面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信與業(yè)務(wù)適配研究

姚曉勇

（國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著配用電業(yè)務(wù)終端數(shù)量的不斷增加與新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（SG-eIoT）業(yè)務(wù)的不斷開展，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也開始逐漸向智能電網(wǎng)滲入。窄帶物聯(lián)網(wǎng)雖然可解決海量連接問題，但同時面臨著業(yè)務(wù)安全性、業(yè)務(wù)質(zhì)量等差異性需求，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將所有的服務(wù)提供給網(wǎng)絡(luò)中的每臺終端，不足以支撐智能電網(wǎng)未來多業(yè)務(wù)的場景。因此，需要分析電力業(yè)務(wù)需求與通信技術(shù)的適配性，并針對不同的電力業(yè)務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化，研究基于端到端的電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片方法，以支撐未來智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景，為智能電網(wǎng)帶來更敏捷的業(yè)務(wù)、更強(qiáng)的安全隔離性和更靈活的商業(yè)模式。

1 電力業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)電網(wǎng)領(lǐng)域，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景總體上可分為控制和采集兩大類。其中，控制類包含能分布式配電自動化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)及分布式能源調(diào)控等；采集類主要包括高級計量、智能電網(wǎng)大視頻應(yīng)用。未來在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下，控制領(lǐng)域?qū)漠?dāng)前的星型集中連接模式向點到點分布式連接切換，出現(xiàn)更多的本地就近控制和邊緣計算。

分析電力業(yè)務(wù)應(yīng)用需求可知，現(xiàn)有電力末端接入業(yè)務(wù)可分為基本業(yè)務(wù)和擴(kuò)展業(yè)務(wù)兩大類。其中，基本業(yè)務(wù)包括配電自動化、用電信息采集、電動汽車充電站/樁、分布式電源及精準(zhǔn)負(fù)荷控制；擴(kuò)展業(yè)務(wù)包括輸變電狀態(tài)監(jiān)測、配電所綜合監(jiān)測、輸變電機(jī)器巡檢、電能質(zhì)量監(jiān)測、智能營業(yè)廳、視頻監(jiān)控、站房環(huán)境監(jiān)測、移動作業(yè)及倉儲管理業(yè)務(wù)。其中，基本業(yè)務(wù)具有低延時業(yè)務(wù)（業(yè)務(wù)時延小于2 s）、高可靠及低帶寬需求；擴(kuò)展業(yè)務(wù)多為智能、語音、視頻類業(yè)務(wù)，對帶寬、時延具有較高要求。

2 電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹

目前，應(yīng)用于智能電網(wǎng)規(guī)?；渴鸬恼瓗锫?lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括NB-IoT和IoT-G230兩種應(yīng)用模式。

NB-IoT系統(tǒng)基于運營商網(wǎng)絡(luò)，采用基于LTE的分組核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有大連接、小數(shù)據(jù)、低功耗、低成本及深度覆蓋等特點。系統(tǒng)設(shè)計之初就希望通過降低終端復(fù)雜度和降低某些性能要求來達(dá)到降低終端成本的目的。關(guān)于芯片設(shè)計方面，低速率、低功耗及低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢。NB-IoT的設(shè)計目標(biāo)是在GSM基礎(chǔ)上覆蓋增強(qiáng)20 dB，NB-IoT設(shè)計的最大耦合路損(MCL)為164 dB。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)大連接的需求，NB-IoT在設(shè)計之初的目標(biāo)是每個小區(qū)下最多支持5萬個設(shè)備連接，但是能否達(dá)到該設(shè)計目標(biāo)取決于小區(qū)內(nèi)NB-IoT終端業(yè)務(wù)模型等因素。

