肖祖才

(貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

電力行業(yè)是我國經濟的重要組成部分。電力行業(yè)的發(fā)展依賴于高效的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)作為工業(yè)物聯網的主要創(chuàng)新應用[1]，可以通過物聯網技術將電網中的各種設備連接起來，從而形成智能電網。傳統(tǒng)的電力信息采集主要依靠人工來完成，存在工作效率低的缺點，并且會導致勞動力的浪費[2]。為了智能化地采集用電信息，有必要建立基于窄帶物聯網(narrow band Internet of Things，NB-IoT)的智能電表網絡。

對于這項工作，國外的電力行業(yè)比較早地開展了研究。歐盟依據《可持續(xù)的、競爭的、安全的歐洲能源策略》，要求所有成員國在2020年底的智能電表應用率達80%[3]。同時，意大利電力公司在2002年安裝了大約3 000萬臺的終端電表，并搭建了電力的智能化網絡[4]。而在美國，科羅拉多州已在2008年率先完成了智能電網的部署[5]。智能電網可以獲取全部家庭的用電信息，用戶可自主使用電力資源。國內的智能電表從20世紀90年代開始發(fā)展。目前，基于無線公網技術的終端電表充斥電力市場。但是由于成本過高，電力公司開始著力于發(fā)展自己的電力網絡，以實現智能化的用電信息采集。中國移動、中國電信、中國聯通三大電信運營商積極布局NB-IoT行業(yè)，發(fā)布了各自的NB-IoT商用計劃[6]。國家電網公司也已經發(fā)布《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)系列標準》,用于規(guī)范整個市場環(huán)境[7]。

本文基于NB-IoT技術，對用電信息采集的終端電表進行研究：首先，分析了用電信息采集系統(tǒng)的架構；然后，對系統(tǒng)的硬件電路和嵌入式軟件進行設計；最后，構建了各模塊之間的邏輯處理結構。通過對整個用電信息采集系統(tǒng)進行功能測試，本文驗證了終端電表的數據傳輸等功能。

1 NB-IoT技術概述

1.1 NB-IoT網絡規(guī)劃

NB-IoT基于第四代長期演進(the 4th generation long term evolution，4G LTE)技術的通信架構，以及低功耗和大連接的應用場景[8]，實現流程優(yōu)化。NB-IoT的網絡規(guī)劃是通過空口連接到通信基站并由S1接口與核心網相連。LTE網絡包含了S1接口、Uu接口等。電力業(yè)務的處理通常采用T6接口進行移動管理節(jié)點(mobility management entity，MME)和服務能力暴露功能(service capability exposure function，SCEF)模塊之間的通信傳輸。這種方式傳輸的數據通常為非互聯網協(xié)議(Internet protocol，IP)數據。通過對NB-IoT系統(tǒng)進行優(yōu)化，可提高小分組數據的傳輸效率。

NB-IoT網絡架構如圖1所示。圖1中，NB-IoT網絡架構包括第三方應用服務器(application server，AS)、應用程序接口(application program interface，API)、蜂窩網服務網關(cellular serving gateway，C-SGW)和公共數據網網關(packet data network gateway，PGW)。從鄰頻保護和覆蓋深度上考慮，本文采用1∶1的組網方式。該組網方式可達到99%的網絡覆蓋率。同時，為了應對同頻干擾，NB-IoT增加了異頻組網功能。

1.2 NB-IoT鏈路設計

NB-IoT的鏈路設計分為上行鏈路設計與下行鏈路設計[9]。下行鏈路設計采用正交相移鍵控進行調制，以正交頻分多址的方式實現通信傳輸功能，傳輸速率在160～250 kbit/s之間[10]。本文研究的NB-IoT系統(tǒng)取消了下行通道鏈路。上行鏈路設計采用的是二進制相移鍵控調制方式，并利用單載波頻分多址技術進行傳輸；同時，為了提高覆蓋增強的效益，設置3.75 kHz的子載波間隔，傳輸速率在160～200 kbit/s之間[11]。為了降低系統(tǒng)的復雜度、減少終端的成本，其上行鏈路和下行鏈路都只保留了很少的物理信道與信號，并對物理信道引入了重傳機制。NB-IoT的空口高層特性是利用簡化后的長期演進(long term evolution,LTE)控制機制降低系統(tǒng)的復雜度[12]。

