1. 引言
电力行业作为社会基础产业，是国家发展的命脉产业，随着中国经济社会高速发展，电力需求日益增长，中国电力工程建设进入快速发展期。电网是一个庞大而复杂的系统，要保证其安全、高速、有效的运营，就必须对线路、设备等各种资产的信息有准确、高效的获取能力，进而达到对系统各要素资源的合理分配 [1] [2] 。虽然目前2G/3G技术已经在电力通信系统中得到了应用 [3] ，例如：远程抄表、配网自动化、设备监控等业务领域，且4G技术也在多地有覆盖试点 [4] [5] [6] ，但随着电力行业物与物之间通信点爆炸式的增长，传统蜂窝通信技术已经无法满足电力业务全采集、全覆盖的需求 [7] 。NB-IoT技术与传统蜂窝通信技术相比，具有很多优势：强覆盖、大容量、低成本、低功耗等 [8] [9] [10] 。因此，研究NB-IoT技术在电力行业的应用是物联网通信技术发展到一定阶段后的必然结果，将窄带物联网技术与电力业务需求相结合，使NB-IoT技术更好的服务于电力系统，以满足输电线路在线全监控、用电计量、智能巡检等业务的需求。
2. NB-IoT在电力行业中的应用优势
NB-IoT是2015年9月在第三代合作伙伴(3GPP)标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN (Low-power Wide-Area Network，低功耗广域网)技术，是在LTE演进的分组核心网(EPC)网络架构的基础上，结合自身的广覆盖、低功耗、大连接等特点，对现有4G网络架构和处理流程进行了优化的新一代无线带宽技术。根据目前主流无线通信技术在电力行业的应用情况，再结合NB-IoT的技术特点，NB-IoT技术相对于传统蜂窝通信技术在电力行业中的主要应用优势如下：
1) 超强覆盖
目前，基于GSM/GPRS通信技术的远程自动抄表在电力行业中已经实现，然而在实际检测中发现，在信号覆盖不好的地区，由于受到干扰、屏蔽的影响导致抄表成功率低下。传统蜂窝通信技术的信道带宽是180 KHz，但NB-IoT技术通过上下行物理信道格式、调制规范的重新定义，使得上下行控制信息与业务信息可以在更窄的带宽中发送，相同发射功率下的PSD (Power Spectrum Density，功率谱密度)增益更大。例如，当NB-IoT用3.75 KHz的信道子带宽去承载数据时，在相同的发射功率下，NB-IoT的功率谱密度比传统蜂窝通信技术高出48倍，即其PSD增强17 dB。与此同时，NB-IoT引入重复发送的编码方式和上行接收分集，可以重复提升信道条件恶劣时的传输可靠性以及覆盖强度。
2) 低功耗
在物联网终端需采用电池供电，设备长时间工作的背景下，NB-IoT技术除了空闲状态外，还引入了PSM (Power Saving Mode，功率节省模式)和eDRX (Enhanced Discontinuous Reception，增强型非持续性接收技术)，能让终端在普通电池的供电情况下续航10年以上。PSM技术使得终端在非业务期间深度休眠，不接受下行数据，只有在TAU (Tracking Area Update，追踪区更新)定时器超时或者终端主动发数据时终端才被唤醒。eDRX技术使得物联网终端只在每个eDRX周期内的寻呼时间窗口(PTW)监听寻呼信道，其他时间深度休眠。
3) 大容量
NB-IoT技术的大容量主要是由于高功率谱密度带来极度覆盖下更高的频谱效率，以及具有更小的资源粒来降低小包传输下的资源浪费。此外，NB-IoT信令流程简化与数据承载优化亦增大了其容量，据3GPPTR45.820定义的NB-IoT话务模型仿真，小区容量可达10量级。
4) 低成本
国内应用较多由于NB-IoT系统是在LTE演进的分组核心网(EPC)的基础上优化而来，所以可直接部署于2G/3G/4G网络，现有的射频和天线可以直接复用。此外，协议栈和射频以及基带处理复杂度的简化，进一步的降低了NB-IoT芯片的成本。因此，快速形成NB-IoT承载能力的建设成本将远小于其它物联网技术，NB-IoT与LTE能力差异如表1所示。