IoT-G230是華為公司面向國家電網(wǎng)無線專網(wǎng)建設(shè)推出的基于4.5G技術(shù)的解決方案。由于IoT-G230從NB-IOT演變而來，其優(yōu)點是可基于230M專用頻段開展低時延、低功耗的業(yè)務(wù)承載。IoT-G230標(biāo)準(zhǔn)單終端最大可調(diào)度頻點數(shù)量為16個頻點，系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制方式、10 ms幀結(jié)構(gòu)以及1:1的上、下行配比。IoT-G230目前標(biāo)準(zhǔn)以固定業(yè)務(wù)為主，在終端跨小區(qū)移動過程中難以保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力業(yè)務(wù)適配性評估

針對窄帶物聯(lián)網(wǎng)與各類電力業(yè)務(wù)的適配性問題，需要設(shè)計一個電力業(yè)務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)適配分析模型，通過對各類電力業(yè)務(wù)的動態(tài)業(yè)務(wù)量進(jìn)行分量化分析，并建立窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力業(yè)務(wù)適配性評估指標(biāo)體系，得出電力業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)承載適配性分析結(jié)果[1]。

3.1 業(yè)務(wù)與技術(shù)適配性分析模型

首先，根據(jù)業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用場景及發(fā)展?fàn)顩r提取共性指標(biāo)，形成一級適配指標(biāo)；考慮各個智能電網(wǎng)因地域條件、環(huán)境因素等對通信質(zhì)量產(chǎn)生的影響，從社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、信道環(huán)境方面，將一級適配性指標(biāo)歸納為技術(shù)類指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)及發(fā)展類指標(biāo)。其次，采用層次分析法對各個一級適配指標(biāo)進(jìn)行分解，形成若干子指標(biāo)，直至最低一級子指標(biāo)為可以直接通過量化檢測或定性評估獲得指標(biāo)值的子指標(biāo)。最后，根據(jù)子指標(biāo)及其對應(yīng)的通信需求，對窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行適配，獲得最低級子指標(biāo)的適配結(jié)果[2]。

本文將適配性指標(biāo)分為三級，適配性評價指標(biāo)體系框架如圖1所示。

圖1 適配性評價指標(biāo)體系框架

其中，技術(shù)類指標(biāo)包括帶寬、實時性及可靠性三個二級子指標(biāo)，對應(yīng)帶寬包括接入能力和覆蓋能力兩個三級子指標(biāo)，這兩個能力的評判可用帶寬、中斷概率及鏈路損耗評判得到；對應(yīng)實時性包括時延、環(huán)境影響兩個三級子指標(biāo)；對應(yīng)可靠性包括設(shè)備可靠性和通道可靠性兩個三級可靠性子指標(biāo)。

經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)包括設(shè)備成本、運維成本及施工成本三個二級子指標(biāo)，對應(yīng)設(shè)備成本包括通信設(shè)備成本、通信介質(zhì)成本兩個三級子指標(biāo)；對應(yīng)運維成本包括運行成本和維護(hù)成本兩個三級子指標(biāo)；對應(yīng)施工成本包括設(shè)備安裝、施工成本兩個三級子指標(biāo)。

發(fā)展類指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)發(fā)展及政策發(fā)展三個二級子指標(biāo)，對應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展包括當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、電力行業(yè)發(fā)展兩個三級子指標(biāo)；對應(yīng)技術(shù)發(fā)展包括技術(shù)成熟度、業(yè)務(wù)支持程度兩個三級子指標(biāo)；對應(yīng)政策發(fā)展包括電力行業(yè)政策和通信技術(shù)政策兩個三級子指標(biāo)。

對于技術(shù)類指標(biāo)的評估，建立考慮窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層和MAC層具體協(xié)議的適配性評估框架。通過輸出實時通信屬性指標(biāo)，如時延和通信中斷概率來對窄帶物聯(lián)網(wǎng)與各類業(yè)務(wù)的適配性進(jìn)行評估。技術(shù)類指標(biāo)評估模型如圖2所示。

針對電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)的通信結(jié)構(gòu)，將通信網(wǎng)絡(luò)層劃分為通信鏈路集；研究無線鏈路的每個協(xié)議層，并為電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提出窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適配性評估框架?？紤]大城市中心、中小城市及郊區(qū)三種典型通信環(huán)境，應(yīng)用評判打分機(jī)制，得到在NB-IoT技術(shù)下的中斷概率、路徑損耗得分以及最終的承載業(yè)務(wù)相關(guān)得分。

