幸 進(jìn)，李夢婕，方 勇，朱軼群

（國網(wǎng)浙江三門縣供電有限公司，浙江臺州 318000）

1 農(nóng)村電網(wǎng)安全用電現(xiàn)狀

農(nóng)村電網(wǎng)一直是農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施中最薄弱的一環(huán)，受各種因素制約，配變臺區(qū)的設(shè)備異常、故障查找、維護(hù)管理等存在不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理的問題，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面。

（1）農(nóng)村新房子不斷增加，部分電線到處亂拉，沒裝保護(hù)器。由于大部分農(nóng)民不愿意購買保護(hù)器，也不能強(qiáng)迫安裝，容易造成安全隱患。

（2）由于用戶室內(nèi)電線、插座、電器質(zhì)量差，存在漏電或短路，不能投入，剛剛裝上，用戶就自行拆離，農(nóng)戶不會主動(dòng)要求購買。

（3）存在鄉(xiāng)村供用電環(huán)境條件差，管理范圍大，交通不便，供電線路長，健康水平差、技術(shù)水平低、管理跟不上，三級保護(hù)器根本無法安裝。

（4）小動(dòng)力、養(yǎng)殖塘、基建臨時(shí)等設(shè)備用電不規(guī)范，存在私拉亂接、使用地爬線的現(xiàn)象，造成整個(gè)臺區(qū)總保頻繁動(dòng)作。

（5）缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃，忙于應(yīng)付現(xiàn)存問題。配電變壓器分布不合理，低壓出線回路迂回曲折，直接造成低壓線路故障高發(fā)的原因。

2 LoRa通信技術(shù)概況

LoRa作為LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）無線通信技術(shù)，是一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的新型技術(shù)（注：LoRa是Low Power Wide Area Network，簡稱LPWAN，低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案）。它融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等。在國家免許可頻段進(jìn)行通信，通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性高、功耗低，可有效解決當(dāng)前其他通信方式數(shù)據(jù)采集成功率不高，數(shù)據(jù)堵塞等缺點(diǎn)；可大大減少SIM（Subscriber Identity Module，客戶識別模塊）卡使用，節(jié)省通信資費(fèi)；可簡化配變臺區(qū)中各設(shè)備的安裝布線，提高配變臺區(qū)設(shè)備與通信集成一體化，解決了設(shè)備與通信安裝、調(diào)試、運(yùn)維困難等繁瑣的問題。

用LoRa網(wǎng)關(guān)替代原有的通信適配器，集中器，節(jié)點(diǎn)通信技術(shù)模塊替代原有中繼模塊、采集器，實(shí)現(xiàn)配變臺區(qū)里的中級保護(hù)、家保、電量采集、精品臺區(qū)等通信的遙測、遙信。并將節(jié)點(diǎn)通信模塊直接集成到以上涉及到的設(shè)備當(dāng)中，減少通信設(shè)備與電器設(shè)備的二次連接，通過LoRa網(wǎng)關(guān)單元485線與配變終端連接，完成信號傳遞，改進(jìn)保護(hù)器性能，植入保護(hù)器語音告警功能，提高安全用電可靠能力。植入LoRa通信模塊后的設(shè)備，安裝簡單、調(diào)試方便、免人工運(yùn)維，實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶用電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶異常及設(shè)備故障狀態(tài)；優(yōu)化后的保護(hù)器功能更加智能化，可實(shí)現(xiàn)異常主動(dòng)上報(bào)，面板操作更加簡單易懂，操作方便。提供的語音報(bào)警功能可大大減少檢修耗時(shí),告訴用戶“漏電危險(xiǎn)，找電工處理”的提示。實(shí)現(xiàn)家保智能通信后，可有效暢通低壓電網(wǎng)中通信的“最后一公里”。中級保護(hù)及家保的全面覆蓋上線監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)總保頻繁跳閘的有效管控，縮小停電范圍，減少用戶投訴，通過多系統(tǒng)信息推送交互，大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)主動(dòng)搶修作業(yè)和供電服務(wù)?，F(xiàn)有臺區(qū)使用LoRa通信技術(shù)測試框圖如圖1所示。

圖1 LoRa通信技術(shù)測試框圖

LoRa網(wǎng)關(guān)是該通信系統(tǒng)的核心，LoRa網(wǎng)關(guān)將實(shí)現(xiàn)原通信系統(tǒng)中的通信適配器、集中器的全部功能，以及配變終端對溫控器、智能電容控制器、門禁控制器的數(shù)據(jù)采集功能。在該網(wǎng)絡(luò)中，LoRa網(wǎng)關(guān)定時(shí)對所有集成LoRa模塊的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過與配變終端的級聯(lián)關(guān)系，依照《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統(tǒng)通信協(xié)議（配變終端部分）》與配變終端進(jìn)行通信，通過配變終端遠(yuǎn)程通信功能，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)，同時(shí)通過配變終端接收來自主站的命令。

3 LoRa通信技術(shù)在配變臺區(qū)設(shè)備的應(yīng)用

通過LoRa通信技術(shù)在配變臺區(qū)里設(shè)備的應(yīng)用，可有效提高農(nóng)村電網(wǎng)供用電安全管理效率。①能夠通過對當(dāng)前可能存在的故障隱患提出預(yù)警，減少了故障發(fā)生的概率；②能夠快速確定故障區(qū)域范圍并判斷故障類型，在停電跳閘后，通過數(shù)據(jù)分析故障電流大小、故障類型、故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的快速檢修和非故障區(qū)域的快速供電恢復(fù)，縮短搶修時(shí)間，減小停電范圍；③對于發(fā)生故障的部分，能協(xié)助運(yùn)維人員分析故障原因，快速查找和排除故障，縮短停電時(shí)間，提高系統(tǒng)供電可靠性和供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)可靠、安全、先進(jìn)、高效的供配電管理；④Lo-Ra通信技術(shù)在配變臺區(qū)里的應(yīng)用從通信設(shè)備上為電力部門及搶修人員提供有力的技術(shù)保證，為配電自動(dòng)化提供了一種先進(jìn)手段。

