基于LTE230无线宽带通信网络的用电信息采集应用研究
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【摘要】 本文介绍了LTE230无线宽带通信专网在张家口地区的建设情况，结合现有用电信息采集系统上行通信方式特点，给出LTE230 通信模块开发设计的要点，并通过实际应用验证了LTE230无线宽带网络能很好地满足电力系统的用电信息采集业务要求。
【关键词】 LTE230 无线宽带 用电信息采集 通信模块
长期以来，由于业务终端点多、覆盖面广且分布分散的特点，电力用户用电信息采集可选择的通信手段不多。光纤通信方式虽然具备业务传输能力强的优势，但部署施工难度大，成本高，难以全面覆盖。目前，无线公网（ GPRS、CDMA等）已成为用电信息采集系统远程通信方式的主要选择，但随着采集业务的大规模开展，常用的无线公网也逐渐暴露出诸多问题，如采集成功率低、存在信息安全隐患、服务得不到保障、无优先级保障，同时每年需支出大量的通道租赁费用。
因此，电力企业一直在进行无线专网建设的探索，早期的230 MHz电台专网由于其技术落后、点对点通信、采集周期长等问题，无法满足统一坚强智能电网的传输带宽需求；McWiLL、 WiMAX等无线宽带方式传输距离短、穿透能力弱，可靠性难以满足业务需求，同时使用2.4 G、1800M的频段，需要向无线电管委会申请频段，存在较大困难，因而也难以得到大规模使用。
LTE230 系统是工作在230MHz频段的无线宽带通信系统，该技术的优势在于采用的230 MHz频段为电力负荷管理专用无线通信频段，不需要向无线电管委会申请频点，可用频段为40个25 kHz，共计1 MHz带宽。具有低频段、高网速、覆盖距离远的特点，使其在建网和后期维护成本上都优于其他系统。近年来在电力配用电领域得到良好的推广应用。
一、张家口地区LTE230无线宽带专网建设情况
2013年，张家口地区LTE230无线宽带专网试点建设项目正式启动，工程同时对试点区域内原运行在无线公网上的采集终端通信方式进行改造，逐步把相关采集业务转移到LTE230无线专网上。系统包括了核心网、网管系统各一套，基站设备三套。
在公司营销大楼顶建一个基站，实现城区核心区域覆盖；在宣化县公司楼顶建一个基站，覆盖以该站点为中心，方圆5～6公里的县城区域；市区人头山顶建一个基站，覆盖周边9公里内山区区域。基站通过电力光纤直拉方式、电力光纤专网和数字微波等多种通信方式接入位于公司营销大楼通信机房的核心网和网管系统。LTE230宽带专网通过覆盖城区、县城、山区等不同地形，验证LTE230无线专网系统在不同地域支撑电力业务的特性。
2.1 采集系统业务简介
居民用户用电信息采集以小区楼道、柱上变或小区箱变（公变）为单位，完成单个楼道或箱变负荷范围内全部居民用户、关口计量点的用电信息采集。安装于楼道的采集器、农村柱上变或小区箱变处的集中器即为一个远程通信节点。
用电信息采集系统主要由以下几部分组成：主站、通信信道、集中器、低压电力线网络、专变终端、电能表。采集系统主要工作原理：以低压居民集抄GPRS通信方式为例，居民用户的用电数据信息由电能表采集，通过电力载波将用电信息传输给集中器。用电信息数据经协议封装后发送到中国移动（或中国联通）的GPRS数据网络，通过该网络将数据传送至主站，实现电能表数据和主站的实时在线连接。同时，集中器还可将主站发送的遥控指令传给电能表控制模块，对电能表进行数据请求等各种操作。
用电信息采集系统中集中器等采集终端的主要通信方式有光纤专网通信、GPRS无线公网通信、230MHz无线专网通信、电力线载波通信、RS-485通信方式等。
2.2主要研究内容
通信方式的改造目标是各个集中器或专变终端通过LTE230上行通信模块（UE）将本地采集业务相关数据传输到所覆盖区域基站设备，基站通过光纤、微波等方式将业务数据回传核心网，核心网将各个基站业务数据汇总通过网络接口回传给用电信息采集主站系统，完成主站系统通过LTE230系统对各个居民用户、专变用户等用电信息数据的采集工作。
