基于LoRa技術的費控表和集抄系統的研究及應用

藍嵐

（貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽550002）

1 目的和意義

智能電網AMI 建設的關鍵是通信平臺的建設，良好的通信架構和先進的技術選擇是大規模集抄的基礎。LoRa技術經過多年的研究孵化，在最近兩年基本完善達到實用化要求，目前已經在全球成功地運用到各種應用中，LoRa芯片每年已有數百萬出貨量，已在抄表、資產跟蹤、傳感器數據傳輸等應用中得到驗證。前向糾錯和擴頻技術的采用讓LoRa有更好的通信環境適應能力和更高的抗干擾能力，根據實際應用的需求，LoRa通信技術可以靈活地調整功率等級，適配數據傳輸中對于距離和速率的需求。

基于LoRa等標準物聯網的先進技術，研究建設一個主站系統可以和電能表終端直接通信的網絡架構。該系統將實現端到端的通信，減少現有集抄通信中的不必要環節，極大提高集抄通信系統的擴展能力、可靠性以及可管理性。電能表智能抄表由于電能表所處位置環境復雜，要全面實現智能抄表難度較大。

LoRa通信網，未來還可以在智能輸電線網、智能配電網、智能變電設備、智能供電網、智能調度、智能巡查、智能供電樁、智能用電安全（電弧火災）、智能家電、智能樓宇等領域的監測和監控方面發揮越來越多的作用，為南方電網現有的有線專網提供“最后一公里”無線通信能力補充。

2 項目研究的背景

LoRa 和NB-IoT技術是LPWAN（low power wide area network）低功耗廣域網（包括LoRa，NBIoT，SigFox，Ingenu，Weightless 等）中最開放、最主流、最成熟的技術。相對于NB-IoT，LoRa 有如表1所示優勢。因此LoRa成為目前首選，未來不排除同時考慮NB-IoT。

LoRa地球的Wi-Fi，開放頻段（433 MHz）自主網專網：自主性、保密性、可擴展性、靈活性確定性：可立即按需自建網絡覆蓋NB-IoT授權頻段，只有運營商能建基站和網絡公網：QoS不可自控，流量費，數據先到運營商（保密性問題）不確定性：網絡覆蓋何時能建成未知，內部和eMTC等其他技術有競爭

3 項目研究內容與實施方案

3.1 主要技術內容

3.1.1 現有用電信息采集通信平臺問題分析

實現用電信息的全采集是不可阻擋發展趨勢，但智能電能表數量巨大，工作環境千差萬別，盡快建設下一代基于物聯網技術的用電采集通信網絡至關重要。目標是實現計量管理的自動化，從而解決目前存在的一系列用電管理難題，如線損高、人工抄表效率低、電費結算實時性差，中小動力用戶的監控、防竊電、限電等，最終通過引導用戶的用電習慣，實現“削峰填谷”，促進電網安全、穩定、經濟、環保的運行。

目前中國電網用電信息采集通信網絡主要由兩部分組成：下行采集網絡鏈接智能電能表和集中器，以及上行回傳網絡鏈接集中器和主站系統。兩部分網絡各自采用不同的組網技術。

下行采集網絡：PLC、RS485 總線、無線自組網等。上行回傳網絡：GPRS/CDMA，4GLTE,廣電網絡等。

經過幾年的建設和使用，用電信息采集網絡暴露出一些問題。

首先，目前的下行采集網絡，無論采用何種通信底層技術，都還是廠家的私有協議，各種技術無法互通、無法實現統一管理。

其次，由于采用非標準化非開放協議，需要集中器、采集器等設備實現網絡鏈路轉換，導致整體架構的擴展性差、運維復雜，并且，由于中間增加了非隧道化的運營商通道以及通信前置機，無法實現從末端智能電能表到采集主站服務器的端到端可視網絡聯接。用電信息采集通信平臺是由一段段的網絡鏈接而成。雖然應用層可達，但網絡層無法實現端到端互通。這樣，給管理運維帶來巨大麻煩，無法實時監測到每一個智能電能表的狀態，包括通信情況和運行情況。一旦出現問題，只能派人現場排查，效率低且浪費人力。

