NB-IoT技術在電力行業的應用

何 明，趙 歡，張 斌，李思堯，袁 帥，田松林，喻召杰

（1.深圳供電局有限公司羅湖供電局，深圳 518000；2.深圳市康拓普信息技術有限公司，深圳 518000）

電力行業是社會的基礎產業之一，關乎著國家的發展與未來。伴隨著我國綜合實力的提升，對電力的需求將會逐步擴大，因此電力建設和發展將進入新的階段。物聯網通信技術的成熟和進化，使得NB-IoT技術在電力行業的應用成為現實，NB-IoT技術與電力業務需求兩者的結合，使電力系統變得更加完善，同時有了窄帶物聯網技術的服務，可以滿足輸電線路在線全監控、智能巡檢、用電計量等相關業務的需求。

1 NB-IoT技術概述

作為一種新型無線接入技術，NB-IoT主要面向覆蓋廣、成本低、大容量、功耗低的物聯網業務。和傳統的蜂窩通信網絡不一樣的是，其功率譜密度更強，增強的信號穿透力，對于深度覆蓋要求較高的場景較為合適；支持更多的并發連接，評估可支持每扇區5萬以上的終端進行連接；對功耗要求很低，終端壽命至少高達10年；模組芯片的成本很低，一套芯片低于5美元，同時在規模效應的作用下回持續降低，適宜廣泛應用。

2 NB-IoT在電力行業中的應用優勢

現階段，電力行業要實現數字化、信息化，需要先監測電網的一次和二次設備狀態，同時為了實現有效的管理，必須要安裝傳感器在設備上，從而確保調度中心可以獲得數據的回傳。

在國王的調查中發現，大部分主網設備和調度中心之間的通信，主要通過電力專用網絡進行的，而由于配網設備覆蓋面廣的原因，使得GPRS 等無線方案存在相對的缺陷，同時對于專用網絡建設投入很大，因此導致沒有一種方案使人滿意。然而隨著NB-IoT技術的問世，這些無線通信問題得到了有效的解決。將NB-IoT的技術特點與無線通信技術在電力行業的應用情況相結合，具體問題具體分析，NB-IoT技術在電力行業中的應用優勢具體如下：

2.1 超強覆蓋

當前，通過GSM/GPRS 通信技術，在電力行業中已經實現了遠程自動抄表，但是在現實情況中，在信號覆蓋不好的地區，由于受到干擾、屏蔽的影響導致抄表成功率低下。在頻段相一致，發射功率相同的情況下，NB-IoT比現有LTE網絡覆蓋增強約20dB，即100倍。主要原因有，一方面，窄帶寬帶增高了PSD（功率譜密度），即單位帶寬所攜帶的能量增高，以上行子載波帶寬15kHz為例，NB-IoT相對LTE，PSD增益達 10.8dB；另一方面，NB-IoT對速率、時延要求低，可容忍多次重復傳輸帶來的耗時，這里能帶來9-12dB增益。這一特點對覆蓋邊緣地帶很有幫助，使得室內深度覆蓋效果大大提升。在選取頻段時，NB-IoT考慮覆蓋問題，一般選擇低頻部署，低頻波有更強的繞射能力、更低的路損，傳播距離更遠。

2.2 低成本

NB-IoT系統是在LTE演進的分組核心網的基礎上優化而來，因此可以直接部署于2G/3G/4G網絡，射頻單元及天線可復用。與此同時，隨著協議棧和射頻以及基帶處理變得愈加簡化，NBIoT芯片的成本因此降低。之所以，快速形成NB-IoT承載能力的建設成本比其它物聯網技術的成本要低很多。

2.3 大容量

NB-IoT技術的大容量，主要是由于高功率譜密度帶來極度覆蓋下更高的頻譜效率，以及具有更小的資源粒來降低小包傳輸下的資源浪費。此外，NB-IoT信令流程簡化與數據承載優化亦增大了其容量，據3GPP定義的NB-IoT話務模型仿真，小區容量可達10量級。

