基于LoRa技術的智能電表安全狀態透明化監控系統設計

彭迪櫟, 董武， 蔡誠

(貴州電網有限責任公司電力調度控制中心， 貴州， 貴陽 550001)

0 引言

電力通信方式敷設成本低，但也容易受到外界信號的干擾，影響電表運行的安全。從20世紀70年代開始，美國就采用遠程抄表的方式進行電力管理，主要是在電表中安裝相應的微處理芯片進行電能的采集和存儲[1-2]。此外，美國等一些發達國家還為固定區域抄表配備了無線收發機。我國對自動抄表的研究起步較晚，但在電網上下通道的數據傳輸水平上取得了長足的進步。文獻[3]應用EtherCAT技術保障數據安全傳輸，設計了一種電源監控系統的拓撲結構，實現現場層數模擬與實時監控的目標。文獻[4]根據計量芯片采集電網電壓，結合人機交互頁面特征，完成電能測控系統設計。

但是以往研究方法存在電表安全等級不明確，通信成功率較低的問題，對此，本文提出基于LoRa技術(遠距離無線電, Long Range Radio)的智能電表安全狀態透明化監控系統設計。LoRa是一種基于線性擴頻調制的新型擴頻調制方案，具有為無線設備提供網絡覆蓋的功能[5],由于該技術具有傳輸距離遠、電池壽命長、能耗低等優點，可以應用在智能電表安全狀態判斷方面。

1 智能電表安全狀態透明化監控系統硬件設計

與普通電表相比，智能電表具有更高性能的集成電路，能夠更準確地測量和控制智能電表的安全狀態[6-7]。智能電表安全狀態透明監控系統的硬件設計需要同時滿足遠程通信和電表遠程測控的運行要求[8]。監控系統的硬件主要包括電源電路、繼電器驅動電路、通信電路等模塊，如圖1所示。

根據圖1可知，主控制器是智能電表監控系統的關鍵組件，主控制器主要負責智能電表其他配件的控制與協調工作。硬件中的通信模塊主要負責為系統提供相應的通信通道，并在系統的采集終端與用電模塊之間建立起相應的聯系[9]。集中器主要負責連接智能電表與LoRa網絡，能夠在多個電表中及時傳遞信息。集中器可以有效處理上行數據包與下行數據包的錯誤信息，并將采集到的數據信息準確傳送到用電管理終端[10]。用電管理模塊主要為智能電表監控系統提供歷史事件的數據記錄與存儲備份等功能[11]。除了上述硬件配置外，還包括與外圍一起收發電路的電表芯片，芯片結構如圖2所示。

圖1 系統硬件框架圖

圖2 電表芯片結構圖

圖2中，電表芯片包括28個引腳零件，主要包括信號接收端口、外部晶振接口以及射頻信號發射端口，完成智能電表監控系統硬件設計。

2 智能電表安全狀態透明化監控系統軟件設計

2.1 獲取智能電表計量參數

智能電表需要實時采集并反饋電表的安全狀態，因此，電表軟件中的網關節點和服務站點應具有移植性強、功耗低的特點[12]。在智能電表安全狀態透明化監測系統中，電能計量參數是系統軟件的重要數據基礎，主要包括電能有效值、功率和電能。電能有效值的計算式如下：

(1)

其中，R表示電能有效值，t表示信號采集所需的時間，g表示同等功率下直流量，a表示電網運行的交流信號幅度。當基頻數值為1.21 kHz時，式(1)則轉換為

(2)

其中，R表示電能有效值，M表示輸出信號的低通濾波，g表示同等功率下直流量。在不同的電流通道內，提取電表過零信號信息。智能電表的電壓表達式為

(3)

其中，S表示智能電表的電壓，s表示智能電表的電壓有效值，ω表示監控系統的角頻率，t表示信號采集所需的時間。智能電表的電流表達式為

(4)

