蜂窝LPWA和5G如何为智能公用事业提供基础设施

对于具有远见的公用事业公司来说，电网和计量基础设施是优先关注的对象。这种解决方案包括一个高度互联的集成系统，包括电网组件、智能电表、通信网络和数据管理平台。采用智能架构的公用事业公司可以：减少停电和电力波动；帮助消费者降低每月能源账单；通过远程移动设备获取燃气、电力和水表的读数。在欧洲和美国，智能电网和广泛的状态读取传感器网络正在为一个成本高效且环保的未来铺路。人们普遍认为，智能公用事业完全属于低数据速率和可容忍延迟的领域。然而，5G（包括私有网络）将推动智能电网实现远程保护、实时电力波动控制、负载平衡和快速能量重新分配，并引入新的运营模式。 如今，智能公用事业的智能计量方面已具备跨网络连接能力，包括2G、3G、4G LTE，甚至是非授权频谱网络。目前，智能电表首选的技术是蜂窝式低功耗广域网（LPWA）（即 LTE-M 和 NB-IoT）。3GPP 将这些技术指定为 4G LTE 标准的一部分。然而，LTE-M 和 NB-IoT 已被整合到 5G 框架下，演变为更高效的频谱。它们将支持用户在 5G-NR 环境下，超越 3GPP 第16版（Rel 16）的部署。 5G 对物联网解决方案的影响将在全球范围内显现，特别是在推动智能公用事业功能的新应用方面。为 5G 能力构建智能电网框架将彻底改变我们与周围世界连接的方式。2024 年推出的 5G-Advanced（3GPP Rel 18）有望为网络带来更多的智能化和能源效率。5G-Advanced（5G-A）将使公用事业公司能够实现可持续发展目标，包括减少二氧化碳排放和用水消耗。 智能计量是如何运作的？ 智能计量使设备能够连接到水电、燃气和电力公用设施。电力公司和应急服务人员将通过一个 5G 启用的电网网络获得实时无线控制能力。这种控制能力是通过分析由计量装置和传感器组成的基础设施所收集的数据湖来实现的，这些设备监控着消费情况和变量（例如水质和电力质量）。这些计量装置和传感器将读数发送至公用事业公司运营的数据湖。数据经过分析后，以警报和诊断信息的形式呈现，以帮助用户理解他们的消费模式和行为。 家庭用户将通过更准确的账单节省开支，并通过手机应用程序查看实时使用数据，从而了解自己的消费行为。公用事业公司不再需要派人到用户家中读表，那样的时代已经过去了。 其他工业用途的智能公用事业功能包括用于调节石油工业管道和设备的传感器。它们可以检测采矿作业中的气体泄漏和毒素，以及其他对安全至关重要的实用计量应用。 智能公用事业的功能 利用智能传感器和其他新兴技术，解决方案提供商为公用事业开发的物联网创新包括： - 自动、实时测量电力使用情况 - 接通或断开服务 - 检测能源窃电、水和燃气泄漏 - 识别并隔离停电情况 - 启用基于时间的费率计划和激励机制 设备与服务器之间通信越快，采取行动的速度也就越快。 智能电网在全球范围内持续获得发展。一份最新报告显示，美国和全球市场正在快速扩张。 5G 将如何改变智能电网解决方案的实施？ 许多基础设施正在升级为 4G LTE 解决方案。随着越来越多的设备将带宽推至峰值容量，5G 相比于 4G 网络有哪些优势？ 5G 的速度和访问能力正集中于消费者市场。随着 5G 在网络上推出更多面向物联网的功能，例如超可靠低延迟通信（URLLC），我们将看到： - 更快的电力恢复 - 在 5G 连接的家庭和设施中实现更经济有效的措施 如果计量框架（例如燃气管道传感器和水表）需要每年或每两年更换一次电池才能访问和维护，那么这将是困难且昂贵的。由 LTE-M 和 NB-IoT 组成的 5G 连接性通过以下方式满足了这一需求： - 延长使用蜂窝 LPWA 模块的设备电池寿命 - 扩展连接设备的地理覆盖范围 正在开发的、比 2G 到 4G 更擅长长时间连接多个设备的标准，5G 将支持每单位面积比 4G 多连接 1000 个设备。