低功耗广域配用电通信系统架构与软件设计

孙严智，胡劲松，刘宇明

（云南电力调度控制中心，昆明 650011）

0 前言

配用电通信网，作为直接服务于客户的电力系统中低压环节，是智能电网的重要环节。但现有电力通信网呈现“高压骨干网强，中低压接入网弱”的状态，配用电通信网络整体基础薄弱、发展滞后，不能满足国家电网“双向数据互动”和“精细化业务管理”，以及 “全覆盖、全采集、全管控”的趋势特点，配用电通信网的发展成为了当前电力通信网络规划的重点和难点。低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术作为物联网领域的新兴热点技术，在功耗、传输距离和网络成本等环节弥补了现有通信技术的短板，是配用电通信网未来发展的重要支撑技术手段。

1 配用电通信网

现有配用电通信网更多地以有线方式为主（光纤通信、电力线载波），传统无线方式为辅进行通信。已有无线通信解决方案受制于成本、传输距离、终端寿命等多方因素的限制，应用的多场景布局局限性很强。具体来说，无线公网通信技术（2G/3G/4G）接入，由于所达范围有限、租用成本较高及安全问题在现有配用电网有部分应用；短距离无线通信技术（蓝牙、zigbee等），在配网有少量试点应用；微波、数传电台等无线通信方式，仅仅在局部小范围成碎片化实用状态。随着分布式能源网络、能源互联网络、电动汽车系统等新业务和系统的引入，配用电通信网技术需求和建设成本的矛盾如图1所示，主要体现在以下几个方面。

1）网络“长、广、深”分布，大量区域覆盖差。配用电通信网络需要覆盖中压变电站出线到用户端的用电线路，覆盖范围大，传输路径长（几十千米），采用有线通信方式，通信网络受到线缆布设和成本的制约，如果采用传统无线方式，则受到覆盖范围的制约，所以导致大量区域（市郊和乡村）覆盖差或无覆盖。

2）网络环境复杂，覆盖难，无线覆盖效果不佳。配用电网络分布受到用户、地形和建筑特点的限制，同时监测设备常放置在环境较为恶劣的场所（地下室、水泵房、天井、楼顶、洞内厂房等），导致有线架设困难，无线通信方式覆盖和穿透能力不好，覆盖难，盲点多，信息采集和传输成功率低。

3）城、乡配网差异大，缺乏统一兼容的低成本实现方式。配用电网络由中压变电站到用户端成平面式辐射结构，其中城市10kV变压器节点密度大，分布广且通信死角多，郊区和农村配用电通信网较为稀疏，单线距离长，现阶段缺乏兼容低成本实现方案。

4）配、用电网络业务众多，缺乏统一的规划、管理。与配用电通信网的平面辐射形式相比，用电通信网络终端呈现立体化密集分布，配用电众多业务隶属于不同部门，网络建设缺乏统一的规划、各业务网络彼此孤立、造成通信资源浪费，网络架构不合理、接口单一、兼容性差。

5）设备种类多，数量巨大，故障排查困难，同时海量泛在化接入需求迫切。配用电网设备种类较多，配用电网络中的采集节点达到千万量级，配网中的泛在化海量通信接入需求迫切，但同时配网分布广、单线距离长、设备多导致故障排查较为困难。

2 低功耗广域网技术

低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术是物联网领域一项新兴的热点技术，代表了其无线通信技术新的演进和发展趋势。与传统的宽带通信系统不同，低功耗广域网技术的研究重点不是如何提供更高的数据传输速率，而是侧重于在功耗、传输距离和网络成本方面弥补现有通信技术的短板。节点通信距离突破了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee技术的限制，可以达到几十千米；节点超低能耗，终端寿命可达十年；芯片成本低于2美元。低成本、低功耗、广覆盖的特点使得低功耗广域网技术在井盖监控、停车位监控、智能交通、智能农业等方面有所应用。

图1 配网通信的难点

LoRa的低功耗、长距离、低成本、支持大规模应用等特性，成为了配用电通信网的理想选择。LoRaWAN协议架构如图1所示，为了实现低能耗的广域覆盖，LoRa技术在物理层使用线性调频扩频而非频移键控（FSK）调制，提高了接收机的灵敏度，同时降低了能耗，上下行同频半双工通信，单芯片系统带宽为2Mbit/s，由8个125 kbit/s的信道组成，每个信道可以灵活使用扩频因子为SF7-12的6种扩频方式。

