基于NB-IoT的停電監(jiān)測技術(shù)研究

熊德智，鄭小平，溫 和，張保亮，肖 宇

（1.智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心（計量中心）），長沙410004；2.威勝集團有限公司，長沙430070；3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙430070；4.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100085）

供電可靠性能反映電網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)供電能力，也是考核供電系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。供電可靠性可以用如下一系列指標(biāo)加以衡量：供電可靠性、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)、用戶平均故障停電次數(shù)。目前，電網(wǎng)公司為提高供電可靠性付出了很大的財力和物力。為了從根本上解決供電可靠性問題，要求智能設(shè)備能從技術(shù)上盡快發(fā)現(xiàn)用戶的停電事件，特別是普通居民用戶的停電事件。目前現(xiàn)場智能電能表基本都能支持終端對電能表事件記錄的采集、存儲、分析功能，用電采集信息系統(tǒng)可實現(xiàn)對智能電能表的停、上電事件記錄采集，但無法做到智能電能表停電事件的主動上報。停電事件不能主動上報的重要原因之一是線路停電以后，電能表中的電池僅能支持電能表產(chǎn)生停電事件卻無法維持供電事件的上報。

文獻[1]提出了一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)組合定位算法，提高了復(fù)雜信道環(huán)境下的窄帶物聯(lián)網(wǎng)定位性能；文獻[2]設(shè)計了基于NB-IoT 的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測采用2G/3G/4G及其他無線技術(shù)存在的耗電大、費用高、網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)等問題；文獻[3]針對電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尚不完善、充電樁建設(shè)成本高以及監(jiān)管難的困境，提出了基于NB-IoT 的電動汽車充電解決方案，闡述了充電樁的硬件、軟件設(shè)計方法以及云平臺管理系統(tǒng)的設(shè)計思路；文獻[4]針對電磁波海上傳播的特性，對NB-IoT 覆蓋進行了鏈路級仿真和覆蓋仿真，實現(xiàn)了NB-IoT 的海上覆蓋；文獻[5]設(shè)計了一款具有無線通信功能的智能電能計量裝置，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸與本地存儲；文獻[6]針對目前廣域物聯(lián)網(wǎng)在智能燃?xì)獗砜刂葡到y(tǒng)存在傳輸距離短、覆蓋范圍小、需要基站多等問題，提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸方式的無線智能燃?xì)獗恚晃墨I[7]提出了一種基于小區(qū)間干擾消除的NB-IoT 時延估計算法，所提算法引入了小區(qū)間迭代干擾消除算法，可明顯提高NB-IoT的時延估計精度。

綜合分析現(xiàn)有的研究和技術(shù)，當(dāng)前主要開展了NB-IoT 技術(shù)的信道環(huán)境研究、算法優(yōu)化以及NB-IoT技術(shù)在電動汽車充電、智能燃?xì)獗淼确矫娴膽?yīng)用，尚未開展基于NB-IoT 技術(shù)的停電監(jiān)測相關(guān)研究，依靠現(xiàn)有智能電表不可能實現(xiàn)現(xiàn)場停電事件主動上報功能[8-12]。因此，研究一種基于NB-IoT 的新型的智能電能表停電事件實時主動上報技術(shù)，是目前急需解決的難題。若實現(xiàn)低壓用戶停電事件的實時主動上報，將大大提高居民用電檢修的及時性，提升電力用戶滿意度。

1 主要技術(shù)方案比較

1.1 雙模技術(shù)方案特點

目前，用電信息采集系統(tǒng)主要抄表方式是載波與微功率無線兩種方式。通過將兩種通信方式相結(jié)合，設(shè)計出載波與微功率無線雙模通信模塊，利用雙模模塊進行停電事件上報，具體方案如圖1所示。

圖1 雙模技術(shù)設(shè)計方案Fig.1 Dual-mode technology design scheme

（1）220 V 交流電正常供電時，電能表的電源模塊將線路交流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的直流電源，并為雙模模塊的法拉電容充電。電能表的數(shù)據(jù)通過載波、微功率無線傳送給集中器。

（2）當(dāng)停電事件發(fā)生時，系統(tǒng)由雙模通信模塊中的電解電容和法拉電容供電，220 V 電平檢測電路檢測到電源丟失，電能表控制系統(tǒng)（CPU）生成停電事件，并將停電事件通過微功率無線及時上報給集中器，集中器及時上傳給主站。事件上傳成功后，電能表控制系統(tǒng)并進入低功耗模式。

該方案具有檢測實時性強、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點。由于檢測電路是檢測220 V 的電平，一旦有停電事件，能第一時間發(fā)現(xiàn)；該方案借助現(xiàn)有載波和微功率無線成熟技術(shù)，無需再增加新的通道和設(shè)備。但是也存在以下缺點：

