宋 艷

(銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727031)

盡管供電基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)覆蓋我國絕大多數(shù)地區(qū)，但是在基礎(chǔ)設(shè)施嚴重不足的偏遠地區(qū)仍存在電力短缺的問題，離網(wǎng)運行的可再生電源是有效提升偏遠地區(qū)供電質(zhì)量的低成本解決方案[1,2]。為提高離網(wǎng)運行的可再生電源的供電質(zhì)量，需要構(gòu)建一個可持續(xù)可靠運行的電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)，但在離網(wǎng)地區(qū)建立電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多困難。首先，這些地區(qū)地域遼闊、通信基礎(chǔ)設(shè)施很不發(fā)達，因此一般的通信方式并不適用。其次，電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)必須具備對環(huán)境影響的魯棒性，能夠在缺乏運維的條件下長期穩(wěn)定運行。最后，系統(tǒng)必須具有較低的制造、安裝和運維成本。

為此，設(shè)計了一種基于LoRa和Arduino的遠程電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)(LMN)，以實現(xiàn)偏遠地區(qū)小型加工廠和家庭用戶的電力負荷監(jiān)控。從功能實現(xiàn)角度考慮，提出了一種成本相對較低的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)監(jiān)控終端與系統(tǒng)基站之間的可靠數(shù)據(jù)通信。從長期運行角度考慮，提出備用基站的系統(tǒng)構(gòu)建策略，以實現(xiàn)在基站硬件出現(xiàn)故障時自動保證系統(tǒng)的正常運行。這種方法兼顧了在惡劣環(huán)境中遠程監(jiān)控和系統(tǒng)可持續(xù)性的要求。從成本效益角度考慮，提出了基于Arduino板的硬件方案，實現(xiàn)了低成本的制造、運維，以降低該系統(tǒng)的推廣難度。經(jīng)過在室內(nèi)與室外監(jiān)控環(huán)境中的測試，證明該設(shè)計方案具備長期、穩(wěn)定和低成本運行的可行性。

1 研究背景

由于智能電網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)進行了許多有關(guān)無線電力負荷監(jiān)控的研究。這些研究之間的主要區(qū)別在于通信方法的選擇和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。ZigBee是一種無線通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于家庭電力監(jiān)控和家庭自動化。文獻[3]提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時家庭能源監(jiān)控系統(tǒng)。由于監(jiān)控環(huán)境為近距離和室內(nèi)，所提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較簡單，所有傳感器數(shù)據(jù)均由網(wǎng)關(guān)采集并上傳至服務(wù)器。通過ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)，用戶可以使用移動設(shè)備來控制監(jiān)控目標的供電。文獻[4]和文獻[5]提出了一種基于ZigBee的無線家庭能源管理系統(tǒng)，旨在降低能源消耗。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)方面，上述兩項研究只關(guān)注近距離電力負荷監(jiān)控，沒有考慮系統(tǒng)魯棒性的提高和維護難度的降低。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，Wi-Fi已成為另一種廣泛使用的電力負荷監(jiān)控方法。文獻[6]開發(fā)了基于Wi-Fi的智能建筑負荷監(jiān)控系統(tǒng)，支持實時能耗數(shù)據(jù)的驗證和控制。這是一種高效的室內(nèi)負荷監(jiān)控系統(tǒng)。由于Wi-Fi接入點(AP)安裝的便捷性，所提出的系統(tǒng)可以通過增加更多的AP來高效監(jiān)控整個區(qū)域。但是Wi-Fi是一種類似ZigBee的高效短距離通信協(xié)議，因此該系統(tǒng)在遠距離和室外監(jiān)控方面的應(yīng)用會受到限制。

