面向泛在電力物聯網的通信與業務適配研究

姚曉勇

（國網信通億力科技有限責任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著配用電業務終端數量的不斷增加與新型泛在電力物聯網（SG-eIoT）業務的不斷開展，大規模物聯網業務也開始逐漸向智能電網滲入。窄帶物聯網雖然可解決海量連接問題，但同時面臨著業務安全性、業務質量等差異性需求，而現有的網絡架構將所有的服務提供給網絡中的每臺終端，不足以支撐智能電網未來多業務的場景。因此，需要分析電力業務需求與通信技術的適配性，并針對不同的電力業務需求進行優化，研究基于端到端的電力窄帶物聯網網絡切片方法，以支撐未來智能電網多業務的應用場景，為智能電網帶來更敏捷的業務、更強的安全隔離性和更靈活的商業模式。

1 電力業務現狀

傳統電網領域，泛在電力物聯網的應用場景總體上可分為控制和采集兩大類。其中，控制類包含能分布式配電自動化、用電負荷需求側響應及分布式能源調控等；采集類主要包括高級計量、智能電網大視頻應用。未來在泛在電力物聯網應用場景下，控制領域將從當前的星型集中連接模式向點到點分布式連接切換，出現更多的本地就近控制和邊緣計算。

分析電力業務應用需求可知，現有電力末端接入業務可分為基本業務和擴展業務兩大類。其中，基本業務包括配電自動化、用電信息采集、電動汽車充電站/樁、分布式電源及精準負荷控制；擴展業務包括輸變電狀態監測、配電所綜合監測、輸變電機器巡檢、電能質量監測、智能營業廳、視頻監控、站房環境監測、移動作業及倉儲管理業務。其中，基本業務具有低延時業務（業務時延小于2 s）、高可靠及低帶寬需求；擴展業務多為智能、語音、視頻類業務，對帶寬、時延具有較高要求。

2 電力窄帶物聯網技術介紹

目前，應用于智能電網規模化部署的窄帶物聯網技術主要包括NB-IoT和IoT-G230兩種應用模式。

NB-IoT系統基于運營商網絡，采用基于LTE的分組核心網網絡架構，具有大連接、小數據、低功耗、低成本及深度覆蓋等特點。系統設計之初就希望通過降低終端復雜度和降低某些性能要求來達到降低終端成本的目的。關于芯片設計方面，低速率、低功耗及低帶寬帶來的是低成本優勢。NB-IoT的設計目標是在GSM基礎上覆蓋增強20 dB，NB-IoT設計的最大耦合路損(MCL)為164 dB。為了滿足物聯網大連接的需求，NB-IoT在設計之初的目標是每個小區下最多支持5萬個設備連接，但是能否達到該設計目標取決于小區內NB-IoT終端業務模型等因素。

IoT-G230是華為公司面向國家電網無線專網建設推出的基于4.5G技術的解決方案。由于IoT-G230從NB-IOT演變而來，其優點是可基于230M專用頻段開展低時延、低功耗的業務承載。IoT-G230標準單終端最大可調度頻點數量為16個頻點，系統采用OFDM調制方式、10 ms幀結構以及1:1的上、下行配比。IoT-G230目前標準以固定業務為主，在終端跨小區移動過程中難以保持業務的連續性。

3 物聯網技術與電力業務適配性評估

針對窄帶物聯網與各類電力業務的適配性問題，需要設計一個電力業務與物聯網通信技術適配分析模型，通過對各類電力業務的動態業務量進行分量化分析，并建立窄帶物聯網技術與電力業務適配性評估指標體系，得出電力業務的窄帶物聯網技術承載適配性分析結果[1]。

3.1 業務與技術適配性分析模型

首先，根據業務需求、應用場景及發展狀況提取共性指標，形成一級適配指標；考慮各個智能電網因地域條件、環境因素等對通信質量產生的影響，從社會經濟發展程度、信道環境方面，將一級適配性指標歸納為技術類指標、經濟類指標及發展類指標。其次，采用層次分析法對各個一級適配指標進行分解，形成若干子指標，直至最低一級子指標為可以直接通過量化檢測或定性評估獲得指標值的子指標。最后，根據子指標及其對應的通信需求，對窄帶物聯網技術進行適配，獲得最低級子指標的適配結果[2]。

