通信网整体架构如图1所示。

在此框架下,本文采用TD-LTE无线专网方案建设[5],其主要的优势如下。

1)TD-LTE相对于传统移动通信方式,具有带宽大、传输速率高等优点,可以承载多样化高带宽服务,满足新兴的电力业务的接入。

2)TD-LTE的频谱利用率高,在多天线技术的支持下目前最大可以达到5 bps/Hz,并且可以上下行灵活分配,适合电力业务上行带宽需求大的特点。

3)TD-LTE无线网络采用扁平化结构,时延很小,建网的成本低。

一个完整的LTE无线专网由基站、核心网、终端设备组成。LTE基站包括基带处理单元(Building Base band Unit,BBU)和射频拉 远单元 (Radio Remote Unit,RRU)。BBU部署在110 k V变电站内,每个RRU通过收发2根光纤连接BBU。RRU及天线通常部署在柱上开关、台变或环网柜旁,核心网设备部署在县局或市局控制中心。无线终端 (Customer Premise Equipment,CPE)通过有线方式连接集中器、配电自动化等业务终端,连接方式一般为网口或者串口。CPE将终端设备的数据通过无线网络传输给LTE基站。远端部署的设备如RRU、天线、CPE等需要考虑供电问题,可采用220 V交流电变压为48 V给设备供电或者采用风能、太阳能等新能源供电方式。

2 基于智能天线的无定形小区组网方式

2.1 无定形小区组网方式

目前,电力通信接入网已经具备了一定的光纤线路资源,但距离光纤到户还有一定差距。电力无线专网的建设是接入网的重要组成部分,不但可以作为终端接入方式的重要补充,还可以在建设模式上利用现有的光纤资源。本文提出的基于小型化智能天线的无定形小区组网方案,即通过光纤将基站的射频单元由传统的变电站延伸到环网柜或柱上开关,将最后一公里没有光纤覆盖的业务终端通过无线方式接入子站。该方案特点如下。

1)基站采用小型化(3~10 m以下长度)智能天线,不需要建设铁塔。解决“串形采集点”、“扇形采集点”等无定形小区无线覆盖组网问题,LTE基站智能天线具有宽带化、多模化、多频化、电调化、一体化能力,能够实现无定形小区无线覆盖组网。

2)面向业务的灵活覆盖。采用无线回传链路的低功率移动接入点的应用,与固定接入点构成一种时间、形状和位置均可动态变化的蜂窝小区,从而改善特定地区的无线覆盖信号强度,增强区域容量。同时,可以根据电力业务终端的分布特点,灵活调整部署位置和覆盖范围,满足电力业务需求的复杂环境或者地区的容量需求,将不连续的各个网络组成一个完整网络。

2.2 智能天线技术

智能天线技术在TD-SCDMA系统中的成功应用,成为第三代移动通信时分双工 (Time Division Duplexing,TDD) 模式的一大亮点。因此,第三代合作伙伴计划 (3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 在进行TD-LTE工作时,专门为智能天线应用进行了标准化设计。传统的天线是单入单出(Simple Input Simple Output,SISO)系统,即一副发射天线配合一副接收天线。SISO系统受香农信道容量的限制。智能天线技术拥有两大特点[6]:1采用波束形成技术。天线获得发送方向和接收方向的信道信息, 通过调整发送参数,使得信号向接收方向集中,从而达到较好的信号质量;2多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术。通过多天线发送和多天线接收系统,增加信道的容量。

智能天线技术优势如下。

1)增加信号的覆盖范围。由于电力无线专网采用面向业务的覆盖方式,不可避免的有信号盲区,智能天线能够将发送信号集中,增加信号的覆盖范围。

2)增加系统容量。在移动通信中,采用小区分裂和扇区化的方法可以有效地扩大系统容量,但是会增加干扰。

3)增加频谱利用率。智能天线采用空分复用技术,利用在信号传播方向上的差别,将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量, 并和其他复用技术相结合,最大限度地利用有限的频谱资源。

4)减少信道干扰。智能天线采用波束赋形技术,可以有效地解决大量用户间的相互影响。

2.3 射频单元级联

配用电设备在不同的场景下,有不同的分布方式。如在某些情况下,电力终端设备是沿着电力线分布的,分布的距离远且不集中。因此无线专网的覆盖需要链形覆盖,这和公网的覆盖方式大为不同,分布式基站的RRU级联拉远可以解决这一问题。本文的设计参考某公司的e NB530[7]。e NB530基站包括基带处理单元e BBU530和射频单元e RRU3232。射频单元在级联的工作模式下最大拉远距离40 km, BBU、RRU级联工作示意如图2所示。

级联工作模式下,RRU的首尾最大距离差为2.5 km,且中间每加一个RRU,距离缩短500 m。首个RRU和BBU的距离最大为37 km。所以整个级联模式下的最大拉远距离为40 km,可以满足电力无线专网的建设条件。

2.4 电力 LTE 无线专网拓扑结构

无线专网非常适合电力终端设备的接入,主要原因为:电网终端设备基数庞大;光纤铺设不可能全部覆盖;设备的移动和维护便利。在LTE电力无线专网的建设中,采用部署不同的BBU和RRU拓扑结构,可以适应不同的业务分布。

2.4.1 星形拓扑结构

城市的密集区域,一般是以居民住宅为中心,在居住区旁分布商业区、工厂、学校、医院等一些人们生产、生活聚集地。在此场景下,电力业务多为营销用电业务,如用电信息采集、电动汽车充换电站、分布式能源与微网接入等。该场景可以采用RRU的星形拓扑结构(见图3),即多个RRU服务于同一个BBU。该拓扑结构可以很好地匹配城市密集区域的电力终端设备接入。