3.1.2 主要技術難點

LoRa無線通信技術研究：研究LoRa通信技術，并將其與用電信息采集通信模塊相結合，實現其在智能電能表上的應用。在特定場合（變電站局部放電等）的LoRa 通信抗干擾問題可能會遇到技術難點。

基于LoRa技術通信模塊的小型化研究：目前單相智能電能表的通信模塊尺寸與接口已經有完整定義，由于其定義的出發點是考慮本地通信模塊，沒有考慮遠程通信模塊，所以尺寸定義偏小。如何將LoRa技術通信模塊小型化且盡可能的減少射頻性能的損失是本項目的另外一個技術難點。

安全性問題：使用了兩層安全：一個是網絡層安全；另一個是應用層安全。網絡安全保證了網絡節點的可靠性，而應用層的安全性確保了網絡運營商不能訪問終端用戶的應用數據。密鑰交換使用了AES加密的IEEE EUI64標識符。

接入設備復雜性問題：在網絡服務層，根據不同的LoRa終端接入設備通信協議將數據流解析成應用層格式統一的數據格式。

網絡容量問題：利用自適應的數據速率和網關中的多通道多調制收發器實現，當需要更大容量時，可以添加更多LoRa網關，變換數據速率，減少串音次數，可擴展6～8倍網絡容量。

3.2 項目研究的實施方案

本項目研究擬采用的技術路線以開發研究基于物聯網LoRa 的通信模塊，搭建LoRa 系統網絡，完成表記到主站端到端的通信需求。

本項目研究開發支持LoRa物聯網技術的電能表遠程集抄通信模塊，該模塊在物理特性和表計間數據接口方面完全遵循智能電能表規約，可以將傳統的電能表485通信傳輸局限在單個表計與模塊之間，從而有效避免RS485 串行通信固有的不可靠局限，大幅提升整網通信可靠性和抄表成功率。上行通過通信模塊本身的協議轉換接入LoRa網絡后可以直接接入到現有的集抄運營網絡系統中。從而達成項目預期的主站與電能表之間的直接通信，實現現場設備的細顆粒化數據采集、狀態監控和訪問控制能力。

不同于傳統的電能表集中采集器，本研究開發支持的LoRa模塊不限于485的單接口方式，該模塊將多種接口方式集成進來，最大兼容性的支持各種廠家電能表，該模塊將實現自動的無線擴頻技術，在中心頻點被占用的時候，為了保證數據的可靠性和傳輸的實時性，模塊將自動調換發送和接收頻段直到保證平臺端可以收到電能表數據并及時返回。

該模塊采用的LoRa擴頻調制技術，可解調低于20 dB 的噪聲，這確保了高靈敏度和可靠的網絡連接，而使用不同的擴頻因子就可以改變擴頻系統的傳輸速率，且可變的擴頻因子提高了整個網絡的系統容量。本項目研究開發支持LoRa物聯網技術的電能表遠程集抄通信模塊采用先進的糾錯算法，能主動糾正被干擾的數據包，使通信距離更遠，抗干擾能力更強，使用無線射頻領域領先的鏈路預算，可高達-148 dBm 接收靈敏度，對遠距離可靠性傳輸提供保障。

本項目研究開發支持LoRa物聯網通信模塊具有高度的可配置性和擴展性，在傳輸正常的情況下，模塊將選取最小的發送功率，使模塊的功耗達到最小程度；當傳輸距離較遠的模塊，將采用高擴頻因子和大功率發送數據，以保證傳輸數據的可靠性。

另外本模塊針對傳統的modbus協議，模塊將內置自動的配置系統，通過平臺的配置界面，將智能電能表的各種數據自動的傳輸上來，例如，配置讀取電能表的寄存器地址，配置電能表總線ID，配置數據的占位，配置串口參數，配置數據讀取周期等，這樣該通信模塊將各種不同類型的電能表透明傳輸到平臺。模塊另外具有各種自檢及預警功能，當發生意外掉線的情況時，停止接收集中器數據，DTU不斷嘗試用各種參數連接基站網關服務器，直到重連成功。

