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        LoRa在電力配網(wǎng)低壓臺區(qū)通信的設(shè)計與應(yīng)用

        2018-01-16 22:56:16李如兵程天應(yīng)梅小國
        設(shè)備管理與維修 2018年1期
        關(guān)鍵詞:臺區(qū)低功耗光纜

        王 杰,李如兵,程天應(yīng),梅小國

        (1.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司,浙江臺州 318000;2.國網(wǎng)浙江三門縣供電有限公司,浙江臺州 317100)

        1 電力配網(wǎng)低壓臺區(qū)的主要通信方式

        現(xiàn)有通信方式中,電力配網(wǎng)低壓臺區(qū)的配電設(shè)備與配變終端通信信息采集主要以GPRS/CDMA、載波、小無線集抄等通訊方式為主,由中繼模塊負責(zé)采集通信設(shè)備的實時數(shù)據(jù),通過GPRS傳輸?shù)酵ㄐ胚m配器,再由通信適配器與配變終端級聯(lián),通過配變終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。如在浙江省剩余電流動作保護器監(jiān)測系統(tǒng)中漏保設(shè)備與中繼模塊因使用485通信方式,告警信息必須通過中繼模塊采集,無法實現(xiàn)真正意義上的異常主動告警,影響了系統(tǒng)的實時性;低壓電網(wǎng)中通信“最后一公里”通道無法實施;配變臺區(qū)里的溫控器、門禁控制器、智能電容控制器等設(shè)備主要以有線RS485通信方式為主。在實際應(yīng)用中,因使用有線方式并加裝通訊設(shè)備會造成現(xiàn)場安裝困難,而且運維難度大。配變臺區(qū)通信拓撲如圖1所示。

        圖1 配變臺區(qū)通信拓撲

        2 基于LoRa的電力配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與應(yīng)用

        多種通信方式同時存在,會造成通信系統(tǒng)龐大繁雜、操作繁瑣、數(shù)據(jù)采集成功率不高、數(shù)據(jù)堵塞嚴(yán)重等問題,且存在通信資費高昂、運維難度大的弊端。目前電網(wǎng)采用的是光纜與2G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式,存在很多問題。2016年底電網(wǎng)基本放棄了2G基站建設(shè),全部采用光纜敷設(shè);但是光纜鋪設(shè)也存在費用高和部分區(qū)域施工困難等問題??蓪⑴渚W(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)分為3層,第一層為各站點匯聚的局端,主要有光纜;第二層為各臺區(qū)匯聚到站點,采用1+1保護;第三層為接入層,也采用1+1保護。光纜設(shè)備采用現(xiàn)有的EPON方式;無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用多天線波束成型設(shè)計、DSP(數(shù)字信號處理)/FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)。要實現(xiàn)配網(wǎng)上的開關(guān)設(shè)備、中繼保、電表、圖像監(jiān)控等設(shè)備的可靠接入,首先將整個配電無線網(wǎng)分為3層:第一層為各站點(35 kV,110 kV變電站及營業(yè)所和供電所)匯聚的局端,主要有光纜,通過現(xiàn)有的光傳輸設(shè)備將信息匯聚到局端。第二層為各臺區(qū)匯聚到站點,采用1+1保護。分配電線路上有光纜和沒有光纜兩種情況。

        (1)線路有光纜的情況(圖2)。配電線路上(有光纜)采用EPON(以太無源光網(wǎng)絡(luò))或GPON(無源光接入系統(tǒng))的方式,用在網(wǎng)線連接到無線設(shè)備上作為主通道。從變電站到各臺區(qū)的無線設(shè)備使用手拉手的方式連接,作為備用通道,實現(xiàn)1+1的通信通道保護。

        圖2 配電無線網(wǎng)第二層(有光纜)