2.4.2 链形拓扑结构

BBU、RRU链形拓扑 结构如图4所示,多个RRU在级联的形式下工作,RRU之间也是通过光纤的方式连接。RRU工作在级联方式下会提升背景噪声,影响数据的传输质量。但是TD-LTE系统高速数据业务速率要求不高,一般可以级联10级以上,可以大大拉远基站的覆盖范围。此种组网方式适合于沿着一次电力线路部署的配电设备和农村的用电业务。

2.4.3 树形拓扑结构

BBU、RRU树形拓扑 结构如图5所示,通过RRU的级联方式,可以实现信号的远端覆盖,同时可以覆盖电力线沿途的配电设施。此种结构适用于工厂配用电、距离较远的小区用电等情景。

3 案例分析

3.1 智能小区典型场景绘制

建设部2003年发布了居住区智能化系统配置与技术要求[8]。基于智能电网的智能小区采用光纤、无线等先进通信技术,构造覆盖小区的通信网络。智能小区无线专网覆盖如图6所示,通过用电信息采集、双向互动服务、小区配电自动化、电动汽车有序充电、分布式电源运行控制、智能家居等技术[9],对用户供用电设备、分布式电源、公共用电设施等进行监测、分析、控制,提高能源的终端利用效率,为用户提供优质便捷的双向互动服务,并支持“三网融合”业务的开展,以及实现对小区安防设备和系统的协调控制。

3.2 典型电力业务分析

本文对智能电网下的智能小区进行分析,假设该小区内有建筑20栋,楼层高度为18层,每层用户为8户。该小区的典型电力通信业务有:用电信息采集、视频监控、分布式能源接入以及电动汽车充电桩。智能小区典型业务数据流量见表1所列。

表1中列出了该小区无线专网承载的业务类型及数据量。其中,用电信息采集[10]主要数据流包括计量数据、监测数据、告警事件主动上报数据和控制指令数据,每次采集68 B,共需带宽1.54 M。小区中的分布式能源包括:风能发电、光伏电板、沼气发电[11]等, 每个分布式能源接入等同于大型专变用户[12]数据流量计200 B,端数据流估值为4 000 B。电动汽车充电桩等同于大型专变用户,每个充电桩数据流量200 B, 终端数据流估值为8 000 B。视频监控是电力设施监控和小区安防的重要组成部分,为保证视频质量,视频传输格式采用标清,每路视频所需带宽2 M,共计4 M带宽。综上所述,该小区的总带宽至少需要6 M。

3.3 网络性能分析

本文依托南京南瑞集团公司江宁基地LTE电力宽带实验网来模拟智能小区覆盖情况。LTE无线实验网覆盖东起金智路,西至丹阳大道,南起诚信大道,北至佛城西路,共约2 km2的范围,主要包括南瑞集团江宁基地和南京江宁智能电网产业基地。

实验网包含核心网设备1台,基站基带处理单元1台,射频拉远单元RRU共计3台,4T4R天线3副,各类无线终端、视频终端、数据采集终端等。实际测量指标如下。

1)LTE系统支持5 MHz、10 MHz和20 MHz带宽配置。

2)实验网最大用户数不小于2 000个;最大在线群组数不小于300 ;最大并发语音数不小于256。

3)单个RRU覆盖半径不小于1 km。

4)系统吞吐量下行不小于40 Mbit/s, 上行不小于15 Mbit/s(5 M带宽 )。

5)满足配用电业务的实时性指标,业务的端到端时延小于200 ms。

基于实验网实际测量指标和智能小区数据流量估计模型分析,本文提出的面向业务覆盖的新型电力无线专网架构完全满足智能电网的现有及将来可能的业务扩展需求。

4 结语

电力无线专网 篇4

随着智能电网建设规模的日益扩大,电力系统应对各种紧急事件和自然灾害的能力也亟待提升。电力系统应急通信主要解决灾害应急抢险、重大事件现场调度指挥、通信系统设备和线路故障排查等应用场景下的数据传输和通信组网问题。应急通信系统的多业务承载调度能力和通信网络的安全可靠性,对快速了解现场情况、现场人员的调度指挥以及高效处理突发事件起到至关重要的作用。

近年来,国内外许多研究机构十分重视应急通信系统的研究和开发,采用了多种通信技术来组建高效可靠的应急通信网络[1,2,3]。无线通信技术因具有可扩展性强、覆盖范围广、接入灵活、能够快速提供服务等优点,成为研究和应用的热点。目前国内电力系统主要采用光纤通信方式,光纤通信方式通常随一次线路走向实现面向线路的覆盖。对于光纤没有铺设到的地区以及光缆故障等情况,采用无线通信方式实现面向区域的覆盖。无线通信因其不受线缆铺设等工程问题的限制,通常作为电力应急通信系统的优选技术方案。

电力无线专网和无线公网相比,其带宽资源有显著优势,能够同时支持多路高清视频数据传输;而利用公网通道时,业务的优先级和安全性难以得到保证。在某些地区公网无法提供覆盖和传输通道的情况下,无线专网更发挥了不可替代的作用。因此,本文主要研究如何采用电力无线专网解决应急通信业务的传输问题。电力无线专网采用的技术体制包括多载波无线信息本地环路(Multi-Carrier WirelessInformation Local Loop,Mc Wi LL)、230 MHz无线通信系统、1.8 GHz长期演进(Long Term Evolution,LTE)宽带无线通信系统以及全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access,Wi MAX)。目前,电力无线专网主要用于配网、用电信息采集以及输电线路状态监测等业务[4,5,6,7]。由于230 MHz无线通信系统可用频点不连续且仅有1 MHz带宽,无法满足应急通信视频业务的传输需求[8]。考虑到Mc Wi LL与Wi MAX的产业链 较单一,不利于在电网中推广应用,因此,本文提出基于1.8 GHzLTE宽带无线通信系统构建应急通信网络。

