LTE移动通信技术在智能电网中的应用
近年来,国家电网公司陆续出台了一系列关于加快建设智能电网的政策措施，我国电网建设正面临着巨大的挑战和机遇。一方面，电网需要应对日益严峻的资源和环境压力，实现大范围的资源优化配置，提高全天候运行能力，满足能源结构调整的需要;另一方面，输配电、发电、信息化、数字化等技术的进步也为解决这一系列问题提供了坚实的技术支持。2009年举行的特高压输电技术国际会议已明确提出，到2020年，我国将全面建成统一的坚强智能电网，显然，智能电网正成为现代电力工业发展的方向。
电力通信系统是智能电网的重要组成部分。由移动通信技术(如GPRS、GSM等)实现电力系统中数据传输的方式具有不需要建立专用通道、工程投资小、覆盖面广、维护方便、安装灵活等特点，已经在远程抄表、负荷控制与调度等领域取得了较好的效果。LTE技术的使用将为电力系统信息化注入新的活力。LET相比已应用的GPRS、GSM、3G等具有更高的传输速率、更加安全可靠的性能，能够为智能电网的建设提供全方位的通信服务。
本文首先介绍了智能电网、LTE的相关知识，分析了现代移动通信技术在电网中的应用现状，针对智能电网对电力通信系统的要求，得出 LTE应用到智能电网具有突出优势的结论，并从电网视频监控、智能巡检、智能负荷调度管理、应急抢险指挥等几个方面介绍了LTE技术在智能电网的应用。
二 智能电网概述
1.智能电网的概念和特点
智能电网是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都被实时监控，并保证从发电厂到用户端电器之间每一点上的电流和信息的双向流动。通过广泛应用分布式智能、宽带通信以及自动控制系统的集成，智能电网保证了市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。
从技术角度讲，智能电网有3个层面的含义：首先是利用传感器对发电、输电、配电、供电等环节关键设备的运行状况进行实时监控;然后将获得的数据通过网络系统进行收集、整合;最后通过对数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行的优化管理。
智能电网具备如下特征：
1)自愈。通过实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患;在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。
2)安全可靠。能够很好地应对自然灾害、外力破坏和计算机攻击，保证人身、设备和电网的安全，自动恢复电网的运行。
3)经济高效。可以优化资源配置，提高设备传输容量和利用率;在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口;支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。
4)兼容。能够开放性地兼容各种类型设备，包括集中大电源、分布式发电以及可再生能源，满足电力与自然环境、社会经济和谐发展的要求。
5)与用户友好互动。实现与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求;实现系统运行与批发、零售电力市场无缝衔接，同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平。
2.智能电网的技术体系
智能电网的构建与功能实现有赖于多项基础技术的发展、推广和应用。智能电网的技术体系分为基础技术和高级应用。基础技术包括电力设备、量测与通信设备、信息管理系统、决策与控制理论，高级应用有智能控制中心、智能变电站、智能线路、智能保护系统、智能需求侧管理。通过基础技术与高级应用的有机结合，最终形成智能电网。
三 电力通信系统应用现状
电力通信系统是保障电力系统运行不可或缺的组成部分。电力系统正常运行需要借助于有效的通信手段，将控制中心的命令准确地传送到远方终端，并将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。目前常用的通信方式有现场总线、电话专线、光纤通信、电力线数字载波、无线扩频等。这些通讯方式普遍存在的问题是要自建专用信道，且工程投资大，维护工作繁重。随着无线通信技术的不断发展，利用移动运营商提供的移动通信技术实现电力系统中的数据传输，将是电力系统自动化的重要发展方向。
与此同时，GPRS(General Packet RadioService)也是一种被广泛采用的通信方式，它是一种基于第二代移动通信系统GSM的2.5G无线分组交换技术。这种技术具有覆盖范围广、永远在线、接入速度快、支持中高速数据传输、投入费用低、可按流量收费等优点。目前，GPRS技术已经被广泛应用到电力工业的各个环节，如配网自动化、电力负荷管理、无线抄表、调度自动化、电能质量监测、电压等级变电站的远动信号传输、电力抢修调度、输电线路污秽在线监测等领域。但是，实际应用中GPRS 传输速率仅为57.6kbit/S，且通信保密性、安全性不够高，已经不能满足未来智能电网发展对通信系统的要求。相比之下，LTE技术不仅具有GPRS 技术的优点，同时也弥补了GPRS技术在传输速度、保密性、安全性等方面的不足，因此更能适应未来智能电网建设的发展方向与技术要求。
四 LTE技术及其在智能电网中的应用
1.LTE技术
LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。
LTE技术特点主要表现在以下几方面：
1)通信速率高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。
2)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。
