基于LoRa技術的中低壓配電網監控系統

黨存祿 ，武文成 ，胡開偉 ，李超鋒

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，蘭州730050；3.蘭州理工大學 電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，蘭州 730050）

隨著全球經濟的快速發展、互聯網+的應用，分布式電源、分布式儲能及可控負荷等的快速發展和大量接入促使電力系統，特別在中低壓配電系統中發生著重大改變[1]。傳統的配電網監控系統中，由于技術的限制，大多采用有線通迅方式，其管理模式不能進行有效且高效的管理，而配電網一般呈輻射狀結構。因此，通過有線通迅方式實現配電網的數據監測，會造成其維護成本提高、布線施工困難、以及后期拓展性差等問題，因此大大限制了配電網整體的自動化程度和實用程度。

近年來由于無線通訊技術的發展，為實現配電網絡全面自動化提供了無限可能。文獻[2]結合有線通迅技術與ZigBee技術探討了其在配電網中的應用；文獻[3]中設計了NB-IoT在智慧城市中的應用；文獻[4]通過對現代通信網絡、PC技術、控制技術等的集成，并通過與有效傳輸網絡的結合，建立一個由配網管理中心與信息服務系統、應急管理系統等組成的配網服務和管理集成系統。而上述幾種無線通訊方式大多存在功耗與距離需求沖突的情況，基于此本文設計了基于LoRa技術的中低壓配電網監控系統，該系統采用LoRa無限通訊模塊進行數據采集，以及遠程操作，因其通訊距離遠、功耗極低、成本低、體積小等優點，可以實現配電網全面布點，提高數據的精確性[5]。通過組態編程設計監控平臺負責監控和分析采集到的配電網數據，實現了配電網監測數據的實時更新以及精準查詢[6]。通過Web發布功能實現了配電網的異地操作和移動查詢功能[7]?；贚oRa技術的中低壓配電網監控系統克服了傳統監控方式的不足，實現了全面、高效、準確、智能化的配電網數據監測。

1 系統總體概述

基于LoRa技術的中低壓配電網監控系統主要由下位和上位兩部分組成，實現了對配電網的區域化連續、自動監測、配電網狀態預警以及移動端查詢操作的功能。下位為配電網監測節點的硬件組成部分，通過電路驅動傳感器對電網狀態進行監測，將采集到的數據信息通過LoRa無線傳輸方式傳遞給上位，上位通過軟件編程實現對采集到配電網狀態數據的存儲以及處理，并對數據進行在相應界面實時顯示，該設計主要實現了上位機軟件。系統的功能框圖如圖1所示。

上位接收到配電網數據之后，分為3部分實現對配電網數據進行處理：第1部分結合交互式配電網主接線圖通過表格或折線圖的方式對接收到的數據進行實時顯示；第2部分對接收的配電網數據進行儲存，并在此基礎上實現數據報表、電網狀態預警以及特殊情況自動處理功能；第3部分實現對上位機軟件的Web發布功能接入互聯網，實現系統的移動操作與監控。

圖1 系統總體網絡拓撲結構圖Fig.1 System overall network topology

2 系統實現

2.1 開發環境搭建

該系統的各個功能的實現通過力控組態軟件完成。設備層、控制層、監控層和管理層4個層次結構共同構成了一個典型的分布式網絡控制系統[7]。設備層將采集的物理信號轉換成計算機可以識別的數字信號或者是標準的模擬信號；控制層實現對各個需要監測節點的實時監測以及控制；監控層通過對各個設備的集中管理來達到監控的目的；管理層負責對接收到的數據進行統計、處理以及查詢等[8]。作為監控層的專用軟件，力控組態軟件對下集中管理控制層，向上連接管理層，是該系統在實現信息化中非常重要的組成部分。因此該系統通過組態的方式提高了系統的集成效率，并且大幅度縮短了系統集成時間[9]。

