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摘要：本文研究并设计基于LTE 230MHz电力无线专网通信系统，通过性能测试验证了LTE 230MHz电力无线专网通信系统对230MHz频段的高效利用，为国家优质频率资源分配及电力无线专网大规模建设提供参考。
关键词：电力无线专网；网络架构；性能测试；频谱感知
引言
为适应国家能源互联网发展战略，满足日益增长的配电自动化、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站（桩）、配变监测、电能质量监测等基础业务应用，以及移动巡检、配网抢修、智能家居等扩展业务综合接入通信需求，建立高速、灵活、开放、安全和多元化的终端通信接入网（以下简称接入网）迫在眉睫，电力无线专网作为终端通信接入网的重要组成部分，是智能电网发展的重要支撑。
一、基于LTE 230MHz电力无线专网组网设计
根据福建晋江接入网现状，文章基于LTE-G 230MHz的电力无线专网网络架构进行设计，由接入层、汇聚层、核心层和应用层共同组成，如图一所示。
接入层主要由LTE230MHz无线通信终端、安全接入单元、电力业务终端组成，无线终端根据接入业务带宽分为窄带终端、宽带终端、集群终端，其中窄带终端接入用电信息采集和配网自动化等电力基础类业务，宽带终端为站房综合监控业务，集群手持机为应急语音业务。汇聚层主体为LTE230MHz无线基站及传输回程网。
针对不同种类电力业务终端对通信接入实时性、可靠性等指标要求的不同，对不同等级的业务终端需进行各自的优先級设定，且系统在分配资源过程中，调度器要根据用户的优先级以及信道质量的变化对用户进行合理地资源分配，确保优先级高的用户具有资源分配的优先权，以降低传输时延。
二、性能仿真测试
（一）网络性能关键指标
（1）小区吞吐量与覆盖半径验证。沿金井供电所基站覆盖范围径向选取多个测试点以验证无线专网通信距离与吞吐量的关系，根据测试结果表明：信号最佳测试点上行吞吐量为5.61Mbps，下行吞吐量为1.87Mbps。边缘测试点的上行吞吐量为670kbps，下行吞吐量为220kbps。为验证区域内覆盖信号质量，进行覆盖打点测试，通过测试数据得出，域内无线专网覆盖率达到89.3%，覆盖良好区域占比61%，覆盖质差区域占比11%。金井供电所基站的西北方向信号覆盖到达英林镇，金井供电所基站的东北方向最远覆盖距离为8.5km。金井供电所西南部受山丘地貌遮挡，无线信号较弱。
（2）时延测试验证。传统TD-LTE系统的传输时延由制面时延和用户面时延两部分构成。控制面时延指的是建立时延定义为驻留状态（IDLE）到连接状态的迁移以及从睡眠状态到连接状态迁移的时间；用户面时延主要指处于连接态用户数据收发存在的时延。传输时延测试为在不同传输距离下的Ping包时延测试结果：传输距离为1km时，平均时延为150ms，最小时延为138ms，最大时延为165ms；传输距离为2km时，平均时延为152ms，最小时延为140ms，最大时延为170ms；传输距离为3km时，平均时延为155ms，最小时延为143ms，最大时延为172ms；传输距离为4km时，平均时延为160ms，最小时延为145ms，最大时延为175ms；通过对以上数据进行分析得知，系统时延随距离的变化不明显，平均时延保持在150ms-158ms之间。
为了验证数据包大小对时延的影响，在时延测试中通过改变传输数据包大小，分别以低压集抄、专变负控、线路故障指示器、环网柜DTU的业务数据包进行模拟测试，其结果如下：当低压集抄数据包为32byte时，数据传输时延为150ms；专变负控数据包为78byte时，数据传输时延为168ms；环网柜DTU数据包为52 byte时，数据传输时延为163ms；线路故障指示器数据包为32 byte时，数据传输时延为1503ms；通过以上数据可看出系统传输时延会随数据包的大小在150ms至168ms之间产生变化。
