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LoRa通信技术研究与应用

1农村电网安全用电现状

农村电网一直是农村基础设施中最薄弱的一环,受各种因素制约,配变台区的设备异常、故障查找、维护管理等存在不能及时发现、及时处理的问题,主要体现在5个方面。(1)农村新房子不断增加,部分电线到处乱拉,没装保护器。由于大部分农民不愿意购买保护器,也不能强迫安装,容易造成安全隐患。(2)由于用户室内电线、插座、电器质量差,存在漏电或短路,不能投入,刚刚装上,用户就自行拆离,农户不会主动要求购买。(3)存在乡村供用电环境条件差,管理范围大,交通不便,供电线路长,健康水平差、技术水平低、管理跟不上,三级保护器根本无法安装。(4)小动力、养殖塘、基建临时等设备用电不规范,存在私拉乱接、使用地爬线的现象,造成整个台区总保频繁动作。(5)缺乏长远规划,忙于应付现存问题。配电变压器分布不合理,低压出线回路迂回曲折,直接造成低压线路故障高发的原因。

2LoRa通信技术概况

LoRa作为LPWAN(低功耗广域网)无线通信技术,是一种专用于无线电调制解调的新型技术(注:LoRa是LowPowerWideAreaNetwork,简称LPWAN,低功耗广域网通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案)。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。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。目前,LoRa主要在全球免费频段运行,包括433、868、915MHz等。在国家免许可频段进行通信,通信距离远、抗干扰性高、功耗低,可有效解决当前其他通信方式数据采集成功率不高,数据堵塞等缺点;可大大减少SIM(SubscriberIdentityModule,客户识别模块)卡使用,节省通信资费;可简化配变台区中各设备的安装布线,提高配变台区设备与通信集成一体化,解决了设备与通信安装、调试、运维困难等繁琐的问题。用LoRa网关替代原有的通信适配器,集中器,节点通信技术模块替代原有中继模块、采集器,实现配变台区里的中级保护、家保、电量采集、精品台区等通信的遥测、遥信。并将节点通信模块直接集成到以上涉及到的设备当中,减少通信设备与电器设备的二次连接,通过LoRa网关单元485线与配变终端连接,完成信号传递,改进保护器性能,植入保护器语音告警功能,提高安全用电可靠能力。植入LoRa通信模块后的设备,安装简单、调试方便、免人工运维,实时监测用户用电情况,及时发现用户异常及设备故障状态;优化后的保护器功能更加智能化,可实现异常主动上报,面板操作更加简单易懂,操作方便。提供的语音报警功能可大大减少检修耗时,告诉用户“漏电危险,找电工处理”的提示。实现家保智能通信后,可有效畅通低压电网中通信的“最后一公里”。中级保护及家保的全面覆盖上线监测,可实现总保频繁跳闸的有效管控,缩小停电范围,减少用户投诉,通过多系统信息推送交互,大数据应用实现主动抢修作业和供电服务。现有台区使用LoRa通信技术测试框图如图1所示。LoRa网关是该通信系统的核心,LoRa网关将实现原通信系统中的通信适配器、集中器的全部功能,以及配变终端对温控器、智能电容控制器、门禁控制器的数据采集功能。在该网络中,LoRa网关定时对所有集成LoRa模块的设备进行数据采集,并通过与配变终端的级联关系,依照《QGDW-11-143-2010电能信息采集与管理系统通信协议(配变终端部分)》与配变终端进行通信,通过配变终端远程通信功能,把数据传输到主站系统,同时通过配变终端接收来自主站的命令。

