張 梅， 陳路易， 李敬兆

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，高壓開關(guān)柜在電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配電過程中起著關(guān)鍵作用[1]。由于高壓開關(guān)柜應(yīng)用比例不斷增加，實時監(jiān)控管理的難度不斷增大，傳統(tǒng)依靠人力不定時查看高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)的監(jiān)控方式，不僅監(jiān)控效率偏低，監(jiān)控結(jié)果也不夠精確，不能適應(yīng)現(xiàn)代智能電網(wǎng)的發(fā)展要求[1～5]。文獻[2]提出了一種基于聲表面波射頻識別(surface acoustic wave radio frequency identification ,SAW-RFID)高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)，該系統(tǒng)采用聲表面波射頻識別技術(shù)監(jiān)測開關(guān)柜溫度，實現(xiàn)了對高壓開關(guān)柜無源無線實時監(jiān)測；文獻[4]提出的開關(guān)柜在線測溫系統(tǒng)，采用快速磁飽和的電流轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和紅外傳感技術(shù)來解決高電壓與感測模塊之間隔離問題，保證了開關(guān)柜運行的穩(wěn)定性。但以上溫度監(jiān)測系統(tǒng)僅從硬件設(shè)計優(yōu)化方面進行，未能實現(xiàn)智能無線監(jiān)控的功能。文獻[3]介紹了改進ZigBee路由算法對高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測，采用機會路由能量優(yōu)化的樹型路由(opportunity energy ZigBee tree routing，OEZTR)算法，根據(jù)在范圍內(nèi)選擇節(jié)點，盡可能減少無效數(shù)據(jù)包的傳輸，以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但節(jié)點傳輸速率調(diào)節(jié)問題未能得到解決，達不到實時監(jiān)測的要求。

隨著低功耗廣域網(wǎng)(low power wide area network,LPWAN)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于遠程實時監(jiān)控、無線數(shù)據(jù)傳輸成為可能[6,7]。LoRa是一種采用1 GHz以下非授權(quán)無線電頻段進行低功耗、超長距離通信的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強的特點，適用于短時間發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。

基于此，本文結(jié)合改進速率自適應(yīng)算法，設(shè)計了高壓開關(guān)柜的母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高壓開關(guān)柜的母線及觸頭溫度實時監(jiān)測及運行狀態(tài)的集中統(tǒng)一管理，不僅大大提高了對高壓開關(guān)柜的管理效率，還大幅縮減了人工成本。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu):感控層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感控層主要是感測終端節(jié)點，是以傳感器感知母線及觸頭的溫度，通過數(shù)據(jù)處理模塊和收發(fā)模塊，將數(shù)據(jù)從節(jié)點發(fā)送，若傳輸?shù)木嚯x較遠或者有障礙物，應(yīng)用LoRa網(wǎng)關(guān)進行匯聚發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)層主要包括網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口與路由器相連，將采集到的溫度信息上傳至云服務(wù)器；應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)云平臺匯聚采集到的信息，并對信息進行分析處理呈現(xiàn)[1]。高壓開關(guān)柜母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成示意

整個系統(tǒng)采用LoRa星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由LoRa終端節(jié)點設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)(LoRa基站)、云服務(wù)器和云客戶端組成，終端設(shè)備采集母線及觸頭處的溫度傳感器信息，并將其轉(zhuǎn)換為符合LoRaWAN協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給云服務(wù)器，即完成數(shù)據(jù)從LoRa方式到云服務(wù)方式的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)不進行數(shù)據(jù)處理，只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)打包封裝，然后再通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器完成終端設(shè)備注冊、用戶管理、數(shù)據(jù)存儲、處理分析等工作，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機以便客戶端能夠方便地遠程讀取監(jiān)控信息并進行判斷，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

本文LoRa感測節(jié)點采用干電池獨立供電，同時要求較高的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，在高壓環(huán)境下更換電池會影響系統(tǒng)的正常運行。因此LoRa節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和能耗問題是系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。為了盡可能提高監(jiān)測實時性和數(shù)據(jù)傳輸速率，本文主要采取優(yōu)化的速率自適應(yīng)路由算法，調(diào)節(jié)不同信道下的狀態(tài)傳數(shù)據(jù)輸速率，得到較高的吞吐量。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

監(jiān)測終端主要由感測節(jié)點模塊、單片機(micro controller unit,MCU)數(shù)據(jù)處理器、電源模塊、LoRa收發(fā)模塊等。溫度傳感器與MCU內(nèi)置模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器連接，將母線及觸點溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，通過內(nèi)置集成電路(inter-integrated circuit,I2C)總線通信方式傳輸至MCU模塊，MCU模塊利用I2C接口對傳感器溫度信息完成讀寫，并完成數(shù)據(jù)存取[6]。LoRa收發(fā)模塊通過UART串口連接在MCU處理器上進行通信。測溫硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 感測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

測試封裝時，將終端采集整體放入絕緣皮套中。對A,B,C三相母線及觸點的溫度采取6點數(shù)據(jù)采集的方式，進行對比分析；為確保采集信息的可靠性，每組采集裝置中分別放入3組溫度傳感器。

