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LTE230无线专网模块对智能电网业务适配性的研究与应用

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vdianwang 发表于 2020-3-20 18:03:15 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

智能电网与能源互联网是工业互联网、物联网的典型应用场景,对提高供电的可靠性与供电质量,提升服务水平和企业形象起到了重要的支撑作用。国家电网公司已实现用电信息采集业务的全覆盖,建设智能电表超过4亿只,各类采集器集中器数千万,十三五期间公司将进一步实现配电自动化业务的全面覆盖,及分布式能源接入、精准负荷控制等业务类型的远程接入和信息化、自动化管理。

    电力大量终端工作在室外、强电磁干扰等恶劣的工业生产环境中,长期接受高低温、潮湿强腐蚀等严峻考验。电力作为国计民生的基础能源行业,对安全性可靠性要求又极高。为保证电网及一次设备的长期、稳定运行,作为电力二次设备的通信模块,必须能承受同样极端工作条件的考验。

    在智能电网海量终端已规模建设的条件下,总结已有经验和教训,研究并开发出符合电网需求的工业化通信模块,是“十三五”期间智能电网进一步发展,电力无线通信专网满足配电自动化、精准负控等控制类业务承载要求、保证智能电网持续发展的必要条件。

1  通信模块需求探讨

    通信模块包括内嵌或外置两种形态,为保障电力业务的长期稳定、安全、可靠运行,不仅仅要考虑外观形态和电气特性符合国网公司及能源行业相关标准规范,还需从网络环境、模块稳定性与可靠性、物理环境适应性、电磁兼容性等多方面满足电网工业化生产环境下严酷业务场需求景。

1.1  通信模块网络环境适配性需求探讨

    传输时延与带宽是通信模块两个关键指标,基于终端适配性研究也围绕这两个关键指标展开。

1.1.1  严格的传输时延

    作为承担多种业务智能电网业务的无线专网,必须满足毫秒级的端到端通信时延。更为严格的是,由于电力业务是物联网范畴,小数据量突出传输场景占据绝大多数场景,故这里的时延要求数据传输时延和链路建立时延。即是LTE中控制面板(CP)与用户面(UP)时延之和。无论从网络侧还是从通信模块侧,这都是异常苛刻的要求,目前的无线公网均无法满足此技术指标。电力业务传输时延要求如表1所示。

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从通信模块的角度,待机状态下的非连续接收(RTX)机制、随机接入(RA)机制均无法照搬无线公网的机制,电力无线专网终端模块开发过程中均需进行较大的调整优化,实现终端模块实时在线,满足业务数据传输时延需求。

1.1.2  灵活的带宽分配能力

    电力终端通信模块以承载小颗粒业务为主,主要用于营销、配电自动化、精准负控等业务的远程数据采集和控制;电力无线通信终端应该结合实际业务需求,满足通信模块在性能、体积、功耗、成本、可接入容量等方面的差异,保证电力业务接入的经济效益最大化。电力终端通信带宽要求如表2所示。

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为满足上述性能要求,电力无线专网通信模块在频谱分配上应足够灵活,对小颗粒业务通信模块,可调度的带宽资源尽可能小,以满足系统容量需求、提升能量频谱密度提升覆盖,同时降低成本;对于大颗粒业务通信模块,应该具有尽可能灵活的频谱配置能力,满足大颗粒业务通信需求的同时,减少对频谱资源的占用,实现以“恰当”、“够用”频谱分配策略。

1.2  通信模块稳定性与可靠性需求探讨

    电网对设备稳定性和可靠性要求非常高。作为电网设备组成部分的通信模块对稳定性和可靠性提出了更高的要求。如配网自动化遥控成功率≥98%,分布式电源遥信正确率≥99.9%,遥控正确率100%,子站、监控终端平均无故障时间≥26000h,系统可用率≥99.9%,如表3所示。

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通信模块应从硬件电路、软件框架、信道编码、容差设计等方面采取多种措施,提升业务承载的可靠性,如表4所示。

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1.3  通信模块物理环境适应性需求探讨

    终端模块安装在工业生茶环境下,需满足苛刻工业生产环境下的稳定工作需求。室外、地下室、生产车间等占据相当部分比例;沿海地区还要考虑飓风、海水(附近)的腐蚀,西北地区要考虑沙尘,北部和南部地区分别要考虑极端高低温等都是必须考虑的因素,与商业环境中的通信终端(如手机)具有显著区别。环境适应性需求如表5所示。

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  电力无线通信模块需通过行业严格的热设计来保证设备在规定的热温度范围内稳定工作。通过恒定湿热测试、盐雾试验、跌落试验等保证产品对物理环境的适应性。

1.4  通信模块电磁兼容性适应性需求探讨

    电磁兼容性是电力无线专网模块面临的一项严峻考验。为保证电网环境下二次弱电设备的正常工作,同时避免作为二次设备对一次设备的干扰,通信模块单元应在下表所列的电磁骚扰环境下能正常工作,骚扰对通信单元工作影响程度用试验结果评价等级表示。通信模块电磁兼容性要求如表6所示。

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评价等级A:骚扰对通信单元工作无影响,试验时和试验后通信单元均能正常通信。

评价等级B:骚扰使通信单元暂时丧失通信功能,骚扰后不需人工干预能自行恢复通信功能。

    通信单元的无线电干扰抑制应符合GB 9254—2008的B级设备的要求。

1.5  通信模块形式规范要求适应性需求探讨

    根据《GDW 1375.2-2013--电力用户用电信息采集系统型式规范-第2部分:集中器型式规范》相关规定,通信模块在物理结构、通信接口、供电接口、天线接口等方面均应满足内嵌要求。LTE230系统为智能电网量身定做了LCM内嵌模块系列。

    为满足手持终端、多媒体终端对无线专网的接入需求,终端接入网系统系统同时提供BRU核心模块和CPE外置独立模块。

2  开发原则与部署方案

2.1  开发原则

    LTE230无线专网通信模块为智能电网业务量身定制,在研发设计、生产制造、安装调试过程中,遵循如实用性原则、规范性原则、稳定性原则、持续演进原则。

2.2  部署方案

    模块部署过程中,本着施工便捷、节约投资的出发点,应优先考虑内置部署方案,通信、供电、模块固定等无需额外配套,提升模块的安全可靠性;针对模块的升级替换,不同技术体制的模块应相互兼容,同时通信终端布置及连线要合理,整齐美观,以维护方便、操作安全,便于施工;对于电力业务终端,除通信模块更换外,已有配用电终端保持不变或仅做必要的接口协议对接调试,最大程度利用已有投资。

3  应用案例

    产品已在电力无线专网建设中得到广泛应用,在十多个省市建立近20个电力无线专网,覆盖面积超过3 000 平方公里,承载各类电力、油气田终端超过20 000套。共计接入21多万户家庭。国内目前最大的三个电力4G无线专网(浙江嘉兴、江苏昆山、广东广州)均采用该设备。

    系统同时在石油领域同样得到广泛应用,玉门等油田建成的无线通信专网,承担油气水井的远程采集和监控业务,推进了石油行业信息化发展。

4  结论

    通过对电力业务的通信需求研究,深度定制各类电力无线专网通信模块,提高采集成功率和遥控成功等业务关键指标。通过试点应用验证对真实业务的实用性。为国网电力无线专网建设技术决策提供重要参考依据。


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