面向智能電網業務的窄帶物聯網技術研究及應用

摘 要：隨著智能電網的快速發展，窄帶物聯網（NB-IoT）技術憑借其獨特的低功耗特性、廣泛的覆蓋范圍以及顯著的成本效益，在眾多物聯網技術中脫穎而出，在電力行業中展現出巨大的應用潛力。為此，全面探討了面向智能電網業務的窄帶物聯網技術研究及其應用，包括技術架構、通信終端設計、資源管理與核心網技術等，旨在為智能電網的智能化、高效化轉型提供理論支撐和技術參考。經過一系列深入研究，明確了窄帶物聯網在泛在電力物聯網中的具體應用領域，進一步拓寬了接入方式，為不同業務的差異化承載需求提供了堅實的技術基礎和組網方案，促進了電力物聯網的智能化發展。

關鍵詞：窄帶物聯網；智能電網；網絡架構；通信終端；資源管理；電力物聯網業務

中圖分類號：TP39；TN919.6+4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-0-05

0 引 言

隨著智能電網與泛在電力物聯網的蓬勃發展，大規模物聯網業務正穩步融入智能電網體系之中，二者融合的趨勢日益顯著。這一進程不僅豐富了智能電網的功能與應用場景，還促進了物聯網技術在電力行業的深度應用與廣泛實踐。這一趨勢不僅推動了智能電網在物聯網傳感技術上的突破與應用，也暴露出了一系列亟待解決的技術問題。文獻[1]指出，盡管智能電網在物聯網技術的應用方面取得了一定進展，但面對海量連接的需求，現有的終端通信接入網技術在技術體系和網絡結構方面仍存在不足，無法完全滿足物聯網業務的海量連接需求。

文獻[2]指出，窄帶物聯網（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）憑借其低功耗、廣覆蓋、低成本及強大連接能力的獨特優勢成為了新興的無線通信技術典范。其設計初衷在于優化物聯網設備的運行效率與成本結構，為各類應用場景提供穩定可靠的無線連接解決方案。然而，為了適配智能電網的特殊需求，窄帶物聯網技術需要進行優化，以實現面向網絡切片的優先級優化與質量控制，并滿足電網公司信息安全策略的相關要求。此外，文獻[3]指出電力行業內不同物聯網業務之間的差異性，以及終端側缺乏統一硬件與操作系統、網絡側缺乏統一標準與平臺的問題，進一步凸顯了對窄帶物聯網關鍵技術與網絡體系研究的迫切需求。因此，當前亟需展開面向智能電網業務的窄帶物聯網關鍵技術與網絡體系研究，研制終端接入設備，并開發物聯網管理平臺，推進窄帶物聯網技術在電力行業的業務示范應用。

1 基于NFV和SDN的端到端電力窄帶物聯網網絡架構

窄帶物聯網的工作頻段主要為授權頻段，可與現有蜂窩網絡共享資源，支持大規模設備接入，滿足智能電網中各類物聯網設備的通信需求[4]。

基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯網的總體網絡架構如圖1所示。

基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯網的網絡架構主要由3部分構成，分別是基于SDN的電力窄帶物聯網通信終端、電力窄帶物聯網接入網部分和基于NFV的電力窄帶物聯網核心網部分。除此之外，物聯網數據中心可以從核心網側獲取電力窄帶物聯網的運行情況，并可以由終端訪問和分析。下面將從核心網、接入網和終端3方面介紹基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯網的網絡架構。

1.1 窄帶物聯網的核心網設計

本文探討了NFV技術在NB-IoT核心網中的應用，通過虛擬化技術整合網絡設備至標準硬件，提高資源效率與部署靈活性。NFV使得網絡功能軟件化，擺脫硬件束縛，實現按需部署與遷移，無需額外硬件投資。該技術不僅可優化控制面，也適用于數據面處理，被廣泛應用于各類網絡環境，為NB-IoT發展注入新活力[5]。

基于NFV的窄帶物聯網核心網網絡架構可以分為3個主要部分。基于NFV的網關方案如圖2所示。

NFVI作為NFV的核心基礎設施，集成了物理與虛擬資源，為VNF提供了強大的支撐。VNF作為軟件化的網絡功能，保持了原有功能與接口的穩定性，而EM系統則擴展了對虛擬化環境的管理能力。MANO作為NFV架構的智慧大腦，通過Orchestration、VNFM、VIM三大組件的協同工作，實現了對全局業務、VNF及硬件資源的智能化管理與編排，確保了NFV架構的高效運行。在核心網域，MME作為關鍵角色，與NFV調度器緊密合作，實時掌握VNF的可用性狀態。一旦VNF準備就緒，MME迅速觸發服務啟動流程，通過虛擬化基站向電力窄帶終端發送指令，實現服務的即時響應與啟動。若VNF不可用，系統則智能地保持靜默，避免資源浪費。這一機制不僅簡化了服務部署流程，還確保了網絡資源的優化配置與服務的連續穩定運行，充分展現了NFV技術在提升網絡靈活性、效率與可靠性方面的巨大潛力。

