基于5G通信的泛在电力物联网的设计与研究

赵玉坤，代冀阳，应进，鲁亮亮，李叶鼎

（南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）

0 引言

为了尽快提升电力物联网的管理效率，2019年国家电网计划全面推进“三型两网，世界一流”的建设，开拓泛在电力物联网的市场，充分发挥电网的独特优势，致力于构建一个能够实现移动互联、人机交互的智能电力系统[2]。然而国内现阶段建设的泛在电力物联网仍然存在云平台形式单一、通信技术使用标准混乱等问题。

本文以传统的泛在电力物联网为基础，结合5G通信技术和现有的物联网云平台，设计出一种新型的泛在电力物联网架构，使其能够更加有效地实现万物互联、智慧服务，解决传统泛在电力物联网架构中存在的一些缺陷，同时本文对未来国家泛在电力物联网的建设进行展望，希望能够为国家电力系统研究领域的学者提供参考，为国家电力发展提供有益的支持。

1 物联网通信技术对比分析

近年来，为了解决智能电网或数字电网的数据传输需求，研究人员将多种通信技术应用于电力物联网的建设之中。常用的主要有以下几种技术。

1.1 局域网通信技术

传统物联网根据距离大小，采用不同的通信协议进行数据传输。短距离通信的局域网中，一般常用WiFi[3]、蓝牙[4]、ZigBee[5]等协议进行通信，这几种协议具有传输速率高、建设难度低、功耗低的特点，但不适合长距离数据传输，且覆盖范围小、穿透力差，因此这几种协议只能在泛在电力物联网建设中起到辅助的作用。

1.2 GPRS技术

通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）[6]是以GSM网络为基础的一种广域通信技术，介于第二代和第三代移动通信技术之间，被称为“2.5G”。GPRS具有传输速率高、资源利用率高的特点，现阶段仍然被用于一些数据采集和系统监控的工作中，也解决了部分地区小规模远程电力抄表的需求[7]。但GPRS存在覆盖范围小、功耗较高的缺点，因此该技术已经无法满足国内大规模低功耗的电力发展要求[8]。

1.3 LPWAN

广域低功耗网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术[7]近年来以十分迅猛的速度在物联网应用中得到发展，是一种适合多种场景应用的物联网通信技术。以其中最典型的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术[9]为例，该技术以星型拓扑网络实现物联网通信，覆盖范围广、运营成本低、抗干扰能力强、灵活性较大，同时还可以实现定位服务[10]。因此，NB-IoT技术是现阶段很多学者和运营商力推大规模使用的通信技术。但是，LPWAN技术仍然具有不可弥补的缺陷，该技术传输速率较低、时延较大，无法解决泛在电力物联网中的一些电力评估、实时监测的问题，也无法及时发现一些潜在的电力故障，不能有效预防电力风险等[11]。

社会舆论方面，媒体和消费者群体应充分发挥舆论和反馈监督作用。不论是传统的纸质媒体还是新时代背景下的自媒体，都应该在这一问题上发挥其本身的舆论监督作用：一方面，对于医药企业内部对于假药的查处和监查进行报道；另一方面，通过监督医药企业的社会责任履行情况来营造一种良好的社会舆论氛围，以达到良性循环的效果，激励医药企业积极履行社会责任。消费者群体作为药品的直接使用主体，在药品质量、价格等问题上可以起到反馈监督的作用，可以就医药器企业药价过高、药效乏力等问题向媒体及政府进行举报，从而形成多层次、全方位监督的医药企业社会责任履行氛围。

1.4 5G通信技术

针对上述几种现阶段常用物联网通信技术存在的缺陷，本文提出将5G通信技术作为泛在电力物联网的主要数据传输方式。5G通信技术与现阶段市场上其他常用的通信协议相比，具有通信速率高、海量数据传输、高计算力、低时延、低功耗等特点[12]。较为全面的优势使得5G通信技术足够支撑泛在电力物联网的建设。5G技术能够用于监控分布式电源发电情况，能够实现对高危设备如电缆的状态评估，可以实现对车联网等实时性要求较高的设备的监控，方便及时发现隐患，预防突发事故的发生[13]等，这些都是其他通信技术无法完成的任务。

