基于NB-IoT的停电监测技术研究

熊德智，郑小平，温 和，张保亮，肖 宇

（1.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室（国网湖南省电力有限公司供电服务中心（计量中心）），长沙410004；2.威胜集团有限公司，长沙430070；3.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙430070；4.中国电力科学研究院有限公司，北京100085）

供电可靠性能反映电网系统持续供电能力，也是考核供电系统供电质量的重要指标。供电可靠性可以用如下一系列指标加以衡量：供电可靠性、用户平均停电时间、用户平均停电次数、用户平均故障停电次数。目前，电网公司为提高供电可靠性付出了很大的财力和物力。为了从根本上解决供电可靠性问题，要求智能设备能从技术上尽快发现用户的停电事件，特别是普通居民用户的停电事件。目前现场智能电能表基本都能支持终端对电能表事件记录的采集、存储、分析功能，用电采集信息系统可实现对智能电能表的停、上电事件记录采集，但无法做到智能电能表停电事件的主动上报。停电事件不能主动上报的重要原因之一是线路停电以后，电能表中的电池仅能支持电能表产生停电事件却无法维持供电事件的上报。

文献[1]提出了一种窄带物联网组合定位算法，提高了复杂信道环境下的窄带物联网定位性能；文献[2]设计了基于NB-IoT 的地质灾害监测数据传输系统架构，解决了传统地质灾害监测采用2G/3G/4G及其他无线技术存在的耗电大、费用高、网络盲区等问题；文献[3]针对电动汽车充电基础设施建设尚不完善、充电桩建设成本高以及监管难的困境，提出了基于NB-IoT 的电动汽车充电解决方案，阐述了充电桩的硬件、软件设计方法以及云平台管理系统的设计思路；文献[4]针对电磁波海上传播的特性，对NB-IoT 覆盖进行了链路级仿真和覆盖仿真，实现了NB-IoT 的海上覆盖；文献[5]设计了一款具有无线通信功能的智能电能计量装置，实现了数据传输与本地存储；文献[6]针对目前广域物联网在智能燃气表控制系统存在传输距离短、覆盖范围小、需要基站多等问题，提出了一种基于窄带物联网技术传输方式的无线智能燃气表；文献[7]提出了一种基于小区间干扰消除的NB-IoT 时延估计算法，所提算法引入了小区间迭代干扰消除算法，可明显提高NB-IoT的时延估计精度。

综合分析现有的研究和技术，当前主要开展了NB-IoT 技术的信道环境研究、算法优化以及NB-IoT技术在电动汽车充电、智能燃气表等方面的应用，尚未开展基于NB-IoT 技术的停电监测相关研究，依靠现有智能电表不可能实现现场停电事件主动上报功能[8-12]。因此，研究一种基于NB-IoT 的新型的智能电能表停电事件实时主动上报技术，是目前急需解决的难题。若实现低压用户停电事件的实时主动上报，将大大提高居民用电检修的及时性，提升电力用户满意度。

1 主要技术方案比较

1.1 双模技术方案特点

目前，用电信息采集系统主要抄表方式是载波与微功率无线两种方式。通过将两种通信方式相结合，设计出载波与微功率无线双模通信模块，利用双模模块进行停电事件上报，具体方案如图1所示。

图1 双模技术设计方案Fig.1 Dual-mode technology design scheme

（1）220 V 交流电正常供电时，电能表的电源模块将线路交流电源转换为系统需要的直流电源，并为双模模块的法拉电容充电。电能表的数据通过载波、微功率无线传送给集中器。

（2）当停电事件发生时，系统由双模通信模块中的电解电容和法拉电容供电，220 V 电平检测电路检测到电源丢失，电能表控制系统（CPU）生成停电事件，并将停电事件通过微功率无线及时上报给集中器，集中器及时上传给主站。事件上传成功后，电能表控制系统并进入低功耗模式。

