黨存祿 ，武文成 ，胡開偉 ，李超鋒

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點實驗室，蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué) 電氣與控制工程國家級實驗教學(xué)示范中心，蘭州 730050）

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)+的應(yīng)用，分布式電源、分布式儲能及可控負(fù)荷等的快速發(fā)展和大量接入促使電力系統(tǒng)，特別在中低壓配電系統(tǒng)中發(fā)生著重大改變[1]。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，由于技術(shù)的限制，大多采用有線通迅方式，其管理模式不能進(jìn)行有效且高效的管理，而配電網(wǎng)一般呈輻射狀結(jié)構(gòu)。因此，通過有線通迅方式實現(xiàn)配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，會造成其維護(hù)成本提高、布線施工困難、以及后期拓展性差等問題，因此大大限制了配電網(wǎng)整體的自動化程度和實用程度。

近年來由于無線通訊技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)全面自動化提供了無限可能。文獻(xiàn)[2]結(jié)合有線通迅技術(shù)與ZigBee技術(shù)探討了其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]中設(shè)計了NB-IoT在智慧城市中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[4]通過對現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)、PC技術(shù)、控制技術(shù)等的集成，并通過與有效傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，建立一個由配網(wǎng)管理中心與信息服務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等組成的配網(wǎng)服務(wù)和管理集成系統(tǒng)。而上述幾種無線通訊方式大多存在功耗與距離需求沖突的情況，基于此本文設(shè)計了基于LoRa技術(shù)的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LoRa無限通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及遠(yuǎn)程操作，因其通訊距離遠(yuǎn)、功耗極低、成本低、體積小等優(yōu)點，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)全面布點，提高數(shù)據(jù)的精確性[5]。通過組態(tài)編程設(shè)計監(jiān)控平臺負(fù)責(zé)監(jiān)控和分析采集到的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了配電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時更新以及精準(zhǔn)查詢[6]。通過Web發(fā)布功能實現(xiàn)了配電網(wǎng)的異地操作和移動查詢功能[7]。基于LoRa技術(shù)的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的不足，實現(xiàn)了全面、高效、準(zhǔn)確、智能化的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體概述

基于LoRa技術(shù)的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由下位和上位兩部分組成，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)的區(qū)域化連續(xù)、自動監(jiān)測、配電網(wǎng)狀態(tài)預(yù)警以及移動端查詢操作的功能。下位為配電網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點的硬件組成部分，通過電路驅(qū)動傳感器對電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過LoRa無線傳輸方式傳遞給上位，上位通過軟件編程實現(xiàn)對采集到配電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲以及處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行在相應(yīng)界面實時顯示，該設(shè)計主要實現(xiàn)了上位機軟件。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

上位接收到配電網(wǎng)數(shù)據(jù)之后，分為3部分實現(xiàn)對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：第1部分結(jié)合交互式配電網(wǎng)主接線圖通過表格或折線圖的方式對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示；第2部分對接收的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表、電網(wǎng)狀態(tài)預(yù)警以及特殊情況自動處理功能；第3部分實現(xiàn)對上位機軟件的Web發(fā)布功能接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的移動操作與監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall network topology

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

該系統(tǒng)的各個功能的實現(xiàn)通過力控組態(tài)軟件完成。設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層和管理層4個層次結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了一個典型的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[7]。設(shè)備層將采集的物理信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號或者是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號；控制層實現(xiàn)對各個需要監(jiān)測節(jié)點的實時監(jiān)測以及控制；監(jiān)控層通過對各個設(shè)備的集中管理來達(dá)到監(jiān)控的目的；管理層負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、處理以及查詢等[8]。作為監(jiān)控層的專用軟件，力控組態(tài)軟件對下集中管理控制層，向上連接管理層，是該系統(tǒng)在實現(xiàn)信息化中非常重要的組成部分。因此該系統(tǒng)通過組態(tài)的方式提高了系統(tǒng)的集成效率，并且大幅度縮短了系統(tǒng)集成時間[9]。

2.2 LoRa無線傳輸技術(shù)

2.2.1 LoRa技術(shù)

LoRa（long range）是 LPWAN（low-power widearea network）通訊技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司在2013年8月采用以及推廣的一種基于拓頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案[10]。這一方案改變了其他無線傳輸技術(shù)在傳輸距離和功耗之間需要采取取舍的折衷考慮方式，為用戶提供了一種簡單的能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命以及大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而拓展傳感器網(wǎng)絡(luò)[11]。LoRa技術(shù)作為近年來新型的一種無線傳輸技術(shù)，在組網(wǎng)中采用簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無論是在通信距離、拓展能力、通訊速率，功耗以及成本等方面都有著相較于其他無線傳輸方式較為明顯的優(yōu)勢[12]。表1為LoRa與其它幾種標(biāo)準(zhǔn)無線通訊技術(shù)的主要特性分析對比。