文獻[7]設(shè)計了一個基于Arduino板的風電監(jiān)控系統(tǒng)。所提出的系統(tǒng)旨在使用第四代通信網(wǎng)絡(luò)(4G)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)是典型的低成本但高效的監(jiān)控系統(tǒng)，可應(yīng)用于許多離網(wǎng)地區(qū)以改善供電質(zhì)量。然而對于一些基礎(chǔ)設(shè)施不發(fā)達、環(huán)境相對較差的農(nóng)村地區(qū)，該系統(tǒng)可能無法實現(xiàn)長期運行。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)旨在監(jiān)控單個風電機組，如果要監(jiān)控多個目標對象的電力負荷，則需要在每個節(jié)點中安裝4G或網(wǎng)卡，這顯然會大大增加系統(tǒng)的安裝成本。為了解決農(nóng)村地區(qū)電力負荷監(jiān)控的挑戰(zhàn)，文獻[8]設(shè)計了一種基于短信服務(wù)(SMS)的太陽能發(fā)電廠遠程電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用短信作為遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制方式，避免了通信距離的限制，不受當?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施發(fā)展的阻礙。然而，SMS 的可持續(xù)性、維護和局限性并未在該文獻中提及。

2 基于LoRa和Arduino的監(jiān)控系統(tǒng)

基于LoRa和Arduino的電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)主要由功率測量裝置和無線通信基站兩部分組成。功率測量裝置稱為LoRa網(wǎng)絡(luò)電表(LMN電表)，無線通信基站稱為LoRa網(wǎng)絡(luò)基站(LMN基站)。在介紹LMN電表和LMN基站之前，首先討論無線通信方式的選擇。

2.1 無線通信方式

可供選擇的典型無線通信方式有：基于IEEE 802.11b的Wi-Fi、基于IEEE 802.15的ZigBee、短信息服務(wù) (SMS)、蜂窩通信技術(shù)通信(4G或5G)等[9,10]。

Wi-Fi是基于IEEE 802.11的穩(wěn)定且高速的多點無線通信方式[11]，但是存在通信范圍有限的缺點。ZigBee是基于IEEE 802.15的短距離無線通信方式，最遠僅支持100米的通信距離[12]。第四代、第五代蜂窩通信技術(shù)(4G和5G)可以通過增加基站數(shù)量來無限擴大覆蓋范圍，但存在安裝成本高的問題[13]。SMS是一種點對點商業(yè)通信方式，存在維護成本的問題。

LoRa是一項遠程無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，通信范圍超過1000米[14]。LoRa支持靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可通過多跳網(wǎng)狀的設(shè)計組成“無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)”(MESH)，可在簡化通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上拓展覆蓋范圍，同時降低了安裝成本[15]。

經(jīng)過通信距離、成本等因素比較，LoRa是構(gòu)建本研究無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇。

2.2 LMN電表

2.2.1 通信算法

著眼于以較低成本盡量擴大覆蓋范圍，LMN電表以多跳網(wǎng)狀形式組成電力負荷無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

在電力負荷無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，每個LMN電表都被設(shè)計為既是通信終端又是中間站。每個LMN電表都基于唯一的設(shè)備號實現(xiàn)相互識別并自動協(xié)作，使監(jiān)控系統(tǒng)擴大了通信范圍。以圖1中的1號電表為例，該表處于基站的通信范圍之外，通過其他LMN電表的中繼得以實現(xiàn)與LMN基站的通信。

LMN電表的整體算法包括三個部分：通信算法部分、傳感算法部分和計時器算法部分。通信算法的主要功能是：(1)識別通信范圍內(nèi)的相鄰LMN電表，同時驗證通信的有效性，記錄通信源的設(shè)備號；(2)執(zhí)行來自LMN基站的控制信號。詳細步驟如算法1所示。

(1)信號源類型分析。系統(tǒng)包含兩種類型的信號：LMN基站信號和LMN電表信號。如果是LMN基站信號，則下一步是判斷LMN基站控制信號的目標設(shè)備是否是本地設(shè)備。如果控制目標是本地設(shè)備，則LMN電表依據(jù)LMN基站控制信號執(zhí)行四個功能模塊電源開關(guān)、數(shù)據(jù)重發(fā)、初始化和鄰居模式切換中的一個或多個。