2.2 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

由于高壓開關(guān)柜母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的功能完整性及具體實現(xiàn)至關(guān)重要，終端感測節(jié)點的軟件設(shè)計主要對高壓開關(guān)柜的溫度數(shù)據(jù)進行采集和傳輸。如圖3所示。

圖3 感測節(jié)點主程序流程

感測節(jié)點軟件設(shè)計主要步驟為：

1)系統(tǒng)初始化，溫度傳感器、LoRa收發(fā)模塊與MCU處理器建立有效的通信鏈路；

2)接收任務(wù)指令，喚醒工作，進行溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸；

3)采用中斷喚醒的方式來接收節(jié)點數(shù)據(jù)，降低LoRa傳輸節(jié)點的功耗，延長使用壽命，提高監(jiān)測的實時性。

2.3 系統(tǒng)抗干擾

高壓開關(guān)柜運行在高電壓、大電流的狀態(tài)，系統(tǒng)事故瞬間還出現(xiàn)強烈的電磁暫態(tài)過程，這些都產(chǎn)生強電磁場干擾，這對于硬件系統(tǒng)及微弱信號處理有較大影響[8]。為了消除這些干擾，分別采用軟、硬件抗干擾措施，在軟件設(shè)計上采用數(shù)字編碼、解碼技術(shù)；在硬件上采用金屬屏蔽消除干擾信號，加強各級濾波消除高頻干擾，再加上LoRa收發(fā)模塊自身具有較強的抗干擾能力，系統(tǒng)工作的可靠性得到了保證。

為消除隨機干擾，利用母線及觸頭溫度變化相對較緩慢的特點，對感測點溫度信號進行低功耗循環(huán)發(fā)送，多次采集，排除異常數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)可靠。同時在優(yōu)化的速率自適應(yīng)算法中能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?，降低誤幀率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 速率自適應(yīng)路由算法及其優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有速率調(diào)節(jié)算法及其缺陷

目前一些現(xiàn)有數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)算法[9～11]，是根據(jù)掃描網(wǎng)絡(luò)接收端信號節(jié)點上行幀傳輸質(zhì)量指標(biāo)，用于估算出下次終端數(shù)據(jù)傳輸速率[12]?，F(xiàn)有速率調(diào)節(jié)算法主要是基于快速可靠傳輸?shù)脑瓌t，在信號質(zhì)量好的情況下，采用高一點的數(shù)據(jù)傳輸速率，當(dāng)信號質(zhì)量變差時，則采用低的數(shù)據(jù)傳輸速率，以提高終端傳輸?shù)撵`敏度。

該算法可以提高傳輸速率和降低誤碼率，卻僅僅考慮了終端的個體信道情況，未考慮LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)[9]的實際信道負(fù)荷。當(dāng)僅以終端的信號質(zhì)量指標(biāo)決策數(shù)據(jù)速率，有可能會把終端上行幀都分配到少數(shù)幾個SF子信道上，致使這些子信道擁塞，發(fā)生丟包，惡化網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2 速率自適應(yīng)算法優(yōu)化

針對上述問題，本文提出一種根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整速率的算法。該算法根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括信號質(zhì)量指標(biāo)、信道負(fù)荷E_l以及丟包率等情況，對終端的數(shù)據(jù)傳輸速率進行適應(yīng)性調(diào)整[10]。

雖然多個同時發(fā)出的LoRa傳輸可以由單個網(wǎng)關(guān)處理，但對于LoRa的每個信道中的SF子信道而言，同一時刻僅有一個信號傳送，若多個信號并發(fā)傳輸，就會導(dǎo)致信道傳輸碰撞，由于干擾導(dǎo)致接收端無法接收信號。由于信道接入是基于ALOHA介質(zhì)訪問機制，因此一旦SF子信道的負(fù)荷超過一定閾值，就會導(dǎo)致沖突概率快速上升，網(wǎng)絡(luò)通信性能急劇下降。對于SF子信道的負(fù)荷E_l的統(tǒng)計，是指在LoRaWAN服務(wù)器開啟一個周期性任務(wù)統(tǒng)計，定時對SF子信道的占用時間及負(fù)荷E_l進行統(tǒng)計，并記錄存儲[10]。根據(jù)編碼率、采用的SF子信道，得出每幀數(shù)據(jù)對子信道的占用時間，并統(tǒng)計周期內(nèi)累計總的占用時間，得出SF子信道的負(fù)荷E_l。