本文將適配性指標分為三級，適配性評價指標體系框架如圖1所示。

圖1 適配性評價指標體系框架

其中，技術類指標包括帶寬、實時性及可靠性三個二級子指標，對應帶寬包括接入能力和覆蓋能力兩個三級子指標，這兩個能力的評判可用帶寬、中斷概率及鏈路損耗評判得到；對應實時性包括時延、環境影響兩個三級子指標；對應可靠性包括設備可靠性和通道可靠性兩個三級可靠性子指標。

經濟類指標包括設備成本、運維成本及施工成本三個二級子指標，對應設備成本包括通信設備成本、通信介質成本兩個三級子指標；對應運維成本包括運行成本和維護成本兩個三級子指標；對應施工成本包括設備安裝、施工成本兩個三級子指標。

發展類指標包括經濟發展、技術發展及政策發展三個二級子指標，對應經濟發展包括當地經濟發展、電力行業發展兩個三級子指標；對應技術發展包括技術成熟度、業務支持程度兩個三級子指標；對應政策發展包括電力行業政策和通信技術政策兩個三級子指標。

對于技術類指標的評估，建立考慮窄帶物聯網物理層和MAC層具體協議的適配性評估框架。通過輸出實時通信屬性指標，如時延和通信中斷概率來對窄帶物聯網與各類業務的適配性進行評估。技術類指標評估模型如圖2所示。

針對電力窄帶物聯網的通信結構，將通信網絡層劃分為通信鏈路集；研究無線鏈路的每個協議層，并為電力窄帶物聯網業務提出窄帶物聯網技術適配性評估框架。考慮大城市中心、中小城市及郊區三種典型通信環境，應用評判打分機制，得到在NB-IoT技術下的中斷概率、路徑損耗得分以及最終的承載業務相關得分。

圖2 技術類指標量化評估模型

3.2 適配性量化評價計算方法

量化好三級子指標后，采用德爾菲法對上級指標及評價結果進行量化。綜合適配結果評判公式為：

其中，S為綜合評判結果；λi對應于技術類、經濟類、發展類三個一級指標的評判權重，該權重通過選取不同方向專家經驗獲取，采用德爾菲法進行計算；Ti對應于技術類、經濟類、發展類三個一級指標的適配結果，T1為技術類指標的適配結果，T2為經濟類指標適配結果，T3為發展類指標適配結果。這三個指標的適配結果計算公式為：

其中，λij對應于二級指標的權重，也通過德爾菲法計算獲得，tij對應于二級子指標的適配結果。同理，二級子指標的適配結果可通過下一級的子指標的適配結果獲得。計算公式為：

其中，λijk為對應的三級指標權重，通過德爾菲法獲得，pijk為得到的三級指標量化結果。

3.3 評估結果

最終通過加權計算，IoT-G230與NB-IoT技術的不同通信環境下總適配性得分如表1所示。

由表1可知，IoT-G230技術與NB-IoT技術在不同的通信環境下與電力業務的適配均能達到較好及以上的適配效果。NB-IoT要略好于IoT-G230，主要原因并非在技術層面，而是NB-IoT的網絡覆蓋、技術成熟度與維護成本更好。但考慮到未來國網公司無線專網的建設力度，對C類以上供電區域的覆蓋力度將不斷加大；對于廣覆蓋的郊區，可多采用租用公網NB-Io T的方式。

表1 IoT-G230與NB-IoT技術綜合指標得分

4 測試驗證

依托福建某地市供電公司電力物聯網通信終端管理平臺、電力NB-IoT通信終端及無線通信試驗環境，選擇用采業務（集中器）、配電業務（智能配變終端）及充電樁（計量表）等三種典型電力接入業務，開展網絡延時、丟包率及自定義業務測量等物聯網業務質量監測，如圖3所示。

圖3 業務承載適配性驗證

由圖3可知，實驗室環境下，采用終端向主站模擬發包過程來進行業務連接能力測試，利用網絡測試指令和業務包解析工具，獲取測試業務的各項采集數據，驗證了窄帶物聯網對三種基本性電力業務的承載于NB-IoT系統的應用效果。

5 結 論

隨著國網“三型兩網”建設的推進，海量物聯網業務終端需要通過網絡接入。本文結合泛在電力物聯網應用場景，提出了電力業務與窄帶物聯網技術適配分析模型，建立考慮窄帶物聯網物理層和MAC層具體協議的適配性評估框架。針對不同物聯網業務的差異化質量與安全需求，提出適用于泛在電力物聯接入場景的網絡切片方法，為面向網絡切片的物聯網業務接入提供支撐。