基于LoRa+GPRS技術電壓監測管理系統的設計

摘要：當前電網使用的電壓監測管理系統與電壓監測終端的數據采集及通信方式以GPRS技術為主，由于用戶側電壓監測終端安裝分布分散，監測地域范圍廣泛，從而造成電網運行人員對電壓監測終端的維護工作量巨大，維護成本高。本文提出了一種基于LoRa+GPRS通信技術的電壓監測管理系統設計方案：通過采用LoRa技術與GPRS技術相結合的數據采集及通信方式，在保證數據交互實時性、高效性、穩定性、可靠性的前提下，降低設備現場維護工作量及成本投入，從而有利于提升電壓監測工作管理水平。

關鍵詞：電壓監測; LoRa技術; 系統設計

0 引言

我國地域幅員遼闊、地形地貌差異巨大，導致位于用戶側的配電網電壓監測點受地理環境及安裝條件影響，基于GPRS技術進行數據采集及通信的電壓監測系統存在信號覆蓋 “盲區”：對于用電較為分散的配網D類地區特別是偏遠山區用戶，相應的電壓監測點分布也較為分散，GPRS在山區地區信號弱，傳輸距離長跨度大，導致山區地區電壓監測點無法長期保持在線狀態，從而降低的電壓監測裝置數據采集的實時性、穩定性;對于某些處于特殊封閉作業環境的企業用戶（如廠礦企業），GPRS信號無法從封閉環境對外傳輸。隨著現狀僅運用GPRS技術進行電壓監測及數據采集的局限性日趨顯現，對 “盲區”裝置數據的采集及電壓監測終端的日常維護工作成為了供電部門日常管理工作的難點。

本文通過分析總結目前在配電網中廣泛使用的基于GRPS的電壓監測終端存在問題，將LoRa技術廣覆蓋、高穿透的特點與GRPS運用廣泛、通信穩定的特點相結合，針對性地提出了一種基于LoRa+GPRS通信技術的電壓監測管理系統設計方案，以降低供電部門對電壓監測終端的維持難度，提高工作效率。

1 存在問題

現有基于GPRS通信的電壓監測系統中，每個電壓監測終端均需插入一張GPRS通信卡，通過終端裝置中集成的GPRS模塊與上級采集服務端進行通信，這種多對一的通信方式存在以下幾個問題：

1）增加終端維護故障干擾因素，降低故障定位速度：由于GPRS通信方式需依靠實體介質，即通信卡進行傳輸。一旦發生電壓監測終端數據傳輸有誤或無法上傳，需對終端故障類型進行排查時，因通信卡故障造成的數據傳輸錯誤增加了定位終端裝置本身故障的干擾因素，同時增加了工作人員的維持工作量：故障發生后，工作人員必須到故障點實地確認才可明確實際故障類型，導致工作效率降低且不利于迅速清除故障。

筆者對某供電局電壓監測終端故障類型進行統計發現：因運營商通信卡故障造成的終端故障占比達所有故障類型的50%，而終端裝置故障占比低于通信卡故障，占比為35%。因此該供電局對終端裝置的故障維護工作中，有一半的工作量是對終端中的GPRS通信卡進行維護。

2）電壓監測終端無法在GPRS網絡覆蓋“盲區”內采集數據。譬如對B、C類點的監測中，會存在如廠礦企業等終端監測點必須安裝在封閉的區域的情形。受限于GPRS信號無法穿透阻隔的特點，若仍將電壓監測終端安裝在用電區域內會導致終端通信方式被阻斷，無法上送數據;若將電壓監測終端安裝在戶外空曠場地，又會導致監測及采集信息存在偏差。

2 系統設計

本文提出一種將LoRa通信技術應用于現行以GPRS通信為主的電壓監測系統設計方案，以下分別從組網設計、硬件設計及系統設計三方面對該基于LoRa+GPRS的電壓監測系統方案進行介紹。

2.1 組網設計

與GPRS通信技術需通過實體介質通信傳輸且無法穿透封閉空間進行通信的缺陷相比，LoRa通信技術具備低功耗、低成本、高穩定、低時延、廣覆蓋、高穿透等特點。

選擇LoRa通信技術作為電壓監測輔助方案的優勢如下：1）通過LoRa可進行終端自組網，從而減少通信卡的使用，最大限度降低對通信卡的依賴。2）通過LoRa技術可實現對封閉區域的信號穿透，對該區域監測的數據進行采集。即LoRa通信技術的技術特點可以針對性地彌補GRPS通信技術在電壓監測終端日常運行中存在的不足。

因此本文提出了一種基于LoRa+GPRS雙重技術進行通信的電壓監測管理系統方案組網設計：1）在電壓監測終端中增加一個具備LoRa通信模塊以取代現行的GPRS通信模塊;2）將現行“電壓監測終端-采集服務端”雙向直接通信傳輸方式改為“電壓監測終端-集中器-采集服務端”兩兩雙向通信傳輸方式，即在電壓監測系統組網中新增一個集中器，具備LoRa通信功能的電壓監測裝置與集中器以星型組網結構進行組網。組網結構圖如下：

