基于LPWAN技術的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)

陳永波，湯奕，艾鑫偉，徐博

?

基于LPWAN技術的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)

陳永波1，湯奕2，艾鑫偉1，徐博1

（1. 中興通訊股份有限公司，江蘇南京 210012；2. 東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210018）

基于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術，利用現(xiàn)有電力通信專網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳的運營級云管端一體化能源電力物聯(lián)專網(wǎng)方案，實現(xiàn)了電力通信專網(wǎng)與LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術的融合，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供廣泛海量的“小數(shù)據(jù)”連接，具備低成本、個性化、靈活性優(yōu)勢。可滿足四表合一、源網(wǎng)荷互動、電氣設備溫度監(jiān)測、配電故障指示器等的連接需求，還可實現(xiàn)包括發(fā)電廠、變電站、電動交通基礎設施、分布式發(fā)電運維、環(huán)境監(jiān)測等能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的海量小數(shù)據(jù)連接需求。

小數(shù)據(jù)；LPWAN；電力物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；廣覆蓋；能源互聯(lián)網(wǎng)；電力通信

1 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息通信深度融入能源電力系統(tǒng)，實現(xiàn)廣泛的新能源開發(fā)利用，建立電力市場，為用戶提供多樣化、自主可控的能源獲取渠道和方法。能源互聯(lián)網(wǎng)需要海量的數(shù)據(jù)連接支持，如新能源的隨機性特點需要天氣、分布式發(fā)電點、儲能點、分散負荷點等各種數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實現(xiàn)互動，保證新能源的消納和系統(tǒng)的穩(wěn)定；需要大量的用戶電器設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)需求側響應等互動功能；能源電力系統(tǒng)運維需要深度數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)精細化、可預測、高效率的運維管理，如狀態(tài)檢修、故障預判、動態(tài)全壽命周期管理等功能。

在前智能電網(wǎng)時代和智能電網(wǎng)初期，能源電力系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了生產(chǎn)業(yè)務流程中關鍵節(jié)點的數(shù)據(jù)連接，滿足了電力系統(tǒng)的自動化調度管理、安全穩(wěn)定控制和生產(chǎn)自動化的業(yè)務需求。為此，中國電力系統(tǒng)建設了以總線通信+接入網(wǎng)+骨干通信網(wǎng)為主，無線通信為輔的電力通信專網(wǎng)。電力通信專網(wǎng)以高帶寬、高實時性、高可靠性和高安全性為主要特點，覆蓋了幾乎所有的發(fā)電廠、中壓以上變電站和重要的用戶變電站。

為滿足越來越多遠距離物聯(lián)網(wǎng)設備的連接需求，LPWAN（low power wide area network，低功耗廣域網(wǎng)絡）應運而生。LPWAN專為低功耗、遠距離、低帶寬、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計[1]，具有超低功耗、廣覆蓋、低帶寬、低速率、支持海量連接的特點，是物聯(lián)網(wǎng)領域研究和應用開發(fā)的新熱點。LPWAN特別適合狀態(tài)變化慢、采集頻次低、越限影響大、業(yè)務相關性強、高度分散分布的“小數(shù)據(jù)”連接，在能源互聯(lián)網(wǎng)廣泛海量的連接需求中，同樣存在這樣的“小數(shù)據(jù)”，如電氣設備溫度、用戶電器運行狀態(tài)、配網(wǎng)設備（如故障指示器）狀態(tài)、智能表計量數(shù)據(jù)、分布式發(fā)電設備狀態(tài)、桿塔傾斜狀態(tài)、電氣設備位移狀態(tài)、基礎沉降狀態(tài)等，不一而足。采用LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術，與現(xiàn)有電力通信專網(wǎng)融合，建設運營級的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，實現(xiàn)“小數(shù)據(jù)”連接，是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要支撐。

2 能源電力物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)特性分析

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)在能源電力行業(yè)得到廣泛應用，例如輸電線路在線監(jiān)測、智能巡檢、智能用戶服務、電動汽車輔助管理等[2]。然而能源電力系統(tǒng)中的“小數(shù)據(jù)”還無法快速、靈活、廉價地有效連接和獲取。這是目前智能電網(wǎng)建設應用的一項短板，也是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迫切需要解決的連接問題。這些“小數(shù)據(jù)”與已經(jīng)連接的諸如“三遙”數(shù)據(jù)相比，具有顯著的自身特性。

