低功耗廣域配用電通信系統架構與軟件設計

孫嚴智，胡勁松，劉宇明

（云南電力調度控制中心，昆明 650011）

0 前言

配用電通信網，作為直接服務于客戶的電力系統中低壓環節，是智能電網的重要環節。但現有電力通信網呈現“高壓骨干網強，中低壓接入網弱”的狀態，配用電通信網絡整體基礎薄弱、發展滯后，不能滿足國家電網“雙向數據互動”和“精細化業務管理”，以及 “全覆蓋、全采集、全管控”的趨勢特點，配用電通信網的發展成為了當前電力通信網絡規劃的重點和難點。低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術作為物聯網領域的新興熱點技術，在功耗、傳輸距離和網絡成本等環節彌補了現有通信技術的短板，是配用電通信網未來發展的重要支撐技術手段。

1 配用電通信網

現有配用電通信網更多地以有線方式為主（光纖通信、電力線載波），傳統無線方式為輔進行通信。已有無線通信解決方案受制于成本、傳輸距離、終端壽命等多方因素的限制，應用的多場景布局局限性很強。具體來說，無線公網通信技術（2G/3G/4G）接入，由于所達范圍有限、租用成本較高及安全問題在現有配用電網有部分應用；短距離無線通信技術（藍牙、zigbee等），在配網有少量試點應用；微波、數傳電臺等無線通信方式，僅僅在局部小范圍成碎片化實用狀態。隨著分布式能源網絡、能源互聯網絡、電動汽車系統等新業務和系統的引入，配用電通信網技術需求和建設成本的矛盾如圖1所示，主要體現在以下幾個方面。

1）網絡“長、廣、深”分布，大量區域覆蓋差。配用電通信網絡需要覆蓋中壓變電站出線到用戶端的用電線路，覆蓋范圍大，傳輸路徑長（幾十千米），采用有線通信方式，通信網絡受到線纜布設和成本的制約，如果采用傳統無線方式，則受到覆蓋范圍的制約，所以導致大量區域（市郊和鄉村）覆蓋差或無覆蓋。

2）網絡環境復雜，覆蓋難，無線覆蓋效果不佳。配用電網絡分布受到用戶、地形和建筑特點的限制，同時監測設備常放置在環境較為惡劣的場所（地下室、水泵房、天井、樓頂、洞內廠房等），導致有線架設困難，無線通信方式覆蓋和穿透能力不好，覆蓋難，盲點多，信息采集和傳輸成功率低。

3）城、鄉配網差異大，缺乏統一兼容的低成本實現方式。配用電網絡由中壓變電站到用戶端成平面式輻射結構，其中城市10kV變壓器節點密度大，分布廣且通信死角多，郊區和農村配用電通信網較為稀疏，單線距離長，現階段缺乏兼容低成本實現方案。

4）配、用電網絡業務眾多，缺乏統一的規劃、管理。與配用電通信網的平面輻射形式相比，用電通信網絡終端呈現立體化密集分布，配用電眾多業務隸屬于不同部門，網絡建設缺乏統一的規劃、各業務網絡彼此孤立、造成通信資源浪費，網絡架構不合理、接口單一、兼容性差。

5）設備種類多，數量巨大，故障排查困難，同時海量泛在化接入需求迫切。配用電網設備種類較多，配用電網絡中的采集節點達到千萬量級，配網中的泛在化海量通信接入需求迫切，但同時配網分布廣、單線距離長、設備多導致故障排查較為困難。

2 低功耗廣域網技術

低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術是物聯網領域一項新興的熱點技術，代表了其無線通信技術新的演進和發展趨勢。與傳統的寬帶通信系統不同，低功耗廣域網技術的研究重點不是如何提供更高的數據傳輸速率，而是側重于在功耗、傳輸距離和網絡成本方面彌補現有通信技術的短板。節點通信距離突破了藍牙、Wi-Fi、Zigbee技術的限制，可以達到幾十千米；節點超低能耗，終端壽命可達十年；芯片成本低于2美元。低成本、低功耗、廣覆蓋的特點使得低功耗廣域網技術在井蓋監控、停車位監控、智能交通、智能農業等方面有所應用。

圖1 配網通信的難點

LoRa的低功耗、長距離、低成本、支持大規模應用等特性，成為了配用電通信網的理想選擇。LoRaWAN協議架構如圖1所示，為了實現低能耗的廣域覆蓋，LoRa技術在物理層使用線性調頻擴頻而非頻移鍵控（FSK）調制，提高了接收機的靈敏度，同時降低了能耗，上下行同頻半雙工通信，單芯片系統帶寬為2Mbit/s，由8個125 kbit/s的信道組成，每個信道可以靈活使用擴頻因子為SF7-12的6種擴頻方式。