其中，Z表示智能電表的電流，z表示智能電表的電流有效值，ω表示監控系統的角頻率，t表示信號采集所需的時間。根據式(3)與式(4)，得出智能電表的瞬時功率計算式，如下：

(5)

其中，L表示智能電表的瞬時功率，S表示智能電表的電壓，s表示智能電表的電壓有效值，ω表示監控系統的角頻率，t表示信號采集所需的時間，Z表示智能電表的電流，z表示智能電表的電流有效值。則電能的表達式如下：

(6)

其中，I表示智能電表的電能，E表示智能電表的采樣周期，a表示電表的離散時間采樣數量，L表示智能電表的瞬時功率。

基于上述計算，完成獲取智能電表的計量參數，為診斷電表安全狀態提供數據支持。

2.2 基于LoRa技術診斷電表運行狀態

利用LoRa技術對儀表的工作狀態進行診斷，設計了系統軟件。智能電表的運行狀態診斷是監控系統的主要功能。在電網運行過程中，一旦部分功率元件發生故障，系統會及時向終端發送故障信息并進行預警[13]。儀表的運行狀態分為正常等級、注意等級、檢查等級和緊急等級，故障風險等級依次增大。智能電表的安全狀態診斷流程如圖3所示。

圖3 安全狀態診斷圖

圖3中，智能電表的運行狀態指標與各種電源參數有關，包括線路溫度、漏電流等因素。結合LoRa技術和功率參數標準值，判斷智能電表的運行狀態是安全的。一旦線路溫度過高或出現三次電壓故障，將直接停止運行。如果智能電表的各項指標都在安全范圍內，則繼續操作[14]。

智能電表的安全指數計算式如下：

(7)

其中，n表示智能電表中的輸入指標，b表示標準區間的上限值，c表示標準區間的下限值，ε表示運行區間的斜率，h表示區間內的拐點。通過系統中硬件部分的集中器，得出安全狀態指標，利用LoRa技術完成電表安全狀態診斷。

2.3 計算智能電表加速壽命設置監控模式

智能電表安全狀態透明化監測系統需要滿足電表的多參數測量功能、存儲功能、時間校準功能和通信功能。根據系統需求，對系統功能模塊進行了劃分。其中，多個參數包括耗電量、速率、瞬時量等參數；存儲功能包括電網運行狀態的事件記錄和停電保護數據；時間校準功能是指電網故障事件的附加標簽；通信功能主要是保證通信節點和通信接口的有功功率和脈沖輸出[15]，其偽代碼為

func match(binNrs: [Int])-> Bool {

let firstPatternNr = binNrs[17] //設計存儲單元

let secondPatternNr = firstPatternNr == 0 ? 1: 0 //判斷是否啟動監控程序

let pattern1Length = matchPattern(numbers: binNrs, //啟動條件

startIndex: 17,

number: firstPatternNr)

if pattern1Length < 3 { return false }//查看參數是否符合規定長度

let pattern2Length = matchPattern(numbers: binNrs, //查看輸入參數是否匹配

startIndex: 17-pattern1Length,

number: secondPatternNr)

if pattern2Length < 5 { return false }//查看參數是否超過正常標準

let pattern3Length = matchPattern(numbers: binNrs, //如果符合要求，校準功能啟動

startIndex: 17-pattern1Length-pattern2Length,

number: firstPatternNr)

if pattern3Length < 3 { return false }

let pattern4Length = matchPattern(numbers: binNrs,

startIndex: 17-pattern1Length-pattern2Length-pattern3Length,

number: secondPatternNr)

return pattern4Length >= 5

}

根據監控系統的軟件功能要求，計算智能電表的加速壽命，設置系統的監控模式。

設定智能電表的濕度和電壓等變量的數值都符合安全運行標準，則加速壽命因子的表達式如下：

(8)

