智能变电站基于LoRa通信熔断器监测方案

张博　钱瑞琦　李佩　蒋丽萍　杨宏

【摘要】    基于LoRa无线传输技术，本文设计了一套由无线传感、网关设备和云服务器组成的传输系统，充分利用物联网技术建立设备身份识别和状态感知，实现电力系统配电网熔断器数据的智能采集、实时传输和自动分析，实现熔断器状态实时掌握、接点温度异常预警、人机信息分布式快速上报、研判评估、辅助诊断等，以效率提升为牵引，构建“实用化、主动化、闭环式”配电网熔断器状态在监测及故障定位体系，该系统充分发挥了LoRa技术在远距离、低功耗及大规模组网等方面的突出优点，对物联网系统在配电网熔断器在线监测的设计、开发和部署具有一定参考意义。

【关键词】    物联网    无线传输    熔断器监测

引言：

随着无线通信的发展，无线物联技术开始在各行各业被广泛应用，目前电力系统中最常用的有LORA， NB-IoT，4G等技术，其中远距离和低功耗之间的矛盾问题，[1]一直都在探索最优解决方案。 窄带广域是这两年发展最为迅速的领域，LoRa是较为成熟的技术，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3倍-5倍。同时具有覆盖范围广、功耗低等特点。[2]该技术基于扩频技术，线性调制扩频的一个变种，具有前向纠错能力，抗干扰性强。[3]在当前的变电站和配网线路中熔断器的大量使用，是切断隔离故障有效手段，熔断器是否熔断，状态是否完好，为工作人员定位和查找及更换造成了不少困扰。

随着通信技术日益发展和单片机处理能力的提高，以及无线物联网技术的应用为大面积低成本覆盖熔断器，实现全方位设备在线监测提供了可能。

一、系统总体设计

基于LoRa技术实现的配电熔断器监测，利用了广域无线传输，网络拓扑采用星型结构，以网关为中心，采用了标准的网络版MODBUS通信协议。传输了温度和熔断器状态，并可通过网关机数据共享，结构简单、接入灵活适合中速信息采集。[6]

系统主要由智能系统输入设备（监控传感器、数据采集端），网络通信系统（交换机、现场总线、网关）以及云服务器、移动终端构成。其中采集节点主要完成与传感节点通信、设备状态感知以及本地数据存储等功能;基站设备主要完成多通道LoRa数据收发处理和网关功能;服务器主要完成用户注册、设备管理、通信协议解析、网络管理以及信息采集的呈现等功能，系统架构如图2所示。

二、系统硬件设计

（一）LoRa终端设备硬件设计

终端设备硬件功能单元由CPU处理单元、LoRa通信单元、传感器采集单元、电源管理单元、按键与指示灯单元及SWD调试单元等组成。图3为微动开关选型，图4是安装示意。

1. CPU处理单元

i.MX RT 系列处理器完美融合了低功耗应用处理器和高性能微控制器的优势，是业界首款跨界处理器，以实惠的价格提供超高性能 Arm® Cortex®-M7 内核、实时功能和 MCU 可用性，且拥有行业最低的动态功耗，带集成 DC-DC 转换器。i.MX RT1060 基于 Arm® Cortex®-M7 内核，运行频率 600 MHz（工业级为 528MHz）。1MB 片上SRAM - 多达 512KB 可配置为紧耦合存储器 （TCM），实时低延迟响应，低至 20 ns，丰富的外部存储接口选项 NAND、eMMC、QuadSPI NOR Flash 和 Parallel NOR Flash。

2. LoRa通信单元

LoRa通信单元主要采用基于 SX1301 数字基带芯片，空旷环境可覆盖半径 5km 的区域。终端休眠功耗仅1.6uA，支持 LoRaWAN V1.0.2 标准协议 Class A 和 Class C。从 0.3kbps 到 6kbps 可選，IP65 防水，POE 供电，GPS 定位对时（选配），防雷（选配）。在抗阻塞和选择性方面也具有明显优势。达到了长距离、抗干扰强和低功耗。

（二） LoRa网关硬件设计

网关具备 8 个通道（对应 8 个频点），每个通道支持 6 种速率（SF7～SF12），加 LoRa Std，可以对 49 个 LoRa 信号解码。基于 LoRa TM扩频调制技术，安装高增益 470MHz 全向玻璃钢天线，网关与终端有效通信距离空旷可达 5km。硬件平台主要包括CPU数据处理单元、通信接口（LoRa接口、以太网接口，RS485接口）同时具备GPS+北斗卫星定位模块。如下图5硬件系统组成：

