NB-IoT技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用

何 明，趙 歡，張 斌，李思堯，袁 帥，田松林，喻召杰

（1.深圳供電局有限公司羅湖供電局，深圳 518000；2.深圳市康拓普信息技術(shù)有限公司，深圳 518000）

電力行業(yè)是社會(huì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，關(guān)乎著國(guó)家的發(fā)展與未來。伴隨著我國(guó)綜合實(shí)力的提升，對(duì)電力的需求將會(huì)逐步擴(kuò)大，因此電力建設(shè)和發(fā)展將進(jìn)入新的階段。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的成熟和進(jìn)化，使得NB-IoT技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，NB-IoT技術(shù)與電力業(yè)務(wù)需求兩者的結(jié)合，使電力系統(tǒng)變得更加完善，同時(shí)有了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的服務(wù)，可以滿足輸電線路在線全監(jiān)控、智能巡檢、用電計(jì)量等相關(guān)業(yè)務(wù)的需求。

1 NB-IoT技術(shù)概述

作為一種新型無線接入技術(shù)，NB-IoT主要面向覆蓋廣、成本低、大容量、功耗低的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。和傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)不一樣的是，其功率譜密度更強(qiáng)，增強(qiáng)的信號(hào)穿透力，對(duì)于深度覆蓋要求較高的場(chǎng)景較為合適；支持更多的并發(fā)連接，評(píng)估可支持每扇區(qū)5萬以上的終端進(jìn)行連接；對(duì)功耗要求很低，終端壽命至少高達(dá)10年；模組芯片的成本很低，一套芯片低于5美元，同時(shí)在規(guī)模效應(yīng)的作用下回持續(xù)降低，適宜廣泛應(yīng)用。

2 NB-IoT在電力行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，電力行業(yè)要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化，需要先監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的一次和二次設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)有效的管理，必須要安裝傳感器在設(shè)備上，從而確保調(diào)度中心可以獲得數(shù)據(jù)的回傳。

在國(guó)王的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大部分主網(wǎng)設(shè)備和調(diào)度中心之間的通信，主要通過電力專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，而由于配網(wǎng)設(shè)備覆蓋面廣的原因，使得GPRS 等無線方案存在相對(duì)的缺陷，同時(shí)對(duì)于專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入很大，因此導(dǎo)致沒有一種方案使人滿意。然而隨著NB-IoT技術(shù)的問世，這些無線通信問題得到了有效的解決。將NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)與無線通信技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用情況相結(jié)合，具體問題具體分析，NB-IoT技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具體如下：

2.1 超強(qiáng)覆蓋

當(dāng)前，通過GSM/GPRS 通信技術(shù)，在電力行業(yè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，但是在現(xiàn)實(shí)情況中，在信號(hào)覆蓋不好的地區(qū)，由于受到干擾、屏蔽的影響導(dǎo)致抄表成功率低下。在頻段相一致，發(fā)射功率相同的情況下，NB-IoT比現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)約20dB，即100倍。主要原因有，一方面，窄帶寬帶增高了PSD（功率譜密度），即單位帶寬所攜帶的能量增高，以上行子載波帶寬15kHz為例，NB-IoT相對(duì)LTE，PSD增益達(dá) 10.8dB；另一方面，NB-IoT對(duì)速率、時(shí)延要求低，可容忍多次重復(fù)傳輸帶來的耗時(shí)，這里能帶來9-12dB增益。這一特點(diǎn)對(duì)覆蓋邊緣地帶很有幫助，使得室內(nèi)深度覆蓋效果大大提升。在選取頻段時(shí)，NB-IoT考慮覆蓋問題，一般選擇低頻部署，低頻波有更強(qiáng)的繞射能力、更低的路損，傳播距離更遠(yuǎn)。

2.2 低成本

NB-IoT系統(tǒng)是在LTE演進(jìn)的分組核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，因此可以直接部署于2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，射頻單元及天線可復(fù)用。與此同時(shí)，隨著協(xié)議棧和射頻以及基帶處理變得愈加簡(jiǎn)化，NBIoT芯片的成本因此降低。之所以，快速形成NB-IoT承載能力的建設(shè)成本比其它物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成本要低很多。

2.3 大容量

NB-IoT技術(shù)的大容量，主要是由于高功率譜密度帶來極度覆蓋下更高的頻譜效率，以及具有更小的資源粒來降低小包傳輸下的資源浪費(fèi)。此外，NB-IoT信令流程簡(jiǎn)化與數(shù)據(jù)承載優(yōu)化亦增大了其容量，據(jù)3GPP定義的NB-IoT話務(wù)模型仿真，小區(qū)容量可達(dá)10量級(jí)。

2.4 低功耗

在物聯(lián)網(wǎng)終端需采用電池供電，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作的背景下，NB-IoT 技術(shù)除了空閑狀態(tài)外，隨著PSM（節(jié)電模式）和 eDRX（改進(jìn)非連續(xù)接收技術(shù)）兩種技術(shù)的引入，其待機(jī)時(shí)間獲得延長(zhǎng)，即使是普通電池的供電情況下，終端的續(xù)航時(shí)限也可以高達(dá)10年以上。其中節(jié)電模式是R12新增的功能，在該情況下，終端仍注冊(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。eDRX技術(shù)使得物聯(lián)網(wǎng)終端只在每個(gè)eDRX周期內(nèi)的尋呼時(shí)間窗口監(jiān)聽尋呼信道，其他時(shí)間深度休眠。

