1 概述

　　随着智能电网技术在中国的迅速发展，分布式电源(如风能发电、光伏发电、生物质发电等)大量引入电网[1]。其具有数量多、范围广、容量小、随机性和间歇性强的特点，其大规模应用给电网供电可靠性和配用电系统电能质量带来很大影响。分布式电源的间歇性和随机性会引起配电网电压波动和闪变，导致一些负荷节点的电压质量超标;分布式电源中不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压和谐波污染，对用户侧用电设备产生不良影响;分布式电源并网运行，会因安装地点、容量和接入方式不合理等因素，导致电网供电可靠性降低[2]。所以，建立一套严密有效的电能质量监测系统，实现电能质量的实时监督和管理，对保证电网的安全运行具有重要的意义。

　　为实现各监测终端与监控主站的实时通信，目前主要采用以太网、光纤专网、GPRS/CDMA无线公网、230MHz无线专网等方式。综合考虑通信发展趋势和技术特点，本文提出了一种基于TD-LTE技术的电能质量监测系统构架，探讨了LTE技术应用于电能质量监测系统的优势，借助无线移动网络作为电力专网(以光纤通信网为主)的有效补充，实现了更大范围覆盖，通过专线对接方式解决了无线-有线融合问题，同时为满足国网公司信息内外网隔离要求，提出了通信网络边界的防护策略，实现了内外网融合，形成完整的基于TD-LTE技术的电能质量监测系统双融合网络通信构架。

　　2 TD-LTE技术分析

　　TD-LTE是一种新一代宽带移动通信技术，是我国拥有自主知识产权的TD-SCDMA的后续演进技术，在继承其TDD优点的同时又与时俱进的引入了MIMO与OFDM技术。TD-LTE系统具有带宽灵活支持(1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz)、上下行速率灵活配置、吞吐量和服务质量高，干扰低等特点。在性能方面，TD-LTE在系统带宽、网络时延、移动性方面都有了跨越式提高;在应用方面，TD-LTE能够满足用户移动无线宽带的需求，可以为用户提供高带宽，高可靠性的业务。

　　TD-LTE技术在电力系统中已得到应用[3]，其应用于电能质量监测具有以下优势：

　　(1)电能质量监测系统中的节点分散，数量巨大，电力有线(光纤)通信网或其他电力专网覆盖难度大。TD-LTE作为对电力专网的有效补充，可借助运营商网络快速接入，无需部署，大幅提高覆盖范围，节约成本。

　　(2)无限通信网络在空间中传播，可能遭受窃听、伪装、网络受损等问题[4]，其直接接入电力内网存在被攻击的隐患。TD-LTE在继承已有技术安全性的基础上，在设备自恢复、业务QoS自保障、网络及业务层面数据加密鉴权方面得到了提升。

　　(3)电能质量监测系统数据流向以上行为主，下行为辅。TD-LTE上下行时隙的子帧配比可调，上下行业务带宽可根据需要变化，非常适合电能质量监测系统“上行数据吞吐量大，下行数据吞吐量小”的特点。

　　(4)电能质量监测系统朝着自动化、互动化方向发展，原有基于GPRS、3G技术的系统将逐渐难以满足实时性、高交互的要求。TD-LTE的网络容量是原有3G技术的5～10倍，网络呈扁平化特征，网络时延较低，并且对业务质量分等级进行保障，有效满足电能质量监测要求。

　　3 通信架构设计

　　3.1 “双融合”通信架构

　　电能质量监测的特点要求通信手段更多元，通信投资更经济，在电力无线虚拟专网[5]的基础上，提出了内外网融合，无线有线融合的“双融合”网络架构。总体架构如图1所示。

图1 双融合通信架构架构

　　从整体来看，它充分利用国网公司现有的有线通信资源，同时依托运营商或自建的无线移动网络，整合APN、VPDN、数据隧道、访问控制、入侵检测、入侵防御、AAA等技术，形成一个规范化的、端到端的、可管可靠的“双融合”网络，提供安全的数据传输通道，将安全纳入公司统一的安全机制，是一个融合多业务和应用的、可扩展的智能化平台。

　　其中，终端接入使用专用APN接入运营商TD-LTE无线网络，运营商负责对终端SIM/UIM卡信息进行认证鉴权，禁止非法SIM/UIM卡接入。数据传输采用GRE、L2TP、MLPS-VPN等VPN技术在运营商网络中建立虚拟专网隧道进行传输。网络边界部署防火墙、入侵检测、网络隔离等设备进行网络安全防护，实现完善的访问控制、DDoS攻击防护、入侵检测及网络隔离防护，将数据从外网安全传输至内网。

