LPWAN技術在能源物聯網領域應用研究

邵 嘉，龐成鑫，盧小姣，白若琛

（上海電力學院 電子與信息工程學院，上海 200090）

0 引 言

近年來，隨著全球經濟的快速發展、現代化進程的進一步加速，隨之而來的能源過度浪費等問題逐漸凸顯。與此同時，物聯網迎來了一個開創性的時代，物聯網技術得以飛速發展。 物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。在物聯網技術的基礎上，能源物聯網進入了蓬勃發展時期。

1 概述

1.1 國外能源物聯網發展

能源物聯網是在能源互聯網基礎上發展起來的以實現能量雙向流動的對等交換與共享網絡[1]。能源物聯網采用先進的物聯傳感器技術，將能源生產端、傳輸端、消費端的各類電氣設施銜接起來，構成了能源互聯網的物聯基礎[2]。

1.1.1 美國FREEDM系統

FREEDM系統是由美國北卡羅納州立大學提出的新型微型電網模型[3]。FREEDM系統與現有電網的差異在于：傳統電力網中電能的流向只是單向的，由發電廠流向用戶側。而在FREEDM系統中，電能的流動可以是多向的[4]，它是一個能源互聯的網絡，每個電力用戶既扮演能源消費者的角色，也扮演能源供應者的角色，而且電力用戶能夠將產生的多余電能回賣給電力公司[5]。通過綜合管制能源的消費、傳輸和生產環節，完成對能源的高效和綜合利用。

1.1.2 德國E-Energy計劃

E-Energy是2008年德國聯邦環境部與經濟技術部在智能電網概念基礎上推出的一個技術創新促進計劃[6]。該計劃的目標是打造一個適應新時代的新型能源網絡，在能源供給體系中實現綜合數字化互聯以及計算機監測和控制[7]。同時，E-Energy計劃也是德國綠色IT先鋒行動方案中極其重要的一部分。該行動計劃包含智能電網、智慧發電、智慧儲能和智能消費四個方面[8]。

1.1.3日本 Digital Grid

日本Digital Grid計劃是東京大學阿部力也教授于2011年提出，該計劃參與成員主要包括日立橫濱研究實驗室、日本國家儀器公司、日本電氣公司、歐力士綜合金融公司等[9]，該實驗組還成功展示了一項關鍵技術——“數字電網路由器”（DGR）。DGR能夠提供異步連接，協調電網內部以及不同局域網管理用戶用電需求。智能電網只實現了模擬電力信息系統的數字化，而Digital Grid則實現了信息系統、電力系統、結算系統的全部數字化。

1.2 國內能源物聯網發展

早在2014年，國家電網公司就提出了全球能源互聯網的概念，著力發展能源互聯網技術。2015年，國家電網公司總裁劉振亞撰寫的《全球能源互聯網》一書，對全球能源互聯網構建方案、技術創新等進行了系統論述[10]。同時，國內各大科研單位對能源物聯網進行了研究，提出了許多具有代表性的科研成果。天合光能在基于能源物聯網的基礎上，提出了“發、儲、配、用、云”能源物聯網一體化解決方案——天合能源物聯網TrinaIoT。現階段，天合光能已在多個城市部署了相關成功案例，如合肥新站區智慧能源國家示范項目、天合常州工廠智慧能源項目、馬爾代夫微電網項目等[11]。

2 LPWAN技術

低功耗廣域網（LPWAN）是為了滿足物聯網中能源消耗低和通信距離長的需求而研發的一種物聯網通信技術[12]。LPWAN技術的主要特點包括節點功耗低、傳輸距離遠、布網簡單、模組成本低等[13]。在LPWAN技術提出之前，現有的無線通信技術在低功耗和遠距離方面不可兼得，而LPWAN技術的出現正好彌補了現有無線通信技術的缺點，為物聯網大規模部署奠定了堅實的基礎。