在电力行业中，类似于智能抄表等业务一般除了具有时延的低敏感性、终端高复杂性、速率低要求性等特点外，还对地下室等场景的覆盖能力、终端成本高低、终端续航能力等方面提出了更高的要求。因此，为了更好的满足上述要求，NB-IoT所具有四大特性能较传统蜂窝通信技术在电力行业中能得到更好的应用。
3. 电力业务的需求分析
目前，随着电力行业的高速发展，海量的电力终端设备需要传输他们的数据，而不同电力环节的通信业务需求不同。本节将分别对输电、变电、配电和用电环节中对NB-IoT的通信需求进行建模分析。
3.1. 输电业务的需求分析
输电业务是实现负荷中心与电源中心电能传输的重要环节，输电线路状态监测是保障电力业务平稳运行的必要措施，通过各种传感器采集数据发送到云端，实现对输电线路状态及周围环境的监控。输电线路监测系统的主要业务有绝缘子污秽监测、覆冰雪监测、避雷器监测、图像监控等业务。其中，图像/视频监测业务是要求实时监控，其业务优先级最高，占用最大的上行带宽。除图像/视频监测业务外的其他监测业务所占上行带宽极小，并且是间隔监控，不需要保证传输速率。
Table 1. A list of differences between NB-IoT and LTE
表1. NB-IoT与LTE能力差异表
以覆盖半径为5 Km的小区为例，输电线路的档距为500 m，单个扇区内，共计有20个档距，即单个小区内输电线路的所有传感器节点数是2000个左右，以泊松分布估计每秒内的传感器(除去实时视频监控)并发上行数是非常低的，将并发上行传输的节点数放宽条件至每秒内均存在一个杆塔上传其所有监测点的数据。则该小区的上行带宽需求约为40 Mbps，下行带宽需求为0.1 Mbps，如果去除图像/视频监测业务，那么该小区是上行带宽需求不大于40 Kbps，下行带宽需求为0.01 Mbps。
根据上述输电业务模型的分析以及综合NB-IoT技术的特性，考虑到输电业务一般以自主周期性上报为主，除图像/视频监测业务外的其他业务对速率要求低，且对时延低敏感，待机时间较长。因此，NB-IoT技术适合承载输电业务中除图像/视频监测业务的所有其它监测业务。
3.2. 变电业务的需求分析
变电是对经过远距离传输的高电压进行降压处理，以达到最终被电力设备使用的必需过程。变电的通信业务包括对变电站设备监视的信息运行类业务、对变电站设备控制的运行控制类业务，以及高级量测类业务三大类。具体来讲，可分为设备运行状态及运行测量检测业务、故障录波业务、继电保护、调度自动化等业务。
以单个变电站为例，需要监测及计量的设备和回路数分别为10和5，调度群组个数为5，单设备的监控(含视频监控)及电量采集业务所占带宽0.4 Mbps，单回路的故障录波与继电保护以及负荷管理业务所占带宽0.1 Mbps，调度自动化业务所需带宽约为2 Mbps，单群组调度电话业务所需带宽为0.1 Mbps，可得单个变电的上行带宽需求约为7 Mbps。考虑到应急情况下，调度数据的激增，单个变电站的上行带宽需求约为10 Mbps。
通过上述变电业务的建模分析，变电业务中信息运行类业务与高级测量类业务都是以数据采集上报为主，下行则是控制指令发布，但单个设备的监测业务中都含有视频监控，不利于用NB-IoT技术承载。运行控制类业务中的调度自动化业务对时延要求较高，且对速率需求较大。考虑到NB-IoT技术的对时延低敏感、低速率的特性，总体而言，NB-IoT技术不适合来承载变电业务。
3.3. 配电业务的需求分析
配电是电力系统中经变电降压处理后直接与用户相连并向用户分配电能的重要环节。配电设备大多运行在户外，因此，配电通信系统在覆盖全部配电自动化终端的基础上，充分考虑并满足配变监测、质量监测、监控运行等业务的高可靠性需求。其中，配变监测业务主要实现开闭站、环网柜、箱式变电站等设备信息的采集与控制。
以单个一般变电站的配电线路为例：1座变电站32条配电出线，每条配电线路上开闭站2座，环网柜8座，箱式变电站30座，柱上开关15台，杆上变压器50台，分布式电源接入点中遥测点和遥信点的个数分别为32和16。按每个遥测信息需要用2字节信息量，8个遥信信息需要1个字节，遥控信息需要5个字节，每个电度量4个字节，按照所有信息点测量均需3秒上传计算。最后，综合各因素得出单个变电站的配电自动化业务带宽流量约为800 kbps左右，电能质量监测业务所需带宽为100 kbps左右，分布式电源控制业务所需带宽流量为20 kbps左右。而配电监控运行业务按平均每条配电线路2个开闭所考虑，由于视频与语音业务的存在，计算得每条配电线路流量约为4.5 Mbps。
