基于NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集方式的研究

張昊元

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局 廣東 河源 517000

引言

我國相比西方發(fā)達國家來講，電能計量自動抄表技術(shù)起步較晚，很多企業(yè)仍舊延續(xù)傳統(tǒng)人工抄表，這樣反而會影響電表數(shù)據(jù)傳遞的及時性。所以筆者提出一些個人觀點，主要基于NBIoT-LoRa電能數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品展開研究，并對其特點、功能特點加以分析，希望可以實現(xiàn)低消耗的目的，確保電表數(shù)據(jù)實時傳遞。

1 NBloT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品概述

NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品是一款采用NB-IoT通信技術(shù)的電能表采集模塊，如今被我國電力企業(yè)所重視，可直接應(yīng)用于國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)智能電能表上，可以降低抄表人員工作難度系數(shù)。該模塊具有NB-IoT設(shè)備的海量接入、快速部署、統(tǒng)一開放平臺和低成本安裝等優(yōu)勢?，F(xiàn)如今市場競爭趨勢日漸加劇，企業(yè)要想長久的立足于市場中，應(yīng)加強對NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的研究和推廣。其中本模塊可通過NB-IoT運營商網(wǎng)絡(luò)主動上報電能表日凍結(jié)數(shù)據(jù)到主站抄表平臺上，此期間并不需要其他的中間設(shè)備，節(jié)省設(shè)備使用成本支持[1]。另外，NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品主要是結(jié)合了電能表的內(nèi)置或外置開關(guān)以及后臺軟件，不同于傳統(tǒng)人工采集，它的應(yīng)用可以進一步擴展支持遠程預(yù)付費的管理功能。

2 NBloT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品特點

產(chǎn)品采用了工業(yè)級NB-IoT芯片，具有NB-IoT所有特性，同時國內(nèi)運營商全頻帶支持，能夠滿足電力企業(yè)發(fā)展需求。同時產(chǎn)品還支持OceanConnect、CTWing和OneNET等多個運營商IoT平臺，極大的為電能數(shù)據(jù)采集提供了便捷。其次，產(chǎn)品具有低功耗運行的優(yōu)點，它可以支持PSM/DRX/eDRX多種模式切換，彌補了傳統(tǒng)模式上的不足。同時具有成本低、運行效益高的優(yōu)點。再次，產(chǎn)品往往是依托運營商網(wǎng)絡(luò)，并不需要安裝其他的設(shè)備，如：網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，產(chǎn)品的通信資費相對較低且信號覆蓋廣，同頻段下比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益20DB，提升100倍覆蓋區(qū)域能力。最后，產(chǎn)品還可以提供海量連接的，NB-IoT單扇區(qū)容量可支持5萬個連接。配套后臺主站系統(tǒng)提供強大而便捷的遠程管理。

3 NBloT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品功能特點

電力企業(yè)應(yīng)加強在NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的研究，產(chǎn)品功能特點有很多，主要體現(xiàn)在以下幾方面。首先，產(chǎn)品的自適應(yīng)串口波特率，可以實現(xiàn) 1200bps，2400bps，4800bps，9600bps和19200bps五種通信速率的自動配，還支持24小時周期性上報電能表日凍結(jié)數(shù)據(jù)。產(chǎn)品主要是通過NB-IoT信道，實現(xiàn)遠程實時抄讀、跳合閘、事件上報與查詢、參數(shù)查詢設(shè)置和計劃任務(wù)查詢設(shè)置等功能，可以滿足工作人員需求。其次，產(chǎn)品可以通過GFSK微功率無線本地通信單元，實現(xiàn)本地抄表、計劃任務(wù)查詢設(shè)置等功能。最后，產(chǎn)品功能特點還體現(xiàn)在其他方面，它支持FTOA遠程增量升級功能，軟件可維護性也比較強大，可擴展支持停電上報功能。