模塊硬件驅動采用ARM系列微控制器軟件接口標準，可以為處理器和外設實現一致且簡單的軟件接口，從而簡化二次開發過程，在有新設備加入時，并縮短系統開發時間。

基于LoRa廣域通信、互聯網、大數據處理等多項技術，打造了從感知層到應用層兩者之間完整的電能表遠程抄表通信解決方案，具有遠距離、高容量、低功牦、低成本、抗干擾等特性。

本項目基于LoRa的無線自組網絡系統，網絡采用穩定的STAR網絡結構，組網速度、抄表速度快，一次抄表成功率非常高。網絡最大的特點是節點模塊采用SEMTECH LoRa 擴頻技術和網絡低功耗運行，同時，網絡節點擁有目前最強的穿透力和最廣的覆蓋范圍，網絡內模塊節點之間通信距離超過2.5 km，室外網絡覆蓋超過5 km，如果加功放天線可以超過15 km，非常適用于農村以及城市大型及超大型工業樓宇群、超高層建筑社區。

基于現有2G/3G/4G網絡的電能表集中器是固定協議的網絡，相同協議的LoRa終端可以很方便的加入到這個網絡中來，基于LoRa方案也可以使用相同的商業運行模式。對于國家電網來說，只需要將原有電能表集中器GPRS終端替換成LoRa終端，基于LoRa網絡安裝部署LoRa網關和Ethernet連接，這種聯網方案成本更低，耗電低且不需要申請頻段（采用公用頻段），這將成為現有GPRS網絡電能表遠程抄表通信方案最好的替代或補充方式。

4 預期目標

4.1 預期目標及創新點

基于LoRa物聯網技術的大規模集抄通信平臺簡化了現有集抄網絡，減少了采集器、集中器以及前置機等中間環節，大大提高了集抄網絡的擴展性和易管理性，最終有助于減少故障處理時間，為未來實現互動化智能用電提前打好通信基礎。

創新點：電能表支持LoRa 技術，利用LoRa 網絡和主站通信；簡化通信架構，無需采集器、集中器等中間環節；搭建基于LoRa物聯網技術的系統架構，實現對電能表狀態的實時監控和集中管理；實現基于LoRa技術的集中抄表和系統的大規模應用。

4.2 主要技術經濟指標

技術指標：電能表（舊表和新表）支持LoRa技術。上行通信方式LoRa通信網絡。

經濟指標：集中抄表系統降低系統運維費用50%或以上。簡化集抄網絡架構，減少不必要的組網節點，降低網絡故障點，降低建設優化集抄系統架構，提高系統擴展性和兼容性，減少未來擴容成本。對電能表通信的實時監控，減少維護人力成本，同時減少停電時間提高用戶滿意度。

以貴陽供電局7 萬數據采集點（包括集中抄表及其他電力系統監測監控點）為例，原GPRS 無線方案成本包括終端模塊和流量費，每個GPRS 模塊（需帶485/DTU、天線、外殼等）的市場價250元左右，7 萬個點總計1750 萬元。流量費按每月每個點平均9元計算，一年108元，假定5年使用壽命，每個點流量費540 元， 7 萬個點5 年流量費共計3780萬元； 假定使用壽命10 年，每個點流量費1080元，7萬個點10年流量費共計7560萬元。

采用LoRa 技術方案，每個LoRa 終端模塊目前大約250 元（大批量價格，帶485/DTU、天線、外殼等與GPRS 同等功能），和GPRS 模塊價格相當（比NB-IoT價格低），如果不考慮有些運營商深度打折GPRS 模塊提高流量費，LoRa 模塊采購成本和GPRS 模塊采購成本（1750 萬元）可以相互抵消；自建LoRa網絡沒有流量費，但有基站建設和運營費用，每個LoRa基站（目前有大小兩種基站）價格平均按8000 元算（含支撐桿、電源、安裝費等），每個基站在城區覆蓋面積25 km2，農村覆蓋面積約150 km2，每個基站按平均連接1000 個點計算（Lo-Ra 基站自身容量2000 個至60000 個點），綜合地理覆蓋因素估算，7 萬個點約需700 個基站，共計560萬元；考慮到電網有線專網幾乎無處不在，接入費用忽略不計（安裝費前面已計入），基站人工運營管理維護費按每年30萬計算，5年為150萬，5年總費用共計710萬元；10年基站運營維護費為300萬元，10年總費用共計860萬元。