唐偉寧，鞠默欣，孔凡強(qiáng)，吳尚陽(yáng)

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，長(zhǎng)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(duì)供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，使得電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)使用各類智能終端進(jìn)行在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的需求變得日益迫切[1]，尤其是遠(yuǎn)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(dāng)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(dòng)通信系統(tǒng)/通用無線分組業(yè)務(wù)(GSM/GPRS)等2G遠(yuǎn)程通信技術(shù)逐漸變得落后[2]，時(shí)而發(fā)生通道被語(yǔ)音數(shù)據(jù)堵塞，電力數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳輸?shù)膯栴}，且運(yùn)營(yíng)商在未來幾年將逐步退出對(duì)GSM/GPRS通信服務(wù)?？梢哉f，對(duì)數(shù)量龐大的智能接入終端進(jìn)行通信方式的升級(jí)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(shì)[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(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，支持三大運(yùn)營(yíng)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(jí)遠(yuǎn)程無線通信。本文利用新型物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT遠(yuǎn)程通信技術(shù)，構(gòu)建基于NB-IoT遠(yuǎn)程通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類用戶數(shù)據(jù)信息的“秒級(jí)”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(yuǎn)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(yuǎn)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(jì)量點(diǎn)等6類，以及分布式能源接入、充放電與儲(chǔ)能接入計(jì)量點(diǎn)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(tái)，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(yuǎn)程通信入網(wǎng)部署

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營(yíng)商直接對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造，可以通過運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)商的IoT平臺(tái)，直接與TCP服務(wù)器連接，即NB-IoT設(shè)備可以通過運(yùn)營(yíng)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(jìn)行初始化，包括模組本身的初始化過程，對(duì)SIM卡初始化過程，讀取SIM卡信息等操作。

b. 公共陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(PLMN)選擇，即根據(jù)SIM卡信息選擇運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。

c.選擇運(yùn)營(yíng)商后，進(jìn)行掃頻操作，模組會(huì)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(yàn)頻點(diǎn)”開始SCS搜索即快搜；先驗(yàn)頻點(diǎn)，指上次成功駐留過的頻點(diǎn)，保存在非易失性存儲(chǔ)器(NV)空間中；如果沒有“先驗(yàn)頻點(diǎn)”，或者在“先驗(yàn)頻點(diǎn)”未搜到小區(qū)，則SCS搜索會(huì)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(diǎn)可用的小區(qū)信號(hào)。

e.系統(tǒng)消息解讀，即讀取小區(qū)系統(tǒng)消息，會(huì)根據(jù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度將小區(qū)按照先后順序進(jìn)行排列，然后根據(jù)S準(zhǔn)則來判斷小區(qū)是否可用。

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

g.隨機(jī)接入過程即接入運(yùn)營(yíng)商基站，若隨機(jī)接入失敗將重新發(fā)起。

h.隨機(jī)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(qǐng)求接受回復(fù)命令，附著過程完成，用戶可進(jìn)行其它業(yè)務(wù)邏輯操作。

1.3 基于NB-IoT遠(yuǎn)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(dòng)上報(bào)工作模式，二為被動(dòng)接收上報(bào)工作模式。

1.3.1 主動(dòng)上報(bào)模式

主動(dòng)上報(bào)屬于深度降低功耗模式，保證應(yīng)用終端在約定的時(shí)間內(nèi)用最低功耗滿足數(shù)據(jù)上報(bào)的要求。首先，設(shè)備電路初始化，進(jìn)入正式工作模式，待到預(yù)設(shè)約定的時(shí)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(dòng)上報(bào)成功，之后等待下一次執(zhí)行主動(dòng)上報(bào)；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(jìn)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(dòng)上報(bào)模式的業(yè)務(wù)流程

圖4 被動(dòng)接收上報(bào)模式的業(yè)務(wù)流程

1.3.2 被動(dòng)接收上報(bào)模式

被動(dòng)接收上報(bào)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(dòng)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(jìn)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(cè)指令，如接到主站的召測(cè)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(rèn)響應(yīng)說明本次數(shù)據(jù)上報(bào)成功，之后再次進(jìn)入常態(tài)等待模式，如果未收到確認(rèn)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(rèn)響應(yīng)為止，具體流程見圖4。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證NB-IoT的通信效果，根據(jù)本文提出的基于NB-IoT遠(yuǎn)程通信技術(shù)采集系統(tǒng)建設(shè)方案，搭建現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境，選擇3塊電能表，安裝NB-IoT遠(yuǎn)程通信模塊，通過主站分別抄讀這3塊電表的當(dāng)前反向有功電能示值(F131)、當(dāng)前正向無功電能示值(F130)、當(dāng)前正向有功電能示值(F129)，NB-IoT通信時(shí)延測(cè)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(shí)時(shí)傳輸時(shí)延僅為2～3 s，能夠?qū)崿F(xiàn)“秒級(jí)”抄表。

表1 NB-IoT通信時(shí)延測(cè)試

3 結(jié)論

本文利用新型物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT遠(yuǎn)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(duì)各類用戶數(shù)據(jù)信息“秒級(jí)”感知的用電信息采集系統(tǒng)，為重點(diǎn)關(guān)注用戶提供更高效、更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)接入方案，為國(guó)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。