（1）業(yè)務相關性強，系統(tǒng)運維中對此類數(shù)據(jù)需求強烈

在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用等各環(huán)節(jié)的日常運營維護和檢修過程中，依然遇到諸多數(shù)據(jù)連接的困擾，包括大量電氣設備的運行溫度需要監(jiān)測，以預防設備故障，防止火災發(fā)生；需要連接用戶電器，實現(xiàn)雙向互動，進行需求側響應調度；分布式發(fā)電的智能運維需要設備狀態(tài)的連接；桿塔傾斜、設備基礎沉降、導線張力等各類電氣設施狀態(tài)數(shù)據(jù)的連接，實現(xiàn)動態(tài)資產(chǎn)管理和狀態(tài)檢修；運維和檢修人員迫切希望能夠快速高效掌握這些相關數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行、資產(chǎn)高效管理、分布式新能源維護等業(yè)務提供引導，實現(xiàn)智能生產(chǎn)、智慧運維。

（2）海量數(shù)據(jù)分布廣、分散性強，部分不易供電、連接難

此類數(shù)據(jù)在整個城市的供電范圍內，甚至大范圍地分布在城郊、鄉(xiāng)村等供電區(qū)域，呈現(xiàn)分布范圍廣的特點，為采集這些數(shù)據(jù)，需要大范圍覆蓋網(wǎng)絡才能實現(xiàn)。大量的數(shù)據(jù)分布在地下室、電纜井、設備間、街巷、地下管路、隧道、市場、建筑室內等各種隱蔽和復雜環(huán)境場所，數(shù)據(jù)分布極為分散。而各種車輛、運檢施工人員、運輸中的設備、工程機械車輛等又呈現(xiàn)頻度不一的移動性特征，使得數(shù)據(jù)的分散性更高，需要滲透性能強的網(wǎng)絡采集這些高度分散的數(shù)據(jù)。另外，此類數(shù)據(jù)的載體往往無法為傳感器提供穩(wěn)定電源，廣覆蓋、高滲透性能的網(wǎng)絡又需要大范圍、大量補盲部署，因此網(wǎng)絡覆蓋設備和傳感器均需要盡可能地降低功耗，極大地減輕能源獲取的難度，才能方便地利用無所不在的分布式新能源技術（包括光伏發(fā)電、壓力發(fā)電、高能電池、風力發(fā)電等）實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋和傳感部署。

（3）單數(shù)據(jù)價值密度低，集合后價值高

此類數(shù)據(jù)在能源電力系統(tǒng)中分布相當廣泛，單點數(shù)據(jù)價值有限，但集中起來規(guī)模相當龐大，呈海量特點，聚合后呈現(xiàn)體量巨大、種類繁多、價值密度低、處理速度要求快等特征。如電氣設備和電纜溫度的數(shù)據(jù)，某城市僅示范項目第一期即部署了1萬個采集點，根據(jù)規(guī)劃，未來將部署3萬多個采集點，要想全面實現(xiàn)全市電氣設備和電纜溫度監(jiān)測，需要部署10萬多點。單點溫度的日常采集對日常管理并沒有太大作用，但是一個供電回路或一片供電區(qū)域大量的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢可反映出供電設備的狀態(tài)，實現(xiàn)故障預判，防止電氣火災發(fā)生。根據(jù)相關報道和統(tǒng)計，2015年底，全國安裝智能電表約3億只，每天產(chǎn)生數(shù)十TB數(shù)據(jù)，每年產(chǎn)生上千PB數(shù)據(jù)。電表安裝在億萬電力用戶處，分布的廣泛性更為顯著。智能電表數(shù)據(jù)集合后的大數(shù)據(jù)特征顯著，采用大數(shù)據(jù)技術對用戶電表數(shù)據(jù)進行分析挖掘，實現(xiàn)用戶用電行為的特征分析，可為電網(wǎng)規(guī)劃、負荷預測、需求響應等各類能源電力應用提供高價值的基礎數(shù)據(jù)信息。

