面向智能配电网的宽带无线通信技术的研究与应用

面向智能配电网的宽带无线通信技术 面向智能配电网的宽带无线通信技术 的研究与应用 杜洁，龚宇 云南电网公司通信分公司 昆明 650217 【摘要】智能配网的发展对通信系统在传输速率、覆盖范围等方面都提出了更高的要求，同时，我国是一个灾难频发的国家,智能配网的通信系统需在应急情况下实现快速部署、灵活组网。本文首先分析了智能配网通信系统的需求与现状，在此基础上，提出了常规通信和应急通信场景下，LTE系统在智能配网中的应用，进一步地，研究了面向智能配网的LTE系统的组网方式和安全性因素。 【关键词】智能配网、LTE、应急通信 【Abstract】With the developing of smart grid, it is claim higher speed and wider coverage for communication network. In addition, communication network should be developed rapidly and flexibly in emergency situation. In this paper, we investigate the needs and status of smart grid communication network. And on that basic, we present the application of LTE in normal and emergency situations based on smart grid. Further more, we investigate the network structure and the security concerns of LTE system in smart grid. 【KEY WORDS】Smart Grids, LTE, Emergency Communication 1、​ 引言 随着智能电网的发展，迫切需要建设一个技术体制先进、满足配电网智能化要求的通信平台[1][2]；此外，近年来我国自然灾害频繁发生，使电力系统通信系统遭到严重破坏，而作为整个智能电网系统“神经末梢”的配电通信系统的损坏必将导致整个智能电网的瘫痪。因此，智能配网的通信系统不仅应为分布广、数量多的配电终端提供可靠的通信保障，同时，也应具备部署灵活、快速恢复等特点，为智能配网构筑可靠的支撑系统。 LTE(Long Term Evolution,长期演进)是3GPP化组织自2004年开始的一个无线通信技术标准制定计划，具有传输速率快、覆盖范围广、扩展能力强和组网灵活等特点，满足配电网常规和应急场景下的监控、控制、故障恢复等应用需求。 2、​ 智能配电网的通信需求与现状 （一）智能配网的通信需求 1.​ 常规通信需求 在智能配电网中，通信系统主要用于智能配电装置与各智能应用系统之间的信息传输，包括用电量信息、装置状态信息以及各类控制信息。特别的，在面向未来的分布式能源网络中，通信系统作为一个关键的环节应满足以下需求：首先，大量的控制信息和监测信息具有较强的时效性，因此通信系统必须支持实时传输[3]；第二，随着智能电网乃至物联网的发展，将会涌现出各类新型的业务，配网通信系统应满足不同业务的QoS需求；另外，未来物联网将会涌现出更多设备与设备之间信息互通、互操作的应用场景，面对众多的智能终端和更多的新兴业务，配电网的通信系统必须支持多用户接入和宽带传输。此外，由于电能系统的状态信息必须实现保密性，能抵御黑客或非法攻击，因此通信网络必须为所承载的业务提供安全保障。 综上，智能配电网的通信系统是通信支撑平台是智能电网信息传输、交换和处理的重要基础。在常规状态下，智能配电网通信系统应提供实时、安全和宽带性的信息传输服务。 2.​ 应急场景下的通信需求 我国是一个灾难频发的国家，冰灾、地震、泥石流等自然灾害严重危害着电力系统的安全运行。随着智能电网的发展，在城市配电网范围内将分布有大量的配电终端，这些配电终端的接入与控制都必须经过通信系统所提供的可靠通道[4]。作为整个智能电网系统的信息通道，配电通信系统的损坏必将导致智能电网用户侧的瘫痪，因此，面向应急场景的智能配电网通信系统是构筑智能配电网的重要支撑系统。 如何建立一套面向配电网应用的，具备快速灵活部署、高宽带、稳定可靠等特点的应急通信系统，在灾害后支撑快速高效抢险救灾就变得极为重要。配电网通信系统应实现快速恢复，为电网受灾现场信息的实时获取与分析、应急决策指挥和资源调度等提供应急通信支撑手段。 综上，在应急场景下，智能配电网通信系统除应当具备传输可靠、高宽带数据传输外，还应具备组网灵活、具有鲁棒性等特点，以高效传输应急救灾所需的采集数据、图片、视频等各种海量应用。 （二）配电网通信系统现状 现有的配网通信系统大多由光纤通信系统构建，主要应用工业以太网交换机和EPON两种通信技术。 在配网的应用环境中，以工业以太网交换机和EPON为代表的光纤通信主要存在以下问题： 首先，两种技术都采用了光纤作为物理传输媒介，由于光缆路由依附于一次系统，因此接入用户数量和光缆路由受限。而在智能配网中，将有越来越多的应用系统，每个系统对信息的采集点和受控点的要求不同，特别是随着物联网的发展，通信系统所提供的通信接入点将呈指数型增长，因此以工业以太网交换机为代表的有线通信方式存在部署和成本等方面存在着明显的弊端。 其次，工业以太网交换机和EPON技术都是基于全IP的，不同的业务共享带宽资源，目前针对电网业务的分区隔离要求没有较好的解决。而在配网中，业务的传输也应遵循安全分区、横向隔离的原则，以保证各业务之间的相关度较小，保证重要业务的安全传输，因此上述两种基于资源共享的技术不能很好的满足业务分区隔离的需求。 第三，随着智能电网、汽车充电技术和物联网的发展，未来配网中更强调物与物之间的智能通信，此时，通信的实体可能不再是固定位置的，这为配网通信系统提出了移动状态下通信的新需求。而工业以太网交换机和EPON技术无法满足未来配网中的移动场景下的通信要求。 此外，智能配电网应急通信系统必须具备快速部署、灵活组网的能力，以实现在突发情况下配电网通信系统的快速恢复，为配电网受灾现场提供应急通信的支撑手段。 3、​ 基于LTE的无线宽带通技术的应用 （一）LTE概述 LTE(Long Term Evolution,长期演进计划)是3GPP标准化组织的一个无线通信技术标准制定计划，简称E-UTRAN或LTE。在无线接入方面，LTE系统物理层基于OFDMA技术，下行传输速率可达100Mbps，上行可达50Mbps，提供从1.25Mhz到20Mhz的动态频谱分配技术，频谱效率提升到当前3G系统的2-4倍。在网络结构方面，通过扁平的网络架构降低接入延迟，用户面单向数据传输延迟低于10ms，降低复杂度和组网低成本，提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。 虽然LTE在公共通信网领域发展迅猛，但尚未在智能电网包括配电网中探讨其应用。随着智能配网的分布式电源与储能技术、配电自动化与智能调度、智能电表远程集抄等应用的发展，智能配网的通信系统必须对分布广、数据量大、用户密集的智能配电网实现无缝化覆盖，并承载其海量数据，LTE作为新一代的宽带无线技术，在上述方面具有较强的优势。 （二）面向智能配网的LTE系统构建 使用LTE构建面向智能配网通信系统，可利用LTE高带宽、广覆盖、高移动性支持等方面的优点解决智能配网在信息采集、处理以及智能控制的通信问题；此外，可利用LTE快速部署、灵活组网的特性，在应急场景下实现配电网通信系统的快速恢复，为受灾现场信息的实时获取、应急决策指挥等提供应急通信支撑手段。 1.​ 常规通信场景 在常规通信场景下，智能配网的通信系统是沟通配电主站与配电终端的桥梁。主站侧需处理多个应用系统的大量数据，而在终端侧，每个终端只需与主站进行通信。因此主站侧和终端侧的数据流是不平衡：主站侧作为汇聚大量信息和下发所有命令的实体，其通信量较大，对带宽的要求也较高；而终端侧仅与一个实体通信，信息量较小。在这种不平衡的信息流模式下，若智能配电网的主站侧和终端侧都采用用户设备（User Equipment，UE）作为通信接入设备，这种对等的组网模型不能满足主站侧的大量数据需求，因此在常规通信需求下，面向智能配网的LTE系统结构如图1所示： 图1 常规通信场景下面向智能配网的LTE系统结构 在常规通信场景下，面向智能配网的LTE系统包括了UE、基站（E-UTRAN NodeB, eNB）、移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）、服务网关（Services Gateway，S-GW）和分组数据网关（Packet Data Network Gateway，P-GW）。其中UE和eNB负责用户数据的无线接入；MME执行管理控制面，如终端标识的分配、安全性、鉴权和漫游控制等；S-GW负责用户信息的保存，连接控制等功能；P-GW完成核心网承载的控制管理、包过滤、UE IP的地址分配和速率限制等工作。 面向智能配网的LTE系统中，各配电终端的数据通过UE以无线的方式接入LTE系统，配电主站侧通过P-GW从LTE系统中接收和发送数据，以满足配电主站向多个配电终端的海量数据传输以及配电终端的灵活接入。数据的传输过程如图2所示，在配电终端侧，数据通过IP层递交到UE，UE内部通过分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol, PDCP）层对数据进行头压缩和加密处理[5]，通过无线链路控制（Radio Link Control, RLC）层完成ARQ功能与数据的分段和重组[6]；通过媒体接入控制（Medium Access Control, MAC）层完成逻辑信道和传输信道的映射、复用和解复用[7]；最后通过物理层以无线的方式将数据传送至eNB。