NB-IoT技术在电力行业的应用

何 明，赵 欢，张 斌，李思尧，袁 帅，田松林，喻召杰

（1.深圳供电局有限公司罗湖供电局，深圳 518000；2.深圳市康拓普信息技术有限公司，深圳 518000）

电力行业是社会的基础产业之一，关乎着国家的发展与未来。伴随着我国综合实力的提升，对电力的需求将会逐步扩大，因此电力建设和发展将进入新的阶段。物联网通信技术的成熟和进化，使得NB-IoT技术在电力行业的应用成为现实，NB-IoT技术与电力业务需求两者的结合，使电力系统变得更加完善，同时有了窄带物联网技术的服务，可以满足输电线路在线全监控、智能巡检、用电计量等相关业务的需求。

1 NB-IoT技术概述

作为一种新型无线接入技术，NB-IoT主要面向覆盖广、成本低、大容量、功耗低的物联网业务。和传统的蜂窝通信网络不一样的是，其功率谱密度更强，增强的信号穿透力，对于深度覆盖要求较高的场景较为合适；支持更多的并发连接，评估可支持每扇区5万以上的终端进行连接；对功耗要求很低，终端寿命至少高达10年；模组芯片的成本很低，一套芯片低于5美元，同时在规模效应的作用下回持续降低，适宜广泛应用。

2 NB-IoT在电力行业中的应用优势

现阶段，电力行业要实现数字化、信息化，需要先监测电网的一次和二次设备状态，同时为了实现有效的管理，必须要安装传感器在设备上，从而确保调度中心可以获得数据的回传。

在国王的调查中发现，大部分主网设备和调度中心之间的通信，主要通过电力专用网络进行的，而由于配网设备覆盖面广的原因，使得GPRS 等无线方案存在相对的缺陷，同时对于专用网络建设投入很大，因此导致没有一种方案使人满意。然而随着NB-IoT技术的问世，这些无线通信问题得到了有效的解决。将NB-IoT的技术特点与无线通信技术在电力行业的应用情况相结合，具体问题具体分析，NB-IoT技术在电力行业中的应用优势具体如下：

2.1 超强覆盖

当前，通过GSM/GPRS 通信技术，在电力行业中已经实现了远程自动抄表，但是在现实情况中，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。在频段相一致，发射功率相同的情况下，NB-IoT比现有LTE网络覆盖增强约20dB，即100倍。主要原因有，一方面，窄带宽带增高了PSD（功率谱密度），即单位带宽所携带的能量增高，以上行子载波带宽15kHz为例，NB-IoT相对LTE，PSD增益达 10.8dB；另一方面，NB-IoT对速率、时延要求低，可容忍多次重复传输带来的耗时，这里能带来9-12dB增益。这一特点对覆盖边缘地带很有帮助，使得室内深度覆盖效果大大提升。在选取频段时，NB-IoT考虑覆盖问题，一般选择低频部署，低频波有更强的绕射能力、更低的路损，传播距离更远。

2.2 低成本

NB-IoT系统是在LTE演进的分组核心网的基础上优化而来，因此可以直接部署于2G/3G/4G网络，射频单元及天线可复用。与此同时，随着协议栈和射频以及基带处理变得愈加简化，NBIoT芯片的成本因此降低。之所以，快速形成NB-IoT承载能力的建设成本比其它物联网技术的成本要低很多。

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3GPP定义的NB-IoT话务模型仿真，小区容量可达10量级。

2.4 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，随着PSM（节电模式）和 eDRX（改进非连续接收技术）两种技术的引入，其待机时间获得延长，即使是普通电池的供电情况下，终端的续航时限也可以高达10年以上。其中节电模式是R12新增的功能，在该情况下，终端仍注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。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监听寻呼信道，其他时间深度休眠。

3 电力业务的需求分析

当前，电力行业进入了高速发展阶段，海量的电力终端设备需要传输他们的数据，而电力环节不同，其通信业务需求也不同。以下主要分别对输电、用电环节中对NB-IoT的通信需求进行建模分析。

3.1 输电业务的需求分析

作为负荷中心与电源中心传输电能的枢纽，输电业务是非常重要的环节。与此同时，为了保障电力业务平稳运行，必须对输电线路状态进行监测，借助相应的传感器，将采集数据传输到云端，从而真正监控输电线路状态及周围环境。输电线路监测系统的业务主要包括：绝缘子污秽监测、图像监控、避雷器监测等等。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。

以某小区为例，其覆盖半径为5公里，输电线路的档距为500 m，单个扇区内，总共有20 个档距，也就是每个小区内输电线路的所有传感器节点数大概为2000个，以泊松分布估计每秒内的传感器（实时视频监控除外）并发上行数是非常低的，将并发上行传输的节点数放宽条件至每秒内均存在一个杆塔上传其所有监测点的数据。则该小区的上行带宽需求约为40 Mb/s，下行带宽需求为0.1 Mb/s，假如将图像/视频监测业务去除，即该小区是上行带宽需求低于40 Kb/s，下行带宽需求为0.01 Mb/s。

结合NB-IoT 技术的特性，然后通过分析上述输电业务模型，通常来说输电业务是自主周期性上报为主，除了图像/视频监测业务对速率要求较高，然后其他业务对速率要求低，且对时延低敏感，待机时间较长。之所以，除图像/视频监测业务之外，NB-IoT技术适合承载输电业务中的其它所有监测业务。

3.2 用电业务的需求分析

用电在整个电力网络中是非常关键的环节，是面向社会性的，旨在为广大用户提供高质量用电服务。为了提高用电自动化水平，良好用电通信系统是重要保证，不仅可以实现人与物之间的互动，同时还促使终端用户朝着用电节能模式转变。当前用电基础业务包含：售电抄表、用电查询、售电营业和缴费业务等。

我们以一个典型城市小区作为例子，其覆盖半径为500 m，大概有2000户普通居民用户，商业用电约为200户。其总上行带宽需求为5.7 Mbps左右，下行带宽为0.3 Mbps 左右，其中用电基本业务流量仅包括用电信息采集的电能表每日零点冻基本业务数据项，需信道带宽预估为0.5 Mbps；而用电信息查询与发布业务包括多渠道缴费业务，只需要60 Kbps左右的流量即可。

依据上述用电业务的建模分析，用电环节的电力通信业务对实时性的要求都较低，除视频监控业务外，信息通信速率也比较低。因此，考虑到NB-IoT技术低峰值速率与对时延低敏感的技术特性，NB-IoT技术对于承载用电信息查询与发布业务，以及多渠道缴费业务较为合适。

4 结束语

综上所述，通过对NB-IoT技术的特性与电力行业中输电和用电环节的业务需求进行分析，发现NB-IoT技术能很好的承载电力行业中的输电线路监测业务与用电信息采集业务，同时可以实现将NB-IoT技术很好地应用到电力行业中各个相应的环节中，以便对电力行业的信息交换与管理进一步优化。作为一种新兴的物联网技术，随着运营商不断建设完善网络，NB-IoT技术在电力行业的应用更加成熟，促进电力行业的进一步发展。