基于LoRa 通信技术的电能表计量数据采集方法

雍 慧

（国网中卫供电公司，宁夏 中卫 755000）

0 引 言

通过采集电能表的计量数据，能够实时监控电力使用情况，便于进行用电管理，并制定有效的能源规划[1]。智能电表采用电子技术和通信技术相结合的方式，具有远程控制、实时监测、电量统计等功能，可以实现对电能数据的自动采集、传输和存储[2]。目前，市面上存在的电能表计量数据采集精度较低且无法实现同步的问题，不能满足计量现场的实际需求。因此，文章基于远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）通信技术，研究电能表计量数据采集方法，并对未来发展趋势进行展望。

1 基于LoRa 通信技术的电能表通信传输协议设定

LoRa 通信技术采用LoRaWAN 协议，通过物理层、数据链路层、网络层及应用层实现电能表通信传输[3-4]。在传输数据时，电能表应采用预付费和后付费2 种计费方式，以方便用户管理用电。同时，电能表应具备远程关开阀的功能，以实现对用电的远程控制[5]。在进行电能表的中继多跳通信时，需要在两节点间进行通信，因此LoRa 配置要与电能表相同。基于LoRa 通信技术的通信数据帧结构设置如表1 所示。

表1 基于LoRa 通信技术的通信数据帧结构设置

利用LoRaWAN 传输协议进行电能表通信时，可按照下述步骤进行。

步骤一：判断电度表节点接收到数据帧中的CA是否与其局部地址一致。如果相同，则执行步骤二；如果不同，则执行步骤五。

步骤二：判断当前接收数据帧中的CA 是否为TL电能表节点的详细地址，若不是，执行步骤三；若是，则执行步骤四。

步骤三：将TL 中的下一个传输地址填写到CA中，再进行发送。

步骤四：如果数据帧中的CA 是详细节点地址表的末尾地址，则表示中继通信已结束，此时计量节点可以对数据内容进行分析，并采取相应处理措施[6]。在对数据进行响应的时候，需要先对收到数据中的TL 进行反向处理，然后重新配置CA。

步骤五：判断CA 内容，若CA 与本地地址不同，则不对其进行响应。

步骤六：当计量节点收到数据信号中的CA 为16 进制时，需检查该计量节点的局部地址是否在详细地址表中。如果存在，说明该数据已经由当前计量节点转发，可能没有响应；如果没有，则说明该数据可能是一个广播的数据帧，需要分析数据内容并进行相应的处理。

2 电能表含噪声信号处理

电能表所处的环境较为复杂，采集计量数据时，会受到噪声的干扰，导致采集精度无法满足实际需求。在采集过程中，需要处理电能表中的噪声信号，并对时域范围内的高斯白噪声信号进行离散化处理，离散后的时域信号可表示为

式中：r(i)表示经过离散处理后得到的时域信号；z(i)表示i点的高斯白噪声序列；i表示经过离散化处理的噪声信号点；a(i)表示未经处理的时域信号。由于频谱谱线的幅值在离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）过程中发生了变化，仅使用频谱幅值方差的方式无法实现对噪声的衡量和处理。针对这一问题，引入滤波处理方法对其进行降噪，并通过软件算法对信号进行处理。软件算法具有高精度、高稳定性和易于调整等优点。常用的数字滤波方法包括滑动平均滤波、加权平均滤波和中值滤波等。这些方法可以有效消除随机噪声和周期性干扰，提高信号的信噪比和准确度。

在电能表中，数字滤波和模拟滤波可以结合使用，以实现更好的噪声抑制效果。在电能表的输入端添加一个模拟滤波器来抑制低频噪声，并采用数字滤波器来处理高频噪声和随机噪声。数字滤波器输出值的计算公式为

式中：y(i)表示第i个数字滤波器的输出；α表示平滑系数；y(i-1)表示第i-1 个数字滤波器的输出值。模拟滤波器输出值的计算公式为

式中：y'(i)表示第i个模拟滤波器的输出；β表示平滑系数；y'(i-1)表示第i-1 个模拟滤波器的输出值。滤波处理是确保电能表正常工作的重要环节，可以提高电能表计量的准确性和稳定性。数字滤波原理如图1 所示。

图1 数字滤波原理

在电能表的开关接通或断开时，可能会产生抖动信号，对电能表的计量产生影响。因此，需要采取防抖动措施来消除这种影响。例如，可以在电能表的输入端添加一个RC 滤波器来吸收抖动信号的能量。在电能表的计量过程中，采样信号可能会受到电磁干扰、电源波动等因素的影响，产生计量误差。可以采用采样抗干扰处理来消除这种影响，如在采样信号中添加一个光耦隔离器或电磁隔离器来隔离外部干扰。

