智能變電站基于LoRa通信熔斷器監(jiān)測方案

張博　錢瑞琦　李佩　蔣麗萍　楊宏

【摘要】? ? 基于LoRa無線傳輸技術(shù)，本文設(shè)計了一套由無線傳感、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和云服務(wù)器組成的傳輸系統(tǒng)，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立設(shè)備身份識別和狀態(tài)感知，實現(xiàn)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)熔斷器數(shù)據(jù)的智能采集、實時傳輸和自動分析，實現(xiàn)熔斷器狀態(tài)實時掌握、接點溫度異常預(yù)警、人機信息分布式快速上報、研判評估、輔助診斷等，以效率提升為牽引，構(gòu)建“實用化、主動化、閉環(huán)式”配電網(wǎng)熔斷器狀態(tài)在監(jiān)測及故障定位體系，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了LoRa技術(shù)在遠距離、低功耗及大規(guī)模組網(wǎng)等方面的突出優(yōu)點，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在配電網(wǎng)熔斷器在線監(jiān)測的設(shè)計、開發(fā)和部署具有一定參考意義。

【關(guān)鍵詞】? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? 無線傳輸? ? 熔斷器監(jiān)測

引言：

隨著無線通信的發(fā)展，無線物聯(lián)技術(shù)開始在各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用，目前電力系統(tǒng)中最常用的有LORA， NB-IoT，4G等技術(shù)，其中遠距離和低功耗之間的矛盾問題，[1]一直都在探索最優(yōu)解決方案。 窄帶廣域是這兩年發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，LoRa是較為成熟的技術(shù)，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3倍-5倍。同時具有覆蓋范圍廣、功耗低等特點。[2]該技術(shù)基于擴頻技術(shù)，線性調(diào)制擴頻的一個變種，具有前向糾錯能力，抗干擾性強。[3]在當(dāng)前的變電站和配網(wǎng)線路中熔斷器的大量使用，是切斷隔離故障有效手段，熔斷器是否熔斷，狀態(tài)是否完好，為工作人員定位和查找及更換造成了不少困擾。

隨著通信技術(shù)日益發(fā)展和單片機處理能力的提高，以及無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為大面積低成本覆蓋熔斷器，實現(xiàn)全方位設(shè)備在線監(jiān)測提供了可能。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

基于LoRa技術(shù)實現(xiàn)的配電熔斷器監(jiān)測，利用了廣域無線傳輸，網(wǎng)絡(luò)拓撲采用星型結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)關(guān)為中心，采用了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)版MODBUS通信協(xié)議。傳輸了溫度和熔斷器狀態(tài)，并可通過網(wǎng)關(guān)機數(shù)據(jù)共享，結(jié)構(gòu)簡單、接入靈活適合中速信息采集。[6]

系統(tǒng)主要由智能系統(tǒng)輸入設(shè)備（監(jiān)控傳感器、數(shù)據(jù)采集端），網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)（交換機、現(xiàn)場總線、網(wǎng)關(guān)）以及云服務(wù)器、移動終端構(gòu)成。其中采集節(jié)點主要完成與傳感節(jié)點通信、設(shè)備狀態(tài)感知以及本地數(shù)據(jù)存儲等功能;基站設(shè)備主要完成多通道LoRa數(shù)據(jù)收發(fā)處理和網(wǎng)關(guān)功能;服務(wù)器主要完成用戶注冊、設(shè)備管理、通信協(xié)議解析、網(wǎng)絡(luò)管理以及信息采集的呈現(xiàn)等功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）LoRa終端設(shè)備硬件設(shè)計

終端設(shè)備硬件功能單元由CPU處理單元、LoRa通信單元、傳感器采集單元、電源管理單元、按鍵與指示燈單元及SWD調(diào)試單元等組成。圖3為微動開關(guān)選型，圖4是安裝示意。

