智能變電站基于LoRa通信熔斷器監測方案

張博　錢瑞琦　李佩　蔣麗萍　楊宏

【摘要】? ? 基于LoRa無線傳輸技術，本文設計了一套由無線傳感、網關設備和云服務器組成的傳輸系統，充分利用物聯網技術建立設備身份識別和狀態感知，實現電力系統配電網熔斷器數據的智能采集、實時傳輸和自動分析，實現熔斷器狀態實時掌握、接點溫度異常預警、人機信息分布式快速上報、研判評估、輔助診斷等，以效率提升為牽引，構建“實用化、主動化、閉環式”配電網熔斷器狀態在監測及故障定位體系，該系統充分發揮了LoRa技術在遠距離、低功耗及大規模組網等方面的突出優點，對物聯網系統在配電網熔斷器在線監測的設計、開發和部署具有一定參考意義。

【關鍵詞】? ? 物聯網? ? 無線傳輸? ? 熔斷器監測

引言：

隨著無線通信的發展，無線物聯技術開始在各行各業被廣泛應用，目前電力系統中最常用的有LORA， NB-IoT，4G等技術，其中遠距離和低功耗之間的矛盾問題，[1]一直都在探索最優解決方案。 窄帶廣域是這兩年發展最為迅速的領域，LoRa是較為成熟的技術，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3倍-5倍。同時具有覆蓋范圍廣、功耗低等特點。[2]該技術基于擴頻技術，線性調制擴頻的一個變種，具有前向糾錯能力，抗干擾性強。[3]在當前的變電站和配網線路中熔斷器的大量使用，是切斷隔離故障有效手段，熔斷器是否熔斷，狀態是否完好，為工作人員定位和查找及更換造成了不少困擾。

隨著通信技術日益發展和單片機處理能力的提高，以及無線物聯網技術的應用為大面積低成本覆蓋熔斷器，實現全方位設備在線監測提供了可能。

一、系統總體設計

基于LoRa技術實現的配電熔斷器監測，利用了廣域無線傳輸，網絡拓撲采用星型結構，以網關為中心，采用了標準的網絡版MODBUS通信協議。傳輸了溫度和熔斷器狀態，并可通過網關機數據共享，結構簡單、接入靈活適合中速信息采集。[6]

系統主要由智能系統輸入設備（監控傳感器、數據采集端），網絡通信系統（交換機、現場總線、網關）以及云服務器、移動終端構成。其中采集節點主要完成與傳感節點通信、設備狀態感知以及本地數據存儲等功能;基站設備主要完成多通道LoRa數據收發處理和網關功能;服務器主要完成用戶注冊、設備管理、通信協議解析、網絡管理以及信息采集的呈現等功能，系統架構如圖2所示。

二、系統硬件設計

（一）LoRa終端設備硬件設計

終端設備硬件功能單元由CPU處理單元、LoRa通信單元、傳感器采集單元、電源管理單元、按鍵與指示燈單元及SWD調試單元等組成。圖3為微動開關選型，圖4是安裝示意。

1. CPU處理單元

i.MX RT 系列處理器完美融合了低功耗應用處理器和高性能微控制器的優勢，是業界首款跨界處理器，以實惠的價格提供超高性能 Arm? Cortex?-M7 內核、實時功能和 MCU 可用性，且擁有行業最低的動態功耗，帶集成 DC-DC 轉換器。i.MX RT1060 基于 Arm? Cortex?-M7 內核，運行頻率 600 MHz（工業級為 528MHz）。1MB 片上SRAM - 多達 512KB 可配置為緊耦合存儲器 （TCM），實時低延遲響應，低至 20 ns，豐富的外部存儲接口選項 NAND、eMMC、QuadSPI NOR Flash 和 Parallel NOR Flash。

2. LoRa通信單元

LoRa通信單元主要采用基于 SX1301 數字基帶芯片，空曠環境可覆蓋半徑 5km 的區域。終端休眠功耗僅1.6uA，支持 LoRaWAN V1.0.2 標準協議 Class A 和 Class C。從 0.3kbps 到 6kbps 可選，IP65 防水，POE 供電，GPS 定位對時（選配），防雷（選配）。在抗阻塞和選擇性方面也具有明顯優勢。達到了長距離、抗干擾強和低功耗。

（二） LoRa網關硬件設計

網關具備 8 個通道（對應 8 個頻點），每個通道支持 6 種速率（SF7～SF12），加 LoRa Std，可以對 49 個 LoRa 信號解碼。基于 LoRa TM擴頻調制技術，安裝高增益 470MHz 全向玻璃鋼天線，網關與終端有效通信距離空曠可達 5km。硬件平臺主要包括CPU數據處理單元、通信接口（LoRa接口、以太網接口，RS485接口）同時具備GPS+北斗衛星定位模塊。如下圖5硬件系統組成：

