齊火箭 徐海賓 張庚

【摘要】 本文介紹了LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶通信專(zhuān)網(wǎng)在張家口地區(qū)的建設(shè)情況，結(jié)合現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)上行通信方式特點(diǎn)，給出LTE230 通信模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)能很好地滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的用電信息采集業(yè)務(wù)要求。

【關(guān)鍵詞】 LTE230 無(wú)線(xiàn)寬帶 用電信息采集 通信模塊

長(zhǎng)期以來(lái)，由于業(yè)務(wù)終端點(diǎn)多、覆蓋面廣且分布分散的特點(diǎn)，電力用戶(hù)用電信息采集可選擇的通信手段不多。光纖通信方式雖然具備業(yè)務(wù)傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但部署施工難度大，成本高，難以全面覆蓋。目前，無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)（ GPRS、CDMA等）已成為用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式的主要選擇，但隨著采集業(yè)務(wù)的大規(guī)模開(kāi)展，常用的無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)也逐漸暴露出諸多問(wèn)題，如采集成功率低、存在信息安全隱患、服務(wù)得不到保障、無(wú)優(yōu)先級(jí)保障，同時(shí)每年需支出大量的通道租賃費(fèi)用。

因此，電力企業(yè)一直在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)的探索，早期的230 MHz電臺(tái)專(zhuān)網(wǎng)由于其技術(shù)落后、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、采集周期長(zhǎng)等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的傳輸帶寬需求；McWiLL、 WiMAX等無(wú)線(xiàn)寬帶方式傳輸距離短、穿透能力弱，可靠性難以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，同時(shí)使用2.4 G、1800M的頻段，需要向無(wú)線(xiàn)電管委會(huì)申請(qǐng)頻段，存在較大困難，因而也難以得到大規(guī)模使用。

LTE230 系統(tǒng)是工作在230MHz頻段的無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于采用的230 MHz頻段為電力負(fù)荷管理專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信頻段，不需要向無(wú)線(xiàn)電管委會(huì)申請(qǐng)頻點(diǎn)，可用頻段為40個(gè)25 kHz，共計(jì)1 MHz帶寬。具有低頻段、高網(wǎng)速、覆蓋距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，使其在建網(wǎng)和后期維護(hù)成本上都優(yōu)于其他系統(tǒng)。近年來(lái)在電力配用電領(lǐng)域得到良好的推廣應(yīng)用。

一、張家口地區(qū)LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)情況

2013年，張家口地區(qū)LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶專(zhuān)網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目正式啟動(dòng)，工程同時(shí)對(duì)試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)原運(yùn)行在無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)上的采集終端通信方式進(jìn)行改造，逐步把相關(guān)采集業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到LTE230無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)上。系統(tǒng)包括了核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)各一套，基站設(shè)備三套。

在公司營(yíng)銷(xiāo)大樓頂建一個(gè)基站，實(shí)現(xiàn)城區(qū)核心區(qū)域覆蓋；在宣化縣公司樓頂建一個(gè)基站，覆蓋以該站點(diǎn)為中心，方圓5～6公里的縣城區(qū)域；市區(qū)人頭山頂建一個(gè)基站，覆蓋周邊9公里內(nèi)山區(qū)區(qū)域?；就ㄟ^(guò)電力光纖直拉方式、電力光纖專(zhuān)網(wǎng)和數(shù)字微波等多種通信方式接入位于公司營(yíng)銷(xiāo)大樓通信機(jī)房的核心網(wǎng)和網(wǎng)管系統(tǒng)。LTE230寬帶專(zhuān)網(wǎng)通過(guò)覆蓋城區(qū)、縣城、山區(qū)等不同地形，驗(yàn)證LTE230無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)在不同地域支撐電力業(yè)務(wù)的特性。

二、基于LTE230無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)用電信息采集通信方式改造的研究

2.1 采集系統(tǒng)業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介

居民用戶(hù)用電信息采集以小區(qū)樓道、柱上變或小區(qū)箱變（公變）為單位，完成單個(gè)樓道或箱變負(fù)荷范圍內(nèi)全部居民用戶(hù)、關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的用電信息采集。安裝于樓道的采集器、農(nóng)村柱上變或小區(qū)箱變處的集中器即為一個(gè)遠(yuǎn)程通信節(jié)點(diǎn)。

用電信息采集系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：主站、通信信道、集中器、低壓電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)變終端、電能表。采集系統(tǒng)主要工作原理：以低壓居民集抄GPRS通信方式為例，居民用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)信息由電能表采集，通過(guò)電力載波將用電信息傳輸給集中器。用電信息數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議封裝后發(fā)送到中國(guó)移動(dòng)（或中國(guó)聯(lián)通）的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至主站，實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)和主站的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接。同時(shí)，集中器還可將主站發(fā)送的遙控指令傳給電能表控制模塊，對(duì)電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求等各種操作。

用電信息采集系統(tǒng)中集中器等采集終端的主要通信方式有光纖專(zhuān)網(wǎng)通信、GPRS無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)通信、230MHz無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信、電力線(xiàn)載波通信、RS-485通信方式等。

2.2主要研究?jī)?nèi)容

通信方式的改造目標(biāo)是各個(gè)集中器或?qū)Ｗ兘K端通過(guò)LTE230上行通信模塊（UE）將本地采集業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿采w區(qū)域基站設(shè)備，基站通過(guò)光纖、微波等方式將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳核心網(wǎng)，核心網(wǎng)將各個(gè)基站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯總通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口回傳給用電信息采集主站系統(tǒng)，完成主站系統(tǒng)通過(guò)LTE230系統(tǒng)對(duì)各個(gè)居民用戶(hù)、專(zhuān)變用戶(hù)等用電信息數(shù)據(jù)的采集工作。

