城市能源互聯(lián)網(wǎng)中的無線技術(shù)應(yīng)用研究
0 引言
以電力為中心的城市能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為供電企業(yè)帶來了前所未有的機(jī)遇。在互聯(lián)網(wǎng)+和能源互聯(lián)網(wǎng)不斷推進(jìn)建設(shè)的大背景下,基于以往電網(wǎng)運營強(qiáng)調(diào)的用戶供電可靠性保障和供電質(zhì)量保障,已無法及時了解客戶的內(nèi)部用電信息及需求,不能滿足互聯(lián)網(wǎng)時代客戶的個性化需求。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過建設(shè)用戶站集中監(jiān)控系統(tǒng),進(jìn)而升級至能源管理互聯(lián)網(wǎng)平臺,可增加與用戶的多樣化交互,并根據(jù)電力用戶的差異化需求,通過引導(dǎo)地區(qū)新能源發(fā)展,指導(dǎo)客戶建立微電網(wǎng),實現(xiàn)系統(tǒng)化、流程化的能源管理,通過多途徑為用戶提供個性化的整體能源解決方案[1-3]。
鑒于能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的迫切需求,需要建立一張與其發(fā)展相匹配的通信網(wǎng)絡(luò)。無線專網(wǎng)的應(yīng)用是占據(jù)城市能源互聯(lián)網(wǎng)入口、取得競爭優(yōu)勢的必要舉措,也將進(jìn)一步提升城市能源互聯(lián)網(wǎng)中通信網(wǎng)絡(luò)整體的信息采集和傳輸能力,優(yōu)化資源配置,提升網(wǎng)絡(luò)運行效率。同時,在信息網(wǎng)絡(luò)安全越來越重要的大背景下,如何建設(shè)好既高效又安全的無線網(wǎng)絡(luò),成為城市能源互聯(lián)網(wǎng)研究中的一項重要課題[4]。
1 業(yè)務(wù)需求
1.1 業(yè)務(wù)內(nèi)容需求
能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)是基于多專業(yè)的綜合性信息開展大數(shù)據(jù)分析,以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位用戶的差異化需求。能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求面極為廣泛,涉及客戶(尤其是大客戶)信息的方方面面,如設(shè)備、線路、用能、生產(chǎn)情況等信息,具體為:在生產(chǎn)管理方面,需收集客戶方生產(chǎn)制造相關(guān)的產(chǎn)能信息;在綜合用能信息采集方面,需實時掌握客戶煤、水、電、熱等綜合用能信息;在設(shè)備在線監(jiān)測方面,需對大用戶的線路、設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測;在用戶移動服務(wù)方面,需能夠支撐用戶對于用能信息、節(jié)能方案的交互。
為保障能源互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供專業(yè)化的服務(wù),實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的電力能源服務(wù),還需要對與能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)緊密相關(guān)的供電公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行信息采集工作:
1)配電自動化:采集配電自動化的“二遙”、“三遙”業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);
2)移動作業(yè):采集配電工區(qū)的移動巡視、移動檢修、配網(wǎng)搶修作業(yè)過程中的信息;
3)配電設(shè)施、營業(yè)廳及充電站/樁視頻監(jiān)測:包括配電設(shè)施、營業(yè)廳、電動汽車充電站、分散式充電樁群的視頻信息等。
1.2 無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)帶寬需求