（4）狀態(tài)變化緩慢穩(wěn)定，采集頻次需求低

大部分此類數(shù)據(jù)的狀態(tài)變化緩慢，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)特性，如設備基礎沉降、電氣設備溫度、桿塔傾斜、導線張力等，其狀態(tài)均在分鐘級、小時級、日級或更長的時間尺度內緩慢變化，而不像工業(yè)生產(chǎn)過程的秒級以下尺度的高實時性變化。因此對此類數(shù)據(jù)采集的頻次很低就能滿足需要，例如：對設備應力形變、基礎沉降的監(jiān)測，每日采集一次或兩次數(shù)據(jù)即可，如果采用變化量越限方式采集，則數(shù)天甚至數(shù)月一次的頻率也能滿足監(jiān)測需要；對智能電表數(shù)據(jù)的采集，如果只采集計量用數(shù)據(jù)，則每月或兩月一次即可，即使要監(jiān)測用戶用電的行為特征，10多分鐘一次的頻率也能滿足大部分應用需求。

（5）日常關注度低，越限十分關鍵，影響較大

此類數(shù)據(jù)狀態(tài)變化如前所述，平常較為緩慢，但是在量變累積過程中或出現(xiàn)意外因素將導致突變。人們在日常運維工作當中，往往忽略此類數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)生突變時，數(shù)據(jù)會突然提升為關鍵數(shù)據(jù)，受到強烈關注。例如：某變壓器鐵芯溫度在正常情況下，是不被關注的。但是在發(fā)生電氣故障時，溫度突然快速上升，則會受到強烈關注，在必要時需要啟動保護動作，防止故障擴大，阻止引起火災等災難性事故。水電氣熱等表計同樣如此，在日常生活中，基本不被關注，但是一旦收到賬單或者對賬單有疑問時，則會很關心這些電表數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)控的消防數(shù)據(jù)特點更為明顯，站內日常的溫感、煙感等火災報警數(shù)據(jù)基本上不被人們關注，甚至大部分消防傳感器在整個使用周期都不會發(fā)揮作用。但是一旦發(fā)生電氣火災等險情，消防傳感器就體現(xiàn)出至關重要的作用，為火災的預警、提前處理產(chǎn)生關鍵作用，可大幅幫助減少火災損失。

3 LPWAN技術簡述

顯然，上述“小數(shù)據(jù)”在智能電網(wǎng)建設、能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應用中非常關鍵，迫切需要接入，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各類應用和功能。因此需要支持海量物聯(lián)節(jié)點快捷、方便、廉價接入的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)大規(guī)模小數(shù)據(jù)采集，為能源互聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展服務。LPWAN正是針對小數(shù)據(jù)的連接特點而發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)技術，這種技術所具備的低成本、低功耗、廣覆蓋、低速率、海量接入等特點十分適合小數(shù)據(jù)的連接。

3.1 低成本優(yōu)勢

小數(shù)據(jù)的海量特點，限制了傳統(tǒng)高速物聯(lián)網(wǎng)的應用和連接規(guī)模。傳統(tǒng)高速物聯(lián)網(wǎng)技術，無論是長距離移動蜂窩網(wǎng)絡，還是短距離無線技術，均需要較高的網(wǎng)絡和終端成本。例如：基于2G/3G/4G等的數(shù)據(jù)終端DTU（data transfer unit，數(shù)據(jù)傳輸單元）和CPE（customer premise equipment，用戶終端設備），通常在數(shù)百元以上，電力等專業(yè)場景設備甚至需要數(shù)千元。這樣的成本遠非成千上萬的小數(shù)據(jù)連接所能接受。在電力系統(tǒng)中，目前階段僅僅實現(xiàn)了關鍵重要性的物聯(lián)節(jié)點（如三遙數(shù)據(jù)）的連接，大規(guī)模的小數(shù)據(jù)依然處于無連接或少量連接的狀態(tài)。

LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術具備低成本特點，網(wǎng)絡建設成本降低到傳統(tǒng)蜂窩基站的10%以下，傳感終端的連接芯片成本降低到5美元以下，甚至到1美元。在可預見的數(shù)十億級的規(guī)?；A上，這個成本甚至可降低到美分級。據(jù)專業(yè)評估，3GPP 2016年6月底發(fā)布的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)標準，終端芯片價格約為5美元。已經(jīng)商用規(guī)模出貨的LoRa技術終端芯片價格僅為1~2美元，在2015年出貨量達百萬片。低成本的網(wǎng)絡部署和終端連接，將對小數(shù)據(jù)連接起到巨大的推動作用，使海量級規(guī)模的物聯(lián)連接成為可能，對能源互聯(lián)網(wǎng)的建設發(fā)展和應用起到關鍵的推動作用。