1.2 窄帶物聯網的接入網設計

電力窄帶物聯網接入網設計兼顧現有能力，單終端可調頻點至多16個，上行峰值速率預估低于300 Kb/s。采用10 ms幀結構，針對25 kHz頻譜，為維持下行承載，設定3∶1上下行配比。接入網運用OFDM調制，子載波間隔3.75 kHz，每25 kHz信道部署6個子載波，有效信號帶寬26.25 kHz，確保高效傳輸[6]。

電力窄帶物聯網接入網集成PSM與eDRX技術，前者允許終端在完成數據傳輸后請求深度休眠，后者通過延長喚醒間隔減少功耗。針對有/無能量源終端，接入網差異化配置資源，兼顧通信質量與能效。此外，通過信令優化等措施確保海量終端高效、安全接入網絡。

1.3 窄帶物聯網通信終端設計

基于SDN架構的多模自適應終端可以高效地切換網絡資源，提高網絡資源的管理能力與不同業務終端的接入能力。基于SDN架構的多模自適應終端技術架構如圖3所示。

基于SDN的核心理念，我們設計了一款多模自適應通信終端架構，該架構由控制層與數據轉發層構成，層次分明。數據轉發層集成了多種通信模塊，如NB-IoT、GPRS、ZigBee等，通過靈活接口機制，實現無縫接入與終端間通信，形成了強大的多模接入能力。該層利用豐富的API接口，如MAC配置、流表交換等，實現模塊的智能識別與動態切換，能夠適應各種復雜的網絡環境。

控制層利用OpenFlow協議與數據層緊密配合，通過SDN控制器實施全面網絡管理，包括資源調度、接入控制、移動性管理、安全策略執行及網絡監控。引入可編程SDN控制器作為橋梁，通過南向接口與通信模塊直接通信，確保數據高效傳輸；同時，北向接口向上層應用開放API，支持靈活的應用部署。

在運作中，通信模塊的選擇至關重要。SDN技術賦予終端智能接入選擇能力，綜合考慮接入適配性、移動管理策略及業務類型需求。接入適配模塊收集鏈路參數，為路徑選擇提供依據；移動管理模塊確保通信連續性；業務類型模塊根據需求調整接入策略，實現最優通信效果。三者協同工作，確保終端在不同技術間無縫切換，保障業務連續運行。

2 NB-IoT電力物聯網終端及管理平臺

2.1 NB-IoT電力物聯網終端

開發NB-IoT終端需針對電力業務特性，定制化設計通信、供電、封裝等要素。整體流程從模組選擇開始，經硬件與軟件設計，至設備調試與試運行。硬件設計遵循模塊化原則，分為電源、通信、外設接口等模塊，以提升設計的復用性和可移植性。軟件則選用C語言編寫，憑借其高效、輕量、無需特定運行環境的特點，降低了開發難度，提高了代碼的可讀性、可維護性和移植性。這一綜合設計策略旨在打造靈活、可靠的NB-IoT終端解決方案[7]。NB-IoT終端架構如圖4所示。

2.2 高適應性窄帶物聯網通信終端軟件結構

高適應性窄帶物聯網終端軟件結構核心分為數據收發與功能控制兩大模塊。收發模塊集成協議與接口適配功能，確保對多元通信技術與協議的廣泛支持，并通過交換處理實現數據的高效流轉。控制模塊則聚焦于硬件資源的抽象與管理，依托資源虛擬化平臺，挖掘可編程潛力，提供統一控制接口。其內嵌智能管控、轉發與接口配置子模塊，分別負責安全接入管理、網絡切片與通道控制，以及信道/功率智能調度，共同保障終端的高效、靈活與可靠運行。終端軟件結構如圖5所示。

2.3 高適應性窄帶物聯網通信終端硬件結構

高適應性窄帶物聯網通信終端的硬件架構遵循軟件定義網絡理念，強調可編程性與軟硬件解耦[8]。采用通用芯片與標準化架構，使硬件回歸基礎，特色功能則交由軟件實現。此設計允許通過軟件升級來輕松引入新功能與協議，如同軟件安裝更新，靈活應對調整、擴容或升級需求。此模式下，底層硬件無需頻繁更換，大幅降低了成本，并顯著縮短了網絡架構的迭代周期，提升了整體效率與靈活性。硬件功能結構如圖6所示。

