隨著堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的深入和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，作為堅強智能電網(wǎng)重要環(huán)節(jié)之一的用電信息采集系統(tǒng)被賦予了新的、更高的技術(shù)和應(yīng)用要求?，F(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)所采用的通信技術(shù)類型多樣，通信效果參差不齊，系統(tǒng)功能實用化效果也存在一定程度的差異，這對用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用造成了一定影響。為了解決以上問題，文章提出了一種基于新型LTE-230MHz 無線專網(wǎng)的用電信息采集技術(shù)以及系統(tǒng)解決方案。該方案充分運用新型LTE-230MHz 無線專網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，可提升配用電專用無線通信的通信速率、系統(tǒng)容量、覆蓋范圍以及可靠性，為用電信息采集業(yè)務(wù)提供有力支撐。

0引言

隨著堅強智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，全球能源互聯(lián)網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的高級階段，在業(yè)界形成了廣泛的共識。全球能源互聯(lián)網(wǎng)的特征是網(wǎng)架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動。通過電網(wǎng)廣泛互聯(lián)，實現(xiàn)能源資源全球配置，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，各類電源和用戶靈活接入的堅強智能電網(wǎng)。順應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)的大趨勢，國家電網(wǎng)公司“信息化、自動化、互動化”堅強智能電網(wǎng)建設(shè)穩(wěn)步推進，極大促進了能源結(jié)構(gòu)和利用效率不斷完善，以滿足未來電力應(yīng)用的各種需求。

用電信息采集系統(tǒng)是堅強智能電網(wǎng)建設(shè)用電環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，為智能用電服務(wù)提供了業(yè)務(wù)支撐，成為堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)之一。為了在智能電網(wǎng)與電力用戶之間構(gòu)建“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”實時互動的新型供用電關(guān)系，滿足電力企業(yè)各層面、各專業(yè)對用電信息的新需求，迫切要求形成統(tǒng)一的技術(shù)標準和方案，全力推進用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)。

作為用電信息采集系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸載體，通信技術(shù)必須滿足高可靠性、廣域的覆蓋性、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性等要求，并且要具備靈活的擴展性和互聯(lián)互通性。而現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)所采用的通信技術(shù)類型多樣，通信效果參差不齊，各單位使用的通信方式差異性較大，系統(tǒng)功能實用化效果也存在一定程度的差異。因此，智能用電業(yè)務(wù)的發(fā)展急需建設(shè)高性能、高可靠性和安全性的電力無線寬帶通信系統(tǒng)。

針對上述問題，根據(jù)目前無線寬帶技術(shù)的發(fā)展狀況，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用自研產(chǎn)品TDLTE230終端基帶芯片，提出了基于LTE-230MHz電力無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)，設(shè)計出系統(tǒng)解決方案并進行試點應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，LTE-230MHz電力無線基于電力專用230MHz頻譜資源，采用頻譜聚合技術(shù)，實現(xiàn)離散窄帶寬帶傳輸?shù)哪康?，承載實現(xiàn)用電信息采集業(yè)務(wù)，提高了電力無線寬帶通信系統(tǒng)服務(wù)智能電網(wǎng)的能力。

1用電信息采集系統(tǒng)組成

用電信息采集系統(tǒng)綜合了計量、通信和自動控制等技術(shù)，能夠及時采集分析電力用戶的用電信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、線損統(tǒng)計分析等功能，從而在技術(shù)上為實現(xiàn)階梯電價、智能費控等營銷業(yè)務(wù)策略奠定基礎(chǔ)。

用電信息采集系統(tǒng)主要由眾多智能電能表與采集器、一部或多部集中器、本地/遠程通信信道、主站及其他管理系統(tǒng)構(gòu)成(見圖1)。智能電能表是用電信息采集系統(tǒng)中最基本的計量和采集裝置，具有高精度計量、數(shù)據(jù)采集、智能費控、用電基本信息存儲、遠程通信等功能。用電信息采集系統(tǒng)中，集中器是用電信息采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。一方面，集中器通過本地信道與采集器或電能表進行本地通信，以獲取并存儲電力用戶的用電數(shù)據(jù)信息;另一方面，集中器通過遠程信道與主站進行數(shù)據(jù)信息和控制指令的交互，根據(jù)主站下達的指令，進行數(shù)據(jù)上報和控制指令下發(fā)。主站是以在局端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，負責整套用電采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并進行各類用電數(shù)據(jù)等信息的集中存儲、實時控制和在線分析。此外，主站提供相應(yīng)接口，為營銷管理系統(tǒng)等提供電費統(tǒng)計查詢和管理、線損計算和分析等有力支撐。

