奥运场馆电力通信网感知层架构研究

丁建武

摘要：国家电网在2019年初明确提出，要重点做好“泛在电力物联网”建设，促进电网与互联网的深度融合。針对北京2022年冬奥场馆的电力通信系统，本文将围绕奥运场馆电力通信需求、电力通信网整体架构以及详细的电力通信网感知层接入方案设计为奥运场馆电力通信网的组网提供可行、有效的方案，感知层是泛在电力物联网的基础，保障电力通信网的全息感知与泛在连接，能够为奥运场馆提供可靠、优质、稳定、绿色、智能的供电服务。

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.

关键词：奥运场馆;电力通信网;NB-IoT;Zigbee

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

中图分类号：TM73                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0174-04

0  引言

2022年北京冬奥会是中国向全世界展示国家风貌的一次重要机会，电力系统是奥运场馆基础设施中最重要的一个环节，电力系统的安全稳定对于冬奥会的顺利举办来说至关重要。电力通信网是奥运场馆电力系统的重要组成部分，是奥运场馆电网安全保障、配电自动化、负荷控制等应用的基础。随着5G技术以及物联网行业的讯速发展，国家电信基础设施建设的不断完善，电力通信网也在向智能化、泛在化、万物互联的方向发展。

1  奥运场馆电力通信网需求

奥运场馆电力系统对通信的需求可分为功能性需求和非功能性需求，主要的功能性需求有对网络传输时延、通信可靠性以及数据传输速率的要求;主要的非功能性需求有对安全性、可扩展性以及灵活性的需求。

在时延需求方面，不同电力系统的应用对时延的要求不同，一些关键性任务具有严格的延时约束，需要快速地传输信息，例如部署在变电站的配电自动化应用的延时要求在4ms以内，对于其它对延时容忍度较高的应用，例如一些普通数据采集应用（大多数数据采集传感器或智能电表要求每15分钟发送一次数据）。

在可靠性方面，奥运场馆电力通信网应尽最大能力保证不出现网络故障，电力通信网的安全可靠是电力系统最重要的需求之一。奥运场馆电力通信网的通信节点应保证电力通信的可靠性和连续性，一些关键的场馆电力系统应用，比如分布式智能配电需要数据通信的高可靠性。

在数据传输速率方面，每个电力系统应用对数据传输速率的要求不同，比如安防视频监控摄像头、巡检机器人等需要传输视频和音频数据，这些数据要求更高的传输速率来满足有效的数据传输。另一方面，数据采集终端或智能电表对数据传输速率要求相对较低（例如，每个仪表需要的数据传输速率约为300kbps）。

在安全性需求方面，奥运场馆电力通信网需要能够抵御网络故障与网络攻击，提供电力通信网端到端的安全性与可靠性。特别是关键性任务，比如计费、智能配电等任务，应该在奥运场馆电力通信网络上提供足够的安全性，以保护电网的关键资产免受任何漏洞的影响。

在可扩展性方面，奥运场馆可能涉及到大量的智能电表、智能传感器节点、智能数据采集器以及可再生能源接入等，电力通信网的可扩展性一般可分为两个方面，一个是负载可扩展性，这意味着通信系统能够处理的设备和数据流量具有伸缩性;另一个是地理可扩展性，即网络以各种区域和配置进行部署的能力。

在灵活性方面，奥运场馆电力通信网必须满足在相同的通信基础设施上运行不同的应用程序，电力通信网需要能够支持具有不用數据速率和可靠性要求的应用服务。

2  奥运场馆电力通信网整体架构

针对奥运场馆的电力通信网整体架构如图1所示，应用层包含泛在电力物联网在奥运场馆中的应用，比如智能照明、智能配电、清洁能源应用、智能巡检、智能空调等应用;平台层向上提供服务以及API接口给应用，向下提供终端控制以及数据采集服务;网络层包含电力通信网核心网以及4G/5G基站、NB-IoT基站的接入;感知层根据奥运场馆具体业务的需求选择不同的终端传感器以及相应的通信技术与接口。

在感知层接入方面，针对奥运场馆不同电力通信应用对同通信的需求，主要可分为以下三种接入方式：①对于大部分数据采集终端例如智能电表、智能照明模块、电流电压传感器等，这些设备对网络时延的需求较低，并且数据传输量相对较小，对数据传输速率要求也不高，因此选择NB-IoT技术接入是更合适的选择。②对于智能巡检机器人、监控摄像头以及技术人员手持终端等设备，这些设备需要传输视频、音频信息，对带宽要求较高，因此对于固定设备如视频监控设备可以选择有线光纤连接，对于可移动设备如智能巡检机器人和技术人员手持终端可以选择WLAN接入或直接接入4G/5G网络进行通信。③对于一些采集敏感数据的设备或者涉及到安全保障的传感器设备，如烟雾报警器、SF6传感器等，这些设备虽然传输的数据量较小，但对时延的要求非常高，必须控制在毫秒级别，因此可以选用Zigbee技术作为这些设备的接入方式，即保证了对低时延、低成本的要求，又保证了数据传输的安全性与可靠性。