4 雙模遠程抄表系統(tǒng)構(gòu)架

4.1 系統(tǒng)整體構(gòu)建及功能

電力企業(yè)還需要加強對雙模遠程抄表系統(tǒng)構(gòu)架的研究，它的組成比較復(fù)雜，其中終端智能電表系統(tǒng)是其主要構(gòu)架之一，在電力傳統(tǒng)系統(tǒng)架框中，它主要是以終端電表-采集器一集中器多級采集方式進行遠程抄表。電表和集中器之間主要是采用了PLC、RS485等有線方式進行連接，可以極大地滿足電能量數(shù)據(jù)采集工作實際需求，為電力工作人員工作質(zhì)量的提高奠定基礎(chǔ)。此系統(tǒng)是通過GPRS/3G/4G方式將數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)然也存在中一些不足的地方，常見問題：數(shù)據(jù)中繼環(huán)節(jié)多、線路復(fù)雜。雙模遠程抄表系統(tǒng)的功能是比較強大的，主要是將采集到的電表數(shù)據(jù)，通過中國移動5G通信基站直接上傳至電力計量主站系統(tǒng)，電力工作人員可以更好地掌握電表數(shù)據(jù)的實際變動情況[2]。針對雙模遠程抄表系統(tǒng)還應(yīng)加強管理，應(yīng)保持系統(tǒng)新架框及管理模式與傳統(tǒng)模式相同，為后續(xù)電能量數(shù)據(jù)采集工作的順利開展提供方便，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)建

4.2 用戶終端智能電表系統(tǒng)

為進一步滿足廣大用戶生活用電需求，企業(yè)應(yīng)完善雙模遠程抄表系統(tǒng)，其中用戶終端智能電表系統(tǒng)是電網(wǎng)的智能終端，它主要是由電表和通信模塊組成，它的功能也是比較多的，除了具備傳統(tǒng)電能表用電量的計量統(tǒng)計功能以外，還具有用電信息存儲、雙向費率計量、用戶端控制及多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等功能，提高了電能量數(shù)據(jù)采集工作水平，可以更好地適應(yīng)智能電網(wǎng)和新電網(wǎng)平臺的使用。

4.3 電力采集虛擬臺區(qū)服務(wù)器及電力計量主站系統(tǒng)

虛擬臺服務(wù)器是雙模遠程抄表系統(tǒng)的主要構(gòu)架之一，電力管理人員也一個注重對該系統(tǒng)的研究。其中，此系統(tǒng)的工作原理是在接收到智能電表系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過一系列的解密、分區(qū)、處理之后，進一步將所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)及時的上傳至電力計量主站系統(tǒng)，為電力人員管理工作提供更多的數(shù)據(jù)支持，通過數(shù)據(jù)分析，可以更好地掌握數(shù)據(jù)變化的具體原因，進一步完善工作方案。其中電力采集虛擬臺區(qū)服務(wù)器包含多個虛擬臺區(qū)，工作人員應(yīng)確保這些虛擬臺區(qū)的完善性，這有助于保持電力計量主站系統(tǒng)所接收到的數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。而電力計量主站系統(tǒng)作為電力企業(yè)發(fā)展中的一個重要設(shè)備，它會對各臺區(qū)用戶用電情況進行實時匯總、收集、分析以及處理，最后通過有效的處理實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)處理能力的目的。

