奧運場館電力通信網感知層架構研究

丁建武

摘要：國家電網在2019年初明確提出，要重點做好“泛在電力物聯網”建設，促進電網與互聯網的深度融合。針對北京2022年冬奧場館的電力通信系統，本文將圍繞奧運場館電力通信需求、電力通信網整體架構以及詳細的電力通信網感知層接入方案設計為奧運場館電力通信網的組網提供可行、有效的方案，感知層是泛在電力物聯網的基礎，保障電力通信網的全息感知與泛在連接，能夠為奧運場館提供可靠、優質、穩定、綠色、智能的供電服務。

Abstract： The State Grid clearly stated in early 2019 that it should focus on the construction of the "Ubiquitous Power Internet of Things" and promote the deep integration of the power grid and the Internet. Aiming at the power communication system of the Beijing 2022 Winter Olympics venues， this article will focus on the power communication requirements of the Olympic venues， the overall structure of the power communication network and the detailed power communication network perception layer access plan design to provide feasible and effective solutions for the networking of the Olympic venues power communication network. The perception layer is the foundation of the ubiquitous power Internet of Things， guarantees the holographic perception and ubiquitous connection of the power communication network， and can provide reliable， high-quality， stable， green and intelligent power supply services for the Olympic venues.

關鍵詞：奧運場館;電力通信網;NB-IoT;Zigbee

Key words： Olympic venues;power communication network;NB-IoT;Zigbee

中圖分類號：TM73 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0174-04

0 ?引言

2022年北京冬奧會是中國向全世界展示國家風貌的一次重要機會，電力系統是奧運場館基礎設施中最重要的一個環節，電力系統的安全穩定對于冬奧會的順利舉辦來說至關重要。電力通信網是奧運場館電力系統的重要組成部分，是奧運場館電網安全保障、配電自動化、負荷控制等應用的基礎。隨著5G技術以及物聯網行業的訊速發展，國家電信基礎設施建設的不斷完善，電力通信網也在向智能化、泛在化、萬物互聯的方向發展。

1 ?奧運場館電力通信網需求

奧運場館電力系統對通信的需求可分為功能性需求和非功能性需求，主要的功能性需求有對網絡傳輸時延、通信可靠性以及數據傳輸速率的要求;主要的非功能性需求有對安全性、可擴展性以及靈活性的需求。

在時延需求方面，不同電力系統的應用對時延的要求不同，一些關鍵性任務具有嚴格的延時約束，需要快速地傳輸信息，例如部署在變電站的配電自動化應用的延時要求在4ms以內，對于其它對延時容忍度較高的應用，例如一些普通數據采集應用（大多數數據采集傳感器或智能電表要求每15分鐘發送一次數據）。

在可靠性方面，奧運場館電力通信網應盡最大能力保證不出現網絡故障，電力通信網的安全可靠是電力系統最重要的需求之一。奧運場館電力通信網的通信節點應保證電力通信的可靠性和連續性，一些關鍵的場館電力系統應用，比如分布式智能配電需要數據通信的高可靠性。

在數據傳輸速率方面，每個電力系統應用對數據傳輸速率的要求不同，比如安防視頻監控攝像頭、巡檢機器人等需要傳輸視頻和音頻數據，這些數據要求更高的傳輸速率來滿足有效的數據傳輸。另一方面，數據采集終端或智能電表對數據傳輸速率要求相對較低（例如，每個儀表需要的數據傳輸速率約為300kbps）。

在安全性需求方面，奧運場館電力通信網需要能夠抵御網絡故障與網絡攻擊，提供電力通信網端到端的安全性與可靠性。特別是關鍵性任務，比如計費、智能配電等任務，應該在奧運場館電力通信網絡上提供足夠的安全性，以保護電網的關鍵資產免受任何漏洞的影響。

在可擴展性方面，奧運場館可能涉及到大量的智能電表、智能傳感器節點、智能數據采集器以及可再生能源接入等，電力通信網的可擴展性一般可分為兩個方面，一個是負載可擴展性，這意味著通信系統能夠處理的設備和數據流量具有伸縮性;另一個是地理可擴展性，即網絡以各種區域和配置進行部署的能力。

在靈活性方面，奧運場館電力通信網必須滿足在相同的通信基礎設施上運行不同的應用程序，電力通信網需要能夠支持具有不用數據速率和可靠性要求的應用服務。

2 ?奧運場館電力通信網整體架構

針對奧運場館的電力通信網整體架構如圖1所示，應用層包含泛在電力物聯網在奧運場館中的應用，比如智能照明、智能配電、清潔能源應用、智能巡檢、智能空調等應用;平臺層向上提供服務以及API接口給應用，向下提供終端控制以及數據采集服務;網絡層包含電力通信網核心網以及4G/5G基站、NB-IoT基站的接入;感知層根據奧運場館具體業務的需求選擇不同的終端傳感器以及相應的通信技術與接口。