以35 kV、110 kV公用變電站模擬站點預(yù)估無線終端數(shù)量,計算無線專網(wǎng)基站的無線業(yè)務(wù)通信帶寬,確保基站可同時滿足覆蓋和帶寬的雙重需求。在站點帶寬需求分析中,能源互聯(lián)網(wǎng)按照
128 kbit/s計算,配電自動化按照3 kbit/s計算,移動作業(yè)按照語音90 kbit/s、數(shù)據(jù)512 kbit/s、視頻1 024 kbit/s計算,配電設(shè)施、營業(yè)廳及充電站/樁視頻監(jiān)測按照2 048 kbit/s計算。業(yè)務(wù)帶寬需求見
在單變電站需求帶寬計算中,能源互聯(lián)網(wǎng)按照每個站點接入10個移動作業(yè)終端,并發(fā)比按照100%計算;配電自動化按照站點平均分配到每個基站,并發(fā)比按照100%計算;移動作業(yè)按照每站下面5個站點,并發(fā)比按照語音30%、數(shù)據(jù)10%、視頻20%計算;配電設(shè)施、營業(yè)廳及充電站/樁視頻監(jiān)測按照每站2個站點,并發(fā)比按照100%計算。變電站帶寬需求見
由
2 無線通信系統(tǒng)的選擇
2.1 無線技術(shù)的發(fā)展
隨著移動通信飛速發(fā)展,當(dāng)前已進(jìn)入4G網(wǎng)絡(luò)時代。TD-LTE是一個由中國主導(dǎo)且具有“國際化”特征的標(biāo)準(zhǔn),TD-LTE的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在速率、時延和頻譜利用率等多個方面,使得運營商能夠在有限的頻譜帶寬資源上具備更強(qiáng)大的業(yè)務(wù)提供能力。TD-LTE理論峰值速率在上、下行分別達(dá)到了50 Mbit/s和100 Mbit/s。
基于國家能源基礎(chǔ)設(shè)施安全方面的考慮,電力行業(yè)在城市能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)以TD-LTE作為首要選擇對象[5]。TD-LTE技術(shù)是對TD-SCDMA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化,采用扁平化結(jié)構(gòu),取消了RNC節(jié)點,同時接入網(wǎng)側(cè)僅包含NodeB一種實體,對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計進(jìn)行了簡化處理,降低了后期維護(hù)難度,實現(xiàn)了全I(xiàn)P路由。
2.2 TD-LTE無線通信系統(tǒng)介紹
2.2.1 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)
TD-LTE系統(tǒng)[6-7]由3個部分組成,TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)如
TD-LTE系統(tǒng)包括演進(jìn)型分組核心網(wǎng)(Evolved Packet Core,EPC)、演進(jìn)型基站(eNodeB)和用戶設(shè)備(UE)3個部分,其中EPC負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分;eNodeB負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分,也稱E-UTRAN;UE負(fù)責(zé)用戶終端設(shè)備。eNodeB與EPC通過S1接口連接;eNodeB之間通過X2接口連接;eNodeB與UE之間通過Uu接口連接。與通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)相比,由于NodeB和RNC融合為網(wǎng)元eNodeB,因此TD-LTE沒有Iub接口。X2接口類似于Iur接口,S1接口類似于Iu接口,但都有較大簡化。
2.2.2 TD-LTE鏈路關(guān)鍵技術(shù)
由于電力系統(tǒng)的接入業(yè)務(wù)主要為上行業(yè)務(wù),因此與LTE上行相關(guān)的主要物理層技術(shù)包括單載波頻分多址(Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access,SC-FDMA)技術(shù)、虛擬多入多出技術(shù)以及鏈路自適應(yīng)技術(shù)。