2 用電信息采集系統(tǒng)架構

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

本文基于NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)架構，由終端電表、NB-IoT云平臺、NB-IoT網絡以及Web應用軟件組成。NB-IoT網絡實現電力授權的頻譜組網模式，為整個運行網絡提供通信保障。NB-IoT工作于頻分雙工長期演進(frequency-division duplex long term evolution，FDD LTE)、時分雙工長期演進(time-division duplex long term evolution，TDD LTE)、時分同步碼分多址(time division-synchronous code dvision multiple access，TDSCDMA)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)、碼分多址(code division multiple access，CDMA)、全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communications，GSM)的工作頻段。終端電表主要用于采集用電信息，以及通信命令的接收與執(zhí)行。物聯網云平臺主要作為整體系統(tǒng)運行的中間橋梁。依托物聯網云平臺，可以將終端電表與Web應用軟件連接起來。Web應用軟件可實現數據用戶的管理與數據可視化功能?？傮w而言，在不影響現有電力數據任務采集的條件下，擴展采集任務支持滿足NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)新增的數據項目，如負荷感知數據、告警數據等。系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構圖

2.2 用電信息采集功能設計

本文設計的基于NB-IoT的用電信息采集系統(tǒng)的重點開發(fā)工作為終端電表部分。終端電表除了支持RS-485通信以及紅外通信之外，內置的NB-IoT通信單元支持電能表通過NB-IoT與主站進行通信，完成數據的交互。其基本通信功能包括數據采集、數據處理與存儲、參數設置、數據傳輸、終端維護等。用電信息采集功能依靠電能計量電路實現。電能計量電路由電流互感器、電壓互感器和專用電能計量芯片組成。負載電流經過電流互感器轉換成電流信號。該信號被傳送至計量芯片中。專用電能計量芯片對電流值進行記錄。當電壓信號通過電壓互感器時，濾波電路和降壓電路會對其進行處理，并將其送入計量芯片中，以記錄電壓值。同時，電能計量芯片也會計算出有功功率等數值。用電信息采集與計量流程如圖3所示。

圖3 用電信息采集與計量流程圖

專用計量芯片實現了高速模/數轉換器(analog-to-digital converter，ADC)采樣，采用磁隔離的通信方式實現計量芯片與主微控制單元(microcontroller unit，MCU)的高速數據交互。主MCU內置的負荷辨識算法對實時采集到的原始數據進行用電負荷辨識。用電負荷實時采集原理如圖4所示。用電負荷實時采集功能借助電能表，通過負荷數據的采集、負荷特征的提取、數據交互、結果輸出四個步驟，對用戶各類用電負載情況進行實時監(jiān)測與分析。

圖4 用電負荷實時采集原理圖

3 采集系統(tǒng)的軟硬件設計與實現

3.1 控制和通信模塊的設計與實現

主控制模塊是終端電表中的設計重點，是整個電路的控制中樞，主要完成用電信息的采集與上報，以及電路命令的接收與執(zhí)行。主控制模塊由微控制器、溫濕度傳感器、降壓穩(wěn)壓器、復位以及時鐘模塊等組成。主控制模塊設計如圖5所示。

圖5 主控制模塊設計圖

本文設計的終端電表的微控制器采用美國德州儀器公司的MSP430F5438A微處理器模塊，并通過STH20溫濕度傳感器完成溫濕度參數的采集。STH20與微控制器MSP430F5438A的連接方式為主從模式，在溫濕度測量后才與微控制器進行通信，實現數據傳輸。MSP430F5438A微處理器的輸入電壓為1.8～3.6 V。主控制器模塊采用AMS1117-3.3芯片完成降壓穩(wěn)壓電路的設計。