3 电能表计量数据同步采集

电能表计量数据的同步控制基于LoRa 搭建，利用LoRa 内部可编辑逻辑电路良好的端口并行性能，实现对多个同步脉冲的同步控制。该同步控制核心的其他周边功能模块包含多路电脉冲生成模块，实现内部的同步触发；光脉冲生成模块将同步脉冲输出到外部装置；完整的卫星信号无线收发与处理模块，用于接收外界脉冲。

为确保同步时钟的可靠运行，同步控制内核提供2 种外部触发方式，一种是LoRa 触发，一种是由外界其他装置提供的秒脉冲或同步时钟触发。该同步核心模块内置恒温高精度晶体振荡器，具有自动定时功能。当外界触发缺失时，同步核心模块会自动切换到内同步，以确保装置的稳定运行。现场试验表明，该同步核心模块的日累积时间误差不超过0.15 s/d，可以有效保障同步对时精度。

核心网络服务器接收并执行主站下发的实时采集指令，完成实时抄表。数据存储部分负责储存和解析采集的数据，并对采集的信息进行储存、解析、展现等操作。此外，数据存储部分具备自动保存配置参数和掉电恢复功能，确保在断电重启后设备能够恢复正常工作和通信。

4 对比实验

为验证基于LoRa 通信技术的电能表计量数据采集方法的可行性和优越性，将基于加性分位数GB 算法的采集方法设为对照A 组、基于光纤通信的采集方法设为对照B 组、基于LoRa 通信技术的采集方法设为实验组，分别采集电能表计量数据。随机选取90 个家庭作为实验对象，30 个家庭为一组，分为3 组，分别采用对照A 组、对照B 组和实验组采集方法进行数据采集。同时，对每个家庭的用电量进行实时监测和记录，实验时间为30 d。

对于采用有线通信方式进行通信的家庭，智能电表通过RS-485 总线将采集到的电能使用信息传输到集中器，集中器通过有线方式将数据传输到电网管理平台。对于采用无线通信方式的家庭，智能电表通过LoRa 模块将采集到的数据传输到网关，网关通过无线方式将数据传输到电网管理平台。

在实验过程中，电压通道的基本采集精度测试分别在80%、100%和120%额定电压输入条件下进行。计算3 种采集方法得到的电流幅值和触发相位的均值及标准差，以比较数据采集精度。其中，均值的计算公式为

式中：x表示均值；xn均表示数据采集误差；n表示家庭数，取值为30。

标准差的计算公式为

式中：σ表示标准差；sqrt(·)表示平方根计算函数。根据式（4）与式（5）的计算结果，对比3 种采集方法的采集精度，结果如表2 所示。

表2 3 种采集方法采集结果的精度对比 单位：%

由表2 可以看出，实验组的均值和标准差明显低于对照A 组和对照B 组，因此可以初步证实，文章所提采集方法的采集精度更高。

在此基础上，比较3 种采集方法的数据采集同步性。在应用3 种采集方法的过程中，记录每一个数据包的采集时间戳，时间戳曲线如图2 所示。

图2 三种采集方法的采集时间戳曲线

由图2可以看出，利用文章所提方法采集数据时，数据产生时间与数据采集时间基本相同，形成的时间戳曲线为一条直线，而对照A 组和对照B 组采集方法在采集过程中存在一定的延迟问题，形成的时间戳曲线不平直。因此，可以证实利用文章所提采集方法可以实现对电能表计量数据的同步采集。LoRa 通信协议本身具有同步性能，可以确保数据在传输过程中的时序性和可靠性。因此，在数据采集过程中，基于LoRa 通信技术的电能表计量数据采集方法可以有效保障数据的同步性，确保数据的采集精度。

5 结 论

基于LoRa 通信技术的电能表计量数据采集方法是一种新型智能电网解决方案。该方法利用LoRa 技术的低功耗和远距离通信特点，实现对电力系统的远程数据采集和控制。通过服务器端的数据处理和分析，用户可以直观了解电力系统的运行情况，从而更好地管理电力资源。该方法也为电力系统的维护和管理提供了便利，能够有效提高电力系统的运行效率和质量。随着物联网技术的不断发展，基于LoRa 通信技术的电能表计量数据采集方法将在更多领域得到应用和推广。