廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 張志海 潘信宏 陽佑敏 彭舜杰 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局 黃嘉庚

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局輸電管理所 ，唐秀國

目前戶外的智能終端主要采用光伏供電，光伏供電具有成本低、布控簡單和無污染等優(yōu)點，是最有前途的可再生能源之一。尤其在輸電線路中，在電力桿塔上大量采用光伏供電裝置給智能終端供電。為了增加光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的總能量，需要在安裝時采取足夠的措施。由于光伏裝置通常位于偏遠(yuǎn)或較高的位置，長期戶外惡劣的環(huán)境中工作極易導(dǎo)致裝置工作不穩(wěn)定，在其運行過程中仍有可能出現(xiàn)故障或維護(hù)問題。因此，適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測光伏供電裝置對于確保戶外裝置的供電穩(wěn)定性至關(guān)重要。

針對傳統(tǒng)光伏監(jiān)測裝置整體性能差等問題，文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種基于LABVIEW 軟件的光伏監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏裝置的在線監(jiān)測；文獻(xiàn)[2]利用利用LoRa 技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種新的光伏電池板長距離輸出電壓和電流測量電路；在應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[3]為了遠(yuǎn)程監(jiān)測農(nóng)業(yè)的狀況，開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能采集茶園的各項數(shù)據(jù)，有助于管理人員監(jiān)測茶園的情況。在戶外通過光伏供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置需要設(shè)計緊湊、功耗低、成本低、抗干擾性強、安全性高等，若能大量部署將具有廣闊的應(yīng)用前景。

而在電力桿塔上的光伏供電裝置存在以下兩個不足：一是戶外的多數(shù)供電裝置不具備遠(yuǎn)程控制充放電控制功能，戶外的智能終端長時間待機會浪費供電裝置的電能，導(dǎo)致電能的利用效率低；二是電力桿塔的多數(shù)光伏供電裝置不具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程回傳功能，導(dǎo)致難以獲取供電裝置的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。為解決上述問題，必須對光伏裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測以提高系統(tǒng)性能，并及早發(fā)現(xiàn)故障，提高供電裝置的可靠性。根據(jù)工廠的產(chǎn)量及其性質(zhì)，有幾種光伏監(jiān)測策略。

上述問題促進(jìn)并鼓勵了基于軟件和硬件的信息監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。本文利用開源軟件和硬件，實現(xiàn)了基于LoRa 的低成本光伏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，對光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行處理和可視化，設(shè)計一種應(yīng)用于電力桿塔的LoRa 組網(wǎng)光伏供電裝置，可遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息。適應(yīng)性強，能夠很好地融入新的技術(shù)潮流。

1 裝置整體設(shè)計

光伏發(fā)電是目前最大的太陽能利用系統(tǒng)的核心，被認(rèn)為是可持續(xù)工程技術(shù)的基礎(chǔ)，它是將日光直接轉(zhuǎn)換成電能的方法。而LoRa 通信技術(shù)是一種遠(yuǎn)程、經(jīng)濟、低比特率的技術(shù)，它是作為物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的基本解決方案而發(fā)起的。這項技術(shù)適用于需要窄帶寬電池供電的設(shè)備，能較好地應(yīng)用在本文設(shè)計的光伏供電裝置中。光伏供電裝置的供電需確保組網(wǎng)鏈路的正常運行，并配合線路巡檢工作需求，本文設(shè)計的光伏供電裝置由光伏板、蓄電池、控制器和LoRa 組網(wǎng)模塊組成，具有實時監(jiān)測光伏供電裝置的狀態(tài)信息、控制裝置電源輸出和數(shù)據(jù)組網(wǎng)通信等功能。以下為整體系統(tǒng)設(shè)計的過程：

對整個系統(tǒng)功耗進(jìn)行估算，按照估算結(jié)果選定太陽能和蓄電池的尺寸與規(guī)格。具體來說由以下公式進(jìn)行估算：按日照時間為5h、充電效率為50%、起始電量為25%、充電同時為供負(fù)載供電，要求充電5h（一天的光照）電量達(dá)到90%，則太陽能板功率（Ws）、電池容量（C）、電池輸出電壓（V）負(fù)載功率（W）存在以下關(guān)系：Ws×5×50%=C×V×(90%-25%)+W×5。經(jīng)化簡整理，太陽能板功率選擇估算公式：Ws=0.3C×V+2.5W 電池容量的選擇估算公式：C=(3.3Ws-6.7W)/V。

