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用电信息采集系统窄带物联网可行性研究

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资料介绍

窄带物联网(NB-IoT)是新型的物联网技术,具有广覆盖、低功耗、低速率、大连接的特点,有望应用于包括用电信息采集业务在内的多种电力业务场景.根据用电信息采集系统基础架构与现行的用电信息采集通信技术,结合窄带物联网在燃气表与水表的试点性能测试,深入分析了窄带物联网在用电信息采集系统中应用的可行性及应用方式,得出了用电信息采集系统中适用于窄带物联网的部署场景与方式.同时提出了一种针对窄带物联网的性能监测方法,监测指标包含接收灵敏度、同频干扰与临频干扰,为未来窄带物联网通信设备性能监测设备开发提供了依据.

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Vd．56 NO．6

Mnr．笛．加眇

第靳卷．第6期

加19年3月笛日

电嗣与仪表

目ech圣咖h凰凋吲咖胁咖＆h蝤由珈岫M岫伽∞

用电信息采集系统窄带物联网可行性研究木

张海龙1，刘宣1，任毅1’2，刘岩1

(1．中国电力科学研究院有限公司，北京100192；

2．中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京101408)

摘要：窄带物联网(NB-IoT)是新型的物联网技术，具有广覆盖、低功耗、低速率、大连接的特点，有望应用于包括用

电信息采集业务在内的多种电力业务场景。根据用电信息采集系统基础架构与现行的用电信息采集通信技术，结

合窄带物联网在燃气表与水表的试点性能测试，深人分析了窄带物联网在用电信息采集系统中应用的可行性及应

用方式，得出了用电信息采集系统中适用于窄带物联网的部署场景与方式。同时提出了一种针对窄带物联网的性

能监测方法，监测指标包含接收灵敏度、同频干扰与临频干扰，为未来窄带物联网通信设备性能监测设备开发提供

了依据。

关键词：窄带物联网；用电信息采集；性能监测；接收灵敏度；同频干扰；邻频干扰

DOI：10．19753／j．issnl00l· 1390．2019．06．014

中图分类号：，IM93

文献标识码：A

文章编号：1001· 1390(2019)06枷82彤

Fe槭砌锣咖dy伽NB· 10T

electrici蚵info咖ati伽coue砌帆咖

Y锄1

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Abs觚疵：NB· IoT(n卸mw

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sumption，low

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tlIe

NB-IoT in

_includingAMI(adVanced

metering iIlfI髓mlctu陀)．，11lis p印er舳alyzes

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AMI

mode of NB-IoT

of AMI

system，cun．ent

ba∞d伽tlIe inh髓tmcture

c伽municati伽

system锄d

descm圮s锄印plied

NB-IoT in the

gas

meter粕d water meter _pilot

test．，11le

scenari∞舳d metllods

in-

technologies粕d

pe触锄ce

deployment

for NB-IoT in AMI _systema陀obtained．．11lis

also

methods

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Deceiving sensitivity，co-ch姗el

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tedbrence舳d

channel

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devel叩ment

perf．omance monitoring equip-

ment玉叫NB· IoT communication

in the future．

equipment

b粕d intemet of

Keywords：n舭ow

tllings，electric蚵iⅢbm撕∞couection，perfb彻粕ce monitoring，receiving∞nsiti、ri-

ch锄nel interference

ty，co．channel interf．erence，adiacent

0引

言

信道中采用的电力线载波通信和微功率无线通信，以

随着科技的发展，依靠现代信息通信技术发展智

能电网已成为国内外电力行业的共识【l引。用电信息

采集系统是智能电网的重要组成部分。随着智能电网

的不断发展，用电信息采集系统覆盖范围越来越广，通

信需求不断增长【3】，已有多种通信技术应用于用电信

息采集系统，如采集终端和智能电能表间的本地通信

及采集终端和主站之间的远程通信信道使用的通用分

Packet Radio

组无线服务(Geneml

service，GPRs)与长

期演进(Long Te硼Evolution，【胍)网络H别。随着通

B粕d Intemet

信技术的不断发展，窄带物联网(N删w

ofnings，NB—I以)成为支撑用电信息采集系统数据采

J。

集的另一种技术方案M

窄带物联网技术概况

· 基金项目：2018年国家电网公司科技项目(JLBl720160∞66)

