基于NB-IoT 电力数据采集方案的研究与设计

唐 强

（福建省新大陆通信科技股份有限公司，福建 福州 350015 ）

0 引 言

自动抄表系统（Automatic Meter Reading，AMP）是抄表技术上的伟大革命。我国与西方发达国家相比，电能计量自动抄表技术起步较晚，相关技术和电力系统的设备明显落后。目前，低压电力载波通信方式的应用在我国已经逐步推广。使用通信通道进行数据传输，要先决定数据通信的方式，对环境特点进行了解，结合当地的电能计量自动抄表的技术水平和电力企业的规模综合考虑[1]。现有电能计量自动抄表技术多采用GPRS/3G/4G 方式远程抄表，存在数据中继环节多、链路复杂、集中器/计量终端成本高、GPRS/3G/4G 技术投入大、结点通信费用支出高及维护费用高等问题。

基于这些问题，本文在远程抄表设计上引入NBIoT（Narrow Band Internet of Things）+433M 无线双模方案，以移动网络NB-IoT 传输为主、433M 无线+有线传输为辅的方式将采集到的电表数据上传至虚拟台区服务器，经过数据采集、解密、分区等处理后，上传至电力计量主站系统，满足了低功耗、强连接、定时上报、错开峰时、节点少、维护方便及拓展性强等市场需求。

1 双模远程抄表系统构架

1.1 系统整体构架及功能介绍

双模远程抄表系统主要是由用户终端智能电表系统、电力采集虚拟台区服务器及电力计量主站系统组成的，其整体架构如图1 所示。

在电力传统系统架框中，以终端电表—采集器—集中器（台区）——多级采集方式进行远程抄表，电表和集中器之间采用PLC、RS485 等有线方式进行连接，通过GPRS/3G/4G 方式将数据上传。此架框不足之处有数据中继环节多、线路复杂、集中器/计量终端成本高及GPRS/3G/4G 技术更新投入大。

基于移动网络的NB-IoT 电力远程抄表的智能电表采用新制NB-IoT 的模块将采集到的电表数据通过中国移动5G 通信基站直接上传至电力计量主站系统。通过软件在电网主站系统上搭建虚拟集中器（台区）服务器，采用软件设置出虚拟集中器（台区），并可将电表下挂虚拟台区，保持系统新架框及管理模式与传统模式相同，便于电网现有模式管理及电网维护。

1.2 用户终端智能电表系统

用户终端智能电表系统是电网的智能终端，由电表和通信模块组成，除了具备传统电能表用电量的计量统计功能以外，为了适应智能电网和新电网平台的使用，还具有用电信息存储、双向费率计量、用户端控制及多种数据传输模式的双向数据通信等功能[2］。

本文的智能电表主要由电表、双模通信模块（NBIoT 模块+433M 模块）组成，如图2 所示。在电表设备出现故障无法上传数据时，维护人员可使用手持PDA 工具扫描模块二维码或条形码，软件会自动生成故障代码，通过PDA 将故障代码上传至服务器，方便快捷判断设备故障原因，如欠费、网络中断等异常。同时，采用智能降功耗技术，功耗超低，提升了智能电表的带载能力。NB-IoT 技术已较成熟，成本较低。NB-IoT 终端模块基带比较简单，通常采用180 kHz 窄带系统进行传输[3]。

图1 双模远程抄表系统整体构架示意图

图2 双模智能电表工作环境原理图

1.3 电力采集虚拟台区服务器

如图3 所示，虚拟台区服务器接收到智能电表系统上传的数据后，经过解密、分区后，上传至电力计量主站系统，保持电力计量主站系统接收到的数据不变。

图3 电力采集虚拟台区服务器

1.4 电力计量主站系统

电力计量主站系统是电力公司前端的服务器终端，是对各台区用户的用电情况进行汇总、收集、分析、处理以及实时监控的系统平台。

2 通信模块硬件关键模块原理设计

2.1 NB-IoT 模块选型

基于通信模块产品的综合性能、功耗及体积等因素考虑，选择移远BC28 NB-IoT 模组。它采用华为海思芯片平台，支持中国移动多频段，尺寸小巧，功耗表现优异，能满足智能终端电表通信模块的要求。

（1）电源设计。电源方面采用低静态电流的LDO 作为供电电源，其电源输入电压范围应为3.1 ～4.2 V。 模块在数据传输工作中，必须确保电源电压跌落不低于模块最低工作电压3.1 V。为了确保更好的电源供电性能，在模块VBAT 输入端，采用并联分级电容滤波。同时，在靠近VBAT 输入端增加一个TVS 管，以提高模块的浪涌电压承受能力，使用WS4.5DPV，原则上，VBAT 走线越长，线宽越宽。VBAT 输入端电路如图4 所示。

（2）看门狗定时器。采用MAXM 公司的MAX705芯片，监测电源电压和微处理器的工作状态，结构简单，功能丰富，大大提高了系统的可靠性和准确度[4]。

（3）串口电路。模块设有两个串口，即主串口和调试串口。

主串口可用于AT 命令传送和数据传输，支持的波特率为4 800、9 600（默认）、57 600、115 200、 230 400 b/s 及460 800 b/s；还可用于固件升级，支持的波特率为115 200 b/s 和921 600 b/s。主串口在Active、Idle 及PSM 模式下均可工作。

调试串口通过UE Monitor 日志查看工具，可用于查看日志信息以进行软件调试，其波特率为921 600 b/s。

图4 双模通信模块电源电路设计

2.2 433M 无线模块选型

433M 模块选用芯科科技的Si4438 芯片，Si4438具有宽电压、低功耗、无线覆盖频段广等特点，特别适用于电表模块，各引脚定义及硬件设计原理见图5。

3 采集上传模块软件关键设计

（1）定时上报、峰值错开。电力终端用户量非常庞大，同时上传数据，对服务器配置要求非常高。此软件巧妙地采用随机软件算法控制，在规定时间内随机性采集上传，（此时间可通过软件进行设置），直至全部采集完成，错开同时上传数据的峰值，降低了传输链路与服务器的峰值压力。

图5 433M 无线模块系统设计原理图

（2）双向通信。基于NB-IoT 传输模式，在进行数据采集的同时，通信模块还可以接收前端计量系统平台的指令，实现智能电表双向通信与远程控制。

（3）报文加密功能。系统将DL645 报文进行加密传输，保证了信息安全性。

4 结 论

基于NB-IoT 技术的电力数据采集技术将会是未来5G 技术应用于智能电网的主要技术方向，NB-IoT 技术优势以及5G 结点总流量可限定、智能终端维护及流量支出费用可控的技术特色，将极大地促进此技术未来的大规模商用，其方案特性也完全符合中国未来发展“创造性、科学性、前瞻性”的要求[5]。