孫嚴(yán)智，胡勁松，劉宇明

（云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011）

0 前言

配用電通信網(wǎng)，作為直接服務(wù)于客戶的電力系統(tǒng)中低壓環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有電力通信網(wǎng)呈現(xiàn)“高壓骨干網(wǎng)強(qiáng)，中低壓接入網(wǎng)弱”的狀態(tài)，配用電通信網(wǎng)絡(luò)整體基礎(chǔ)薄弱、發(fā)展滯后，不能滿足國家電網(wǎng)“雙向數(shù)據(jù)互動(dòng)”和“精細(xì)化業(yè)務(wù)管理”，以及 “全覆蓋、全采集、全管控”的趨勢特點(diǎn)，配用電通信網(wǎng)的發(fā)展成為了當(dāng)前電力通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)。低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)技術(shù)，在功耗、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)成本等環(huán)節(jié)彌補(bǔ)了現(xiàn)有通信技術(shù)的短板，是配用電通信網(wǎng)未來發(fā)展的重要支撐技術(shù)手段。

1 配用電通信網(wǎng)

現(xiàn)有配用電通信網(wǎng)更多地以有線方式為主（光纖通信、電力線載波），傳統(tǒng)無線方式為輔進(jìn)行通信。已有無線通信解決方案受制于成本、傳輸距離、終端壽命等多方因素的限制，應(yīng)用的多場景布局局限性很強(qiáng)。具體來說，無線公網(wǎng)通信技術(shù)（2G/3G/4G）接入，由于所達(dá)范圍有限、租用成本較高及安全問題在現(xiàn)有配用電網(wǎng)有部分應(yīng)用；短距離無線通信技術(shù)（藍(lán)牙、zigbee等），在配網(wǎng)有少量試點(diǎn)應(yīng)用；微波、數(shù)傳電臺(tái)等無線通信方式，僅僅在局部小范圍成碎片化實(shí)用狀態(tài)。隨著分布式能源網(wǎng)絡(luò)、能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電動(dòng)汽車系統(tǒng)等新業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的引入，配用電通信網(wǎng)技術(shù)需求和建設(shè)成本的矛盾如圖1所示，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）網(wǎng)絡(luò)“長、廣、深”分布，大量區(qū)域覆蓋差。配用電通信網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋中壓變電站出線到用戶端的用電線路，覆蓋范圍大，傳輸路徑長（幾十千米），采用有線通信方式，通信網(wǎng)絡(luò)受到線纜布設(shè)和成本的制約，如果采用傳統(tǒng)無線方式，則受到覆蓋范圍的制約，所以導(dǎo)致大量區(qū)域（市郊和鄉(xiāng)村）覆蓋差或無覆蓋。

2）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，覆蓋難，無線覆蓋效果不佳。配用電網(wǎng)絡(luò)分布受到用戶、地形和建筑特點(diǎn)的限制，同時(shí)監(jiān)測設(shè)備常放置在環(huán)境較為惡劣的場所（地下室、水泵房、天井、樓頂、洞內(nèi)廠房等），導(dǎo)致有線架設(shè)困難，無線通信方式覆蓋和穿透能力不好，覆蓋難，盲點(diǎn)多，信息采集和傳輸成功率低。

3）城、鄉(xiāng)配網(wǎng)差異大，缺乏統(tǒng)一兼容的低成本實(shí)現(xiàn)方式。配用電網(wǎng)絡(luò)由中壓變電站到用戶端成平面式輻射結(jié)構(gòu)，其中城市10kV變壓器節(jié)點(diǎn)密度大，分布廣且通信死角多，郊區(qū)和農(nóng)村配用電通信網(wǎng)較為稀疏，單線距離長，現(xiàn)階段缺乏兼容低成本實(shí)現(xiàn)方案。

4）配、用電網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)眾多，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、管理。與配用電通信網(wǎng)的平面輻射形式相比，用電通信網(wǎng)絡(luò)終端呈現(xiàn)立體化密集分布，配用電眾多業(yè)務(wù)隸屬于不同部門，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)彼此孤立、造成通信資源浪費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不合理、接口單一、兼容性差。

5）設(shè)備種類多，數(shù)量巨大，故障排查困難，同時(shí)海量泛在化接入需求迫切。配用電網(wǎng)設(shè)備種類較多，配用電網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點(diǎn)達(dá)到千萬量級(jí)，配網(wǎng)中的泛在化海量通信接入需求迫切，但同時(shí)配網(wǎng)分布廣、單線距離長、設(shè)備多導(dǎo)致故障排查較為困難。

2 低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)

低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一項(xiàng)新興的熱點(diǎn)技術(shù)，代表了其無線通信技術(shù)新的演進(jìn)和發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)不同，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的研究重點(diǎn)不是如何提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而是側(cè)重于在功耗、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)成本方面彌補(bǔ)現(xiàn)有通信技術(shù)的短板。節(jié)點(diǎn)通信距離突破了藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee技術(shù)的限制，可以達(dá)到幾十千米；節(jié)點(diǎn)超低能耗，終端壽命可達(dá)十年；芯片成本低于2美元。低成本、低功耗、廣覆蓋的特點(diǎn)使得低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)在井蓋監(jiān)控、停車位監(jiān)控、智能交通、智能農(nóng)業(yè)等方面有所應(yīng)用。

圖1 配網(wǎng)通信的難點(diǎn)