按照需求選定合適控制器，要求控制器能實現(xiàn)對光伏電源系統(tǒng)的監(jiān)測和管控，其中監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括：光伏板的充電電壓、電流、充電功率；蓄電池的輸出電壓、電流、功率；負(fù)載端的電壓、電流、負(fù)載，同時還應(yīng)有設(shè)備的位置信息、閾值警告等信息的返回，綜合以上構(gòu)成控制器的基本功能。

根據(jù)實際現(xiàn)場環(huán)境和傳輸距離選定LoRa 模塊。應(yīng)用于電力桿塔中的LoRa 模塊，應(yīng)優(yōu)先滿足通訊具體、產(chǎn)品功耗的需求，同時數(shù)據(jù)接口、封裝尺寸和通訊頻段都是考慮的重點。對于本方案而言，要求選定通訊距離＞5kM、產(chǎn)品功率＜1W 的產(chǎn)品，同時尺寸需要集成在太陽能板中，需要滿足40mm×40mm 的規(guī)格要求。

MCU 的選擇。本系統(tǒng)中選擇STM32f103單片機作為系統(tǒng)的控制中心，同時與LoRa 通訊模塊和控制器相互通訊，完成LoRa 的組網(wǎng)通訊任務(wù)。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。鑒于防水性和按照便攜式的要求，需將光伏板、蓄電池、控制器和LoRa 組網(wǎng)模塊設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合電力桿塔的三角鋼鐵支架的特點，對光伏供電裝置的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用長方體設(shè)計，裝置上表面為光伏板，左下側(cè)為安裝支架，用于與電力桿塔的三角鐵架銜接，整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計合理，利用現(xiàn)有一體化太陽能鈑金及邊框做適當(dāng)改動，以適配鐵塔安裝接口及提供用電設(shè)備安裝接口。設(shè)備與供電系統(tǒng)實現(xiàn)一體化設(shè)計，整套用抱箍或螺絲鎖上鐵塔即可，可滿足輸電線路多種樣式鐵塔構(gòu)造，包括鋼管塔、鐵塔、門型塔等。裝置的里面安裝有基于LoRa 技術(shù)的組網(wǎng)模塊，用于組網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)。

2 基于LoRa 組網(wǎng)技術(shù)信息傳輸

遠(yuǎn)程低功耗(LoRa)無線平臺是全球物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要技術(shù)選擇。這項技術(shù)在ISM 頻段（如Wi-Fi 和藍(lán)牙）使用頻譜供公眾使用，其在1GHz以下的非授權(quán)頻段無需申請即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，故在應(yīng)用時不需要額外支付通訊費用。使用該技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)具有減少節(jié)點間干擾的能力，當(dāng)在小于1GHz 的頻帶中使用擴頻調(diào)制時，允許距離大于10公里的長距離，具有高節(jié)點容量（大于100個節(jié)點），因此該網(wǎng)絡(luò)的效率得到了提高。

選擇使用LoRa 的原因，主要是考慮的是它的遠(yuǎn)程通信技術(shù)且功耗極低的特點。對于部署在電力桿塔工作環(huán)境而言，由于其為鏈?zhǔn)椒植迹粌H存在距離遠(yuǎn)的問題，同時供電也較為困難，太陽能板除了為通訊模塊供電，更重要還是為桿塔上其他智能監(jiān)測設(shè)備提供更加充實穩(wěn)定的能量來源，因此LoRa成為滿足桿塔通訊的首選方案。

本文所設(shè)計的裝置使用了最新一代的儀器和傳感器，這反過來又降低了成本，同時保證了可靠性和效率。結(jié)合LoRa 技術(shù)的低功耗的特點和輸電線路的監(jiān)測需求，本文將光伏供電裝置安裝在電力桿塔上，采用E22-400T22S LoRa 技術(shù)進(jìn)行低功耗電源控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，該方案的傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更快、功耗更低、體積更小，支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動中繼、通信密鑰功能。通過LoRa 控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，可遠(yuǎn)程控制光伏板電源的開關(guān)，實現(xiàn)對自組網(wǎng)模塊的開關(guān)機控制。