圖2所示的算法以2號LMN電表為例，顯示了如何確定信號的目標設(shè)備是不是2號電表。

(2)執(zhí)行四個功能模塊。當離網(wǎng)電源的負荷過大或負荷恢復(fù)正常水平時，則LMN電表通過電源開關(guān)模塊是控制繼電器來開啟或關(guān)閉監(jiān)控對象的電源。如果LMN基站未在單位時間內(nèi)收到本地電表數(shù)據(jù)，則發(fā)送控制信號啟動LMN電表的數(shù)據(jù)重發(fā)模塊將本地存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送至LMN基站。初始化模塊是根據(jù)LMN基站的控制信號設(shè)置本地電表的定時器。鄰居模式切換模塊是根據(jù)控制信號將LMN電表切換為LMN基站與其目標電表之間的中繼電表。

(3)通信有效性驗證。如果是鄰居LMN電表信號，則進一步檢測通信的有效性，即驗證接收到的信號是否包含不完整的數(shù)據(jù)。驗證方法是檢查數(shù)據(jù)包損失率(RPLR)，其計算公式是：

(1)

其中，DSend是發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，DReceive是接收數(shù)據(jù)的長度。RPLR為0表示該通信數(shù)據(jù)有效，則將該信號源的設(shè)備號記錄為鄰居。

(4)在完成通信數(shù)據(jù)有效性的檢測之后，下一步是驗證鄰居模式。如前所述，如果切換至鄰居模式，則中繼電表將與其他鄰居電表合作，屏蔽并通過目標儀表的信號。來自LMN基站的控制信號包括兩部分，即電源開關(guān)和目標電表設(shè)備號。如控制信號為“Co-1-2-9”，其中“Co”表示鄰居模式,第一個數(shù)字“1”表示開啟，第二個數(shù)字“2”表示本地電表的設(shè)備號，最后一個數(shù)字“9”表示目標電表的設(shè)備號，因此該信號的含義是：打開2號電表的鄰居模式，讓其成為基站和9號電表之間的中繼電表。如圖所示1，當2號電表接收到來自其他鄰居電表的信號時，首先驗證該信號是否來自其目標電表，即9號儀表。如果是，則2號電表會自動將此信號轉(zhuǎn)發(fā)給基站；反之，2號電表將基站的控制信號轉(zhuǎn)發(fā)給9號電表，使9號電表不僅可以上傳數(shù)據(jù)，還可以接收LMN基站的控制信號。通過該算法可以延長LMN基站與LMN電表之間的通信距離。

圖2 LMN電表的總體算法

2.2.2 定時器算法

考慮通信系統(tǒng)容量、通信速度、制造成本等因素，為實現(xiàn)多點對單點通信，基于時分多址(TDMA)技術(shù)設(shè)計定時算法以完成LMN電表的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。每個電表都有唯一的設(shè)備編號和數(shù)據(jù)發(fā)送時間。因此，在特定時間點上只有一個LMN電表向LMN基站發(fā)送數(shù)據(jù)。每個電表的數(shù)據(jù)發(fā)射時間設(shè)計為LMN電表設(shè)備號的函數(shù)：t=ε×No，其中t為數(shù)據(jù)發(fā)送時間，ε是時間間隔，No是LMN電表的設(shè)備號。定時算法累加周期數(shù)。在研究發(fā)射時間時，該算法結(jié)合傳感和通信部分的結(jié)果并發(fā)射最終結(jié)果。本研究通信部分的結(jié)果稱為鄰居信息。在通信算法階段提到，每當算法檢測到接收到的信號沒有丟失時，就會記錄該信號源的設(shè)備號。因此，在啟動時，篩選出單位時間內(nèi)記錄的有效通信頻率最高的LMN電表的設(shè)備號作為輸出。例如，“02-0.50/225-9”表示該信號來自2號LMN電表，電流值為0.5 A，電壓為225 V，2號LMN電表和9號LMN電表之間的信道質(zhì)量在LMN電表的通信范圍內(nèi)最高。