其中，β表示智能電表運行加速時間，G表示智能電表零件產品的退化量，X表示任意大于0的常數，j表示玻爾茲曼參數，q表示激活電表運行的能量，f表示電表工作時的熱力學溫度。由式(8)得出，智能電表的壽命特征與熱力學溫度f之間的關系如下：

(9)

其中，G表示智能電表零件產品的退化量，X表示任意大于0的常數，j表示玻爾茲曼參數，q表示激活電表運行的能量，f表示電表工作時的熱力學溫度，l表示智能電表的壽命特征。則智能電表的加速壽命表達式為

(10)

其中，XUi表示智能電表的加速壽命，i表示加速壽命因子，j表示玻爾茲曼參數，q表示激活電表運行的能量，F0表示智能電表正常運行狀態下的熱力學溫度，Fi表示工作條件下的熱力學溫度。根據加速壽命的計算結果，對整個系統軟件中的智能電表通信協議、路徑探測以及抄表流程進行規劃與設計，合理有效地設置監控模式，完成系統軟件設計，實現基于LoRa技術的智能電表監控系統穩定運行。

3 實驗研究

3.1 獲取智能電表通信指標

為了測試此次設計的智能電表安全狀態透明化監控系統的性能，進行系統通信成功率測試。將實驗設置在220 v的實時電流條件下，搭建實驗環境并獲取智能電表的通信指標。搭建實驗環境如下。

實驗環境的硬件配置、軟件配置與網絡運行環境如表1所示。利用上述實驗環境與配置參數，獲取UCI MachineLearning Repository ( https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets.html )中某智能電表流行數據集，形成室內通信指標與戶外通信指標，如表2、表3所示。

表1 實驗環境

表2 室內通信指標

表3 戶外通信指標

利用搭建的實驗環境與通信指標，進行智能電表安全狀態透明化監控系統的通信成功率測試，并得出測試結果。

3.2 智能電表安全狀態透明化監控系統通信成功率測試

實驗選取2種現有監控系統1和2(文獻[3]方法和文獻[4]方法)與此次設計的監控系統進行實驗對比，在集中器模塊接入428M短棒天線，分別在不同的通信距離下進行通信成功率測試，

通信成功率的主要影響因素為通信距離、線路電流、電纜溫度。因為通信成功率屬于信道范疇，取決于通信設備的物理特性、發射接收環境和通信距離。通信距離帶來了無線電傳播衰減。設通信成功率為Pst，則通信成功率的公式為

Pst=(1-Pd×Ph)×(1-Pd×Ph)×Pr×(1-Pi)

(10)

其中，通信距離為Pd，電纜溫度為Ph，線路電流為Pi，單次成功接收通信信息的概率為Pr。

根據表2，線路電流和電纜溫度為固定值，則以通信距離作為唯一變量。測試結果如圖4所示。

(a) 通信距離200 m

根據圖4可以得出3種監控系統的通信成功率均值，設計系統比其他2種監控系統的通信成功率分別高出20.786%、28.363%。因為LoRa技術基于線性擴頻調制方案，能夠為無線設備提供遠距離網絡覆蓋，具有更高性能的集成電路，能夠更準確地測量和控制智能電表的安全狀況，因此通信成功率更高。

3.3 智能電表安全狀態透明化監控系統時間復雜度測試

時間復雜度越高，系統運行效率越低，通信時間更長，3種監控系統的時間復雜度測試結果如表4所示。

根據表4可知，在不同的通信距離下，此次設計的智能電表安全狀態透明化監控系統時間復雜度最低，運行效率最高。

表4 時間復雜度/ms

4 總結

此次設計的智能電表安全狀態透明化監控系統是建立在LoRa技術基礎上的，其獲取智能電表的計量參數，根據主控制器和PIN芯片設計結果，基于LoRa技術對智能電表的運行狀態進行診斷，劃分智能電表的安全等級，計算智能電表的加速壽命，實現對智能電表安全狀態的透明監控，在一定程度上推動了智能電表監控系統領域的發展。