基于LoRa技術的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

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(yè)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(jīng)濟的快速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)+的應用，分布式電源、分布式儲能及可控負荷等的快速發(fā)展和大量接入促使電力系統(tǒng)，特別在中低壓配電系統(tǒng)中發(fā)生著重大改變[1]。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)一般呈輻射狀結(jié)構(gòu)。因此，通過有線通迅方式實現(xiàn)配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)監(jiān)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(wǎng)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(fā)展，為實現(xiàn)配電網(wǎng)絡全面自動化提供了無限可能。文獻[2]結(jié)合有線通迅技術與ZigBee技術探討了其在配電網(wǎng)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(xiàn)代通信網(wǎng)絡、PC技術、控制技術等的集成，并通過與有效傳輸網(wǎng)絡的結(jié)合，建立一個由配網(wǎng)管理中心與信息服務系統(tǒng)、應急管理系統(tǒng)等組成的配網(wǎng)服務和管理集成系統(tǒng)。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(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LoRa無限通訊模塊進行數(shù)據(jù)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(yōu)點，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)全面布點，提高數(shù)據(jù)的精確性[5]。通過組態(tài)編程設計監(jiān)控平臺負責監(jiān)控和分析采集到的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了配電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時更新以及精準查詢[6]。通過Web發(fā)布功能實現(xiàn)了配電網(wǎng)的異地操作和移動查詢功能[7]。基于LoRa技術的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的不足，實現(xiàn)了全面、高效、準確、智能化的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體概述

基于LoRa技術的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由下位和上位兩部分組成，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)的區(qū)域化連續(xù)、自動監(jiān)測、配電網(wǎng)狀態(tài)預警以及移動端查詢操作的功能。下位為配電網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點的硬件組成部分，通過電路驅(qū)動傳感器對電網(wǎng)狀態(tài)進行監(jiān)測，將采集到的數(shù)據(jù)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(xiàn)對采集到配電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲以及處理，并對數(shù)據(jù)進行在相應界面實時顯示，該設計主要實現(xiàn)了上位機軟件。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

上位接收到配電網(wǎng)數(shù)據(jù)之后，分為3部分實現(xiàn)對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行處理：第1部分結(jié)合交互式配電網(wǎng)主接線圖通過表格或折線圖的方式對接收到的數(shù)據(jù)進行實時顯示；第2部分對接收的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行儲存，并在此基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表、電網(wǎng)狀態(tài)預警以及特殊情況自動處理功能；第3部分實現(xiàn)對上位機軟件的Web發(fā)布功能接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的移動操作與監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall network topology

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

該系統(tǒng)的各個功能的實現(xiàn)通過力控組態(tài)軟件完成。設備層、控制層、監(jiān)控層和管理層4個層次結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了一個典型的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[7]。設備層將采集的物理信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號或者是標準的模擬信號；控制層實現(xiàn)對各個需要監(jiān)測節(jié)點的實時監(jiān)測以及控制；監(jiān)控層通過對各個設備的集中管理來達到監(jiān)控的目的；管理層負責對接收到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、處理以及查詢等[8]。作為監(jiān)控層的專用軟件，力控組態(tài)軟件對下集中管理控制層，向上連接管理層，是該系統(tǒng)在實現(xiàn)信息化中非常重要的組成部分。因此該系統(tǒng)通過組態(tài)的方式提高了系統(tǒng)的集成效率，并且大幅度縮短了系統(tǒng)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(xiàn)遠距離、長電池壽命以及大容量的系統(tǒng)，進而拓展傳感器網(wǎng)絡[11]。LoRa技術作為近年來新型的一種無線傳輸技術，在組網(wǎng)中采用簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)，極大地簡化了網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。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(yōu)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(shù)據(jù)可靠性；

（3）數(shù)據(jù)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(xié)議簡單，通信的無線頻段無需申請；

（6）網(wǎng)絡容量大，5～10 km范圍內(nèi)可接入上萬個節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)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(huán)境惡劣，運營商信號無法覆蓋全面的區(qū)域不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（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(huán)境區(qū)域內(nèi)，并不具備電池頻繁更換的條件。

（3）經(jīng)濟性問題：由于終端設備目的是用于采集傳感器數(shù)據(jù)，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)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(tǒng)中選用LoRa無線傳輸終端作為系統(tǒng)的設備層，以LoRa的方式克服傳統(tǒng)配電自動化中采用有線傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸可靠性差的缺點。

2.2.2 硬件組成

根據(jù)上述系統(tǒng)總體網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，其硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