该方案具有检测实时性强、技术成熟、成本低等优点。由于检测电路是检测220 V 的电平，一旦有停电事件，能第一时间发现；该方案借助现有载波和微功率无线成熟技术，无需再增加新的通道和设备。但是也存在以下缺点：

（1）规约不统一。由于载波和微功率国网没有统一规范，各个厂家的通信协议不统一，无法做到互联互通，无法做到标准化推广。

（2）事件上传实时性不强。由于双模模式需要把停电事件通过微功率上传到集中器，集中器再上传到主站。由于借助原有采集系统，无法做到停电事件的及时性。

1.2 NB-IoT 技术方案特点

针对双模通信模块解决方案的缺点，本文设计了一种基于NB-IoT 技术的停电事件上报方案，该方案具有以下优点：

（1）标准统一。NB-IoT 为全球通用的物联网技术，可广泛应用在各行各业。将NB-IoT 成熟的通信技术与电能表通信技术相结合，没有技术壁垒，可标准化应用和推广。

（2）实时性强。当停电事件发生后，电能表能及时检测并生成停电事件，通过NB-IoT 通信方式直接将停电事件上传主站，省去了中间环节，时效性强。

2 基于NB-IoT 技术设计方案

2.1 整体设计方案

系统的整体设计方案如图2所示，本系统主要由智能电表、NB-IoT 模块、NB-IoT 基站、用电信息采集主站等几大部分组成。

图2 系统设计方案Fig.2 System design scheme

智能电能表是远程无线电能计量系统的最前端的设备，主要负责采集、记录停电事件，并在停电时刻，通过NB-IoT 模块将停电事件及时通过NB-IoT基站传输到系统主站，主站及时统计、分析停电事件，判别故障原因，进行故障定位，并根据下游信息生成准确的受影响停电客户列表，然后对复电进行优先级排序，生成工单，最后形成事件报告。

在设计中，220 V 交流电经过智能电能表的电源模块变为12 V 直流电，为系统提供直流电源和检测电源。12 V 直流电源经二级电源模块变为3.9 V和3.3 V 直流电，给NB-IoT 模块的CPU 和NB-IoT芯片提供电源。当系统的12 V 电源丢失后，电源模块内的电解电容和法拉电容为系统上传停电事件提供电源；当停电事件上传到主站后，系统关断NB-IoT 芯片的电源，进入低功耗模式。

2.2 电源供电电路设计

系统电源电路设计原理如图3所示。电能表控制系统由两种供电方式，正常供电情况下是通过电能表的电源模块产生的12 V 供电。停电发生后，先由电解电容、法拉电容保存的能量供电，能量消耗后转由停电抄表电池供电，保证停电后事件能及时上传。

图3 电源电路设计原理图Fig.3 Power circuit design schematic diagram

直流12 V 经过电源转换芯片LV2842 变为3.9 V为NB-IoT 模块系统供电。法拉电容具有放电能力超强、能量转换效率高、过程损失小等特点，其大电流能量循环效率≥90%。正常情况下，220 V 交流电经过电能表的电源电路转换为12 V，为整个NB-IoT模块供电。当220 V 市电停电后，电源检测电路检测12 V 电源，系统产生停电事件；系统供电由法拉电容与电解电容供电，为系统停电事件的上报供电；当法拉电容放电完毕后，电源供电方式自动切换至电池供电。根据国网技术规范和停电事件参数，从总体技术要求分析，增加超级电容储能，要求在断电后能维持超过60 s 以上的工作时间。同时，超级电容的储能要求在断电后能维持超过60 s 以上的工作时间，具体计算公式为

式中：C（F）表示超级电容的标称容量；Vwork（V）表示正常工作电压；Vmin（V）表示截止工作电压；t（s）表示在电路中要求持续工作时间；I（A）表示负载电流。