5 通信模塊硬件關(guān)鍵模塊原理設(shè)計

5.1 NBIoT模塊選型

電力企業(yè)應(yīng)根據(jù)工作實際需求去選擇適合的模組，通常情況下，可以選擇NBIoT模塊，進而為電能量數(shù)據(jù)采集提供支持，為了降低問題發(fā)生概率，電力工作人員此時應(yīng)確保電源電壓跌落不低于模塊最低工作電壓3.1V，進而確保電電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，為了確保更好的電源供電性能，在模塊VBAT輸入端采用并聯(lián)分級電容濾波，關(guān)乎電力企業(yè)的發(fā)展，相關(guān)工作人員應(yīng)給予高度的重視。而在靠近VBAT輸入端可以使適當(dāng)?shù)脑黾右粋€TVS管，其主要作用是提高模塊的浪涌電壓承受能力，確保系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。對電力資源的需求量變大，為了確保供電的穩(wěn)定性，電力企業(yè)NBIoT模塊選型時應(yīng)使用WS4.5DPV，原則上，VBAT走線越長，線寬越寬。截止目的，大多數(shù)企業(yè)都采用MAXM公司的MAX705芯片，具有很多優(yōu)點，其具有結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富的優(yōu)點，特別適用于電力企業(yè)電能量數(shù)據(jù)采集，可以極大地提高系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確度[3]。

5.2 433M無線模塊選型

433M無線模塊選型對于電力企業(yè)很重要，目前電能量數(shù)據(jù)采集工作量較大，以往人工采集工作難度系數(shù)較大，會因人為因素影響致使最終的數(shù)據(jù)缺乏真實性，故而為了提高數(shù)據(jù)采集工作質(zhì)量，電力工作人員應(yīng)做好433M無線模塊選型。其中433M模塊選用芯科科技的Si4438芯片，Si4438具有寬電壓、低功耗、無線覆蓋頻段廣等特點，可以為電能量數(shù)據(jù)采集工作帶來巨大的支持，而該模塊特別適用于電表模塊，電力企業(yè)應(yīng)加以推廣。

6 基于NBloT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集上傳模塊軟件關(guān)鍵設(shè)計

6.1 定時上報

為了確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)做好NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集上傳模塊軟件關(guān)鍵設(shè)計[4]。其中定時上報、峰值錯開其是設(shè)計是需要關(guān)注的點。近年來，隨著我國人口密度的上升，用電人數(shù)與日舉措，導(dǎo)致電力終端用戶量非常龐大，為了確保數(shù)據(jù)上傳的及時性，對服務(wù)器配置要求非常高，電力企業(yè)應(yīng)加強NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集模塊的研究，通過做好相關(guān)設(shè)計，可以在規(guī)定時間內(nèi)隨機性采集上傳，因為軟件主要是采用了隨機軟件算法控制，直至全部采集完成，錯開同時上傳數(shù)據(jù)的峰值，有助于降低傳輸鏈路與服務(wù)器的峰值壓力。

6.2 雙向通信

雙向通信是NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集上傳模塊軟件關(guān)鍵設(shè)計重要環(huán)節(jié)，電力企業(yè)工作人員應(yīng)基于NB-IoT傳輸模式強化管理，在進行數(shù)據(jù)采集的同時通信模塊發(fā)揮著至關(guān)重要的重要，它可以接收前端計量系統(tǒng)平臺的指令，從而得以實現(xiàn)智能電表雙向通信與遠程控制，的，這對于電能量數(shù)據(jù)采集工作的順利進行有助推作用。

6.3 報文加密功能

截至目前，NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集上傳模塊軟件關(guān)鍵設(shè)計備受電力企業(yè)重視，這直接關(guān)乎經(jīng)濟效益。其中報文加密功能是模塊關(guān)鍵設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，此系統(tǒng)能夠?qū)L645報文進行加密處理，隨后進行傳輸，這有助于保證信息安全性與完整性。

7 結(jié)束語

綜上所述，基于NBIoT-LoRa電能量數(shù)據(jù)采集方式未來有著較好的發(fā)展前景，會是未來5G技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的主要技術(shù)方向，所以電力企業(yè)要想在瞬息萬變的市場中站穩(wěn)腳跟，應(yīng)加強對其研究。其中NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢之多，應(yīng)充分利用優(yōu)勢確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見優(yōu)勢有：5G結(jié)點總流量可限定、智能終端維護及流量支出費用可控制技術(shù)特色，它的積極應(yīng)用可以促進此技術(shù)大規(guī)模發(fā)展，這對于我國電力企業(yè)發(fā)展具有重要的意義。