奧運場館電力通信網(wǎng)感知層架構研究

丁建武

摘要：國家電網(wǎng)在2019年初明確提出，要重點做好“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”建設，促進電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合。針對北京2022年冬奧場館的電力通信系統(tǒng)，本文將圍繞奧運場館電力通信需求、電力通信網(wǎng)整體架構以及詳細的電力通信網(wǎng)感知層接入方案設計為奧運場館電力通信網(wǎng)的組網(wǎng)提供可行、有效的方案，感知層是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎，保障電力通信網(wǎng)的全息感知與泛在連接，能夠為奧運場館提供可靠、優(yōu)質、穩(wěn)定、綠色、智能的供電服務。

Abstract： The State Grid clearly stated in early 2019 that it should focus on the construction of the "Ubiquitous Power Internet of Things" and promote the deep integration of the power grid and the Internet. Aiming at the power communication system of the Beijing 2022 Winter Olympics venues， this article will focus on the power communication requirements of the Olympic venues， the overall structure of the power communication network and the detailed power communication network perception layer access plan design to provide feasible and effective solutions for the networking of the Olympic venues power communication network. The perception layer is the foundation of the ubiquitous power Internet of Things， guarantees the holographic perception and ubiquitous connection of the power communication network， and can provide reliable， high-quality， stable， green and intelligent power supply services for the Olympic venues.

關鍵詞：奧運場館;電力通信網(wǎng);NB-IoT;Zigbee

Key words： Olympic venues;power communication network;NB-IoT;Zigbee

中圖分類號：TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0174-04

0 ?引言

2022年北京冬奧會是中國向全世界展示國家風貌的一次重要機會，電力系統(tǒng)是奧運場館基礎設施中最重要的一個環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對于冬奧會的順利舉辦來說至關重要。電力通信網(wǎng)是奧運場館電力系統(tǒng)的重要組成部分，是奧運場館電網(wǎng)安全保障、配電自動化、負荷控制等應用的基礎。隨著5G技術以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的訊速發(fā)展，國家電信基礎設施建設的不斷完善，電力通信網(wǎng)也在向智能化、泛在化、萬物互聯(lián)的方向發(fā)展。

1 ?奧運場館電力通信網(wǎng)需求

奧運場館電力系統(tǒng)對通信的需求可分為功能性需求和非功能性需求，主要的功能性需求有對網(wǎng)絡傳輸時延、通信可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸速率的要求;主要的非功能性需求有對安全性、可擴展性以及靈活性的需求。

在時延需求方面，不同電力系統(tǒng)的應用對時延的要求不同，一些關鍵性任務具有嚴格的延時約束，需要快速地傳輸信息，例如部署在變電站的配電自動化應用的延時要求在4ms以內(nèi)，對于其它對延時容忍度較高的應用，例如一些普通數(shù)據(jù)采集應用（大多數(shù)數(shù)據(jù)采集傳感器或智能電表要求每15分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)）。

在可靠性方面，奧運場館電力通信網(wǎng)應盡最大能力保證不出現(xiàn)網(wǎng)絡故障，電力通信網(wǎng)的安全可靠是電力系統(tǒng)最重要的需求之一。奧運場館電力通信網(wǎng)的通信節(jié)點應保證電力通信的可靠性和連續(xù)性，一些關鍵的場館電力系統(tǒng)應用，比如分布式智能配電需要數(shù)據(jù)通信的高可靠性。

在數(shù)據(jù)傳輸速率方面，每個電力系統(tǒng)應用對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不同，比如安防視頻監(jiān)控攝像頭、巡檢機器人等需要傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要求更高的傳輸速率來滿足有效的數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，數(shù)據(jù)采集終端或智能電表對數(shù)據(jù)傳輸速率要求相對較低（例如，每個儀表需要的數(shù)據(jù)傳輸速率約為300kbps）。