结合上述配电业务的建模分析，配电通信业务中通信节点极多，尤其是配电监控运行业务中视频与语音业务的存在，对通信速率需求较高，而其它监测业务与调度业务对时延较敏感。因此，综合考虑到NB-IoT技术对时延低敏感、低速率的特性，NB-IoT技术不适合用来承载配电业务。
3.4. 用电业务的需求分析
用电是整个电力网络中直接面向社会，为广大用户提供高质量用电服务的重要环节。良好用电通信系统能有效的提高用电自动化水平，进而实现人与物的互动，推动终端用户向用电节能模式的转变。目前用电基础业务主要包括：售电抄表、售电营业、用电查询及缴费业务等。
以一个覆盖半径为500 m，普通居民用户数大约2000户，商业用电数在200户左右的典型城市小区为例。其总上行带宽需求为5.7 Mbps左右，下行带宽为0.3 Mbps左右，其中用电基本业务流量仅包括用电信息采集的电能表每日零点冻基本业务数据项，需信道带宽预估为0.5 Mbps；而用电信息查询与发布业务以及多渠道缴费业务仅需流量60 Kbps左右。
依据上述用电业务的建模分析，用电环节的电力通信业务对实时性的要求均不高，除视频监控业务外，信息通信速率也不高。因此，考虑到NB-IoT技术低峰值速率与对时延低敏感的技术特性，NB-IoT技术适合用来承载用电信息查询与发布业务以及多渠道缴费业务。
综合上述对四种电力业务的分析，电力业务与通信技术匹配建议表如表2所示。
4. NB-IoT在电网中无线网络覆盖规划研究
通过上述对电力业务的详细分析，输电业务中的监测业务与用电业务中的用电信息查询业务都对时延低敏感、速率需求低、覆盖要求广。因此，为了进一步验证NB-IoT技术对上述两种业务承载的可能性，本节将构建偏远农村和密集城区两个典型的应用场景进行仿真分析。
4.1. 农村地区业务需求及NB-IoT承载分析
农村地区地势起伏不平，输电线路容易受到地形等环境因素的影响，此外农村地区居民分布极为杂乱，因此，高效的输电线路监测与用电信息采集将有效的提升电力行业的管理能力以及用户体验。表3给出了农村地区输电线路监测业务与用电信息采集业务并存状态下的业务带宽需求。
Table 2. A matching table of electric power business and communication technology
表2. 电力业务与通信技术匹配表
Table 3. Bandwidth requirements in a rural area
表3. 农村地区业务带宽需求
由表3可以看出，如果仅同时支持输电线路监测业务与用电信息采集业务，其所需上行带宽总和是60 Kbps左右，下行所需总带宽10 Kbps左右。结合NB-IoT技术特性及峰值速率考虑，NB-IoT技术能较好的完成对上述建模方案的支持。
以某农村地区为例，考虑单个基站区域的900 MHz频段下的覆盖情况，如图1和表4所示，其覆盖区域内的信号场强大于−105 dBm的面积达到近100 Km2，比同频段下TD-LTE基站覆盖范围大30 Km2左右。且根据人口密度统计显示，1000户农村居民占地20 Km2左右，因此，NB-IoT技术的广覆盖特性能很好的满足农村地区的通信需求。
4.2. 密集城区业务需求及NB-IoT承载分析
密集城区人口分布集中，供电系统瘫痪将对城区居民的生活带来巨大的不良影响，因此，密集城区对用电的安全性、稳定性、经济性提出了更高的要求。假设在半径为1~2 Km的密集城区，区域内存在3000户左右的普通用电用户，在仅考虑输电线路监测与用电信息采集业务的情况下，表5给出了密集城区业务带宽需求。
Figure 1. Cellular coverage overlay in a rural area
图1. 某农村地区信号场强覆盖图