圖2 技術(shù)類指標(biāo)量化評估模型

3.2 適配性量化評價計算方法

量化好三級子指標(biāo)后，采用德爾菲法對上級指標(biāo)及評價結(jié)果進(jìn)行量化。綜合適配結(jié)果評判公式為：

其中，S為綜合評判結(jié)果；λi對應(yīng)于技術(shù)類、經(jīng)濟(jì)類、發(fā)展類三個一級指標(biāo)的評判權(quán)重，該權(quán)重通過選取不同方向?qū)＜医?jīng)驗獲取，采用德爾菲法進(jìn)行計算；Ti對應(yīng)于技術(shù)類、經(jīng)濟(jì)類、發(fā)展類三個一級指標(biāo)的適配結(jié)果，T1為技術(shù)類指標(biāo)的適配結(jié)果，T2為經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)適配結(jié)果，T3為發(fā)展類指標(biāo)適配結(jié)果。這三個指標(biāo)的適配結(jié)果計算公式為：

其中，λij對應(yīng)于二級指標(biāo)的權(quán)重，也通過德爾菲法計算獲得，tij對應(yīng)于二級子指標(biāo)的適配結(jié)果。同理，二級子指標(biāo)的適配結(jié)果可通過下一級的子指標(biāo)的適配結(jié)果獲得。計算公式為：

其中，λijk為對應(yīng)的三級指標(biāo)權(quán)重，通過德爾菲法獲得，pijk為得到的三級指標(biāo)量化結(jié)果。

3.3 評估結(jié)果

最終通過加權(quán)計算，IoT-G230與NB-IoT技術(shù)的不同通信環(huán)境下總適配性得分如表1所示。

由表1可知，IoT-G230技術(shù)與NB-IoT技術(shù)在不同的通信環(huán)境下與電力業(yè)務(wù)的適配均能達(dá)到較好及以上的適配效果。NB-IoT要略好于IoT-G230，主要原因并非在技術(shù)層面，而是NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、技術(shù)成熟度與維護(hù)成本更好。但考慮到未來國網(wǎng)公司無線專網(wǎng)的建設(shè)力度，對C類以上供電區(qū)域的覆蓋力度將不斷加大；對于廣覆蓋的郊區(qū)，可多采用租用公網(wǎng)NB-Io T的方式。

表1 IoT-G230與NB-IoT技術(shù)綜合指標(biāo)得分

4 測試驗證

依托福建某地市供電公司電力物聯(lián)網(wǎng)通信終端管理平臺、電力NB-IoT通信終端及無線通信試驗環(huán)境，選擇用采業(yè)務(wù)（集中器）、配電業(yè)務(wù)（智能配變終端）及充電樁（計量表）等三種典型電力接入業(yè)務(wù)，開展網(wǎng)絡(luò)延時、丟包率及自定義業(yè)務(wù)測量等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)承載適配性驗證

由圖3可知，實驗室環(huán)境下，采用終端向主站模擬發(fā)包過程來進(jìn)行業(yè)務(wù)連接能力測試，利用網(wǎng)絡(luò)測試指令和業(yè)務(wù)包解析工具，獲取測試業(yè)務(wù)的各項采集數(shù)據(jù)，驗證了窄帶物聯(lián)網(wǎng)對三種基本性電力業(yè)務(wù)的承載于NB-IoT系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

隨著國網(wǎng)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的推進(jìn)，海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)終端需要通過網(wǎng)絡(luò)接入。本文結(jié)合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，提出了電力業(yè)務(wù)與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適配分析模型，建立考慮窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層和MAC層具體協(xié)議的適配性評估框架。針對不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的差異化質(zhì)量與安全需求，提出適用于泛在電力物聯(lián)接入場景的網(wǎng)絡(luò)切片方法，為面向網(wǎng)絡(luò)切片的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入提供支撐。