2.2.3 硬件設(shè)計

LMN電表的硬件設(shè)計框圖和實物如圖3所示。為了降低生產(chǎn)成本及維護難度，以及便于安裝并提高系統(tǒng)的可持續(xù)性，LMN電表的主控板是基于Arduino UNO開發(fā)板設(shè)計的，其他主要組件的型號為：電流傳感器TA12-100、電壓傳感器ZMPT101B、繼電器BC548-Arduino 5V、LoRa通信模型AS32-TTL-1W、空氣開關(guān)(JEB-E2S)和兩個電源轉(zhuǎn)換器GMS0612-12V和GMS0205-5V。

(a)設(shè)計框圖

2.3 LMN基站

2.3.1 LMN基站

LMN基站是集中采集和管理電力負荷數(shù)據(jù)的設(shè)備，主要功能包括：控制信號傳輸、數(shù)據(jù)管理和上傳、數(shù)據(jù)丟失檢測和自我控制。LMN基站的算法包括三個定時器算法：通用定時器、重發(fā)定時器和LMN定時器。通用定時器用于計算監(jiān)控周期。LMN基站啟動后，首先在通信范圍內(nèi)發(fā)送初始化信號以統(tǒng)一每個LMN電表的定時器。由于電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)是基于TDMA設(shè)計的，因此通過計算監(jiān)控周期，LMN基站可以計算出所有LMN電表的數(shù)據(jù)發(fā)射時間。如果LMN基站在從該LMN電表的數(shù)據(jù)發(fā)射時間到允許延遲的時間段內(nèi)未能接收到來自該LMN電表的信號，則通用定時器喚醒重發(fā)定時器。重發(fā)定時器用于發(fā)送重發(fā)控制信號。如前所述，在完成初始化后，LMN電表會被基站臨時存儲。如果LMN基站發(fā)送重發(fā)控制信號，對應(yīng)的LMN電表收到該信號后，重新發(fā)送之前的數(shù)據(jù)。但是如果LMN基站仍然無法接收到來自對應(yīng)LMN電表的信號，則在等待另一個延遲周期后，LMN基站喚醒最后一個定時器，即LMN定時器。

LMN電表的數(shù)據(jù)存儲在LMN基站中的兩個獨立的數(shù)據(jù)庫中：一個數(shù)據(jù)庫存儲每個電表的電流和電壓值，以及數(shù)據(jù)上傳的時間；另一個數(shù)據(jù)庫是鄰居信息數(shù)據(jù)庫，存儲每個LMN電表的相鄰電表的設(shè)備編號。LMN定時器通過查詢鄰居信息數(shù)據(jù)庫找到LMN電表的鄰居電表，通過該鄰居電表可以接收來自丟失的LMN電表的信號。LMN基站的算法示意圖如圖4所示。

圖4 LMN基站的算法示意圖

以9號和2號LMN電表為例進一步說明LMN定時器的查詢過程。LMN定時器喚醒后，LMN定時器查詢鄰居信息庫，找到9號LMN電表。此時，9號LMN電表是在2號LMN電表的鄰居位置找到的；隨后，可向2號LMN電表發(fā)送控制信號“Co-1-2-9”實現(xiàn)9號LMN電表的數(shù)據(jù)上傳。如果在鄰居信息庫中發(fā)現(xiàn)有多個LMN電表是丟失LMN電表的鄰居電表，則LMN基站隨機選擇目標電表。

LMN基站是基于Arduino板Arduino Mkr Zero開發(fā)設(shè)計的。之所以選擇它作為LMN基站的主板，主要有以下幾個原因：首先，與Arduino UNO的SRAM只有2kB相比，Mkr Zero的SRAM為32 kB；其次，Mkr Zero有一個通用異步接收和發(fā)送器，支持六個串行通信通道。

2.3.2 LMN備用基站

LMN基站是監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，管理系統(tǒng)中的所有LMN電表并上傳數(shù)據(jù)。如果LMN基站不能正常運行，那么整個系統(tǒng)就會失效。為了降低LMN基站故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效的概率，提出了LMN備用基站的設(shè)計思路。LMN備用基站被設(shè)計為具有LMN基站的全部功能，但是在正常情況下LMN備用基站不處理任何LMN電表的信號，僅監(jiān)視LMN基站的操作。