如今，隨著物聯網領域無線通信技術的飛速發展，在LPWAN領域相繼出現了多種無線通信技術。LPWAN技術按工作頻譜可分為如下兩類：

（1）工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，如GSM，UMTS，LTE，NB-IoT等；

（2）工作于未授權頻譜的SigFox，LoRa等技術[14]。目前，國內外熱度最高的當屬LoRa技術和NB-IoT技術。

LoRa是由美國Semtech公司研發的一種基于物理層調制方式的廣域網通信技術，LoRaWAN是針對LoRa物理層協議而設計的介質訪問控制層協議，LoRaWAN使用免費的非授權頻譜，采用異步ALOHA通信協議[15]。LoRa技術支持自主組網，相對于NB-IoT技術全國性的網絡部署而言，LoRa更適合區域性網絡部署。

NB-IoT是一種全新的基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，是3GPP組織定義的國際標準[16]，可以在全球范圍內廣泛部署，在授權的頻譜內運營，也可直接部署在LTE網絡，部署成本低，具有平滑升級的能力。NB-IoT技術的主要特點包括覆蓋廣、功耗低、成本低、連接大[17]。LoRa與NB-IoT在技術上都具有其獨特的優勢，兩者之間最大的區別在于是否工作于授權頻譜[14]。因為存在干擾等問題，基于非授權頻譜的產品比較容易出現問題，但工作于授權頻譜的產品需要額外付費。兩者屬性對比見表1所列。

表1 LoRa技術與NB-IoT技術對比

3 基于LPWAN技術的能源物聯網架構

3.1 能源物聯網技術優點

能源物聯網是在智能電網的基礎上，結合物聯網技術提出的新型能源監測與管理系統。主要目的在于優化能源結構、減少能源浪費、提高能源利用效率，從而改善能源物聯網體系架構。能源物聯網的基本原理是根據環境、設備狀態智能感知，通過自適應調控電機、照明設備的電源及工作狀態，達到有效節電的目的。關鍵技術包含通用節電模型庫技術、傳感器技術、節電控制網關技術、智能人機交互配置技術等[18]。

能源物聯網與傳統能源網相比具有獨特的創新點：

（1）利用傳感網絡采集家庭及工業用電設備的能耗信息；

（2）采用節能控制網關技術將變頻等電機節能技術與傳感網相結合，從而將節能控制統一在同一個平臺，實現與其他低壓電器的聯動；

（3）將智能照明與工業節能相結合，為居民樓房、商業建筑、工業廠房等提供通用的一體化節電方案；

（4）通用節電模型等技術使得系統具備精準的節電控制能力；

（5）采用軟硬件相結合的方式實現智能控制，系統具有硬件速度快，軟件配置靈活等優點[19]。

3.2 基于LPWAN技術的能源物聯網架構

基于互聯網概念的能源物聯網體系架構可劃分為能源網層、數據采集層、網絡接入層、信息處理層。LPWAN技術具有低功耗、廣覆蓋、低成本的優勢，相對于現階段的能源物聯網，基于LPWAN技術的能源物聯網在數據采集層和網絡接入層具有獨特優勢，其系統框架如圖1所示。

數據采集層主要由水、電、氣等各種能源計量傳感器以及LoRa，NB-IoT終端組成，數據采集層內的各類傳感器裝置必須具備通信功能。傳感器將采集到的數據傳輸給采集器，采集器將接收的數據進行匯總、儲存，并通過LoRa或者NB-IoT模塊將數據傳輸給網絡層。

網絡通信層是能源物聯網架構的中間層，用于安全傳輸數據。基于LoRa技術的終端節點能夠與采集器直接相連組網，組成星型網絡架構；對于距離較遠的節點，可使用網關設備作為中繼器進行中繼組網連接。當要實現長距離連接時，星型網絡架構有助于延長電池壽命。利用LoRa技術進行自組網傳輸數據相比其他傳統無線通信技術具有更多優點。在傳統的無線組網方式中，數據均按照特定鏈路連接方式傳輸，一旦傳輸過程中有節點出現故障，那么與它相關的所有節點都會隨之癱瘓[20]。在LoRaWAN網絡中，節點沒有相關聯的專用網關，相反，一個節點可以向多個網關傳輸數據。每個網關把從終端節點傳輸過來的數據通過一些回程（以太網、蜂窩網、衛星等）轉發到基于云計算的網絡服務器進行數據整理和分析[21]。