在安全性需求方面，奧運場館電力通信網(wǎng)需要能夠抵御網(wǎng)絡故障與網(wǎng)絡攻擊，提供電力通信網(wǎng)端到端的安全性與可靠性。特別是關鍵性任務，比如計費、智能配電等任務，應該在奧運場館電力通信網(wǎng)絡上提供足夠的安全性，以保護電網(wǎng)的關鍵資產(chǎn)免受任何漏洞的影響。

在可擴展性方面，奧運場館可能涉及到大量的智能電表、智能傳感器節(jié)點、智能數(shù)據(jù)采集器以及可再生能源接入等，電力通信網(wǎng)的可擴展性一般可分為兩個方面，一個是負載可擴展性，這意味著通信系統(tǒng)能夠處理的設備和數(shù)據(jù)流量具有伸縮性;另一個是地理可擴展性，即網(wǎng)絡以各種區(qū)域和配置進行部署的能力。

在靈活性方面，奧運場館電力通信網(wǎng)必須滿足在相同的通信基礎設施上運行不同的應用程序，電力通信網(wǎng)需要能夠支持具有不用數(shù)據(jù)速率和可靠性要求的應用服務。

2 ?奧運場館電力通信網(wǎng)整體架構

針對奧運場館的電力通信網(wǎng)整體架構如圖1所示，應用層包含泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在奧運場館中的應用，比如智能照明、智能配電、清潔能源應用、智能巡檢、智能空調(diào)等應用;平臺層向上提供服務以及API接口給應用，向下提供終端控制以及數(shù)據(jù)采集服務;網(wǎng)絡層包含電力通信網(wǎng)核心網(wǎng)以及4G/5G基站、NB-IoT基站的接入;感知層根據(jù)奧運場館具體業(yè)務的需求選擇不同的終端傳感器以及相應的通信技術與接口。

在感知層接入方面，針對奧運場館不同電力通信應用對同通信的需求，主要可分為以下三種接入方式：①對于大部分數(shù)據(jù)采集終端例如智能電表、智能照明模塊、電流電壓傳感器等，這些設備對網(wǎng)絡時延的需求較低，并且數(shù)據(jù)傳輸量相對較小，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求也不高，因此選擇NB-IoT技術接入是更合適的選擇。②對于智能巡檢機器人、監(jiān)控攝像頭以及技術人員手持終端等設備，這些設備需要傳輸視頻、音頻信息，對帶寬要求較高，因此對于固定設備如視頻監(jiān)控設備可以選擇有線光纖連接，對于可移動設備如智能巡檢機器人和技術人員手持終端可以選擇WLAN接入或直接接入4G/5G網(wǎng)絡進行通信。③對于一些采集敏感數(shù)據(jù)的設備或者涉及到安全保障的傳感器設備，如煙霧報警器、SF6傳感器等，這些設備雖然傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，但對時延的要求非常高，必須控制在毫秒級別，因此可以選用Zigbee技術作為這些設備的接入方式，即保證了對低時延、低成本的要求，又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。

3 ?奧運場館感知層設計

3.1 傳感器終端 ?奧運場館電力系統(tǒng)中的傳感器終端設備主要用來采集電力相關數(shù)據(jù)以及接收管控中心發(fā)送的操作指令，以便于電力系統(tǒng)的智能預測、控制等。

例如電流電壓傳感器可以布置在發(fā)電側、輸電側以及用電側，實時監(jiān)測電流電壓數(shù)據(jù)，當發(fā)生過流過壓等危險情況時能及時將數(shù)據(jù)反饋到控制中心迅速處理[1];奧運場館電力系統(tǒng)中有一些重要的電力設備需要實時監(jiān)控周圍溫濕度信息，確保設備在最佳的環(huán)境下運行，另外故障發(fā)生時也便于工作人員及時采取措施，排除故障[2];在一些電力設備中存在SF6氣體，但如果SF6發(fā)生泄漏，不僅對設備本身產(chǎn)生影響，也會對人體和環(huán)境造成危害，因此使用SF6探測器檢測設備周圍SF6的濃度尤為重要。