1)SC-FDMA技術(shù)。在每個傳輸時間間隔內(nèi),基站給每個用戶設(shè)備(User Equipment,UE)分配一個獨立的頻段,以便發(fā)送數(shù)據(jù),使得不同用戶的數(shù)據(jù)在時間和頻率上分開,保證了小區(qū)內(nèi)同一時刻不同用戶所使用上行載波的正交性,避免了小區(qū)內(nèi)同頻干擾[8]。上行SC-FDMA信號可以用“頻域”和“時域”兩種方法生成,頻域生成方法又可稱為DFT擴(kuò)展OFDM(Discrete Fourier Transform-Spread OFDM,DFT-S-OFDMA),時域生成方法又可稱為交織FDMA(Interleaved FDMA,IFDMA)。目前,DFT-S-OFDMA技術(shù)已成為LTE技術(shù)的主流方案,該技術(shù)方案是在OFDM的IFFT調(diào)制之前,對信號進(jìn)行DFT拓展,系統(tǒng)發(fā)射時域信號避免了發(fā)送頻域信號帶來的PAPR問題,從而降低PDA的功放成本,有效延長了電池壽命。
2)虛擬多入多出技術(shù)。虛擬多入多出(Virtual MIMO)技術(shù)在LTE上行時是一種特殊的多用戶MIMO技術(shù),可以看作是一種空分復(fù)用技術(shù),可將兩個單天線UE進(jìn)行配對,實現(xiàn)虛擬MIMO發(fā)送。基于此,兩個具有較好正交性的UE可以共享相同的時/頻資源,有效提高了上行系統(tǒng)容量。此外,LTE下行方向也可以采用虛擬MIMO,當(dāng)用戶終端擁有多個接收天線時,相鄰小區(qū)基站可以向用戶終端同時發(fā)送數(shù)據(jù),組成虛擬MIMO。
3)鏈路自適應(yīng)技術(shù)。鏈路自適應(yīng)技術(shù)的核心是自適應(yīng)調(diào)制和編碼(Adaptive Modulation and Coding,AMC),LTE對AMC技術(shù)的爭論主要集中在是否對一個用戶的不同頻率資源采用不同的AMC(RB-specific AMC)。雖然理論上由于頻率選擇性衰落的影響,這樣做可以比在所有頻率資源上采用相同的AMC配置(RB-common AMC)取得更佳的性能,但仿真中發(fā)現(xiàn)這種方法帶來的增益并不明顯,且會帶來額外的信令開銷,因此確定采用RB-common AMC。也就是說,對于一個用戶的一個數(shù)據(jù)流,在一個傳輸時間間隔(Transmission Time Interval,TTI)內(nèi),一個第二層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit,PDU)只采用一種調(diào)制編碼組合(但在MIMO的不同流之間可以采用不同的AMC組合)。對于上行鏈路,自適應(yīng)技術(shù)除AMC外,還包括傳輸帶寬的自適應(yīng)調(diào)整和發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)整(Adaptive Power Control,APC)。
2.2.3 TD-LTE射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)
LTE基站eNodeB包括基帶處理單元(Building Base band Unite,BBU)和射頻拉遠(yuǎn)單元(Radio Remote Unit,RRU)。BBU部署在110 kV/35 kV變電站內(nèi),每個RRU通過收發(fā)2根光纖連接BBU。在非級聯(lián)模式下,1個BBU的單個業(yè)務(wù)板最多可支持6個RRU,實現(xiàn)對多個微小區(qū)的覆蓋;在級聯(lián)模式下,RRU還具有光纖直放站的功能,可以實現(xiàn)進(jìn)一步的級聯(lián)延伸,擴(kuò)大覆蓋范圍。級聯(lián)模式適用于鏈型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如較長的10 kV線路覆蓋情況。
RRU及天線通常部署在柱上開關(guān)、臺變或環(huán)網(wǎng)柜旁,核心網(wǎng)設(shè)備部署在縣局或市局控制中心。無線終端CPE通過有線方式(串口或以太網(wǎng)口)連接集中器、配電自動化終端等。射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)原理及應(yīng)用示意如