1网络架构

1.1系统组成

电力应急通信系统主要由控制中心、无线基站、无线接力设备以及现场终端组成。电力应急通信系统组成如图1所示。

1)控制中心通常位于省、市电力公司的中心通信机房,部署多媒体调度指挥系统、网管系统以及监控中心视频服务器,负责控制和管理整个网络。控制中心可以承接多个远端现场回传的数据,并与应急指挥现场实现基于语音和视频业务的互动。控制中心与部署无线基站的变电站(35/110 k V等)之间需要利用有线承载网完成基站与控制中心之间的数据通信。基站与控制中心的宽带通信可以采用常见的电路方式,包括多个2 M电路捆绑、10/100 M局域网等。利用光传输设备将无线基站采集到的现场数据经变电站回传到控制中心。

2)无线基站通常部署在变电站。1.8 G LTE无线基站包括基带处理单元、射频拉远单元、核心网设备以及天线。由于LTE系统支持分布式组网,即将部分射频拉远单元和天线通过现有的光纤链路部署到距离基站较远的地区(不超过10 km)。基带处理单元和核心网设备通常位于变电站通信机房内。无线基站负责有线到无线的宽带数据转换,是沟通变电站到应急现场的核心节点。目前,应急通信通常采用可快速部署的一体化轻型基站,整体大小约为2U。基站通过百兆以太网口与变电站内的有线通信网互联,接入综合数据网,提供应急现场至中心的业务通信。一体化轻型基站便于移动和携带,天线安装简便,基站电源系统可以独立工作。

3)由于无线基站的覆盖范围有限,当应急现场距离变电站超过5 km时,需要通过中继节点完成数据的多级中继转发。系统采用应急通信车作为无线接力网元,利用LTE无线宽带通信技术将数据无线宽带接力到指挥现场。除此以外,应急通信车也可以部署在应急现场,直接采集现场终端的业务数据。车载系统由3部分组成:1无线接力网设备:负责实现与基站或无线接力设备之间的通信;2多媒体调度指挥系统:用于在通信车内指挥现场人员,观看现场终端传回的视频;3本地无线网络主设备:负责组建本地无线局域网络,如无线局域网(Wireless LocalArea Networks,WLAN)。

4)本地无线网络主设备(如无线接入点)需要提供与无线接力网设备的有线通信接口,将本地网络的数据业务传递到接力系统中。多媒体调度指挥系统需要具备组呼、强拆、视频回传、视频分发等功能。车载系统的供电电源需要满足便于移动的要求,通常采用柴油发电机供电。现场终端以无线手持或头盔式单兵无线终端为主,能够支持语音、图像、短消息、视频等业务,视频格式不低于720 P。

1.2组网方案

整个应急通信网络划分为远传网络和本地网络2个部分。远传网络主要负责数据从无线接力点到控制中心的传输,采用LTE技术组网(见图1);本地网络主要负责各类无线终端与无线接力点的数据传输,采用LTE或WLAN技术组网。本地无线网络组网结构如图2所示。

1)远传网络。远传网络包含有线传输部分和无线传输部分,有线传输网络通常利用光纤骨干网的SDH/MSTP等通信设备实现数据透传。光传输设备需要提供满足现场所有并发接入的终端业务需求的接入板卡,并对路由进行合理配置。无线传输采用TD-LTE技术组网,根据各地区向国家无线电管理委员会申请的1.8 G频段,为不同优先级业务灵活分配带宽。根据实测结果,为保证现场4路高清视频图像的回传,建议在1 785~1 805 MHz可用频段内申请10 MHz带宽。

2)本地无线网络。利用短距离无线宽带数据通信技术(如WLAN、视距激光)实现本地无线数据通信的延伸。本地无线网络由车载系统上的本地无线网络主设备(即WLAN的接入点)和可移动的、能承载各种业务的无线数据终端组成。本地WLAN网络可以使用5.8 GHz和2.4 GHz开放频段。考虑到WLAN在接入安全机制上存在较大隐患,也可以在本地无线网络采用LTE技术组网,不仅能够提高数据传输的安全可靠性,也提供了比WLAN更广的本地无线覆盖范围。

另外,无线终端延伸系统用于局部延伸数据通信,能够发挥终端可移动的业务接入特性。终端一般采用手持、便携和临时放置的安装方式。无线终端提供的业务接口包括蓝牙、USB、串口、以太网口等。

1.3数据传送过程

应急通信系统属于基础通信系统,从通信业务来看,应急通信系统可提供透明传输通道将现场的数据业务、音视频业务传送到控制中心。目前的应急通信系统提供4种业务,包括IP数据、图像、音频和视频。数据业务传送过程如图3所示。

以视频业务上传到控制中心的过程为例,现场无线终端采集视频数据流后经过本地无线网络将数据发送到车载系统。车载系统再将数据转发到附近的LTE无线基站,基站接收到数据后将视频流通过核心网设备送往变电站内的交换机或路由器,再经过骨干光传输网络送至控制中心。在控制中心,视频流通过监控中心视频服务器后经安全接入平台进入内网系统,视频流可分发到桌面终端和调度指挥系统,最终实现整个视频流的端到端传输。电力无线专网相对于无线公网,虽然其安全性有进一步提升,但相对电力内网而言,其仍属于外网通信的范畴。若要通过部署在电力内网的客户端访问由LTE专网传输的视频和图像,则必须经过电力安全接入平台。视频客户端、服务器端可部署在电力安全接入平台内侧,也可将视频服务器部署在电力安全接入平台外侧,而将内网视频客户端部署在电力安全接入平台内侧。从应用经验和综合性能提升角度来看,建议将视频服务器部署在电力安全接入平台外侧。

2关键技术

LTE宽带无线通信系统具备传输速率高、系统容量大、支持高速移动、网络结构灵活以及覆盖范围广等诸多技术优势[9,10]。LTE在电力应急通信中应用涉及的关键技术如下。