终端在有数据传输需求时，采用随机接入8个信道方式避免干扰。终端和网关节点，根据距离、信号强度和消息发送时间等因素，确定通信使用的扩频因子SF，从而灵活调整通信速率。考虑到不同场景的需求，协议定义了A、B、C三类设备，其中A类设备功耗最低，使用广泛。

3 电力配用电通信网络架构

配用电网是电能分配、使用的重要通道，是直接为用户提供服务的中低压电网。网络架构即需要保证系统的稳定可靠，又需要满足配电环境监控、配电设备监测、用电信息采集、智能用电等多种业务需求，所以基于低功耗广域的配用电通信系统架构主要包含3个域，信息采集域、信息传输域和应用服务域，如图3所示。

图2 LoRaWAN协议架构

图3 通信网络架构

1）信息采集域：信息采集域主要根据业务需求，完成传感信息的采集。信息采集主要由配置了多个传感器的传感终端完成，传感采集终端部署在不同的采集点上，完成综合标量信息采集，并通过低功耗广域传输模块完成信息发送。

2）信息传输域：信息传输域主要实现用户采集信息的长距离传输和共享，低功耗广域网关使用不同的组件来支持多通道、多信号的同时调制及解调，及终端灵活接入，并支持数据大并发量传输。网络服务器实现系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。

3）应用服务域：即为应用服务器模块。其功能是通过应用服务器与数据处理服务器，集中处理数据库中来自采集模块的数据，通过相关算法的统计分析，最终得到可视化分析的结论。

4 系统软件设计

在电力配网中，我们需要保证用户的接入安全可靠，还需要采集用户的用电信息，以及异常情况地处理。基于以上电力需求，我方的整体设计主要分为3部分，即信息采集、信息传输和应用服务子系统。

1）采集模块设计：终端模块通过接口程序与采集模块进行交互。终端模块依据上位机发送的指令，实时将各个传感器节点的数据，转发给下一处理环节，同时，也可转发终端模块自身节点信息，实现设备参数的重置。具体工作流程如图4所示。

图4 终端模块流程图

2）微控制器模块：微控制器的核心功能在于基于理论分析和设计的异构网络协议，对设备所接收的数据进行转发和处理。通过与低功耗传输模块进行指令数据交互，将所接收到的指令数据进行拆包和组包，并依据指令信息采集新的业务数据，最终通过本地计算模块，对数据包进行最终的计算和统计分析，或是转发上一级处理单元进行处理。

3）信息传输子系统软件设计：信息传输子系统主要完成对传感器采集的数据进行预处理，进而将处理之后的数据转发至其他服务器等待进一步的数据处理。不同网关与数据采集传感器之间形成星型的网络布局。同时，智能网关与传感器之间采用一对多的连接方式，并通过低功耗广域网的相关技术手段实现数据的收发功能；并用自定义的协议栈实现通信。利用智能终端的可扩展接口，可以对不同传感器节点进行远程调控，并将调控之后的数据重新进行记录整合。并实时等待接收上一级服务器发送过来的指令信息，根据接收的指令信息，实现数据转发，以及终端反馈等相关功能。终端层的整体工作流程具体如图6所示。

图5 控制器模块流程图

图6 信息传输流程

4）应用服务子系统设计：应用服务子系统主要完成对平台的管理控制工作，通过系统应用层的应用服务器与数据处理服务器，对数据库主机中存储的数据进行统计分析，并最终得到可视化结果。

5 结束语

低功耗广域网技术作为物联网领域的新兴热点技术，在功耗、传输距离和网络成本方面弥补现有通信技术的短板，为配用电通信网的未来发展提供了创新的机遇。

1）分析了配用电通信网存在的问题，以及如何与低功耗广域网技术优势结合，为网络的发展和创新，提供技术支撑。

2）提出了基于低功耗广域网技术的智能配用电网络架构，包含信息采集域、信息传输域和应用服务域。

3）完成了信息采集、信息传输、以及应用服务子系统的软件流程设计。

4）在信息采集子系统中细化了采集模块与微控制器模块的软件流程。

系统的流程完善与实现有待于在后续的工程实践过程中，不断完善。