基于NB-IoT的停電監測技術研究

熊德智，鄭小平，溫 和，張保亮，肖 宇

（1.智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室（國網湖南省電力有限公司供電服務中心（計量中心）），長沙410004；2.威勝集團有限公司，長沙430070；3.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙430070；4.中國電力科學研究院有限公司，北京100085）

供電可靠性能反映電網系統持續供電能力，也是考核供電系統供電質量的重要指標。供電可靠性可以用如下一系列指標加以衡量：供電可靠性、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數、用戶平均故障停電次數。目前，電網公司為提高供電可靠性付出了很大的財力和物力。為了從根本上解決供電可靠性問題，要求智能設備能從技術上盡快發現用戶的停電事件，特別是普通居民用戶的停電事件。目前現場智能電能表基本都能支持終端對電能表事件記錄的采集、存儲、分析功能，用電采集信息系統可實現對智能電能表的停、上電事件記錄采集，但無法做到智能電能表停電事件的主動上報。停電事件不能主動上報的重要原因之一是線路停電以后，電能表中的電池僅能支持電能表產生停電事件卻無法維持供電事件的上報。

文獻[1]提出了一種窄帶物聯網組合定位算法，提高了復雜信道環境下的窄帶物聯網定位性能；文獻[2]設計了基于NB-IoT 的地質災害監測數據傳輸系統架構，解決了傳統地質災害監測采用2G/3G/4G及其他無線技術存在的耗電大、費用高、網絡盲區等問題；文獻[3]針對電動汽車充電基礎設施建設尚不完善、充電樁建設成本高以及監管難的困境，提出了基于NB-IoT 的電動汽車充電解決方案，闡述了充電樁的硬件、軟件設計方法以及云平臺管理系統的設計思路；文獻[4]針對電磁波海上傳播的特性，對NB-IoT 覆蓋進行了鏈路級仿真和覆蓋仿真，實現了NB-IoT 的海上覆蓋；文獻[5]設計了一款具有無線通信功能的智能電能計量裝置，實現了數據傳輸與本地存儲；文獻[6]針對目前廣域物聯網在智能燃氣表控制系統存在傳輸距離短、覆蓋范圍小、需要基站多等問題，提出了一種基于窄帶物聯網技術傳輸方式的無線智能燃氣表；文獻[7]提出了一種基于小區間干擾消除的NB-IoT 時延估計算法，所提算法引入了小區間迭代干擾消除算法，可明顯提高NB-IoT的時延估計精度。

綜合分析現有的研究和技術，當前主要開展了NB-IoT 技術的信道環境研究、算法優化以及NB-IoT技術在電動汽車充電、智能燃氣表等方面的應用，尚未開展基于NB-IoT 技術的停電監測相關研究，依靠現有智能電表不可能實現現場停電事件主動上報功能[8-12]。因此，研究一種基于NB-IoT 的新型的智能電能表停電事件實時主動上報技術，是目前急需解決的難題。若實現低壓用戶停電事件的實時主動上報，將大大提高居民用電檢修的及時性，提升電力用戶滿意度。

1 主要技術方案比較

1.1 雙模技術方案特點

目前，用電信息采集系統主要抄表方式是載波與微功率無線兩種方式。通過將兩種通信方式相結合，設計出載波與微功率無線雙模通信模塊，利用雙模模塊進行停電事件上報，具體方案如圖1所示。

圖1 雙模技術設計方案Fig.1 Dual-mode technology design scheme

（1）220 V 交流電正常供電時，電能表的電源模塊將線路交流電源轉換為系統需要的直流電源，并為雙模模塊的法拉電容充電。電能表的數據通過載波、微功率無線傳送給集中器。

（2）當停電事件發生時，系統由雙模通信模塊中的電解電容和法拉電容供電，220 V 電平檢測電路檢測到電源丟失，電能表控制系統（CPU）生成停電事件，并將停電事件通過微功率無線及時上報給集中器，集中器及時上傳給主站。事件上傳成功后，電能表控制系統并進入低功耗模式。