LoRa 組網(wǎng)方式的選擇：最常見的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式為星狀組網(wǎng)方式，它包括一個中心節(jié)點和多個終端節(jié)點組成。中心節(jié)點相當(dāng)于網(wǎng)點，進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制處理。但這種組網(wǎng)方式存在一些缺點，如不能多個終端設(shè)備同時發(fā)送信號，同時由于電力桿塔大多為線性分布，星狀方案的傳輸距離會受到限制。因此，在本方案中采用級聯(lián)的通訊方案，其中各個節(jié)點以串聯(lián)形式組網(wǎng)，每個節(jié)點都可以作為中繼，將無線信號傳入下一級節(jié)點，如圖1所示。此方案能極大滿足電力桿塔中低帶寬通訊的傳輸要求，同時適用于水文水情測報，環(huán)境監(jiān)控，路燈控制等場景。

圖1 級聯(lián)的通訊方案

通訊協(xié)議的選擇和設(shè)定：MODBUS 網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)常用通訊協(xié)議，它由帶智能終端的可編程控制器和計算機通過公用線路或者局部專用線路連接而成，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含硬件和軟件部分，可用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控中，現(xiàn)在已成為工業(yè)通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此選定為LoRa 通訊的協(xié)議。在進(jìn)行LoRa 組網(wǎng)通訊時，只有一個主機，負(fù)責(zé)通信的控制過程，其余通訊模塊為從機。

所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)支持247個遠(yuǎn)程從屬控制器。MODBUS 網(wǎng)絡(luò)以RTU 模式進(jìn)行通信，在消息中每8bits 字節(jié)按照原值進(jìn)行傳輸不做處理，本方式的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，在相同波特率下，數(shù)據(jù)密度比傳統(tǒng)ASCIL 更快，傳輸速度更高。對于電力桿塔現(xiàn)場環(huán)境而言，實時性和可靠性有相當(dāng)高的要求，MODBUS 協(xié)議基本能滿足本項目中的通訊需要。

3 供電裝置在線監(jiān)測功能實現(xiàn)

對于光伏供電系統(tǒng)而言，需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)眾多，當(dāng)中最主要的包括：光伏板的充電電壓、電流、充電功率；蓄電池的輸出電壓、電流、功率；負(fù)載端的電壓、電流、負(fù)載。為了系統(tǒng)的實現(xiàn)可靠性和穩(wěn)定運行，還應(yīng)增加總電源開關(guān)、溫度監(jiān)控、定位功能、閾值報警功能。同時為了便于應(yīng)用端的可視化，還應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和展示。

供電裝置構(gòu)建了LoRa 控制網(wǎng)絡(luò)，該裝置能夠以圖形方式向用戶展示可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)。所設(shè)計裝置通過上位機軟件具備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測自身工作狀態(tài)等功能，從傳感器能獲得供電裝置的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。根據(jù)電壓和電流的值，可以用功率單位為瓦特的公式計算供電裝置的功率。數(shù)據(jù)能通過在線界面（通過電腦或智能手機）訪問。

裝置具有實時內(nèi)外溫度監(jiān)測功能，某天的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，可以看出：供電裝置由于受到太陽光照的影響，中午時段的溫度較高，在晚上與凌晨期間，溫度有所下降，趨于平穩(wěn)。除了能監(jiān)測供電裝置的溫度以外，能監(jiān)測太陽能板的電氣信息等，太陽能板狀態(tài)監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖2 太陽能板溫度監(jiān)測曲線

從圖3中可以看出，在早上6點前太陽能光伏板的輸出功率為0、輸出電流為0，這是由于本文通過上位機軟件遠(yuǎn)程定時遠(yuǎn)程關(guān)閉了光伏板電源輸出。整體較好地實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測控制功能。不僅如此，還能實時查看蓄電池的工作狀態(tài)，蓄電池狀態(tài)監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖3 太陽能板狀態(tài)監(jiān)測曲線

圖4 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測

圖4中的狀態(tài)監(jiān)測曲線也能很好地體現(xiàn)光伏供電裝置在不同時間段的工作狀態(tài)。綜上，本文設(shè)計的光伏供電裝置可遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息，具有良好的在線監(jiān)測功能。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于電力桿塔的LoRa 組網(wǎng)光伏供電裝置，該裝置的優(yōu)點是能夠?qū)Π惭b在偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的光伏逆變器進(jìn)行低成本、高性能的監(jiān)控。使用該技術(shù)（LoRa 技術(shù)）的未來是通過互聯(lián)網(wǎng)連接整個系統(tǒng)，并允許連接的設(shè)備相互通信，以控制光伏逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生的能量。

該裝置能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息，較好地解決了輸電線路電力桿塔自組網(wǎng)裝置戶外供電受限、光伏供電裝置遠(yuǎn)程獲取自身狀態(tài)信息困難的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。