1)自适应编码调制技术。自适应编码调制技术的应用可以提高无线接入系统的吞吐量和频谱资源利用率。基站根据当前的信道环境自动选择最佳的上下行调制和编码方式,使系统更好地适应传输环境的动态变化。在信道条件较好时,采用高阶调制提高单位带宽的传输速率,这对于应急通信中的高带宽需求的视频业务提供了重要保障。在同一无线链路中针对不同用户采用不同的码率和调制阶数,既能保证与基站相距较远用户的低速接入,又可以兼顾近距离用户的高容量带宽需求。

2)智能天线技术。应急通信业务的实时性要求较高,因此,临时应急通信通道的快速建立能够最大限度地降低故障或灾害带来的损失。智能天线技术和GPS技术可以实现天线的快速自动定位,在不增加系统复杂度的情况下,智能天线可以满足无线应急通信网络的业务服务质量和网络容量的需求。通过产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,在利用移动用户信号空间特性的同时抑制了干扰信号。

3)动态带宽分配技术。供电力专网使用的无线频段资源有限,突发事件的业务通信需求往往难以预测。因此,无线网络必须充分利用有限的频谱资源,根据用户的优先级和现场接入业务的类型,灵活地分配带宽,提高频谱效率。动态带宽分配技术在综合考虑业务优先级和服务质量(Quality ofService,Qo S)的基础上,利用不同用户间无线信道状况的差异性,优先将传输资源分配给信道状况好的用户,再配合自适应编码调制技术,最大化网络的系统吞吐量,降低端到端业务的传输时延。同时,动态带宽分配技术也可以为信道环境较为恶劣的用户提供最低的带宽资源保障,确保语音业务能够顺利接入。

3性能测试

为验证LTE宽带无线通信系统对电力应急通信业务的支撑能力,利用LTE实验系统模拟现场应用,对语音和视频业务进行性能测试。考虑到应急通信主要是将现场数据传送到控制中心的上行业务,将TD-LTE系统上下行时隙比设置为3:1,尽可能多地为上行业务提供传输时隙资源。系统采用三扇区4发4收天线覆盖,使用1 795~1 805 MHz的无线专网频段。测试的主要内容包括:1将多路视频上传至调度台;2将现场视频数据分发到多个手持终端;3调度台组呼;4上下行峰值速率测试。

分别用4部手持终端将不同地理位置采集的视频数据同时传输到调度台,以及将摄像头采集到的视频数据通过多媒体调度台分发到4部手持终端上。在测试过程中,上传视频的手持终端始终保持5 km/h的移动速度。测试结果表明,在同时上传4路720 P高清视频业务时,系统运行稳定,画面清晰流畅且无马赛克,端到端时延不超过1 s。多路视频业务接入与视频分发测试结果截图如图4所示。

为了更精确地评估LTE系统的业务传输能力,利用吞吐量测试软件测试了网络上下行峰值的传输速率,其中模拟数据源的发包速率为30 Mbps。由测试结果可知,系统下行峰值速率稳定在18.5 Mbps,而上行峰值速率约为12 Mbps,上下行峰值速率测试结果如图5所示。

上行速率主要受限于终端发射天线数量。在下行速率测试过程中,开启了5 s的视频分发,即将控制中心视频摄像头视频业务分发到现场终端。由于视频业务的优先级高于IP数据业务,因而导致数据传输的吞吐量瞬间发生了抖动。测试结果表明,LTE宽带无线通信系统能够很好地满足电力应急通信业务的需求。

4结语

电力无线专网 篇5

智能配用电通信网是智能配用电网络的重要组成部分。配用电通信网处于电力系统通信网络的末端,覆盖范围大,信号分散。在光纤通信不易实现的地方,选择合理的无线通信方式是建设可靠、实时、安全、经济的配用电网络的重要环节。

准确了解智能配用电系统在带宽、传输速率、信息安全等各方面的通信需求,并从满足智能电网业务需求的角度,选择或设计出一套高速、可靠、安全的电力无线通信系统具有重要意义。

由于智能电网业务分析其通信需求是选择合理通信方式的前提,一些文献就此进行了分析研究[1,2,3,4]。目前采用的主要分析方法是对通信需求的估算。它是基于对采样速率、采样值等多个参数假设后得到的,不能准确反映实际通信需要,而且在结合电力业务需求分析方面,也没有针对智能配用电通信接入网。

围绕智能电网的建设和发展,无线通信在智能电网中的应用越来越受到关注。许多文献对无线通信技术的发展方向进行了分析[5,6],还有些文献将无线通信技术与智能电网业务相结合,提出不同应用场景的不同无线网络结构[7,8,9,10]。但由于无线通信技术种类很多,而智能电网对业务的通信需求又不尽相同,因此在选择通信方式上还需要结合智能配用电通信网络实际应用需求进一步研究。

本文从智能配用电的业务出发,对通信接入网在带宽、时延以及安全方面的需求进行了定量分析,并结合配用电通信现状,提出了一种基于分时长期演进(TD-LTE)技术的新型电力无线宽带系统解决方案。

1 智能配用电通信结构和特点

智能配用电通信网络由于规模大、结构复杂,涉及的设备和信息多且分散,单一的通信模式不能满足双向、可靠、安全的要求,通常需要采用复合组网结构实现。为便于管理,将智能配用电网一体化通信平台分为4个层次。其基本结构如图1所示。

第1层:供电企业现有的光纤骨干传输网。

第2层:实现从光纤网(光纤接入点)至配电网开关站、配电室、环网柜、柱上开关、公用配电变压器、分布式能源站点、配电线路等的通信覆盖。

第3层:实现从配电变压器至用户表计、电动汽车充电站、分布式能源站点等的通信覆盖。

第4层:实现家庭内部组网,为智能用电服务系统建设提供高速数据通道。

根据配电自动化通信网的层次划分,在实际应用中,可以采用无线网络和有线网络相结合的通信方式。其中,在第2层光纤接入点至各配电集中器之间采用无线通信方式,能充分发挥无线通信组网灵活、易于扩充的特点,具有建设周期短、易维护等优点。配用电接入网通信现状如附录A所示。