該方案具有檢測實時性強、技術成熟、成本低等優點。由于檢測電路是檢測220 V 的電平，一旦有停電事件，能第一時間發現；該方案借助現有載波和微功率無線成熟技術，無需再增加新的通道和設備。但是也存在以下缺點：

（1）規約不統一。由于載波和微功率國網沒有統一規范，各個廠家的通信協議不統一，無法做到互聯互通，無法做到標準化推廣。

（2）事件上傳實時性不強。由于雙模模式需要把停電事件通過微功率上傳到集中器，集中器再上傳到主站。由于借助原有采集系統，無法做到停電事件的及時性。

1.2 NB-IoT 技術方案特點

針對雙模通信模塊解決方案的缺點，本文設計了一種基于NB-IoT 技術的停電事件上報方案，該方案具有以下優點：

（1）標準統一。NB-IoT 為全球通用的物聯網技術，可廣泛應用在各行各業。將NB-IoT 成熟的通信技術與電能表通信技術相結合，沒有技術壁壘，可標準化應用和推廣。

（2）實時性強。當停電事件發生后，電能表能及時檢測并生成停電事件，通過NB-IoT 通信方式直接將停電事件上傳主站，省去了中間環節，時效性強。

2 基于NB-IoT 技術設計方案

2.1 整體設計方案

系統的整體設計方案如圖2所示，本系統主要由智能電表、NB-IoT 模塊、NB-IoT 基站、用電信息采集主站等幾大部分組成。

圖2 系統設計方案Fig.2 System design scheme

智能電能表是遠程無線電能計量系統的最前端的設備，主要負責采集、記錄停電事件，并在停電時刻，通過NB-IoT 模塊將停電事件及時通過NB-IoT基站傳輸到系統主站，主站及時統計、分析停電事件，判別故障原因，進行故障定位，并根據下游信息生成準確的受影響停電客戶列表，然后對復電進行優先級排序，生成工單，最后形成事件報告。

在設計中，220 V 交流電經過智能電能表的電源模塊變為12 V 直流電，為系統提供直流電源和檢測電源。12 V 直流電源經二級電源模塊變為3.9 V和3.3 V 直流電，給NB-IoT 模塊的CPU 和NB-IoT芯片提供電源。當系統的12 V 電源丟失后，電源模塊內的電解電容和法拉電容為系統上傳停電事件提供電源；當停電事件上傳到主站后，系統關斷NB-IoT 芯片的電源，進入低功耗模式。

2.2 電源供電電路設計

系統電源電路設計原理如圖3所示。電能表控制系統由兩種供電方式，正常供電情況下是通過電能表的電源模塊產生的12 V 供電。停電發生后，先由電解電容、法拉電容保存的能量供電，能量消耗后轉由停電抄表電池供電，保證停電后事件能及時上傳。

圖3 電源電路設計原理圖Fig.3 Power circuit design schematic diagram

直流12 V 經過電源轉換芯片LV2842 變為3.9 V為NB-IoT 模塊系統供電。法拉電容具有放電能力超強、能量轉換效率高、過程損失小等特點，其大電流能量循環效率≥90%。正常情況下，220 V 交流電經過電能表的電源電路轉換為12 V，為整個NB-IoT模塊供電。當220 V 市電停電后，電源檢測電路檢測12 V 電源，系統產生停電事件；系統供電由法拉電容與電解電容供電，為系統停電事件的上報供電；當法拉電容放電完畢后，電源供電方式自動切換至電池供電。根據國網技術規范和停電事件參數，從總體技術要求分析，增加超級電容儲能，要求在斷電后能維持超過60 s 以上的工作時間。同時，超級電容的儲能要求在斷電后能維持超過60 s 以上的工作時間，具體計算公式為

式中：C（F）表示超級電容的標稱容量；Vwork（V）表示正常工作電壓；Vmin（V）表示截止工作電壓；t（s）表示在電路中要求持續工作時間；I（A）表示負載電流。

假設超級電容的充電工作電壓為5.3 V，最小工作電壓為3.3 V，停電后超級電容需要維持平均50 mA的工作電流進行放電，那么如果停電后要維持工作60 s，則選擇的超級電容的容量必須大于1.25 F，考慮到性能冗余，可以選擇2.2 F 的超級電容。