終端在有數據傳輸需求時，采用隨機接入8個信道方式避免干擾。終端和網關節點，根據距離、信號強度和消息發送時間等因素，確定通信使用的擴頻因子SF，從而靈活調整通信速率。考慮到不同場景的需求，協議定義了A、B、C三類設備，其中A類設備功耗最低，使用廣泛。

3 電力配用電通信網絡架構

配用電網是電能分配、使用的重要通道，是直接為用戶提供服務的中低壓電網。網絡架構即需要保證系統的穩定可靠，又需要滿足配電環境監控、配電設備監測、用電信息采集、智能用電等多種業務需求，所以基于低功耗廣域的配用電通信系統架構主要包含3個域，信息采集域、信息傳輸域和應用服務域，如圖3所示。

圖2 LoRaWAN協議架構

圖3 通信網絡架構

1）信息采集域：信息采集域主要根據業務需求，完成傳感信息的采集。信息采集主要由配置了多個傳感器的傳感終端完成，傳感采集終端部署在不同的采集點上，完成綜合標量信息采集，并通過低功耗廣域傳輸模塊完成信息發送。

2）信息傳輸域：信息傳輸域主要實現用戶采集信息的長距離傳輸和共享，低功耗廣域網關使用不同的組件來支持多通道、多信號的同時調制及解調，及終端靈活接入，并支持數據大并發量傳輸。網絡服務器實現系統的管理和數據解析，主要的控制指令都由服務器端下達。

3）應用服務域：即為應用服務器模塊。其功能是通過應用服務器與數據處理服務器，集中處理數據庫中來自采集模塊的數據，通過相關算法的統計分析，最終得到可視化分析的結論。

4 系統軟件設計

在電力配網中，我們需要保證用戶的接入安全可靠，還需要采集用戶的用電信息，以及異常情況地處理。基于以上電力需求，我方的整體設計主要分為3部分，即信息采集、信息傳輸和應用服務子系統。

1）采集模塊設計：終端模塊通過接口程序與采集模塊進行交互。終端模塊依據上位機發送的指令，實時將各個傳感器節點的數據，轉發給下一處理環節，同時，也可轉發終端模塊自身節點信息，實現設備參數的重置。具體工作流程如圖4所示。

圖4 終端模塊流程圖

2）微控制器模塊：微控制器的核心功能在于基于理論分析和設計的異構網絡協議，對設備所接收的數據進行轉發和處理。通過與低功耗傳輸模塊進行指令數據交互，將所接收到的指令數據進行拆包和組包，并依據指令信息采集新的業務數據，最終通過本地計算模塊，對數據包進行最終的計算和統計分析，或是轉發上一級處理單元進行處理。

3）信息傳輸子系統軟件設計：信息傳輸子系統主要完成對傳感器采集的數據進行預處理，進而將處理之后的數據轉發至其他服務器等待進一步的數據處理。不同網關與數據采集傳感器之間形成星型的網絡布局。同時，智能網關與傳感器之間采用一對多的連接方式，并通過低功耗廣域網的相關技術手段實現數據的收發功能；并用自定義的協議棧實現通信。利用智能終端的可擴展接口，可以對不同傳感器節點進行遠程調控，并將調控之后的數據重新進行記錄整合。并實時等待接收上一級服務器發送過來的指令信息，根據接收的指令信息，實現數據轉發，以及終端反饋等相關功能。終端層的整體工作流程具體如圖6所示。

圖5 控制器模塊流程圖

圖6 信息傳輸流程

4）應用服務子系統設計：應用服務子系統主要完成對平臺的管理控制工作，通過系統應用層的應用服務器與數據處理服務器，對數據庫主機中存儲的數據進行統計分析，并最終得到可視化結果。

5 結束語

低功耗廣域網技術作為物聯網領域的新興熱點技術，在功耗、傳輸距離和網絡成本方面彌補現有通信技術的短板，為配用電通信網的未來發展提供了創新的機遇。

1）分析了配用電通信網存在的問題，以及如何與低功耗廣域網技術優勢結合，為網絡的發展和創新，提供技術支撐。

2）提出了基于低功耗廣域網技術的智能配用電網絡架構，包含信息采集域、信息傳輸域和應用服務域。

3）完成了信息采集、信息傳輸、以及應用服務子系統的軟件流程設計。

4）在信息采集子系統中細化了采集模塊與微控制器模塊的軟件流程。

系統的流程完善與實現有待于在后續的工程實踐過程中，不斷完善。