LoRa的低功耗、長距離、低成本、支持大規(guī)模應(yīng)用等特性，成為了配用電通信網(wǎng)的理想選擇。LoRaWAN協(xié)議架構(gòu)如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)低能耗的廣域覆蓋，LoRa技術(shù)在物理層使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻而非頻移鍵控（FSK）調(diào)制，提高了接收機(jī)的靈敏度，同時(shí)降低了能耗，上下行同頻半雙工通信，單芯片系統(tǒng)帶寬為2Mbit/s，由8個(gè)125 kbit/s的信道組成，每個(gè)信道可以靈活使用擴(kuò)頻因子為SF7-12的6種擴(kuò)頻方式。

終端在有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，采用隨機(jī)接入8個(gè)信道方式避免干擾。終端和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)距離、信號(hào)強(qiáng)度和消息發(fā)送時(shí)間等因素，確定通信使用的擴(kuò)頻因子SF，從而靈活調(diào)整通信速率。考慮到不同場景的需求，協(xié)議定義了A、B、C三類設(shè)備，其中A類設(shè)備功耗最低，使用廣泛。

3 電力配用電通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

配用電網(wǎng)是電能分配、使用的重要通道，是直接為用戶提供服務(wù)的中低壓電網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)即需要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，又需要滿足配電環(huán)境監(jiān)控、配電設(shè)備監(jiān)測、用電信息采集、智能用電等多種業(yè)務(wù)需求，所以基于低功耗廣域的配用電通信系統(tǒng)架構(gòu)主要包含3個(gè)域，信息采集域、信息傳輸域和應(yīng)用服務(wù)域，如圖3所示。

圖2 LoRaWAN協(xié)議架構(gòu)

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1）信息采集域：信息采集域主要根據(jù)業(yè)務(wù)需求，完成傳感信息的采集。信息采集主要由配置了多個(gè)傳感器的傳感終端完成，傳感采集終端部署在不同的采集點(diǎn)上，完成綜合標(biāo)量信息采集，并通過低功耗廣域傳輸模塊完成信息發(fā)送。

2）信息傳輸域：信息傳輸域主要實(shí)現(xiàn)用戶采集信息的長距離傳輸和共享，低功耗廣域網(wǎng)關(guān)使用不同的組件來支持多通道、多信號(hào)的同時(shí)調(diào)制及解調(diào)，及終端靈活接入，并支持?jǐn)?shù)據(jù)大并發(fā)量傳輸。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務(wù)器端下達(dá)。

3）應(yīng)用服務(wù)域：即為應(yīng)用服務(wù)器模塊。其功能是通過應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，集中處理數(shù)據(jù)庫中來自采集模塊的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)算法的統(tǒng)計(jì)分析，最終得到可視化分析的結(jié)論。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在電力配網(wǎng)中，我們需要保證用戶的接入安全可靠，還需要采集用戶的用電信息，以及異常情況地處理?；谝陨想娏π枨?，我方的整體設(shè)計(jì)主要分為3部分，即信息采集、信息傳輸和應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)。

1）采集模塊設(shè)計(jì)：終端模塊通過接口程序與采集模塊進(jìn)行交互。終端模塊依據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令，實(shí)時(shí)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給下一處理環(huán)節(jié)，同時(shí)，也可轉(zhuǎn)發(fā)終端模塊自身節(jié)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的重置。具體工作流程如圖4所示。

圖4 終端模塊流程圖

2）微控制器模塊：微控制器的核心功能在于基于理論分析和設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)設(shè)備所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理。通過與低功耗傳輸模塊進(jìn)行指令數(shù)據(jù)交互，將所接收到的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包和組包，并依據(jù)指令信息采集新的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，最終通過本地計(jì)算模塊，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行最終的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，或是轉(zhuǎn)發(fā)上一級(jí)處理單元進(jìn)行處理。

3）信息傳輸子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：信息傳輸子系統(tǒng)主要完成對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而將處理之后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其他服務(wù)器等待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。不同網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集傳感器之間形成星型的網(wǎng)絡(luò)布局。同時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)與傳感器之間采用一對(duì)多的連接方式，并通過低功耗廣域網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能；并用自定義的協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)通信。利用智能終端的可擴(kuò)展接口，可以對(duì)不同傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，并將調(diào)控之后的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行記錄整合。并實(shí)時(shí)等待接收上一級(jí)服務(wù)器發(fā)送過來的指令信息，根據(jù)接收的指令信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以及終端反饋等相關(guān)功能。終端層的整體工作流程具體如圖6所示。

圖5 控制器模塊流程圖

圖6 信息傳輸流程

4）應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)主要完成對(duì)平臺(tái)的管理控制工作，通過系統(tǒng)應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)庫主機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并最終得到可視化結(jié)果。

5 結(jié)束語

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)技術(shù)，在功耗、傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)成本方面彌補(bǔ)現(xiàn)有通信技術(shù)的短板，為配用電通信網(wǎng)的未來發(fā)展提供了創(chuàng)新的機(jī)遇。

1）分析了配用電通信網(wǎng)存在的問題，以及如何與低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和創(chuàng)新，提供技術(shù)支撐。

2）提出了基于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的智能配用電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包含信息采集域、信息傳輸域和應(yīng)用服務(wù)域。

3）完成了信息采集、信息傳輸、以及應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計(jì)。

4）在信息采集子系統(tǒng)中細(xì)化了采集模塊與微控制器模塊的軟件流程。

系統(tǒng)的流程完善與實(shí)現(xiàn)有待于在后續(xù)的工程實(shí)踐過程中，不斷完善。