實(shí)際使用中，因配電柜多是金屬外殼，網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及天線安裝在配電柜中，無線信號受到金屬屏蔽，影響通信距離。LoRa無線通信帶寬有限，適合用于少量數(shù)據(jù)傳輸，如需傳輸大量數(shù)據(jù)，可使用網(wǎng)絡(luò)或光纖通信。當(dāng)LoRa設(shè)備密度以及采集頻率過大，存在導(dǎo)致無線信道擁堵的風(fēng)險(xiǎn)。LoRa通信規(guī)約，該規(guī)約需實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)認(rèn)證，上下行信道選擇、信道加密，丟包重傳、等重要功能，同時(shí)對外提供簡單的接口，可使用AT指令配置LoRa模塊的工作模式，選擇適合實(shí)際應(yīng)用需求的配置。LoRa是一種擴(kuò)頻技術(shù)，不是直接序列擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻通過調(diào)制載波芯片來傳輸更多的頻譜，從而提高編碼增益。而LoRa調(diào)制與多狀態(tài)FSK調(diào)制類似，使用未調(diào)制載波來進(jìn)行線性調(diào)頻，使能量分散到更廣泛的頻段，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2），在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信，同時(shí)也支持云端升級等操作以減少云端通信時(shí)間。LoRa使用的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化了通信的復(fù)雜程度，加之LoRa協(xié)議層實(shí)現(xiàn)的上下行信道選擇、信道監(jiān)測、重傳機(jī)制等功能大大提高了LoRa通信的穩(wěn)定性和耐壓性能。

在安全性方面采用唯一網(wǎng)絡(luò)密鑰（EU164）保證網(wǎng)絡(luò)層安全，采用唯一應(yīng)用密鑰（EU164）并保證應(yīng)用層端到端的安全，采用設(shè)備特別密鑰（EUI128）確保設(shè)備接入安全。所有設(shè)備的內(nèi)容采用加密聚合方式進(jìn)行加密，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。同時(shí)為了防止用戶用電數(shù)據(jù)被分析，用戶用電數(shù)據(jù)需要具備隱私保護(hù)能力。利用LoRa通信技術(shù)，可有效解決當(dāng)前其他通信方式數(shù)據(jù)采集成功率不高，數(shù)據(jù)堵塞等缺點(diǎn)；植入LoRa通信模塊后的保護(hù)器，安裝簡單、調(diào)試方便、免人工維護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶用電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電異常及設(shè)備故障狀態(tài)。

將LoRa節(jié)點(diǎn)通信模塊通過RS485連接上剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（或者直接將LoRa芯片內(nèi)置集成到剩余電流動(dòng)作保護(hù)器內(nèi)部主板上），在配變臺區(qū)安裝LoRa網(wǎng)關(guān)單元與配變終端的級聯(lián)口用RS485連接，即可完成信號傳遞。配變終端再通過GPRS信號傳輸，將采集的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器信息反饋給配電主站系統(tǒng)。本地通信上，LoRa通信技術(shù)代替了原來的GPRS通信。

典型的LoRa組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示，依據(jù)基本星形網(wǎng)絡(luò)模型，分為網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)兩部分，其中節(jié)點(diǎn)通過RS232/485串口采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后通過LoRa通信標(biāo)準(zhǔn)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)；而網(wǎng)關(guān)則負(fù)責(zé)采集多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并通過RS232/485串口、通過以太網(wǎng)或GPRS等路徑與服務(wù)器通信。由此即可達(dá)到采用LoRa通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無線采集數(shù)據(jù)的目的。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持同一空間內(nèi)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在的情況。通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號配置網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到同頻段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)間不會相互干擾的目的。

圖2 LoRa通信拓?fù)鋱D

圖3 LoRa組網(wǎng)架構(gòu)

4 LoRa通信技術(shù)實(shí)施方案

基于技術(shù)優(yōu)勢，目前電網(wǎng)運(yùn)行中像變電站這樣電磁干擾較大、通信距離較遠(yuǎn)、或者在郊外等復(fù)雜環(huán)境的通信問題，都可以很好地解決。實(shí)施了6個(gè)方案。

（1）無線傳輸?shù)膮f(xié)議要進(jìn)行加密，編寫相關(guān)通信規(guī)約。

（2）接收器的傳輸距離2 km以上，電磁輻射在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。有抗干擾和糾錯(cuò)能力。

（3）由于是無線網(wǎng)絡(luò)，可能存在信息安全問題。提出一套網(wǎng)絡(luò)密鑰（EU164）保證網(wǎng)絡(luò)層安全的方案。

（4）將總保、中保、家保連接到電力專網(wǎng)，組建一個(gè)無線電力專網(wǎng)，可以監(jiān)測上傳電力抄表的數(shù)據(jù)、用戶跳閘停電、電力搶修數(shù)據(jù)等。

（5）中級保和總保是星型結(jié)構(gòu)，沒有保護(hù)。后期，低壓配網(wǎng)的光纜建設(shè)開始后，中級保的通信設(shè)備與其他臺區(qū)的總保搭建備用鏈路。

（6）硬件搭建方式直接影響到施工人員的后續(xù)操作，需要制定相對妥善的方案，既能節(jié)約大量的能源與人力成本，保證安裝后現(xiàn)場電力設(shè)備的美觀度，還要增強(qiáng)其穩(wěn)定性，提升供用電的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。采用內(nèi)嵌式方法進(jìn)行硬件搭建。