1. CPU處理單元

i.MX RT 系列處理器完美融合了低功耗應(yīng)用處理器和高性能微控制器的優(yōu)勢，是業(yè)界首款跨界處理器，以實惠的價格提供超高性能 Arm? Cortex?-M7 內(nèi)核、實時功能和 MCU 可用性，且擁有行業(yè)最低的動態(tài)功耗，帶集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。i.MX RT1060 基于 Arm? Cortex?-M7 內(nèi)核，運行頻率 600 MHz（工業(yè)級為 528MHz）。1MB 片上SRAM - 多達 512KB 可配置為緊耦合存儲器 （TCM），實時低延遲響應(yīng)，低至 20 ns，豐富的外部存儲接口選項 NAND、eMMC、QuadSPI NOR Flash 和 Parallel NOR Flash。

2. LoRa通信單元

LoRa通信單元主要采用基于 SX1301 數(shù)字基帶芯片，空曠環(huán)境可覆蓋半徑 5km 的區(qū)域。終端休眠功耗僅1.6uA，支持 LoRaWAN V1.0.2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 Class A 和 Class C。從 0.3kbps 到 6kbps 可選，IP65 防水，POE 供電，GPS 定位對時（選配），防雷（選配）。在抗阻塞和選擇性方面也具有明顯優(yōu)勢。達到了長距離、抗干擾強和低功耗。

（二） LoRa網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)具備 8 個通道（對應(yīng) 8 個頻點），每個通道支持 6 種速率（SF7～SF12），加 LoRa Std，可以對 49 個 LoRa 信號解碼。基于 LoRa TM擴頻調(diào)制技術(shù)，安裝高增益 470MHz 全向玻璃鋼天線，網(wǎng)關(guān)與終端有效通信距離空曠可達 5km。硬件平臺主要包括CPU數(shù)據(jù)處理單元、通信接口（LoRa接口、以太網(wǎng)接口，RS485接口）同時具備GPS+北斗衛(wèi)星定位模塊。如下圖5硬件系統(tǒng)組成：

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括熔斷器位置采集和觸電溫度采集算法和節(jié)能算法、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)緩沖和協(xié)議轉(zhuǎn)換算法，服務(wù)器云平臺WEB服務(wù)軟件和移動端軟件三部分。

（一）LoRa終端設(shè)備軟件設(shè)計

LoRa終端設(shè)備軟件采用分層設(shè)計。整個軟件分為操作系統(tǒng)層、硬件驅(qū)動層、數(shù)據(jù)庫層和應(yīng)用服務(wù)層，軟件總體架構(gòu)如圖6所示。

（二）服務(wù)器平臺軟件設(shè)計

云平臺是數(shù)據(jù)匯集、存儲、處理的中心。基于云平臺的熔斷器云監(jiān)測系統(tǒng)，通過LORA網(wǎng)關(guān)采集現(xiàn)場的熔斷器狀態(tài)傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)、傳輸?shù)皆破脚_，為實現(xiàn)熔斷開關(guān)遠程監(jiān)控、遠程維護、故障預(yù)警提供技術(shù)手段。綜合展示部分集中展示熔斷器數(shù)據(jù)主要包括4個模塊：總信息展示、當(dāng)日狀態(tài)展示、分類狀態(tài)展示、分項狀態(tài)展示。

1.用戶管理模塊

主要是通過用戶角色權(quán)限管理模塊，實現(xiàn)用戶注冊，權(quán)限分配，對接相關(guān)的網(wǎng)站服務(wù)。

2.傳輸服務(wù)模塊

在安全可靠的基礎(chǔ)上，為設(shè)備提供多種協(xié)議接入、消息流管理、數(shù)據(jù)解析及數(shù)據(jù)處理能力。平臺提供基礎(chǔ)設(shè)備管理功能以連接、管理海量設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的消息通信與數(shù)據(jù)采集持久化;集成規(guī)則引擎與數(shù)據(jù)可視化管理，靈活開放多種權(quán)限級別的管理、控制API，通過API 可快速開發(fā)上層應(yīng)用，實現(xiàn)多端接入、設(shè)備遠程控制。

