基于NB-IoT技术的智能电网应用研究

作者：许宝玉 朱孔阳

来源：《中国新通信》 2017年第23期

【摘要】 本文简要介绍了窄带物联网（NB-IoT）技术，研究了基于NB-IoT 技术的智能电网应用场景，并提出了电力隧道中可行的应用方案，对智能电网的发展具有积极作用。

【关键词】 NB-IoT 智能电网 物联网

一、引言

随着相关标准落地，多家主流网络设备厂家的NB-IoT商业方案已经发布，且中国电信，移动，联通三家运营商已在部分城市进行了试商用及业务应用示范[1]。预计一年内，基于NB-IoT 的物联网建设会大面积铺开，这对智能电网的建设具有非常积极的推动作用。

二、NB-IoT 简介

窄带物联网（NB-IoT）是一种新型无线接入技术，主要面向低成本、低功耗、低速率、广覆盖的物联网业务。与传统的蜂窝通信网络相比，得益于增强的功率谱密度，其信号穿透力强，可适用于一些对深度覆盖要求较高的场景；支持更多的并发连接，评估可支持高达每扇区5 万以上的终端；对功耗要求很低，终端寿命普遍超过十年以上；低成本的模组芯片，一套芯片不超过5 美元，而且有望随规模效应进一步降低，适合大面积推广应用。

三、潜在应用场景

目前，智能电网要实现数字化、信息化，需要对电网一次和二次设备状态进行监测，通过在这些设备上安装传感器，将数据回传至调度中心，实现有效的管理。在以往的方案中，大多数主网设备都是通过电力专用网络与调度中心通信，而配网设备因为覆盖面广，建设专用网络投入较大，GPRS，Zigbee 等无线方案又都存在一定的局限性，尚没有一种主流方案能得到各方认可。NB-IoT 的出现提供了一种行之有效的无线通信解决方案。由于NB-IoT 技术传输速率低，且移动性能较弱，比较适合非实时不连续的低速业务，结合其增益高覆盖深，以及超低的功耗，比较适合的智能电网业务应用主要有以下几个方面：1）电网终端的异常报告类通信，异常报告属于不连续的低速数据类型，正常状态无信号传输，一旦出现异常，触发告警信号，与调度端进行通信。电网的各种信号告警装置，如变电站的围墙红外对射装置，电缆沟盖板状态监测，配网终端台变刀闸状态监测，配电房环境监测类都可以加装NB-IoT 通信模组，变身智能化装备。2）周期性的状态报告类业务通信，最典型的就是用户端的智能电表业务，每月自动上传用电量，这类业务对时延不敏感，但是因为终端数量多，要求能支持大数量级别的终端并发通信。3）对深度覆盖要求较高的场景，比如地下电力隧道，电缆沟，电力顶管排管类，室内机器内部等，这些场景一般在地下，对信号的覆盖强度要求高，采用2*10W 功率的NB-IoT 终端设备可以有效提高信号增益[2]。

四、应用方案

一般来说，网络的结构包括接入层，汇聚层和核心层。

拿NB-IoT 网络来说，带有监测传感器或者信号发生器的装置就属于网络的接入层，这一层构建了网络的数据来源；汇聚层包括各类NB-IoT 无线基站，中间汇聚交换机，数据最终接入核心层进行交换和分析。从应用的角度来看，电网典型NB-IoT 应用网络的组成如下所示：

其中无线汇聚和系统平台部分由运营商提供，对上层提供业务API，电网应用根据需要调用API 数据，从而得以获取终端各种状态 信号。

五、NB-IoT 技术在电力隧道监测系统的应用

根据上述网络组织，我们选取了隧道监测这一应用场景进行具体研究。由于电力隧道中通常敷设有比较重要的高压电缆及相应的附属设施，必须对隧道环境进行监控，监测系统的组成与功能如下：1）隧道内部带有NB-IoT 通信模组的终端监测类设备，主要包含隧道环境温湿度传感器，电缆温度传感器，浸水探测器，有害气体监测器等，这些终端设备分布在隧道内部，实时或者周期性测量隧道内部环境信息，并与附近的NB-IoT 基站连接，按需求将数据上传给NB-IoT的系统平台。2）NB-IoT 基站，主要负责与附近扇区范围的NB-IoT 终端通信，并将获取的数据上传至系统平台。3）NB-IoT 的系统层，这一层属于核心数据交换区域，一方面需要管理无线终端，另一方面需要对数据进行有效归类整理，并提供支撑上层的API 调用接口。4）电力隧道监测软件，上层用户端交互系统，通过调用系统层提供的接口，获取有效数据，从而实现对隧道的监测和终端管理。

总结：NB-IoT 技术作为一种新兴的物联网技术，其优点非常明显。随着运营商不断建设完善网络，这一技术在电力行业的应用会不断落地，必将有效促进智能电网的发展。

参 考 文 献

[1] 鲁娜, 等.NB-IoT 运营商面临的机遇与挑战[J]. 中兴通讯技术,2017,23(1):29-31.

[2] 李建军.NB-IoT 组网方案研究[J]. 移动通信,2017,41(6): 14-18.