LoRa的技術(shù)特點主要有以下幾點：

（1）擴頻技術(shù)的使用增強了抗噪能力；

（2）前向糾錯技術(shù)增強了數(shù)據(jù)可靠性；

（3）數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有 1 K～300 Kbps；

（4）功耗低，2000 mh電池容量可使用約105個月；

（5）成本低，協(xié)議簡單，通信的無線頻段無需申請；

（6）網(wǎng)絡(luò)容量大，5～10 km范圍內(nèi)可接入上萬個節(jié)點。

表1 LoRa與其它幾種標(biāo)準(zhǔn)無線通訊技術(shù)的主要特性分析對比Tab.1 Comparison of main features of LoRa and several other standard wireless communication technologies

在大部分的配電監(jiān)控系統(tǒng)中面臨的主要問題有以下幾點：

（1）信號覆蓋問題：許多人跡罕至、環(huán)境惡劣，運營商信號無法覆蓋全面的區(qū)域不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）功耗問題：需要采用電池供電方式的情況下，需要定期更換電池，而在上述復(fù)雜環(huán)境區(qū)域內(nèi)，并不具備電池頻繁更換的條件。

（3）經(jīng)濟性問題：由于終端設(shè)備目的是用于采集傳感器數(shù)據(jù)，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不多，但運營商可以滿足高帶寬設(shè)備的需求，如果應(yīng)用于這類設(shè)備，則不僅占用多余的網(wǎng)絡(luò)資源造成浪費，更會消耗大量資費較高的流量。

因此，在系統(tǒng)中選用LoRa無線傳輸終端作為系統(tǒng)的設(shè)備層，以LoRa的方式克服傳統(tǒng)配電自動化中采用有線傳感器網(wǎng)絡(luò)布線困難、后期維護(hù)難度大或者其他通訊方式抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸可靠性差的缺點。

2.2.2 硬件組成

根據(jù)上述系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

系統(tǒng)的硬件主要是由傳感器、LoRa傳輸模塊、LoRa接收模塊、上位機等組成。配電自動化應(yīng)用環(huán)境都是在無人職守的情況下，有的環(huán)境復(fù)雜惡劣，因此要求設(shè)備能在極端環(huán)境下正常工作。所以選用的核心設(shè)備要滿足工業(yè)級應(yīng)用的需求。LoRa數(shù)傳終端與LoRa網(wǎng)關(guān)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能決定了整個設(shè)備的性能。因此，系統(tǒng)中采用廈門四信生產(chǎn)的型號為F8L10T LoRa數(shù)傳終端和F8926-L LoRa無線網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)器。能保證極端環(huán)境下系統(tǒng)的正常運行。

2.3 實時顯示設(shè)計

2.3.1 交互式主接線圖設(shè)計

參考配電網(wǎng)的主接線圖信息，在窗口中添加圖像對象，通過力控中矢量圖層的疊加搭建交互式主接線圖，在主接線圖中顯示配電網(wǎng)的檢測節(jié)點及其重要信息，如圖3以最直觀的方式體現(xiàn)給操作者。

圖3 交互式主接線圖Fig.3 Interactive main wiring diagram

2.3.2 曲線顯示設(shè)計

采用曲線顯示數(shù)據(jù)，可以直觀地向操作者展示配電網(wǎng)各個參數(shù)的變化，故在設(shè)計中采用了曲線的形式進(jìn)行輔助實時顯示。在LoRa終端上接入0～5 V模擬量，模擬生成傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖4中的界面僅僅作為演示。

圖4 曲線顯示Fig.4 Curve display

2.4 數(shù)據(jù)儲存

2.4.1 數(shù)據(jù)報表設(shè)計

歷史數(shù)據(jù)報表界面基于力控的數(shù)據(jù)存儲功能實現(xiàn)了配電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出。使用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，配置ODBC驅(qū)動之后，在Microsoft SQL Server中創(chuàng)建一個新數(shù)據(jù)庫，建立自定義用戶，配置監(jiān)聽程序，通過ODBCRouter實現(xiàn)力控數(shù)據(jù)庫與Microsoft SQL Server的交互。圖5為配電網(wǎng)系統(tǒng)中某一回路的運行日報表。