另外還包含一些更復雜的智能業(yè)務終端設備，比如智能電表，智能巡檢機器人，智能照明設備以及技術人員手持終端等設備，智能電表可以記錄奧運場館不同區(qū)域的電能消耗并將數(shù)據(jù)傳送給控制中心進行預測分析;智能巡檢機器人可以實現(xiàn)室外高壓線路以及室內(nèi)變電設備的智能巡檢，使用巡檢機器人上的傳感器以及智能終端，實時監(jiān)測電力設施的運行狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況則將巡檢記錄以及巡檢過程中拍攝的圖像、視頻等數(shù)據(jù)傳送給控制中心進行處理;場館照明可以選擇智能照明設備，如根據(jù)當前亮度以及場館內(nèi)人數(shù)等情況實時調(diào)控照明亮度、方向等數(shù)據(jù)，以及場館園區(qū)內(nèi)景觀照明需要通過控制軟件，使周邊布置的LED燈能夠按要求變化夜色、圖像等;現(xiàn)場電力技術人員需要通過手持終端獲取指揮中心的指令，如果發(fā)生故障需要從終端上獲取故障信息與處理方式等。

3.2 通信接口與協(xié)議 ?在傳感器通信接口方面，傳感器網(wǎng)絡通信接口包括不同的通信接口與協(xié)議，不同的通信協(xié)議之間應基于協(xié)議網(wǎng)關達到互操作和數(shù)據(jù)一致性要求。無線傳感器網(wǎng)絡中通信接口可分為有線接口和無線接口兩類，有線接口主要有光纖、電力載波、RJ45、RS485等，無線接口主要為ZigBee、NB-IoT、藍牙、WIFI、RFID、5G等。

由于奧運場館不同應用場景對數(shù)據(jù)采集的需求不同，傳感器需要根據(jù)具體的應用需求和組網(wǎng)需求選擇相應的通信模塊，目前電力系統(tǒng)應用最廣泛的無線通信技術主要為NB-IoT和Zigbee技術。

3.2.1 NB-IoT技術 ?由于5G技術的迅速發(fā)展，NB-IoT技術受到了廣泛的重視，國內(nèi)運營商都已早早擬定NB-IoT的部署計劃，對不同應用場景的部署策略、基站建設等問題進行了深入的探索。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡相比，NB-IoT技術具有覆蓋范圍廣、節(jié)點容量大、模塊功耗與成本較低的特點[3]。

NB-IoT技術組網(wǎng)架構如圖2所示，在NB-IoT組網(wǎng)架構中，由于NB-IoT屬于蜂窩網(wǎng)絡通信，NB-IoT終端通過空中接口直接連接到NB-IoT基站，即eNodeB[4]，不需要通過網(wǎng)關等中間設備接入網(wǎng)絡;基站主要負責終端接入處理、網(wǎng)絡管理等功能，基站與核心網(wǎng)之間的通信接口為S1接口，核心網(wǎng)負責將NB-IoT終端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_[5]。平臺收集并存儲所有從基站傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)不同業(yè)務類型轉發(fā)到相應的應用服務器進行處理。

3.2.2 Zigbee技術 ?Zigbee技術同樣是一種無線通信技術，由于其傳輸速率較低、傳輸距離較短、功耗較小、成本較低等特點[6]，Zigbee技術目前已經(jīng)被廣泛應用于智能家居以及工業(yè)智能控制的場景。

Zigbee技術的協(xié)議?？煞譃?層，從下往上分別為物理層，介質訪問控制層，網(wǎng)絡層和應用層。物理層作為Zigbee協(xié)議的最底層，提供了最基礎的服務，比如向上層提供數(shù)據(jù)接口;介質訪問控制層負責數(shù)據(jù)鏈路的維護，保證數(shù)據(jù)的傳送與接收;網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c可靠，并使用特定的加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進行加密處理;應用層根據(jù)不同應用場景的需求使多個傳感器之間進行通信。Zigbee協(xié)議架構最具特色的兩項是低功耗以及自組網(wǎng)的特點。