LMN備用基站主要由以下四個定時器算法模塊組成——校驗定時器、通用定時器、重發(fā)定時器和LMN定時器。通過驗證每單位時間來自LMN基站的輸出信號，校驗定時器被初始化并且不會喚醒其他定時器。如果LMN備用基站不能接收到LMN基站的信號，即單位時間內(nèi)校驗定時器初始化失敗，則備用基站喚醒三個定時器，替代LMN基站管理系統(tǒng)中的所有LMN電表。

為了進一步在故障恢復(fù)的過程中減少人工干預(yù)，即使LMN基站在LMN備用基站再次檢測到基站信號時啟動了三個定時器，LMN備用基站也可以自動初始化校驗定時器。LMN備用基站待機的工作流程如圖5所示。

圖5 備用基站的工作流程

基于備用基站的設(shè)計，電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)具備了自動修復(fù)功能，可在部分硬件故障的情況下繼續(xù)保持運行狀態(tài)，增強了惡劣環(huán)境下系統(tǒng)的可持續(xù)性。

3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，設(shè)計用于上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)、LMN電表的控制以及發(fā)送有關(guān)用電的警告。此外，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還包含自動重啟功能。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于C#編程語言設(shè)計的，運行在 Windows操作系統(tǒng)之上。為解決監(jiān)控區(qū)域技術(shù)人員不足導(dǎo)致系統(tǒng)維護困難的問題，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計了遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。當數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)從本地無線跟蹤系統(tǒng)的終端設(shè)備接收到監(jiān)控數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中并上傳到遠程系統(tǒng)。管理者可以遠程訪問數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時遠程控制目標的供電。為進一步提高系統(tǒng)的實用性和可靠性，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用了兩種遠程通信方式。對于一般監(jiān)控環(huán)境，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接與遠程系統(tǒng)進行通信。對于一些無法上網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的地區(qū)，系統(tǒng)支持基于短信的遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。這種設(shè)計使系統(tǒng)適用于大多數(shù)偏遠地區(qū)，而無須擔心當?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的預(yù)警算法是基于監(jiān)控數(shù)據(jù)的一階差分。如果跟蹤目標的一階差分大于閾值，則系統(tǒng)發(fā)出警告聯(lián)系管理員。最后，為避免電腦內(nèi)存泄露造成的應(yīng)用程序死機和數(shù)據(jù)丟失，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中實現(xiàn)了自動重啟和開機功能，可在特定時間自動重啟電腦釋放內(nèi)存并啟動監(jiān)控。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的詳細信息如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能框圖

4 實驗設(shè)計

為了驗證系統(tǒng)的可用性和可行性，設(shè)計了兩個不同環(huán)境下的監(jiān)控測試。第一個實驗場景設(shè)置為多空間辦公室電力負荷監(jiān)控，實驗地點位于某職業(yè)技術(shù)學(xué)院的教學(xué)樓，電源是電網(wǎng)電源。第二個實驗場景設(shè)置為戶外家庭電力負荷監(jiān)控，實驗地點是包括44戶家庭和近150名居民的某農(nóng)村地區(qū)。第二個實驗旨在實現(xiàn)從農(nóng)村地區(qū)與設(shè)置于學(xué)校的服務(wù)器的遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制。該農(nóng)村地區(qū)的所有用電量數(shù)據(jù)均在學(xué)院的機房收集。實驗農(nóng)村地區(qū)的電源是一個離網(wǎng)太陽能發(fā)電廠(329150W太陽能電池板，總功率為4.8kW)。

