基于LoRaWAN 多表集抄能源管理系統(tǒng)的研制

李紅柳，王詩雨，唐良義，肖儉偉

（1.國(guó)網(wǎng)成都供電公司客戶服務(wù)中心計(jì)量部；2.成都博高信息技術(shù)股份有限公司，四川 成都 610021）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)不斷優(yōu)化和完善，特別是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的用電信息采集系統(tǒng)，具有規(guī)模化、實(shí)用化等特點(diǎn)，能夠有效的為智能電網(wǎng)的營(yíng)銷業(yè)務(wù)需求提供技術(shù)支撐。但是，隨著社區(qū)能源統(tǒng)一管理的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)集約化建設(shè)需求的到來，原有的用電信息采集系統(tǒng)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器等間接方式采集水、氣等其他低功耗需求的數(shù)據(jù)時(shí)，表現(xiàn)出效率低，兼容性差，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題。

由于水、氣等表計(jì)采用電池供電，采用低功耗的無線通信技術(shù)接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是最優(yōu)選擇。因此，國(guó)際主流的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)均采用無線通信技術(shù)，包括NBIoT、LoRaWAN、SigFox 等。同時(shí)，無線通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)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(lián)網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)柜的紅外溫度探測(cè)傳感器等。

用電信息采集系統(tǒng)作為用電信息采集來說是適宜的，從成本來說也是比較經(jīng)濟(jì)的。但是，由于在設(shè)計(jì)之初并未考慮水表、氣表或者其他電池供電傳感器的數(shù)據(jù)采集接入，后期的擴(kuò)展較為艱難，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性也造成了很大的挑戰(zhàn)。因此，需要研究一種新的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)社區(qū)能源管理新的需求。

文中研制了基于LoRaWAN 通信技術(shù)的社區(qū)能源管理系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以很好解決社區(qū)能源數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程控制等問題，同時(shí)也為下一步的社區(qū)智慧應(yīng)用提供了很好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

1 LoRaWAN 在多表集抄能源管理中的應(yīng)用

LoRaWAN 具備超低的運(yùn)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(huán)境監(jiān)控類的傳感器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，睡眠下的綜合功耗更是可以低至4.6μA。

LoRa 通訊協(xié)議的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了同步開銷和跳數(shù)，開放和完善的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)更是支持多信道，多數(shù)據(jù)速率的并行處理。它的發(fā)射功率為17dBm；在密集的社區(qū)中完全不用擔(dān)心輻射對(duì)周圍環(huán)境的影響，如圖1。

圖1 LoRaWAN 水、電、氣集中抄表應(yīng)用

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LoRaWAN 社區(qū)能源管理系統(tǒng)嚴(yán)格遵循LoRaWAN 系統(tǒng)架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為4 大部分：終端節(jié)點(diǎn)包括電表、水表、氣表終端；標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)對(duì)于不同的應(yīng)用采取不同的策略，電表采用市電供電，因此不需要進(jìn)行嚴(yán)格的功耗控制，符合LoRaWAN 中C 類節(jié)點(diǎn)的特性。而水、氣表采用電池供電，需要進(jìn)行嚴(yán)格的功耗控制，只能適用于A 類節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議。

對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)來說，必須實(shí)現(xiàn)LoRaWAN 協(xié)議棧，相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)管理以及業(yè)務(wù)邏輯的處理。在協(xié)議棧中，包括入網(wǎng)流程，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的保存，退網(wǎng)檢測(cè)以及同步入網(wǎng)，支持相關(guān)的MAC 指令，載荷的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。加密報(bào)文的加解密等。當(dāng)然，為了確保網(wǎng)絡(luò)的健壯性和通信鏈路的魯棒性，必須支持CSMA 以及跳頻機(jī)制，ADR機(jī)制以及重傳確認(rèn)機(jī)制。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖2。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)在LoRaWAN 系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)LoRaWAN 通信協(xié)議向IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。同時(shí)，SemTech 公司提供了性能優(yōu)異的網(wǎng)關(guān)解決方案，極大提升了LoRaWAN 通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐容量。SX1301 具備8 路異頻接收能力，且速率自適應(yīng)功能極大增加了上行帶寬。通過增加SX1278 發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)了LoRaWAN 通信全雙工通信能力。