3  奥运场馆感知层设计

3.1 传感器终端  奥运场馆电力系统中的传感器终端设备主要用来采集电力相关数据以及接收管控中心发送的操作指令，以便于电力系统的智能预测、控制等。

例如电流电压传感器可以布置在发电侧、输电侧以及用电侧，实时监测电流电压数据，当发生过流过压等危险情况时能及时将数据反馈到控制中心迅速处理[1];奥运场馆电力系统中有一些重要的电力设备需要实时监控周围温湿度信息，确保设备在最佳的环境下运行，另外故障发生时也便于工作人员及时采取措施，排除故障[2];在一些电力设备中存在SF6气体，但如果SF6发生泄漏，不仅对设备本身产生影响，也会对人体和环境造成危害，因此使用SF6探测器检测设备周围SF6的浓度尤为重要。

另外还包含一些更复杂的智能业务终端设备，比如智能电表，智能巡检机器人，智能照明设备以及技术人员手持终端等设备，智能电表可以记录奥运场馆不同区域的电能消耗并将数据传送给控制中心进行预测分析;智能巡检机器人可以实现室外高压线路以及室内变电设备的智能巡检，使用巡检机器人上的传感器以及智能终端，实时监测电力设施的运行状态，出现异常情况则将巡检记录以及巡检过程中拍摄的图像、视频等数据传送给控制中心进行处理;场馆照明可以选择智能照明设备，如根据当前亮度以及场馆内人数等情况实时调控照明亮度、方向等数据，以及场馆园区内景观照明需要通过控制软件，使周边布置的LED灯能够按要求变化夜色、图像等;现场电力技术人员需要通过手持终端获取指挥中心的指令，如果发生故障需要从终端上获取故障信息与处理方式等。

3.2 通信接口与协议  在传感器通信接口方面，传感器网络通信接口包括不同的通信接口与协议，不同的通信协议之间应基于协议网关达到互操作和数据一致性要求。无线传感器网络中通信接口可分为有线接口和无线接口两类，有线接口主要有光纤、电力载波、RJ45、RS485等，无线接口主要为ZigBee、NB-IoT、蓝牙、WIFI、RFID、5G等。

由于奥运场馆不同应用场景对数据采集的需求不同，传感器需要根据具体的应用需求和组网需求选择相应的通信模块，目前电力系统应用最广泛的无线通信技术主要为NB-IoT和Zigbee技术。

3.2.1 NB-IoT技术  由于5G技术的迅速发展，NB-IoT技术受到了广泛的重视，国内运营商都已早早拟定NB-IoT的部署计划，对不同应用场景的部署策略、基站建设等问题进行了深入的探索。与传统蜂窝网络相比，NB-IoT技术具有覆盖范围广、节点容量大、模块功耗与成本较低的特点[3]。

NB-IoT技术组网架构如图2所示，在NB-IoT组网架构中，由于NB-IoT属于蜂窝网络通信，NB-IoT终端通过空中接口直接连接到NB-IoT基站，即eNodeB[4]，不需要通过网关等中间设备接入网络;基站主要负责终端接入处理、网络管理等功能，基站与核心网之间的通信接口为S1接口，核心网负责将NB-IoT终端采集的数据传输到平台[5]。平台收集并存储所有从基站传输过来的数据信息，并根据不同业务类型转发到相应的应用服务器进行处理。

3.2.2 Zigbee技术  Zigbee技术同样是一种无线通信技术，由于其传输速率较低、传输距离较短、功耗较小、成本较低等特点[6]，Zigbee技术目前已经被广泛应用于智能家居以及工业智能控制的场景。

Zigbee技术的协议栈可分为4层，从下往上分别为物理层，介质访问控制层，网络层和应用层。物理层作为Zigbee协议的最底层，提供了最基础的服务，比如向上层提供数据接口;介质访问控制层负责数据链路的维护，保证数据的传送与接收;网络层负责数据传输的安全与可靠，并使用特定的加密算法对传输数据进行加密处理;应用层根据不同应用场景的需求使多个传感器之间进行通信。Zigbee协议架构最具特色的两项是低功耗以及自组网的特点。