3.2 超低功耗

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術的功耗在很大程度上限制了小數(shù)據(jù)的連接應用，小數(shù)據(jù)往往在電力不可達的地方，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術終端功耗水平高，即使節(jié)電模式，也需要數(shù)百mA的功耗水平，這大大限制了小數(shù)據(jù)的連接數(shù)量。

LPWAN技術借助各種PSM（power saving mode，節(jié)電模式）技術可實現(xiàn)更長待機。如NB-IoT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機。PSM模式下終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠，以達到省電的目的。eDRX等新增的功能進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，大幅度提升了下行可達性[3]。

NB-IoT的PSM和eDRX節(jié)電機制如圖1所示。

LPWAN技術針對典型的低速率、低頻次業(yè)務模型，電池壽命可達10年以上。根據(jù)相關仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損為164 dB的惡劣環(huán)境，NB-IoT在PSM和eDRX均部署的情況下，如果終端每天發(fā)送一次200 byte報文，5 W·h電池壽命可達12.8年。

LoRa技術對終端定義了3種工作模式：class A、class B、class C，分別對應不同的數(shù)據(jù)傳輸方式和頻次。class A模式功耗最低，數(shù)據(jù)定時上送，適合規(guī)律性數(shù)據(jù)上報而無需響應的應用場景；class B在上報數(shù)據(jù)時預留可調度時隙，根據(jù)業(yè)務需要接收下傳數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)響應功能，功耗略高；class C實時偵聽基站指令，隨時接收指令，響應性最強，但功耗較高。LoRa的接收狀態(tài)電流為12 mA，當發(fā)射功率在14 dBm時，電流大約為32 mA；而當進入睡眠狀態(tài)時，電流消耗小于1 μA。而速率自適應ADR機制可以在無線條件允許時使用更高的速率進行發(fā)送，從而減少Tx狀態(tài)持續(xù)時間，以降低總的電池功耗。電池壽命與NB-IoT技術一致，均能達到10年以上[4]。

3.3 廣覆蓋和增強覆蓋

LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術具備廣覆蓋特點，對無線覆蓋的深度也進行了優(yōu)化，實現(xiàn)增強覆蓋，相比傳統(tǒng)宏網(wǎng)蜂窩無線通信技術和微網(wǎng)短無線技術，具備更強的穿透能力和覆蓋能力。如LoRa技術支持擴頻技術，不同的擴頻因子可以支持不同的靈敏度要求，支持大約160 dB的MCL（minimum coupling loss，最小耦合損耗），從而適應不同的覆蓋范圍需求。典型覆蓋范圍在無遮擋場景時為15~20 km，如草原、平原等；在城市建筑物林立的場景中，覆蓋范圍為3~5 km。其他LPWAN技術的覆蓋范圍有差異，但是均具備廣覆蓋的特點。

LPWAN技術根據(jù)小數(shù)據(jù)的特點，采用多種靈活的工作模式，實現(xiàn)較高的抗干擾能力和增強的適用性能。例如：LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術采用跳頻技術實現(xiàn)抗干擾功能，在每次終端喚醒及與基站通信時，均對工作頻點進行偵測，選擇非干擾頻點進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.4 低速率

LPWAN技術所具備的廣覆蓋、低功耗和低成本的特點，相比傳統(tǒng)無線通信技術來說犧牲了通信速率。典型的LPWAN技術通信速率從數(shù)十bit/s到幾百bit/s，視傳感終端功耗、覆蓋和數(shù)據(jù)量而定。LPWAN采用了PSW、擴頻、跳頻等各種增強覆蓋能力的技術，因而也犧牲了通信速率，在干擾越大、無線信號遮蔽越強（樓道、電纜井、設備內部等）、距離越遠的地方，通信速率越低。但對于小數(shù)據(jù)連接來說，速率要求很低，大多情況下，每天僅需傳輸幾個字節(jié)或數(shù)百字節(jié)的數(shù)據(jù)。速率不是LPWAN的關鍵，極低的速率設置對于覆蓋功耗和成本來說卻能帶來顯著優(yōu)勢。