        (2)線路無光纜的情況(圖3)。從臺區(qū)到各設(shè)備的無線同樣使用手拉手的方式連接到無線設(shè)備上作為主用通道。備用通道從臺區(qū)到設(shè)備必須跳過第一個設(shè)備,接到第二個設(shè)備或者通過中保跳轉(zhuǎn)到第二設(shè)備;備用通道必須保證其中一個變壓器上的無線設(shè)備失效,通信通道依然可以正常運行。通過1+1保護,增加無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。第三層為接入層,對于電表采集、中保、戶保等數(shù)據(jù)實施采用1+1保護,對可靠性要求高的數(shù)據(jù)主要采取并發(fā)選收,通過不同的臺區(qū)接入到通信網(wǎng)。

        2.1 LoRa無線通信系統(tǒng)模塊的設(shè)計與應(yīng)用

        LoRa(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頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案)無線通信系統(tǒng)由集成LoRa模塊的終端設(shè)備(溫控器、智能電容控制器、保護器、電能表、門禁控制器)、LoRa網(wǎng)關(guān)、主設(shè)備(主站)組成。LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu),在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,LoRa網(wǎng)關(guān)通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)可方便的對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有集成LoRa模塊設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等,LoRa組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。LoRa網(wǎng)關(guān)是該通信系統(tǒng)的核心,LoRa網(wǎng)關(guān)將實現(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)定時對所有集成LoRa模塊的設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集,并通過與配變終端的級聯(lián)關(guān)系,依照協(xié)議與配變終端進行通信,通過配變終端遠程通信功能,把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng),同時通過配變終端接收來自主站的命令。該系統(tǒng)中,需將LoRa模塊分別集成到溫控器、智能電容控制器、保護器、電能表、門禁控制器中;當(dāng)LoRa模塊與這些設(shè)備集成時,設(shè)備只需進行簡單的串口對接,做好電源供給,即可完成集成工作。

        圖3 配電無線網(wǎng)第三層情況

        圖4 LoRa組網(wǎng)架構(gòu)

        根據(jù)對LoRa技術(shù)的了解和研究,結(jié)合配網(wǎng)通信系統(tǒng)框架的需求,針對抄配網(wǎng)通信中各類設(shè)備的功能和技術(shù)指標(biāo)提出了硬件電路的實現(xiàn)方案,設(shè)計原則包括:系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;方便安裝和維修;符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn);安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸;設(shè)備具有可擴展功能。由于設(shè)備需要安裝在柜體內(nèi),要有比較好的信號接收能力和抗干擾能力。因為柜體內(nèi)取電比較簡單,電源在這里基本不需要考慮。LoRa無線模塊作為一個和設(shè)備配套使用的模塊,要盡量精簡模塊的設(shè)計,做到小型化、簡單化,兼顧更換方便性和擴展性。LoRa無線模塊作為一個通信模塊主要是兩端的通信接口,一邊是無線通信(RF),另一邊采用簡易的UART串口以便和其他設(shè)備連接,使用一個低功耗的MCU組織模塊的工作,電源由外部引入。

        LoRa模塊的硬件設(shè)計主要包括:(1)RF 芯片。選用Semtech公司的 SX1276,最大輸出功率 20 dBm。(2)MCU芯片。選擇ST公司的超低功耗處理器STM8L151G6U6,待機功耗0.5 μA。(3)天線部分。此部分可以有2種天線接口。(4)接插件部分。采用 2.54間距的標(biāo)準(zhǔn)插針,使模塊更加小型化和可方便插拔,因此要選擇一個適用于電力配網(wǎng)系統(tǒng)或者可以擴展到其他領(lǐng)域的高性能無線模塊。在設(shè)計之初就要做好調(diào)查,了解此前采用的無線方案的優(yōu)缺點。目前最好的方案就是LoRa技術(shù),該系統(tǒng)選用了Semtech公司生產(chǎn)的SX127X系列芯片,同時選擇了SX1276作為無線射頻的收發(fā)芯片。RF收發(fā)芯片SX1276需要配置一顆MCU來控制,并提供串口作為模塊的輸出。在這個模塊中使用的MCU首先要能控制SX1276芯片(SPI接口),至少要有一個UART口,且功耗要低。因此選用STM8L151G6U6,是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于8位STM8內(nèi)核的超低功耗微控制器。借助一個優(yōu)秀的面向未來的超低功耗平臺,采用全新的超低漏電工藝和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu),STM8L151G6U6微控制器集合高性能與超低功耗于一身。天線的阻抗會受到電路板的鋪地、外殼和安裝角度等因素影響,因此在原理圖設(shè)計時,天線接頭與模塊的天線引腳之間預(yù)留一個π形匹配電路,當(dāng)天線嚴(yán)重偏離50 Ω時,將其糾正到50 Ω,確保正常使用。

