探讨如何设计基于NB-IOT的分布式电力监测管理系统

探讨如何设计基于 NB-IOT的分布式电力监测管理系统

刘通

深圳市和盛电力有限公司 518107

摘要：随着接入电网的各类用电设备的增加，给电网的运行和管理带来了较大的压力。电力监测管理系统的应用，是电网运行安全的重要保障。数据通信是电力监测管理系统的主要功能之一，NB-IOT技术作为一种数据通信技术，能够为分布式电力监测管理系统提供更加完备的功能。本文以分布式电力监测管理系统为主要研究对象，着重对基于NB-IOT技术的分布式电力监测管理系统的设计进行研究和分析。

关键词：NB-IOT技术；电力监测管理系统；物联网

前言：监测管理系统在我国多个行业和领域中有着广泛的应用，能够有效保证行业企业的生产安全。对于电力行业来说，电网的安全化运行，不仅能够保证电力资源的持续供应，还能够保障电力企业工作人员的安全和企业的经济效益。电网运行的高效化和智能化，也是现阶段电力企业的主要发展方向之一。因此，对基于NB-IOT技术的分布式电力监测管理系统进行分析，能够为我国电网运行提供有益的借鉴。

一、NB-IOT技术

（一）NB-IOT技术的具体含义

NB-IOT技术是一种数据通信技术，其主要是在蜂窝网络的基础上建立起来的，能够在GSM网络、UMTS网络以及LTE网络上部署，具有较大的适用范围。而由于数据通信技术是各种网络数据连接的基础，NB-IOT技术拥有的优势，能够为促进我国互联网行业以及网络信息技术的发展提供重要的动力^[1]。现阶段，NB-IOT技术已经被广泛的应用于一些以物联网为发展基础的行业。而作为一种新兴技术，NB-IOT技术在未来社会中有着广阔的发展前景。

（二）NB-IOT技术的应用优势

移动通信已经成为现阶段人们生活和工作的必备技术之一，在人们获取社会信息、加强沟通联系等方面发挥着重要的作用。NB-IOT技术作为一种数据通信技术，不仅能够实现移动通信技术的所有功能，还能够在移动通信技术的基础上进行优化。物联网作为现阶段各个行业和领域发展的主要趋势，需要以网络通信技术为基础才能够发挥物联网的功能和价值。NB-IOT技术能够有效满足物联网发展的市场和技术需求，为物联网的发展提供坚实的基础和技术条件。

在实际应用中，NB-IOT技术能够体现出强链接、高覆盖、低功耗以及低成本的优势^[2]。强链接的优势，主要体现在NB-IOT技术可以提供50-100倍无线技术的网络接入数；高覆盖的优势，主要体现在NB-IOT技术能够提升100倍的区域覆盖能力；低功耗的优势，主要体现在NB-IOT技术拥有长达10年的待机寿命；低成本的优势，主要体现在NB-IOT技术不用额外建立新的网络，能够在现有的网络中发挥最大的价值。

二、基于NB-IOT的分布式电力监测管理系统设计分析

分布式电力监测管理系统，是现阶段主要应用于电网运行的监测管理系统之一。在现阶段电力行业的发展中，国家提出的智慧电网的建设，对电网运行的功能和价值提出了更高的要求。要想达到智慧电网的建设目标，最主要的前提条件就是要保证电网的安全运行。将NB-IOT技术应用到分布式电力监测管理系统中，能够充分发挥NB-IOT技术的优势，在节省系统设计和建设成本的同时，实现保障电网安全运行的目的。在对基于NB-IOT技术的分布式电力监测管理系统进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手：

（一）系统总体结构设计

NB-IOT技术是以数据信息为载体实现功能和作用的，在对分布式电力监测管理系统进行设计时，要以实现数据信息的有效通信和及时共享为主要目标，以对电力系统进行数据采集、数据分析、数据传输以及远程监测等功能为结构的设计要求。在对系统的总体结构进行设计时，主要可以将其划分为感知层、传输层、平台层以及应用层四个部分，再根据电力系统的实际运行情况，对每一个具体的部分进行结构设计。

分布式电力监测管理系统的感知层，主要是由数据采集终端以及智能开关组成，在实际应用中，感知层主要是借助传感器来实现对信息的感知和获取，在对获得到的数据进行分析判断之后，通过智能开关传送到传输层。因而在对NB-IOT的分布式电力监测管理系统进行分析时，要以数据的采集与判断为主要设计目标，从环境参数、设备运行状态以及故障预警三个方面来对收集到的外界信息进行转换处理，再通过与智能开关的联动控制来实现对数据信息的分类和封装，在完成之后，将处理好的信息传递到传输层。

传输层主要起到的是数据信息的传输作用，借助NB-IOT技术中的NB-IOT模块，将数据信息直接传输到NB-IOT基站，而基站再将数据信息传输到不同类型的网络中，进行下一步的数据信息分析和处理。