如圖4所示為優(yōu)化速率自適應(yīng)算法的流程。

圖4 優(yōu)化速率自適應(yīng)算法流程

算法首先接收掃描LoRa節(jié)點發(fā)送的最近上行幀N幀，(至少10幀)。根據(jù)幀序列的連續(xù)性統(tǒng)計丟包率，按照終端所占信道及使用的SF統(tǒng)計SF子信道的負(fù)荷E_l，根據(jù)每幀數(shù)據(jù)的權(quán)重，加權(quán)獲取終端期望的數(shù)據(jù)速率DRm；當(dāng)終端統(tǒng)計丟包率超過ADR機制中的丟包閾值時，則篩選出負(fù)荷E_l最小的SF子信道對應(yīng)的數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)速率DRl，以避開SF子信道擁塞，降低丟包率；當(dāng)終端統(tǒng)計丟包率未超過ADR機制中的丟包閾值時，則屬于速率正常調(diào)節(jié)，選擇負(fù)荷E_l不超過ADR策略中信道負(fù)荷閾值最快SF子信道對應(yīng)的數(shù)據(jù)速率DRn，以盡可能快的速率進行傳輸，若所有SF子信道負(fù)荷均超過信道負(fù)荷閾值，則進行丟包速率調(diào)節(jié)。所確定的數(shù)據(jù)速率與當(dāng)前終端所使用的數(shù)據(jù)速率不同，則下發(fā)ADR命令給終端，終端收到后根據(jù)自己的策略調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率并進行反饋，若LoRaWAN服務(wù)器未收到反饋信息則認(rèn)為下發(fā)失敗，重復(fù)下發(fā)直到收到回應(yīng)為止。

如圖5所示為終端期望的數(shù)據(jù)速率算法流程。

圖5 終端期望的數(shù)據(jù)速率算法流程

1)丟包數(shù)據(jù)速率調(diào)節(jié)。當(dāng)終端統(tǒng)計丟包率超過ADR機制中的丟包閾值時，通過丟包數(shù)據(jù)速率對應(yīng)的負(fù)荷DRl_Loda與終端期望數(shù)據(jù)速率對應(yīng)的負(fù)荷DRm_Load進行比較，若DRm_Load大于DRl_Loda，則令終端期望數(shù)據(jù)速率DRm等于丟包數(shù)據(jù)速率DRl，判斷，若DRm為0停止調(diào)節(jié)，反之自降一個速率；若DRm_Load小于DRl_Loda，則直接判斷DRm是否為0。該算法避開SF子信道擁塞，降低了丟包率。

2)正常速率調(diào)節(jié)。終端統(tǒng)計丟包率未超過ADR機制中的丟包閾值時，屬于正常速率調(diào)節(jié)。通過負(fù)荷閾值TH與終端期望數(shù)據(jù)速率對應(yīng)的負(fù)荷DRm_Load進行比較，若TH大于DRm_Load，則令終端期望數(shù)據(jù)速率DRm等于正常數(shù)據(jù)速率DRn，結(jié)束程序；若TH小于DRm_Load，判斷DRm是否為0，為0則結(jié)束，反之自降一個速率，循環(huán)進行。

3.3 系統(tǒng)仿真分析

為了評估優(yōu)化的速率自適應(yīng)算法在數(shù)據(jù)傳輸吞吐量方面的性能，用MATLAB作為仿真平臺，分別采用本文中介紹現(xiàn)有與優(yōu)化速率自適應(yīng)算法進行仿真，模擬高壓開關(guān)柜內(nèi)部母線工作環(huán)境，設(shè)置采樣時間和閾值丟包率參數(shù)，則60 s內(nèi)吞吐率數(shù)據(jù)對比曲線如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸吞吐率對比

可以看出優(yōu)化的速率自適應(yīng)算法總體的吞吐率要優(yōu)于現(xiàn)有的速率自適應(yīng)算法，能夠快速調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，實現(xiàn)對終端的靈活速率控制。本文提出的速率自適應(yīng)算法，未必是最優(yōu)的速率算法，但可以肯定這種算法一定優(yōu)于現(xiàn)有速率自適應(yīng)算法。

4 實際運行情況分析

為了驗證本文提出的改進自適應(yīng)速率算法在高壓開關(guān)柜母線溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的可行性，多次在KYN28—12型號的高壓開關(guān)柜測試成功，上傳的數(shù)據(jù)具有較低的誤碼率和較高的吞吐量。

利用自行搭建的One-NET物聯(lián)網(wǎng)云平臺采集到終端母線觸頭上的溫度數(shù)據(jù)的顯示界面，用來顯示每間隔一定時間通過溫度傳感器采集到母線觸頭上溫度變化情況。其中節(jié)點1，2，3分別代表母排上A，B，C三相溫度節(jié)點，節(jié)點4，5，6分別代表A，B，C三相觸頭溫度節(jié)點?？梢钥闯?，當(dāng)高壓開關(guān)柜工作正常運行時，母線溫度與觸點溫度大致重合。

5 結(jié) 論

本文實現(xiàn)高壓開關(guān)柜母線及觸頭監(jiān)測的信息化和智能化，保障系統(tǒng)的安全實時性。根據(jù)高壓開關(guān)柜數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，提出?yōu)化的速率自適應(yīng)路由算法，仿真分析表明該算法明顯提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣?，并在實際運行中取得良好監(jiān)測效果。下一階段的工作是盡可能地降低節(jié)點的能耗，以便更好地滿足高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)對實時性要求高的特點。