基于窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的電力物聯(lián)網(wǎng)技術研究

李紅林

（云南電網(wǎng)有限責任公司，昆明 650217）

0 前言

電網(wǎng)是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，要保證其安全、高速、有效的運營，就必須對線路、設備等各種資產的信息有準確、高效的獲取能力，進而達到對系統(tǒng)各要素資源的合理分配。隨著電力行業(yè)物與物之間通信點爆炸式的增長，傳統(tǒng)蜂窩通信技術已經無法滿足電力業(yè)務全采集、全覆蓋的需求。NB-IOT技術與傳統(tǒng)蜂窩通信技術相比，具有很多優(yōu)勢：強覆蓋、大容量、低成本、低功耗等。因此，研究NB-IOT技術在電力行業(yè)的應用是物聯(lián)網(wǎng)通信技術發(fā)展到一定階段后的必然結果，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術與電力業(yè)務需求相結合，使NB-IOT技術更好的服務于電力系統(tǒng)，以滿足輸電線路在線全監(jiān)控、用電計量、智能巡檢等業(yè)務的需求。

1 NB-IOT的關鍵技術

1.1 NB-IOT技術特點

NB-IOT包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。NB-IOT的感知層主要是由不同的傳感器和傳感網(wǎng)關組成。網(wǎng)絡層有各不同的無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)關系系統(tǒng)。平臺層提供各種應用開發(fā)、使用。應用層將人和物聯(lián)網(wǎng)連接在一起，主要是物聯(lián)的實際應用，體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)的實際價值。

1.2 NB-IOT 的組網(wǎng)

NB-IOT組網(wǎng)圖如圖1所示，主要分為5個部分。

1）NB-IOT終端：支持各行業(yè)的IOT設備接入，只需要安裝相應的SIM卡就可以接入到NB-IOT的網(wǎng)絡中；

2）NB-IOT基站：主要是指運營商已架設的LTE基站；

3）NB-IOT核心網(wǎng)：通過NB-IOT核心網(wǎng)就可以將NB-IOT基站和NB-IOT云進行連接；

4）NB-IOT云平臺：在NB-IOT云平臺可以完成各類業(yè)務的處理，并將處理后的結果轉發(fā)到垂直行業(yè)中心或NB-IOT終端；

5）垂直行業(yè)中心：垂直行業(yè)中心既可以獲取到本中心NB-IOT業(yè)務數(shù)據(jù)，也可以完成對NB-IOT終端的控制。

圖1 NB-IOT組網(wǎng)圖

2 在電力行業(yè)中的應用優(yōu)勢

根據(jù)目前主流無線通信技術在電力行業(yè)的應用情況，再結合NB-IOT的技術特點，NBIOT技術相對于傳統(tǒng)蜂窩通信技術在電力行業(yè)中的主要應用優(yōu)勢如下：

2.1 超強覆蓋

目前，基于GSM/GPRS通信技術的遠程自動抄表在電力行業(yè)中已經實現(xiàn)，然而在實際檢測中發(fā)現(xiàn)，在信號覆蓋不好的地區(qū)，由于受到干擾、屏蔽的影響導致抄表成功率低下。傳統(tǒng)蜂窩通信技術的信道帶寬是180 KHz，但NBIOT技術通過上下行物理信道格式、調制規(guī)范的重新定義，使得上下行控制信息與業(yè)務信息可以在更窄的帶寬中發(fā)送，相同發(fā)射功率下的PSD(Power Spectrum Density，功率譜密度)增益更大。例如，當NB-IOT用3.75 KHz的信道子帶寬去承載數(shù)據(jù)時，在相同的發(fā)射功率下，NB-IOT的功率譜密度比傳統(tǒng)蜂窩通信技術高出48倍，即其PSD增強17 dB。與此同時，NBIOT引入重復發(fā)送的編碼方式和上行接收分集，可以重復提升信道條件惡劣時的傳輸可靠性以及覆蓋強度。

2.2 低功耗

在物聯(lián)網(wǎng)終端需采用電池供電，設備長時間工作的背景下，NB-IOT技術除了空閑狀態(tài)外，還引入了PSM(Power Saving Mode，功率節(jié)省模式)和eDRX(Enhanced Discontinuous Reception，增強型非持續(xù)性接收技術)，能讓終端在普通電池的供電情況下續(xù)航10年以上。PSM技術使得終端在非業(yè)務期間深度休眠，不接受下行數(shù)據(jù)，只有在TAU(Tracking Area Update，追蹤區(qū)更新)定時器超時或者終端主動發(fā)數(shù)據(jù)時終端才被喚醒。eDRX技術使得物聯(lián)網(wǎng)終端只在每個eDRX周期內的尋呼時間窗口(PTW)監(jiān)聽尋呼信道，其他時間深度休眠。

2.3 大容量

NB-IOT技術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。此外，NB-IOT信令流程簡化與數(shù)據(jù)承載優(yōu)化亦增大了其容量，據(jù)3GPPTR45.820定義的NBIOT話務模型仿真，小區(qū)容量可達10量級。

