基于LPWAN技術(shù)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)分析

茍 亮，賈俊強(qiáng)，曹 澍

（國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆 烏魯木齊 831002）

0 引 言

近年來我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，促進(jìn)了各個(gè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。其中，能源電力系統(tǒng)方面已有大范圍的通信專網(wǎng)建成并投入使用，使得電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接得以實(shí)現(xiàn)。我國進(jìn)入能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，電氣設(shè)備溫度、智能表計(jì)量數(shù)據(jù)以及用戶電氣運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)方面的工作，都需要更加廣泛的數(shù)據(jù)連接支持。

1 LPWAN技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 成本較低

LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的蜂窩基站相比，低成本的優(yōu)勢(shì)明顯。它的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本只有后者的不到10%，且傳感終端連接芯片的成本也大幅降低，購買成本通常不到5美元，最便宜的芯片購買成本甚至只有1美元。預(yù)計(jì)該技術(shù)的規(guī)?；A(chǔ)可以達(dá)到數(shù)十億級(jí)，因此購買芯片的成本還會(huì)進(jìn)一步下降，最終達(dá)到美分級(jí)別?？梢姡琇PWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)部署和終端連接方面具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，能夠有效推動(dòng)小數(shù)據(jù)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海量級(jí)規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)，最終推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用。

1.2 功耗較低

LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)，因?yàn)樵摷夹g(shù)中有各種PSM（節(jié)電模式）技術(shù)進(jìn)行輔助。比如，通過eDRX和PSM兩種技術(shù)可以使NB-loT實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)。終端在PSM模式下雖然注冊(cè)在網(wǎng)，但是不能傳達(dá)信令，這樣終端在深睡眠狀態(tài)中停留的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)省電和超長(zhǎng)待機(jī)的目的。而eDRX等功能能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)空閑模式下終端的睡眠周期，從而最大程度減少相關(guān)單元不必要的啟動(dòng)，大幅提升下行可達(dá)性。

2 云管端一體化LPWAN技術(shù)運(yùn)營級(jí)網(wǎng)絡(luò)方案分析

2.1 無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

在泛感知傳感連接中，無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（IWG）是第一級(jí)，主要作用是實(shí)現(xiàn)海量泛感知小數(shù)據(jù)的物理層連接功能。無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)際上是一種物聯(lián)無線微基站，與傳統(tǒng)公網(wǎng)宏基站存在很大不同，其中最明顯的無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)投資少、耗能低，且能夠隨時(shí)隨地部署，即裝即用，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 多業(yè)務(wù)平臺(tái)

多業(yè)務(wù)平臺(tái)（MSP）在物聯(lián)專網(wǎng)中具有重要作用，本質(zhì)是一個(gè)核心管理系統(tǒng)。多業(yè)務(wù)平臺(tái)可以匯集物聯(lián)網(wǎng)泛感知連接的海量小數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析和管理。多業(yè)務(wù)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)多方面的功能，如物聯(lián)網(wǎng)無線通信底層協(xié)議以及擴(kuò)展、數(shù)據(jù)的加密和解密以及解壓縮等。多業(yè)務(wù)平臺(tái)與公網(wǎng)（專網(wǎng)）高速寬帶網(wǎng)之間的連接主要通過云化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，能夠接收來自無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息[1]。

2.3 認(rèn)證中心

對(duì)于能源電力物聯(lián)網(wǎng)來說，數(shù)據(jù)的安全性是重中之重。認(rèn)證中心（AUC）的主要作用是對(duì)傳感終端的接入進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證，并生成相應(yīng)的密匙。在電力專用加密芯片中可以嵌入終端模塊，同時(shí)能夠構(gòu)建私有保密協(xié)議，從而充分保障網(wǎng)絡(luò)的接入和業(yè)務(wù)安全。

2.4 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

運(yùn)營級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電信級(jí)管理，即具備輕量化和高效率特點(diǎn)，從而為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營和維護(hù)提供相應(yīng)的服務(wù)。

2.5 位置計(jì)算服務(wù)器

在能源電力物聯(lián)專網(wǎng)中，有一些小數(shù)據(jù)需要連接具備一定的移動(dòng)性，且需要為其提供一定的位置服務(wù)。位置計(jì)算服務(wù)器（LCS）的主要功能就是提供定位服務(wù)，且其具有低成本和低功耗的特點(diǎn)[2]。

2.6 業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng)

業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng)是運(yùn)營級(jí)能源電力物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的重要組成部分，主要包括用戶管理系統(tǒng)、客戶管理系統(tǒng)、流量管理系統(tǒng)以及賬單系統(tǒng)等分系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠BOSS，能夠服務(wù)整個(gè)行業(yè)的客戶。

3 一網(wǎng)共平臺(tái)多業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

3.1 四表合一應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過程中，抄表一直都是非常重要的應(yīng)用方向。近些年，智能電表在智能電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)發(fā)展背景下得到了廣泛應(yīng)用。但是，在實(shí)際生活中，水表、熱表等物聯(lián)網(wǎng)泛在連接常常會(huì)受到信號(hào)覆蓋、功率等問題的影響。針對(duì)這個(gè)問題，我國國家電網(wǎng)公司、水氣熱等公用事業(yè)公司與各個(gè)地區(qū)的地方政府相配合，對(duì)“四表合一”的具體方法進(jìn)行了研究和探索，最終使用能源電力物聯(lián)專網(wǎng)制定出更加靈活簡(jiǎn)便的解決方案，詳情見圖1。各種水熱電氣表可以通過以LPWAN技術(shù)為基礎(chǔ)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)，隨時(shí)隨地靈活接入，實(shí)現(xiàn)“四表合一”。

圖1 四表集抄業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.2 源網(wǎng)荷互動(dòng)應(yīng)用

在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，源網(wǎng)荷互動(dòng)應(yīng)用是重要方向之一。它的服務(wù)對(duì)象主要是廣大城鄉(xiāng)電力用戶，能源電力物聯(lián)專網(wǎng)基于LPWAN技術(shù)，因此能夠?qū)Ψ植际桨l(fā)電系統(tǒng)和微網(wǎng)、各種類型的用戶負(fù)荷電器方便地進(jìn)行連接，從而充分實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。如圖2所示，在智慧生態(tài)島上，將具有LPWAN終端的智能插座安裝到用戶負(fù)荷電器，并將LPWAN終端控制器安裝到分布式發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)源網(wǎng)荷的互動(dòng)連接。

圖2 源網(wǎng)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用示意

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段，通過有效融合電力通信專網(wǎng)和LPWAN技術(shù)，并對(duì)運(yùn)營級(jí)能源電力物聯(lián)專網(wǎng)進(jìn)行云管一體化設(shè)計(jì)，能夠有效實(shí)現(xiàn)傳感器的靈活部署，從而低成本、快捷以及廣泛部署以往被忽視的小數(shù)據(jù)連接點(diǎn)以及與小數(shù)據(jù)特點(diǎn)相符合的數(shù)據(jù)，有效提高能源電力生產(chǎn)運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)維效率，最終促進(jìn)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)更好地發(fā)展。