基于LoRaWAN 多表集抄能源管理系統的研制

李紅柳，王詩雨，唐良義，肖儉偉

（1.國網成都供電公司客戶服務中心計量部；2.成都博高信息技術股份有限公司，四川 成都 610021）

隨著物聯網技術的發展，各種物聯網的應用系統不斷優化和完善，特別是國家電網公司建設的用電信息采集系統，具有規模化、實用化等特點，能夠有效的為智能電網的營銷業務需求提供技術支撐。但是，隨著社區能源統一管理的物聯網通信系統集約化建設需求的到來，原有的用電信息采集系統通過協議轉換器等間接方式采集水、氣等其他低功耗需求的數據時，表現出效率低，兼容性差，現場施工難度大，系統設計復雜等問題。

由于水、氣等表計采用電池供電，采用低功耗的無線通信技術接入物聯網系統是最優選擇。因此，國際主流的物聯網通信系統均采用無線通信技術，包括NBIoT、LoRaWAN、SigFox 等。同時，無線通信物聯網系統對于其他的電池供電傳感器的接入也更為方便，比如電力物聯網中的環網柜的紅外溫度探測傳感器等。

用電信息采集系統作為用電信息采集來說是適宜的，從成本來說也是比較經濟的。但是，由于在設計之初并未考慮水表、氣表或者其他電池供電傳感器的數據采集接入，后期的擴展較為艱難，對系統的穩定性和魯棒性也造成了很大的挑戰。因此，需要研究一種新的物聯網通信系統來實現社區能源管理新的需求。

文中研制了基于LoRaWAN 通信技術的社區能源管理系統，利用該系統可以很好解決社區能源數據采集，遠程控制等問題，同時也為下一步的社區智慧應用提供了很好的網絡基礎。

1 LoRaWAN 在多表集抄能源管理中的應用

LoRaWAN 具備超低的運行功耗，低功耗模式下大約10 年壽命，特別適合水、電、氣表類和PM2.5、噪音、水浸等市政和環境監控類的傳感器的長時間運行，睡眠下的綜合功耗更是可以低至4.6μA。

LoRa 通訊協議的星形拓撲結構消除了同步開銷和跳數，開放和完善的網關設計更是支持多信道，多數據速率的并行處理。它的發射功率為17dBm；在密集的社區中完全不用擔心輻射對周圍環境的影響，如圖1。

圖1 LoRaWAN 水、電、氣集中抄表應用

2 系統設計

基于LoRaWAN 社區能源管理系統嚴格遵循LoRaWAN 系統架構，整個系統設計分為4 大部分：終端節點包括電表、水表、氣表終端；標準網關；網絡服務器以及應用服務器。

2.1 終端節點

終端節點對于不同的應用采取不同的策略，電表采用市電供電，因此不需要進行嚴格的功耗控制，符合LoRaWAN 中C 類節點的特性。而水、氣表采用電池供電，需要進行嚴格的功耗控制，只能適用于A 類節點的通信協議。

對于終端節點來說，必須實現LoRaWAN 協議棧，相關硬件驅動管理以及業務邏輯的處理。在協議棧中，包括入網流程，網絡參數的保存，退網檢測以及同步入網，支持相關的MAC 指令，載荷的轉發和處理。加密報文的加解密等。當然，為了確保網絡的健壯性和通信鏈路的魯棒性，必須支持CSMA 以及跳頻機制，ADR機制以及重傳確認機制。節點設計框圖如圖2。

2.2 標準網關

網關在LoRaWAN 系統中主要實現一個數據轉發功能，實現LoRaWAN 通信協議向IP 網絡協議轉換。同時，SemTech 公司提供了性能優異的網關解決方案，極大提升了LoRaWAN 通信網絡的數據吞吐容量。SX1301 具備8 路異頻接收能力，且速率自適應功能極大增加了上行帶寬。通過增加SX1278 發送模塊實現了LoRaWAN 通信全雙工通信能力。

圖2 節點設計框圖

2.3 網絡服務器

網絡服務器是LoRaWAN 通信系統的核心部分，甚至可以說LoRaWAN 網絡服務器設計的策略優劣直接決定了整個通信網絡的健壯性、容量吞吐效率以及應用用戶體驗。網絡服務器系統功能如表1 所示。

表1 網絡服務器系統功能列表

在LoRaWAN 系統正式應用中，用戶體驗的提升來自于網絡服務器的優化，包括移動設備的網關間漫游、定位等位置服務也是由網絡服務器實現相關的算法來支持。

2.4 應用服務器

應用服務器和業務邏輯相關，本文主要實現多表集抄能源管理需求，能夠幫助電網公司實現信息化，自動化，節約化管理。四川省電力公司已經建設和部署了用電信息采集主站系統，本文采取節約化建設模式，直接使用原有的用采系統，無需另行開發設計。

3 系統測試

本文根據上述的系統設計方案成功研發了相應的產品，并在成都郫都區某大型綜合物業項目進行了研究應用。項目為大型社區，包括商業綜合體，公寓式酒店樓，居民小區等各種業態，占地600 多畝。項目由47臺變壓器供電，共7985 只電表、6023 只水表、985 只氣表。項目原采集方式為國家電網公司標準的用電信息采集模型，集中器+電力載波，同時只采集了電力數據，由于現場水表和氣表為機械表，無法實施遠程采集。

通過現場勘察和實際網絡規劃測試，現場安裝2 臺網關就能覆蓋整個項目，但是為了通信網絡穩定性，在項目現場實際安裝了5 臺網關，同時更換了水表和氣表為智能表計，實施遠程數據采集和控制。

系統上線后，經過1 個月的運行，整個網絡測試數據符合設計預期，電、水、氣的能源日凍結數據采集成功率均為100%，優于之前的電力載波系統指標。

另外，由于電表為非功耗控制設備，可以進行實施遠程參數召測、下發和控制。通過對比測試，不同通信方式的實時通信指標如表2 所示。

表2 不同通信方式的實時通信指標一覽表

從上述測試數據來看，LoRaWAN 通信網絡完全可以滿足社區能源管理的數據傳輸需求，同時從耗時的情況來看，采集單只電表由于不同表計通信速率的差異（和網關通信質量差異，自動調整速率以提高通信穩定性），耗時1～3s。而采集60 只的時候，由于可以采用并行接收的方式，多只電表同時抄收則耗時大大縮短到20s。而抄收8000 只電表的時候，網絡服務器根據網關負載均衡，5 個網關同時抄收不同的表計可以提升整個網絡的通信數據傳輸效率，大大增加了網絡容量，從而降低了整體耗時（注：由于水表和氣表采用的主動上報模式，因此無法準確統計單只表的通信時間）。

在系統上線后，社區能源管理系統通過大數據分析技術，成功預警了用戶竊電1 起，用戶水表故障1 起，用戶欠費提醒服務12 起，為社區能源管理自動化、信息化提供了很好的技術支撐。

4 結語

針對新形勢下多表集抄能源計量管理的需求，研制了一套基于LoRaWAN 通信網絡的能源管理系統，通過實際應用，較好的滿足了用戶的需求，達到了項目設計目標。通過本系統的研制，很好的研究了新型物聯網通信技術架構在能源管理中優勢以及更大的發展空間，為電網公司下一步建設用電信息采集系統提供了參考和一種新的解決方案。