2用電信息采集系統(tǒng)通信需求與技術(shù)分析

2.1用電信息采集系統(tǒng)通信需求

作為智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，全費控是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的最終目標。通過建設(shè)和完善智能雙向互動服務(wù)平臺和相關(guān)技術(shù)支持系統(tǒng)，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的雙向互動，全面提升電網(wǎng)公司雙向互動用電服務(wù)能力。

用電信息采集系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)主要有實時抄表、線損管理及費控業(yè)務(wù)等。業(yè)務(wù)需求主要來自以下方面：

1)自動化抄表業(yè)務(wù)。自動采集電力用戶電能表的數(shù)據(jù)，獲得電費結(jié)算所需的電能計量數(shù)據(jù)和其他信息。該業(yè)務(wù)要求較低的實時性，較高的安全性和可靠性。

2)線損管理業(yè)務(wù)。目前主要負責采集各供電點和受電點的有功和無功的正/反向電能量數(shù)據(jù)以及供電網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)。該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量一般，對實時性和安全性要求一般，要求較高的采集可靠性。

3)費控業(yè)務(wù)。目前有本地費控和遠程費控兩種形式。該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量一般，對實時性和安全性要求較高，要求高可靠性。

2.2用電信息采集系統(tǒng)通信技術(shù)分析

作為用電信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)之一，通信技術(shù)主要有電力線載波通信、無線公網(wǎng)通信、LTE-230MHz無線通信以及光纖通信。每種通信技術(shù)均有優(yōu)點和缺陷，表2對上述通信技術(shù)進行了對比分析。其中，電力線載波通信方式和3G/4G無線公網(wǎng)方式在性能上對用電信息采集業(yè)務(wù)需求的滿足程度較低，而光通信方式和新型LTE-230MHz無線專網(wǎng)方式能較好地滿足智能用電信息采集系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求特性。LTE-230MHz系統(tǒng)是工作在230MHz頻段的無線寬帶通信系統(tǒng)。該技術(shù)的優(yōu)勢在于采用的230MHz頻段為電力行業(yè)專用無線通信頻段， 具有低頻段、高速率、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢;與光通信方式相比，LTE-230MHz無線專網(wǎng)在建網(wǎng)和運維方面有著明顯的成本優(yōu)勢。經(jīng)過多方面的綜合比較分析，LTE-230MHz系統(tǒng)具有明顯的綜合優(yōu)勢，在智能用配電領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

3基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)

3.1LTE-230MHz無線專網(wǎng)技術(shù)

為了實現(xiàn)對上述用電信息采集通信業(yè)務(wù)的支持，本文提出了基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)方案。該系統(tǒng)的技術(shù)方案采用電力無線智能頻譜感知、靈活載波聚合、輕型可重構(gòu)電力無線通信系統(tǒng)協(xié)議棧以及基站橫連協(xié)同組網(wǎng)等先進技術(shù)，具有優(yōu)越的傳輸性能。LTE-230MHz無線寬帶專網(wǎng)架構(gòu)見圖2。

1)終端UE。LTE-230MHz系統(tǒng)的無線通信終端直接與行業(yè)終端通信，無縫連接，即插即用，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳、控制信息的下發(fā)等功能終端產(chǎn)品的種類、功能、物理接口多樣化，根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)量、制造成本、功耗、體積等不同需求，既可以提供高性能的CPE系列終端產(chǎn)品，又可以提供低成本小型化的LCM系列終端產(chǎn)品，二者均支持行業(yè)常用的UART接口和以太網(wǎng)接口。