2 主要业务需求分析

2.1 带宽

1)用电业务

电力用户用电信息采集系统的采集对象为所有电力用户,包括:大型专用变压器(以下简称专变)用户(A类)、中小型专变用户(B类)、三相一般工商业用户(C类)、单相一般工商业用户(D类)、居民用户(E类)、公用配变考核计量点(F类)。各类用户的采集数据流量估算如表1所示。

表1数据来源为深圳市国电科技通信有限公司。其中E类用户(居民用户),按照15min的采集间隔进行计算。各类采集终端均有基本模式和最全模式2种状态。基本模式下只对必需的数据进行采集;最全模式则对规范中的全部数据进行采集。

按照式(1)计算各用户所需带宽为:

A,B,C,D类的用电信息采集无集中器,每个终端模块只承载一个用户,单个通信模块数据传输要求远低于E,F类用户。

对于E类的用电信息采集业务,按照每个集中器承载50个采集器,每个采集器承载10个电能表(参考实际工程中用电信息采集的建设情况,考虑集中器最大承载电能表数量)计算,集中器所需有效带宽如下。

最全模式:

基本模式:

每个台变下平均有5至10个关口计量点(F类),按最多10个F类用户计算,单台变下F类用户所需的传输带宽如下。

最全模式:

基本模式:

2)配电自动化

配电自动化系统主要实现开关站、环网柜、箱式变电站、柱上开关、柱上变压器等设备信息的采集和控制。

根据GDW 382—2009《配电自动化技术导则》,配电终端与配电主站/子站之间的通信宜分别采用符合DL/T 634《远动设备及系统》和DL 451《循环式远动协议》标准中的DL/T 6345-101,DL/T634.5-104通信协议和循环远动协议(CDT)。

按照DL/T 634.5-101,DL/T 634.5-104协议,标准传输速率是:2.4,4.8,9.6,19.2,38.4,56.0,64.0kbit/s;《循环式远动协议》标准中CDT支持的传输速率有:1.2,2.4,4.8,9.6kbit/s。

3)应急抢修、检修及移动资产可视化管理

应急抢修、检修及移动资产可视化管理通常采用视频监控,如采用标准化图像格式(CIF),分辨率为352×288像素,H.264编码,帧速率为15帧/s(可保证图像流畅),占用带宽约为512kbit/s;如采用D1格式,分辨率为720×576像素,则需占用带宽1.0~1.2 Mbit/s。

以上是对配用电系统主要业务的带宽需求分析,随着如智能电网用户服务、分布式电源管理、电动汽车等智能配用电新业务的接入,带宽需求将会进一步增加。

2.2 实时性

配电网是一个实时监测系统,不同的业务对时延的要求不同。其中配电自动化对主要通信下的技术指标如表2[11]所示。

根据《电力用户用电信息采集系统设计导则第三部分:技术方案设计导则》,用电信息采集系统的系统响应速度要求分别是:主站巡检终端重要信息时间小于15min;系统控制操作响应时间小于5s;常规数据召测和设置响应时间小于15s;历史数据召测和设置响应时间小于30s;计算机远程网络通信中实时数据传送时间小于5s。

2.3 安全性

通信网络为智能电网提供网络支撑平台。它包括网络中提供的路由、交换设备及安全防护体系建设所引入的安全设备、网络基础设施等。通信网络层的安全防护目标是防范恶意人员通过网络对业务进行攻击,同时阻止恶意人员对网络设备发动攻击等。通信网络层采取的安全防护措施包括短距离无线通信网络安全、无线公网/专网网络安全、以太无源光网络(EPON)安全、系统主站与通信网络层边界安全、主站局域网网络安全等[12]。

为确保系统的安全性,配电自动化系统主站与子站及终端的通信方式原则上以电力光纤通信为主。但对于不具备电力光纤通信条件的末梢配电终端,通常使用无线通信方式。

对于只采集遥信、遥测的配电终端,可采用无线公网方式进行通信。公网通信必须采取接入点名称(APN)和虚拟专用网络(VPN)等安全隔离、访问控制、认证加密等安全措施。具备遥控功能的配电自动化区域应优先采用专网通信方式;依赖通信实现故障自动隔离的馈线自动化区域宜采用光纤专网通信方式。无论采用哪种通信方式,都应对控制指令使用基于非对称密钥的单向认证加密技术进行安全防护[13]。

用电信息采集系统需要在不同主站系统之间建立远程安全加密信道,并采用身份认证、网络边界防护、隔离装置等安全措施,为应用系统提供数据源认证、抗回放、数据加密、数据完整性验证等多重安全功能,有效抵抗窃取网络信息、篡改网络数据、网络重放攻击,确保发送电力数据的加密性,保证充值数据的安全性以及防止内部网络信息等攻击。

3 新型电力无线宽带

基于TD-LTE技术,在电力专用频谱上研究开发的新型电力无线宽带系统是一种电力无线专网,系统采用正交频分复用技术(OFDM)、载波聚合、干扰抑制、灵活的帧结构,以及2层安全保护等关键技术,实现对电力业务的定制开发。

3.1 关键技术

1)载波聚合

这种新型电力无线宽带是在国家无线电委员会批准的230 MHz频段范围内专用的15对双工频点和10对单工频点构建的电力专用无线通信系统。该频段主要实现电力需求侧管理,频谱离散地分布在民用短波频段上,分布区间宽度为8.15 MHz。每个离散的频点带宽为25kHz,共有40个子带,最低频点的子带为223.525 MHz,最高频点的子带为231.65 MHz。

为了提高频谱效率,系统采用了载波聚合技术。载波聚合技术将每个离散的信道看成一个成员载波,将不连续分配的成员载波进行聚合,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,从而达到宽带传输的效果。

