LoRa在電力配網低壓臺區通信的設計與應用

王 杰，李如兵，程天應，梅小國

（1.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州 318000；2.國網浙江三門縣供電有限公司，浙江臺州 317100）

1 電力配網低壓臺區的主要通信方式

現有通信方式中，電力配網低壓臺區的配電設備與配變終端通信信息采集主要以GPRS/CDMA、載波、小無線集抄等通訊方式為主，由中繼模塊負責采集通信設備的實時數據，通過GPRS傳輸到通信適配器，再由通信適配器與配變終端級聯，通過配變終端將數據傳輸到主站系統。如在浙江省剩余電流動作保護器監測系統中漏保設備與中繼模塊因使用485通信方式，告警信息必須通過中繼模塊采集，無法實現真正意義上的異常主動告警，影響了系統的實時性；低壓電網中通信“最后一公里”通道無法實施；配變臺區里的溫控器、門禁控制器、智能電容控制器等設備主要以有線RS485通信方式為主。在實際應用中，因使用有線方式并加裝通訊設備會造成現場安裝困難，而且運維難度大。配變臺區通信拓撲如圖1所示。

圖1 配變臺區通信拓撲

2 基于LoRa的電力配網通信網絡設計與應用

多種通信方式同時存在，會造成通信系統龐大繁雜、操作繁瑣、數據采集成功率不高、數據堵塞嚴重等問題，且存在通信資費高昂、運維難度大的弊端。目前電網采用的是光纜與2G網絡結合的方式，存在很多問題。2016年底電網基本放棄了2G基站建設，全部采用光纜敷設；但是光纜鋪設也存在費用高和部分區域施工困難等問題。可將配網通信網絡分為3層，第一層為各站點匯聚的局端，主要有光纜；第二層為各臺區匯聚到站點，采用1+1保護；第三層為接入層，也采用1+1保護。光纜設備采用現有的EPON方式；無線網絡設備使用多天線波束成型設計、DSP（數字信號處理）/FPGA（現場可編程門陣列）實現。要實現配網上的開關設備、中繼保、電表、圖像監控等設備的可靠接入，首先將整個配電無線網分為3層：第一層為各站點（35 kV，110 kV變電站及營業所和供電所）匯聚的局端，主要有光纜，通過現有的光傳輸設備將信息匯聚到局端。第二層為各臺區匯聚到站點，采用1+1保護。分配電線路上有光纜和沒有光纜兩種情況。

（1）線路有光纜的情況（圖2）。配電線路上（有光纜）采用EPON（以太無源光網絡）或GPON（無源光接入系統）的方式，用在網線連接到無線設備上作為主通道。從變電站到各臺區的無線設備使用手拉手的方式連接，作為備用通道，實現1+1的通信通道保護。

圖2 配電無線網第二層（有光纜）

（2）線路無光纜的情況（圖3）。從臺區到各設備的無線同樣使用手拉手的方式連接到無線設備上作為主用通道。備用通道從臺區到設備必須跳過第一個設備，接到第二個設備或者通過中保跳轉到第二設備；備用通道必須保證其中一個變壓器上的無線設備失效，通信通道依然可以正常運行。通過1+1保護，增加無線網絡的可靠性。第三層為接入層，對于電表采集、中保、戶保等數據實施采用1+1保護，對可靠性要求高的數據主要采取并發選收，通過不同的臺區接入到通信網。

2.1 LoRa無線通信系統模塊的設計與應用

LoRa（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）無線通信系統由集成LoRa模塊的終端設備（溫控器、智能電容控制器、保護器、電能表、門禁控制器）、LoRa網關、主設備（主站）組成。LoRa網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關通過LoRa無線網絡可方便的對網絡內的所有集成LoRa模塊設備進行數據采集、監控等，LoRa組網架構如圖4所示。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，依照協議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。該系統中，需將LoRa模塊分別集成到溫控器、智能電容控制器、保護器、電能表、門禁控制器中；當LoRa模塊與這些設備集成時，設備只需進行簡單的串口對接，做好電源供給，即可完成集成工作。