（1）規(guī)約不統(tǒng)一。由于載波和微功率國網(wǎng)沒有統(tǒng)一規(guī)范，各個廠家的通信協(xié)議不統(tǒng)一，無法做到互聯(lián)互通，無法做到標(biāo)準(zhǔn)化推廣。

（2）事件上傳實時性不強。由于雙模模式需要把停電事件通過微功率上傳到集中器，集中器再上傳到主站。由于借助原有采集系統(tǒng)，無法做到停電事件的及時性。

1.2 NB-IoT 技術(shù)方案特點

針對雙模通信模塊解決方案的缺點，本文設(shè)計了一種基于NB-IoT 技術(shù)的停電事件上報方案，該方案具有以下優(yōu)點：

（1）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。NB-IoT 為全球通用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。將NB-IoT 成熟的通信技術(shù)與電能表通信技術(shù)相結(jié)合，沒有技術(shù)壁壘，可標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用和推廣。

（2）實時性強。當(dāng)停電事件發(fā)生后，電能表能及時檢測并生成停電事件，通過NB-IoT 通信方式直接將停電事件上傳主站，省去了中間環(huán)節(jié)，時效性強。

2 基于NB-IoT 技術(shù)設(shè)計方案

2.1 整體設(shè)計方案

系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖2所示，本系統(tǒng)主要由智能電表、NB-IoT 模塊、NB-IoT 基站、用電信息采集主站等幾大部分組成。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.2 System design scheme

智能電能表是遠(yuǎn)程無線電能計量系統(tǒng)的最前端的設(shè)備，主要負(fù)責(zé)采集、記錄停電事件，并在停電時刻，通過NB-IoT 模塊將停電事件及時通過NB-IoT基站傳輸?shù)较到y(tǒng)主站，主站及時統(tǒng)計、分析停電事件，判別故障原因，進行故障定位，并根據(jù)下游信息生成準(zhǔn)確的受影響停電客戶列表，然后對復(fù)電進行優(yōu)先級排序，生成工單，最后形成事件報告。

在設(shè)計中，220 V 交流電經(jīng)過智能電能表的電源模塊變?yōu)?2 V 直流電，為系統(tǒng)提供直流電源和檢測電源。12 V 直流電源經(jīng)二級電源模塊變?yōu)?.9 V和3.3 V 直流電，給NB-IoT 模塊的CPU 和NB-IoT芯片提供電源。當(dāng)系統(tǒng)的12 V 電源丟失后，電源模塊內(nèi)的電解電容和法拉電容為系統(tǒng)上傳停電事件提供電源；當(dāng)停電事件上傳到主站后，系統(tǒng)關(guān)斷NB-IoT 芯片的電源，進入低功耗模式。

2.2 電源供電電路設(shè)計

系統(tǒng)電源電路設(shè)計原理如圖3所示。電能表控制系統(tǒng)由兩種供電方式，正常供電情況下是通過電能表的電源模塊產(chǎn)生的12 V 供電。停電發(fā)生后，先由電解電容、法拉電容保存的能量供電，能量消耗后轉(zhuǎn)由停電抄表電池供電，保證停電后事件能及時上傳。

圖3 電源電路設(shè)計原理圖Fig.3 Power circuit design schematic diagram

直流12 V 經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換芯片LV2842 變?yōu)?.9 V為NB-IoT 模塊系統(tǒng)供電。法拉電容具有放電能力超強、能量轉(zhuǎn)換效率高、過程損失小等特點，其大電流能量循環(huán)效率≥90%。正常情況下，220 V 交流電經(jīng)過電能表的電源電路轉(zhuǎn)換為12 V，為整個NB-IoT模塊供電。當(dāng)220 V 市電停電后，電源檢測電路檢測12 V 電源，系統(tǒng)產(chǎn)生停電事件；系統(tǒng)供電由法拉電容與電解電容供電，為系統(tǒng)停電事件的上報供電；當(dāng)法拉電容放電完畢后，電源供電方式自動切換至電池供電。根據(jù)國網(wǎng)技術(shù)規(guī)范和停電事件參數(shù)，從總體技術(shù)要求分析，增加超級電容儲能，要求在斷電后能維持超過60 s 以上的工作時間。同時，超級電容的儲能要求在斷電后能維持超過60 s 以上的工作時間，具體計算公式為

式中：C（F）表示超級電容的標(biāo)稱容量；Vwork（V）表示正常工作電壓；Vmin（V）表示截止工作電壓；t（s）表示在電路中要求持續(xù)工作時間；I（A）表示負(fù)載電流。

