基于LoRa的10 kV架空线路故障监测系统设计与实现

宋延军，梁俊艳，王德志

(1. 蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.华北科技学院 图书馆，北京 东燕郊 065201；3.华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 065201)

基于LoRa的10kV架空线路故障监测系统设计与实现

宋延军1，梁俊艳2，王德志3

(1. 蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.华北科技学院 图书馆，北京 东燕郊 065201；3.华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 065201)

针对现有架空线路故障监测系统的远距离数据传输，由于GPRS网络的不稳定性，造成的稳定性与可靠性降低的问题，通过分析LoRa技术特点，提出将LoRa技术应用于10 kV架空线路故障监测系统的数据传输方案。介绍其网络框架结构，并设计了相应的硬件终端设备和软件程序，最后对系统进行了测试分析。实验结构表明，该方案具有通信距离远、功耗低、组网灵活、可靠性高的特点，具有广泛的应用前景。

扩频通信技术；低功耗；故障监测；传感器网络

0 引言

我国农村10 kV配电网结构复杂、分支多、距离远，裸导线居多和运行方式多变，容易受到自然环境干扰(例如雷电、雨雪、风暴等)和外力人为破坏，造成大量短路和接地故障。从统计数据来看，我国电网系统因为故障导致的平均停电时间为2.8小时，其中10 kV线路故障占大多数。而在停电期间中，故障位置的查找为平均1.6小时，占整个故障处理时间的60%左右[1]。因此如何快速确定故障位置成为缩短停电时间的关键因素。现有故障定位解决方案有智能开关法、智能故障指示器方法等。其中智能开关法，主要采用二次测试供电方法，利用延时顺序供电方法，检测不同开关跳闸状态来进行故障线路分支的确定。此方法只能确定开关所控制线路分支，不能进一步确定位置，同时由于智能开关部署费用较高，而且需要断电安装，现有农村电网中安装较少。而故障指示器方法，采用非接触式测量原理，设备不需要断电安装，能够检测线路的短路和接地故障，现在广泛在农村10 kV配网中应用[2]。早期故障指示器为本地显示型，故障发生时通过闪灯和翻牌显示故障状态，数据不能远程传输。而现在智能型故障指示器带有数据传输功能，能够把故障状态进行远程。数据的传输多采用GPRS进行数据传输，而农村中有些地区GPRS网络不稳定，对数据传输可靠性造成干扰[3]。另一方面，GPRS数据传输需要较高功耗，需要稳定的电源供电，增加了系统设备的复杂性和成本。因此随着各种新通信技术的发展，尤其是LoRa扩频通信技术的发展，能够有效的解决这一问题[4-5]。

1 LoRa扩频通信技术简介

2013年Semtech公司推出LoRa芯片(超长距低功耗数据传输技术)，LoRa通信技术主要工作在1GHz以下，是一种专用于无线电扩频调制解调的技术。它融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能,能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离[6]。它设计目的是为物联网通信所应用，它的特点是：

(1) 传输距离远、功耗低。由于LoRa采用线性调频扩频技术，在较低速率下能够获得较远的距离传输，同时功耗较低。理论传输距离能够达到15 km(与环境有关)；支持睡眠、无线唤醒、中继等低功耗模式，接收电流仅为10 mA，睡眠电流为200 Na[7]。

(2) 抗干扰性行强、数据传输可靠。由于LoRa技术采用多数据位向前纠错技术，在数据传输序列中加入了冗余信息，保证接收端在接收到数据后，能够根据冗余信息进行错误数据的校验与还原，从而解决数据错误、信道干扰等问题[8]。

(3) 组网灵活、容量大。LoRa通信技术可以采用透明数据传输和定点数据传输等方式，能够实现不同的网络结构，例如星型结构、网状结构、树状结构等不同形态。同时，LoRa组网具有大容量特点，通过设置不同信道和设备独立地址，一个网络中可以容纳十几万个设备终端[9-10]。

2 基于LoRa技术的架空线路故障监测系统框架

由于农村10 kV架空线路覆盖范围广，直线距离远，有些平原地区线路直线距离达到30 km；而在一些山区地区，虽然直线距离短，但是在一条线路中有可能要翻越多个山丘，这给LoRa网络中点与点之间的直线数据传输带来一定的阻碍，因此本系统数据采集使用多级星型网络结构。数据采集网络的拓扑结构如图1所示。

在多级星型网络中，有一个根集中器节点，负责接收所有终端数据的信息。但是，由于有些终端设备距离根节点距离较远，因此采用分级星型结构的方案。利用不同的子集中节点，建立相应的终端数据采集网络。如果子集中节点能够直接与根节点联通，则由子节点把收集到的终端数据转发给根节点。如果子节点不能够直接与根节点通信，则通过设置不同的中继节点完成数据的中继转发任务，最终与根节点相联通，完成数据数据采集工作。

在LoRa网络采集完数据后，最终要进行数据分析与展示。因此在根节点处，此设备除具有LoRa通信功能外，还应该具有数据的存储和转发能力，通过利用Internet网络把数据传输到远程数据存储分析云中，完成数据的集中存储与处理。同时结合Internet网络，把数据分析的最终结果展示给相应的用户。系统的总体框架如图2所示。