eNB执行上述过程的逆处理，并从PCDP层实体中取出数据，使用GTP-U协议将数据封装后传送至S-GW。S-GW根据数据流的映射信息，将数据传送至相应的P-GW，P-GW进行GTP-U协议的解封装，最终将IP包透明地递交给主站侧的通信接口。 图2 常规通信场景的数据传输过程 在上述过程中，LTE系统通过承载（bearer）来实现从配电终端到配电主站的端到端的QoS控制。Bearer是一个逻辑概念，映射到相同bearer上的服务数据流可在整个系统内获得相同的服务等级[8]。配电终端与配电主站建立通信连接时，LTE系统将在管理平面为该数据流建立bearer，在UE与P-GW通信的整个过程内，都要根据该bearer来决定数据流的处理策略，包括不同的调度策略、队列管理策略、速率控制策略。对于面向智能配网的LTE系统来说，可通过对不同类型的配网业务分配不同的bearer来实现对多种业务的分级通信服务。 在组网方面，LTE系统可实现快速灵活的部署。由于不受线缆路由的限制，UE可放置于任何智能配网的信息受控点和信息采集点。对于eNB而言，在城市的密集区域，可使用多个eNB组建蜂窝网络，每个eNB覆盖周围1-2km区域内的终端；在城市稀疏区域，由于LTE的覆盖半径最多可达100Km且网络容量大，因此只需部署一个eNB即可满足整个区域内配电终端的数据传输需求。而S-GW、P-GW和MME可以合设，并部署于配网控制主站的通信机房内。 2.​ 应急通信场景 在发生灾难的紧急情况下，需要启动应急通信系统，确保受灾区域的调度电话等业务的及时恢复。此时通信接入点的位置明确且数据量较小，若同时构建LTE基站和网关会延长通信的恢复时间且在灾害再次来临时有较多的风险故障点，因此在应急场景下，基于LTE的配网通信系统只需构建eNB和UE即可满足应急通信需求，通信系统结构如图3所示。 图3 应急场景下面向智能配网的LTE系统结构 在该系统结构中，应急指挥中心与各应急现场都通过UE以全无线的方式接入LTE系统，以满足应急场景各业务的灵活接入和传输；各eNB之间通过X2接口通信并形成Mesh网络，这种扁平化的结构可使距离较远的终端数据在经过多个eNB后最终到达应急指挥中心，从而简化了网络部署，同时也通过mesh网络增强了整个通信系统的鲁棒性。数据的传输过程如图4所示。 图4 应急通信场景的数据传输过程 在应急现场终端侧，数据通过IP层递交到UE，UE内部通过协议栈各层对数据的处理后，通过无线方式将数据传送至eNB，eNB执行上述过程的逆处理，并从PCDP层实体中取出数据，根据已经建立的数据无线承载（Data Radio Bearer, DRB）找到其对应的逻辑信道、传输信道和物理信道，最终通过物理信道将数据传送至应急指挥中心侧的UE，该UE将IP包透明地递交给应急指挥中心。 （三）基于LTE的配网通信系统安全性 智能配电网应急通信系统必须是一个安全可靠的网络，通信系统不仅要为各种类型业务提供安全分区和横向隔离的通信服务，也要为不同的业务提供加密鉴权等防止第三方窃取的通信服务。 1.​ 面向分区业务的调度 随着智能配网的快速发展，各种类型的新业务不断涌现，由于业务所属于不同的安全大区，各业务对通信的要求之间存在着很大的差异。此外，在应急场景下，通信系统应优先为生产控制大区的业务提供有QoS保障、时延可控的高可靠性传输服务。因此，无论是在常规通信还是在应急通信场景下，如何满足不同分区业务的需要是智能配网通信系统的一大问题。 LTE是基于全IP的分组交换网络，系统带宽从1.25MHz到20MHz，大于典型场景信道相关带宽，因此可以利用无线信道衰落特性进行时频二维调度，在保证用户QoS的同时，最大化系统容量。LTE系统的时频二维调度如图5所示。 图5 时频二维资源调度 如上图所示，LTE系统中的整个频段可划分成大小相等的资源块，eNB通过频率资源调度算法，将不同的频率资源分配给UE，UE可以获得连续的频率资源快，也可以获得离散的频率资源快。通过上述资源调度的算法，可以实现将不同的业务映射到不同的频率和时间资源块上，从而实现不同业务在传输通道上的物理隔离。 2.​ 安全性 在面向未来的分布式能源网络中，确保用户信息的保密性尤为重要。LTE系统从网络结构和数据处理两方面保障了数据的保密性。 在网络结方面，在LTE的网络结构中，网元MME负责UE的安全性和鉴权的管理。当UE接入LTE系统网络时，UE与MME要针对安全认证信息进行交互，以保证接入UE后数据的安全性。MME的管理功能使得LTE支持用户ID的保密性，支持漫游用户和非漫游用户的合法监听，在不增加系统复杂度的前提下支持用户的位置保密。 