3.5 靈活部署

LPWAN一般可支持多種部署方式，一類采用授權頻段，如NB-IoT，部署方式包括：獨立部署（stand alone），可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕；保護帶部署（guard band），可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無用頻帶；帶內部署（in band）可以利用LTE載波中間的任何資源塊。另一類采用非授權頻段，如LoRa，支持更為靈活的部署方式。應用集成商可以根據(jù)項目需要按點部署，實現(xiàn)項目覆蓋。通過彈性云化核心網(wǎng)，可以把分散部署的覆蓋點組網(wǎng)，采用“眾籌”部署覆蓋的方式，實現(xiàn)電信運營級的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)建設。也可以支持物聯(lián)網(wǎng)運營商進行電信運營級別的物聯(lián)網(wǎng)建設，實現(xiàn)大范圍的網(wǎng)絡覆蓋。

3.6 海量接入能力

LPWAN技術是一種具備海量接入能力的物聯(lián)網(wǎng)技術，具備高容量、可擴展性等特點，可支持十億級別數(shù)量的終端接入。

4 云管端一體化LPWAN運營級網(wǎng)絡方案

LPWAN技術具有低功耗、廣覆蓋、低成本的優(yōu)勢，正在各領域促進物聯(lián)網(wǎng)的全面、深入部署。在能源互聯(lián)網(wǎng)領域，需要一個與傳統(tǒng)電力通信專網(wǎng)融合的一體化能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，優(yōu)勢互補，促進能源電力物聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展。能源電力領域的小數(shù)據(jù)種類和業(yè)務種類繁多，呈現(xiàn)碎片化特點，需要個性化的服務和靈活連接，基于授權頻段標準統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)技術缺乏這樣的靈活性。為滿足個性化的服務和連接靈活性需求，采用非授權行業(yè)公用頻段（如用于抄表的470 MHz頻段、用于電力行業(yè)的230 MHz頻段）物聯(lián)網(wǎng)技術，設計一種適合的運營級組網(wǎng)方案以較好地滿足這樣的需求。此方案采用“云管端一體化”的設計思路，基于非授權頻段、輕量級網(wǎng)絡、黑盒化的物聯(lián)終端、承載與應用一體化的安全架構、獨立式云化、光伏+電池自供能等應用理念，能夠實現(xiàn)快速、靈活、低成本的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)絡部署，滿足能源電力物聯(lián)專網(wǎng)的泛在感知、碎片化的小數(shù)據(jù)連接需求。

圖2是基于電力通信專網(wǎng)與LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術融合的“云管端一體化”能源電力物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的方案架構。

能源電力物聯(lián)專網(wǎng)由多個功能部分組成，基于連接小數(shù)據(jù)的功能需求，需要實現(xiàn)小數(shù)據(jù)的物理連接、數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)管理、安全認證和數(shù)據(jù)加密等基本功能。對于運營級的物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)網(wǎng)絡，還需要實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、運營管理支撐功能。針對移動性的小數(shù)據(jù)連接，則需要實現(xiàn)定位服務功能。支持移動化的云化服務，需要實現(xiàn)業(yè)務漫游功能。需要通過不同的網(wǎng)元實現(xiàn)上述功能和需求，下面分別介紹各功能部分的不同網(wǎng)元和性能特征。