假設(shè)超級電容的充電工作電壓為5.3 V，最小工作電壓為3.3 V，停電后超級電容需要維持平均50 mA的工作電流進行放電，那么如果停電后要維持工作60 s，則選擇的超級電容的容量必須大于1.25 F，考慮到性能冗余，可以選擇2.2 F 的超級電容。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 停電事件判別軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計主要重點解決智能電能表針對停電事件所作出的判斷和處理方法問題，系統(tǒng)采用C 語言作為開發(fā)工具，軟件開發(fā)環(huán)境為IAR 集成開發(fā)環(huán)境和嵌入式工作平臺。智能電能表系統(tǒng)判別流程如圖4所示。

電能表工作時，判斷是否有用電，若無用電，進入低功耗模式；若有用電，則進入正常工作模式。在電能表工作中，NB-IoT 模塊的CPU 時刻檢測是否停電，若停電，電源切換至電池供電，進行停電事件上報，上報完成后，切斷NB-IoT 模塊電源并進入低功耗模式；若沒有停電，則系統(tǒng)繼續(xù)運行。

3.2 通信模塊軟件設(shè)計

圖4 系統(tǒng)判別流程Fig.4 System identification flow chart

通信模塊建立通信連接流程如圖5所示，系統(tǒng)初始化完成后，首先建立NB-IoT 通信連接，連接成功后，通信開始。數(shù)據(jù)采集及上傳流程如圖6所示，系統(tǒng)初始化完成后，NB-IoT 模塊采集電能表1 h 的電壓、電流、功率、電量，并將數(shù)據(jù)打包，采用UDP 協(xié)議上傳到主站，數(shù)據(jù)每6 h 發(fā)送1 次，分2 次發(fā)送，每天上傳4 次。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要判斷通信模塊是否與主站建立連接，如果連接成功，則上傳數(shù)據(jù)；如果連接不成功，則執(zhí)行系統(tǒng)初始化，重新建立連接。

圖5 通信連接流程Fig.5 Communication connection flow chart

圖6 數(shù)據(jù)采集及上傳流程Fig.6 Data collection and upload flow chart

3.3 停電事件上報軟件設(shè)計

停電事件上報處理流程設(shè)計如圖7所示，系統(tǒng)啟動運行時，首先檢測電源模塊電壓，當(dāng)檢測到12 V電壓為0 V 時，系統(tǒng)認(rèn)定為停電事件產(chǎn)生，系統(tǒng)自動切換到電池供電，并產(chǎn)生停電事件，通過NB-IoT 模塊及時將停電事件上傳主站，事件上傳完成后，系統(tǒng)將該停電事件保存至EEPROM 存儲單元內(nèi)，并重新檢測電源模塊電壓，如果該12 V 電壓仍為0 V，則切斷電池供電，使系統(tǒng)和NB-IoT 模塊一并進入低功耗模式，等待異?；謴?fù)。

圖7 停電事件上報處理流程Fig.7 Power failure report processing flow chart

4 應(yīng)用效果分析

將NB-IoT 技術(shù)方式與HPLC 載波模塊方式、HPLC 載波加微功率無線雙模塊方式，通過在長沙選擇3 個現(xiàn)場環(huán)境相似的小區(qū)，分別安裝100 戶進行應(yīng)用試驗，實時性按照停電發(fā)生與主站收到事件的時間差進行計算，平均實時性通過累計每次成功上報的時間取平均值進行計算，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Measure data

由表1 可知，組網(wǎng)成功率方面，雙模和NB-IoT方案均優(yōu)于單獨的HPLC 模塊方案，達到100%；停電上報成功率方面，NB-IoT 方案最佳，達到100%成功上報，雙模方案優(yōu)于HPLC 模塊方案；平均實時性方面，NB-IoT 方案僅為5 s，實時性明顯優(yōu)于其它兩種方案。試驗結(jié)果表明，NB-IoT 技術(shù)方案的組網(wǎng)成功率、停電上報成功率、平均實時性等性能指標(biāo)整體優(yōu)于同類技術(shù)。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前用電客戶停電事件不能及時主動上報的難題，分析了基于載波與微功率無線雙模通信的停電事件上報技術(shù)方案及優(yōu)缺點，在分析NB-IoT技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，提出了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、實時性強的基于NB-IoT 技術(shù)的停電事件主動上報設(shè)計方案。提出了在停電情況下，采用超級電容給系統(tǒng)關(guān)鍵模塊供電的設(shè)計方案，給出了超級電容容量的計算方法及超級電容選型方法。設(shè)計了停電事件系統(tǒng)判別程序、NB-IoT 通信連接建立程序、停電數(shù)據(jù)采集及上報程序、停電事件上報處理程序。試驗結(jié)果表明，NB-IoT 技術(shù)方案在組網(wǎng)成功率、停電上報成功率、平均實時性等方面均優(yōu)于雙模等同類技術(shù)，停電上報實時性、準(zhǔn)確性、可靠性高。