系統(tǒng)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(huán)境都是在無人職守的情況下，有的環(huán)境復雜惡劣，因此要求設備能在極端環(huán)境下正常工作。所以選用的核心設備要滿足工業(yè)級應用的需求。LoRa數(shù)傳終端與LoRa網(wǎng)關是無線通信系統(tǒng)的關鍵，它的穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能決定了整個設備的性能。因此，系統(tǒng)中采用廈門四信生產(chǎn)的型號為F8L10T LoRa數(shù)傳終端和F8926-L LoRa無線網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)器。能保證極端環(huán)境下系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)的檢測節(jié)點及其重要信息，如圖3以最直觀的方式體現(xiàn)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(shù)據(jù)，可以直觀地向操作者展示配電網(wǎng)各個參數(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)儲存

2.4.1 數(shù)據(jù)報表設計

歷史數(shù)據(jù)報表界面基于力控的數(shù)據(jù)存儲功能實現(xiàn)了配電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)查詢與導出。使用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，配置ODBC驅(qū)動之后，在Microsoft SQL Server中創(chuàng)建一個新數(shù)據(jù)庫，建立自定義用戶，配置監(jiān)聽程序，通過ODBCRouter實現(xiàn)力控數(shù)據(jù)庫與Microsoft SQL Server的交互。圖5為配電網(wǎng)系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫中某一電數(shù)據(jù)的pv值發(fā)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(xiàn)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(shù)值、類型等信息，當采集到的數(shù)據(jù)超過設定值的限值時，所在的行會標紅預警并發(fā)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(fā)布

要實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的移動監(jiān)控以及操作就必須依賴于互聯(lián)網(wǎng)技術，將各個節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳到服務器，存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后通過計算機、PAD等可以連接互聯(lián)網(wǎng)的設備登陸客戶端進行訪問查詢，實現(xiàn)配電網(wǎng)監(jiān)測的智能化、移動性與實時性，對于構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，提升配電網(wǎng)監(jiān)測的自動化水平具有重要意義。故對系統(tǒng)進行了Web發(fā)布。如圖7所示在發(fā)布過程中，Web服務器的IP地址設置為Web發(fā)布的計算機的IP地址。端口號是WebServer網(wǎng)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(tǒng)中其他的一些程序產(chǎn)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(fā)布內(nèi)容的查詢權(quán)限。

圖7 Web發(fā)布Fig.7 Web publishing

在實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)發(fā)布之后，用戶只能在接入該Web服務器內(nèi)網(wǎng)之后才能訪問，要實現(xiàn)外網(wǎng)發(fā)布需要利用內(nèi)網(wǎng)穿透。系統(tǒng)中采用花生殼動態(tài)域名解析軟件，花生殼可以提供低價優(yōu)質(zhì)的內(nèi)網(wǎng)穿透功能。如圖8所示校園網(wǎng)中，通過花生殼用一個固定IP映射內(nèi)網(wǎng)，這個固定IP相當于公網(wǎng)IP，這樣移動終端和Web服務器能夠?qū)崿F(xiàn)通信，達到系統(tǒng)外網(wǎng)發(fā)布的目的。

圖8 內(nèi)網(wǎng)穿透Fig.8 Internal network penetration

3 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)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(wǎng)關為中心的3～5 km范圍內(nèi)的各個位置，大多數(shù)節(jié)點與網(wǎng)關之間的LoRa數(shù)據(jù)通信未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。少數(shù)節(jié)點由于信號傳輸過程中環(huán)境屏蔽影響，發(fā)生LoRa信號的較大衰減，借助中繼節(jié)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(nèi)網(wǎng)情況下，通過IP地址可以訪問到系統(tǒng)。瀏覽器中主界面顯示的實時數(shù)據(jù)與力控程序同步，曲線圖顯示、預警功能、歷史數(shù)據(jù)查詢等均顯示正常。在實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透之后，在任意一臺接入互聯(lián)網(wǎng)的計算機上，瀏覽器輸入網(wǎng)址亦可以正常訪問。

4 結(jié)語

基于LoRa技術的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，在設備層采用LoRa無線傳輸技術，選用LoRa無線數(shù)傳終端，利用LoRa傳輸方式的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全面采集，采用LoRa節(jié)點可以為系統(tǒng)建成可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。具有傳輸效果好、網(wǎng)絡拓撲簡單、維護及擴充方便的明顯優(yōu)勢。在監(jiān)控層基于力控組態(tài)軟件，設計交互式主接線界面，Web發(fā)布、建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)并與外部數(shù)據(jù)庫建立鏈接，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、預警功能，可利用在客戶端安裝的系統(tǒng)應用程序或者在瀏覽器中訪問網(wǎng)址2種方式進入系統(tǒng)界面，實現(xiàn)了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時、精準、快速以及移動查詢和異地操作。