Zigbee技术在实际应用过程中，具有三大基本特征：首先是低功耗，Zigbee系统的占空比非常的低，可以小于0.1%。各个设备工作周期短，功耗也非常低，同时具有休眠的功能，在设备不需要使用时可以通过休眠来进一步降低功耗。其次是低成本，Zigbee模块成本一般已低于2.5美元。最后是低速率，Zigbee系统在各节点每秒的传输速率仅为10～250kb左右，这将意味着其并不能以高速传输数据，同时也限定了其部分的组网方法。

3.2.3 接入技术对比  现实应用中有许多可用于电力系统的通信技术，包括有线通信技术和无线通信技术，在可靠性、安全性和带宽方面，有线技术通常都更优于无线技术，然而，无线通信能够保证更低的安装成本和部署的灵活性以及最少的布线，这可以在广泛区域没有预先布线的通信基础的情况下提供通信连接，因此这些技术中的每一种都具有其应用的优缺点，应在实际应用中综合考虑最优选择。我们将各种通信技术的传输速率、延时等性能指标进行比较，如表1所示。

在电力系统中，具有代表性的有线通信技术有光纤、电力载波通信，光纤通信提供了高达40Gb/s的数据传输速率，极低的网络时延和高可靠性，光纤常常被用来提供传输大量、实时、长距离的数据传输，然而光纤网络的组网与维护的成本较高，不利于泛在电力物联网大规模使用。PLC电力载波通信利用现有的电力电缆线进行数据传输，这大大降低了通信设施的安装成本，但由于PLC数据传输环境复杂且干扰较大，数据传输的可靠性较低。

在无线通信技术中，Zigbee是一种无线网状网络，建立在IEEE 802.15.4标准之上[7]，由于其低成本、低功耗等特点，已经被广泛应用于电力系统通信中，但Zigbee在实际应用中依然存在一些限制，如处理能力较低、内存较小、低延时需求等。

无线局域网（WLAN）是一种高速、可靠、安全的无线通信技术，传输速率最高可达600Mbps，覆盖范围可达100m，WLAN适用于家庭或一定区域内的应用需求，比如视频监控应用，然而WLAN对于奥运场馆电力系统来说可能功耗过高。

NB-IoT是3GPP组织定义的新的无线接入技术，基于现有的LTE设施进行设计，对现有蜂窝网络基站进行改造即可支持NB-IoT接入。NB-IoT的峰值速率能够实现下行链路230kbps和下行链路250kbps，但由于NB-IoT对延时低敏感的特点，使其更适用于那些对延时容忍度较高的应用。

随着5G商用的正式来临，5G也成为电力通信系统通信中的关键技术，5G主要包含三大应用场景，分别为eMBB超高带宽，传输速率最高可达10Gbps，满足大量智能巡检机器人、超高清摄像头等设备数据高速传输;mMTC海量机器通信，每平方公里可以接入100万个5G设备，实现奥运场馆深度泛在感知;uRLLC超低时延通信，5G通信时延最低可至1ms，可以实现奥运场馆电力设备毫秒级精准控制。

4  结束语

本文在介绍奥运场馆传感器类别、传感器通信技术NB-IoT和Zigbee等方面的基础上，结合奥运场馆电力通信实际需求，分析泛在電力物联网应用，提出了奥运场馆泛在电力物联网整体架构方案，感知层、网络层、平台层、应用层根据实际业务需求，灵活规划，为奥运场馆电力保障提供安全可靠服务。

参考文献：

[1]刘瑾，冯瑛敏，黄丽妍，任国岐，赵晶，邵冰然.“基于物联网技术的智能电网[J].电力与能源进展，2017，5（2）：46-49.

[2]沈鑫，曹敏，尹福荣.“电力物联网传感器技术在电力设备在线监测中的应用[J].云南电力技术，2018，46（4）：9-10.

[3]孟凡，王金忠.NB-IoT联合组网及优化策略[J].电信工程技术与标准化，2018，31（6）：27-31.

[4]刘毅，孔建坤，牛海涛.窄带物联网技术探讨[J].通信技术，2016，12（1）.

[5]姚美菱，吴蓬勃，曲文敬，孙青华.基于NB-IoT的智能水表的探讨[J].电信工程技术与标准化，2018，6：32-35.

[6]卢俊文.Zigbee技术的原理及特点[J].通讯世界，2019，26（3）：35-36.

[7]武永胜，王伟，沈昱明.基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计[J].电子测量技术，2009，32（11）：121-124.