（3）通信成功率。通信成功率验证包括通信链路建立成功率、终端在线率、丢包率。链路建立成功率为开机附着成功率，测试方法为在信号好点、中点和差点分别进行50次开机附着，记录成功附着次数，测试结果均为附着成功率为100%。终端在线率统计LTE230MHz系统内在线终端与签约终端的比率。从LTE230MHz网管中进行统计，结果具体包含集中器抄终端在线数50，专变负控终端线数50，线路故障指示器终端在线数50，DTU终端在线数20，站房综合监控终端在线数6，应急指挥集群调度手持终端在线数10，以上合计在线数为186，其中签约终端数为186，在线率达到100%。
（二）频谱感知及干扰规避技术验证
用电信息采集业务适配性验证包括低压集抄和专变负控2类用采营销业务。内置通信模块的方式替换集中器公网通信模块，实现居民采集业务从公网信道到专网信道的转换。对晋江供电公司供区范围内用电信息采集日采集成功率统计，无线公网信道用电信息采集成功率为99.19%，LTE230MHz无线专网的日采集成功率为99.57%；无线公网的专变负控日采集成功率为99.72%，LTE230MHz无线专网的日采集成功率为100%。
配电自动化业务验证包括环网柜DTU“三遥”和线路故障指示器“二遥”两种业务。DTU采用LCM203无线专网模块，故障指示采用BRU无线专网模块。无线公网信道的线路故障指示器“二遥”业务在线率为99.16%，LTE 230无线专网的在线率为99.98%。无线专网承载的环网柜DTU遥控成功率100%，在线率98.84%，平均返校时延6.93秒，在线率99.84%。
结论
本文对福建晋江终端通信接入网现状，研究并设计了基于LTE 230MHz的电力无线专网建设方案并将其成功应用于晋江地区配用电业务的承载。通过现场试运行和测试验证证明，基于230MHz频谱资源，采用TD-LTE技术的电力无线专网通信系统是实现终端通信多业务承载比较理想的解决方案。
参考文献：
[1]孙圣武，程远.面向业务覆盖的LTE电力无线专网研究[J].电力信息与通信技术，2015，（04）：6-10.
[2]张叶峰.TD-LTE技术在电力无线通信系统中的应用[D].华北电力大学，2015.
[3]曹津平，刘建明，李祥珍.面向智能配用电网络的电力无线专网技术方案[J].电力系统自动化，2013，37（11）：76–80.
关键词：电力无线专网；网络架构；性能测试；频谱感知
引言
为适应国家能源互联网发展战略，满足日益增长的配电自动化、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站（桩）、配变监测、电能质量监测等基础业务应用，以及移动巡检、配网抢修、智能家居等扩展业务综合接入通信需求，建立高速、灵活、开放、安全和多元化的终端通信接入网（以下简称接入网）迫在眉睫，电力无线专网作为终端通信接入网的重要组成部分，是智能电网发展的重要支撑。
一、基于LTE 230MHz电力无线专网组网设计
根据福建晋江接入网现状，文章基于LTE-G 230MHz的电力无线专网网络架构进行设计，由接入层、汇聚层、核心层和应用层共同组成，如图一所示。
接入层主要由LTE230MHz无线通信终端、安全接入单元、电力业务终端组成，无线终端根据接入业务带宽分为窄带终端、宽带终端、集群终端，其中窄带终端接入用电信息采集和配网自动化等电力基础类业务，宽带终端为站房综合监控业务，集群手持机为应急语音业务。汇聚层主体为LTE230MHz无线基站及传输回程网。
针对不同种类电力业务终端对通信接入实时性、可靠性等指标要求的不同，对不同等级的业务终端需进行各自的优先級设定，且系统在分配资源过程中，调度器要根据用户的优先级以及信道质量的变化对用户进行合理地资源分配，确保优先级高的用户具有资源分配的优先权，以降低传输时延。
二、性能仿真测试
（一）网络性能关键指标
（1）小区吞吐量与覆盖半径验证。沿金井供电所基站覆盖范围径向选取多个测试点以验证无线专网通信距离与吞吐量的关系，根据测试结果表明：信号最佳测试点上行吞吐量为5.61Mbps，下行吞吐量为1.87Mbps。边缘测试点的上行吞吐量为670kbps，下行吞吐量为220kbps。为验证区域内覆盖信号质量，进行覆盖打点测试，通过测试数据得出，域内无线专网覆盖率达到89.3%，覆盖良好区域占比61%，覆盖质差区域占比11%。金井供电所基站的西北方向信号覆盖到达英林镇，金井供电所基站的东北方向最远覆盖距离为8.5km。金井供电所西南部受山丘地貌遮挡，无线信号较弱。