4.1 室內(nèi)電力負荷監(jiān)控

與一般無線電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)通信范圍廣，結(jié)構(gòu)靈活，無須完善的基礎(chǔ)設(shè)施，即可同時監(jiān)控不同辦公空間。因此，第一個實驗旨在監(jiān)控兩個樓層三個不同辦公空間中三種電子設(shè)備的電氣負荷——2樓兩個不同房間中的一臺計算機和一臺三維 (3D) 打印機；4樓的一個房間里的一臺電腦。由于室內(nèi)監(jiān)控環(huán)境距離近，接入系統(tǒng)設(shè)備少，只使用了一個LMN基站，部署在2樓的一個房間中。

LoRa的通信參數(shù)如表1所示。載波頻率是根據(jù)通信速度和范圍之間的平衡來決定的。在本研究中使用433 MHz。擴展因子與信噪比 (SNR) 成正比。因此，要實現(xiàn)更高的SNR，擴展因子應(yīng)設(shè)置為更大的值。然而，為了減少數(shù)據(jù)包的傳播時間，本研究中的傳播因子設(shè)置為10。室內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定，未考慮外部環(huán)境對監(jiān)控系統(tǒng)的影響。因此，為了減少傳播時間，編碼率設(shè)置為4/8。

表1 室內(nèi)LoRa的通信參數(shù)

4.2 室外電力負荷監(jiān)控

第二個實驗的地點為與第一個實驗地點相距300千米的偏遠農(nóng)村地區(qū)。該地區(qū)監(jiān)控面積是室內(nèi)實驗監(jiān)控面積的近40倍，包括44戶家庭。為了實時監(jiān)控所有家庭的家庭用電情況，使用了44個LMN電表。此外，實驗區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜，住戶分散，與離網(wǎng)太陽能發(fā)電廠的距離為5～2000米不等。

在該場景中，考慮接入LMN電表的數(shù)量、所需的通信范圍和當?shù)氐匦?，對電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)進行合理設(shè)計。電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)技術(shù)將監(jiān)控區(qū)域劃分為兩個獨立的區(qū)域，每個區(qū)域建立一個LMN基站。通過設(shè)置LoRa模型的不同通信頻率來實現(xiàn)FDMA。具體來說，這兩個不同的通信通道被標記為通道1(CH1)和通道2 (CH2)。負責管理每個信道中的LMN-meter的基站表示為 LMN基站1和LMN基站2。CH1用作22個LMN電表的通信通道。LMN基站2使用CH2管理其余LMN電表。得益于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)中基站位置的選擇較為靈活，無須設(shè)置在每個通信區(qū)域的地理中心。為了避免信號被大樹等障礙物阻擋，基站安裝在約7米高的桿子上，并配有全向天線。

因為LMN基站被安裝在桿上，因此使用電線連接執(zhí)行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的計算機和基站的方法不再適用。為此設(shè)計了一個LMN終端，主要功能如下：(1)接收來自LMN基站1和LMN2基站2的信號，并將接收到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；(2)從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中讀取控制信號并發(fā)送給兩個基站。類似于兩個LMN基站之間的獨立通信，LMN基站和LMN終端之間的通信也是采用FDMA技術(shù)。安裝兩個備用基站用于監(jiān)控兩個LMN基站。備用基站位于監(jiān)控目標附近。此外，為了進一步研究環(huán)境因素對太陽能發(fā)電廠和所設(shè)計的電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)的影響，設(shè)計了一種針對外部環(huán)境監(jiān)控的新型LMN電表。環(huán)境監(jiān)控LMN儀表的通信和定時器算法與一般LMN電表相同；唯一的區(qū)別是傳感部分。具體來說，這臺儀表的傳感器是一個三合一的環(huán)境傳感器，可以監(jiān)測所處環(huán)境的照度、濕度和溫度。環(huán)境監(jiān)控LMN儀表安裝在太陽能電站上，使用與LMN基站1相同的通信信道，與1號LMN電表無線連接。最后，在300千米之外的學(xué)校機房內(nèi)安裝一臺計算機，通過互聯(lián)網(wǎng)接收來自該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