Zigbee技術在實際應用過程中，具有三大基本特征：首先是低功耗，Zigbee系統(tǒng)的占空比非常的低，可以小于0.1%。各個設備工作周期短，功耗也非常低，同時具有休眠的功能，在設備不需要使用時可以通過休眠來進一步降低功耗。其次是低成本，Zigbee模塊成本一般已低于2.5美元。最后是低速率，Zigbee系統(tǒng)在各節(jié)點每秒的傳輸速率僅為10～250kb左右，這將意味著其并不能以高速傳輸數(shù)據(jù)，同時也限定了其部分的組網(wǎng)方法。

3.2.3 接入技術對比 ?現(xiàn)實應用中有許多可用于電力系統(tǒng)的通信技術，包括有線通信技術和無線通信技術，在可靠性、安全性和帶寬方面，有線技術通常都更優(yōu)于無線技術，然而，無線通信能夠保證更低的安裝成本和部署的靈活性以及最少的布線，這可以在廣泛區(qū)域沒有預先布線的通信基礎的情況下提供通信連接，因此這些技術中的每一種都具有其應用的優(yōu)缺點，應在實際應用中綜合考慮最優(yōu)選擇。我們將各種通信技術的傳輸速率、延時等性能指標進行比較，如表1所示。

在電力系統(tǒng)中，具有代表性的有線通信技術有光纖、電力載波通信，光纖通信提供了高達40Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，極低的網(wǎng)絡時延和高可靠性，光纖常常被用來提供傳輸大量、實時、長距離的數(shù)據(jù)傳輸，然而光纖網(wǎng)絡的組網(wǎng)與維護的成本較高，不利于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模使用。PLC電力載波通信利用現(xiàn)有的電力電纜線進行數(shù)據(jù)傳輸，這大大降低了通信設施的安裝成本，但由于PLC數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境復雜且干擾較大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^低。

在無線通信技術中，Zigbee是一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，建立在IEEE 802.15.4標準之上[7]，由于其低成本、低功耗等特點，已經(jīng)被廣泛應用于電力系統(tǒng)通信中，但Zigbee在實際應用中依然存在一些限制，如處理能力較低、內(nèi)存較小、低延時需求等。

無線局域網(wǎng)（WLAN）是一種高速、可靠、安全的無線通信技術，傳輸速率最高可達600Mbps，覆蓋范圍可達100m，WLAN適用于家庭或一定區(qū)域內(nèi)的應用需求，比如視頻監(jiān)控應用，然而WLAN對于奧運場館電力系統(tǒng)來說可能功耗過高。

NB-IoT是3GPP組織定義的新的無線接入技術，基于現(xiàn)有的LTE設施進行設計，對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡基站進行改造即可支持NB-IoT接入。NB-IoT的峰值速率能夠實現(xiàn)下行鏈路230kbps和下行鏈路250kbps，但由于NB-IoT對延時低敏感的特點，使其更適用于那些對延時容忍度較高的應用。

隨著5G商用的正式來臨，5G也成為電力通信系統(tǒng)通信中的關鍵技術，5G主要包含三大應用場景，分別為eMBB超高帶寬，傳輸速率最高可達10Gbps，滿足大量智能巡檢機器人、超高清攝像頭等設備數(shù)據(jù)高速傳輸;mMTC海量機器通信，每平方公里可以接入100萬個5G設備，實現(xiàn)奧運場館深度泛在感知;uRLLC超低時延通信，5G通信時延最低可至1ms，可以實現(xiàn)奧運場館電力設備毫秒級精準控制。

4 ?結束語

本文在介紹奧運場館傳感器類別、傳感器通信技術NB-IoT和Zigbee等方面的基礎上，結合奧運場館電力通信實際需求，分析泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應用，提出了奧運場館泛在電力物聯(lián)網(wǎng)整體架構方案，感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層根據(jù)實際業(yè)務需求，靈活規(guī)劃，為奧運場館電力保障提供安全可靠服務。

參考文獻：

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