2)灵活的帧结构

配电网系统要求双向通信,但是上下行业务的通信量并不均衡。与公网的通信不同,配电网中上行的业务量远大于下行业务量。时分双工(TDD)系统中,上下行信道占用资源可通过调整上下行时隙比例方式灵活配置,适合这种非对称业务。

TD-LTE系统支持多种时隙比例配置,对于10ms周期的帧格式,可将一帧报文的5个子帧分别设计为:1个子帧承载下行业务,3个子帧承载上行业务,中间1个特殊子帧做同步和上下行通信的转换。

3)安全结构

在电力无线宽带系统设计了2层安全保护:第1层为演进的通用陆基无线接入网(E-UTRAN)中的无线资源控制协议(radio resource control,RRC)层安全和用户层安全,即接入层安全;第2层是演进型分组核心网(evolved packet core,EPC)中的非接入层安全。这种形式可使2层之间相互影响最小,提高了整个系统的安全性。

这种新型电力无线宽带系统在设计和开发过程还应用了很多其他关键技术,如干扰协调、链路自适应、频谱感知和OFDM等技术,这些对提升系统性能都发挥了很重要的作用。

3.2 实施方案

这种新型电力无线宽带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。它支持的电网业务有:配电自动化、负荷管理、用电信息采集、智能电网用户服务、应急抢修、检修及移动资产可视化管理、电力安全监控等。新型电力无线宽带网络的系统结构如图2所示。图中:FTU为馈线终端单元;TTU为配变终端单元;DTU为配电终端单元;业务平台提供业务数据统计、查询、分析,实现视频监控等;核心网负责业务数据的传输、接入网络的控制管理;接入设备提供无线覆盖、终端设备的接入控制等;终端设备负责业务数据的汇聚和上传、控制信息的下发。

这种新型电力无线宽带系统对现有系统设备的影响很小,在终端设备上采用统一接口,只需要将现有终端设备中的通用分组无线业务(GPRS)发送模块更换成新的远程通信模块即可,最大限度降低对现有系统的影响。

基站是系统建设中占用投资比重较大的部分,但因为使用目前电力专用230 MHz频段,其频率较低,系统的覆盖面积较大,能有效节约成本。实际上,研究发现,建设这种电力无线专网系统的成本比使用无线公网要低一些[14]。

3.3 测试验证

1)覆盖范围测试

由于这种新型电力无线宽带系统的工作频段为230 MHz,频率低、传播损耗小,具有覆盖距离远的特点。

系统分别从小区搜索、随机接入、业务覆盖距离以及不同环境进行了覆盖范围的测试。测试结果为:基站最远覆盖距离可达12km,在楼群遮挡的凹地环境中覆盖距离也可达3km,并且在有树木遮挡、有楼宇遮挡、室内、雨天、雾天等复杂环境下,都具有良好的覆盖能力。

2)传输速率测试

在加性高斯白噪声(AWGN)信道下,对新型电力无线宽带系统采用不同调制编码方式所能够达到的最大上行传输速率进行链路仿真,结果见图3。由图3可知,在正交相移键控调制(QPSK)方式下,最大能够获得的传输速率为0.42Mbit/s;在正交幅度调制(16QAM)方式下,最大能够获得的传输速率为0.93 Mbit/s;在相正交振幅调制(64QAM)方式下,最大能够获得的上行传输速率为1.76 Mbit/s。

实验室环境下,设备的实际测量数据和系统的理论数值基本一致,现场实测的平均上行传输速率最高达1.6 Mbit/s。

3)系统容量测试

由于配用电无线通信系统的业务复杂、终端分布广泛且密度大,因此需要提高系统容量来满足海量用户的需求。测试主要针对用电信息采集业务,设定调度周期为4s,如果有实时性要求高的业务,可以将调度周期调整到400ms或800ms。

设在一个频点上每400ms有6个调度请求资源。由于230 MHz频段有40个工作频点,因此每16个无线帧时间内有240个资源可以用于发送调度请求。当系统调度周期为4s时,则最多可以分配的用户数为2 400个。为保证系统稳定工作,需要留有一定的冗余,因此,将系统最大用户数设定为2 000个。

经测试,在2 000个用户情况下,系统的时延能满足每个用户调度时延小于4s的要求,能满足电网业务用户数量大、调度时延小的需求。

4)抗干扰性能测试

接入设备和终端设备在主要的射频指标(频率容限、发射机最大输出功率和杂散发射),满足《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》等标准的情况下,对系统与数传电台兼容共存的情况进行测试。

测试主要分为2个部分:一是传统数传电台对系统的干扰,二是系统对传统数传电台的干扰。经过实际测试,当和传统数传电台共存时,实测噪底略有抬升,但电力无线宽带通信系统和传统数传电台均能正常工作,即电力无线宽带系统可与传统数传电台兼容与共存。

5)电力业务的承载测试

目前,这种新型的电力无线宽带系统已经在浙江省海盐供电公司稳定运行一年多,主要应用于抄表等数据业务和视频监控等图像业务。经过现场测试,与GPRS和数传电台相比,这种新型电力无线宽带系统具有频谱效率高、数据吞吐量大、支持多媒体业务能力和系统稳定性好等综合优势。具体数据比较如表3所示。

运行试验证明这种新型电力无线宽带系统能够很好地支持电力配用电业务的无线传输需求。

4 结语

本文按照通信需求提出一种新型的电力无线宽带系统的建设方案。该方案面向用电信息采集、配电自动化、负荷管理,以及应急通信等智能配用电业务。通过实验室实验和现场试运行证明,建设这种基于电力专用频谱资源,使用TD-LTE技术的电力专用无线通信网络,是智能配用电系统大范围、多测量点通信技术问题的比较理想的解决方案。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