在数据处理流程发方面，LTE系统协议栈中的PCCP层处理用户数据的鉴权和加密。在发送端PDCP层将数据映射到相应的PDCP实体中，不同的PDCP实体根据bearer的属性对数据进行头压缩，并根据COUNT值对数据进行加密。所有密钥都是在连接建立阶段协商的。在接收端，PDCP层从RLC层得到PDCP的协议数据单元后对数据进行解密和解压等相关操作后递交给IP层。通过上述过程，实现了LTE系统中数据在无线传输环境中的安全性。 4、​ 总结与展望 本文首先分析了智能配网通信系统的需求与现状，在此基础上，提出了在常规通信和应急通信场景下的基于LTE的智能配网宽带无线通信系统。下一步的工作是基于LTE QoS体系结构和智能配网通信业务的特性，研究面向智能配网业务的无线资源调度算法，通过时、频、空多维资源的分配实现电网各类业务的分区隔离的通信服务。 参考文献 [1]​ K. Moslehi and R. Kumar, “Smart grid - A reliability perspective,” in Proc. of IEEE Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), 2010. [2]​ Smart Grid Working Group (2003–06), “Challenge and opportunity: Charting a new energy future,” Working Group Reports, 2008. [3]​ Communication Capacity Requirement for Reliable and Secure State Estimation in Smart Grid Husheng Li, The University of Tennessee, United States; Lifeng Lai, University of Arkansas, United States;and Robert C. Qiu, Tennessee Technological University, United States [4]​ J. Wen, P. Arons and E. Liu, “The role of remedial action schemes in renewable generation integrations,” in Proc. of IEEE Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), 2010. [5]​ Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification; 3GPP TS 36.323 v.8.5.0, Mar. 2009 [6]​ Evolved Universal Terrestrial Radio Access and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Radio Link Control (RLC) protocol specification, 3GPP TS 36.322 v.8.5.0, Mar. 2009 [7]​ Evolved Universal Terrestrial Radio Access and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Medium Access Control (MAC) protocol specification, 3GPP TS 36.321 v.8.5.0, Mar. 2009 [8]​ Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); 3GPP System Architecture Evolution (SAE); CT WG1 aspects; 3GPP TR 24.801; v.8.1.0, Dec. 2008 作者简介： 杜洁，女，1985年5月生。云南电网公司通信分公司员工。主要从事电力通信系统的运维和宽带移动通信技术的研究工作，已发表学术论文三篇，具有国家受理专利四项。地址：云南省昆明市经济技术开发区云大西路云电科技园通信分公司；邮编：650217；电话：13888917597；电子邮箱:dujie1430@gmail.com。 龚宇，男，1980年7月生，云南电网公司通信分公司昆明通信所副主任。长期从事电力系统通信管理及运维工作。地址：云南省昆明市经济技术开发区云大西路云电科技园通信分公司；邮编：650217；电话：13987175600；传真：0871-3067646；电子邮箱：djgy717@sina.com.cn。