窄带物联网(NB-IoT)是物联网技术的重要分支，

一82一

万方数据

第靳卷第6期

电测与仪裹

VoI．56 No．6

Mar．25．2019

加19年3月25日

砸疆ed旨ical h量隧I翻岫陀m蜘t＆b越畦run蛐h埘bn

具有大连接的特点卜川。可以分为授权频段和非授权

频段两大类。授权频段窄带物联网直接部署于全球移

统中远程通信技术主要为无线公网、无线专网、光纤专

。，啵

网等。

for Mobile

Telecommunica．

Mo—

动通信系统(Global System

2．1．2用电信息采集系统架构

tions

System，GSM)、通用移动通信系统(universal

目前用电信息采集系统整体架构如图1所示，数

据上行的流程为智能电能表通过本地通信信道将数据

上传至用电信息采集终端，采集终端通过远程通信信

道将数据回传至主站；数据下行的流程为主站通过远

程通信信道将信息下发至采集终端，采集终端通过本

地通信信道将信息下发至智能电能表。网络拓扑结构

为树状结构或网状结构。

bile Telecommunic撕ons

System，UM髑)和L呱’网络。

MHz～510

非授权频段窄带物联网，例如工作在470

MHz频段的窄带物联网技术，不能使用公网基站，需要

专门建设基站使用。两类窄带物联网技术均可应用于

用电信息采集系统。

授权频段窄带物联网支持三种部署模式：保护带部

署(Gua耐B锄d)，独立部署(St蚰d Alone)，L1E带内部署

(In B粕d)。保护带部署是将NB—IoT网络部署在m

网络频谱边缘保护频段，信号强度弱，可以最大化利用

频谱资源；独立部署是将NB-IoT网络部署在2G频谱或

其它离散频谱，使用现网的空闲频谱或新频谱，不会对

uE网络产生干扰；带内部署是将L胍网络部署在uE

Re&ource

}主站服务器{

L————●P————一

／一＼

．．(远程通信)．

●●＼＼～一／／’●

一!—一

一_l粟一_案篓!_嚣二_l

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的一个带内物理资源块(Physical

Block，PRB)