在感知層接入方面，針對奧運場館不同電力通信應用對同通信的需求，主要可分為以下三種接入方式：①對于大部分數據采集終端例如智能電表、智能照明模塊、電流電壓傳感器等，這些設備對網絡時延的需求較低，并且數據傳輸量相對較小，對數據傳輸速率要求也不高，因此選擇NB-IoT技術接入是更合適的選擇。②對于智能巡檢機器人、監控攝像頭以及技術人員手持終端等設備，這些設備需要傳輸視頻、音頻信息，對帶寬要求較高，因此對于固定設備如視頻監控設備可以選擇有線光纖連接，對于可移動設備如智能巡檢機器人和技術人員手持終端可以選擇WLAN接入或直接接入4G/5G網絡進行通信。③對于一些采集敏感數據的設備或者涉及到安全保障的傳感器設備，如煙霧報警器、SF6傳感器等，這些設備雖然傳輸的數據量較小，但對時延的要求非常高，必須控制在毫秒級別，因此可以選用Zigbee技術作為這些設備的接入方式，即保證了對低時延、低成本的要求，又保證了數據傳輸的安全性與可靠性。

3 ?奧運場館感知層設計

3.1 傳感器終端 ?奧運場館電力系統中的傳感器終端設備主要用來采集電力相關數據以及接收管控中心發送的操作指令，以便于電力系統的智能預測、控制等。

例如電流電壓傳感器可以布置在發電側、輸電側以及用電側，實時監測電流電壓數據，當發生過流過壓等危險情況時能及時將數據反饋到控制中心迅速處理[1];奧運場館電力系統中有一些重要的電力設備需要實時監控周圍溫濕度信息，確保設備在最佳的環境下運行，另外故障發生時也便于工作人員及時采取措施，排除故障[2];在一些電力設備中存在SF6氣體，但如果SF6發生泄漏，不僅對設備本身產生影響，也會對人體和環境造成危害，因此使用SF6探測器檢測設備周圍SF6的濃度尤為重要。

另外還包含一些更復雜的智能業務終端設備，比如智能電表，智能巡檢機器人，智能照明設備以及技術人員手持終端等設備，智能電表可以記錄奧運場館不同區域的電能消耗并將數據傳送給控制中心進行預測分析;智能巡檢機器人可以實現室外高壓線路以及室內變電設備的智能巡檢，使用巡檢機器人上的傳感器以及智能終端，實時監測電力設施的運行狀態，出現異常情況則將巡檢記錄以及巡檢過程中拍攝的圖像、視頻等數據傳送給控制中心進行處理;場館照明可以選擇智能照明設備，如根據當前亮度以及場館內人數等情況實時調控照明亮度、方向等數據，以及場館園區內景觀照明需要通過控制軟件，使周邊布置的LED燈能夠按要求變化夜色、圖像等;現場電力技術人員需要通過手持終端獲取指揮中心的指令，如果發生故障需要從終端上獲取故障信息與處理方式等。

3.2 通信接口與協議 ?在傳感器通信接口方面，傳感器網絡通信接口包括不同的通信接口與協議，不同的通信協議之間應基于協議網關達到互操作和數據一致性要求。無線傳感器網絡中通信接口可分為有線接口和無線接口兩類，有線接口主要有光纖、電力載波、RJ45、RS485等，無線接口主要為ZigBee、NB-IoT、藍牙、WIFI、RFID、5G等。

由于奧運場館不同應用場景對數據采集的需求不同，傳感器需要根據具體的應用需求和組網需求選擇相應的通信模塊，目前電力系統應用最廣泛的無線通信技術主要為NB-IoT和Zigbee技術。

3.2.1 NB-IoT技術 ?由于5G技術的迅速發展，NB-IoT技術受到了廣泛的重視，國內運營商都已早早擬定NB-IoT的部署計劃，對不同應用場景的部署策略、基站建設等問題進行了深入的探索。與傳統蜂窩網絡相比，NB-IoT技術具有覆蓋范圍廣、節點容量大、模塊功耗與成本較低的特點[3]。

NB-IoT技術組網架構如圖2所示，在NB-IoT組網架構中，由于NB-IoT屬于蜂窩網絡通信，NB-IoT終端通過空中接口直接連接到NB-IoT基站，即eNodeB[4]，不需要通過網關等中間設備接入網絡;基站主要負責終端接入處理、網絡管理等功能，基站與核心網之間的通信接口為S1接口，核心網負責將NB-IoT終端采集的數據傳輸到平臺[5]。平臺收集并存儲所有從基站傳輸過來的數據信息，并根據不同業務類型轉發到相應的應用服務器進行處理。