2.2 LoRa無線傳輸技術

2.2.1 LoRa技術

LoRa（long range）是 LPWAN（low-power widearea network）通訊技術中的一種，是美國Semtech公司在2013年8月采用以及推廣的一種基于拓頻技術的超遠距離無線傳輸方案[10]。這一方案改變了其他無線傳輸技術在傳輸距離和功耗之間需要采取取舍的折衷考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命以及大容量的系統，進而拓展傳感器網絡[11]。LoRa技術作為近年來新型的一種無線傳輸技術，在組網中采用簡單的星型拓撲結構，極大地簡化了網絡結構。無論是在通信距離、拓展能力、通訊速率，功耗以及成本等方面都有著相較于其他無線傳輸方式較為明顯的優勢[12]。表1為LoRa與其它幾種標準無線通訊技術的主要特性分析對比。

LoRa的技術特點主要有以下幾點：

（1）擴頻技術的使用增強了抗噪能力；

（2）前向糾錯技術增強了數據可靠性；

（3）數據傳輸速率低，只有 1 K～300 Kbps；

（4）功耗低，2000 mh電池容量可使用約105個月；

（5）成本低，協議簡單，通信的無線頻段無需申請；

（6）網絡容量大，5～10 km范圍內可接入上萬個節點。

表1 LoRa與其它幾種標準無線通訊技術的主要特性分析對比Tab.1 Comparison of main features of LoRa and several other standard wireless communication technologies

在大部分的配電監控系統中面臨的主要問題有以下幾點：

（1）信號覆蓋問題：許多人跡罕至、環境惡劣，運營商信號無法覆蓋全面的區域不能保證數據傳輸的可靠性。

（2）功耗問題：需要采用電池供電方式的情況下，需要定期更換電池，而在上述復雜環境區域內，并不具備電池頻繁更換的條件。

（3）經濟性問題：由于終端設備目的是用于采集傳感器數據，需要傳輸的數據并不多，但運營商可以滿足高帶寬設備的需求，如果應用于這類設備，則不僅占用多余的網絡資源造成浪費，更會消耗大量資費較高的流量。

因此，在系統中選用LoRa無線傳輸終端作為系統的設備層，以LoRa的方式克服傳統配電自動化中采用有線傳感器網絡布線困難、后期維護難度大或者其他通訊方式抗干擾能力和數據傳輸可靠性差的缺點。

2.2.2 硬件組成

根據上述系統總體網絡拓撲結構，其硬件結構組成如圖2所示。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram

系統的硬件主要是由傳感器、LoRa傳輸模塊、LoRa接收模塊、上位機等組成。配電自動化應用環境都是在無人職守的情況下，有的環境復雜惡劣，因此要求設備能在極端環境下正常工作。所以選用的核心設備要滿足工業級應用的需求。LoRa數傳終端與LoRa網關是無線通信系統的關鍵，它的穩定性、抗干擾能力等性能決定了整個設備的性能。因此，系統中采用廈門四信生產的型號為F8L10T LoRa數傳終端和F8926-L LoRa無線網關作為數據傳輸的協調器。能保證極端環境下系統的正常運行。

2.3 實時顯示設計

2.3.1 交互式主接線圖設計

參考配電網的主接線圖信息，在窗口中添加圖像對象，通過力控中矢量圖層的疊加搭建交互式主接線圖，在主接線圖中顯示配電網的檢測節點及其重要信息，如圖3以最直觀的方式體現給操作者。

圖3 交互式主接線圖Fig.3 Interactive main wiring diagram

2.3.2 曲線顯示設計

采用曲線顯示數據，可以直觀地向操作者展示配電網各個參數的變化，故在設計中采用了曲線的形式進行輔助實時顯示。在LoRa終端上接入0～5 V模擬量，模擬生成傳感器監測數據，圖4中的界面僅僅作為演示。