RRU支持最長40 km級聯(lián),級聯(lián)需要收發(fā)兩根光纖,光纖從一個RRU連接至下一個RRU。在級聯(lián)過程中,下一級的RRU收到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過上一級RRU的匯聚處理,級聯(lián)后的傳輸容量取決于光纖容量。
在級聯(lián)模式下理論上可接入36個RRU,在不超過40 km情況下,時延影響不大,可正常工作。BBU與RRU之間接口為3GPP定義的CPRI接口,對時間同步要求非常高,必須要用裸光纖進(jìn)行傳遞。
2.2.4 TD-LTE無線多業(yè)務(wù)承載技術(shù)
無線專網(wǎng)基于無線接入網(wǎng)共享(Radio Access Network Sharing,RAN-Sharing)隔離的虛擬網(wǎng)解決方案,主要包括以下兩種典型方式。
1)基于無線二層VPN技術(shù)的虛擬網(wǎng)實現(xiàn)方案。基于無線二層VPN技術(shù)的虛擬網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離原理如
2)基于頻段或子載波劃分的虛擬網(wǎng)實現(xiàn)方案。在有限的頻段內(nèi),將可以利用的子載波按照接入終端的種類、數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蟮冗M(jìn)行統(tǒng)計分析,基于頻段或子載波劃分的虛擬網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離原理如
2.2.5 TD-LTE無線安全應(yīng)用技術(shù)
根據(jù)相關(guān)規(guī)定,配電數(shù)據(jù)屬于“生產(chǎn)控制大區(qū)”(即安全Ⅰ、Ⅱ區(qū)),用電數(shù)據(jù)屬于“管理信息大區(qū)”(即安全Ⅲ、Ⅳ區(qū))。因此,配電數(shù)據(jù)應(yīng)盡量采用專網(wǎng)傳輸,公網(wǎng)只能采集、不能控制,且兩個大區(qū)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行物理隔離。
當(dāng)采用專用無線網(wǎng)絡(luò)時,應(yīng)分別針對無線接入層和管理接入層采用相應(yīng)的信息安全措施。無線接入層是指從終端到基站之間的空口傳輸過程,管理接入層是指從終端到配電自動化系統(tǒng)之間的總體傳輸過程,無線接入層和管理接入層的安全措施應(yīng)分別獨立運作(見
無線接入層和管理接入層所采用的具體安全措施均包含雙向鑒權(quán)認(rèn)證、安全性激活、信令和數(shù)據(jù)的機(jī)密性及完整性保護(hù)。這兩層的安全措施類似,但應(yīng)采用不同的密鑰以保證各自獨立運作。TD-LTE系統(tǒng)整體安全邏輯模型如
在LTE系統(tǒng)中,每個無線終端設(shè)備都與歸屬網(wǎng)絡(luò)有簽約關(guān)系,歸屬網(wǎng)絡(luò)為客戶終端分配一個唯一的標(biāo)識符和根密鑰,根密鑰由鑒權(quán)中心和客戶共享,標(biāo)識符和根密鑰保存在客戶終端存儲器和鑒權(quán)中心。
1)安全分層。TD-LTE的安全邏輯安全分為3個層面:第一層為演進(jìn)的UTRAN(E-UTRAN)網(wǎng)絡(luò)(RRC安全),即空口安全;第二層為演進(jìn)的核心網(wǎng)(EPC)NAS信令安全和客戶層保護(hù);第三層為核心網(wǎng)各個實體之間的認(rèn)證和加解密通信,由于核心網(wǎng)為全I(xiàn)P設(shè)計,因此采用目前比較成熟的IPSec等技術(shù)。
2)安全功能。TD-LTE系統(tǒng)應(yīng)用公開、成熟的密碼技術(shù),擁有目前移動通信網(wǎng)絡(luò)中最豐富的安全功能結(jié)構(gòu)。TD-LTE安全功能框架如
3 無線專網(wǎng)的應(yīng)用
3.1 城市能源互聯(lián)網(wǎng)中的無線專網(wǎng)總體安全架構(gòu)
首先,要建立城市能源互聯(lián)網(wǎng)中的無線專網(wǎng)。城市能源互聯(lián)網(wǎng)中無線專網(wǎng)系統(tǒng)總體安全架構(gòu)如