3.2.2 Zigbee技術 ?Zigbee技術同樣是一種無線通信技術，由于其傳輸速率較低、傳輸距離較短、功耗較小、成本較低等特點[6]，Zigbee技術目前已經被廣泛應用于智能家居以及工業智能控制的場景。

Zigbee技術的協議?？煞譃?層，從下往上分別為物理層，介質訪問控制層，網絡層和應用層。物理層作為Zigbee協議的最底層，提供了最基礎的服務，比如向上層提供數據接口;介質訪問控制層負責數據鏈路的維護，保證數據的傳送與接收;網絡層負責數據傳輸的安全與可靠，并使用特定的加密算法對傳輸數據進行加密處理;應用層根據不同應用場景的需求使多個傳感器之間進行通信。Zigbee協議架構最具特色的兩項是低功耗以及自組網的特點。

Zigbee技術在實際應用過程中，具有三大基本特征：首先是低功耗，Zigbee系統的占空比非常的低，可以小于0.1%。各個設備工作周期短，功耗也非常低，同時具有休眠的功能，在設備不需要使用時可以通過休眠來進一步降低功耗。其次是低成本，Zigbee模塊成本一般已低于2.5美元。最后是低速率，Zigbee系統在各節點每秒的傳輸速率僅為10～250kb左右，這將意味著其并不能以高速傳輸數據，同時也限定了其部分的組網方法。

3.2.3 接入技術對比 ?現實應用中有許多可用于電力系統的通信技術，包括有線通信技術和無線通信技術，在可靠性、安全性和帶寬方面，有線技術通常都更優于無線技術，然而，無線通信能夠保證更低的安裝成本和部署的靈活性以及最少的布線，這可以在廣泛區域沒有預先布線的通信基礎的情況下提供通信連接，因此這些技術中的每一種都具有其應用的優缺點，應在實際應用中綜合考慮最優選擇。我們將各種通信技術的傳輸速率、延時等性能指標進行比較，如表1所示。

在電力系統中，具有代表性的有線通信技術有光纖、電力載波通信，光纖通信提供了高達40Gb/s的數據傳輸速率，極低的網絡時延和高可靠性，光纖常常被用來提供傳輸大量、實時、長距離的數據傳輸，然而光纖網絡的組網與維護的成本較高，不利于泛在電力物聯網大規模使用。PLC電力載波通信利用現有的電力電纜線進行數據傳輸，這大大降低了通信設施的安裝成本，但由于PLC數據傳輸環境復雜且干擾較大，數據傳輸的可靠性較低。

在無線通信技術中，Zigbee是一種無線網狀網絡，建立在IEEE 802.15.4標準之上[7]，由于其低成本、低功耗等特點，已經被廣泛應用于電力系統通信中，但Zigbee在實際應用中依然存在一些限制，如處理能力較低、內存較小、低延時需求等。

無線局域網（WLAN）是一種高速、可靠、安全的無線通信技術，傳輸速率最高可達600Mbps，覆蓋范圍可達100m，WLAN適用于家庭或一定區域內的應用需求，比如視頻監控應用，然而WLAN對于奧運場館電力系統來說可能功耗過高。

NB-IoT是3GPP組織定義的新的無線接入技術，基于現有的LTE設施進行設計，對現有蜂窩網絡基站進行改造即可支持NB-IoT接入。NB-IoT的峰值速率能夠實現下行鏈路230kbps和下行鏈路250kbps，但由于NB-IoT對延時低敏感的特點，使其更適用于那些對延時容忍度較高的應用。

隨著5G商用的正式來臨，5G也成為電力通信系統通信中的關鍵技術，5G主要包含三大應用場景，分別為eMBB超高帶寬，傳輸速率最高可達10Gbps，滿足大量智能巡檢機器人、超高清攝像頭等設備數據高速傳輸;mMTC海量機器通信，每平方公里可以接入100萬個5G設備，實現奧運場館深度泛在感知;uRLLC超低時延通信，5G通信時延最低可至1ms，可以實現奧運場館電力設備毫秒級精準控制。

4 ?結束語

本文在介紹奧運場館傳感器類別、傳感器通信技術NB-IoT和Zigbee等方面的基礎上，結合奧運場館電力通信實際需求，分析泛在電力物聯網應用，提出了奧運場館泛在電力物聯網整體架構方案，感知層、網絡層、平臺層、應用層根據實際業務需求，靈活規劃，為奧運場館電力保障提供安全可靠服務。

參考文獻：

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[3]孟凡，王金忠.NB-IoT聯合組網及優化策略[J].電信工程技術與標準化，2018，31（6）：27-31.

[4]劉毅，孔建坤，牛海濤.窄帶物聯網技術探討[J].通信技術，2016，12（1）.

[5]姚美菱，吳蓬勃，曲文敬，孫青華.基于NB-IoT的智能水表的探討[J].電信工程技術與標準化，2018，6：32-35.

[6]盧俊文.Zigbee技術的原理及特點[J].通訊世界，2019，26（3）：35-36.

[7]武永勝，王偉，沈昱明.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡組網設計[J].電子測量技術，2009，32（11）：121-124.