圖5 報表查詢界面Fig.5 Report query interface

2.4.2 實時報警

報警機制是指數(shù)據(jù)庫中某一電數(shù)據(jù)的pv值發(fā)生異常，如圖6所示，如偏離預(yù)設(shè)值的極限，會以不同的方式進(jìn)行通知，并實現(xiàn)報警記錄表格，報警界面中的表格記錄了報警的日期、時間、數(shù)值、類型等信息，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定值的限值時，所在的行會標(biāo)紅預(yù)警并發(fā)出聲音進(jìn)行報警，嚴(yán)重時會自動切除故障部分。

圖6 報警界面Fig.6 Alarm interface

2.5 Web發(fā)布

要實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的移動監(jiān)控以及操作就必須依賴于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后通過計算機、PAD等可以連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備登陸客戶端進(jìn)行訪問查詢，實現(xiàn)配電網(wǎng)監(jiān)測的智能化、移動性與實時性，對于構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，提升配電網(wǎng)監(jiān)測的自動化水平具有重要意義。故對系統(tǒng)進(jìn)行了Web發(fā)布。如圖7所示在發(fā)布過程中，Web服務(wù)器的IP地址設(shè)置為Web發(fā)布的計算機的IP地址。端口號是WebServer網(wǎng)絡(luò)組件需要使用的端口，而在計算機中一些常用的端口號常在4000以下，所以為了防止與系統(tǒng)中其他的一些程序產(chǎn)生沖突，將端口號設(shè)置為8000；在安全級別一欄設(shè)置為無限制，這樣才能授予所有用戶對發(fā)布內(nèi)容的查詢權(quán)限。

圖7 Web發(fā)布Fig.7 Web publishing

在實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)發(fā)布之后，用戶只能在接入該Web服務(wù)器內(nèi)網(wǎng)之后才能訪問，要實現(xiàn)外網(wǎng)發(fā)布需要利用內(nèi)網(wǎng)穿透。系統(tǒng)中采用花生殼動態(tài)域名解析軟件，花生殼可以提供低價優(yōu)質(zhì)的內(nèi)網(wǎng)穿透功能。如圖8所示校園網(wǎng)中，通過花生殼用一個固定IP映射內(nèi)網(wǎng)，這個固定IP相當(dāng)于公網(wǎng)IP，這樣移動終端和Web服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)通信，達(dá)到系統(tǒng)外網(wǎng)發(fā)布的目的。

圖8 內(nèi)網(wǎng)穿透Fig.8 Internal network penetration

3 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進(jìn)行了運行測試。由于LoRa具有較佳的傳輸效能，將LoRa無線終端置于距離位于實驗室LoRa無線網(wǎng)關(guān)為中心的3～5 km范圍內(nèi)的各個位置，大多數(shù)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的LoRa數(shù)據(jù)通信未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。少數(shù)節(jié)點由于信號傳輸過程中環(huán)境屏蔽影響，發(fā)生LoRa信號的較大衰減，借助中繼節(jié)點或者增強天線增益中繼之后，解決了這一問題。

Web的運行測試中，計算機接入Web服務(wù)器內(nèi)網(wǎng)情況下，通過IP地址可以訪問到系統(tǒng)。瀏覽器中主界面顯示的實時數(shù)據(jù)與力控程序同步，曲線圖顯示、預(yù)警功能、歷史數(shù)據(jù)查詢等均顯示正常。在實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透之后，在任意一臺接入互聯(lián)網(wǎng)的計算機上，瀏覽器輸入網(wǎng)址亦可以正常訪問。

4 結(jié)語

基于LoRa技術(shù)的中低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)備層采用LoRa無線傳輸技術(shù)，選用LoRa無線數(shù)傳終端，利用LoRa傳輸方式的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全面采集，采用LoRa節(jié)點可以為系統(tǒng)建成可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸通道。具有傳輸效果好、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唵?、維護(hù)及擴充方便的明顯優(yōu)勢。在監(jiān)控層基于力控組態(tài)軟件，設(shè)計交互式主接線界面，Web發(fā)布、建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)并與外部數(shù)據(jù)庫建立鏈接，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警功能，可利用在客戶端安裝的系統(tǒng)應(yīng)用程序或者在瀏覽器中訪問網(wǎng)址2種方式進(jìn)入系統(tǒng)界面，實現(xiàn)了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時、精準(zhǔn)、快速以及移動查詢和異地操作。