面向泛在电力物联网的通信与业务适配研究

姚晓勇

（国网信通亿力科技有限责任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

随着配用电业务终端数量的不断增加与新型泛在电力物联网（SG-eIoT）业务的不断开展，大规模物联网业务也开始逐渐向智能电网渗入。窄带物联网虽然可解决海量连接问题，但同时面临着业务安全性、业务质量等差异性需求，而现有的网络架构将所有的服务提供给网络中的每台终端，不足以支撑智能电网未来多业务的场景。因此，需要分析电力业务需求与通信技术的适配性，并针对不同的电力业务需求进行优化，研究基于端到端的电力窄带物联网网络切片方法，以支撑未来智能电网多业务的应用场景，为智能电网带来更敏捷的业务、更强的安全隔离性和更灵活的商业模式。

1 电力业务现状

传统电网领域，泛在电力物联网的应用场景总体上可分为控制和采集两大类。其中，控制类包含能分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应及分布式能源调控等；采集类主要包括高级计量、智能电网大视频应用。未来在泛在电力物联网应用场景下，控制领域将从当前的星型集中连接模式向点到点分布式连接切换，出现更多的本地就近控制和边缘计算。

分析电力业务应用需求可知，现有电力末端接入业务可分为基本业务和扩展业务两大类。其中，基本业务包括配电自动化、用电信息采集、电动汽车充电站/桩、分布式电源及精准负荷控制；扩展业务包括输变电状态监测、配电所综合监测、输变电机器巡检、电能质量监测、智能营业厅、视频监控、站房环境监测、移动作业及仓储管理业务。其中，基本业务具有低延时业务（业务时延小于2 s）、高可靠及低带宽需求；扩展业务多为智能、语音、视频类业务，对带宽、时延具有较高要求。

2 电力窄带物联网技术介绍

目前，应用于智能电网规模化部署的窄带物联网技术主要包括NB-IoT和IoT-G230两种应用模式。

NB-IoT系统基于运营商网络，采用基于LTE的分组核心网网络架构，具有大连接、小数据、低功耗、低成本及深度覆盖等特点。系统设计之初就希望通过降低终端复杂度和降低某些性能要求来达到降低终端成本的目的。关于芯片设计方面，低速率、低功耗及低带宽带来的是低成本优势。NB-IoT的设计目标是在GSM基础上覆盖增强20 dB，NB-IoT设计的最大耦合路损(MCL)为164 dB。为了满足物联网大连接的需求，NB-IoT在设计之初的目标是每个小区下最多支持5万个设备连接，但是能否达到该设计目标取决于小区内NB-IoT终端业务模型等因素。

IoT-G230是华为公司面向国家电网无线专网建设推出的基于4.5G技术的解决方案。由于IoT-G230从NB-IOT演变而来，其优点是可基于230M专用频段开展低时延、低功耗的业务承载。IoT-G230标准单终端最大可调度频点数量为16个频点，系统采用OFDM调制方式、10 ms帧结构以及1:1的上、下行配比。IoT-G230目前标准以固定业务为主，在终端跨小区移动过程中难以保持业务的连续性。

3 物联网技术与电力业务适配性评估

针对窄带物联网与各类电力业务的适配性问题，需要设计一个电力业务与物联网通信技术适配分析模型，通过对各类电力业务的动态业务量进行分量化分析，并建立窄带物联网技术与电力业务适配性评估指标体系，得出电力业务的窄带物联网技术承载适配性分析结果[1]。

3.1 业务与技术适配性分析模型

首先，根据业务需求、应用场景及发展状况提取共性指标，形成一级适配指标；考虑各个智能电网因地域条件、环境因素等对通信质量产生的影响，从社会经济发展程度、信道环境方面，将一级适配性指标归纳为技术类指标、经济类指标及发展类指标。其次，采用层次分析法对各个一级适配指标进行分解，形成若干子指标，直至最低一级子指标为可以直接通过量化检测或定性评估获得指标值的子指标。最后，根据子指标及其对应的通信需求，对窄带物联网技术进行适配，获得最低级子指标的适配结果[2]。