（1）無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關（IoT wireless gateway，IWG）是泛感知傳感連接的第一級，實現(xiàn)海量泛感知小數(shù)據(jù)的物理層無線連接功能。IWG是一個物聯(lián)無線微基站，不同于傳統(tǒng)公網(wǎng)宏基站的高功耗、高投資，物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)微基站應具備即裝即用、隨時隨地部署的特征，方便物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡“星火燎原”式的擴展?；谶@樣的需求，IWG需要多種功能和特性：首先是要具備多信道并發(fā)和信道擴展功能，非授權頻段（如470~510 MHz）的帶寬范圍跳頻抗干擾，授權頻段因不存在干擾，則不需要此類抗干擾技術；再者是IWG接入各類物聯(lián)網(wǎng)應用節(jié)點，要實現(xiàn)鏈路安全、壓縮等功能，應能支持電力通信專網(wǎng)接入，如有線、LTE無線專網(wǎng)等，實現(xiàn)與電力通信專網(wǎng)的無縫融合。在電力通信專網(wǎng)不可達的地方，在符合電力安全規(guī)定的情況下也可支持3G/4G/5G及運營商有線、無線回傳鏈路。其次支持就近無線配置管理（如藍牙/Wi-Fi），支持IWG間高精度時鐘同步，為實現(xiàn)低成本/低功耗定位打下基礎。最后需要針對安裝和環(huán)境適應能力進行專門設計，例如支持市電、支持太陽能+儲能電池的自供電方案，抱桿、掛墻等靈活多樣的部署模式，實現(xiàn)即裝即用。根據(jù)應用場景不同應支持IP65~IP68高防護等級，-40~70℃的溫度范圍，抗惡劣環(huán)境室外型工業(yè)級設備。

（2）多業(yè)務平臺

MSP（multi sevice platform，多業(yè)務平臺）是物聯(lián)專網(wǎng)的核心管理系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)泛感知連接的海量小數(shù)據(jù)匯聚到MSP，進行數(shù)據(jù)管理。MSP需要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無線通信底層協(xié)議及擴展、無線網(wǎng)絡優(yōu)化管理、數(shù)據(jù)加解密及解壓縮、應用數(shù)據(jù)上下行分發(fā)及第三方應用服務器接口等功能。MSP一般部署在云計算中心，應用服務與IT硬件解耦，具備彈性擴展能力。MSP通過云化網(wǎng)絡與公網(wǎng)/專網(wǎng)高速寬帶網(wǎng)連接，接收來自IWG的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（3）認證中心

能源電力物聯(lián)專網(wǎng)高度關注數(shù)據(jù)的安全性。AUC（authentication center，認證中心）實現(xiàn)傳感終端接入鑒權認證、密鑰生成功能，終端模塊可嵌入電力專用加密芯片，并建設私有保密協(xié)議的AUC，保證網(wǎng)絡接入及業(yè)務安全。

（4）網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

運營級的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的輕量化、高效率的電信級管理，為網(wǎng)絡運維服務。

（5）位置計算服務器

能源電力物聯(lián)專網(wǎng)中有一類具備移動性特點的小數(shù)據(jù)需要連接，對位置服務有需求，位置計算服務器（location computing server，LCS）實現(xiàn)低成本、低功耗TDOA（time difference of arrival，到達時間差）定位服務功能。

（6）業(yè)務運營支撐系統(tǒng)

運營級的能源電力物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)需要運營業(yè)務支撐系統(tǒng)（business & operation support system，BOSS），包括用戶管理、流量管理、計費管理、賬單系統(tǒng)、客戶管理系統(tǒng)等。BOSS實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的運營功能，可為全行業(yè)用戶服務。

（7）業(yè)務漫游交換服務器

對于能源電力這樣的國家級經(jīng)營組織單位，需要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接的業(yè)務漫游功能，例如電力物流、電力工程、電力巡檢等。業(yè)務漫游交換服務器（service roaming exchange，SRX）實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端在多個物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)網(wǎng)絡間的漫游，能夠開展全國級統(tǒng)一應用服務。

5 一網(wǎng)共平臺多業(yè)務應用

在能源互聯(lián)網(wǎng)“泛感知”的需求下，LPWAN能夠發(fā)揮重要作用，運營級能源電力物聯(lián)專網(wǎng)方案可通過一張網(wǎng)、共平臺、多業(yè)務應用場景的圖景，為智慧能源提供低成本物聯(lián)解決方案，支持智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應用。一網(wǎng)共平臺多業(yè)務應用示意如圖3所示。

5.1 四表合一應用

抄表是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要方向，智能電網(wǎng)的建設發(fā)展極大地促進了智能電表的普及應用。但是在居民日常生活中，功耗、信號覆蓋等問題一直困擾著水表、氣表、熱表的物聯(lián)網(wǎng)泛在連接。國家電網(wǎng)公司配合各地方政府和水汽熱等公用事業(yè)公司，已經(jīng)在全國多地探索了多種“四表合一”的方法[5]?；陔娏νㄐ艑＞W(wǎng)與LPWAN技術融合地能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，提供了一個新的、更為簡單靈活的方案。如圖4所示，通過LPWAN能源電力物聯(lián)專網(wǎng)可隨時隨地、靈活地接入各種水電氣熱表，方便地實現(xiàn)“四表合一”功能。

