基于LoRa技术的中低压配电网监控系统

党存禄 ，武文成 ，胡开伟 ，李超锋

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050；2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，兰州730050；3.兰州理工大学 电气与控制工程国家级实验教学示范中心，兰州 730050）

随着全球经济的快速发展、互联网+的应用，分布式电源、分布式储能及可控负荷等的快速发展和大量接入促使电力系统，特别在中低压配电系统中发生着重大改变[1]。传统的配电网监控系统中，由于技术的限制，大多采用有线通迅方式，其管理模式不能进行有效且高效的管理，而配电网一般呈辐射状结构。因此，通过有线通迅方式实现配电网的数据监测，会造成其维护成本提高、布线施工困难、以及后期拓展性差等问题，因此大大限制了配电网整体的自动化程度和实用程度。

近年来由于无线通讯技术的发展，为实现配电网络全面自动化提供了无限可能。文献[2]结合有线通迅技术与ZigBee技术探讨了其在配电网中的应用；文献[3]中设计了NB-IoT在智慧城市中的应用；文献[4]通过对现代通信网络、PC技术、控制技术等的集成，并通过与有效传输网络的结合，建立一个由配网管理中心与信息服务系统、应急管理系统等组成的配网服务和管理集成系统。而上述几种无线通讯方式大多存在功耗与距离需求冲突的情况，基于此本文设计了基于LoRa技术的中低压配电网监控系统，该系统采用LoRa无限通讯模块进行数据采集，以及远程操作，因其通讯距离远、功耗极低、成本低、体积小等优点，可以实现配电网全面布点，提高数据的精确性[5]。通过组态编程设计监控平台负责监控和分析采集到的配电网数据，实现了配电网监测数据的实时更新以及精准查询[6]。通过Web发布功能实现了配电网的异地操作和移动查询功能[7]。基于LoRa技术的中低压配电网监控系统克服了传统监控方式的不足，实现了全面、高效、准确、智能化的配电网数据监测。

1 系统总体概述

基于LoRa技术的中低压配电网监控系统主要由下位和上位两部分组成，实现了对配电网的区域化连续、自动监测、配电网状态预警以及移动端查询操作的功能。下位为配电网监测节点的硬件组成部分，通过电路驱动传感器对电网状态进行监测，将采集到的数据信息通过LoRa无线传输方式传递给上位，上位通过软件编程实现对采集到配电网状态数据的存储以及处理，并对数据进行在相应界面实时显示，该设计主要实现了上位机软件。系统的功能框图如图1所示。

上位接收到配电网数据之后，分为3部分实现对配电网数据进行处理：第1部分结合交互式配电网主接线图通过表格或折线图的方式对接收到的数据进行实时显示；第2部分对接收的配电网数据进行储存，并在此基础上实现数据报表、电网状态预警以及特殊情况自动处理功能；第3部分实现对上位机软件的Web发布功能接入互联网，实现系统的移动操作与监控。

图1 系统总体网络拓扑结构图Fig.1 System overall network topology

2 系统实现

2.1 开发环境搭建

该系统的各个功能的实现通过力控组态软件完成。设备层、控制层、监控层和管理层4个层次结构共同构成了一个典型的分布式网络控制系统[7]。设备层将采集的物理信号转换成计算机可以识别的数字信号或者是标准的模拟信号；控制层实现对各个需要监测节点的实时监测以及控制；监控层通过对各个设备的集中管理来达到监控的目的；管理层负责对接收到的数据进行统计、处理以及查询等[8]。作为监控层的专用软件，力控组态软件对下集中管理控制层，向上连接管理层，是该系统在实现信息化中非常重要的组成部分。因此该系统通过组态的方式提高了系统的集成效率，并且大幅度缩短了系统集成时间[9]。

2.2 LoRa无线传输技术

2.2.1 LoRa技术

LoRa（long range）是 LPWAN（low-power widearea network）通讯技术中的一种，是美国Semtech公司在2013年8月采用以及推广的一种基于拓频技术的超远距离无线传输方案[10]。这一方案改变了其他无线传输技术在传输距离和功耗之间需要采取取舍的折衷考虑方式，为用户提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命以及大容量的系统，进而拓展传感器网络[11]。LoRa技术作为近年来新型的一种无线传输技术，在组网中采用简单的星型拓扑结构，极大地简化了网络结构。无论是在通信距离、拓展能力、通讯速率，功耗以及成本等方面都有着相较于其他无线传输方式较为明显的优势[12]。表1为LoRa与其它几种标准无线通讯技术的主要特性分析对比。

LoRa的技术特点主要有以下几点：

（1）扩频技术的使用增强了抗噪能力；

（2）前向纠错技术增强了数据可靠性；

（3）数据传输速率低，只有 1 K～300 Kbps；

（4）功耗低，2000 mh电池容量可使用约105个月；

（5）成本低，协议简单，通信的无线频段无需申请；

（6）网络容量大，5～10 km范围内可接入上万个节点。

表1 LoRa与其它几种标准无线通讯技术的主要特性分析对比Tab.1 Comparison of main features of LoRa and several other standard wireless communication technologies

在大部分的配电监控系统中面临的主要问题有以下几点：

（1）信号覆盖问题：许多人迹罕至、环境恶劣，运营商信号无法覆盖全面的区域不能保证数据传输的可靠性。

（2）功耗问题：需要采用电池供电方式的情况下，需要定期更换电池，而在上述复杂环境区域内，并不具备电池频繁更换的条件。

（3）经济性问题：由于终端设备目的是用于采集传感器数据，需要传输的数据并不多，但运营商可以满足高带宽设备的需求，如果应用于这类设备，则不仅占用多余的网络资源造成浪费，更会消耗大量资费较高的流量。

