LoRa在电力配网低压台区通信的设计与应用

王 杰，李如兵，程天应，梅小国

（1.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州 318000；2.国网浙江三门县供电有限公司，浙江台州 317100）

1 电力配网低压台区的主要通信方式

现有通信方式中，电力配网低压台区的配电设备与配变终端通信信息采集主要以GPRS/CDMA、载波、小无线集抄等通讯方式为主，由中继模块负责采集通信设备的实时数据，通过GPRS传输到通信适配器，再由通信适配器与配变终端级联，通过配变终端将数据传输到主站系统。如在浙江省剩余电流动作保护器监测系统中漏保设备与中继模块因使用485通信方式，告警信息必须通过中继模块采集，无法实现真正意义上的异常主动告警，影响了系统的实时性；低压电网中通信“最后一公里”通道无法实施；配变台区里的温控器、门禁控制器、智能电容控制器等设备主要以有线RS485通信方式为主。在实际应用中，因使用有线方式并加装通讯设备会造成现场安装困难，而且运维难度大。配变台区通信拓扑如图1所示。

图1 配变台区通信拓扑

2 基于LoRa的电力配网通信网络设计与应用

多种通信方式同时存在，会造成通信系统庞大繁杂、操作繁琐、数据采集成功率不高、数据堵塞严重等问题，且存在通信资费高昂、运维难度大的弊端。目前电网采用的是光缆与2G网络结合的方式，存在很多问题。2016年底电网基本放弃了2G基站建设，全部采用光缆敷设；但是光缆铺设也存在费用高和部分区域施工困难等问题。可将配网通信网络分为3层，第一层为各站点汇聚的局端，主要有光缆；第二层为各台区汇聚到站点，采用1+1保护；第三层为接入层，也采用1+1保护。光缆设备采用现有的EPON方式；无线网络设备使用多天线波束成型设计、DSP（数字信号处理）/FPGA（现场可编程门阵列）实现。要实现配网上的开关设备、中继保、电表、图像监控等设备的可靠接入，首先将整个配电无线网分为3层：第一层为各站点（35 kV，110 kV变电站及营业所和供电所）汇聚的局端，主要有光缆，通过现有的光传输设备将信息汇聚到局端。第二层为各台区汇聚到站点，采用1+1保护。分配电线路上有光缆和没有光缆两种情况。

（1）线路有光缆的情况（图2）。配电线路上（有光缆）采用EPON（以太无源光网络）或GPON（无源光接入系统）的方式，用在网线连接到无线设备上作为主通道。从变电站到各台区的无线设备使用手拉手的方式连接，作为备用通道，实现1+1的通信通道保护。

图2 配电无线网第二层（有光缆）

（2）线路无光缆的情况（图3）。从台区到各设备的无线同样使用手拉手的方式连接到无线设备上作为主用通道。备用通道从台区到设备必须跳过第一个设备，接到第二个设备或者通过中保跳转到第二设备；备用通道必须保证其中一个变压器上的无线设备失效，通信通道依然可以正常运行。通过1+1保护，增加无线网络的可靠性。第三层为接入层，对于电表采集、中保、户保等数据实施采用1+1保护，对可靠性要求高的数据主要采取并发选收，通过不同的台区接入到通信网。

2.1 LoRa无线通信系统模块的设计与应用

LoRa（注：LoRa是Low Power Wide Area Network,简称LPWAN，低功耗广域网通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案）无线通信系统由集成LoRa模块的终端设备（温控器、智能电容控制器、保护器、电能表、门禁控制器）、LoRa网关、主设备（主站）组成。LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关通过LoRa无线网络可方便的对网络内的所有集成LoRa模块设备进行数据采集、监控等，LoRa组网架构如图4所示。LoRa网关是该通信系统的核心，LoRa网关将实现原通信系统中的通信适配器、集中器的全部功能，以及配变终端对温控器、智能电容控制器、门禁控制器的数据采集功能。在该网络中，LoRa网关定时对所有集成LoRa模块的设备进行数据采集，并通过与配变终端的级联关系，依照协议与配变终端进行通信，通过配变终端远程通信功能，把数据传输到主站系统，同时通过配变终端接收来自主站的命令。该系统中，需将LoRa模块分别集成到温控器、智能电容控制器、保护器、电能表、门禁控制器中；当LoRa模块与这些设备集成时，设备只需进行简单的串口对接，做好电源供给，即可完成集成工作。

