LoRa通信技術的研究與應用

幸 進，李夢婕，方 勇，朱軼群

（國網浙江三門縣供電有限公司，浙江臺州 318000）

1 農村電網安全用電現狀

農村電網一直是農村基礎設施中最薄弱的一環，受各種因素制約，配變臺區的設備異常、故障查找、維護管理等存在不能及時發現、及時處理的問題，主要體現在5個方面。

（1）農村新房子不斷增加，部分電線到處亂拉，沒裝保護器。由于大部分農民不愿意購買保護器，也不能強迫安裝，容易造成安全隱患。

（2）由于用戶室內電線、插座、電器質量差，存在漏電或短路，不能投入，剛剛裝上，用戶就自行拆離，農戶不會主動要求購買。

（3）存在鄉村供用電環境條件差，管理范圍大，交通不便，供電線路長，健康水平差、技術水平低、管理跟不上，三級保護器根本無法安裝。

（4）小動力、養殖塘、基建臨時等設備用電不規范，存在私拉亂接、使用地爬線的現象，造成整個臺區總保頻繁動作。

（5）缺乏長遠規劃，忙于應付現存問題。配電變壓器分布不合理，低壓出線回路迂回曲折，直接造成低壓線路故障高發的原因。

2 LoRa通信技術概況

LoRa作為LPWAN（低功耗廣域網）無線通信技術，是一種專用于無線電調制解調的新型技術（注：LoRa是Low Power Wide Area Network，簡稱LPWAN，低功耗廣域網通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案）。它融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。在國家免許可頻段進行通信，通信距離遠、抗干擾性高、功耗低，可有效解決當前其他通信方式數據采集成功率不高，數據堵塞等缺點；可大大減少SIM（Subscriber Identity Module，客戶識別模塊）卡使用，節省通信資費；可簡化配變臺區中各設備的安裝布線，提高配變臺區設備與通信集成一體化，解決了設備與通信安裝、調試、運維困難等繁瑣的問題。

用LoRa網關替代原有的通信適配器，集中器，節點通信技術模塊替代原有中繼模塊、采集器，實現配變臺區里的中級保護、家保、電量采集、精品臺區等通信的遙測、遙信。并將節點通信模塊直接集成到以上涉及到的設備當中，減少通信設備與電器設備的二次連接，通過LoRa網關單元485線與配變終端連接，完成信號傳遞，改進保護器性能，植入保護器語音告警功能，提高安全用電可靠能力。植入LoRa通信模塊后的設備，安裝簡單、調試方便、免人工運維，實時監測用戶用電情況，及時發現用戶異常及設備故障狀態；優化后的保護器功能更加智能化，可實現異常主動上報，面板操作更加簡單易懂，操作方便。提供的語音報警功能可大大減少檢修耗時,告訴用戶“漏電危險，找電工處理”的提示。實現家保智能通信后，可有效暢通低壓電網中通信的“最后一公里”。中級保護及家保的全面覆蓋上線監測，可實現總保頻繁跳閘的有效管控，縮小停電范圍，減少用戶投訴，通過多系統信息推送交互，大數據應用實現主動搶修作業和供電服務。現有臺區使用LoRa通信技術測試框圖如圖1所示。

圖1 LoRa通信技術測試框圖

LoRa網關是該通信系統的核心，LoRa網關將實現原通信系統中的通信適配器、集中器的全部功能，以及配變終端對溫控器、智能電容控制器、門禁控制器的數據采集功能。在該網絡中，LoRa網關定時對所有集成LoRa模塊的設備進行數據采集，并通過與配變終端的級聯關系，依照《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統通信協議（配變終端部分）》與配變終端進行通信，通過配變終端遠程通信功能，把數據傳輸到主站系統，同時通過配變終端接收來自主站的命令。

3 LoRa通信技術在配變臺區設備的應用

通過LoRa通信技術在配變臺區里設備的應用，可有效提高農村電網供用電安全管理效率。①能夠通過對當前可能存在的故障隱患提出預警，減少了故障發生的概率；②能夠快速確定故障區域范圍并判斷故障類型，在停電跳閘后，通過數據分析故障電流大小、故障類型、故障區域，實現故障區域的快速檢修和非故障區域的快速供電恢復，縮短搶修時間，減小停電范圍；③對于發生故障的部分，能協助運維人員分析故障原因，快速查找和排除故障，縮短停電時間，提高系統供電可靠性和供配電系統的自動化水平，實現可靠、安全、先進、高效的供配電管理；④Lo-Ra通信技術在配變臺區里的應用從通信設備上為電力部門及搶修人員提供有力的技術保證，為配電自動化提供了一種先進手段。