电力无线专网 篇6

分时长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)是第三代移动通信标准时分同步码分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,TD-SCDMA)的长期演进版本,采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、多输入多输出(Multiple-Input MultipleOutput,MIMO)等技术,使系统性能上有很大提升[1]。TD-LTE电力无线专网系统是采用TD-LTE核心技术开发出的并针对电力通信专网应用的无线宽带通信系统。双工方式的工作特点使其具有如下优势:灵活配置频率,使用频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)系统不易使用的零散频段,组网灵活;灵活调整上下行时隙配比,更好地支持非对称业务;上下行共用频带,具有上下行信道一致性,基站的接收和发送可以共享部分射频单元,降低了设备成本;具有上下行信道互易性,能够更好地采用传输预处理技术,如预RAKE技术、联合传输技术、MIMO技术,有效降低终端处理复杂性,增加覆盖范围和网络容量。

无线专网的信息传输通道是暴露的,信息传递过程中的安全可靠性、非法终端的接入以及非法基站向终端设备发送控制信号都会给整个电力终端通信接入网甚至是配用电网络带来巨大的安全隐患[2,3,4]。

1 LTE电力无线专网安全架构

1.1 安全架构模型

LTE电力无线专网的安全架构在GSM、通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)两代移动通信系统的安全体制基础上有了长足的发展和优化改进[5,6,7,8]。4G网络的加密认证算法更加安全可靠,端到端认证机制更加完善。在LTE专网的网络边界以及和外部网络的互联互通口通过防火墙接入内部SAE网络,当LTE回传/汇聚网络是租用链路时,e Node B和回传/汇聚网络互联口也可以部署防火墙,TD-LTE系统安全防护架构如图1所示。

边界防火墙可以实现网络地址转换(Network Address Translation,NAT)、分布式拒绝服务(Distributed Denial of Service,DDo S)攻击防范、域间隔离、访问控制列表(Access Control List,ACL)过滤以及接入控制等安全防护功能。

在LTE网络中,每个无线终端设备需要与所在的核心网进行注册,核心网为每个无线终端分配唯一的标识符和根密钥,根密钥由核心网设备的鉴权模块和用户共享。而为终端分配的标识符和根密钥则存于用户终端的内存和核心网认证功能模块。

TD-LTE电力无线专网系统的安全逻辑结构系统分为3个层面,针对不同的攻击类型,主要涉及以下5类安全。

1)网络接入安全:无线链路安全,包括用户身份、位置、行踪、实体身份、加密密钥分发、用户数据和信令数据保密、消息认证等;

2)核心网网络系统安全:网络实体间安全交换数据,实体间身份认证、数据加密、消息认证、欺骗信息搜集等;

3)用户安全:基站安全接入,包括用户安全加密认证、链路保护等;

4)应用安全:用户与服务提供商间安全交互信息,实体间身份认证、应用数据重放攻击检测、数据完整性保护、接收确认等;

5)安全特性可见性与可配置能力:用户获得安全性是否开启、服务是否需要安全服务等。

为了确保通道的安全,TD-LTE电力无线专网着重进行了如下安全性建设。

1)采用双向认证:认证参数由五元组变为四元组,认证向量采用标准LTE认证向量,也可以采用用户自定义的安全向量;

2)密钥层次:多层的密钥生成架构,支持对称与非对称;

3)完整性和加密:用户设备(User Equipment,UE)与e NB之间的无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)信令需要受到机密性和完整性保护;UE与移动管理实体(Mobility Management Entity,MME)之间的网络附属存储(Network Attached Storage,NAS)信令需要受到机密性和完整性保护;UE与e NB之间的用户数据需要受到机密性和完整性保护;

4)状态转换:用户状态转换时的安全参数处理;

5)移动性安全:利用密钥转换保证切换前向和后向安全;

6)加密算法:采用ZUC、AES,并额外引入国密办要求的SM1算法。

1.2 网络分层防护机制

TD-LTE系统将安全在AS(在e NB端的RRC安全)和NAS信令之间分离开,并且在e NB上终止用户层安全,无线链路和核心网使用独立密钥。总体来说,系统包含两层保护:第一层为E-UTRAN网络(RRC安全),即空中传输接口安全;第二层是演进的核心网(EPC)NAS信令安全和用户层保护。LTE网络安全分层防护功能模型如图2所示。

上述网络分层防护机制是为了使E-UTRAN安全层和EPC安全层之间的影响最小化,可以提高整个系统的安全性。

1.3 密钥架构

在接入层通过鉴权与加密,为终端用户提供安全接入服务,特别是防止无线接入链路上的攻击(主要包括伪冒用户、截获用户信息并重放等)。TD-LTE电力无线专网针对不同的终端用户等级,提供不同的根Key,并在此基础上提供了基于公钥交互的安全认证与密钥交互机制,防止由于单个用户根Key被破获而导致同系列Key失效的问题。另外,采用不同层次的密钥生成方式,产生用于不同层的加密和完整性保护密钥,以防止下级密钥泄露导致上级密钥泄露的问题[9]。LTE网络的密钥层次架构中包含以下密钥:用户设备和用户归属服务器(Home Subscriber Server,HSS)间共享的密钥;移动设备(Mobile Equipment,ME)和接入安全管理实体(Access Security Management Entity,ASME)共享的中间密钥;用户设备(UE)与e NB和MME的共享密钥。

在网络域,每一个实体间的信令数据、用户数据均为加密传输,并且实体与实体间采用不同的密钥,均为双向认证,从而防止终端假冒与基站假冒等。TD-LTE电力无线专网的双向认证有助于从根本上解决传统2G、3G中用户误接入假冒基站从而泄密并被进一步破坏整个网络的事情发生。

TD-LTE电力无线专网终端部分取消了USIM的概念,采用一体化设计,并引入安全Flash存储,更高等级的实现了用户的安全性,防止USIM的滥用。电力无线专网在用户域提供额外的密钥加密算法,用户的关键性数据可以得到更高强度的保护,终端用户可以保证传输数据的安全可靠[10]。