图3 配电无线网第三层情况

图4 LoRa组网架构

根据对LoRa技术的了解和研究，结合配网通信系统框架的需求，针对抄配网通信中各类设备的功能和技术指标提出了硬件电路的实现方案，设计原则包括：系统的稳定性和可靠性；方便安装和维修；符合电磁兼容性标准；安全可靠的数据传输；设备具有可扩展功能。由于设备需要安装在柜体内，要有比较好的信号接收能力和抗干扰能力。因为柜体内取电比较简单，电源在这里基本不需要考虑。LoRa无线模块作为一个和设备配套使用的模块，要尽量精简模块的设计，做到小型化、简单化，兼顾更换方便性和扩展性。LoRa无线模块作为一个通信模块主要是两端的通信接口，一边是无线通信（RF），另一边采用简易的UART串口以便和其他设备连接，使用一个低功耗的MCU组织模块的工作，电源由外部引入。

LoRa模块的硬件设计主要包括：（1）RF 芯片。选用Semtech公司的 SX1276，最大输出功率 20 dBm。（2）MCU芯片。选择ST公司的超低功耗处理器STM8L151G6U6，待机功耗0.5 μA。（3）天线部分。此部分可以有2种天线接口。（4）接插件部分。采用 2.54间距的标准插针，使模块更加小型化和可方便插拔，因此要选择一个适用于电力配网系统或者可以扩展到其他领域的高性能无线模块。在设计之初就要做好调查，了解此前采用的无线方案的优缺点。目前最好的方案就是LoRa技术，该系统选用了Semtech公司生产的SX127X系列芯片，同时选择了SX1276作为无线射频的收发芯片。RF收发芯片SX1276需要配置一颗MCU来控制，并提供串口作为模块的输出。在这个模块中使用的MCU首先要能控制SX1276芯片（SPI接口），至少要有一个UART口，且功耗要低。因此选用STM8L151G6U6，是意法半导体公司开发的基于8位STM8内核的超低功耗微控制器。借助一个优秀的面向未来的超低功耗平台，采用全新的超低漏电工艺和优化的体系结构，STM8L151G6U6微控制器集合高性能与超低功耗于一身。天线的阻抗会受到电路板的铺地、外壳和安装角度等因素影响，因此在原理图设计时，天线接头与模块的天线引脚之间预留一个π形匹配电路，当天线严重偏离50 Ω时，将其纠正到50 Ω，确保正常使用。

2.2 中保采集系统的设计与应用

智能配变终端、LoRa网关、LoRa节点、中保组成完整的中保采集系统。LoRa节点负责采集中保数据，LoRa网关负责管理LoRa节点、存储中保数据，按照任务设置情况通过485级联定时将中保数据上报主站、响应主站的其他请求命令等。

整个系统按4个层次设计，分别是应用层、协议层、硬件驱动层和物理层。中保采集系统架构见图5。

（1）应用层。主要实现最终所需要的用户层面的应用功能，如参数配置查询、协议转换、数据采集、数据上报、数据的存储、事件记录、状态指示、自检等。

（2）协议层。主要包含LoRa星型组网协议、《剩余电流动作保护器规约》、《QGDW-11-143-2010电能信息采集与管理系统通信协议》。《剩余电流动作保护器规约》主要用于LoRa节点和中保通信，《QGDW-11-143-2010电能信息采集与管理系统通信协议》主要用于LoRa网关和配变终端通信、主站通信。

（3）硬件驱动层。主要分三部分，第一部分是uC/OS-II Driver,用于多任务管理，第二部分是MCU所依赖的设备固件库，STM32F103设备固件库STM32F10xxxStdPeriph_Driver，用于驱动MCU自带外设；第三部分是各外接设备的驱动程序，用以实现对外接设备的控制和操作。

（4）物理层。主要包含LoRa通信模块、GPRS芯片，GPS芯片、以太网芯片、存储Flash、MCU等各接口芯片以及它们之间的物理连接方式，属于实际的硬件设备，所有软件层面的操作，都依赖于物理层。

图5 中保采集系统架构

3 基于LoRa的电力配网通信网络的应用效果

采用LoRa技术以后，通信层级减少，优化了传输方式。通过台区试点发现数据断点率下降了64.6%，LoRa技术传输成功率达到99.99%。通过现场台区测试，目前已达到每15 min传输一次数据，一天24 h96个点，是以往通信数据量的4倍。采用LoRa技术开发的嵌入式节点通讯模块，减少了通信层级，信息获取成功率提升显著。节点通讯芯片嵌入中级保护后，稳定可靠性大幅提升，对提高农村低压电网智能化水平、减少人力成本、提高工作效率、同时加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。