泛在电力物联网不仅可以利用5G技术通信实现，因为其通信模组可兼容各代移动通信标准，所以在没有5G信号的山区、森林、河谷、海岛、戈壁等人烟稀少的环境下，同样可以使用4G、3G、2G信号进行数据传输，将用户用电信息上传到云端[14]。同时，随着未来6G通信时代的到来，6G网络将会是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界，理论上可实现全球无缝覆盖，这样就可以更好地解决偏远地区电力物联网通信的问题[15]。因此现阶段5G通信相比于其他通信技术更适宜在国内泛在电力物联网中推广使用。

本文所述的几种通信技术的参数对比情况，如表1所示。

表1 几种通信协议的性能参数对比

2 新型泛在电力物联网架构设计

2.1 传统泛在电力物联网的概念

传统的电力量测方案仅仅停留在实现电力公司远程抄表的状态，无法实现用户或企业、智能化终端、电力公司三者之间及时有效的交互，更无法满足用户或企业的实时监控和其他定向服务需求[16]。为了解决传统电力系统的各种缺陷，近年来国家电网计划并开始建设了一种泛在电力物联网，该网络架构与其他形式的物联网形式相同，可分为感知层、网络层、平台层、应用层四个层级[17]，具体如图1所示。

图1 传统泛在电力物联网架构

感知层实现智能化终端的标准化统一接入，然后将各种终端采集的数据通过网络层上传至由国家电网建设的平台层，再由处于平台层的“一体化国网云平台”将数据进行整合、存储、分析、安全隐私保护等。平台层是整个物联网的核心，将具体的数据传送给应用层，再由应用层对数据进行处理并产生最终的决策，通过平台层和网络层发送控制信息实现对电力终端设备的控制[18]。

2.2 新型泛在电力物联网的设计

虽然现阶段国内建设的泛在电力物联网已经能够解决传统电力量测的许多问题，但该网络架构仍然存在一些不可忽视的弊端。首先该架构仅仅使用一体化国网云平台进行国内电力的大数据分析，形式单一，且因国家电网自身的技术限制，可能造成无法满足用户日益增长的电力设备智能化需求；其次，该架构采用多种通信协议相结合的方式完成各层级之间的数据传输，并且不同地区采用的通信技术比重不同，容易造成各种通信协议不兼容、信号串扰等问题。

因此本文以5G通信为主、其他无线通信协议辅助的数据传输方式，设计一种旨在满足普通用户、企业、电力公司等各种机构需求的泛在电力物联网架构。该架构同样分为感知层、网络层、平台层和应用层四个层级，如图2所示。

图2 新型泛在电力物联网设计架构

感知层：包括各种智能化终端，终端使用数据采集和转发、设备监控、命令执行的一体化设计，可通过多个传感器采集各种设备的多个参数值；同时，智能化终端集成了微处理器和5G通信模块，可以将采集到的各种参数值经过解析和封装，通过5G网络与平台层的云服务器之间进行数据交换、共享等；需要注意的是，终端需要使用统一的标准化接口，这需要终端采用轻量级、低功耗的处理器运行相同的操作系统，而且为了缓解平台层海量的数据处理压力，需要在终端对原始数据进行初步的处理和整合，完成一些区域化的计算任务。

网络层：通过现有的移动通信、互联网等基础设施，完成感知层向平台层的数据传输，这个过程需要利用现有的很多通信协议实现。但是考虑到其他通信协议的缺陷，本文提出在网络层中主要使用5G通信技术完成海量的数据传输，只在一些应用5G技术通信不太适合或成本较高的场景下，使用其他无线通信协议完成数据传输的辅助工作。对于物联网传输协议，则采用现阶段较为成熟的MQTT协议和COAP协议。

平台层：与传统泛在电力物联网相同，该层完成对用户数据的分析、整合、存储、隐私保护等工作，是电力物联网的核心。而与传统泛在电力物联网不同的是，本文设计的平台层具有两种云平台：一种是国家电网专用的一体化国网云平台；另一种是互联网公司开发的企业云平台，例如阿里云物联网平台、中国移动物联网开放平台OneNET等。国家电网针对各行业用户或企业的统一需求，提供专业化的服务，也可以防止用户一些重要数据的泄露，而互联网公司物联网平台可以充分利用其现有的技术优势，根据不同用户的需求提供个性化定向服务。

应用层：作为电力物联网架构中的用户接口，应用层通过对平台层处理后的数据进行再次分析、产生决策，为用户提供各种特定的服务，即通过平台层和网络层对处于感知层的智能化终端实现控制。用户可以通过网页端、APP、小程序等登录自己的账户，完成对远程终端的监控。以智能家居为例，用户可以远程监测家庭安装多个智能电表，可以远程控制家庭用电设备的开关和调节等。