2.4 低成本

由于國內應用較多NB-IOT系統(tǒng)是在LTE演進的分組核心網(wǎng)(EPC)的基礎上優(yōu)化而來，所以可直接部署于2G/3G/4G網(wǎng)絡，現(xiàn)有的射頻和天線可以直接復用。此外，協(xié)議棧和射頻以及基帶處理復雜度的簡化，進一步的降低了NB-IOT芯片的成本。因此，快速形成NB-IOT承載能力的建設成本將遠小于其它物聯(lián)網(wǎng)技術。

在電力行業(yè)中，類似于智能抄表等業(yè)務一般除了具有時延的低敏感性、終端高復雜性、速率低要求性等特點外，還對地下室等場景的覆蓋能力、終端成本高低、終端續(xù)航能力等方面提出了更高的要求。因此，為了更好的滿足上述要求，NB-IOT所具有四大特性較傳統(tǒng)蜂窩通信技術在電力行業(yè)中能得到更好的應用。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)

3.1 電力物聯(lián)網(wǎng)的特點

電力物聯(lián)網(wǎng)是一個實現(xiàn)電網(wǎng)基礎設施、人員及所在環(huán)境識別、感知、互聯(lián)與控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其電力物聯(lián)網(wǎng)有三大要素：電力信息的采集、電力信息的傳遞和電力信息的處理。電力物聯(lián)網(wǎng)的建設必須在滿足智能電網(wǎng)的堅強可靠、經濟高效總體要求下，實現(xiàn)電力流、信息流、業(yè)務流的高度一體化。決定了電力物聯(lián)網(wǎng)的特點為：電力物聯(lián)網(wǎng)實際上是專用網(wǎng)。電力物聯(lián)網(wǎng)的絕大多數(shù)信息流只能在電力系統(tǒng)內部流動。電力物聯(lián)網(wǎng)是受限網(wǎng)絡；電力物聯(lián)網(wǎng)具有嚴格的用戶身份識別、驗證、鑒權制度，不同用戶享受不同等級的物聯(lián)網(wǎng)服務。電力物聯(lián)網(wǎng)具有高度的安全性和可靠性，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.2 電力物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術的應用

3.2.1 輸電業(yè)務

輸電業(yè)務是實現(xiàn)負荷中心與電源中心電能傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測是保障電力業(yè)務平穩(wěn)運行的必要措施，通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，實現(xiàn)對輸電線路狀態(tài)及周圍環(huán)境的監(jiān)控。輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的主要業(yè)務有絕緣子污穢監(jiān)測、覆冰雪監(jiān)測、避雷器監(jiān)測、圖像監(jiān)控等業(yè)務。其中，圖像/視頻監(jiān)測業(yè)務是要求實時監(jiān)控，其業(yè)務優(yōu)先級最高，占用最大的上行帶寬。除圖像/視頻監(jiān)測業(yè)務外的其他監(jiān)測業(yè)務所占上行帶寬極小，并且是間隔監(jiān)控，不需要保證傳輸速率。因此，結合NB-IOT技術的特性，NB-IOT技術適合承載輸電業(yè)務中除圖像/視頻監(jiān)測業(yè)務的所有其它監(jiān)測業(yè)務。

3.2.2 用電業(yè)務

用電是整個電力網(wǎng)絡中直接面向社會，為廣大用戶提供高質量用電服務的重要環(huán)節(jié)。良好用電通信系統(tǒng)能有效的提高用電自動化水平，進而實現(xiàn)人與物的互動，推動終端用戶向用電節(jié)能模式的轉變。目前用電基礎業(yè)務主要包括：售電抄表、售電營業(yè)、用電查詢及繳費業(yè)務等。再結合NB-IOT技術低峰值速率與對時延低敏感的技術特性，NB-IOT技術適合用來承載用電信息查詢與發(fā)布業(yè)務及多渠道繳費業(yè)務。

3.2.3 其它業(yè)務

由于變電業(yè)務中信息運行類業(yè)務與高級測量類業(yè)務都是以數(shù)據(jù)采集上報為主，下行控制指令發(fā)布，其檢測業(yè)務中含有視頻監(jiān)控，不利于NB-IOT技術承載；運行控制類業(yè)務對時延及速率要求高，而NB-IOT技術有對時延低敏感、低速率特性，因此，NB-IOT不適合用來承載變電業(yè)務。同理，因為配電業(yè)務中存在視頻語音，對通信速率需求較高，所以NB-IOT技術也同樣不適合用來承載配電業(yè)務。

4 結束語

本文通過深入分析NB-IOT技術的特性和在電力行業(yè)的優(yōu)勢，并將此技術優(yōu)勢應用到電力物聯(lián)網(wǎng)當中的除了視頻/圖像實時監(jiān)測的輸電線路檢測業(yè)務和用電信息采集業(yè)務。