3LoRa通信技术在配变台区设备的应用

通过LoRa通信技术在配变台区里设备的应用,可有效提高农村电网供用电安全管理效率。①能够通过对当前可能存在的故障隐患提出预警,减少了故障发生的概率;②能够快速确定故障区域范围并判断故障类型,在停电跳闸后,通过数据分析故障电流大小、故障类型、故障区域,实现故障区域的快速检修和非故障区域的快速供电恢复,缩短抢修时间,减小停电范围;③对于发生故障的部分,能协助运维人员分析故障原因,快速查找和排除故障,缩短停电时间,提高系统供电可靠性和供配电系统的自动化水平,实现可靠、安全、先进、高效的供配电管理;④Lo-Ra通信技术在配变台区里的应用从通信设备上为电力部门及抢修人员提供有力的技术保证,为配电自动化提供了一种先进手段。实际使用中,因配电柜多是金属外壳,网关设备以及天线安装在配电柜中,无线信号受到金属屏蔽,影响通信距离。LoRa无线通信带宽有限,适合用于少量数据传输,如需传输大量数据,可使用网络或光纤通信。当LoRa设备密度以及采集频率过大,存在导致无线信道拥堵的风险。LoRa通信规约,该规约需实现入网认证,上下行信道选择、信道加密,丢包重传、等重要功能,同时对外提供简单的接口,可使用AT指令配置LoRa模块的工作模式,选择适合实际应用需求的配置。LoRa是一种扩频技术,不是直接序列扩频。直接序列扩频通过调制载波芯片来传输更多的频谱,从而提高编码增益。而LoRa调制与多状态FSK调制类似,使用未调制载波来进行线性调频,使能量分散到更广泛的频段,实现了远距离通信。从网络结构来看,LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构(图2),在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明传输的中继,连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接,终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信,同时也支持云端升级等操作以减少云端通信时间。LoRa使用的星型网络结构简化了通信的复杂程度,加之LoRa协议层实现的上下行信道选择、信道监测、重传机制等功能大大提高了LoRa通信的稳定性和耐压性能。在安全性方面采用唯一网络密钥(EU164)保证网络层安全,采用唯一应用密钥(EU164)并保证应用层端到端的安全,采用设备特别密钥(EUI128)确保设备接入安全。所有设备的内容采用加密聚合方式进行加密,保证了数据传输的安全性。同时为了防止用户用电数据被分析,用户用电数据需要具备隐私保护能力。利用LoRa通信技术,可有效解决当前其他通信方式数据采集成功率不高,数据堵塞等缺点;植入LoRa通信模块后的保护器,安装简单、调试方便、免人工维护,实时监测用户用电情况,及时发现用电异常及设备故障状态。将LoRa节点通信模块通过RS485连接上剩余电流动作保护器(或者直接将LoRa芯片内置集成到剩余电流动作保护器内部主板上),在配变台区安装LoRa网关单元与配变终端的级联口用RS485连接,即可完成信号传递。配变终端再通过GPRS信号传输,将采集的剩余电流动作保护器信息反馈给配电主站系统。本地通信上,LoRa通信技术代替了原来的GPRS通信。典型的LoRa组网架构如图3所示,依据基本星形网络模型,分为网关和节点两部分,其中节点通过RS232/485串口采集传感器设备的数据,然后通过LoRa通信标准将采集到的数据传输给网关;而网关则负责采集多个节点传输过来的数据,并通过RS232/485串口、通过以太网或GPRS等路径与服务器通信。由此即可达到采用LoRa通信标准实现无线采集数据的目的。其网络架构支持同一空间内多个网络同时存在的情况。通过设置网络号配置网关和节点,以达到同频段内网络间不会相互干扰的目的。

4LoRa通信技术实施方案

基于技术优势,目前电网运行中像变电站这样电磁干扰较大、通信距离较远、或者在郊外等复杂环境的通信问题,都可以很好地解决。实施了6个方案。(1)无线传输的协议要进行加密,编写相关通信规约。(2)接收器的传输距离2km以上,电磁辐射在国家标准范围内。有抗干扰和纠错能力。(3)由于是无线网络,可能存在信息安全问题。提出一套网络密钥(EU164)保证网络层安全的方案。(4)将总保、中保、家保连接到电力专网,组建一个无线电力专网,可以监测上传电力抄表的数据、用户跳闸停电、电力抢修数据等。(5)中级保和总保是星型结构,没有保护。后期,低压配网的光缆建设开始后,中级保的通信设备与其他台区的总保搭建备用链路。(6)硬件搭建方式直接影响到施工人员的后续操作,需要制定相对妥善的方案,既能节约大量的能源与人力成本,保证安装后现场电力设备的美观度,还要增强其稳定性,提升供用电的经济性、安全性和可靠性。采用内嵌式方法进行硬件搭建。

作者:幸进 李梦婕 方勇 朱轶群 单位:国网浙江三门县供电有限公司

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