3.設(shè)備管理模塊

終端注冊開通與生命周期管理，提供狀態(tài)、故障、上報數(shù)據(jù)的不間斷監(jiān)控;無需變更設(shè)備端數(shù)據(jù)上報格式，支持在云端編寫解碼插件進行解析;基于Pulsar，內(nèi)置靈活的SQL表達式及豐富的處理函數(shù)，實現(xiàn)終端消息實時解析、高速持久化、規(guī)則處理及不同類型的動作觸發(fā);開放豐富的REST API接口，靈活可配置的應(yīng)用權(quán)限，快速構(gòu)建各種上層應(yīng)用。

4.狀態(tài)呈現(xiàn)模塊

云服務(wù)器平臺界面風(fēng)格采用簡潔大方的操作面板形式，布局及功能可在線組態(tài)，從而實現(xiàn)快速的現(xiàn)場配置。界面支持多種色調(diào)主題，客戶可以根據(jù)自己的喜好自由選擇。界面支持多語言，會根據(jù)操作系統(tǒng)的語言及地區(qū)設(shè)置，自動選擇相應(yīng)的語言文字。，通過狀態(tài)呈現(xiàn)界面，可以清楚地了解當(dāng)前入網(wǎng)的終端設(shè)備和基站設(shè)備的分布情況，以及每個設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信息。系統(tǒng)狀態(tài)檢測包括各支路能源設(shè)備狀態(tài)檢測、采集器采集狀態(tài)監(jiān)測、采集器通信狀態(tài)檢測、系統(tǒng)數(shù)據(jù)狀態(tài)檢測等，用戶可通過系統(tǒng)狀態(tài)檢測功能全面了解全網(wǎng)熔斷器狀態(tài)情況、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集狀態(tài)以及后臺實時數(shù)據(jù)處理引擎的運行狀態(tài)。

5.系統(tǒng)檢測告警

熔斷器熔斷告警：熔斷器熔斷情況并實時推送到監(jiān)測中心綜合展示區(qū)域。

接觸點溫度異常告警：系統(tǒng)通過對各支路實時采集能源數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)一致性分析，對異常數(shù)據(jù)進行自動篩查發(fā)現(xiàn)，并進行實時上報預(yù)警。

通訊異常告警：包括傳感器數(shù)據(jù)采集異常告警、采集器通信異常告警，主要信息包括告警設(shè)備、通訊中斷時間、通訊中斷時長等信息。

四、結(jié)束語

本項目提出了基于LoRa實現(xiàn)熔斷器監(jiān)測數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)慕鉀Q方案，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立設(shè)備身份識別和狀態(tài)感知傳感器及裝置、實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、強化生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的智能采集、實時傳輸和自動分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時掌握、狀態(tài)異常提前預(yù)警、人機信息分布式快速交互、研判評估、輔助診斷等，以效率提升為牽引，構(gòu)建“實用化、主動化、閉環(huán)式”變電站熔斷器狀態(tài)在監(jiān)測及故障定位體系。相信LoRa技術(shù)將來能夠在熔斷器在線監(jiān)測占據(jù)一席之地。[8]

作者單位：張博? ? 錢瑞琦? ? 李佩? ? 蔣麗萍? ? 楊宏? ? 國網(wǎng)陜西省電力有限公司漢中供電公司

參? 考? 文? 獻

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[2] AUGUSTIN A ，YIJiazi， CLAUSEN T， et al.AStudyofLoRa： Long Range & Low Power Networks for The Internet of Things[J].Sensors，2016，16（9）：1466-1483.

[3] Semtech Corporation.Chirp Signal Processor：European， EP2975814A1[P].2016-01-20.

[4]姚曉海，張曉波.一種LoRa網(wǎng)關(guān)路由器及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng).廣東， CN205829662U[P].2016-12-21.

[5] GEORGIOU O，RAZA U.Low Power Wide Area Network Analysis：Can LoRa.Scale？[J].IEEE Wireless Communications Letters， 2017，6（2）：162-165.

[6]侯義斌，王進.LoRaWAN技術(shù)研究[J].讀書文摘，2017，（13）：38.

[7]孫曼，張乃謙，金立標(biāo)，等.基于LoRa標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議研究[J].電視技術(shù)， 2016，40（10）：77-81.

[8]劉琛，邵震，夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術(shù)分析與應(yīng)用建議[J].電信技術(shù)，2016，50（5）：43-46，50.