基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統設計

楊新華， 鄭 越， 馬建立， 徐 錚， 王宏暉

(1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院 電氣工程系，甘肅 蘭州 730050；2.北京智源新能電氣科技有限公司，北京 102600； 3. 新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

目前在智能配電領域使用的電力數據采集裝置，其電壓、電流、供電電源及溫度采集幾乎全部采用有線方式與采集點進行連接，容易引起開關柜或設備安裝現場接線復雜、布局混亂、電力工人施工困難的問題，而且數據通信系統使用屏蔽雙絞線與監控后臺的數據采集與監視控制系統、DCS系統或BA系統通信連接，導致線路布局的復雜程度增加。當電力采集設備的通信線遇到接線不牢靠等情況時，給電力維修工人快速找出通信故障點帶來極大困難，無法迅速排除通信故障問題，給居民的生活和工廠的生產帶來了很大的影響。與此同時配電臺區的變壓器長期運行，開關柜和設備柜內的溫度很高，導致通信線路老化，引起電力采集裝置與后臺監控系統之間通信不穩定或通信故障問題[1]。

傳統的電力網絡，僅僅體現出電能的基本連接，無法實現客戶狀態全面感知、數據信息交互共享、應用便捷靈活的電力物聯網[2～4]。電力物聯網的建設和應用把電力系統中物與物、人與物、人與人之間隨時隨地通信，實現電網從單純的能量網絡變為“能量+數據”的網絡[5,6]。要實現電力物聯網，關鍵在于對電力網絡中用戶的用電數據、電氣設備環境數據監測、配電系統中的狀態信息等進行采集及數據信息的傳輸，因此需要基于先進的信息通信技術[7,8]。LoRa具有低功耗、低成本、遠距離傳輸、系統容量大、抗干擾性強等優勢，成為低功耗廣域網中一個技術代表，解決了ZigBee、藍牙、WiFi等網絡存在的低功耗和長距離傳輸之間的矛盾，成為電力物聯網小范圍推廣應用的一種理想技術。

文獻[9]設計了一種在帶寬模塊中增加儲存和智能分析功能的新型物聯網模塊，通過電力線載波通信技術將配電臺區智能電能表采集的各種數據信息上報至系統主站，實現供電所管理智能化和電網信息可視化，但會存在抗干擾性弱，傳輸可靠性和實時性差的缺點。文獻[10]介紹基于LoRa的泛在電力物聯網體系和架構。文獻[11]提出了基于高速電力線載波通信技術的低壓用電設備電壓實時監測、停電事件類型主動上報、電能表接線錯誤識別的智能抄表技術應用。文獻[12]研究了基于電力線寬帶載波及用電信息采集系統的多能源的信息采集，提升系統的采集速率和承載能力，但是存在通信可靠性低的問題。文獻[13]提出滿足電力物聯網需求的新一代智能電能表的功能升級，業務范圍全面，邊緣智能化的技術展望。

本文提出了基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統。系統可以將智能采集終端在配電臺區采集的電壓、電流、有功功率、無功功率、電能、用電故障信息、電能質量和設備運行溫度等數據信息通過LoRa傳輸到數據匯集器，數據匯集器將數據上傳云端數據平臺或電力通信管理機等更高一級數據匯總系統，組成更大的數據管理平臺，匯總全部配電臺區的數據進行分析與處理，及時準確上傳至監視控制系統，根據反饋的信息執行相關的命令。數據匯集器成為自動化管理的中間層，實現數據匯總和控制管理的目的。

1 系統總體設計

基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統由智能采集終端、數據匯集器、手機應用客戶端和云端數據平臺組成,數據匯集器可以接收多個智能采集終端發送的數據信息。

1)智能采集終端采集電力設備電壓、電流、有功功率、無功功率、電能質量、運行環境溫度、用電故障信息和電能等數據。智能采集終端與數據匯集器采用LoRa無線通訊模塊傳輸數據，相較于電力線載波通信有帶寬限制、ZigBee通信方式組網復雜和通信距離不足、GPRS通信方式運行成本高昂等問題，采用星型組網方式的LoRa通信技術具有傳輸距離遠，傳輸數據穩定的特點。

2)數據匯集器匯集所有智能采集終端數據，可以采用標準IEC60870—5—104—TCP通信協議的GPRS模塊將數據上傳云端數據平臺，也可以通過LoRa將采集數據信息上傳電力通信管理機等更高一級數據匯總系統，組成更大的數據匯集系統。通信協議采用標準Modbus通信協議，電力通信管理機分析與處理所有接收到的數據信息，可根據后臺需求上傳至主站，實現數據分析匯總和控制管理的目的。同時數據匯集器也從監視控制系統接收各種執行指令，傳輸至采集終端，進而實現對監控對象的控制。