与目前的 LTE 相比，5G 的网络切片将允许智能能源用例由单一网络处理。 据 Lifewire 的 Tim Fisher 所述，4G 与 5G 的区别在于，5G 有足够空间在数十亿连接设备的无线电频率上运行。 5G 智能电网对消费者的直接益处 据 Business Insider 报道，5G 智能电网将提供不间断的数据流，即使在“干扰、障碍和网络拥塞”的情况下也能安全传输。 在一个 5G 网络上运行的精炼智能电网操作可以为消费者和公用事业公司带来以下好处： - 降低账单成本 - 降低计量成本 - 降低客户争议 - 提高运营效率 - 对电力消费的个性化控制 - 实时客户工具 - 降低公用事业的资本支出 - 降低停电成本 - 全方面减少不便 展望 5G-A 行业正在期待 2023 年至 2024 年间发布的 Rel 17，作为 5G 大规模物联网（即大规模 LPWAN 工业传感器部署，包括智能电表和智能电网传感器网络）的推动者。如上所述，3GPP 已经开始为 2024 年的 Rel 18（5G-A）制定相关计划。 3GPP 正在评估来自行业领先者的提案，尚未定义具体规范。以下是一些提议的创新概述： **增强的能源效率** 5G-A 基础设施将使用更少的能源传输数据，从而帮助行业实现可持续发展目标。这一优势对于公用事业公司满足政府关于可再生能源电网和碳减排政策的要求来说至关重要。5G-A 将优先提高设备的电池寿命。该技术可能会采用人工智能（AI）和机器学习（ML）来增强无线性能。 “无线网络极其复杂、高度动态且高度异构，”3GPP 成员、Tantra Analyst 创始人兼首席分析师 Prakash Sangam 写道。“除了使用 AI/ML 之外，没有更好的方法来解决这些无线难题。” **更高的室内定位精度** 最初的 5G 版本预计会提高定位精度，但 5G-A 可能会进一步增强这一能力。提案建议利用卫星来精确定位设备的位置，甚至是在室内环境。对于公用事业公司而言，这项技术将有助于追踪移动资产，例如服务车辆和维护无人机（UAV）。 **无缝的切换过程** 当设备从一个地方移动到另一个地方时，基站切换仍可能导致服务中断。5G-A 将有望最大程度地减少这些中断。这种增强的连接可靠性将促进在公用事业电网的监控和维护方面引入更具创造性的新方法。 **改进的低能力用户设备** 许多物联网用例，包括大多数智能电表，并不需要高速连接。对于这些设备，低功耗广域网（LPWAN）或其他低能力（RedCap）用户设备（UE）就足够了。5G-A 将有望提供更简单、更节能的基础设施，并提升低功率蜂窝设备的覆盖范围。新的基础设施将允许公用事业公司在 5G 网络上以更低的成本运营大规模智能电表和电网部署，这些部署的带宽需求为 100 Mbps 或以下。 **高精度的时间同步** 智能公用事业应用需要可靠的连接和定位，也需要精确的时间同步。变电站是公用事业公司中最关键的环节之一，它们负责监管发电站、可再生能源和消费者。随着电网变得越来越智能化，允许双向通信和能源分配，变电站将需要以毫秒级精度进行时间同步。5G-A 将有望提供这种精度，使智能电网能够拥抱自动化，并管理包括可再生能源在内的多种能源来源。 **借助 Telit 推动智能计量的未来** 凭借在物联网技术与解决方案领域近二十年的经验，Telit 在全球智能计量解决方案行业拥有良好的业绩记录。现在，您可以以具有成本效益的方式开始创新或升级您的蜂窝连接和智能电网设备组合。Telit 让这一切变得简单。我们的物联网专家将协助您找到适合您需求的蜂窝 LPWA 和 5G 模块，以及定制物联网数据计划。 **编辑注**：本文最初于 2019 年 11 月 7 日发布，此后进行了更新。