（2）时延测试验证。传统TD-LTE系统的传输时延由制面时延和用户面时延两部分构成。控制面时延指的是建立时延定义为驻留状态（IDLE）到连接状态的迁移以及从睡眠状态到连接状态迁移的时间；用户面时延主要指处于连接态用户数据收发存在的时延。传输时延测试为在不同传输距离下的Ping包时延测试结果：传输距离为1km时，平均时延为150ms，最小时延为138ms，最大时延为165ms；传输距离为2km时，平均时延为152ms，最小时延为140ms，最大时延为170ms；传输距离为3km时，平均时延为155ms，最小时延为143ms，最大时延为172ms；传输距离为4km时，平均时延为160ms，最小时延为145ms，最大时延为175ms；通过对以上数据进行分析得知，系统时延随距离的变化不明显，平均时延保持在150ms-158ms之间。
为了验证数据包大小对时延的影响，在时延测试中通过改变传输数据包大小，分别以低压集抄、专变负控、线路故障指示器、环网柜DTU的业务数据包进行模拟测试，其结果如下：当低压集抄数据包为32byte时，数据传输时延为150ms；专变负控数据包为78byte时，数据传输时延为168ms；环网柜DTU数据包为52 byte时，数据传输时延为163ms；线路故障指示器数据包为32 byte时，数据传输时延为1503ms；通过以上数据可看出系统传输时延会随数据包的大小在150ms至168ms之间产生变化。
（3）通信成功率。通信成功率验证包括通信链路建立成功率、终端在线率、丢包率。链路建立成功率为开机附着成功率，测试方法为在信号好点、中点和差点分别进行50次开机附着，记录成功附着次数，测试结果均为附着成功率为100%。终端在线率统计LTE230MHz系统内在线终端与签约终端的比率。从LTE230MHz网管中进行统计，结果具体包含集中器抄终端在线数50，专变负控终端线数50，线路故障指示器终端在线数50，DTU终端在线数20，站房综合监控终端在线数6，应急指挥集群调度手持终端在线数10，以上合计在线数为186，其中签约终端数为186，在线率达到100%。
（二）频谱感知及干扰规避技术验证
用电信息采集业务适配性验证包括低压集抄和专变负控2类用采营销业务。内置通信模块的方式替换集中器公网通信模块，实现居民采集业务从公网信道到专网信道的转换。对晋江供电公司供区范围内用电信息采集日采集成功率统计，无线公网信道用电信息采集成功率为99.19%，LTE230MHz无线专网的日采集成功率为99.57%；无线公网的专变负控日采集成功率为99.72%，LTE230MHz无线专网的日采集成功率为100%。
配电自动化业务验证包括环网柜DTU“三遥”和线路故障指示器“二遥”两种业务。DTU采用LCM203无线专网模块，故障指示采用BRU无线专网模块。无线公网信道的线路故障指示器“二遥”业务在线率为99.16%，LTE 230无线专网的在线率为99.98%。无线专网承载的环网柜DTU遥控成功率100%，在线率98.84%，平均返校时延6.93秒，在线率99.84%。
结论
本文对福建晋江终端通信接入网现状，研究并设计了基于LTE 230MHz的电力无线专网建设方案并将其成功应用于晋江地区配用电业务的承载。通过现场试运行和测试验证证明，基于230MHz频谱资源，采用TD-LTE技术的电力无线专网通信系统是实现终端通信多业务承载比较理想的解决方案。
参考文献：
[1]孙圣武，程远.面向业务覆盖的LTE电力无线专网研究[J].电力信息与通信技术，2015，（04）：6-10.
[2]张叶峰.TD-LTE技术在电力无线通信系统中的应用[D].华北电力大学，2015.
[3]曹津平，刘建明，李祥珍.面向智能配用电网络的电力无线专网技术方案[J].电力系统自动化，2013，37（11）：76–80.