三、系统软件设计

系统软件主要包括熔断器位置采集和触电温度采集算法和节能算法、网关数据缓冲和协议转换算法，服务器云平台WEB服务软件和移动端软件三部分。

（一）LoRa终端设备软件设计

LoRa终端设备软件采用分层设计。整个软件分为操作系统层、硬件驱动层、数据库层和应用服务层，软件总体架构如图6所示。

（二）服务器平台软件设计

云平台是数据汇集、存储、处理的中心。基于云平台的熔断器云监测系统，通过LORA网关采集现场的熔断器状态传感器和温度传感器数据、传输到云平台，为实现熔断开关远程监控、远程维护、故障预警提供技术手段。综合展示部分集中展示熔断器数据主要包括4个模块：总信息展示、当日状态展示、分类状态展示、分项状态展示。

1.用户管理模块

主要是通过用户角色权限管理模块，实现用户注册，权限分配，对接相关的网站服务。

2.传输服务模块

在安全可靠的基础上，为设备提供多种协议接入、消息流管理、数据解析及数据处理能力。平台提供基础设备管理功能以连接、管理海量设备，实现设备的消息通信与数据采集持久化;集成规则引擎与数据可视化管理，灵活开放多种权限级别的管理、控制API，通过API 可快速开发上层应用，实现多端接入、设备远程控制。

3.设备管理模块

终端注册开通与生命周期管理，提供状态、故障、上报数据的不间断监控;无需变更设备端数据上报格式，支持在云端编写解码插件进行解析;基于Pulsar，内置灵活的SQL表达式及丰富的处理函数，实现终端消息实时解析、高速持久化、规则处理及不同类型的动作触发;开放丰富的REST API接口，灵活可配置的应用权限，快速构建各种上层应用。

4.状态呈现模块

云服务器平台界面风格采用简洁大方的操作面板形式，布局及功能可在线组态，从而实现快速的现场配置。界面支持多种色调主题，客户可以根据自己的喜好自由选择。界面支持多语言，会根据操作系统的语言及地区设置，自动选择相应的语言文字。，通过状态呈现界面，可以清楚地了解当前入网的终端设备和基站设备的分布情况，以及每个设备当前的状态信息。系统状态检测包括各支路能源设备状态检测、采集器采集状态监测、采集器通信状态检测、系统数据状态检测等，用户可通过系统状态检测功能全面了解全网熔断器状态情况、现场数据采集状态以及后台实时数据处理引擎的运行状态。

5.系统检测告警

熔断器熔断告警：熔断器熔断情况并实时推送到监测中心综合展示区域。

接触点温度异常告警：系统通过对各支路实时采集能源数据进行业务一致性分析，对异常数据进行自动筛查发现，并进行实时上报预警。

通讯异常告警：包括传感器数据采集异常告警、采集器通信异常告警，主要信息包括告警设备、通讯中断时间、通讯中断时长等信息。

四、结束语

本项目提出了基于LoRa实现熔断器监测数据在线传输的解决方案，充分利用物联网技术建立设备身份识别和状态感知传感器及装置、实现电力系统各个环节万物互联、强化生产现场数据的智能采集、实时传输和自动分析，实现设备状态实时掌握、状态异常提前预警、人机信息分布式快速交互、研判评估、辅助诊断等，以效率提升为牵引，构建“实用化、主动化、闭环式”变电站熔断器状态在监测及故障定位体系。相信LoRa技术将来能够在熔断器在线监测占据一席之地。[8]

作者单位：张博    钱瑞琦    李佩    蒋丽萍    杨宏    国网陕西省电力有限公司汉中供电公司

参  考  文  献

[1]郑华开.LoRa技术给未来物联网产品带来新的起点[J].电子世界，2016，（15）：146.

[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，張晓波.一种LoRa网关路由器及物联网系统.广东， 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]侯义斌，王进.LoRaWAN技术研究[J].读书文摘，2017，（13）：38.

[7]孙曼，张乃谦，金立标，等.基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术， 2016，40（10）：77-81.

[8]刘琛，邵震，夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术，2016，50（5）：43-46，50.