圖3 配電無線網第三層情況

圖4 LoRa組網架構

根據對LoRa技術的了解和研究，結合配網通信系統框架的需求，針對抄配網通信中各類設備的功能和技術指標提出了硬件電路的實現方案，設計原則包括：系統的穩定性和可靠性；方便安裝和維修；符合電磁兼容性標準；安全可靠的數據傳輸；設備具有可擴展功能。由于設備需要安裝在柜體內，要有比較好的信號接收能力和抗干擾能力。因為柜體內取電比較簡單，電源在這里基本不需要考慮。LoRa無線模塊作為一個和設備配套使用的模塊，要盡量精簡模塊的設計，做到小型化、簡單化，兼顧更換方便性和擴展性。LoRa無線模塊作為一個通信模塊主要是兩端的通信接口，一邊是無線通信（RF），另一邊采用簡易的UART串口以便和其他設備連接，使用一個低功耗的MCU組織模塊的工作，電源由外部引入。

LoRa模塊的硬件設計主要包括：（1）RF 芯片。選用Semtech公司的 SX1276，最大輸出功率 20 dBm。（2）MCU芯片。選擇ST公司的超低功耗處理器STM8L151G6U6，待機功耗0.5 μA。（3）天線部分。此部分可以有2種天線接口。（4）接插件部分。采用 2.54間距的標準插針，使模塊更加小型化和可方便插拔，因此要選擇一個適用于電力配網系統或者可以擴展到其他領域的高性能無線模塊。在設計之初就要做好調查，了解此前采用的無線方案的優缺點。目前最好的方案就是LoRa技術，該系統選用了Semtech公司生產的SX127X系列芯片，同時選擇了SX1276作為無線射頻的收發芯片。RF收發芯片SX1276需要配置一顆MCU來控制，并提供串口作為模塊的輸出。在這個模塊中使用的MCU首先要能控制SX1276芯片（SPI接口），至少要有一個UART口，且功耗要低。因此選用STM8L151G6U6，是意法半導體公司開發的基于8位STM8內核的超低功耗微控制器。借助一個優秀的面向未來的超低功耗平臺，采用全新的超低漏電工藝和優化的體系結構，STM8L151G6U6微控制器集合高性能與超低功耗于一身。天線的阻抗會受到電路板的鋪地、外殼和安裝角度等因素影響，因此在原理圖設計時，天線接頭與模塊的天線引腳之間預留一個π形匹配電路，當天線嚴重偏離50 Ω時，將其糾正到50 Ω，確保正常使用。

2.2 中保采集系統的設計與應用

智能配變終端、LoRa網關、LoRa節點、中保組成完整的中保采集系統。LoRa節點負責采集中保數據，LoRa網關負責管理LoRa節點、存儲中保數據，按照任務設置情況通過485級聯定時將中保數據上報主站、響應主站的其他請求命令等。

整個系統按4個層次設計，分別是應用層、協議層、硬件驅動層和物理層。中保采集系統架構見圖5。

（1）應用層。主要實現最終所需要的用戶層面的應用功能，如參數配置查詢、協議轉換、數據采集、數據上報、數據的存儲、事件記錄、狀態指示、自檢等。

（2）協議層。主要包含LoRa星型組網協議、《剩余電流動作保護器規約》、《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統通信協議》。《剩余電流動作保護器規約》主要用于LoRa節點和中保通信，《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統通信協議》主要用于LoRa網關和配變終端通信、主站通信。

（3）硬件驅動層。主要分三部分，第一部分是uC/OS-II Driver,用于多任務管理，第二部分是MCU所依賴的設備固件庫，STM32F103設備固件庫STM32F10xxxStdPeriph_Driver，用于驅動MCU自帶外設；第三部分是各外接設備的驅動程序，用以實現對外接設備的控制和操作。

（4）物理層。主要包含LoRa通信模塊、GPRS芯片，GPS芯片、以太網芯片、存儲Flash、MCU等各接口芯片以及它們之間的物理連接方式，屬于實際的硬件設備，所有軟件層面的操作，都依賴于物理層。

圖5 中保采集系統架構

3 基于LoRa的電力配網通信網絡的應用效果

采用LoRa技術以后，通信層級減少，優化了傳輸方式。通過臺區試點發現數據斷點率下降了64.6%，LoRa技術傳輸成功率達到99.99%。通過現場臺區測試，目前已達到每15 min傳輸一次數據，一天24 h96個點，是以往通信數據量的4倍。采用LoRa技術開發的嵌入式節點通訊模塊，減少了通信層級，信息獲取成功率提升顯著。節點通訊芯片嵌入中級保護后，穩定可靠性大幅提升，對提高農村低壓電網智能化水平、減少人力成本、提高工作效率、同時加強現場事故應急處理等都具有非常重要的意義。