2)基站eNodeB。LTE-230MHz增強型無線基站eNodeB是LTE-230MHz系統(tǒng)無線寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分，一端通過空中接口直接和終端連接，另一端通過S1接口和核心網(wǎng)EPC相連，完成空口與地面電路之間的信道轉(zhuǎn)換與橋接，提供無線信號覆蓋、終端無線接入控制等功能。

3)核心網(wǎng)EPC。LTE-230MHz系統(tǒng)的核心網(wǎng)介于業(yè)務(wù)主站和無線接入網(wǎng)之間，負責終端認證、終端IP地址管理、移動性管理等終端的網(wǎng)絡(luò)管理，負責無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)間鏈路管理、以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交換控制和傳送，具有可靠性強、集成度高、交換能力大、處理延時短、接口標準化等特點，充分滿足高數(shù)據(jù)帶寬、高穩(wěn)定性、易于升級和擴展的部署要求。

4)網(wǎng)管eOMC。LTE-230MHz網(wǎng)管系統(tǒng)基于智能綜合網(wǎng)管平臺技術(shù)，提供對核心網(wǎng)、基站、終端設(shè)備的配置管理、故障管理、性能管理、日志管理、安全管理等功能，用于提高網(wǎng)絡(luò)運維效率，最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)運營維護成本。該網(wǎng)管系統(tǒng)操作便捷，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢造`活部署和擴裁，同時遵循國際、國內(nèi)通信網(wǎng)管標準，兼容通用的協(xié)議接口，便于與第三方系統(tǒng)對接融合。

5)業(yè)務(wù)主站。行業(yè)主站，提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢、分析等功能，保證系統(tǒng)安全高效運行，并管理與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

3.2新型用電信息采集系統(tǒng)

在LTE-230MHz無線專網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出并設(shè)計了新型用電信息采集系統(tǒng)(見圖3)。文章所提出的用電信息采集系統(tǒng)的采集對象包括所有電力用戶，包括各類大中小型專變用戶、各類380/220V供電的工商業(yè)用戶和居民用戶以及公用配變考核計量點。系統(tǒng)中所有采集計量終端將用電信息數(shù)據(jù)采集后通過新型LTE-230MHz 電力無線專網(wǎng)的專用通道送到遠端業(yè)務(wù)主站。業(yè)務(wù)主站的下發(fā)指令也通過新型LTE-230MHz網(wǎng)絡(luò)傳遞到采集計量終端中，以控制電力采集計量終端的操作，實現(xiàn)安全可靠的雙向通信。

新型用電信息采集系統(tǒng)采用自研產(chǎn)品TD-LTE230終端基帶芯片，開發(fā)了集中器等終端設(shè)備和基站設(shè)備的核心部分，用于實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳以及控制信息的下發(fā)。該芯片集成了主頻達400MHz的DSP處理器和高速本地存儲器，可以快速高效的進行物理層數(shù)字信號處理以及MAC層協(xié)議解析;同時該芯片具有獨立中頻處理單元，支持中頻數(shù)據(jù)信號處理以及MAC層協(xié)議解析;同時該芯片具有獨立中頻處理單元，支持中頻數(shù)據(jù)信號的上下行混頻、抽取、濾波等，可以自行完成中頻信號的處理;芯片內(nèi)部應(yīng)用了高可靠性的片上集成eDRAM技術(shù)，大幅降低產(chǎn)品成本，提升板級調(diào)試和開發(fā)效率，保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。為了保證該系統(tǒng)的先進性、高可靠性和高效性，該技術(shù)解決方案充分集合了頻譜感知、載波聚合以及基站協(xié)同組網(wǎng)等前沿技術(shù)。

1)頻譜感知：基于認知無線電的智能頻譜感知技術(shù)能夠為電力無線專網(wǎng)提供一種經(jīng)濟、靈活、實用的通信接入手段，緩解部分地區(qū)智能用電通信業(yè)務(wù)因頻譜資源不足導(dǎo)致無法通信的困難，進一步提高接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)承載能力。