3)云端數據平臺接收數據匯集器發送的數據，存儲在數據庫服務器，實時將采集的數據信息分析處理。電力調度中心根據云端數據平臺的大數據分析，實現最優的調度管理。

2 系統的硬件架構

2.1 智能采集終端硬件設計

智能采集終端具有電能數據采集功能、RS—485通信功能、無線LoRa傳輸功能和WiFi傳輸功能。

智能采集終端中微控制器(microcontroller unit,MCU)選用STM32F103，LoRa無線通信模塊選用SX1278，電能采集芯片選用HT7036，選用開口式電流互感器采集電流數據信息，電壓采集模塊采集電壓數據信息。將采集到的電流和電壓信號輸入電能采集模塊，電能采集模塊計算電壓、電流、電能質量和電能信息等數據，通過SPI接口傳輸到MCU；MCU通過AD采樣端口讀取溫度采集模塊采集到的溫度信號，并且計算出相應溫度數據；MCU與RS—485模塊和無線通信模塊之間采用串口通信方式進行數據的傳輸；RS—485模塊選用ADM2483，實現多點總線傳輸線路的雙向數據通信；溫度采集模塊選用Pt100采集溫度信號。電源轉換模塊可以通過兩種方式供電，一種方式是直接由采集裝置接入單相電壓為其供電，另外一種方式是采用電流感應取電方式為其供電。在電流互感器上鑲嵌螺旋穿刺式取電插針，可根據電纜半徑大小收縮，插入電纜內部，實現可靠取電。電源轉換模塊輸出電壓為DC3.3V或DC5V，一方面滿足智能采集終端內部各模塊供電，另一方面提供外部電源接口，為數據匯集器提供電源。智能采集終端硬件結構設計及功能說明如圖1所示。

圖1 智能采集終端硬件結構

2.2 數據匯集器設計

數據匯集器主要作用是將系統內所有智能采集終端采集的數據匯集，由微控制器將數據分析和處理，并將數據和分析結果上傳云端數據平臺或電力通信管理機。數據匯集器的主要由以下幾部分組成：GPRS模塊WH—LTE—7S4V2、無線透傳模塊E32—TTL—1W、LoRa無線通信模塊SX1278。數據匯集器具有RS—485通信功能、無線LoRa傳輸功能、GPRS功能。數據匯集器供電電源接口直接與智能采集終端預留輸出電源接口連接。

數據匯集器可以通過無線LoRa模塊或RS—485模塊，實現多個智能采集終端數據信息的無線傳輸。數據匯集器的MCU與RS—485模塊采用串口通信方式與觸摸屏或顯示器等顯示終端連接，實現數據信息的可視化。數據匯集器可通過GPRS模塊將數據上傳云端數據平臺，通信協議采用標準IEC60870—5—104—TCP規約。數據匯集器可通過無線透傳模塊將數據上傳電力通信管理機等更高一級數據匯總系統。數據匯集器結構如圖2所示。

圖2 數據匯集器硬件

3 系統軟件設計

3.1 智能采集終端軟件設計

智能采集終端安裝在小型工廠等用戶的變壓器二次側，實時采集電力設備電壓、電流、有功功率、無功功率、電能質量、設備運行環境溫度、用電故障信息和電能等數據。采集的數據經過微處理器分析和處理，等待數據匯集器的指令，根據指令將采集到的數據信息傳輸到數據匯集器進行處理，或執行相關指令的操作。智能采集終端軟件工作流程如圖3所示。

圖3 智能采集終端軟件工作流程圖

3.2 數據匯集器軟件設計

數據匯集器匯集所有智能采集終端數據，并將數據上傳云端數據平臺或電力通信管理機。同時數據匯集器從監控中心接收各種控制命令，傳輸至采集終端，進而實現對監控對象控制。數據匯集器軟件工作流程如圖4所示。

圖4 數據匯集器軟件工作流程圖

4 智能終端采集系統的實驗驗證

搭建智能終端采集系統測試平臺和環境，對系統的功能和性能進行驗證。測試平臺由智能采集終端、數據匯集器、三相交流校表儀、云端數據平臺、安卓手機應用程序(application, App)、數字觸摸屏等組成。智能采集終端主要具有電壓采集、電流采集、功率計算、功率因數計算、電能質量分析、用電故障信息上報等功能，通過外部端子接入三相交流校表儀輸出的電壓、電流信號，通過手機App查看對應采集信息，關鍵性數據驗證結果如圖5和圖6所示。

圖5 實驗結果匯總

圖6 電能質量分析

三相交流校表儀輸出三相電壓，均為220.0 V，輸出三相電流為5 A，功率因數設置為0.5 L和1兩種情況。測試結果通過手機APP顯示。實測中得到A相電壓為220.2 V，B相電壓為220.2 V，C相電壓為219.8 V，測量誤差為0.09 %，達到測量誤差優于±0.5 %的要求。A相電流為4.999 A，B相電流為4.995 A，C相電流為4.995 A，測量誤差最大為0.1 %，達到測量誤差優于±0.5 %的要求。當功率因數設置為0.5 L時，A相功率因數為0.499 7，B相功率因數為0.498 4，C相功率因數為0.501 1，總功率因數為0.499 8，測量誤差為0.32 %，達到測量誤差優于±0.5 %的要求。當功率因數設置為1時，A相有功功率為1.100 6 kW，B相有功功率為1.103 0 kW，C相有功功率為1.100 9 kW；功率測量誤差最大為0.27 %，達到測量誤差優于±0.5 %的要求。電能質量分析結果為：電壓不平衡度0.28 %、電流不平衡度6.41 %、三相電壓的2～15次諧波含量、三相電流的2～15次諧波含量。可根據電能質量的分析結果進行諧波污染治理。數據匯集器將匯總的數據信息通過標準IEC60870—5—104—TCP通信協議的GPRS模塊將數據上傳云端數據平臺。測試結果表明，數據上傳及時準確。

5 結 論

設計的基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統，在滿足電網信息物理深度融合的基礎上，通過智能采集終端的合理分配與數據匯集器有效規劃實現了配電臺區的數據采集和傳輸。提出的方法消除了云端數據平臺與采集終端數據信息交互的干擾，很好解決了配電臺區現場通信及供電電纜施工工作量大、開關柜內部線路布局困難、電力采集器安裝復雜、通信線路老化更換等問題，用戶可以通過手機App查看實時的電能數據信息，更加方便快捷，有很好的工程應用價值。