3)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
4)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配，保证了将来在系统部署上的灵活性。
5)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan<5ms，C-plan<100ms。
6)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。
7)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。
与3G等移动通信方式相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等。
2.LTE在智能电网中的应用
LTE 在智能电网中的应用优势主要表现在：高速的数据传输速度满足了电力系统大量信息数据传输的要求，高速可靠的数据交互为智能电网开放性地兼容各类设备提供了可靠的通信机制;LTE的视频功能将增加电网与需求侧、发电商、环境和谐相处的能力，为其提供完成交易的信息处理平台和物理载体;LTE的安全性和可靠性是满足智能电网防御信息攻击，提高信息安全，提高自愈能力的重要保证，为智能控制、负荷调度、电力抢修、智能需求侧管理提供了准确、可靠、实时的数据信息。
LTE技术在智能电网中的具体功能应用如下：
1)网视频监控
在配网中有大量的检测终端与变压器监测设备，用于向调度中心传送各种信息，如遥测、遥信、遥控主要设备状态和报警信息等。随着视频监控技术的发展，越来越多的变电站和机房采用无人值守的方式，因此为了提高安全性和可靠性，系统对传输通道的可达性和带宽提出更高的要求。采用固定宽带与移动LTE通信技术相结合的方式，可实时传送清晰的动态视频信息，满足电力网络利用视频进行实时监测的要求。
将LTE移动视频业务与电力系统已有的视频监控系统相结合的优势在于：一方面，在有线宽带不能通达的监测点安装移动视频监测装置，实现视频监控;另一方面，监控维护人员可使用移动PC机或手机，实时了解运行状况。由于移动视频监控对带宽的要求较高，只有使用LTE移动通信网络才能获得较好的业务质量。
2)线路巡检
高压架空输电线路是电力系统的重要组成部分，其传输距离长，沿线地理环境复杂。目前国内主要采用人工检测故障的方法对线路进行维护，这种方法下巡线人员工作强度很大，故障检测困难。随着电子芯片和机器人技术的飞速发展，日、美等国已经成功研制出以机器人作为载具，以摄像机作为图像采集设备进行巡线的技术，而且借助移动通信技术(掌上电脑、条码扫描技术、RFID射频识别技术等)，巡检人员可利用掌上电脑、手机、PC机以文字、图片、视频的方式将现场情况实时发送到巡检中心，保证了现场数据的准确性、完整性。这种方式提高了工作效率，使巡检维护规范化，提高维护和管理水平。
3)负荷管理
负荷管理是电力需求侧管理(DSM)的重要组成部分，是缓解电力供需矛盾，提高电力使用效率，保障电力系统安全运行的重要措施。DSM中的负荷管理主要有降压减负荷、对用户可控负荷进行周期性控制、直接切除用户可控负荷三种方式。通过采用LTE移动通信网络的无线通信方式，可利用视频对电网进行全面监测，同时实现信息高度共享、多部门联动、增强协调能力、加速信息流转，实现远程监控与操作，准确及时地进行负荷管理和人员调度，降低人力成本，提高响应速度。
4)应急抢险指挥
智能电网的自治和自愈能力是指电网维持自身稳定运行、评估薄弱环节和应对紧急状态的能力。由于一些突发情况造成电力网络故障或电力系统损坏的情况时有发生，需迫切提高应急抢险指挥能力，快速恢复电网的正常运行。在电力应急抢修车中加装LTE移动通信终端，通过音频和视频传输远程现场信息，将抢修现场情况与电网运行情况、设备运行系统资料、客服中心的报修系统、事故抢修决策预案等系统互联，以保证各部分信息迅速流通、互动，使远端指挥人员实时了解电网的现场状况，作出正确判断和指挥，提高现场的指挥调度能力，缩短抢险时间，提高应急能力，减少灾害造成的影响。
3.LTE技术应用建议
基于以上对LTE以及通信技术在电力工业应用特点的分析，针对LTE技术在智能电网的实际应用提出如下建议：
1)结合GPRS与LTE技术，建设智能电网通信体系
目前，GPRS在电力系统的应用比较广泛，已形成了配套的硬件、软件设施。而3G终端设备以及通信费用还比较高，因此，在当前电网中选择数据量大、实时性、稳定性要求高的技术领域适当地应用LTE技术，如线路故障查询、变电站自动化管理、电力抢修指挥等，既满足了经济性建设的要求，又满足了系统性能要求。
2)建立开放、标准、集成的通信系统
智能电网需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台，为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务。因此，宽带通信网，包括电缆、光纤、电力线载波和无线通信等，都将在智能电网中扮演重要角色。建立开放、标准、集成的通信系统，有助于实现信息的共享、交互。
3)提高电力通信系统的安全性
随着互联电网不断扩大，电力系统及其关联的控制和通信系统任何一个脆弱部位都会遭到人为或自然的攻击，导致电力系统灾难性事故发生。应提高通信网络的安全性、抗干扰性、鲁棒性，增强智能电网的防御能力。
五 结束语
移动通信发展到LTE阶段，其数据传输速率不断提高，提供的业务向移动互联网、手机电视、视频通话等多媒体IP方向发展，不但业务种类更多，服务质量也更高。移动通信的发展，特别是将来LTE网络的建成，必将有力地促进电力行业的发展。未来的智能电网，将是一个高带宽、IP化、多级QoS保障、提供多种业务的综合平台。
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