三、系統軟件設計

系統軟件主要包括熔斷器位置采集和觸電溫度采集算法和節能算法、網關數據緩沖和協議轉換算法，服務器云平臺WEB服務軟件和移動端軟件三部分。

（一）LoRa終端設備軟件設計

LoRa終端設備軟件采用分層設計。整個軟件分為操作系統層、硬件驅動層、數據庫層和應用服務層，軟件總體架構如圖6所示。

（二）服務器平臺軟件設計

云平臺是數據匯集、存儲、處理的中心。基于云平臺的熔斷器云監測系統，通過LORA網關采集現場的熔斷器狀態傳感器和溫度傳感器數據、傳輸到云平臺，為實現熔斷開關遠程監控、遠程維護、故障預警提供技術手段。綜合展示部分集中展示熔斷器數據主要包括4個模塊：總信息展示、當日狀態展示、分類狀態展示、分項狀態展示。

1.用戶管理模塊

主要是通過用戶角色權限管理模塊，實現用戶注冊，權限分配，對接相關的網站服務。

2.傳輸服務模塊

在安全可靠的基礎上，為設備提供多種協議接入、消息流管理、數據解析及數據處理能力。平臺提供基礎設備管理功能以連接、管理海量設備，實現設備的消息通信與數據采集持久化;集成規則引擎與數據可視化管理，靈活開放多種權限級別的管理、控制API，通過API 可快速開發上層應用，實現多端接入、設備遠程控制。

3.設備管理模塊

終端注冊開通與生命周期管理，提供狀態、故障、上報數據的不間斷監控;無需變更設備端數據上報格式，支持在云端編寫解碼插件進行解析;基于Pulsar，內置靈活的SQL表達式及豐富的處理函數，實現終端消息實時解析、高速持久化、規則處理及不同類型的動作觸發;開放豐富的REST API接口，靈活可配置的應用權限，快速構建各種上層應用。

4.狀態呈現模塊

云服務器平臺界面風格采用簡潔大方的操作面板形式，布局及功能可在線組態，從而實現快速的現場配置。界面支持多種色調主題，客戶可以根據自己的喜好自由選擇。界面支持多語言，會根據操作系統的語言及地區設置，自動選擇相應的語言文字。，通過狀態呈現界面，可以清楚地了解當前入網的終端設備和基站設備的分布情況，以及每個設備當前的狀態信息。系統狀態檢測包括各支路能源設備狀態檢測、采集器采集狀態監測、采集器通信狀態檢測、系統數據狀態檢測等，用戶可通過系統狀態檢測功能全面了解全網熔斷器狀態情況、現場數據采集狀態以及后臺實時數據處理引擎的運行狀態。

5.系統檢測告警

熔斷器熔斷告警：熔斷器熔斷情況并實時推送到監測中心綜合展示區域。

接觸點溫度異常告警：系統通過對各支路實時采集能源數據進行業務一致性分析，對異常數據進行自動篩查發現，并進行實時上報預警。

通訊異常告警：包括傳感器數據采集異常告警、采集器通信異常告警，主要信息包括告警設備、通訊中斷時間、通訊中斷時長等信息。

四、結束語

本項目提出了基于LoRa實現熔斷器監測數據在線傳輸的解決方案，充分利用物聯網技術建立設備身份識別和狀態感知傳感器及裝置、實現電力系統各個環節萬物互聯、強化生產現場數據的智能采集、實時傳輸和自動分析，實現設備狀態實時掌握、狀態異常提前預警、人機信息分布式快速交互、研判評估、輔助診斷等，以效率提升為牽引，構建“實用化、主動化、閉環式”變電站熔斷器狀態在監測及故障定位體系。相信LoRa技術將來能夠在熔斷器在線監測占據一席之地。[8]

作者單位：張博? ? 錢瑞琦? ? 李佩? ? 蔣麗萍? ? 楊宏? ? 國網陜西省電力有限公司漢中供電公司

參? 考? 文? 獻

[1]鄭華開.LoRa技術給未來物聯網產品帶來新的起點[J].電子世界，2016，（15）：146.

[2] AUGUSTIN A ，YIJiazi， CLAUSEN T， et al.AStudyofLoRa： Long Range & Low Power Networks for The Internet of Things[J].Sensors，2016，16（9）：1466-1483.

[3] Semtech Corporation.Chirp Signal Processor：European， EP2975814A1[P].2016-01-20.

[4]姚曉海，張曉波.一種LoRa網關路由器及物聯網系統.廣東， CN205829662U[P].2016-12-21.

[5] GEORGIOU O，RAZA U.Low Power Wide Area Network Analysis：Can LoRa.Scale？[J].IEEE Wireless Communications Letters， 2017，6（2）：162-165.

[6]侯義斌，王進.LoRaWAN技術研究[J].讀書文摘，2017，（13）：38.

[7]孫曼，張乃謙，金立標，等.基于LoRa標準的MAC層協議研究[J].電視技術， 2016，40（10）：77-81.

[8]劉琛，邵震，夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J].電信技術，2016，50（5）：43-46，50.