基于窄带蜂窝物联网的电力物联网技术研究

时间：2024-07-28

李红林

（云南电网有限责任公司，昆明 650217）

0 前言

电网是一个庞大而复杂的系统，要保证其安全、高速、有效的运营，就必须对线路、设备等各种资产的信息有准确、高效的获取能力，进而达到对系统各要素资源的合理分配。随着电力行业物与物之间通信点爆炸式的增长，传统蜂窝通信技术已经无法满足电力业务全采集、全覆盖的需求。NB-IOT技术与传统蜂窝通信技术相比，具有很多优势：强覆盖、大容量、低成本、低功耗等。因此，研究NB-IOT技术在电力行业的应用是物联网通信技术发展到一定阶段后的必然结果，将窄带物联网技术与电力业务需求相结合，使NB-IOT技术更好的服务于电力系统，以满足输电线路在线全监控、用电计量、智能巡检等业务的需求。

1 NB-IOT的关键技术

1.1 NB-IOT技术特点

NB-IOT包括感知层、网络层、平台层和应用层。NB-IOT的感知层主要是由不同的传感器和传感网关组成。网络层有各不同的无线网络、有线网络、互联网和互联网关系系统。平台层提供各种应用开发、使用。应用层将人和物联网连接在一起，主要是物联的实际应用，体现出物联网的实际价值。

1.2 NB-IOT 的组网

NB-IOT组网图如图1所示，主要分为5个部分。

1）NB-IOT终端：支持各行业的IOT设备接入，只需要安装相应的SIM卡就可以接入到NB-IOT的网络中；

2）NB-IOT基站：主要是指运营商已架设的LTE基站；

3）NB-IOT核心网：通过NB-IOT核心网就可以将NB-IOT基站和NB-IOT云进行连接；

4）NB-IOT云平台：在NB-IOT云平台可以完成各类业务的处理，并将处理后的结果转发到垂直行业中心或NB-IOT终端；

5）垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到本中心NB-IOT业务数据，也可以完成对NB-IOT终端的控制。

图1 NB-IOT组网图

2 在电力行业中的应用优势

根据目前主流无线通信技术在电力行业的应用情况，再结合NB-IOT的技术特点，NBIOT技术相对于传统蜂窝通信技术在电力行业中的主要应用优势如下：

2.1 超强覆盖

目前，基于GSM/GPRS通信技术的远程自动抄表在电力行业中已经实现，然而在实际检测中发现，在信号覆盖不好的地区，由于受到干扰、屏蔽的影响导致抄表成功率低下。传统蜂窝通信技术的信道带宽是180 KHz，但NBIOT技术通过上下行物理信道格式、调制规范的重新定义，使得上下行控制信息与业务信息可以在更窄的带宽中发送，相同发射功率下的PSD(Power Spectrum Density，功率谱密度)增益更大。例如，当NB-IOT用3.75 KHz的信道子带宽去承载数据时，在相同的发射功率下，NB-IOT的功率谱密度比传统蜂窝通信技术高出48倍，即其PSD增强17 dB。与此同时，NBIOT引入重复发送的编码方式和上行接收分集，可以重复提升信道条件恶劣时的传输可靠性以及覆盖强度。

2.2 低功耗

在物联网终端需采用电池供电，设备长时间工作的背景下，NB-IOT技术除了空闲状态外，还引入了PSM(Power Saving Mode，功率节省模式)和eDRX(Enhanced Discontinuous Reception，增强型非持续性接收技术)，能让终端在普通电池的供电情况下续航10年以上。PSM技术使得终端在非业务期间深度休眠，不接受下行数据，只有在TAU(Tracking Area Update，追踪区更新)定时器超时或者终端主动发数据时终端才被唤醒。eDRX技术使得物联网终端只在每个eDRX周期内的寻呼时间窗口(PTW)监听寻呼信道，其他时间深度休眠。

2.3 大容量

NB-IOT技术的大容量主要是由于高功率谱密度带来极度覆盖下更高的频谱效率，以及具有更小的资源粒来降低小包传输下的资源浪费。此外，NB-IOT信令流程简化与数据承载优化亦增大了其容量，据3GPPTR45.820定义的NBIOT话务模型仿真，小区容量可达10量级。

2.4 低成本

由于国内应用较多NB-IOT系统是在LTE演进的分组核心网(EPC)的基础上优化而来，所以可直接部署于2G/3G/4G网络，现有的射频和天线可以直接复用。此外，协议栈和射频以及基带处理复杂度的简化，进一步的降低了NB-IOT芯片的成本。因此，快速形成NB-IOT承载能力的建设成本将远小于其它物联网技术。

在电力行业中，类似于智能抄表等业务一般除了具有时延的低敏感性、终端高复杂性、速率低要求性等特点外，还对地下室等场景的覆盖能力、终端成本高低、终端续航能力等方面提出了更高的要求。因此，为了更好的满足上述要求，NB-IOT所具有四大特性较传统蜂窝通信技术在电力行业中能得到更好的应用。

3 电力物联网

3.1 电力物联网的特点

电力物联网是一个实现电网基础设施、人员及所在环境识别、感知、互联与控制的网络系统。其电力物联网有三大要素：电力信息的采集、电力信息的传递和电力信息的处理。电力物联网的建设必须在满足智能电网的坚强可靠、经济高效总体要求下，实现电力流、信息流、业务流的高度一体化。决定了电力物联网的特点为：电力物联网实际上是专用网。电力物联网的绝大多数信息流只能在电力系统内部流动。电力物联网是受限网络；电力物联网具有严格的用户身份识别、验证、鉴权制度，不同用户享受不同等级的物联网服务。电力物联网具有高度的安全性和可靠性，保证电力系统的安全稳定运行。

3.2 电力物联网关键技术的应用

3.2.1 输电业务

输电业务是实现负荷中心与电源中心电能传输的重要环节，输电线路状态监测是保障电力业务平稳运行的必要措施，通过各种传感器采集数据发送到云端，实现对输电线路状态及周围环境的监控。输电线路监测系统的主要业务有绝缘子污秽监测、覆冰雪监测、避雷器监测、图像监控等业务。其中，图像/视频监测业务是要求实时监控，其业务优先级最高，占用最大的上行带宽。除图像/视频监测业务外的其他监测业务所占上行带宽极小，并且是间隔监控，不需要保证传输速率。因此，结合NB-IOT技术的特性，NB-IOT技术适合承载输电业务中除图像/视频监测业务的所有其它监测业务。

3.2.2 用电业务

用电是整个电力网络中直接面向社会，为广大用户提供高质量用电服务的重要环节。良好用电通信系统能有效的提高用电自动化水平，进而实现人与物的互动，推动终端用户向用电节能模式的转变。目前用电基础业务主要包括：售电抄表、售电营业、用电查询及缴费业务等。再结合NB-IOT技术低峰值速率与对时延低敏感的技术特性，NB-IOT技术适合用来承载用电信息查询与发布业务及多渠道缴费业务。

3.2.3 其它业务

由于变电业务中信息运行类业务与高级测量类业务都是以数据采集上报为主，下行控制指令发布，其检测业务中含有视频监控，不利于NB-IOT技术承载；运行控制类业务对时延及速率要求高，而NB-IOT技术有对时延低敏感、低速率特性，因此，NB-IOT不适合用来承载变电业务。同理，因为配电业务中存在视频语音，对通信速率需求较高，所以NB-IOT技术也同样不适合用来承载配电业务。