3 系統軟件設計

3.1 停電事件判別軟件設計

軟件部分的設計主要重點解決智能電能表針對停電事件所作出的判斷和處理方法問題，系統采用C 語言作為開發工具，軟件開發環境為IAR 集成開發環境和嵌入式工作平臺。智能電能表系統判別流程如圖4所示。

電能表工作時，判斷是否有用電，若無用電，進入低功耗模式；若有用電，則進入正常工作模式。在電能表工作中，NB-IoT 模塊的CPU 時刻檢測是否停電，若停電，電源切換至電池供電，進行停電事件上報，上報完成后，切斷NB-IoT 模塊電源并進入低功耗模式；若沒有停電，則系統繼續運行。

3.2 通信模塊軟件設計

圖4 系統判別流程Fig.4 System identification flow chart

通信模塊建立通信連接流程如圖5所示，系統初始化完成后，首先建立NB-IoT 通信連接，連接成功后，通信開始。數據采集及上傳流程如圖6所示，系統初始化完成后，NB-IoT 模塊采集電能表1 h 的電壓、電流、功率、電量，并將數據打包，采用UDP 協議上傳到主站，數據每6 h 發送1 次，分2 次發送，每天上傳4 次。每次發送數據前，需要判斷通信模塊是否與主站建立連接，如果連接成功，則上傳數據；如果連接不成功，則執行系統初始化，重新建立連接。

圖5 通信連接流程Fig.5 Communication connection flow chart

圖6 數據采集及上傳流程Fig.6 Data collection and upload flow chart

3.3 停電事件上報軟件設計

停電事件上報處理流程設計如圖7所示，系統啟動運行時，首先檢測電源模塊電壓，當檢測到12 V電壓為0 V 時，系統認定為停電事件產生，系統自動切換到電池供電，并產生停電事件，通過NB-IoT 模塊及時將停電事件上傳主站，事件上傳完成后，系統將該停電事件保存至EEPROM 存儲單元內，并重新檢測電源模塊電壓，如果該12 V 電壓仍為0 V，則切斷電池供電，使系統和NB-IoT 模塊一并進入低功耗模式，等待異?；謴?。

圖7 停電事件上報處理流程Fig.7 Power failure report processing flow chart

4 應用效果分析

將NB-IoT 技術方式與HPLC 載波模塊方式、HPLC 載波加微功率無線雙模塊方式，通過在長沙選擇3 個現場環境相似的小區，分別安裝100 戶進行應用試驗，實時性按照停電發生與主站收到事件的時間差進行計算，平均實時性通過累計每次成功上報的時間取平均值進行計算，測試數據如表1所示。

表1 測試數據Tab.1 Measure data

由表1 可知，組網成功率方面，雙模和NB-IoT方案均優于單獨的HPLC 模塊方案，達到100%；停電上報成功率方面，NB-IoT 方案最佳，達到100%成功上報，雙模方案優于HPLC 模塊方案；平均實時性方面，NB-IoT 方案僅為5 s，實時性明顯優于其它兩種方案。試驗結果表明，NB-IoT 技術方案的組網成功率、停電上報成功率、平均實時性等性能指標整體優于同類技術。

5 結語

針對當前用電客戶停電事件不能及時主動上報的難題，分析了基于載波與微功率無線雙模通信的停電事件上報技術方案及優缺點，在分析NB-IoT技術特點的基礎上，提出了標準統一、實時性強的基于NB-IoT 技術的停電事件主動上報設計方案。提出了在停電情況下，采用超級電容給系統關鍵模塊供電的設計方案，給出了超級電容容量的計算方法及超級電容選型方法。設計了停電事件系統判別程序、NB-IoT 通信連接建立程序、停電數據采集及上報程序、停電事件上報處理程序。試驗結果表明，NB-IoT 技術方案在組網成功率、停電上報成功率、平均實時性等方面均優于雙模等同類技術，停電上報實時性、準確性、可靠性高。