LTE無線專網(wǎng)安全防護(hù)應(yīng)符合發(fā)改委[2014]14號令《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》和國能安全[2015]36號文的要求。城市能源互聯(lián)網(wǎng)無線專網(wǎng)安全防護(hù)總體方案如
生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)在與其終端的連接中使用電力LTE無線網(wǎng)絡(luò)或公用網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行通信的,應(yīng)設(shè)立安全接入?yún)^(qū),接入生產(chǎn)控制大區(qū)的安全接入?yún)^(qū)應(yīng)包含物理隔離部件、前置機(jī)和加密認(rèn)證設(shè)備等,接入管理信息大區(qū)的安全接入?yún)^(qū)應(yīng)包含安全接入平臺和加密認(rèn)證設(shè)備等。
終端設(shè)備采用認(rèn)證加密機(jī)制和訪問控制措施建立加密傳輸通道進(jìn)行信息采集,以保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的保密性和完整性。
3.2 城市能源互聯(lián)網(wǎng)中的無線專網(wǎng)安全增強(qiáng)方案
3.2.1 生產(chǎn)大區(qū)業(yè)務(wù)增強(qiáng)安全防護(hù)物理架構(gòu)
在LTE標(biāo)準(zhǔn)安全防護(hù)體系之外,還需額外附加電力終端安全防護(hù)措施,在I/II區(qū)的業(yè)務(wù)邊界側(cè)部署安全接入網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)前置機(jī)以及正反向隔離裝置。附加的終端安全防護(hù)措施可使所接入的電力業(yè)務(wù)安全性得到加強(qiáng)[9-12]。終端配置安全接入模塊與安全接入網(wǎng)關(guān)配合,可以實現(xiàn)端到端的安全認(rèn)證和加密傳輸,進(jìn)一步增強(qiáng)無線通信的安全性和可靠性。
3.2.2 管理大區(qū)業(yè)務(wù)增強(qiáng)安全防護(hù)物理架構(gòu)
LTE接入層的終端采用專用安全接入模塊與業(yè)務(wù)邊界側(cè)部署的安全接入平臺協(xié)同配合,實現(xiàn)終端到業(yè)務(wù)層邊界的加密傳輸、數(shù)據(jù)隔離交換以及終端業(yè)務(wù)層的合法性認(rèn)證。這種安全防護(hù)架構(gòu)對于進(jìn)入信息內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)提供了較全面的安全防護(hù)措施,實現(xiàn)了訪問控制、攻擊檢測、終端認(rèn)證、傳輸加密等功能。在多業(yè)務(wù)承載場景中,每種業(yè)務(wù)都需要相應(yīng)的安全接入?yún)^(qū)。
3.2.3 城市能源互聯(lián)網(wǎng)無線專網(wǎng)安全措施增強(qiáng)
城市能源互聯(lián)網(wǎng)無線專網(wǎng)安全措施增強(qiáng)如
安全接入平臺的主要功能有3個部分,包括認(rèn)證、加密、集中監(jiān)管,安全接入平臺與現(xiàn)場終端的交互過程主要包括認(rèn)證和加密,每個周期內(nèi)(一般為24 h或10 000個數(shù)據(jù)包)只認(rèn)證一次,對系統(tǒng)的效率和帶寬影響不大。
4 結(jié)語
城市能源互聯(lián)網(wǎng)是全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,城市能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要堅強(qiáng)有力的無線通信網(wǎng)絡(luò)作為支撐。本文對TD-LTE的技術(shù)特點進(jìn)行了分析,結(jié)合電力行業(yè)針對性地提出了基于TD-LTE的城市能源互聯(lián)網(wǎng)無線專網(wǎng)建設(shè)方案,整體方案充分考慮電力系統(tǒng)生產(chǎn)大區(qū)與信息大區(qū)安全措施的特點,在安全措施方面進(jìn)行了重點加強(qiáng),具有一定的借鑒意義。
責(zé)任編輯:售電衡衡
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