圖2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是LoRaWAN 通信系統(tǒng)的核心部分，甚至可以說LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)的策略優(yōu)劣直接決定了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性、容量吞吐效率以及應(yīng)用用戶體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)功能如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)功能列表

在LoRaWAN 系統(tǒng)正式應(yīng)用中，用戶體驗(yàn)的提升來自于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的優(yōu)化，包括移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)關(guān)間漫游、定位等位置服務(wù)也是由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的算法來支持。

2.4 應(yīng)用服務(wù)器

應(yīng)用服務(wù)器和業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)，本文主要實(shí)現(xiàn)多表集抄能源管理需求，能夠幫助電網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)信息化，自動(dòng)化，節(jié)約化管理。四川省電力公司已經(jīng)建設(shè)和部署了用電信息采集主站系統(tǒng)，本文采取節(jié)約化建設(shè)模式，直接使用原有的用采系統(tǒng)，無需另行開發(fā)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文根據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案成功研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品，并在成都郫都區(qū)某大型綜合物業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行了研究應(yīng)用。項(xiàng)目為大型社區(qū)，包括商業(yè)綜合體，公寓式酒店樓，居民小區(qū)等各種業(yè)態(tài)，占地600 多畝。項(xiàng)目由47臺(tái)變壓器供電，共7985 只電表、6023 只水表、985 只氣表。項(xiàng)目原采集方式為國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)的用電信息采集模型，集中器+電力載波，同時(shí)只采集了電力數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場(chǎng)水表和氣表為機(jī)械表，無法實(shí)施遠(yuǎn)程采集。

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安裝2 臺(tái)網(wǎng)關(guān)就能覆蓋整個(gè)項(xiàng)目，但是為了通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝了5 臺(tái)網(wǎng)關(guān)，同時(shí)更換了水表和氣表為智能表計(jì)，實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制。

系統(tǒng)上線后，經(jīng)過1 個(gè)月的運(yùn)行，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，電、水、氣的能源日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集成功率均為100%，優(yōu)于之前的電力載波系統(tǒng)指標(biāo)。

另外，由于電表為非功耗控制設(shè)備，可以進(jìn)行實(shí)施遠(yuǎn)程參數(shù)召測(cè)、下發(fā)和控制。通過對(duì)比測(cè)試，不同通信方式的實(shí)時(shí)通信指標(biāo)如表2 所示。

表2 不同通信方式的實(shí)時(shí)通信指標(biāo)一覽表

從上述測(cè)試數(shù)據(jù)來看，LoRaWAN 通信網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足社區(qū)能源管理的數(shù)據(jù)傳輸需求，同時(shí)從耗時(shí)的情況來看，采集單只電表由于不同表計(jì)通信速率的差異（和網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量差異，自動(dòng)調(diào)整速率以提高通信穩(wěn)定性），耗時(shí)1～3s。而采集60 只的時(shí)候，由于可以采用并行接收的方式，多只電表同時(shí)抄收則耗時(shí)大大縮短到20s。而抄收8000 只電表的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡，5 個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)抄收不同的表計(jì)可以提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)傳輸效率，大大增加了網(wǎng)絡(luò)容量，從而降低了整體耗時(shí)（注：由于水表和氣表采用的主動(dòng)上報(bào)模式，因此無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)單只表的通信時(shí)間）。

在系統(tǒng)上線后，社區(qū)能源管理系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，成功預(yù)警了用戶竊電1 起，用戶水表故障1 起，用戶欠費(fèi)提醒服務(wù)12 起，為社區(qū)能源管理自動(dòng)化、信息化提供了很好的技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

針對(duì)新形勢(shì)下多表集抄能源計(jì)量管理的需求，研制了一套基于LoRaWAN 通信網(wǎng)絡(luò)的能源管理系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用，較好的滿足了用戶的需求，達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過本系統(tǒng)的研制，很好的研究了新型物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)架構(gòu)在能源管理中優(yōu)勢(shì)以及更大的發(fā)展空間，為電網(wǎng)公司下一步建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)提供了參考和一種新的解決方案。