无线专网支持的加密和完整性保护算法见表1所列。

2 安全风险分析及应对策略

以承载用电信息采集业务的冀北LTE无线专网为例,分析TD-LTE电力无线专网在业务应用上面临的安全风险,并给出应对策略。

2.1 方案综述

电力无线专网传输用电信息采集业务的完整接入方案描述如下:嵌入4G无线终端模块的集中器通过无线专网链路将采集到的用电信息数据首先发送至基站,基站通过光纤回传网络将数据发送到部署在县公司的核心网;核心网对数据进行解密和身份认证,校验数据的完整,数据经部署在核心网后端的防火墙再上传到用电信息采集业务网关机;最后,由网关机通过安全数据交换平台设备接入信息内网,实现与用电信息采集终端与主站之间的数据通信。冀北电力TD-LTE电力无线专网架构如图3所示。

2.2 安全风险分析及应对策略

从前述分析中可知,TD-LTE电力无线专网在无线终端与核心网之间通过多级鉴权、空口加密、NAS信令加密等多重安全措施,确保通道的安全,从而保证了数据传输的安全,但是仍然存在一定风险和安全隐患。

2.2.1 安全风险分析

通过TD-LTE电力无线专网承载用电信息采集业务的主要风险如下。

1)采集终端风险:采用任何通信方式均存在用电信息采集终端丢失或被替换的风险,通过TD-LTE电力无线专网承载同样存在该风险。

2)网络边界风险:无线专网与信息内网的网络边界可能存在网络攻击、病毒传播、来自不明入侵者的通信等风险。

2.2.2 应对策略

1)接入安全。电力终端与无线终端之间设置心跳机制,若发生中断,应及时告警;不同大区业务接入不同频点,实现业务的物理隔离;相同大区业务接入不同无线接入点(Access Point Name,APN),实现物理隔离;用户与基站之间进行双向身份验证,防止非授权用户或者非法无线终端接入以及电力无线终端接入伪基站;核心网设备通过VPN技术结合不同的物理出口,分别与安全I/II区应用服务器相连。

2)无线信源安全。为不同终端的无线信号插入不同的安全干扰码,增加信号被破译的难度。

3)无线信道安全。利用LTE所提供的分层安全机制,即接入层安全(起止于UE和e Node B)和非接入层安全(起止于UE和MME),实现信令与用户数据的加密和完整性保护。

4)业务安全。在主站和电力终端设备上配置安全模块,对来源于主站系统的控制命令和参数设置指令采取安全鉴别和数据完整性验证措施,以防范冒充主站对终端进行攻击,恶意操作电气设备的目的。为增加安全性,可配置具有双向认证加密能力的安全模块,实现主站和子站终端间的双向身份鉴别和端到端数据加密。

5)监管安全。部署电力业务监管系统,该系统旁接于核心网设备,监听所有进入核心网的数据。通过分析协议状态以及业务特征,配合合规数据库,判断数据的合法性。若判断数据异常,可通过发声、闪光、邮件、短信等多样方式告警,并且与核心网设备联动,截断与异常数据源(终端)的通信。

6)算法安全。加密算法保留TD-LTE原有的ZUC、AES算法,同时引入国密办要求的SM1算法,配置时,根据安全需求进行选择。

3 结语

TD-LTE电力无线专网在输、配、用电等领域具有光纤通信无法替代的作用,随着未来智能电网通信覆盖的不断深入,应用规模呈现增长趋势。尽管无线通信存在一定的安全风险,但是通过LTE系统本身的各种安全策略、加密防护机制,并在电力无线专网中采取一系列具有针对性的安全手段,将大大提高电力通信业务的安全可靠性。

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摩托罗拉系统拓展无线专网新疆界 篇7

更值得一提的是, 这一个全新商用级MOTOTRBO系列数字对讲机解决方案的推出, 也正式标志着摩托罗拉系统无线对讲领域从此进入“全数字化”时代, 即目前摩托罗拉系统在中国大陆发布的所有模拟对讲机相应的产品线, 全都有了对应的数字机的替代产品。

“这也是从2007年摩托罗拉系统在中国推出第一款数字对讲机到现在, 整整7年时间后对讲机迎来的一个全新阶段。”摩托罗拉系统 (中国) 有限公司无线对讲渠道业务总经理王海明在产品发布时感叹。

全新的C系列产品, 定位于MOTOTRBO针对商用市场用户不断增长的通信需求, 提供的更优选择, 将继续为装备制造、零售、酒店服务以及大型活动等领域用户带来更高质量的使用体验, 也被视为摩托罗拉系统对讲在数字化进程上的新疆界。

谈及全数字化时代的意义, 摩托罗拉系统无线对讲业务销售总监马晋都称, 数字对讲机能够为用户提供更为广泛的有效覆盖距离, 扩大了客户的工作半径, 也极大地节约了使用成本, 提高了工作效率。通过这样的功能用户可以更好地提供团队之间的协同以及工作效率, 这也为专业无线市场客户带来了巨大的收益。

据悉, 在专业对讲机的国家相关文件公布后, 中央和地方层面批给最终用户的频率已经从25K模拟的频率转变到12.5K数字的频率, 基于此, 摩托罗拉推出的C系列数字对讲机实现了可以在直通和中继模式下, 利用12.5K信道间隔有两组人同时通话, 是等效的6.25K的信道间隔, 也意味着一个12.5K分配的频点可以有两组人同时通话, 在频率的使用效率和设备的使用效率上都得到了很大提升。

“此外, 数字对讲机相比模拟对讲机还有一个巨大的提升, 模拟对讲机是一呼百应, 数字对讲机可以做到真正的一对一, 两个人讲话别人听不到的, 一组人讲话其他人也是听不见的。它可以进行身份的显示, 以及紧急报警远程监控等功能。”摩托罗拉系统专业无线通信部门产品及技术经理黄杰补充道。