平台层能够为客户提供数据信息获取服务。对于分布式电力监测管理系统来说，这一结构能够帮助电力企业获得更为准确、全面的数据信息，进而实现对客户的个性化和定制化服务目的，在保障电网安全运行的同时，提高电力企业的经营效益。平台层的主要应用原理是借助Internet网络来实现数据信息的服务功能，网络用户可以通过Internet网络来访问后台服务器，进而获取其想要得到的数据信息。

应用层是NB-IOT技术在分布式电力监测管理系统中应用的最好体现，在这一层结构中，通过NB-IOT技术的相关原理，为电网运行搭建监控平台，并对系统搜集到的数据信息进行及时的整合和共享。这样不仅能够实现信息的及时共享和处理，还能够对电网运行的相关数据信息进行实时的监控，进而保障电网的运行安全。

总的来说，以NB-IOT技术为主的分布式电力监测系统的设计，主要包括以下几个流程：外界数据信息通过数据采集终端转换之后，传输到NB-IOT模组，再发送到NB-IOT基站，最终由NB-IOT基站传输到Internet网络，为用户提供数据信息服务。在这个过程中，NB-IOT技术不仅能够有效节省数据信息传输的时间和效率，还能够充分发挥物联网的容量优势，对提高电力监测管理系统的数据分析能力和处理效率具有重要的作用。

图1 分布式电力监测系统的数据传输流程

（二）硬件设计

硬件是整个分布式电力监测管理系统的实体设施设备，主要包括数据采集终端模块、智能开关以及NB-IOT通信模组三个部分。在对分布式电力监测管理系统进行设计时，需要重点注意这三个部分的结构设计。

1.数据采集终端板块

数据采集终端板块主要由传感器组和主控板两部分组成，是实现数据采集功能的重要基础。从NB-IOT技术应用的角度来说，现阶段分布式电力监测管理系统中应用的传感器组，主要包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、照度传感器以及震动传感器等不同类型。而主控板则主要是以电源模块、定位模块以及单片机构成的。为了保证数据采集终端板块的功能，在对具体的传感器和模块型号进行选择时，需要充分考虑到电网运行的实际情况。

传感器是数据采集和信息转换的重要工具，在数据采集终端的板块当中，依据数据信息的载体不同，需要选择不同的传感器类型。数据采集终端在工作时，主要是借助传感器组和RS485总线，将收集和转换完成的数据信息传输到主控板中，再经由NB-IOT模块来实现对数据信息的进一步处理。

2.NB-IOT模块

NB-IOT模块是整个系统中能够实现数据传输作用的重要工具。本文系统设计中应用到的NB-IOT模块，是NB05-01模组。这种模块在实际的应用中不仅能够有效的发挥传输作用，还能够将串口与网络接口连接起来，实现数据的双向传输，并且能够适应多种不同的工作模式，能够展现出良好的实用效果，实现数据信息的高效交互。

具体来说，NB-IOT模块在实际的运行中可以分为网络透传模式、CoAP模式以及UDC模式三种工作模式。NB-IOT模块主要与主控板中的单片机和定位模块产生联系。单片机在运行中借助UART接口来实现对模组中的数据进行交互，再将交互后的信息借助900MHz的射频天线来实现数据信号的发送。在这个过程中，NB-IOT模块主要起到的是保护数据信息安全的作用。举例来说，当采用网络透传模式时，NB-IOT模块在应用中能够保证参数数据发送的有效性，进而提高数据信息传输的成功率，减少系统运行成本的消耗。

3.智能开关

智能开关从本质上来说是一种控制装置，能够在实际应用中为系统其他装置的运行提供电力支撑，并对整个系统的供电安全进行保障。智能开关在应用中主要是通过继电器等部件来发挥控制作用的，在监测管理系统运行时，如果检测到实现数据采集的装置电压或温度超过规定的标准，智能开关就能够通过继电器等部件来强行断电，达到保护系统运行安全的目的。在这个过程中，主控板中的单片机也发挥着重要的作用。单片机是智能开关中能够实现对继电器控制的主要装置，因而在对系统的智能开关进行设计时，要重点选择好单片机的型号，保证单片机的质量，让单片机在实际应用时能够对供电设备进行有效的驱动，进而保证继电器能够有效发挥作用。

（三）软件设计

1.平台搭建

软件平台的搭建，是能够有效实现对电网运行数据监控的重要途径。依据NB-IOT技术，在对分布式电力监测管理系统进行设计时，首先要重视软件平台的搭建。软件平台不仅是服务器数据信息的储存和监控途径，还能够实现信息获取服务的功能。在搭建软件平台时，应用区域监控平台和总部监控平台两级监控系统，不仅能够有效实现信息数据的及时共享和整合，还能够尽量减少重复信息的获取和分析，进而节约数据信息管理和监控的成本。NB-IOT技术在软件平台搭建中的作用，主要体现在NB-IOT网络的应用上。在两级监控系统的前提下，NB-IOT网络作为一种信号传输途径，能够及时将数据信息传播到区域监控平台上，在区域监控平台对数据信息进行融合之后，将收集到的报警信息传输给总部监控平台。其中，区域监控平台的数据信息融合，主要包括设备注册、浏览和编辑采集数据、显示参数图表、实现远程控制。与此同时，在软件平台中引入先进的GPS管理系统，能够实现对预警信息位置的准确判断，能够有效节省数据信息传输和电力系统维护的时间和成本。而在这个软件平台中，总部监控平台主要承担着区域平台信息管理、查看预警信息、实现数据交互以及数据信息的统计等功能。