高集成窄帶物聯網終端設計精良，性能穩定，覆蓋廣泛且穿透力強。其數據傳輸速率高達150 Mb/s，顯著提升了網絡接入速率與用戶體驗。

2.4 NB-IoT電力物聯網管理平臺

本電力物聯網通信管理平臺旨在全面監測通信通道狀態并管理其質量，其功能架構概覽如圖7所示。底層（采集層）為核心，集主動與被動監測技術于一身，通過接口適配高效整合數據，并由數據采集與存儲模塊依信息模型格式化后妥善保存[9]。

上層（應用層）細化功能，涵蓋業務質量監控、網絡配置與系統管理3大板塊。業務監控方面，實現實時業務指標、流量流向、終端業務及狀態的全面透視；網絡配置則涵蓋接口、VPN安全、路由及加密卡等關鍵要素的設置；系統管理則專注于系統自身健康監測、日志記錄、設備維護與數據備份。

頂層（展現層）作為用戶交互的窗口，采用B/S或C/S模式，提供物聯網通信網絡的全方位管理功能[10]。

項目遵循嚴格的軟件開發流程，從需求分析到設計（概要與詳細）、編碼直至測試，每一環節均精心打造[11]。最終呈現的平臺，不僅功能全面，覆蓋配用電通信通道狀態監測與質量管理，更具備高度的靈活性與適應性，支持功能模塊與信息獲取的自由組合，輕松適配多樣化的電力業務通信場景。電力物聯網通信通道在線狀態監測與質量管理平臺模塊化組合如圖8所示。

該管理平臺配有如下功能：

（1）配置管理：出口IP、業務服務器監聽端口、超時時間、客戶端監聽端口、加密協議、最大并發連接數、控制與監控端口等。同時，支持終端的啟動與停止操作，以實現靈活的系統管理。配置管理頁面如圖9所示。

（2）資源管理：設備的信息包括序號、設備名稱、業務類型、注冊狀態、IP地址、加密卡號等。在某個設備的“具體信息”欄下點擊“查看”，可以進一步查看該設備的信息，包括終端ID、CPU ID、證書信息和所屬裝置信息等。資源管理頁面如圖10所示。

（3）統計報表：統計報表頁面匯總了系統關鍵信息，涵蓋資源、流量、告警及接入日志等4大類報表。資源統計報表特別提供按位置與自定義統計維度篩選功能，直觀展現終端配置概覽。資源統計報表頁面如圖11所示。

（4）系統管理：系統管理包括系統操作日志、告警規則配置、系統訪問管理、賬號管理和系統配置。系統操作日志如圖12所示。

3 驗證測試

（1）測試方案

本次測試聚焦于3種關鍵接入業務：用采業務（含集中器）、智能配變終端及充電樁（含計量表）。為確保實際業務運行不受干擾，測試采用真實業務終端搭配模擬業務主站的方式進行。測試流程簡述如下：配用電業務終端借由NB通信終端，將數據發送至NB移動網基站，隨后數據穿越移動核心網與互聯網，直達NB管理平臺，并最終傳遞給業務模擬主站，完成整個傳輸鏈條的驗證。測試模擬流程如圖13所示。

（2）測試過程

項目組在國網某供電公司搭建了實驗室驗證環境，對用采集中器、智能配變終端、計量表進行業務可承載性的測試工作。采用終端向主站模擬發包過程進行業務連接能力測試，利用網絡測試指令和業務包解析工具，驗證了項目組所研制的終端對3項電力業務的承載能力。現場測試如圖14所示。

（3）測試結果

業務承載性測試及報文解析如圖15所示。測試結果如圖16所示。

4 結 語

本文聚焦于窄帶物聯網與電力業務的深度融合及性能優化，構建了多維度動態匹配模型，全面評估了兩者的適配性。模型涵蓋數據流向、傳輸周期、并發處理、數據包大小、覆蓋距離、帶寬、時延、可靠性及安全機制等要素。基于評估結果，提出了動態優化策略，旨在增強協同效率與性能。在智能電網背景下，項目研究了基于網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）的端到端NB-IoT技術體系與網絡架構，通過整合SDN、NFV技術，提出網絡切片方案，增強了物聯網無線異構網絡融合與核心網處理能力，滿足了電力業務多樣化通信需求。針對網絡切片下的物聯網業務，項目還探索了安全接入、無線資源管理與核心網技術，設計了資源切片方案，利用網絡切片的靈活定制與隔離特性，提升了智能電網業務接入的靈活性與安全性。通過這一系列研究，項目明確了NB-IoT在泛在電力物聯網的應用范疇，豐富了接入手段，為差異化業務承載提供了技術支撐與組網依據，推動了電力物聯網的智能化發展。

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作者簡介：邢 星（1985—），女，助理工程師，研究方向為配電網運行管理及電網數字化轉型發展。

袁朝洋（2000—），男，在讀碩士研究生，研究方向為配電網運行可靠性評估。