基于5G通信的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計與研究

趙玉坤，代冀陽，應(yīng)進，魯亮亮，李葉鼎

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引言

為了盡快提升電力物聯(lián)網(wǎng)的管理效率，2019年國家電網(wǎng)計劃全面推進“三型兩網(wǎng)，世界一流”的建設(shè)，開拓泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的市場，充分發(fā)揮電網(wǎng)的獨特優(yōu)勢，致力于構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)移動互聯(lián)、人機交互的智能電力系統(tǒng)[2]。然而國內(nèi)現(xiàn)階段建設(shè)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)仍然存在云平臺形式單一、通信技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)混亂等問題。

本文以傳統(tǒng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合5G通信技術(shù)和現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，設(shè)計出一種新型的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，使其能夠更加有效地實現(xiàn)萬物互聯(lián)、智慧服務(wù)，解決傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中存在的一些缺陷，同時本文對未來國家泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)進行展望，希望能夠為國家電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的學(xué)者提供參考，為國家電力發(fā)展提供有益的支持。

1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對比分析

近年來，為了解決智能電網(wǎng)或數(shù)字電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，研究人員將多種通信技術(shù)應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)之中。常用的主要有以下幾種技術(shù)。

1.1 局域網(wǎng)通信技術(shù)

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)距離大小，采用不同的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。短距離通信的局域網(wǎng)中，一般常用WiFi[3]、藍牙[4]、ZigBee[5]等協(xié)議進行通信，這幾種協(xié)議具有傳輸速率高、建設(shè)難度低、功耗低的特點，但不適合長距離數(shù)據(jù)傳輸，且覆蓋范圍小、穿透力差，因此這幾種協(xié)議只能在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中起到輔助的作用。

1.2 GPRS技術(shù)

通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）[6]是以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的一種廣域通信技術(shù)，介于第二代和第三代移動通信技術(shù)之間，被稱為“2.5G”。GPRS具有傳輸速率高、資源利用率高的特點，現(xiàn)階段仍然被用于一些數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)監(jiān)控的工作中，也解決了部分地區(qū)小規(guī)模遠(yuǎn)程電力抄表的需求[7]。但GPRS存在覆蓋范圍小、功耗較高的缺點，因此該技術(shù)已經(jīng)無法滿足國內(nèi)大規(guī)模低功耗的電力發(fā)展要求[8]。

1.3 LPWAN

廣域低功耗網(wǎng)絡(luò)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)[7]近年來以十分迅猛的速度在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中得到發(fā)展，是一種適合多種場景應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。以其中最典型的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)[9]為例，該技術(shù)以星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信，覆蓋范圍廣、運營成本低、抗干擾能力強、靈活性較大，同時還可以實現(xiàn)定位服務(wù)[10]。因此，NB-IoT技術(shù)是現(xiàn)階段很多學(xué)者和運營商力推大規(guī)模使用的通信技術(shù)。但是，LPWAN技術(shù)仍然具有不可彌補的缺陷，該技術(shù)傳輸速率較低、時延較大，無法解決泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的一些電力評估、實時監(jiān)測的問題，也無法及時發(fā)現(xiàn)一些潛在的電力故障，不能有效預(yù)防電力風(fēng)險等[11]。

社會輿論方面，媒體和消費者群體應(yīng)充分發(fā)揮輿論和反饋監(jiān)督作用。不論是傳統(tǒng)的紙質(zhì)媒體還是新時代背景下的自媒體，都應(yīng)該在這一問題上發(fā)揮其本身的輿論監(jiān)督作用：一方面，對于醫(yī)藥企業(yè)內(nèi)部對于假藥的查處和監(jiān)查進行報道；另一方面，通過監(jiān)督醫(yī)藥企業(yè)的社會責(zé)任履行情況來營造一種良好的社會輿論氛圍，以達到良性循環(huán)的效果，激勵醫(yī)藥企業(yè)積極履行社會責(zé)任。消費者群體作為藥品的直接使用主體，在藥品質(zhì)量、價格等問題上可以起到反饋監(jiān)督的作用，可以就醫(yī)藥器企業(yè)藥價過高、藥效乏力等問題向媒體及政府進行舉報，從而形成多層次、全方位監(jiān)督的醫(yī)藥企業(yè)社會責(zé)任履行氛圍。