目前張家口用電信息采集業(yè)務(wù)使用了大量GPRS通信模塊。LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)在張家口的推廣應(yīng)用，首先要開(kāi)發(fā)出符合采集終端通信接口的LTE230通信模塊，要求采用與GPRS通信模塊完全一致的技術(shù)規(guī)范和型式規(guī)范，這樣做后無(wú)需對(duì)采集終端進(jìn)行升級(jí)改造，就可以直接進(jìn)行模塊替換，降低費(fèi)用。下面以I型集中器通信模塊為例，簡(jiǎn)述LTE230通信模塊開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵要點(diǎn)。

2.3 LTE230 通信模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

2.3.1底層通信原理

考慮到電力系統(tǒng)中大量的終端對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延要求較高，尤其是專(zhuān)變終端的時(shí)延要求更為嚴(yán)格，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以有效降低時(shí)延。因此，LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶系統(tǒng)采用扁平化的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，組網(wǎng)靈活，能夠適用現(xiàn)有業(yè)務(wù)的開(kāi)展，而且方便將來(lái)新業(yè)務(wù)的擴(kuò)展應(yīng)用，如下圖1所示。

集中器和無(wú)線(xiàn)模塊的底層通過(guò) AT 命令構(gòu)成通信通道，而無(wú)線(xiàn)通信模塊，與無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備及主站的底層是基于成熟的 LTE 的底層信令架構(gòu)，并針對(duì)行業(yè)業(yè)務(wù)特征進(jìn)行優(yōu)化而成。IP 層是在成熟穩(wěn)定的底層之上，屏蔽了物理層的細(xì)節(jié)，使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層可以自如設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

集中器的 IP 地址都由LTE230系統(tǒng)的核心網(wǎng)管理和維護(hù)，集中器連接的無(wú)線(xiàn)通信模塊正常完成底層接入后，核心網(wǎng)分配IP 地址給集中器，核心網(wǎng)一并維護(hù) IP 地址和集中器的對(duì)應(yīng)列表。

2.3.2 LTE230通信芯片選型

目前市面上的LTE230通信芯片很少，只有中國(guó)普天信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司的一款芯片，該芯片設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在用電信息采集系統(tǒng)中需要的功能，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本，因此在電力行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

2.3.3 LTE230 通信模塊的TCP軟件流程

用電信息采集系統(tǒng)中集中器或?qū)Ｗ兘K端通過(guò)AT指令與LTE230模塊進(jìn)行命令控制以及數(shù)據(jù)通信；通過(guò)LTE230模塊將數(shù)據(jù)傳送至主站，實(shí)現(xiàn)與主站的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接；同時(shí)，集中器或?qū)Ｗ兘K端還可接收主站發(fā)送的遙控指令進(jìn)行請(qǐng)求操作。

2.3.4 LTE230 通信模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）集中器LTE230通信模塊硬件設(shè)計(jì)需要符合國(guó)家電網(wǎng)公司的電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)集中器型式規(guī)范的要求。軟件設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家電網(wǎng)公司2013年發(fā)布的最新版電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中的《通信單元技術(shù)規(guī)范》和《遠(yuǎn)程通信模塊接口協(xié)議》，同時(shí)須兼容2009年版本的終端。

（2）由于各廠家的集中器上行通信模塊與主站的交互信息文本沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了避免涉及到與多個(gè)廠家開(kāi)發(fā)接口，影響通信模塊的兼容性，建議通信模塊在網(wǎng)絡(luò)連接后開(kāi)啟透明通道，建立透明數(shù)據(jù)傳輸，避免通信模塊對(duì)交互信息的解析。圖2是LTE230模塊建立連接流程圖。

三、應(yīng)用效果

按照上述開(kāi)發(fā)思路研制出了I型集中器LTE230 通信模塊，經(jīng)試運(yùn)行后，在LTE230無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了安裝，集中器采集數(shù)據(jù)通過(guò)LTE230無(wú)線(xiàn)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)及光纖網(wǎng)絡(luò)，上傳至統(tǒng)一的采集主站系統(tǒng)，通信系統(tǒng)自建成后一直運(yùn)行穩(wěn)定，采集成功率達(dá)100%，時(shí)延小于2s，滿(mǎn)足了電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和可靠性要求。

四、結(jié) 語(yǔ)

LTE 230 MHz無(wú)線(xiàn)寬帶通信技術(shù)采用223～235 MHz電力負(fù)荷管理專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信頻段，電力行業(yè)擁有40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)，不需要向無(wú)線(xiàn)電管委會(huì)申請(qǐng)頻點(diǎn)，并且作為低頻頻段具有覆蓋范圍遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。因此，LTE 230 MHz比其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)更適用于用電信息采集通信。系統(tǒng)建設(shè)后的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)出符合國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，兼容性強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信模塊，以替換現(xiàn)有的通信方式的通信模塊，才能實(shí)現(xiàn)用電信息采集業(yè)務(wù)從無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)到LTE 230 MHz無(wú)線(xiàn)寬帶專(zhuān)網(wǎng)的逐步轉(zhuǎn)移，擺脫對(duì)無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的依賴(lài)性。張家口地區(qū)進(jìn)行的LTE 230 MHz無(wú)線(xiàn)寬帶專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用效果表明，無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)完全滿(mǎn)足用電信息采集對(duì)通道的要求，可為先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)揮良好的示范作用。

齊火箭（1978-），男，電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，現(xiàn)擔(dān)任電能計(jì)量技術(shù)高級(jí)師，主要從事電能計(jì)量專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理、質(zhì)量監(jiān)督等工作。