假设超级电容的充电工作电压为5.3 V，最小工作电压为3.3 V，停电后超级电容需要维持平均50 mA的工作电流进行放电，那么如果停电后要维持工作60 s，则选择的超级电容的容量必须大于1.25 F，考虑到性能冗余，可以选择2.2 F 的超级电容。

3 系统软件设计

3.1 停电事件判别软件设计

软件部分的设计主要重点解决智能电能表针对停电事件所作出的判断和处理方法问题，系统采用C 语言作为开发工具，软件开发环境为IAR 集成开发环境和嵌入式工作平台。智能电能表系统判别流程如图4所示。

电能表工作时，判断是否有用电，若无用电，进入低功耗模式；若有用电，则进入正常工作模式。在电能表工作中，NB-IoT 模块的CPU 时刻检测是否停电，若停电，电源切换至电池供电，进行停电事件上报，上报完成后，切断NB-IoT 模块电源并进入低功耗模式；若没有停电，则系统继续运行。

3.2 通信模块软件设计

图4 系统判别流程Fig.4 System identification flow chart

通信模块建立通信连接流程如图5所示，系统初始化完成后，首先建立NB-IoT 通信连接，连接成功后，通信开始。数据采集及上传流程如图6所示，系统初始化完成后，NB-IoT 模块采集电能表1 h 的电压、电流、功率、电量，并将数据打包，采用UDP 协议上传到主站，数据每6 h 发送1 次，分2 次发送，每天上传4 次。每次发送数据前，需要判断通信模块是否与主站建立连接，如果连接成功，则上传数据；如果连接不成功，则执行系统初始化，重新建立连接。

图5 通信连接流程Fig.5 Communication connection flow chart

图6 数据采集及上传流程Fig.6 Data collection and upload flow chart

3.3 停电事件上报软件设计

停电事件上报处理流程设计如图7所示，系统启动运行时，首先检测电源模块电压，当检测到12 V电压为0 V 时，系统认定为停电事件产生，系统自动切换到电池供电，并产生停电事件，通过NB-IoT 模块及时将停电事件上传主站，事件上传完成后，系统将该停电事件保存至EEPROM 存储单元内，并重新检测电源模块电压，如果该12 V 电压仍为0 V，则切断电池供电，使系统和NB-IoT 模块一并进入低功耗模式，等待异常恢复。

图7 停电事件上报处理流程Fig.7 Power failure report processing flow chart

4 应用效果分析

将NB-IoT 技术方式与HPLC 载波模块方式、HPLC 载波加微功率无线双模块方式，通过在长沙选择3 个现场环境相似的小区，分别安装100 户进行应用试验，实时性按照停电发生与主站收到事件的时间差进行计算，平均实时性通过累计每次成功上报的时间取平均值进行计算，测试数据如表1所示。

表1 测试数据Tab.1 Measure data

由表1 可知，组网成功率方面，双模和NB-IoT方案均优于单独的HPLC 模块方案，达到100%；停电上报成功率方面，NB-IoT 方案最佳，达到100%成功上报，双模方案优于HPLC 模块方案；平均实时性方面，NB-IoT 方案仅为5 s，实时性明显优于其它两种方案。试验结果表明，NB-IoT 技术方案的组网成功率、停电上报成功率、平均实时性等性能指标整体优于同类技术。

5 结语

针对当前用电客户停电事件不能及时主动上报的难题，分析了基于载波与微功率无线双模通信的停电事件上报技术方案及优缺点，在分析NB-IoT技术特点的基础上，提出了标准统一、实时性强的基于NB-IoT 技术的停电事件主动上报设计方案。提出了在停电情况下，采用超级电容给系统关键模块供电的设计方案，给出了超级电容容量的计算方法及超级电容选型方法。设计了停电事件系统判别程序、NB-IoT 通信连接建立程序、停电数据采集及上报程序、停电事件上报处理程序。试验结果表明，NB-IoT 技术方案在组网成功率、停电上报成功率、平均实时性等方面均优于双模等同类技术，停电上报实时性、准确性、可靠性高。