　　3.2 基于TD-LTE的电能质量监测网络架构

　　基于TD-LTE的电能质量监测系统的网络架构如图2所示。

图2 电能质量监测系统网络架构

　　电能质量采集终端采用无线方式接入，借助运营商网络传输至与网络边界后，再通过专线(有线)方式接入电力专网，实现了无线-有线融合。同时，采集的信息在终端侧和运营商网络侧均处于外网，经过网络边界的信息审计后，安全进入内网，实现了外网-内网融合。

　　电能质量监测系统的通信架构可分为4部分：

　　(1)终端接入部分。在线监测仪等终端设备采集并分析得到被测线路的谐波、功率因数、不平衡度等参数，并将分析的结果进行统计和存储。在规定的间隔内，向4G基站传输数据。

　　(2)运营商虚拟专网传输部分。数据从终端系统进入运营商的移动网络后，遵循运营商的隧道加密机制进行封装，经过虚拟专属通道传输至目的地址进行解封装，还原业务数据格式，通过专线接入国网公司内网。

　　(3)电力信息专网部分。主要负责对信息进行审计，防止来自外部的网络攻击，同时通过以太网(或专线)将信息传送至监测主站。

　　(4)监测主站部分。通信服务器采用两种方式采集电能质量监测终端的测量数据，分别为基于IEC 61850定义的制造报文协议MMS实时通讯传输服务和基于该协议的PQDIF文件传输方式。前者用于实时在线监测，后者用于传输终端产生的历史数据。电能质量监控中心的数据库服务器用于存储电能质量实时和历史测量数据以及经分析统计后得到的各项指标，便于监测中心客户端对终端采集的数据进行全面的分析。

　　3.3 通信安全防御策略

　　国网公司对于接入信息网络的外部无线数据的安全性具有较高要求，因此必须在终端接入侧和网络边界采用合适的信息安全防御策略。

　　(1)在终端接入部分，采用LTE系统的安全防护体系，通过双向认证、用户认证、无线链路加密等安全措施实现接入层、非接入层、应用层的分层保护。对要接入国网信息网络的SIM/UIM卡、电力专用接入点(Access Point Name，APN)和用户名中的域名进行合法性认证。终端通电启用后，SIM卡向公网运营商网络进行入网注册，通过运营商的AAA认证实现无线终端的接入。

　　(2)网络边界部分，防火墙使无线虚拟专网与信息内网互相隔离、限制网络互访，以保护内部网络。入侵检测系统依照一定的安全策略，通过软、硬件，对网络、系统的运行状况进行监视，尽可能发现各种攻击企图、攻击行为或者攻击结果，以保证网络系统资源的机密性、完整性和可用性。隔离装置，实现不同控制区的完全的网络物理隔离，最大的限度上防止黑客、病毒的侵害。

　　3.4 业务传输QoS管理

　　TD-LTE网络为电能质量监测的数据传输至电力专网提供了更好地端到端QoS保证。由于TD-LTE系统接入网结构更加扁平化，即把通用移动通信系统(UMTS)的无线网络控制器(RNC)和基站(Node B)两个节点简化到只有演进型基站(eNode B)一个节点，从而简化了相比UMTS的QoS结构。同时，采用共享信道和配备灵活的动态调度机制，在PCRF(Policy and Charging Rules Function)中保存QoS策略。当监测终端发送业务请求消息时，PCRF根据以前的QoS策略，为无线终端建立专用承载。LTE中的QoS通过不同的QCI(QoS Class Identifier)指示不同业务的QoS要求，从而实现不同级别的QoS。

　　在电能质量监测系统中，根据终端节点的工作特性和重要性等指标，按时间段或按类型建立分等级QoS，即通过QCI指示建立GBR(Guaranteed Bit Rate)或NGBR(Non-GBR)承载业务，NGBR承载的业务在网络拥挤时，可以忍受设定的低速率限制的要求，而GBR建立的LTE连接则可以获得更多带宽资源进行传输，保证核心节点或汇聚节点的数据及时上传，使电能质量监测系统稳定运行。

　　4 总结与展望

　　本文提出了一种基于TD-LTE技术的电能质量监测系统架构，该架构采用新一代宽带移动通信技术，同时利用电力内外网边界安全策略，实现了电能质量监测信息安全传输，为电能质量监测系统的稳定、可靠运行奠定了坚实的的通信基础。由于该项技术具有自主知识产权，电力行业可充分利用电力230MHz频率资源，自行建设TD-LTE电力专用网络，有力促进智能电网的发展。