圖4 曲線顯示Fig.4 Curve display

2.4 數據儲存

2.4.1 數據報表設計

歷史數據報表界面基于力控的數據存儲功能實現了配電網的歷史數據查詢與導出。使用Microsoft SQL Server數據庫，配置ODBC驅動之后，在Microsoft SQL Server中創建一個新數據庫，建立自定義用戶，配置監聽程序，通過ODBCRouter實現力控數據庫與Microsoft SQL Server的交互。圖5為配電網系統中某一回路的運行日報表。

圖5 報表查詢界面Fig.5 Report query interface

2.4.2 實時報警

報警機制是指數據庫中某一電數據的pv值發生異常，如圖6所示，如偏離預設值的極限，會以不同的方式進行通知，并實現報警記錄表格，報警界面中的表格記錄了報警的日期、時間、數值、類型等信息，當采集到的數據超過設定值的限值時，所在的行會標紅預警并發出聲音進行報警，嚴重時會自動切除故障部分。

圖6 報警界面Fig.6 Alarm interface

2.5 Web發布

要實現監控系統的移動監控以及操作就必須依賴于互聯網技術，將各個節點監測到的數據上傳到服務器，存儲到數據庫中，然后通過計算機、PAD等可以連接互聯網的設備登陸客戶端進行訪問查詢，實現配電網監測的智能化、移動性與實時性，對于構建基于物聯網的智能化配電網監測系統，提升配電網監測的自動化水平具有重要意義。故對系統進行了Web發布。如圖7所示在發布過程中，Web服務器的IP地址設置為Web發布的計算機的IP地址。端口號是WebServer網絡組件需要使用的端口，而在計算機中一些常用的端口號常在4000以下，所以為了防止與系統中其他的一些程序產生沖突，將端口號設置為8000；在安全級別一欄設置為無限制，這樣才能授予所有用戶對發布內容的查詢權限。

圖7 Web發布Fig.7 Web publishing

在實現內網發布之后，用戶只能在接入該Web服務器內網之后才能訪問，要實現外網發布需要利用內網穿透。系統中采用花生殼動態域名解析軟件，花生殼可以提供低價優質的內網穿透功能。如圖8所示校園網中，通過花生殼用一個固定IP映射內網，這個固定IP相當于公網IP，這樣移動終端和Web服務器能夠實現通信，達到系統外網發布的目的。

圖8 內網穿透Fig.8 Internal network penetration

3 系統測試

對系統進行了運行測試。由于LoRa具有較佳的傳輸效能，將LoRa無線終端置于距離位于實驗室LoRa無線網關為中心的3～5 km范圍內的各個位置，大多數節點與網關之間的LoRa數據通信未出現數據丟失情況。少數節點由于信號傳輸過程中環境屏蔽影響，發生LoRa信號的較大衰減，借助中繼節點或者增強天線增益中繼之后，解決了這一問題。

Web的運行測試中，計算機接入Web服務器內網情況下，通過IP地址可以訪問到系統。瀏覽器中主界面顯示的實時數據與力控程序同步，曲線圖顯示、預警功能、歷史數據查詢等均顯示正常。在實現內網穿透之后，在任意一臺接入互聯網的計算機上，瀏覽器輸入網址亦可以正常訪問。

4 結語

基于LoRa技術的中低壓配電網監控系統，在設備層采用LoRa無線傳輸技術，選用LoRa無線數傳終端，利用LoRa傳輸方式的優勢，能夠實現配電網數據的全面采集，采用LoRa節點可以為系統建成可靠的無線數據傳輸通道。具有傳輸效果好、網絡拓撲簡單、維護及擴充方便的明顯優勢。在監控層基于力控組態軟件，設計交互式主接線界面，Web發布、建立數據庫組態并與外部數據庫建立鏈接，實現了配電網的實時數據顯示、歷史數據查詢、預警功能，可利用在客戶端安裝的系統應用程序或者在瀏覽器中訪問網址2種方式進入系統界面，實現了配電網數據的實時、精準、快速以及移動查詢和異地操作。