总的来说，在搭建软件平台时，主要可以按照数据存储模块、数据分析模块、预警模块以及设备管理四个大的方面来进行设计。其中，数据存储模块主要发挥数据浏览和数据编辑功能；数据分析模块主要发挥参数曲线和历史曲线的功能；预警模块主要承担着阈值设置和预警显示的功能；设备管理主要承担着设备注册以及设备删除的功能。

2.数据库的设计

数据库的设计不仅仅是基于NB-IOT技术的本质而言的，还是能够符合现阶段越来越多的电力市场用户需求的重要设计内容。在建立数据库时，可以将不同类型的数据信息按照一定的标准进行划分，让环境参数数据、设备状态数据、参数异常告警数据等能够及时在软件平台上实现调取和利用，进而发挥分布式电力监测管理系统的作用和功能。具体来说，在对数据库进行设计时，首先要依据不同的数据库类型建立数据表，数据表的内容和形式主要包括采集时间数据表、出入口温度表、电机温度表、电机振动数据表等。在建立好数据表之后，则要创建与数据库连接的PHP动态站点，这一动态站点的建立标准，以随时查询基础档案、可进行数据挖掘和异常风险预测为主。随着现阶段越来越多的新型技术被应用到电力系统的运行中，分布式电力监测管理系统应用的数据库也会逐渐容纳更多的数据信息。因而在对数据库进行设计时，不仅要满足数据库本身的大容量和数据信息处理能力的要求，还要能够应用自动化和智能化的技术，对电力系统中运行的各项数据信息进行更高效、便捷的处理，进而提高分布式电力监测管理系统的应用质量，保障电力系统的运行安全。

3.分析软件开发

分析软件的开发，是现阶段NB-IOT技术应用中的一个重难点问题。在大数据的时代背景下，对分析软件进行开发，不仅要充分考虑到数据库中的参数数据，还要以曲线展示、报表分析以及参数设置等功能为实际的开发目标，进而实现对电网运行安全的监测和管理。分析软件主要是以计算机为载体来实现分析功能的，因而在分析软件的功能上需要考虑到是否能够展示参数趋势图、开发监测的实时动态管理以及数据信息的计算等功能。除此之外，在对分析软件进行设计时，还要充分考虑到实时电压、温度等信息可能对分析结果造成的影响，并具体结合不同电力系统运行的实际情况，以达到减少计算分析结果误差，保证电力系统监测效果的目的。

（四）基于NB-IOT技术的分布式电力监测系统实际应用

路灯监测系统，是分布式电力监测系统的一种类型。在对基于NB-IOT技术的路灯监测系统进行设计时，其主要的应用原理包括以下几个步骤：首先要确定好路灯监测系统的基本结构组成，在应用NB-IOT技术后，该系统的基本结构以数据采集模块、数据传送终端、透传云平台以及数据监测平台四个主要的部分组成，按照系统架构设计划分，主要涉及到感知层、传输层和应用层三个部分。其次，该系统设计运行的主要原理，是由数据采集模块来负责路灯的电压、电流以及温度等数据信息的采集和转换，在将数据封装之后，传输到数据收发终端，再利用云平台将数据传送到监测平台的数据库当中，再经由Internet网络发送到移动终端。

图2 基于NB-IOT的路灯监测系统结构

在对该系统的硬件进行设计时，主要包括数据采集模块和数据收发终端两个部分。与电力系统的监测任务相比，对路灯监测，其最终结果比较容易受到谐波和干扰的影响，因而在数据信息的采集阶段主要采用的是采集算法。这种算法在应用中能够发挥滤波功能，有效保证数据采集和分析结果的准确性。

在对该系统的软件进行设计时，则主要包括透传云平台以及数据监测平台的设计，而数据监测平台中又主要包括Web数据库、Web服务器以及网页查询系统三个主要的部分。在对透传云平台进行设计时，需要注意与NB-IOT DTU设备进行配套使用，而数据监测平台则主要发挥数据信息的管理功能。

结论：综上所述，NB-IOT技术的应用，能够有效实现分布式电力监测管理系统的功能和价值。近年来，监测管理系统在电网运行中的重要性逐渐凸显出来。在对基于NB-IOT技术的分布式电力监测管理系统的设计进行分析之后可以发现，由于数据通信技术各有优势，在对电力监测管理系统进行设计时，需要依据电网运行的不同情况进行选择，才能够更好的发挥电力监测管理系统的作用。

参考文献：

[1]李烨桐,郭洁,祁霖,蒋霖,陶新民.一种新型电力设备环境信息监测管理系统[J].黑龙江电力,2021,43(03):203-208.

[2]窦健. 基于组件化电力监测管理系统研究与实现[D].西安科技大学,2020.