唐偉寧，鞠默欣，孔凡強，吳尚陽

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司營銷服務(wù)中心，長春 130062；2.黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱 150022)

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，用戶對供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，使得電力營銷業(yè)務(wù)使用各類智能終端進行在線實時數(shù)據(jù)交互的需求變得日益迫切[1]，尤其是遠程通信，即電力終端與采集主站之間的通信要求更高。隨著多種新興通信技術(shù)的應(yīng)用，當前電力用戶用電信息采集領(lǐng)域中，電網(wǎng)公司普遍使用的全球移動通信系統(tǒng)/通用無線分組業(yè)務(wù)(GSM/GPRS)等2G遠程通信技術(shù)逐漸變得落后[2]，時而發(fā)生通道被語音數(shù)據(jù)堵塞，電力數(shù)據(jù)無法及時傳輸?shù)膯栴}，且運營商在未來幾年將逐步退出對GSM/GPRS通信服務(wù)。可以說，對數(shù)量龐大的智能接入終端進行通信方式的升級替代已迫在眉睫，也是適應(yīng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的必然趨勢[3]。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作為新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]，具有低功耗[5]、低成本、深覆蓋[6]、海量節(jié)點等優(yōu)點，支持三大運營商的通信制式，能夠?qū)崿F(xiàn)用電信息采集主站與電能表之間的工業(yè)級遠程無線通信。本文利用新型物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT遠程通信技術(shù)，構(gòu)建基于NB-IoT遠程通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對各類用戶數(shù)據(jù)信息的“秒級”感知，為公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供有力支撐。

1 基于NB-IoT遠程通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 基于NB-IoT遠程通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)主要由系統(tǒng)應(yīng)用層即主站、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和終端采集層三部分組成，全面采集大型專變用戶、中小型專變用戶、三相一般工商業(yè)用戶、單相一般工商業(yè)用戶、居民用戶和公用配變考核計量點等6類，以及分布式能源接入、充放電與儲能接入計量點的電能信息等數(shù)據(jù)，構(gòu)建完善的電能信息數(shù)據(jù)平臺，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 NB-IoT用電信息采集系統(tǒng)

1.2 NB-IoT遠程通信入網(wǎng)部署

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是運營商直接對核心網(wǎng)絡(luò)的升級改造，可以通過運營商基站，接入核心網(wǎng)，其接入方式有三種，接入架構(gòu)見圖2，圖中COAP為受限應(yīng)用協(xié)議。

圖2 NB-IoT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)

NB-IoT架構(gòu)支持用戶不經(jīng)過運營商的IoT平臺，直接與TCP服務(wù)器連接，即NB-IoT設(shè)備可以通過運營商核心網(wǎng)連接用戶主站。

NB-IoT模組入網(wǎng)具體流程如下。

a.模組上電復(fù)位，進行初始化，包括模組本身的初始化過程，對SIM卡初始化過程，讀取SIM卡信息等操作。

b. 公共陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)(PLMN)選擇，即根據(jù)SIM卡信息選擇運營商網(wǎng)絡(luò)。

c.選擇運營商后，進行掃頻操作，模組會根據(jù)預(yù)先設(shè)置的帶寬的先后順序掃頻，頻率搜索如下：搜索開始先從“先驗頻點”開始SCS搜索即快搜；先驗頻點，指上次成功駐留過的頻點，保存在非易失性存儲器(NV)空間中；如果沒有“先驗頻點”，或者在“先驗頻點”未搜到小區(qū)，則SCS搜索會被拒絕，然后開啟CCS慢速搜索。

d.頻率搜索最終可以找到選定頻點可用的小區(qū)信號。

e.系統(tǒng)消息解讀，即讀取小區(qū)系統(tǒng)消息，會根據(jù)小區(qū)的信號強度將小區(qū)按照先后順序進行排列，然后根據(jù)S準則來判斷小區(qū)是否可用。

f.搜索到可用小區(qū)之后，就會發(fā)起網(wǎng)絡(luò)附著請求，并觸發(fā)建立無線資源控制鏈路(RRC)鏈路請求。

g.隨機接入過程即接入運營商基站，若隨機接入失敗將重新發(fā)起。

h.隨機接入成功后，收到基站的RRC建鏈回復(fù)命令，RRC建立成功。

i.RRC建立成功后，收到基站附著請求接受回復(fù)命令，附著過程完成，用戶可進行其它業(yè)務(wù)邏輯操作。

1.3 基于NB-IoT遠程通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)工作模式

NB-IoT業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要分為兩種應(yīng)用模式，一為主動上報工作模式，二為被動接收上報工作模式。

1.3.1 主動上報模式

主動上報屬于深度降低功耗模式，保證應(yīng)用終端在約定的時間內(nèi)用最低功耗滿足數(shù)據(jù)上報的要求。首先，設(shè)備電路初始化，進入正式工作模式，待到預(yù)設(shè)約定的時間就開始向主站上傳指定的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)上傳后接到主站下發(fā)的響應(yīng)后說明終端主動上報成功，之后等待下一次執(zhí)行主動上報；否則，如未接到響應(yīng)，說明本次數(shù)據(jù)上傳失敗，要重新進行數(shù)據(jù)上傳直到終端接收到主站的響應(yīng)，具體流程見圖3。

圖3 主動上報模式的業(yè)務(wù)流程

圖4 被動接收上報模式的業(yè)務(wù)流程

1.3.2 被動接收上報模式

被動接收上報主要由主站來控制各終端的工作狀態(tài)，此種模式下系統(tǒng)的主動權(quán)交由電力公司掌握，有利于地區(qū)全局控制。首先，設(shè)備電路初始化，進入正式工作模式，常態(tài)下終端一直在等待主站下發(fā)的召測指令，如接到主站的召測指令，終端開始上傳本次指定的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)出后如接到主站確認響應(yīng)說明本次數(shù)據(jù)上報成功，之后再次進入常態(tài)等待模式，如果未收到確認響應(yīng)，則要重復(fù)發(fā)送本次數(shù)據(jù)，直到終端收到本次主站的確認響應(yīng)為止，具體流程見圖4。

2 現(xiàn)場測試

為進一步驗證NB-IoT的通信效果，根據(jù)本文提出的基于NB-IoT遠程通信技術(shù)采集系統(tǒng)建設(shè)方案，搭建現(xiàn)場測試環(huán)境，選擇3塊電能表，安裝NB-IoT遠程通信模塊，通過主站分別抄讀這3塊電表的當前反向有功電能示值(F131)、當前正向無功電能示值(F130)、當前正向有功電能示值(F129)，NB-IoT通信時延測試結(jié)果見表1，抄收狀態(tài)成功。

通過表1可以看出NB-IoT的實時傳輸時延僅為2～3 s，能夠?qū)崿F(xiàn)“秒級”抄表。

表1 NB-IoT通信時延測試

3 結(jié)論

本文利用新型物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT遠程通信技術(shù)，構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類用戶數(shù)據(jù)信息“秒級”感知的用電信息采集系統(tǒng)，為重點關(guān)注用戶提供更高效、更經(jīng)濟、更穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)接入方案，為國家電網(wǎng)公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面開辟新途徑。