2)載波聚合：載波聚合技術(shù)的優(yōu)點在于載波聚合是直接聚合多個成員載波，不需要重新設(shè)計物理信道和調(diào)制編碼方案。

3)基站協(xié)同組網(wǎng)：基站協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)是在沒有核心網(wǎng)設(shè)備參與的條件下實現(xiàn)相鄰基站之間的直接通信。橫連協(xié)同組網(wǎng)的前提是實現(xiàn)核心網(wǎng)設(shè)備與基站設(shè)備的一體化。

通過對上述先進技術(shù)的整合，文章所提出的基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)在復(fù)雜用電環(huán)境下具有較強適應(yīng)能力和傳輸可靠性。

4應(yīng)用效果分析

基于LTE-230MHz電力無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)方案見圖4。LTE-230MHz無線專網(wǎng)能夠迅速解決遠程信道的信號全覆蓋問題，利用230MHz頻點的高衍射和穿透能力，保證全臺區(qū)域內(nèi)信號無盲點的全面覆蓋。LTE-230MHz專網(wǎng)具有高帶寬性能，帶寬獨享，滿足實時在線、順利解決抄收率低的問題，滿足國網(wǎng)公司全采集要求。此外，LTE-230MHz系統(tǒng)傳輸可靠性高，時延小，滿足遠程全費控的傳輸需求。并且230MHz專網(wǎng)解決了公網(wǎng)業(yè)務(wù)重要優(yōu)先等級不高的問題，無話務(wù)量潮汐現(xiàn)象，無網(wǎng)絡(luò)阻塞，實現(xiàn)資源獨享。在擴展性方面，網(wǎng)絡(luò)拓撲靈活，可擴展性強，滿足智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)、配網(wǎng)自動化業(yè)務(wù)的靈活接入。

基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)的成功應(yīng)用，取得了良好的價值和效益。

1)業(yè)務(wù)承載力強，高速傳輸;支持長數(shù)據(jù)單幀、分幀發(fā)送;適于大型臺區(qū)(500戶以上)實時抄收多個數(shù)據(jù)項應(yīng)用。

2)大幅降低無線專網(wǎng)的建設(shè)和維護投入 覆蓋面積廣，系統(tǒng)容量大，可大大降低單位面積的基站數(shù)量，大幅度降低專用網(wǎng)的建設(shè)投入，減少維護開銷。

3)為客戶提供靈活、高效的無線傳輸方案。通過載波聚合、OFDM、上下行非對稱配比等技術(shù)特性，更為合理和有效的利用頻譜資源，大大提升頻譜使用效率，在可用頻譜資源有限的情況下，為行業(yè)應(yīng)用提供靈活、高效的無線數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

4)為用戶提供高安全、高可靠的解決方案設(shè)備可靠性強，穩(wěn)定性好，安全性高，可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)多領(lǐng)域，能大幅度提升無線通信業(yè)務(wù)的水平和質(zhì)量，并為行業(yè)應(yīng)用的拓展和演進提供更寬闊的空間。

5)提供多業(yè)務(wù)集成解決方案，實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和投資收益最大化系統(tǒng)部署靈活易行，平臺方案成熟通用，可結(jié)合實際通信需求，將不同業(yè)務(wù)集成到統(tǒng)一平臺上，實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和投資收益最大化。

6)環(huán)境適應(yīng)性強：結(jié)合農(nóng)村、城郊、城市等不同區(qū)域電網(wǎng)特點，具有更廣泛的環(huán)境適應(yīng)能力。

5結(jié)語

本文分析了用電信息采集系統(tǒng)對通信技術(shù)的需求，針對現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)中通信技術(shù)缺乏統(tǒng)一性和系統(tǒng)功能實用化存在差異性等問題，提出了基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的新型用電信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用230MHz電力專用無線通信頻點，引入頻譜感知、頻譜聚合等TD-LTE第四代移動通信的先進技術(shù)，并基于自主研發(fā)的LTE-230MHz無線通信芯片和核心設(shè)備，構(gòu)建電力無線寬帶通信專用網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)了新型用電信息采集系統(tǒng)。基于LTE-230MHz無線專網(wǎng)的用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用滿足了用電信息采集和智能用電等用電側(cè)業(yè)務(wù)的實時、高可靠通信需求，對智能電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。