實際使用中，因配電柜多是金屬外殼，網關設備以及天線安裝在配電柜中，無線信號受到金屬屏蔽，影響通信距離。LoRa無線通信帶寬有限，適合用于少量數據傳輸，如需傳輸大量數據，可使用網絡或光纖通信。當LoRa設備密度以及采集頻率過大，存在導致無線信道擁堵的風險。LoRa通信規約，該規約需實現入網認證，上下行信道選擇、信道加密，丟包重傳、等重要功能，同時對外提供簡單的接口，可使用AT指令配置LoRa模塊的工作模式，選擇適合實際應用需求的配置。LoRa是一種擴頻技術，不是直接序列擴頻。直接序列擴頻通過調制載波芯片來傳輸更多的頻譜，從而提高編碼增益。而LoRa調制與多狀態FSK調制類似，使用未調制載波來進行線性調頻，使能量分散到更廣泛的頻段，實現了遠距離通信。從網絡結構來看，LoRa網絡架構是一個典型的星形拓撲結構（圖2），在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。網關與服務器間通過標準IP連接，終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的節點與網關間均是雙向通信，同時也支持云端升級等操作以減少云端通信時間。LoRa使用的星型網絡結構簡化了通信的復雜程度，加之LoRa協議層實現的上下行信道選擇、信道監測、重傳機制等功能大大提高了LoRa通信的穩定性和耐壓性能。

在安全性方面采用唯一網絡密鑰（EU164）保證網絡層安全，采用唯一應用密鑰（EU164）并保證應用層端到端的安全，采用設備特別密鑰（EUI128）確保設備接入安全。所有設備的內容采用加密聚合方式進行加密，保證了數據傳輸的安全性。同時為了防止用戶用電數據被分析，用戶用電數據需要具備隱私保護能力。利用LoRa通信技術，可有效解決當前其他通信方式數據采集成功率不高，數據堵塞等缺點；植入LoRa通信模塊后的保護器，安裝簡單、調試方便、免人工維護，實時監測用戶用電情況，及時發現用電異常及設備故障狀態。

將LoRa節點通信模塊通過RS485連接上剩余電流動作保護器（或者直接將LoRa芯片內置集成到剩余電流動作保護器內部主板上），在配變臺區安裝LoRa網關單元與配變終端的級聯口用RS485連接，即可完成信號傳遞。配變終端再通過GPRS信號傳輸，將采集的剩余電流動作保護器信息反饋給配電主站系統。本地通信上，LoRa通信技術代替了原來的GPRS通信。

典型的LoRa組網架構如圖3所示，依據基本星形網絡模型，分為網關和節點兩部分，其中節點通過RS232/485串口采集傳感器設備的數據，然后通過LoRa通信標準將采集到的數據傳輸給網關；而網關則負責采集多個節點傳輸過來的數據，并通過RS232/485串口、通過以太網或GPRS等路徑與服務器通信。由此即可達到采用LoRa通信標準實現無線采集數據的目的。其網絡架構支持同一空間內多個網絡同時存在的情況。通過設置網絡號配置網關和節點，以達到同頻段內網絡間不會相互干擾的目的。

圖2 LoRa通信拓撲圖

圖3 LoRa組網架構

4 LoRa通信技術實施方案

基于技術優勢，目前電網運行中像變電站這樣電磁干擾較大、通信距離較遠、或者在郊外等復雜環境的通信問題，都可以很好地解決。實施了6個方案。

（1）無線傳輸的協議要進行加密，編寫相關通信規約。

（2）接收器的傳輸距離2 km以上，電磁輻射在國家標準范圍內。有抗干擾和糾錯能力。

（3）由于是無線網絡，可能存在信息安全問題。提出一套網絡密鑰（EU164）保證網絡層安全的方案。

（4）將總保、中保、家保連接到電力專網，組建一個無線電力專網，可以監測上傳電力抄表的數據、用戶跳閘停電、電力搶修數據等。

（5）中級保和總保是星型結構，沒有保護。后期，低壓配網的光纜建設開始后，中級保的通信設備與其他臺區的總保搭建備用鏈路。

（6）硬件搭建方式直接影響到施工人員的后續操作，需要制定相對妥善的方案，既能節約大量的能源與人力成本，保證安裝后現場電力設備的美觀度，還要增強其穩定性，提升供用電的經濟性、安全性和可靠性。采用內嵌式方法進行硬件搭建。