面向配电网业务传输的TD-LTE专网性能测试与分析

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　　摘   要：无线通信是当前配电网通信的重要组成部分。首先分析了配电网各类业务对TD-LTE无线专网性能的需求，然后在TD-LTE无线专网实验平台上，测试了传输时延和时延抖动两项网络性能指标。实验测试及分析结果表明，在正常业务量状态下，TD-LTE无线专网可以满足配电网业务传输要求，但在用户过载或网络拥塞时，则难以提供可靠的网络通信服务。文章最后给出了保障配电网TD-LTE无线专网可靠性的几点建议。
　　关键词：分时长期演进;无线专网;电力系统通信;配电网
　　中图分类号：TM769;TP393                                   文献标识码：A
　　TD-LTE Specialized Network for Distribution Network
　　Service Transmission Performance Test and Analysis
　　YANG Gui
　　（NR Electric Co.，Ltd，Nanjing，Jiangsu 211102，China）
　　Abstract：Wireless communication is an important part of current distribution network communication. Firstly，this paper analyzes the demand of distribution network for TD-LTE wireless network performance，then on the experimental platform of TD-LTE wireless network，two performance indexes of transmission delay and delay jitter are tested. Experimental tests and analysis results show that TD-LTE wireless network can meet the transmission requirements of distribution network under normal business conditions，but it is difficult to provide reliable network communication services when users overload or network congestion. Finally，the paper gives some suggestions to ensure the reliability of the distribution network TD-LTE wireless network.
　　Key words：LTE;wireless special network;electricity system communications;distribution network
　　配电网信息化是我国智能电网建设的重要内容。近年来，信息通信技术的不断发展为实现配电网信息化提供了关键技术支撑[1]。与输电网不同，配电网具有设备数量大、种类多、分布广等特点，而其相应的通信网络呈现出通信点多、单点信息量小、覆盖面广等特征[2]。如果完全采用光纤通信来支撑满足配电网各类业务的通信传输需求，不仅不经济且工程实施困难。以光纤通信作为主干网，将无线通信作为光纤末端网络补充的这种混合通信模式可满足配电网各类业务的通信要求，已成为配电网通信的发展趋势[3]。
　　近年來，以长期演进LTE为代表的无线通信技术得到快速发展。根据双工方式的不同，LTE可分为分频双工FD-LTE和分时双工TD-LTE。后者是我国通信产业界拥有自主知识产权、具有国际影响力的4G技术标准。考虑到产业链支撑、国家政策支持、发展潜力等因素，国家电网公司电力无线宽带专网建设优先选用TD-LTE技术[4]。TD-LTE技术为采用时分复用的4G技术之一，无委会为行业用户分配的1785 MHz-1805 MHz的频带要求采用的即为TD-LTE技术。随着配电网信息化建设的不断推进，TD-LTE通信技术已经越来越广泛地应用于配电网通信系统，其所承载的配电网业务涵盖配电网自动化、SCADA、负荷控制、自动抄表、状态监测、负荷预测、监控视频、运维以及应急通信等[5]。
　　针对TD-LTE无线网应用于配电网通信的相关问题，国内外学者已经开展了系列研究工作。例如，文献[6]分析研究了TD-LTE无线网应用于配电网自动抄表业务的可行性;文献[7-8]介绍了TD-LTE 230系统的关键技术及其在浙江海盐电网的应用情况;文献[9]利用基于射频拉远技术的电力无线专网通信构建了用电信息采集通信系统;文献[10-11]结合智能配用电的业务需求，提出了以光纤通信为骨干接入、以TD-LTE无线通信为全域覆盖的综合通信系统解决方案。
　　为掌握TD-LTE无线专网在承载配电网各类业务时的网络性能，须对TD-LTE专网进行实验测试。从现有文献资料看来，目前尚缺乏面向配电网业务的TD-LTE无线专网的性能测试分析数据。鉴于此，本文在分析配电网传输各类业务的通信需求的基础上，实验测试了TD-LTE无线专网的网络时延、时延抖动等性能。进一步，结合实验结果提出了保障TD-LTE无线专网业务可靠传输的几点建议。
　　1   配电网无线通信技术需求 　　1.1   配电网业务要求
　　在电力通信网中，LTE无线通信专网主要服务于配电和用电业务系统，即以配电自动化、配电网检修、用电信息采集为代表的各类配电网状态监测业务。
　　配电网无线通信业务需求如下：
　　（1）对安全需求较高的业务，例如应急抢修业务，应当优先选择无线专网承载，仅在专网不易覆盖的地区，采用少量公网技术;