NB-IoT無線通信模塊采用移遠公司的BC95-B5通信模組。通信模組的接收頻率保持在869～894 MHz，發(fā)送頻率的范圍是824～849 MHz。在該模組擴展嵌入式用戶身份識別模塊(embedded subscriber identification module，eSIM)卡接口等應用接口。模組內部有包含閃存和靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory，SRAM)的程序存儲器，以實現射頻電路和eSIM卡座電路。NB-IoT無線通信模塊的降壓穩(wěn)壓功能由TPS62150降壓轉換器實現。轉換器會自動并無縫地進入節(jié)省功耗模式。由于NB-IoT通信是帶寬為180 kHz、15 kHz的子載波，所以同一個基站最多允許13個電表同時收發(fā)數據。因此，NB-IoT設備不能安裝得太密集，否則會出現網絡擁堵。另外，NB-IoT的時延比較高，大約為10 s。NB-IoT目前只有宏站，沒有室分基站，所以地下室或者室內環(huán)境下可能無信號或者信號非常差。NB-IoT通信應用構件是主控芯片MSP430F5438A與通信模塊eSIM的溝通橋梁，可以實現終端遠程收發(fā)數據。在該構件內部，通過調用通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)基礎構件實現主控芯片與通信模塊的串口通信，進而將一條條分散的指令封裝成帶有獨立功能的驅動函數。

本文在設計的單相終端電表印制電路板(printed circuit board，PCB)上增加了插針，用于固定通信模組，滿足跌落要求。天線座配合電表上殼更換合適的物料，并且在PCB上實現eSIM卡的嵌入式開發(fā)。

3.2 終端嵌入式軟件開發(fā)

軟件開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 軟件開發(fā)流程圖

終端嵌入軟件采用美國德州儀器公司的代碼調試器(code composer studio，CCS)作為開發(fā)工具。CCS的調試工具十分適用于混合信號處理器(mixed signal processor，MSP)系列的微處理器。CCS的編譯環(huán)境也是針對MSP430系列的微處理進行編譯優(yōu)化。當按照功能特點對軟件代碼進行編程后，為方便進行單步調試和斷點調試，本文選用聯合測試工作組(joint test action group，JTAG)下載方式。

3.3 功能測試

當完成總體電路設計后，在搭建系統(tǒng)測試平臺時，本文使用1臺基于NB-IoT通信的終端電表與計算機進行功能測試。主要測試目的是對該終端電表的數據傳輸功能進行驗證。驗證使用了申請定向IP的服務器。該服務器在收到數據后會將數據反饋給終端。服務器和終端間基于用戶數據報協(xié)議(user datagram protocol，UDP)通信。數據收發(fā)測試步驟包括：①創(chuàng)建UDP信道；②通過UDP信道發(fā)送數據并查詢模塊所處工作狀態(tài)；③通過UDP信道接收數據；④關閉UDP信道。通過對終端電表進行驗證，表明終端電表可以快速入網并發(fā)送、接收數據，具有較好的數據傳輸實時性。

4 結論

本文通過對終端電表的位置查詢需求和信息采集需求的分析，研究了基于NB-IoT通信的用電信息采集系統(tǒng)。首先，本文闡述了當前國內外用電信息采集的現狀。然后，本文結合NB-IoT技術，對終端電表進行智能化組網，闡述了用電信息采集系統(tǒng)架構和設計。系統(tǒng)采用MSP430F5438A微控制器作為主控模塊的核心、BC95-B5通信模組作為無線通信模塊，對硬件電路進行設計與實現。在嵌入式軟件設計中，本文設計了各模塊之間的邏輯處理結構和流程。最后，本文對整個用電信息采集方案的設計進行功能測試，驗證了終端電表的數據傳輸、網絡接入功能。在后續(xù)的研究中，本研究可以設計加入安全加密模塊，以實現對數據進行加密傳輸，對接入進行認證，從而保證傳輸的加密性。