．

本

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通

佰

君

。

．

．柔地通蓓．

· 本地通信·

资源。其中保护带部署与带内部署需考虑与m系统

的兼容性，对于带外干扰、射频等指标的要求较为严

格旧J。非授权频段窄带物联网技术体系与授权频段NB—

离能电能表J陶能电能劂”· · · ．{智能电能剥i智能电能表I

i．。二L—．————————j

L．．一．．—。—。．。．j

i，．．．．．一—．一

图l 用电信息采集系统架构

10T一致，不需要考虑与L1E网络的兼容性问题。

2窄带物联网在用电信息采集系统中的应用分析

2．1用电信息采集系统概况

I曲astmcture of

coⅡection

i山rnlation

F’ig．1

electricity

system

2．2

窄带物联网应用于用电信息采集系统可行性

2．1．1用电信息采集系统现有通信技术

分析

目前用电信息采集系统采用的本地通信技术主要

有电力线载波、微功率无线、RS485等。

2．2．1

窄带物联网可能的部署方式

窄带物联网应用于用电信息采集系统有三种部署

方式：采集终端部署、台区变压器总表部署与户用智能

电表部署。采集终端部署是将窄带物联网作为远程通

信方式部署于用电信息采集终端，如图2所示。

匡厕晤矧

电力线载波通信是指利用电力线作为通信介质进

行数据传输的一种通信技术。用电信息采集系统主要

应用低压电力线载波通信技术。低压电力线载波通信

覆盖范围广泛，没有线路铺设成本，充分利用了电力线

路和频谱资源¨ J。

微功率无线通信网络在国内外并无统一的名称，

在IEEE 802．15．4中常称为低速无线个域网(LR—

WPAN)，在EN 13757中常称为无线中继网(Ne卅ork

、／

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每＼

＼网／

一带～

～联一

．

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．

with

●}

．嚷驾釜羹觏鬟搿戳

Relaying Nodes)、在zigBee中常称为无线传感器

●～¨ q¨ 一●

．塑一

Sensor

网(Wireless

Ne附ork)。

· 微功率无线·

．儇功翠尢线·

RS485是一个定义平衡数字多点系统中驱动器和

接收器的电气特性的标准，是美国电子工业协会

(EIA)于1983年制订的总线标准。Rs485弥补了Rs．

232通信距离短、速率低等缺点。Rs485标准只规定

了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、

传输电缆和应用层通信协议。RS485数据信号采用差

分传输方式，也称作平衡传输。目前用电信息采集系

两嘲i磊磊斗再电能表if磊磊习

图2

窄带物联网部署于采集终端

NB—IoIT

in the

teminal

acquisition

Fig．2

deployed

台区变压器总表部署是将窄带物联网作为远程通

信方式部署于低压配电变压器的台区表。如图3所示。

一83一

万方数据

VoI．56 No．6

M盯．篮．加19

第靳卷第6期

电测与仪表

勘e删cal hh组鲫lrement＆b砖h伽a叫a吐。吡

加19年3月笛日

分布于地下室等无线信号不易抵达的地点。电力线载

波、Rs一485利用有线连接的方式可以覆盖此类分布场

景，微功率无线可利用多级路由的方式覆盖此类场

景[9]。窄带物联网不能利用有线连接，也不能组成多

级路由，仅凭其20 dB的覆盖增益是否能有效覆盖此

类分布场景仍需验证¨ 引。

匪瓣

L———+———一

图3 窄带物联网部署于台区总表

(2)窄带物联网速率问题

NB—IdT

in me station area meter

deployed

Fig．3

窄带物联网单蜂窝小区上行理论峰值速率仅为

250

kbpsul|，下行理论峰值速率117．8 kbps。单用户上

户用智能电能表部署是将窄带物联网模块直接部

署于智能电表，如图4所示。

行理论速率只有20

kbps，单用户上行测试峰值速率

15．6

kbps，单用户下行理论峰值速率21．25 kbps。平

均每块表每2个小时才可进行一次数据传输。只适合

用于水、气、热表此类低速率业务。无法满足用电信息

采集每天24点、96点乃至288点的高频数据采集需

求。窄带物联网速率的瓶颈可能导致其无法支撑用电

信息采集系统高频数据采集、三相不平衡度治理、阻抗

在线监测，户变关系识别等高级应用需求。对于数据

传输量巨大的终端及智能电表部署方式，窄带物联网

i主站服务器I

。————●一———o

／／』、＼

．．· ．．竺鐾吵。：．-．

●

●●

●

匪匿· · · · · · 匦匿

Fig．4

图4

窄带物联网部署于智能电表

的速率难以满足相应要求。

NB—IoT

in the smart meter

deployed

(3)时延与服务质量(Quality

Senrice，QoS)