1.4 5G通信技術(shù)

針對上述幾種現(xiàn)階段常用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)存在的缺陷，本文提出將5G通信技術(shù)作為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要數(shù)據(jù)傳輸方式。5G通信技術(shù)與現(xiàn)階段市場上其他常用的通信協(xié)議相比，具有通信速率高、海量數(shù)據(jù)傳輸、高計算力、低時延、低功耗等特點[12]。較為全面的優(yōu)勢使得5G通信技術(shù)足夠支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。5G技術(shù)能夠用于監(jiān)控分布式電源發(fā)電情況，能夠?qū)崿F(xiàn)對高危設(shè)備如電纜的狀態(tài)評估，可以實現(xiàn)對車聯(lián)網(wǎng)等實時性要求較高的設(shè)備的監(jiān)控，方便及時發(fā)現(xiàn)隱患，預(yù)防突發(fā)事故的發(fā)生[13]等，這些都是其他通信技術(shù)無法完成的任務(wù)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)不僅可以利用5G技術(shù)通信實現(xiàn)，因為其通信模組可兼容各代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，所以在沒有5G信號的山區(qū)、森林、河谷、海島、戈壁等人煙稀少的環(huán)境下，同樣可以使用4G、3G、2G信號進行數(shù)據(jù)傳輸，將用戶用電信息上傳到云端[14]。同時，隨著未來6G通信時代的到來，6G網(wǎng)絡(luò)將會是一個地面無線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界，理論上可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，這樣就可以更好地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電力物聯(lián)網(wǎng)通信的問題[15]。因此現(xiàn)階段5G通信相比于其他通信技術(shù)更適宜在國內(nèi)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中推廣使用。

本文所述的幾種通信技術(shù)的參數(shù)對比情況，如表1所示。

表1 幾種通信協(xié)議的性能參數(shù)對比

2 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

傳統(tǒng)的電力量測方案僅僅停留在實現(xiàn)電力公司遠(yuǎn)程抄表的狀態(tài)，無法實現(xiàn)用戶或企業(yè)、智能化終端、電力公司三者之間及時有效的交互，更無法滿足用戶或企業(yè)的實時監(jiān)控和其他定向服務(wù)需求[16]。為了解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的各種缺陷，近年來國家電網(wǎng)計劃并開始建設(shè)了一種泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與其他形式的物聯(lián)網(wǎng)形式相同，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層四個層級[17]，具體如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

感知層實現(xiàn)智能化終端的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一接入，然后將各種終端采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上傳至由國家電網(wǎng)建設(shè)的平臺層，再由處于平臺層的“一體化國網(wǎng)云平臺”將數(shù)據(jù)進行整合、存儲、分析、安全隱私保護等。平臺層是整個物聯(lián)網(wǎng)的核心，將具體的數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用層，再由應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進行處理并產(chǎn)生最終的決策，通過平臺層和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送控制信息實現(xiàn)對電力終端設(shè)備的控制[18]。

2.2 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計

雖然現(xiàn)階段國內(nèi)建設(shè)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)能夠解決傳統(tǒng)電力量測的許多問題，但該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)仍然存在一些不可忽視的弊端。首先該架構(gòu)僅僅使用一體化國網(wǎng)云平臺進行國內(nèi)電力的大數(shù)據(jù)分析，形式單一，且因國家電網(wǎng)自身的技術(shù)限制，可能造成無法滿足用戶日益增長的電力設(shè)備智能化需求；其次，該架構(gòu)采用多種通信協(xié)議相結(jié)合的方式完成各層級之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且不同地區(qū)采用的通信技術(shù)比重不同，容易造成各種通信協(xié)議不兼容、信號串?dāng)_等問題。

因此本文以5G通信為主、其他無線通信協(xié)議輔助的數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)計一種旨在滿足普通用戶、企業(yè)、電力公司等各種機構(gòu)需求的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。該架構(gòu)同樣分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層四個層級，如圖2所示。

圖2 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計架構(gòu)

