1前言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，迫切需要建設一個技術體制先進、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)不僅應為分布廣、數(shù)量多的配電終端提供可靠的通信保障，同時，也應具備部署靈活、快速恢復等特點，為智能配網(wǎng)構筑可靠的支撐系統(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)絡中，通信系統(tǒng)作為一個關鍵的環(huán)節(jié)應滿足以下需求:首先，大量的控制信息和監(jiān)測信息具有較強的時效性，因此通信系統(tǒng)必須支持實時傳輸［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，配網(wǎng)通信系統(tǒng)應滿足不同業(yè)務的QoS需求;另外，未來物聯(lián)網(wǎng)將會涌現(xiàn)出更多設備與設備之間信息互通、互操作的應用場景，面對眾多的智能終端和更多的新興業(yè)務，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)信息必須實現(xiàn)保密性，通信網(wǎng)絡必須為所承載的業(yè)務提供安全保障。

2.1.2應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］。面向應急場景的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)是構筑智能配電網(wǎng)的重要支撐系統(tǒng)。如何建立一套面向配電網(wǎng)應用的，具備快速靈活部署、高寬帶、穩(wěn)定可靠等特點的應急通信系統(tǒng)，在災害后支撐快速高效搶險、救災就變得極為重要。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)應實現(xiàn)快速恢復，為電網(wǎng)受災現(xiàn)場信息的實時獲取與分析、應急決策指揮和資源調(diào)度等提供應急通信支撐手段。綜上，在應急場景下，智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)除應當具備傳輸可靠、高寬帶數(shù)據(jù)傳輸外，還應具備組網(wǎng)靈活、具有魯棒性等特點，以高效傳輸應急救災所需的采集數(shù)據(jù)、圖片、視頻等各種海量應用。

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)構建，主要應用工業(yè)以太網(wǎng)交換機和EPON兩種通信技術。在配網(wǎng)的應用環(huán)境中，以工業(yè)以太網(wǎng)交換機和EPON為代表的光纖通信主要存在以下問題:

1)兩種技術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，將有越來越多的應用系統(tǒng)，每個系統(tǒng)對信息的采集點和受控點的要求不同，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將呈指數(shù)型增長，因此以工業(yè)以太網(wǎng)交換機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)交換機和EPON技術都是基于全IP的，不同的業(yè)務共享帶寬資源，目前針對電網(wǎng)業(yè)務的分區(qū)隔離要求沒有較好的解決方案。而在配網(wǎng)中，業(yè)務的傳輸也應遵循安全分區(qū)、橫向隔離的原則，以保證各業(yè)務之間的相關度較小，保證重要業(yè)務的安全傳輸，因此上述兩種基于資源共享的技術不能很好的滿足業(yè)務分區(qū)隔離的需求。

3)隨著智能電網(wǎng)、汽車充電技術和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來配網(wǎng)中更強調(diào)物與物之間的智能通信，此時，通信的實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)交換機和EPON技術無法滿足未來配網(wǎng)中的移動場景下的通信要求。此外，智能配電網(wǎng)應急通信系統(tǒng)必須具備快速部署、靈活組網(wǎng)的能力，以實現(xiàn)在突發(fā)情況下配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的快速恢復，為配電網(wǎng)受災現(xiàn)場提供應急通信的支撐手段。

3基于LTE的無線寬帶通信技術

3.1LTE概述

LTE(LongTermEvolution，長期演進計劃)是3GPP標準化組織的一個無線通信技術標準制定計劃，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，下行傳輸速率可達100Mbps，上行可達50Mbps，提供從1.5Mhz到20Mhz的動態(tài)頻譜分配技術，頻譜效率提升到當前3G系統(tǒng)的2～4倍。在網(wǎng)絡結構方面，通過扁平的網(wǎng)絡架構降低接入延遲，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質(zhì)量保證。雖然LTE在公共通信網(wǎng)領域發(fā)展迅猛，但尚未在智能電網(wǎng)包括配電網(wǎng)中探討其應用。隨著智能配網(wǎng)的分布式電源與儲能技術、配電自動化與智能調(diào)度、智能電表遠程集抄等應用的發(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，在上述方面具有較強的優(yōu)勢。

3.2面向智能配網(wǎng)的LTE系統(tǒng)構建

使用LTE構建面向智能配網(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，在應急場景下實現(xiàn)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的快速恢復，為受災現(xiàn)場信息的實時獲取、應急決策指揮等提供應急通信支撐手段。

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)需處理多個應用系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)，而在終端側(cè)，每個終端只需與主站進行通信。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)僅與一個實體通信，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)都采用用戶設備(UserE-quipment，UE)作為通信接入設備，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)結構如圖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)、移動管理實體(MobilityManagementEntity，MME)、服務網(wǎng)關(ServicesGateway，S－GW)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(PacketDataNetworkGateway，P－GW)。其中UE和eNB負責用戶數(shù)據(jù)的無線接入;MME執(zhí)行管理控制面協(xié)議，如終端標識的分配、安全性、鑒權和漫游控制等;S－GW負責用戶信息的保存，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、復用和解復用［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)傳送至相應的P－GW，P－GW進行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)來實現(xiàn)從配電終端到配電主站的端到端的QoS控制。Bearer是一個邏輯概念，映射到相同bearer上的服務數(shù)據(jù)流可在整個系統(tǒng)內(nèi)獲得相同的服務等級［8］。配電終端與配電主站建立通信連接時，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)務分配不同的bearer來實現(xiàn)對多種業(yè)務的分級通信服務。在組網(wǎng)方面，LTE系統(tǒng)可實現(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)的信息受控點和信息采集點。對于eNB而言，在城市的密集區(qū)域，可使用多個eNB組建蜂窩網(wǎng)絡，每個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100Km且網(wǎng)絡容量大，因此只需部署一個eNB即可滿足整個區(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，并部署于配網(wǎng)控制主站的通信機房內(nèi)。