　　（2）对传输流量要求较高或对终端移动性要求较高的业务，如视频监控业务、移动作业业务、移动办公业务等，因无线公网具有网络覆盖方面的优势，可借助无线公网实现业务支撑;
　　（3）对传输速率要求较小但终端规模较大的业务，如用电信息采集，可采用无线公网技术进行承载。
　　在配电网生产业务系统中，终端处的数据量一般在1k～10k数量级，汇聚处的数据量通常在100 k ～ 1 M数量级，目前主流的无线宽带通信技术均能满足带宽要求。但是，生产业务所需要的实时性、可靠性、过程可管性等网络性能，则只能通过无线专网实现。
　　1.2   配电网业务对TD-LTE性能需求
　　上述配电网无线通信业务需求可以分为高优先级业务和低优先级两类。每类业务的带宽以及时延要求如表1所示。高优先级业务主要用于快速隔离故障源，确保电网的安全稳定运行，例如配网差动保护业务通过线路两端的电压电流比较跳开故障线路，隔离故障，确保电网整体安全;负荷控制业务用于实时调控用户负荷，确保供需平衡。在传输延时、传输误码无法保证情况下，会直接导致保护动作时间变长或保护退出，配电网将处于无保护状态下工作，极大威胁配电网的安全运行。低优先级窄带业务主要包括抄表业务、状态监测和负荷预测，具有数据流量小，实时性要求低的特点，对于报文丢包等没有严格要求，在通信质量下降情况下，抄表等业务的收集原始数据时间将变得更长，会出现丢帧和通信中断等现象，但业务本身实时性要求不高，并不会带来较严重得后果。低优先级宽带业务主要包括视频监控、移动运维、应急通信等，具有数据流量大，延时要求严格，但业务重要性不高的特点，在延时等不能满足要求等情况下，视频业务将出现卡顿，视频不连续等，业务可用性无法得到保证。
　　需要说明的是，当配电网有保电任务时，所有范围内的电力通信终端优先级应当提高。
　　2   配电网TD-LTE专网测试
　　配电网TD-LTE专网测试平台主要包括基站模拟、终端模拟和核心网模拟，可以对各个设备进行包围性测试，即可在测试基站时同时模拟终端和核心网。
　　2.1   多用户业务时延及抖动分析
　　在进行多用户业务（大于200个用户终端）通信性能测试时，利用测试仪模拟用户数逐渐增加对网络性能的影响。在测试过程中，用户数以10个/秒的速度增加到设置值。
　　配电网TD-LTE专网在承载多用户业务时的时延和抖动测试结果如图2、图3和图4所示。鉴于配电网业务主要涉及用户端上行功能，这里只分析上行网络性能。根据如图2所示的测试曲线可知，当用户数量逐渐增大时，整个业务系统的用户端上行时延的最大值和平均值随之增加，最大值达到1.024 s，平均值达到146.171 ms，系统重传率约为10%左右。由图3所示时延统计情况可知，时延区间主要集中在25-500 ms之间，其中时延在100-200 ms区间的可能性最大。从图4所示的抖动测试结果可以看出，系统的时延抖动值最大达到4.598 s。
　　将图2至图4的测试结果与配电网业务对网络性能需求（表1至表3）作对比可以发现，当用户较少时，TD-LTE专网的时延满足各项业务传输要求;随着用户数增加，网络时延逐渐增大，当时延超过500 ms时，TD-LTE专网将不能保证配电自动化、SCADA、负荷控制、监控视频、移动运维以及应急通信等业务的可靠传输。将导致配电自动化的保护功能无法及时跳开故障开关，同时无法及时下达遥控命令切除故障，存在生产事故隐患。
　　2.2   业务拥塞状态下时延和抖动分析
　　在配电网TD-LTE专网中，由于目前未对配电网各项业务进行区分，当业务发送速率大于网络线速时，整个系统将出现网络拥塞现象，从而造成较大的时延，甚至出现丢包情况。
　　为测试配电网TD-LTE在业务拥塞状态下的网络性能，本文利用测试仪模拟多个用户同时发送数据包，测试分析基站出现拥塞排队状态时的网络性能。网络时延、时延分布以及时延抖动的测试结果如图5、图6和图7所示。从业务拥塞状态下的测试结果可知，TD-LTE网络的最大时延达到1.08 s，平均时延近400 ms，时延分布主要集中在200-500 ms区间，最大时延抖动为11.37 ms。可见，在TD-LTE专网出现业务拥塞时，网络性能仅能满足配电网自动抄表、状态监测、负荷预测等低优先级窄带业务需求，而其它业务则无法保证可靠传输。
　　由于面向配电网的TD-LTE专网的容量和业务性能的特点，当突发事件发生时，存在系统用户并发传输，造成业务性能降低，增大了业务传输时延，增加了排队等待时间。随着用户数的增长，业务轮询周期增加，业务可靠性降低，重传率升高。
　　2.3   提高TD-LTE无线专网可靠性的建议
　　TD-LTE无线通信技术已逐步应用于配电网业务传输，未来将成为配电网光纤末端通信的重要组成部分，承载多项配电网业务。为保证配电网TD-LTE无线专网的可靠性，须对TD-LTE专网进行合理地规划和配置。针对TD-LTE专网传输配电网各项业务的实际应用需求，在规划和配置网络时的建议如下：
　　（1）在配电网TD-LTE專网建设时，应当充分考虑周围环境干扰特性，并尽可能地排除通信干扰;
　　（2）在TD-LTE基站选址时，应在综合评估用户数量和业务类型的基础上，科学地规划基站地址以及基站分布; 　　（3）在TD-LTE专网运行时，应根据配电网不同业务类型的特点及其对网络性能的需求，合理划分不同业务的优先级;
　　（4）在TD-LTE基站及核心网设备配置时，应具备业务拥塞处理机制，保障拥塞状态下高优先级业务的可靠传输。
　　3   结   論
　　TD-LTE无线通信技术应用于配电网的配电、用电以及运维等业务是提高配电网自动化、信息化水平的重要途径。针对配电网各类业务对无线通信网络的性能需求，实验测试分析了TD-LTE无线专网的网络时延和时延抖动这两项主要网络性能，并结合实验结果给出了保障TD-LTE无线专网可靠承载配电网各项业务的几点建议。给出的实验测试数据以及网络规划配置改进建议可为配电网无线通信系统规划与运行提供参考。
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