图1 系统数据采集网络拓扑结构

图2 系统总体框架结构

图3 终端设备硬件结构图

3 终端设备的硬件设计

10 kV架空线路故障监测设备硬件设计主要包括信号采集单元、核心数据处理单元、数据传输单元和电源控制单元。设备的硬件结构如图3所示。在网络中为每个终端设备具有唯一的地址标识，采用两个字节标识，例如0X1234。每个LoRa子网络可以采用同一个信道进行工作，信道号为1个字节，例如信道号为0X50。这样每个终端的唯一标识包含地址和信道号，这样整个LoRa网络所能容纳的地址信息为3个字节组成，理论最大接入地址标识可以达到232个，足以满足系统设备的地址数量要求。

4 系统软件设计

根据系统的框架结构，系统的软件设计主要包括终端设备程序，子集中节点程序和根集中节点的程序。终端设备的软件流程图如图4所示，其主要完成故障信号的采集，数据帧的打包，数据帧的发送与确认，由于设备工作在野外，需要在低功耗在状态下工作，因此，设备平时处于睡眠状态，当有故障发送时产生中断信号，激活设备进行数据处理转发，数据发送完后再次进入睡眠状态。子集中节点主要完成本子网络数据帧的接收和二次组帧发送，利用LoRa把数据转发给根节点，其流程图如图5所示。根节点程序与子节点类似，主要完成数据接收和转发，转发采用TCP/IP网络即可，不再冗述。

图4 终端设备软件流程图

图5 子集中节点程序流程图

5 系统测试分析

搭建系统测试实验环境，验证系统实际运行的效果。测试网络包括一个根集中节点，3个子集中节点，每个子集中节点连接6个终端设备。测试方法采用根集中节点位置固定，子集中节点网络移动的方案，数据发送时间间隔为1分钟1个数据帧，数据帧长度为25个字节。发送频率为470 MHz，发送功率为20 dbm，发送波特率为9600 bps。系统测试100个数据帧的丢包率情况。在超远距离情况下，增加中继。测试结果如下表所示。

表1 统测试结果

从表1结果分析，随着通信距离的增加，数据的丢帧率逐渐增高。在2 km左右开始发生数据丢帧，在5 km左右丢帧率达到50%以上。而通过增加中继节点能够有效的降低数据丢帧率。中继的部署距离在距离根节点和节点为2～3 km比较合适。

测试结果表明：该系统具有通信距离远、数据传输可靠性高的特点。能够在较低的功耗下获得较远的数据传输距离。存在的问题是传输速率较低，如果采用较高的传输速率，在相同远距离条件下，会造成丢帧增加的情况。

6 结论

本文设计的基于LoRa技术的10 kV架空线路故障监测系统，能够实现低功耗条件下数据的远距离可靠传输，有效解决现有监测系统中远距离数据传输可靠性依靠GPRS网络的问题。系统具有组网灵活、功耗低、距离远、可靠性高的特点，能够很多好的满足输电线路监测的要求，具有广泛的实际应用前景。

[1] 陈煦斌,秦立军. 配网故障指示器最优配置研究[J]. 电力系统保护与控制,2014,42(03):100-104.

[2] 黄宪东,关宏,严军,等. 故障指示器在架空线上的应用[J]. 华东电力,2009,37(07):1179-1181.

[3] 张平泽,赵文兵. 基于GPRS的短路和接地故障指示器的设计[J]. 低压电器,2008(10):38-41.

[4] 梁勇,余华. 线路故障指示器在配网中的应用[J]. 农村电气化,2005(04):23.

[5] 孟广学,吴静,赵竞雄. 基于无线技术的智能交通灯模拟系统的设计与实现[J]. 华北科技学院学报,2017,14(01):65-69.

[6] 霍振龙. LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析[J]. 工矿自动化,2017,43(10):34-37.

[7] 王芷郁,王善伟,黄亮,等. 电力故障指示器智能在线检测系统的设计与实现[J]. 福建电脑,2017,33(07):46-47.

[8] 刘文娟,朱留存,夏建琪. 基于LoRa的路灯控制系统设计[J]. 通讯世界,2017(08):239-240.

[9] 杨磊,梁活泉,张正,等. 基于LoRa的物联网低功耗广域系统设计[J]. 信息通信技术,2017,11(01):40-46.

[10] 赵太飞,陈伦斌,袁麓,等. 基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2016,24(09):298-301.

Designandimplementationof10kVoverheadlinefaultmonitoringsystembasedonLoRa

SONG Yan-jun1，LIANG Jun-yan2，WANG De-zhi3

(1.BengbuPowerSupplycompany,Bengbu, 233000,China;2.Library,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China;3.Departmentofcomputerengineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

Due to the instability of the GPRS network, the stability and reliability of the remote data transmission of the existing overhead line fault monitoring system are reduced. By analyzing the characteristics of LoRa technology, the data transmission scheme of applying LoRa technology to 10 kV overhead line fault monitoring system is proposed. The network frame structure is introduced, and the corresponding hardware terminal equipment and software program are designed. Finally, the system is tested and analyzed. The experimental results show that the proposed scheme has the advantages of long communication distance, low power consumption, flexible networking and high reliability, and has a wide application prospect.

Spread spectrum communication; Low power consumption; Fault monitoring; Sensor networks

2017-07-25

河北省科技计划自筹经费项目(15210346)，中央高校基本科研业务费资助(3142015053、3142015024)

宋延军(1969-)，男，安徽蚌埠人，大学毕业，安徽省蚌埠供电公司工程师，研究方向：电力工程及其自动化(配电网)。E-mail：1103091929@qq.com

TM73

A

1672-7169(2017)05-0030-05