目前张家口用电信息采集业务使用了大量GPRS通信模块。LTE230无线宽带通信网络在张家口的推广应用，首先要开发出符合采集终端通信接口的LTE230通信模块，要求采用与GPRS通信模块完全一致的技术规范和型式规范，这样做后无需对采集终端进行升级改造，就可以直接进行模块替换，降低费用。下面以I型集中器通信模块为例，简述LTE230通信模块开发的关键要点。
2.3 LTE230 通信模块开发设计
2.3.1底层通信原理
考虑到电力系统中大量的终端对业务时延要求较高，尤其是专变终端的时延要求更为严格，需要对系统进行合理设计以有效降低时延。因此，LTE230无线宽带系统采用扁平化的全IP网络架构，组网灵活，能够适用现有业务的开展，而且方便将来新业务的扩展应用，如下图1所示。
集中器和无线模块的底层通过 AT 命令构成通信通道，而无线通信模块，与无线接入设备及主站的底层是基于成熟的 LTE 的底层信令架构，并针对行业业务特征进行优化而成。IP 层是在成熟稳定的底层之上，屏蔽了物理层的细节，使得网络应用层可以自如设计实现。
集中器的 IP 地址都由LTE230系统的核心网管理和维护，集中器连接的无线通信模块正常完成底层接入后，核心网分配IP 地址给集中器，核心网一并维护 IP 地址和集中器的对应列表。
2.3.2 LTE230通信芯片选型
目前市面上的LTE230通信芯片很少，只有中国普天信息产业股份有限公司的一款芯片，该芯片设计时考虑了在用电信息采集系统中需要的功能，简化了设计，降低了成本，因此在电力行业中得到广泛的应用。
2.3.3 LTE230 通信模块的TCP软件流程
用电信息采集系统中集中器或专变终端通过AT指令与LTE230模块进行命令控制以及数据通信；通过LTE230模块将数据传送至主站，实现与主站的实时在线连接；同时，集中器或专变终端还可接收主站发送的遥控指令进行请求操作。
2.3.4 LTE230 通信模块设计开发的关键点
（1）集中器LTE230通信模块硬件设计需要符合国家电网公司的电力用户用电信息采集系统集中器型式规范的要求。软件设计必须符合国家电网公司2013年的最新版电力用户用电信息采集系统技术规范中的《通信单元技术规范》和《远程通信模块接口协议》，同时须兼容2009年版本的终端。
（2）由于各厂家的集中器上行通信模块与主站的交互信息文本没有统一标准，为了避免涉及到与多个厂家开发接口，影响通信模块的兼容性，建议通信模块在网络连接后开启透明通道，建立透明数据传输，避免通信模块对交互信息的解析。图2是LTE230模块建立连接流程图。
三、应用效果
按照上述开发思路研制出了I型集中器LTE230 通信模块，经试运行后，在LTE230无线信号覆盖区域内进行了安装，集中器采集数据通过LTE230无线宽带通信网络及光纤网络，上传至统一的采集主站系统，通信系统自建成后一直运行稳定，采集成功率达100%，时延小于2s，满足了电力系统业务稳定性和可靠性要求。
四、结 语
LTE 230 MHz无线宽带通信技术采用223～235 MHz电力负荷管理专用无线通信频段，电力行业拥有40个授权频点，不需要向无线电管委会申请频点，并且作为低频频段具有覆盖范围远的优势。因此，LTE 230 MHz比其他无线通信技术更适用于用电信息采集通信。系统建设后的首要任务是开发出符合国网标准，兼容性强的远程通信模块，以替换现有的通信方式的通信模块，才能实现用电信息采集业务从无线公网到LTE 230 MHz无线宽带专网的逐步转移，摆脱对无线公网的依赖性。张家口地区进行的LTE 230 MHz无线宽带专网建设和应用效果表明，无线宽带网络完全满足用电信息采集对通道的要求，可为先进的无线通信技术应用于智能电网建设发挥良好的示范作用。
齐火箭（1978-），男，电气工程及其自动化专业，大学本科学历，学士学位，高级工程师，现担任电能计量技术高级师，主要从事电能计量专业技术管理、质量监督等工作。