4 LPWAN技術能源物聯網的應用

電力系統是由發電廠、送變電線路、供配電所和用電等環節組成的電能生產與消費系統[22]。每個環節的作用至關重要，通過兩個案例來分析LPWAN技術在輸電環節和用電環節中的應用。

4.1 輸電環節

輸電環節是電力系統中極其關鍵的一部分，為確保電力能源安全可靠的輸送，在電力輸送環節中往往會部署一些監測設備，對輸電系統中的環境因素進行監測和分析，如電壓等級、溫度、濕度等。輸電環節監測系統具有監測點眾多、高度分散、分布范圍廣、條件惡劣等特點[23]，使用傳統的無線通信技術無法滿足對輸電環節進行實時監測的需求。基于LPWAN技術的能源物聯網可以滿足各類監測傳感器的長距離、低成本、長壽命、易維護等要求，使得基于LPWAN技術的能源物聯網技術在輸電環節的應用成為可能。應用一般包括四個環節，系統架構如圖2所示。

圖1 基于LPWAN技術的能源物聯網系統框架圖

整體架構主要分為三層，從下到上依次為感知層、網絡層、應用層。

（1）感知層是系統的最底層，負責輸電線路信息的采集，由各類傳感器組成，通過RS 485接口與LoRa射頻模塊相連，發送數據；

（2）網絡層的主要功能是把感知層采集到的傳感器數據通過LoRa網絡安全、可靠地傳輸給應用層；

（3）應用層的主要任務是對網絡層傳輸的數據進行儲存、整理和分析，實現對輸電網絡的遠程監測。

圖2 基于LPWAN技術的能源物聯網技術在輸電環節的應用系統框圖（智能監控輸電網絡解決方案）

4.2 用電環節

在社區云平臺設置電氣防災功能模塊，實現社區內各類電器設備的防災物聯網數據采集、監控、分析和高級應用。社區云通過電信公用通信網、智慧社區通信網等與物聯網、相關部門、居民進行信息互聯互通。系統架構如圖3所示。

圖3 基于LPWAN技術的能源物聯網技術在用電環節的應用系統框圖（智慧社區用電解決方案）

基于LPWAN技術的能源物聯網可采用電信運營商的物聯網網絡，包括NB-IoT，eMTC，4G/5G等，也可根據需要自建覆蓋本社區的專用物聯網網絡，如LoRa網絡等。能源物聯網可通過與電氣防災傳感器或終端通信，實現對物聯網信息的采集。

在社區內各類配用電設備處部署智能剩余電流電氣探測器、智能溫感、故障電弧檢測器等電氣防災物聯網終端或傳感器，實現電氣設備的漏電、過載、超溫、電弧、起火等異常情況數據采集和上傳。部分重點配電箱和高風險配電箱安裝智能電力儀表、智能開關、智能漏電保護器，采集供電線路供電電壓、電流、功率、電量、漏電狀態等，可實現遠程控制，自動斷開供電等，配合云平臺實現智慧用電。各種物聯網傳感智能終端或智能傳感器應具備物聯網通信連接能力，方便接入物聯網網絡，實現與社區云平臺的互聯互通。

5 結 語

能源物聯網是基于“互聯網+”理念，結合目前電網技術實現能源和信息深入融合的新型能源網絡架構。本文討論LPWAN技術在能源物聯網體系中的應用，實現對電網數據的實時監測與按需采集，將采集到的傳感器數據通過LoRa終端節點和LoRa網絡安全傳輸給云端，在云端進行數據存儲和處理。基于LPWAN的能源物聯網可以實時監測電網中的能源消耗，實現對電網電能的實時調度。能源物聯網的應用可以有效緩解目前能源浪費嚴重、能源短缺等問題。基于LPWAN的能源物聯網的應用不僅提升了能源的使用效率，而且還響應了智慧城市的發展要求。