2.4 低功耗

在物聯網終端需采用電池供電，設備長時間工作的背景下，NB-IoT 技術除了空閑狀態外，隨著PSM（節電模式）和 eDRX（改進非連續接收技術）兩種技術的引入，其待機時間獲得延長，即使是普通電池的供電情況下，終端的續航時限也可以高達10年以上。其中節電模式是R12新增的功能，在該情況下，終端仍注冊在網但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX技術使得物聯網終端只在每個eDRX周期內的尋呼時間窗口監聽尋呼信道，其他時間深度休眠。

3 電力業務的需求分析

當前，電力行業進入了高速發展階段，海量的電力終端設備需要傳輸他們的數據，而電力環節不同，其通信業務需求也不同。以下主要分別對輸電、用電環節中對NB-IoT的通信需求進行建模分析。

3.1 輸電業務的需求分析

作為負荷中心與電源中心傳輸電能的樞紐，輸電業務是非常重要的環節。與此同時，為了保障電力業務平穩運行，必須對輸電線路狀態進行監測，借助相應的傳感器，將采集數據傳輸到云端，從而真正監控輸電線路狀態及周圍環境。輸電線路監測系統的業務主要包括：絕緣子污穢監測、圖像監控、避雷器監測等等。其中，圖像/視頻監測業務是要求實時監控，其業務優先級最高，占用最大的上行帶寬。除圖像/視頻監測業務外的其他監測業務所占上行帶寬極小，并且是間隔監控，不需要保證傳輸速率。

以某小區為例，其覆蓋半徑為5公里，輸電線路的檔距為500 m，單個扇區內，總共有20 個檔距，也就是每個小區內輸電線路的所有傳感器節點數大概為2000個，以泊松分布估計每秒內的傳感器（實時視頻監控除外）并發上行數是非常低的，將并發上行傳輸的節點數放寬條件至每秒內均存在一個桿塔上傳其所有監測點的數據。則該小區的上行帶寬需求約為40 Mb/s，下行帶寬需求為0.1 Mb/s，假如將圖像/視頻監測業務去除，即該小區是上行帶寬需求低于40 Kb/s，下行帶寬需求為0.01 Mb/s。

結合NB-IoT 技術的特性，然后通過分析上述輸電業務模型，通常來說輸電業務是自主周期性上報為主，除了圖像/視頻監測業務對速率要求較高，然后其他業務對速率要求低，且對時延低敏感，待機時間較長。之所以，除圖像/視頻監測業務之外，NB-IoT技術適合承載輸電業務中的其它所有監測業務。

3.2 用電業務的需求分析

用電在整個電力網絡中是非常關鍵的環節，是面向社會性的，旨在為廣大用戶提供高質量用電服務。為了提高用電自動化水平，良好用電通信系統是重要保證，不僅可以實現人與物之間的互動，同時還促使終端用戶朝著用電節能模式轉變。當前用電基礎業務包含：售電抄表、用電查詢、售電營業和繳費業務等。

我們以一個典型城市小區作為例子，其覆蓋半徑為500 m，大概有2000戶普通居民用戶，商業用電約為200戶。其總上行帶寬需求為5.7 Mbps左右，下行帶寬為0.3 Mbps 左右，其中用電基本業務流量僅包括用電信息采集的電能表每日零點凍基本業務數據項，需信道帶寬預估為0.5 Mbps；而用電信息查詢與發布業務包括多渠道繳費業務，只需要60 Kbps左右的流量即可。

依據上述用電業務的建模分析，用電環節的電力通信業務對實時性的要求都較低，除視頻監控業務外，信息通信速率也比較低。因此，考慮到NB-IoT技術低峰值速率與對時延低敏感的技術特性，NB-IoT技術對于承載用電信息查詢與發布業務，以及多渠道繳費業務較為合適。

4 結束語

綜上所述，通過對NB-IoT技術的特性與電力行業中輸電和用電環節的業務需求進行分析，發現NB-IoT技術能很好的承載電力行業中的輸電線路監測業務與用電信息采集業務，同時可以實現將NB-IoT技術很好地應用到電力行業中各個相應的環節中，以便對電力行業的信息交換與管理進一步優化。作為一種新興的物聯網技術，隨著運營商不斷建設完善網絡，NB-IoT技術在電力行業的應用更加成熟，促進電力行業的進一步發展。