3 電力業(yè)務(wù)的需求分析

當(dāng)前，電力行業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，海量的電力終端設(shè)備需要傳輸他們的數(shù)據(jù)，而電力環(huán)節(jié)不同，其通信業(yè)務(wù)需求也不同。以下主要分別對(duì)輸電、用電環(huán)節(jié)中對(duì)NB-IoT的通信需求進(jìn)行建模分析。

3.1 輸電業(yè)務(wù)的需求分析

作為負(fù)荷中心與電源中心傳輸電能的樞紐，輸電業(yè)務(wù)是非常重要的環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，為了保障電力業(yè)務(wù)平穩(wěn)運(yùn)行，必須對(duì)輸電線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助相應(yīng)的傳感器，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，從而真正監(jiān)控輸電線路狀態(tài)及周圍環(huán)境。輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要包括：絕緣子污穢監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)控、避雷器監(jiān)測(cè)等等。其中，圖像/視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)是要求實(shí)時(shí)監(jiān)控，其業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，占用最大的上行帶寬。除圖像/視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)外的其他監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)所占上行帶寬極小，并且是間隔監(jiān)控，不需要保證傳輸速率。

以某小區(qū)為例，其覆蓋半徑為5公里，輸電線路的檔距為500 m，單個(gè)扇區(qū)內(nèi)，總共有20 個(gè)檔距，也就是每個(gè)小區(qū)內(nèi)輸電線路的所有傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)大概為2000個(gè)，以泊松分布估計(jì)每秒內(nèi)的傳感器（實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控除外）并發(fā)上行數(shù)是非常低的，將并發(fā)上行傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)放寬條件至每秒內(nèi)均存在一個(gè)桿塔上傳其所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。則該小區(qū)的上行帶寬需求約為40 Mb/s，下行帶寬需求為0.1 Mb/s，假如將圖像/視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)去除，即該小區(qū)是上行帶寬需求低于40 Kb/s，下行帶寬需求為0.01 Mb/s。

結(jié)合NB-IoT 技術(shù)的特性，然后通過分析上述輸電業(yè)務(wù)模型，通常來說輸電業(yè)務(wù)是自主周期性上報(bào)為主，除了圖像/視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)速率要求較高，然后其他業(yè)務(wù)對(duì)速率要求低，且對(duì)時(shí)延低敏感，待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。之所以，除圖像/視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)之外，NB-IoT技術(shù)適合承載輸電業(yè)務(wù)中的其它所有監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。

3.2 用電業(yè)務(wù)的需求分析

用電在整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是面向社會(huì)性的，旨在為廣大用戶提供高質(zhì)量用電服務(wù)。為了提高用電自動(dòng)化水平，良好用電通信系統(tǒng)是重要保證，不僅可以實(shí)現(xiàn)人與物之間的互動(dòng)，同時(shí)還促使終端用戶朝著用電節(jié)能模式轉(zhuǎn)變。當(dāng)前用電基礎(chǔ)業(yè)務(wù)包含：售電抄表、用電查詢、售電營(yíng)業(yè)和繳費(fèi)業(yè)務(wù)等。

我們以一個(gè)典型城市小區(qū)作為例子，其覆蓋半徑為500 m，大概有2000戶普通居民用戶，商業(yè)用電約為200戶。其總上行帶寬需求為5.7 Mbps左右，下行帶寬為0.3 Mbps 左右，其中用電基本業(yè)務(wù)流量?jī)H包括用電信息采集的電能表每日零點(diǎn)凍基本業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)，需信道帶寬預(yù)估為0.5 Mbps；而用電信息查詢與發(fā)布業(yè)務(wù)包括多渠道繳費(fèi)業(yè)務(wù)，只需要60 Kbps左右的流量即可。

依據(jù)上述用電業(yè)務(wù)的建模分析，用電環(huán)節(jié)的電力通信業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求都較低，除視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)外，信息通信速率也比較低。因此，考慮到NB-IoT技術(shù)低峰值速率與對(duì)時(shí)延低敏感的技術(shù)特性，NB-IoT技術(shù)對(duì)于承載用電信息查詢與發(fā)布業(yè)務(wù)，以及多渠道繳費(fèi)業(yè)務(wù)較為合適。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)NB-IoT技術(shù)的特性與電力行業(yè)中輸電和用電環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NB-IoT技術(shù)能很好的承載電力行業(yè)中的輸電線路監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)與用電信息采集業(yè)務(wù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將NB-IoT技術(shù)很好地應(yīng)用到電力行業(yè)中各個(gè)相應(yīng)的環(huán)節(jié)中，以便對(duì)電力行業(yè)的信息交換與管理進(jìn)一步優(yōu)化。作為一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，隨著運(yùn)營(yíng)商不斷建設(shè)完善網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用更加成熟，促進(jìn)電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。