因此，在系统中选用LoRa无线传输终端作为系统的设备层，以LoRa的方式克服传统配电自动化中采用有线传感器网络布线困难、后期维护难度大或者其他通讯方式抗干扰能力和数据传输可靠性差的缺点。

2.2.2 硬件组成

根据上述系统总体网络拓扑结构，其硬件结构组成如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram

系统的硬件主要是由传感器、LoRa传输模块、LoRa接收模块、上位机等组成。配电自动化应用环境都是在无人职守的情况下，有的环境复杂恶劣，因此要求设备能在极端环境下正常工作。所以选用的核心设备要满足工业级应用的需求。LoRa数传终端与LoRa网关是无线通信系统的关键，它的稳定性、抗干扰能力等性能决定了整个设备的性能。因此，系统中采用厦门四信生产的型号为F8L10T LoRa数传终端和F8926-L LoRa无线网关作为数据传输的协调器。能保证极端环境下系统的正常运行。

2.3 实时显示设计

2.3.1 交互式主接线图设计

参考配电网的主接线图信息，在窗口中添加图像对象，通过力控中矢量图层的叠加搭建交互式主接线图，在主接线图中显示配电网的检测节点及其重要信息，如图3以最直观的方式体现给操作者。

图3 交互式主接线图Fig.3 Interactive main wiring diagram

2.3.2 曲线显示设计

采用曲线显示数据，可以直观地向操作者展示配电网各个参数的变化，故在设计中采用了曲线的形式进行辅助实时显示。在LoRa终端上接入0～5 V模拟量，模拟生成传感器监测数据，图4中的界面仅仅作为演示。

图4 曲线显示Fig.4 Curve display

2.4 数据储存

2.4.1 数据报表设计

历史数据报表界面基于力控的数据存储功能实现了配电网的历史数据查询与导出。使用Microsoft SQL Server数据库，配置ODBC驱动之后，在Microsoft SQL Server中创建一个新数据库，建立自定义用户，配置监听程序，通过ODBCRouter实现力控数据库与Microsoft SQL Server的交互。图5为配电网系统中某一回路的运行日报表。

图5 报表查询界面Fig.5 Report query interface

2.4.2 实时报警

报警机制是指数据库中某一电数据的pv值发生异常，如图6所示，如偏离预设值的极限，会以不同的方式进行通知，并实现报警记录表格，报警界面中的表格记录了报警的日期、时间、数值、类型等信息，当采集到的数据超过设定值的限值时，所在的行会标红预警并发出声音进行报警，严重时会自动切除故障部分。

图6 报警界面Fig.6 Alarm interface

2.5 Web发布

要实现监控系统的移动监控以及操作就必须依赖于互联网技术，将各个节点监测到的数据上传到服务器，存储到数据库中，然后通过计算机、PAD等可以连接互联网的设备登陆客户端进行访问查询，实现配电网监测的智能化、移动性与实时性，对于构建基于物联网的智能化配电网监测系统，提升配电网监测的自动化水平具有重要意义。故对系统进行了Web发布。如图7所示在发布过程中，Web服务器的IP地址设置为Web发布的计算机的IP地址。端口号是WebServer网络组件需要使用的端口，而在计算机中一些常用的端口号常在4000以下，所以为了防止与系统中其他的一些程序产生冲突，将端口号设置为8000；在安全级别一栏设置为无限制，这样才能授予所有用户对发布内容的查询权限。

图7 Web发布Fig.7 Web publishing

在实现内网发布之后，用户只能在接入该Web服务器内网之后才能访问，要实现外网发布需要利用内网穿透。系统中采用花生壳动态域名解析软件，花生壳可以提供低价优质的内网穿透功能。如图8所示校园网中，通过花生壳用一个固定IP映射内网，这个固定IP相当于公网IP，这样移动终端和Web服务器能够实现通信，达到系统外网发布的目的。

图8 内网穿透Fig.8 Internal network penetration

3 系统测试

对系统进行了运行测试。由于LoRa具有较佳的传输效能，将LoRa无线终端置于距离位于实验室LoRa无线网关为中心的3～5 km范围内的各个位置，大多数节点与网关之间的LoRa数据通信未出现数据丢失情况。少数节点由于信号传输过程中环境屏蔽影响，发生LoRa信号的较大衰减，借助中继节点或者增强天线增益中继之后，解决了这一问题。

Web的运行测试中，计算机接入Web服务器内网情况下，通过IP地址可以访问到系统。浏览器中主界面显示的实时数据与力控程序同步，曲线图显示、预警功能、历史数据查询等均显示正常。在实现内网穿透之后，在任意一台接入互联网的计算机上，浏览器输入网址亦可以正常访问。

4 结语

基于LoRa技术的中低压配电网监控系统，在设备层采用LoRa无线传输技术，选用LoRa无线数传终端，利用LoRa传输方式的优势，能够实现配电网数据的全面采集，采用LoRa节点可以为系统建成可靠的无线数据传输通道。具有传输效果好、网络拓扑简单、维护及扩充方便的明显优势。在监控层基于力控组态软件，设计交互式主接线界面，Web发布、建立数据库组态并与外部数据库建立链接，实现了配电网的实时数据显示、历史数据查询、预警功能，可利用在客户端安装的系统应用程序或者在浏览器中访问网址2种方式进入系统界面，实现了配电网数据的实时、精准、快速以及移动查询和异地操作。