Table 4. Cellular coverage in a rural area
表4. 某农村地区信号场强覆盖情况
Table 5. Bandwidth requirements in a urban area
表5. 密集城区业务带宽需求
从表5可以看出，如果同一时刻支持输电线路监测与用电信息采集业务所需的带宽为100 Kbps左右，超出了NB-IoT的峰值速率，但考虑到输电线路监测与用电信息采集业务都是周期行业务，可以通过错开发送周期时间来达到不并发发送数据的目的，从而使得NB-IoT亦能很好的承载密集城区内的输电线路监测与用电信息采集业务。
对密集城区的信号质量进行考察，在900 MHz频段下单个基站场强值大于−105 dBm的覆盖范围如图2所示。根据人口密度统计显示3000户密集城区居民占地约10 Km2左右，通过表6可以看到，单基站下10 Km2以内的信号强度都大于−75 dBm，因此，NB-IoT技术能很好的满足密集城区的实际覆盖能力。
4.3. 部署方案
4.3.1. 建设方式
NB-IoT组网建设方案可分为新建、基于GSM建设以及基于TD-LTE升级，比较见表7。
通过表7对比分析，基于GSM升级建设NB-IoT会影响GSM的网络性能，因此建议采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE升级的方式建设NB-IoT网络。
4.3.2. 站址选择
考虑到900 MHz频段的覆盖能力强于1800 MHz，且电力设备对通信的覆盖要求较高，频段首选900 MHz。经仿真测量统计，在900 MHz频段，NB-IoT在密集城区最大覆盖距离约是TD-LTE的3倍左右，在农村最大覆盖距离约是TD-LTE的5倍。同时TD-LTE站点的站间距远远小于TD-LTE的最大覆盖距离，因此只需要在不同地区选取一定比例的TD-LTE站点部署NB-IoT即可达到覆盖要求。考虑到密集城区电力设备对通信要求较高，建议先在密集城区使用现有TD-LTE站址的40%来实现城区的NB-IoT覆盖，后在农村地区使用现有TD-LTE站址的20%来升级NB-IoT，局部特殊地区可以根据具体电力业务需求情况部署NB-IoT站址。
4.3.3. 不同速率物联网解决方案
根据电力业务对速率要求的不同，可提供不同的物联网解决方案。对于高速率(大于1 Mbps)、实时性有要求的视频监控业务及调度自动化业务等，可以使用现有的TD-LTE网络提供高速率的数据服务；对于中等速率(大于60 kbps且小于1 Mbps)的业务，可以使用对现有TD-LTE网络进行软件升级的eMTC (enhanced Machine-Type Communication，增强机器类通信)网络，eMTC技术通过多次重传、降低带宽等技术提供深度覆盖能力；对于低速率(小于60 kbps)的电力业务，如智能抄表等，可以用NB-IoT技术承载。
5. 结束语
本文通过深入分析NB-IoT技术的特性与电力行业中不同环节的业务带宽需求，发现NB-IoT技术能很好的承载电力行业中的输电线路监测业务(除视频/图像实时监控外)与用电信息采集业务，并在此基础
Figure 2. Cellular coverage in a dense urban area
图2. 某密集城区信号场强覆盖图
Table 6. Cellular coverage in a dense urban area
表6. 某密集城区信号场强覆盖情况
Table 7. Comparison among different NB-IoT construction schemes
表7. NB-IoT组网建设方案比较
上提出用NB-IoT技术承载电力业务的部署方案。
通过此研究，能够较好地将NB-IoT技术联系到电力行业中各个相适应的环节中，以利于电力行业的信息交换与管理。除此之外，面对不同通信要求的电力业务，NB-IoT技术与其它通信技术组网过程中产生的同频干扰问题，以及单用NB-IoT技术承载多速率电力业务将是未来重点研究方向。
基金项目
国网科技项目“面向电力移动互联应用的4G多业务承载关键技术研究(SGRIXTKJ [2015] 349号)”。