2．2．2窄带物联网应用测试性能

NB—IoT采用eDRx和PsM低功耗技术，使终端长

时间处于休眠状态，时延明显增加，仅适用于水、气、热

表等无源表计，以及电表有源表计。

NB—IoT技术目前多在水气热、消防、共享单车等领

域进行试点，虽然尚未在电力营销领域使用，但通过在

其它领域应用NB—IoT的测试可以为其在用电信息采

授权频段窄带物联网鉴于其可以直接接人GSM、

UMTS和m网络，无需建设基站的优势，目前在技术

标准化的同时，已在全球范围内展开商业化应用。但

不足之处在于该技术会与其他公用数据业务共用信

道，Qos难以保证。

集系统中的应用可行性提供参考，某些公司开展水表

试点。

燃气表试点验证了对燃气表进行数据存储、数据

上报、远程开关阀、远程抄读、远程参数配置等功能，测

试数据表明NB-IoT上行平均速率13 kbps，下行平均速

率7．8 kbps，平均接收灵敏度一77 dBm，放置于表箱中

(4)成本问题

虽然窄带物联网单位资费较低，但智能电能表基

数庞大，数以亿计，故而在通信过程中会产生巨额的流

量资费。限制了其部署于智能电能表的可能性。并且

非授权频段窄带物联网可以设计为用电信息采集系统

专用，但需要建设专用基站和网络，成本相对较高。

基于上述四点分析，NB—IoT适用于具有“电池供

电、低速率业务需求、低频数据采集、时间延迟不敏感、

不需要下发控制、海量终端接人、终端成本敏感、需深

度覆盖”的场景，不适用于具有“电源供电、高速率业务

需求、高频数据采集、时间延迟敏感、需要下发控制、非

海量终端接入、终端成本不敏感、不需深度覆盖”的场

景。窄带物联网在用电信息采集系统中直接部署于智

能电能表以及用电信息采集终端的可行性仍需验证。

dB。

时，灵敏度性能变差5

水表试点验证了水表用水调度、水表滴漏报警等

功能，测试数据表明NB—10T灵敏度性能优于LoRa

dB，优于GPRS

dB。排除网络优化、网络升级等条

件时，数据抄读成功率为100％。

NB—IoT传输时延与终端睡眠状态和覆盖状况相

关，当水、气、热表处于低功耗睡眠状态时，无法对其进

行远程控制操作。当水、气、热表处于小区边缘或竖井

中信号特别差时，传输时延成倍增高。

2．2．3应用于用电信息采集系统存在的问题

(1)窄带物联网覆盖问题

用电信息采集系统分布范围广，部分智能电能表

一84一

万方数据

V胡．56 NO．6

Mar．笛．加19

第靳卷第6期

电测与仪表

Ek螂瞳量cnI h‰ 魉鲷u屯n啪t＆h晦臼ⅧnM岫伽on

加19年3月笛日

窄带物联网性能监测方法

通过以下公式计算：

S=y或S=矿+0．25^dB

窄带物联网试点应用于用电信息采集系统时，需

要技术手段以实时地、真实地获取窄带物联网性能数

据，因此窄带物联网性能监测方法显得尤为重要。现

设计一种针对窄带物联网的性能监测方法，监测指标

包含接收灵敏度、同频干扰与临频干扰。

3．1接受灵敏度监测

S是可用灵敏度所对应的射频信号源输出信号电

平(dB∥)，y与∥是步骤5中记录的射频信号源输出

信号电平(dB∥)；

(7)对于经天线端口连接的测量，记录步骤6中的

计算结果为可用灵敏度(dB¨ ．v)；对于经过RFCD耦合

的测量，根据RFCD的校准参数，将步骤6中的计算结

果等效折算为接收机输入信号电平后记录为可用灵敏

度(dB恤V)。

接收灵敏度是指接收机能够正确地把有用信号拿

出来的最小信号接收功率，接收灵敏度监测方法设计

如下：

设备l为数据信号控制源，控制射频信号源产生

指定速率的信号；设备2是射频信号源(或等效的无线

电综合测试仪)，产生标准调制信号；设备3为被测通

信单元的接收部分；设备4为射频耦合装置(Radio

FreqIlency Couphng Device，RFCD)，应用于接收机使用

整装天线的情形，此时测量设备不是直接通过传输线

与接收机的连接而是通过RFCD接收射频信号输人；

设备5为误码测试仪，实现对信号的误码测试；设备6

为外置电源，可为被测试设备提供试验电压；设备7为

电流表；设备8为示波器。

同频干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频

相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。

临频干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频临

近，并对接收临频有用信号的接收机造成的干扰。同

频干扰与临频干扰监测方法设计如图6所示。

l信号源1}PuT

一

、

’、，，

。

＼

I二?l}合路器}j；通信模块LJ计算机1

j：

1．

；

_，＼一，～／

信号源2}6Lrr

监测步骤：

图6 同频干扰、临频干扰监测装置连接示意图

Co· ch锄ml inte如rence舳d ch蛐ml

(1)按图5进行配置，设定接收机被测信道，静噪

完全开启；

Fig．6

adjacent

device c伽nection

intedbmnce

monitoring

dia雩群岫

3．2同频干扰监测

2二一；1

1{_一一j

，j

_ 万_习：t—s?

信号源l产生工作信号，信号源2产生干扰信号。

配置通信模块工作频点与工作信号频点为相应监测频

点。电平为接收灵敏度加6 dB。干扰信号为单音信

号，频率与工作信号频率相同。

i一一‘i一。。二j{L

图5灵敏度监测配置

Fig．5 Sensitivity啪ni丽ng configuration

增加干扰信号电平值，直至通信模块侧出现连续3

个丢包；

(2)数据信号控制源发送信号指令，控制射频信号

源输出被测试信道频率的标准调制信号；

(3)误码测试仪设定为每次接收一个信号参考

序列；

调整工作信号频率与干扰信号频率可以监测其他

频点同频干扰。

3．3临频干扰监测

配置通信模块工作频点与工作信号频点为测试频

点，电平为接收灵敏度加3 dB；干扰信号为单音信号，

设置频率与工作信号频率临近。

(4)射频信号源输出信号电平预置为预期的可用

灵敏度值(可参考产品指标)，使接收机误码率接近参

考误码率；

增加干扰信号电平值，直至通信模块侧出现连续3

(5)按每次O．5 dB的步值增减射频信号源输出信

号电平，如能使误码率恰好等于参考误码率，则记录此

个丢包；

调整工作信号频率与干扰信号频率可以监测其他

频点临频干扰。

时的电平信号为y(dB∥)。当相继两次增减信号电

平测得的误码率跨越参考误码率时，记录较低的信号

4结束语

电平y。(dB∥)；

窄带物联网作为一种新型物联网技术，是否可适

(6)射频信号源输出信号电平(即可用灵敏度)可

一85—

万方数据

V01．56 No．6

Mar．25．2019

第56卷第6期

2019年3月25日

电测与仪表

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带物联网在用电信息采集系统中应用的部署场景与方

式，认为目前窄带物联网更适用于具有“电池供电、低

速率业务需求、低频数据采集、时间延迟不敏感、不需

要下发控制、海量终端接人、终端成本敏感、需深度覆

盖”的场景。同时，提出了窄带物联网的接收灵敏度与

同、临频干扰监测方法。性能监测方法的设计有助于

在未来窄带物联网应用过程中跟踪验证窄带物联网通

信设备性能，及时定位设备故障，为窄带物联网的网络

建设提供技术支撑。

ca州er co咖unication

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一86一

万方数据

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用电信息采集系统窄带物联网可行性研究

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