感知層：包括各種智能化終端，終端使用數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備監(jiān)控、命令執(zhí)行的一體化設(shè)計，可通過多個傳感器采集各種設(shè)備的多個參數(shù)值；同時，智能化終端集成了微處理器和5G通信模塊，可以將采集到的各種參數(shù)值經(jīng)過解析和封裝，通過5G網(wǎng)絡(luò)與平臺層的云服務(wù)器之間進行數(shù)據(jù)交換、共享等；需要注意的是，終端需要使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，這需要終端采用輕量級、低功耗的處理器運行相同的操作系統(tǒng)，而且為了緩解平臺層海量的數(shù)據(jù)處理壓力，需要在終端對原始數(shù)據(jù)進行初步的處理和整合，完成一些區(qū)域化的計算任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層：通過現(xiàn)有的移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，完成感知層向平臺層的數(shù)據(jù)傳輸，這個過程需要利用現(xiàn)有的很多通信協(xié)議實現(xiàn)。但是考慮到其他通信協(xié)議的缺陷，本文提出在網(wǎng)絡(luò)層中主要使用5G通信技術(shù)完成海量的數(shù)據(jù)傳輸，只在一些應(yīng)用5G技術(shù)通信不太適合或成本較高的場景下，使用其他無線通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮o助工作。對于物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，則采用現(xiàn)階段較為成熟的MQTT協(xié)議和COAP協(xié)議。

平臺層：與傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)相同，該層完成對用戶數(shù)據(jù)的分析、整合、存儲、隱私保護等工作，是電力物聯(lián)網(wǎng)的核心。而與傳統(tǒng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)不同的是，本文設(shè)計的平臺層具有兩種云平臺：一種是國家電網(wǎng)專用的一體化國網(wǎng)云平臺；另一種是互聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)的企業(yè)云平臺，例如阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET等。國家電網(wǎng)針對各行業(yè)用戶或企業(yè)的統(tǒng)一需求，提供專業(yè)化的服務(wù)，也可以防止用戶一些重要數(shù)據(jù)的泄露，而互聯(lián)網(wǎng)公司物聯(lián)網(wǎng)平臺可以充分利用其現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢，根據(jù)不同用戶的需求提供個性化定向服務(wù)。

應(yīng)用層：作為電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的用戶接口，應(yīng)用層通過對平臺層處理后的數(shù)據(jù)進行再次分析、產(chǎn)生決策，為用戶提供各種特定的服務(wù)，即通過平臺層和網(wǎng)絡(luò)層對處于感知層的智能化終端實現(xiàn)控制。用戶可以通過網(wǎng)頁端、APP、小程序等登錄自己的賬戶，完成對遠(yuǎn)程終端的監(jiān)控。以智能家居為例，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)測家庭安裝多個智能電表，可以遠(yuǎn)程控制家庭用電設(shè)備的開關(guān)和調(diào)節(jié)等。

2.3 新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢分析

本文設(shè)計的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，使用一體化國網(wǎng)云平臺和互聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)的云平臺相結(jié)合的方式實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的處理，該架構(gòu)優(yōu)勢明顯。首先，采用互聯(lián)網(wǎng)公司的云平臺，可以彌補一體化國網(wǎng)云平臺需要統(tǒng)一提供用戶側(cè)功能的劣勢?；ヂ?lián)網(wǎng)公司的云平臺可以充分利用其行業(yè)內(nèi)頂尖的技術(shù)優(yōu)勢，針對性地滿足用戶或企業(yè)的個性化需求，提供國家電網(wǎng)因自身限制所不能提供的服務(wù)，應(yīng)用方式更加靈活。例如向用戶提供對電力設(shè)備實時監(jiān)控的服務(wù)、滿足某些企業(yè)使用無人機巡檢的需求等。

其次，采用兩種物聯(lián)網(wǎng)云平臺促進不同互聯(lián)網(wǎng)公司以及國家電網(wǎng)之間的競爭，有利于避免單一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可能產(chǎn)生的行業(yè)壟斷；同時，互聯(lián)網(wǎng)公司之間的相互競爭也會使得各企業(yè)為了爭取市場份額，不斷加大對電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的研發(fā)投入，優(yōu)化平臺的功能和體驗，并減少用戶的平臺使用費用。