2.3 新型泛在电力物联网优势分析

本文设计的泛在电力物联网架构，使用一体化国网云平台和互联网公司开发的云平台相结合的方式实现对用户数据的处理，该架构优势明显。首先，采用互联网公司的云平台，可以弥补一体化国网云平台需要统一提供用户侧功能的劣势。互联网公司的云平台可以充分利用其行业内顶尖的技术优势，针对性地满足用户或企业的个性化需求，提供国家电网因自身限制所不能提供的服务，应用方式更加灵活。例如向用户提供对电力设备实时监控的服务、满足某些企业使用无人机巡检的需求等。

其次，采用两种物联网云平台促进不同互联网公司以及国家电网之间的竞争，有利于避免单一网络架构可能产生的行业垄断；同时，互联网公司之间的相互竞争也会使得各企业为了争取市场份额，不断加大对电力物联网建设的研发投入，优化平台的功能和体验，并减少用户的平台使用费用。

3 实验与分析

本文结合阿里云物联网平台，设计实现了一种基于4G通信的智能远程电力监控系统，用来验证使用互联网公司云平台建设电力物联网的优越性。使用该系统可以实时监控设备的多种电力参数，包括用电量、电压、电流、功率、功率因数、频率等。该系统框图如图3所示。该系统主要包括智能电力采集终端、阿里云服务器、阿里云物联网三个部分。具体实现过程是：智能电力采集终端采集到所测量设备的多个电力参数，在对数据进行解析和封装后，通过MQTT协议将电力参数值实时上传至阿里云服务器，再由阿里云服务器对数据分析处理，然后将多个电力参数实时显示在阿里云物联网平台中。

图3 智能远程电力监控系统架构

智能电力采集终端实物图如图4所示，结构框图如图5所示，该终端采用HLW8012电力计量模块采集多种电力参数，微控制器STM32F103能够使用ModBus协议实时读取电力计量模块采集的数据，并通过4G通信模块EC20将数据实时上传至阿里云物联网平台，实现对各电力参数的实时监测。其中，4G模块EC20使用PCIe标准接口，该接口可兼容5G通信模块，因此在后期5G网络相关设备建设成熟之后，只需更换该终端的通信模块便可投入使用。

图4 智能电力采集终端实物

图5 智能电力采集终端结构

为了验证该系统的有效性，本文使用该系统连接负载进行实验。本次实验所接负载是参数为50 W/220 V的美的品牌电风扇。具体实验过程是：依次将电风扇的工作状态调节至关闭、1档、2档、3档四种状态，并使用XT单相轨道式电能表和智能电力采集终端同时测量该负载各状态下的电力参数值，然后对比阿里云物联网平台、电能表的参数值显示情况，并分析阿里云物联网平台对电风扇电力参数的监测效果。

实验数据具体监测情况如表2所示，经过对比可以得出，阿里云物联网平台对数据的监测精度较高。同时，实验过程中每次更换电风扇状态并在平台更新显示的时间延迟平均值经过测试为1.2 s左右，且5G通信速度是4G的15~100倍[19]，因此，在5G网络下，该系统完全可以实现对智能电力采集终端的实时监测。

表2 阿里云物联网平台监测值与电能表实测值对比

阿里云物联网平台还提供了查询所监测的各电力参数历史记录的服务。图6显示了在上述监测美的电风扇运行过程中功率参数值的变化情况。

图6 风扇四种状态下功率变化

用户可使用该功能查看过去任意时间段内各个电力参数的变化情况，该功能不仅有利于用户规避用电风险，用户还可以通过分析自身的具体用电情况，改善过去不合理的用电方式，做出节约用电计划。

4 结语

本文对比了现阶段常用的多种通信协议，最终基于5G通信设计了一种新型泛在电力物联网架构，并结合阿里云物联网平台设计实现了一种智能远程电能监控系统，通过实验验证了所设计的泛在电力物联网架构的优越性。虽然5G技术能够使能中国的泛在电力物联网，促使许多智能化应用场景得以实现，但技术的革新必定伴随着更多新的要求和标准，例如，需要更加关注信息安全、知识产权、运营机制、智慧服务等方面的问题。因此，智能电网的建设应加强与外部的合作、研究，接纳各种技术和经验，根据经济社会的发展状态不断进行调整，从而促进国家电力能源产业水平更加科学有效地得到提升。