本文将适配性指标分为三级，适配性评价指标体系框架如图1所示。

图1 适配性评价指标体系框架

其中，技术类指标包括带宽、实时性及可靠性三个二级子指标，对应带宽包括接入能力和覆盖能力两个三级子指标，这两个能力的评判可用带宽、中断概率及链路损耗评判得到；对应实时性包括时延、环境影响两个三级子指标；对应可靠性包括设备可靠性和通道可靠性两个三级可靠性子指标。

经济类指标包括设备成本、运维成本及施工成本三个二级子指标，对应设备成本包括通信设备成本、通信介质成本两个三级子指标；对应运维成本包括运行成本和维护成本两个三级子指标；对应施工成本包括设备安装、施工成本两个三级子指标。

发展类指标包括经济发展、技术发展及政策发展三个二级子指标，对应经济发展包括当地经济发展、电力行业发展两个三级子指标；对应技术发展包括技术成熟度、业务支持程度两个三级子指标；对应政策发展包括电力行业政策和通信技术政策两个三级子指标。

对于技术类指标的评估，建立考虑窄带物联网物理层和MAC层具体协议的适配性评估框架。通过输出实时通信属性指标，如时延和通信中断概率来对窄带物联网与各类业务的适配性进行评估。技术类指标评估模型如图2所示。

针对电力窄带物联网的通信结构，将通信网络层划分为通信链路集；研究无线链路的每个协议层，并为电力窄带物联网业务提出窄带物联网技术适配性评估框架。考虑大城市中心、中小城市及郊区三种典型通信环境，应用评判打分机制，得到在NB-IoT技术下的中断概率、路径损耗得分以及最终的承载业务相关得分。

图2 技术类指标量化评估模型

3.2 适配性量化评价计算方法

量化好三级子指标后，采用德尔菲法对上级指标及评价结果进行量化。综合适配结果评判公式为：

其中，S为综合评判结果；λi对应于技术类、经济类、发展类三个一级指标的评判权重，该权重通过选取不同方向专家经验获取，采用德尔菲法进行计算；Ti对应于技术类、经济类、发展类三个一级指标的适配结果，T1为技术类指标的适配结果，T2为经济类指标适配结果，T3为发展类指标适配结果。这三个指标的适配结果计算公式为：

其中，λij对应于二级指标的权重，也通过德尔菲法计算获得，tij对应于二级子指标的适配结果。同理，二级子指标的适配结果可通过下一级的子指标的适配结果获得。计算公式为：

其中，λijk为对应的三级指标权重，通过德尔菲法获得，pijk为得到的三级指标量化结果。

3.3 评估结果

最终通过加权计算，IoT-G230与NB-IoT技术的不同通信环境下总适配性得分如表1所示。

由表1可知，IoT-G230技术与NB-IoT技术在不同的通信环境下与电力业务的适配均能达到较好及以上的适配效果。NB-IoT要略好于IoT-G230，主要原因并非在技术层面，而是NB-IoT的网络覆盖、技术成熟度与维护成本更好。但考虑到未来国网公司无线专网的建设力度，对C类以上供电区域的覆盖力度将不断加大；对于广覆盖的郊区，可多采用租用公网NB-Io T的方式。

表1 IoT-G230与NB-IoT技术综合指标得分

4 测试验证

依托福建某地市供电公司电力物联网通信终端管理平台、电力NB-IoT通信终端及无线通信试验环境，选择用采业务（集中器）、配电业务（智能配变终端）及充电桩（计量表）等三种典型电力接入业务，开展网络延时、丢包率及自定义业务测量等物联网业务质量监测，如图3所示。

图3 业务承载适配性验证

由图3可知，实验室环境下，采用终端向主站模拟发包过程来进行业务连接能力测试，利用网络测试指令和业务包解析工具，获取测试业务的各项采集数据，验证了窄带物联网对三种基本性电力业务的承载于NB-IoT系统的应用效果。

5 结 论

随着国网“三型两网”建设的推进，海量物联网业务终端需要通过网络接入。本文结合泛在电力物联网应用场景，提出了电力业务与窄带物联网技术适配分析模型，建立考虑窄带物联网物理层和MAC层具体协议的适配性评估框架。针对不同物联网业务的差异化质量与安全需求，提出适用于泛在电力物联接入场景的网络切片方法，为面向网络切片的物联网业务接入提供支撑。