3 實驗與分析

本文結(jié)合阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于4G通信的智能遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)，用來驗證使用互聯(lián)網(wǎng)公司云平臺建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性。使用該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控設(shè)備的多種電力參數(shù)，包括用電量、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等。該系統(tǒng)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括智能電力采集終端、阿里云服務(wù)器、阿里云物聯(lián)網(wǎng)三個部分。具體實現(xiàn)過程是：智能電力采集終端采集到所測量設(shè)備的多個電力參數(shù)，在對數(shù)據(jù)進行解析和封裝后，通過MQTT協(xié)議將電力參數(shù)值實時上傳至阿里云服務(wù)器，再由阿里云服務(wù)器對數(shù)據(jù)分析處理，然后將多個電力參數(shù)實時顯示在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中。

圖3 智能遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

智能電力采集終端實物圖如圖4所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，該終端采用HLW8012電力計量模塊采集多種電力參數(shù)，微控制器STM32F103能夠使用ModBus協(xié)議實時讀取電力計量模塊采集的數(shù)據(jù)，并通過4G通信模塊EC20將數(shù)據(jù)實時上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對各電力參數(shù)的實時監(jiān)測。其中，4G模塊EC20使用PCIe標(biāo)準(zhǔn)接口，該接口可兼容5G通信模塊，因此在后期5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備建設(shè)成熟之后，只需更換該終端的通信模塊便可投入使用。

圖4 智能電力采集終端實物

圖5 智能電力采集終端結(jié)構(gòu)

為了驗證該系統(tǒng)的有效性，本文使用該系統(tǒng)連接負(fù)載進行實驗。本次實驗所接負(fù)載是參數(shù)為50 W/220 V的美的品牌電風(fēng)扇。具體實驗過程是：依次將電風(fēng)扇的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)至關(guān)閉、1檔、2檔、3檔四種狀態(tài)，并使用XT單相軌道式電能表和智能電力采集終端同時測量該負(fù)載各狀態(tài)下的電力參數(shù)值，然后對比阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、電能表的參數(shù)值顯示情況，并分析阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺對電風(fēng)扇電力參數(shù)的監(jiān)測效果。

實驗數(shù)據(jù)具體監(jiān)測情況如表2所示，經(jīng)過對比可以得出，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺對數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度較高。同時，實驗過程中每次更換電風(fēng)扇狀態(tài)并在平臺更新顯示的時間延遲平均值經(jīng)過測試為1.2 s左右，且5G通信速度是4G的15~100倍[19]，因此，在5G網(wǎng)絡(luò)下，該系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)對智能電力采集終端的實時監(jiān)測。

表2 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)測值與電能表實測值對比

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺還提供了查詢所監(jiān)測的各電力參數(shù)歷史記錄的服務(wù)。圖6顯示了在上述監(jiān)測美的電風(fēng)扇運行過程中功率參數(shù)值的變化情況。

圖6 風(fēng)扇四種狀態(tài)下功率變化

用戶可使用該功能查看過去任意時間段內(nèi)各個電力參數(shù)的變化情況，該功能不僅有利于用戶規(guī)避用電風(fēng)險，用戶還可以通過分析自身的具體用電情況，改善過去不合理的用電方式，做出節(jié)約用電計劃。

4 結(jié)語

本文對比了現(xiàn)階段常用的多種通信協(xié)議，最終基于5G通信設(shè)計了一種新型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并結(jié)合阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計實現(xiàn)了一種智能遠(yuǎn)程電能監(jiān)控系統(tǒng)，通過實驗驗證了所設(shè)計的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)越性。雖然5G技術(shù)能夠使能中國的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，促使許多智能化應(yīng)用場景得以實現(xiàn)，但技術(shù)的革新必定伴隨著更多新的要求和標(biāo)準(zhǔn)，例如，需要更加關(guān)注信息安全、知識產(chǎn)權(quán)、運營機制、智慧服務(wù)等方面的問題。因此，智能電網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)加強與外部的合作、研究，接納各種技術(shù)和經(jīng)驗，根據(jù)經(jīng)濟社會的發(fā)展?fàn)顟B(tài)不斷進行調(diào)整，從而促進國家電力能源產(chǎn)業(yè)水平更加科學(xué)有效地得到提升。