圖4 四表集抄業(yè)務應用示意

5.2 源網(wǎng)荷互動應用

面向廣大城鄉(xiāng)電力用戶的源網(wǎng)荷互動應用是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要發(fā)展方向，基于LPWAN技術的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)可十分方便地連接各類用戶負荷電器、分布式發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)（微網(wǎng)）等，實現(xiàn)源網(wǎng)荷互動業(yè)務應用。如圖5所示，在一個智慧生態(tài)島上，通過在用戶負荷電器上安裝具備LPWAN終端的智能插座，在分布式發(fā)電系統(tǒng)上安裝LPWAN終端控制器實現(xiàn)源網(wǎng)荷的互動連接。

5.3 電氣設備溫度監(jiān)測

電氣設備溫度是反映電氣設備運行狀態(tài)的重要參數(shù)，也是判斷設備故障狀態(tài)、防止發(fā)生電氣火災的重要方法。電力系統(tǒng)溫度監(jiān)測點眾多、分布范圍廣、高度分散，長期以來，受限于通信連接，無法大規(guī)模推廣應用?；贚PWAN技術的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)則可實現(xiàn)溫度傳感器的免維護、長壽命、低成本，這使電氣設備溫度監(jiān)測的廣泛普及成為可能。圖6顯示了電氣設備溫度監(jiān)測部署方案。

5.4 配電網(wǎng)故障指示器連接

配電網(wǎng)故障檢測和定位需要在架空線、電纜等處安裝大量的故障指示器，其部署地點與溫度監(jiān)測點類似，呈現(xiàn)高度分散、廣泛分布的特點，同樣存在傳感器供電困難的問題。采用LPWAN技術的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，在故障指示器中嵌入LPWAN終端模塊，可實現(xiàn)故障指示器黑盒化設計，具備免維護、長壽命和低成本的優(yōu)勢，為故障指示器的大規(guī)模部署提供了條件。圖7顯示了故障指示器在此物聯(lián)專網(wǎng)中的應用方案，相比傳統(tǒng)故障指示器部署方案，減少了集中器，簡化了部署的工程復雜度和維護難度。

6 結束語

基于LPWAN技術，融合電力通信專網(wǎng)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)在能源電力各領域的小數(shù)據(jù)連接均具有廣泛的應用前景。在水電廠，可不受電源、通信連接的限制，部署各種傳感器，在全廠、整個水庫范圍內進行監(jiān)測，如大壩安全監(jiān)測、道路邊坡、各類管道壓力、廠房溫濕度環(huán)境、水位等。在輸配電線路上，可隨時隨地掛設導線張力、桿塔傾斜、絕緣子污穢等傳感器，實現(xiàn)輸電線路在線監(jiān)測功能。在智慧園區(qū)，基于LPWAN技術的智能溫控器、智能電器、智能充電樁、智能電表可隨時隨地部署，形成園區(qū)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)。在火電廠，燃料管理、運輸中也可隨時部署基于LPWAN的傳感器，實現(xiàn)智能燃料應用。

總之，在能源電力領域，采用基于LPWAN技術和電力通信專網(wǎng)相融合，以云管端一體化設計的運營級能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，具備一張網(wǎng)、同平臺、多業(yè)務的優(yōu)勢，可實現(xiàn)按需、個性化地靈活部署傳感器。長期被忽略的小數(shù)據(jù)連接點及符合小數(shù)據(jù)特點的數(shù)據(jù)，均可得到快捷、低成本的廣泛部署，提高能源電力生產(chǎn)運營服務，提升運維效率，促進智慧能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

致謝：本文得到中興通訊CLAA物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)項目劉建業(yè)總監(jiān)及團隊的大力支持，為本文提供了基礎資料和指導建議，向全體團隊同事致以謝意！

[1] 足以顛覆物聯(lián)網(wǎng)的“LPWA”技術[EB/OL]. (2015-12-21) [2016-06-20]. http://www.xzbu.com/1/view-7185334.htm.