LoRa系統(tǒng)的通信參數(shù)如表2所示。需要指出的是，為提升通信系統(tǒng)的魯棒性，編碼率設(shè)置為4/5。

5 實驗結(jié)果與分析

為闡明研究成果，接下來分別討論兩個實驗結(jié)果。

5.1 室內(nèi)用電負荷監(jiān)控結(jié)果

經(jīng)過一個月的室內(nèi)用電負荷實際測試，結(jié)果為三個位置的數(shù)據(jù)包傳遞率均為100%，表明該系統(tǒng)的通信速度快，可靠性高。經(jīng)實地測試，系統(tǒng)延遲小于200ms，表明LoRa滿足實時監(jiān)控的要求。

表2 室外LoRa的通信參數(shù)

5.2 農(nóng)村地區(qū)家庭用電負荷監(jiān)控結(jié)果

太陽能電站于2020年2月開始運行，2020年2月至2019年5月監(jiān)控期間，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包送達率為100%，證明該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以在農(nóng)村地區(qū)實現(xiàn)可靠通信，并且說明提出的LMN基站定時器算法是實現(xiàn)遠程監(jiān)控的一種很好的方法，能夠防止數(shù)據(jù)包丟失，提高系統(tǒng)的可靠性。在速度方面，經(jīng)實際測試，系統(tǒng)時延始終保持在500ms以內(nèi)(從LMN電表到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))，考慮LoRa系統(tǒng)的低碼率和室外環(huán)境，該通信速度令人滿意，且能夠達到實時監(jiān)控的要求。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收集用電量數(shù)據(jù)并發(fā)送至學(xué)校機房。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的引入提高了電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在遠距離環(huán)境中的可用性，實現(xiàn)了遠程電力負荷實時監(jiān)控和自動預(yù)警。

為了進一步討論研究結(jié)果，下面分析系統(tǒng)總功耗、環(huán)境因素、家庭用電類型和供電政策對所設(shè)計系統(tǒng)長期運行的影響。

5.2.1 總功耗和環(huán)境因素分析

實驗區(qū)域所有住戶的日均用電量的總和如圖7所示。

圖7 監(jiān)控數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)監(jiān)控可以看出，日均用電量僅隨時間略有變化。圖7(b)顯示了實驗期間的每日溫度。由于實驗地區(qū)為山區(qū)，海拔較高，氣溫變化很大。由此可見，實驗地區(qū)的電力消耗不受季節(jié)影響。圖7(c)和圖7(d)顯示了實驗地區(qū)的日均濕度和日均照度。從圖中數(shù)據(jù)可知，實驗地區(qū)的濕度和照度變化較大。在如此惡劣的環(huán)境中，實驗系統(tǒng)也表現(xiàn)出很高的通信穩(wěn)定性，這證明了系統(tǒng)的魯棒性。

5.2.2 家庭用電類型分類和供電策略

受益于所提出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，可以用來對實驗區(qū)域44戶家庭的大量高質(zhì)量實時用電數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和分析。

本研究使用k均值算法處理實時用電數(shù)據(jù)。k均值聚類是一種廣泛使用的分類方法，具有快速且簡單的優(yōu)點。在所有的聚類模型中，當k均值聚類算法將N個數(shù)據(jù)分配給k個不相交的簇(k為目標簇數(shù))時，k值須預(yù)先設(shè)定。為優(yōu)化k值的設(shè)定，使用輪廓系數(shù)衡量一個目標對象與其自身簇中的其他對象和其他簇中的對象相比的相似程度。輪廓系數(shù)RSC的計算方法為：

(2)

其中a(k)是平均簇內(nèi)距離，b(k)是k的平均最近簇距離。輪廓系數(shù)的范圍從-1到+1，其中+1是最佳值。假設(shè)存在m個聚類場景并將其標記為i=2到m。對于每個場景，使用k聚類算法和輪廓系數(shù)對用電數(shù)據(jù)進行聚類以評估結(jié)果。經(jīng)過m個聚類輪次后，得到了m個輪廓系數(shù)，選取其中最大值以呈現(xiàn)最好的聚類結(jié)果。

