泛在电力物联网环境下新一代智能电能表技术展望

泛在电力物联网环境下新一代智能电能表技术展望
摘要：随着“泛在电力物联网”建设的深入推进，基于NB-IoT(窄带物联网)技术的
智能电表和用电信息采集系统产品将在“泛在电力物联网”建设中发挥重要作用，
尤其是NB-IoT智能电能表。NB-IoT智能电能表作为电力物联网感知层末端重要的
传感设备，其技术功能被赋予更多的要求，既要兼顾传统计量功能又要考虑泛在
电力物联网环境下业务的需求。
关键字：泛在电力物联网；NB-IoT；智能电能表
所谓“泛在电力物联网”，就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人
工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机
交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。
基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)是万物互联网络的一个重要分支，是新一代窄
带物联网传输技术，由中国制定标准并在全球推广实施，较传统2G网络，NB-
IOT具有广覆盖、低功耗、低成本、信号强等突出特点，特别适合用在“水、电、
气”等能源管理领域持续自动传输数据、低功耗、长周期监测的场景中应用。
传统的物联网连接系统结构仅仅考虑了各个物体之间的连接，较少地使用模
块化解决方案，导致整个系统存在维护成本高、安全性差、可靠性低、等缺点，
并且因为传统的物联网系统中所使用的设备功耗较大，导致设备无法较长时间独
立工作，。所以，一个新的蜂窝物联网标准需求越来越迫切，首先，这个物联网
系统应当使用的是标准化的模块结构，降低系统的维护成本，其次是设备应当是
低功耗设备，即可以长时间的独立工作，最后是较强的覆盖范围，NB-IoT(Narrow
Band Internet of Things)应运而生，并且较好的解决了传统物联网系统所存在的问
题。作为物联网的一个非常重要分支，NB-IoT具有构建简单、占据带宽窄（仅为
180KHz）、可以共建、低功耗等特点。如NB-IoT构建的基础是蜂窝网络，可以直
接部署于多个网络系统中，如GSM网络、UMTS网络和LTE网络、部署成本较低。
NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN：
Low-Power Wide-Area Network)，支持待机时间较长、对网络连接要求较高设备的
高效连接，提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。而这些优点可以使其被广泛
应用于传感系统。
一、基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)的新一代智能电能表分类
1、地区自动抄表模式：利用远场控制，即控制中心的主机实现实时通讯，利
用与住户水、电、气表连接的数据采集模块将数据送入，之后通过无线网络通信
系统传回控制系统的主机，实现远程抄收功能，可以在任意地方实施抄表。该系
统具有简单、灵活、方便等特点。
2、微机联网抄表模式：直读总表和分表之间通过线路连接，并且将总线接入
数据中转的中继器，再接入转换器，实现联网自动抄表目的，适用于小区的物业
管理。
3、手抄器自动抄表：也称为半人工抄表系统，需要工作人员进入住户，手工
录入水、电、气表的数据。在完成一个一个地区的抄表任务之后，将手抄器的数
据导入控制中心的主机，实现抄表的目的。
抄表工作是水、电、气等企业的重点工作，同时也是这类企业中最繁重的工
作。传统的人工抄表耗时、耗力，并且准确度较低，而通过基于NB-IoT的智能抄
表系统，不仅仅缩短了抄表时间、提高效率，同时加强了管理、决策者对该流程
的了解及管理，可以有效的提高企业的办事效率，实现企业的现代化进程及自动
化办公。
二、基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)的新一代智能电能表遵守原则
抄表系统的设计应当遵循以下原则：
1、安全性：安全是衡量系统好坏的重要指标，严格、合理的管理架构，良好
的程序设计，多层次的安全保护措施可以有效的提高系统安全性；
2、可行性原则：需要根据住户、硬件设施、环境和操作人员的素质来设计整
个系统，每一步骤都要做到有理有据；
3、实用性：该系统是替代传统人工抄表系统，重点针对人工抄表存在的混乱、
复杂和时效性低等问题，需要将数据录入分为多个模块，避免混乱，实现抄表的
规范化、信息化和准确化；
4、低成本：该系统适用于人口密集地区，需要通过最低成本的硬件、最简单
的操作，最少的工作量，完成相关操作。而对于人口密度较低的地区，该系统成
本过高，可以通过半人工抄表系统完成，实现抄表的信息化、准确化。
三、基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)的新一代智能电能表系统架构
1、数据处理：
（1）控制中心：控制中心主机所显示的是数据导入、处理之后的结果，方便
控制中心的工作人员看到整个读表的流程。在此处需要为工作人员提供一个交互
式的处理、控制界面。
（2）数据表现层：数据处理系统的核心是抄表数据表现层，是整个系统中至
关重要的一层。数据表现层最主要的功能是规则制定、数据处理，其次是数据管
理，即向控制中心的交互式系统传送已经处理好的数据和读取、存储位于存储层
中的所收集来的电、水、气表中的数据，相当于数据存储层和交互式系统之间的
过渡桥梁。
（3）数据存储层：通过数据收集器收集住户水、电、气表的数据，之后通过
无线通信系统将数据送入数据库，而数据层是对数据库的管理，负责整个系统的
数据读取与存入。
2、网络架构：
系统网络架构利用通信设备实现数据的实时传输，该系统中参与通信工作的
各种设备用媒体互连在一起的方法。可以概括为住户使用的普通水、电、气表同
数据采集器连接，之后数据采集器和数据集中器连接；数据收集器中的数据可以
通过无线通信系统或者是手持设备接入控制中心的主机，然后数据被数据存储层
处理，之后被数据表现层使用最后呈现给控制中心的工作人员，完成自动抄表的
全部流程。
系统的数据库是网络系统中的关键部分，也是系统中最需要保护和维修的部
分。由于建立数据库的主机需要长时间、不间断的供电，并且对环境有一定的要
求，所以通常将系统的数据库布置在控制中心，方便维护与管理。控制中心下属
单位和职能部门根据自己的需求，远程访问存储数据的服务器，对所需要的数据
进行读取。
服务器主中设计的本单位系统根据下一级的访问端口的业务请求并完成相关
的的业务处理或者是数据读取。服务器功能包括对系统的抄表数据维护、、数据
处理和控制等重要工作，并且系统通常将权限管理、登陆管理和异常管理等多个
模块也集中在服务器中，这样有利于数据的统一管理，并且对于系统的实时性、
有效性以及完整性都有显著的效果。
3结语
新一代智能电能表可以快速感知客户停复电状态，精准定位故障位置，实现
主动抢修，以数据驱动配电运维新模式。此外，通过内嵌的模块化芯片，它还有
智能负荷辨识功能，客户安装手机APP后，家中各种电器的实时能耗和启停时间
等信息可以一目了然，及时发现电器能耗数据是否正常。
lNB-IoT智能电表作为“两网”建设的关键智能终端产品之一，对于电网实现信
息化、自动化、智能化具有重要支撑作用。随着“泛在电力物联网”建设的推进和
落实，以及电能表存量更换需求推动，在NB-IoT智能电表方面拥有先进技术和应
用经验的电能表企业将迎来新的更大的发展机遇。
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