Enough to subvert the internet of things, LPWA technology[EB/OL]. (2015-12-21)[2016-06-20]. http://www.xzbu.com /1/view-7185334.htm.

[2] 甄巖, 李祥珍, 歐海清, 等. 物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)[J]. 數(shù)字通信, 2012(5): 78-79.

ZHEN Y, LI X Z, OU H Q, et al. Internet of things and smart grid[J]. Digital Communication, 2012(5): 78-79.

[3] 戴國華, 余駿華. NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究[J]. 移動通信, 2016, 40(7): 33-35.

DAI G H, YU J H. Research on NB-IoT background, standard development, characteristics and the service[J].Mobile Communications, 2016, 40(7): 33-35.

[4] 劉琛, 邵震, 夏瑩瑩. 低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J]. 電信技術, 2016(10): 43-45.

LIU C, SHAO Z, XIA Y Y. Analysis and application of low power wide area LoRa technology[J]. Telecommunications Technology, 2016(10): 43-45.

[5] 徐寧, 李軍. 四表合一: 智能用電惠萬家[EB/OL]. (2016-02-17)[2016-08-06]. http://www.indaa.com.cn/dwxw2011 /khfw/201602/t20160217_1635878.html.

XU N, LI J. Centralized reading of gas, water, heat and electric meters intelligent power consumption，benefit tens of millions of users[EB/OL]. (2016-02-17)[2016-08-06]. http://www.indaa. com.cn/dwxw2011/khfw/201602/t20160217_1635878.html.

Electricity internet of things based on LPWAN technology

CHEN Yongbo1, TANG Yi2, AI Xinwei1, XU Bo1

1. ZTE Corporation, Nanjing 210012, China 2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210018, China

Based on the low power consumption wide area network (LPWAN) technology, operation-level cloud-side integration of energy and power of the internet of things program was achieved using the existing power communication network to realize the data back-to-back. It realized the integration of electric power communication network and LPWAN internet of things technology, provided a wide range of mass “small data” connection for the energy of the internet. It had advantages of low-cost, personalized and flexible. It could meet the connection needs of four-in-one, the source network load interaction, temperature monitoring of electrical equipment and power distribution fault indicator. It could also achieve massive small data connection needs of power plants, substations, electric transport infrastructure, distributed generation operation and maintenance, environmental monitoring energy internet business and so on.

small data, LPWAN, electricity internet of things, low power consumption, wide coverage, internet of energy, power communication

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017051

2016?12?11；

2017?02?18

陳永波（1978-），男，中興通訊股份有限公司行業(yè)解決方案部能源電力行業(yè)架構師、能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃總工程師，主要從事能源電力行業(yè)發(fā)展和趨勢研究、M-ICT技術需求分析、方案規(guī)劃與設計開發(fā)工作。同時作為公司CGO（Cool、Green、Open）實驗室iLPN城市物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研發(fā)項目重要成員，負責物聯(lián)網(wǎng)微基站、傳感終端微供能系統(tǒng)研究和方案設計及能源電力物聯(lián)網(wǎng)應用需求分析和方案設計工作。

湯奕（1977-），男，博士，東南大學電氣工程學院副教授、博士生導師，IEEE成員，中國電機工程學會會員，發(fā)表SCI/EI檢索論文60余篇，獲得國家發(fā)明專利授權和受理50余項。近5年來主持和參與了國家自然科學基金項目2項、國家科技支撐計劃項目3項、國家電網(wǎng)公司及省級電網(wǎng)公司項目50余項。近兩年主要研究方向為電力信息物理融合系統(tǒng)的建模、機理、分析方法、仿真環(huán)境等。

艾鑫偉（1979-），男，中興通訊股份有限公司能源行業(yè)總監(jiān)，主要從事無線通信在能源行業(yè)的應用及發(fā)展方向研究工作。一直從事底層驅動開發(fā)、上層應用開發(fā)、自動化測試開發(fā)等相關研發(fā)工作，目前主要從事市場需求分析及產(chǎn)品規(guī)劃方向工作。

徐博（1990-），男，中興通訊股份有限公司能源行業(yè)副總監(jiān)，主要從事有線通信在能源行業(yè)的應用及發(fā)展研究工作。