應(yīng)用于實驗中所有家庭的累計電力負荷的聚類過程如圖8所示。

圖8 聚類過程

聚類結(jié)果顯示，最好的分類結(jié)果出現(xiàn)在兩組聚類中。第一組包括三戶(CH1的第10戶和第14戶，CH2的第10戶)，如圖9(a)所示。該組每戶累計用電量超過100kW·h，三戶總用電量占總用電量的29.48%，因此這三個家庭被標記為高耗電家庭。

圖9 累計用電量

圖9(b)為晚上6點到早上7點的夜間累計用電量，其自聚類結(jié)果為3組。第一組仍由三個高耗電家庭組成。第二組為9戶(CH1第8、10、12、14、16、22戶，CH2第3、6、10戶)。該組每戶夜間用電量低于60 kW·h、超過4060 kW·h，因此被標記為夜間高耗電家庭。

至此，根據(jù)聚類結(jié)果將家庭分為三種類型：高耗電家庭、夜間高耗電家庭和一般耗電家庭。當離網(wǎng)電站的電池容量不足以支持全村用電時，用電類型分類結(jié)果可作為離網(wǎng)光伏電站管理者制定供電政策的依據(jù)。如首先使用電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)閉高耗電用戶的供電，以為更多家庭提供更長時間的供電。如果這個策略仍然不能解決在電網(wǎng)供電之前支持剩余用戶的供電問題，則繼續(xù)切斷夜間高耗電用戶的供電。這種延長離網(wǎng)電廠供電時間的方法，可有效提升離網(wǎng)地區(qū)的用戶側(cè)管理質(zhì)量。

5.2.3 成本評估

為了更全面地評估所設(shè)計系統(tǒng)的可行性，需要進一步討論系統(tǒng)實施所需的基礎(chǔ)設(shè)施和維護成本，并與其他商業(yè)化的智能電表產(chǎn)品進行比較。比較結(jié)果如表3所示。

表3 所設(shè)計系統(tǒng)與其他商業(yè)產(chǎn)品的比較

大多數(shù)商業(yè)智能電表使用Wi-Fi、ZigBee 或以太網(wǎng)作為通信模式，需要完善的基礎(chǔ)設(shè)施和運維服務(wù)。此外，這些商業(yè)產(chǎn)品的維護高度依賴制造廠家，成本無法估計。相比之下，本文方法可以在大多數(shù)地區(qū)實施，不受當?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施發(fā)展的限制。LMN電表的硬件成本與其他商業(yè)智能電表的成本相似，而且在批量生產(chǎn)的情況下，LMN電表單價還會降低。LMN電表和基站最主要的配件為Arduino板，其價格相對較低，且非常容易采購，為該系統(tǒng)制造與運維的成本下降進一步創(chuàng)造了空間。本文提出了LMN備用基站的設(shè)計思路，使得該系統(tǒng)具備一定的自修復(fù)功能，進一步降低了系統(tǒng)運維難度，提升了系統(tǒng)可在惡劣環(huán)境下長期運行的可靠性。

6 結(jié) 論

可直接應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施不發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)的無線遠程電力負荷監(jiān)控產(chǎn)品性能不能滿足實際需求，為此本文開發(fā)了基于LoRa和Ardurino的無線遠程電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)。所提出的系統(tǒng)可以自動控制每個電表節(jié)點的功能，并最終根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，防止數(shù)據(jù)丟失，無須人工干預(yù)。該設(shè)計為有效的遠程通信提供了一種靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本和難度，提升了離網(wǎng)地區(qū)電力負荷的監(jiān)控質(zhì)量。此外，所提出系統(tǒng)的硬件基于Arduino板，提供了一個簡單且成本相對較低的制造過程，并降低了維護成本。

通過應(yīng)用所提出的系統(tǒng)來監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境中的電力負荷和室外環(huán)境中農(nóng)村家庭的電力消耗，證明了所提出的系統(tǒng)在大多數(shù)無線電力負荷監(jiān)控場景中的有效性。