2.2 硬件設計

基于LoRa+GPRS的電壓監測管理系統方案涉及兩個硬件模塊設計，即基于LoRa技術的電壓監測終端設計及集中器設計：

1）基于LoRa的電壓監測終端設計可通過在現行的電壓監測終端基礎上增加于LoRa通信模塊組成的。目前市場中已經有較為成熟的LoRa通信模組成品，可方便選購、定制。

2）集中器的設計需同時具備LoRa通信模塊和GPRS通信模塊以保證對上級采集服務端及下級電壓監測終端可分別采用不同技術進行通信：集中器通過于LoRa通信模塊實現與電壓監測終端的組網連接，進行數據采集交互;集中器將接收到的來自電壓監測終端LoRa信號進行解調處理轉換為GPRS網絡信號，通過GPRS通信模塊實現與采集服務端的鏈路連接，從而將電壓監測終端的監測數據傳輸至服務端。與此同時，集中器接收采集服務端所下發的工作指令，解調處理為于LoRa信號，通過于LoRa模塊與電壓監測終端通信。另外，該集中器自身需具備電壓監測功能且可進行監測數據采集。

2.3 系統架構方案

基于LoRa+GPRS技術電壓監測管理系統的系統架構如圖2所示，可分為四個層次。

1）感知層：通過具備LoRa通信功能的電壓監測終端進行數據監測采集，從而獲取現場電網電壓運行數據，為電壓無功管理工作的開展提供現在數據支撐。

2）基礎層：基礎層由集中器、數據庫、服務器、網絡、中間件等五個關鍵部分組成。通過集中器實現與感知層的交互。集中器在通過GPRS網絡實現將現場終端數據傳輸至后臺服務器，直至數據入庫存儲。

3）業務層：業務層按日常管理工作劃分為臺賬管理、綜合報表管理、監測點報表管理、系統管理等四大功能。臺賬管理對集中器臺賬、監測點臺賬進行管理。

4）監測點報表管理監測點日報表、監測點月報表、監測點五分鐘電壓值報表、監測點季度報表、監測點年度報表。綜合報表管理綜合日合格率報表、綜合月合格率報表、綜合季度合格率報表綜合年度合格率報表。系統管理則進行用戶、權限、角色等功能的配置管理。

5）展示層：對系統功能的門戶展示。該系統采用B/S架構，系統采用Web頁面進行交互操作。

系統功能架構如圖3所示，主要包括臺賬管理、監測點報表管理、綜合報表管理、系統管理四大功能模塊。

1）臺賬管理包括：集中器臺賬管理、監測點臺賬管理。集中器臺賬管理模塊實現對集中器臺賬信息的詳細維護如：集中器安裝位置、集中器安裝時間、集中器安裝經緯度、集中器在線離線情況等。監測點臺賬管理模塊實現對監測點臺賬信息的詳細維護如：測點名稱、測點監測電壓等級、測點電壓類別、測點安裝位置、測點安裝經緯度、測點所屬集中器、測點離線在線等。

2）監測點報表管理包括：監測點日報表管理、監測點月報表管理、監測點季度報表管理、監測點年度報表管理、監測點分鐘電壓值報表管理。

3）綜合報表管理包括：綜合日報表管理、綜合月度報表管理、綜合季度報表管理、綜合年度報表管理。

4）系統管理包括：權限管理、角色管理、用戶管理、單位管理

3 結論

本文為解決現行基于GPRS的電壓監測網絡通信方案存在的問題，如增加終端故障干擾因素、信號無法穿透封閉環境提供了一種可行的解決方案。

（1）基于LoRa+GPRS的電壓監測管理系統利用LoRa技術廣覆蓋、高穿透、可進行終端自組網的特點，可針對性地解決現行GPRS技術帶來的問題。

（2）該系統的組網設計需要在電壓監測終端中增加一個具備LoRa通信模塊以取代現行的GPRS通信模塊，并將現行“電壓監測終端-采集服務端”雙向直接通信傳輸方式改為“電壓監測終端-集中器-采集服務端”兩兩雙向通信傳輸方式。

（3）集中器的設計需同時具備LoRa通信模塊和GPRS通信模塊以保證對上級采集服務端及下級電壓監測終端可分別采用不同技術進行通信。

（4）系統架構可分為四個層次：感知層、基礎層、業務層、展示層。系統功能架構主要包括臺賬管理、監測點報表管理、綜合報表管理、系統管理四大功能模塊。

基于LoRa+GPRS技術電壓監測管理系統的設計應用，一方面可減少對通信卡的依賴，減少維護成本支出、資產成本支出，另一方面可保證數據采集的穩定性、可靠性、實時性，具有較高地推廣應用價值

參考文獻

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收稿日期：

梁紅霞（1985），女，本科，助理工程師，中國南方電網云南電網有限責任公司西雙版納景洪供電局，從事配網安全和管理工作。