        2.2 中保采集系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

        智能配變終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa節(jié)點、中保組成完整的中保采集系統(tǒng)。LoRa節(jié)點負責(zé)采集中保數(shù)據(jù),LoRa網(wǎng)關(guān)負責(zé)管理LoRa節(jié)點、存儲中保數(shù)據(jù),按照任務(wù)設(shè)置情況通過485級聯(lián)定時將中保數(shù)據(jù)上報主站、響應(yīng)主站的其他請求命令等。

        整個系統(tǒng)按4個層次設(shè)計,分別是應(yīng)用層、協(xié)議層、硬件驅(qū)動層和物理層。中保采集系統(tǒng)架構(gòu)見圖5。

        (1)應(yīng)用層。主要實現(xiàn)最終所需要的用戶層面的應(yīng)用功能,如參數(shù)配置查詢、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上報、數(shù)據(jù)的存儲、事件記錄、狀態(tài)指示、自檢等。

        (2)協(xié)議層。主要包含LoRa星型組網(wǎng)協(xié)議、《剩余電流動作保護器規(guī)約》、《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統(tǒng)通信協(xié)議》?!妒S嚯娏鲃幼鞅Wo器規(guī)約》主要用于LoRa節(jié)點和中保通信,《QGDW-11-143-2010電能信息采集與管理系統(tǒng)通信協(xié)議》主要用于LoRa網(wǎng)關(guān)和配變終端通信、主站通信。

        (3)硬件驅(qū)動層。主要分三部分,第一部分是uC/OS-II Driver,用于多任務(wù)管理,第二部分是MCU所依賴的設(shè)備固件庫,STM32F103設(shè)備固件庫STM32F10xxxStdPeriph_Driver,用于驅(qū)動MCU自帶外設(shè);第三部分是各外接設(shè)備的驅(qū)動程序,用以實現(xiàn)對外接設(shè)備的控制和操作。

        (4)物理層。主要包含LoRa通信模塊、GPRS芯片,GPS芯片、以太網(wǎng)芯片、存儲Flash、MCU等各接口芯片以及它們之間的物理連接方式,屬于實際的硬件設(shè)備,所有軟件層面的操作,都依賴于物理層。

        圖5 中保采集系統(tǒng)架構(gòu)

        3 基于LoRa的電力配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果

        采用LoRa技術(shù)以后,通信層級減少,優(yōu)化了傳輸方式。通過臺區(qū)試點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點率下降了64.6%,LoRa技術(shù)傳輸成功率達到99.99%。通過現(xiàn)場臺區(qū)測試,目前已達到每15 min傳輸一次數(shù)據(jù),一天24 h96個點,是以往通信數(shù)據(jù)量的4倍。采用LoRa技術(shù)開發(fā)的嵌入式節(jié)點通訊模塊,減少了通信層級,信息獲取成功率提升顯著。節(jié)點通訊芯片嵌入中級保護后,穩(wěn)定可靠性大幅提升,對提高農(nóng)村低壓電網(wǎng)智能化水平、減少人力成本、提高工作效率、同時加強現(xiàn)場事故應(yīng)急處理等都具有非常重要的意義。

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