LoRa通信在分布式电网故障检测系统中的应用研究

刘 铎

（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

0 引言

随着社会经济的发展， 电网对于国计民生的重要性越显突出， 同时对供电的安全可靠性提出了更高要求，所以对电网故障必须快速反应，准确查找，及时修复。正因如此，电网故障检测系统被广泛用于记录电力系统故障过程，监测装置的运行情况等，为分析故障原因，准确地查找接地、短路、跳闸等故障提供依据。

近些年来， 基于以太网和微处理器的电网故障检测系统得到了推广应用。 而这种设备多布置于变电站保护间或厂房配电室内， 并从保护间或配电室二次端子上取信号，对低压配电网线路、台变及远离保护间或配电室的故障采集比较困难，布置不灵活。为解决低压配电网线路、 台变及远离保护间或配电室的故障及时准确采集， 研制开发一款具有模块化分布特性，远距离通讯功能，且基于超低功耗的电网故障检测系统具有十分重要的现实意义。 正是基于以上理由，本系统研究开发并成功应用于实践。该系统的硬件采用模块化设计，易于部署，便于系统的扩展和升级，具有功能、危险分散及便于布置等特点。系统能够及时准确地记录故障数据， 并上传数据致远程服务器， 能够方便地完成网络数据交换和传输各种指令任务，为实现大规模、多节点电网的智能监控和故障查找提供了可能。

本系统由传感器单元、监控单元、数据集中器和远程服务器等组成。 传感器单元现场安装，主要完成现场低压配电网线路、台变等参数监测及故障分析功能。 监控单元监测零序电压等参数，分析并记录发生的异常。 数据集中器通过4G 网络与远程服务器交互通信，传输数据；并通过LoRa 通信与传感器单元交互通信，收集各传感器单元的数据。本文就LoRa 通信技术在系统研制过程中的成功应用进行分析和阐述。

1 LoRa通信技术的优点

LoRa是远距离无线电（Long Range Radio）的英文缩写，是一种低功耗广域网无线通信技术，最初由法国公司Cycleo 研发的一种创新半导体技术［1］，后被美国一家公司Semtech 收购，Semtech 公司基于这个LoRa 技术， 开发出一整套LoRa 通信芯片解决方案和局域网无线通讯标准。 LoRa 技术经过LoRa Alliance 国际组织进行全球推广后，目前已成为新物联网应用的重要基础支撑技术［2］。 通常意义上讲通信距离远一般功耗高，低功耗的一般覆盖距离近，两者相互矛盾。 LoRa 通信的最大优点，也是最大特点就是在相同的功耗情况下比其他无线通信方式传播的距离更远，实现了远距离和低功耗的统一，它在相同功耗条件下比传统的无线射频通信距离扩大数倍。LoRa 通信技术吸收了其他通讯模式的众多优点，性能较传统的调制解调技术有了明显优势和进步。 单就技术而言，LoRa 通信技术具有长距离、低功耗、低成本、易于部署［3］、标准化等特点。

1.1 功率消耗低

LoRa 通信在技术上进行了许多创新和优化，采用线性扩频调制技术，扩频因子的大小决定LoRa 的传输速率， 只要根据需要对扩频因子进行相应的调整， 即可方便地改变传输速率，LoRa 采用自适应数据速率方案， 自动优化网络性能和终端节点容量规模，使每个终端节点的扩频因子、输出功率、通信数据速率、带宽等最大优化，其接收电流小于10 mA，休眠电流低达200 nA， LoRa 的发射功率远比传统通讯模式小的多，具有独特的低功耗性能优势［4］。

1.2 抗干扰性能强

线性扩频调制技术具有很好的抗干扰性能，Lo-Ra 通信技术采纳了这一扩频技术的优点，提高了网络效率并消除了干扰。 信号在解扩和还原过程中有效地避免了干扰信号的影响， 保证信号在长距离传输中不失真，即使在较高噪声环境干扰下，通信质量仍基本保持不变，保证联网不受影响。 LoRa 通信远距离传输性能也受益于其抗干扰能力。

1.3 传输距离远

影响无线通信传输距离的因素很多， 诸如系统的发射功率、带宽利用率、信噪比和安装现场环境等因素［5－6］。 为实现对上述因素的有效控制，LoRa 通信技术采用线性扩频调制技术， 充分利用有限的通信带宽资源，提高信噪比，有效改善信号质量，使信号覆盖范围更大，传输距离更远。 通信距离可达14 km以上，空旷地方甚至更远。 LoRa 通信技术的信号传输距离远高于传统RF 射频通信技术的信号传输距离。 在相同条件下，RF 射频通信想要提高传输距离，必须增加中继设备，导致成本提高，维护量增加。 而LoRa 通信无需中继设备，比各种传统通信技术有明显的远距离传输优势。

2 基于LoRa技术的分布式电网故障检测系统通信网络设计与应用

2.1 系统通信网络的总体设计

本系统通信网络结构如图1 所示， 网络结构既是系统的通信框架， 对数据的传输有着至关重要的作用。 安装在现场的传感器单元与数据集中器采用LoRa 通信技术。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，数据集中器通过LoRa无线网络可方便的对网络内的所有集成有LoRa 模块传感器单元进行数据采集、监控等。远程服务器与数据集中器、监控单元采用4G 技术实现通信。 数据集中器通过4G 模块的远程通信功能 ， 把收集到的传感器的数据传输到远程服务器， 同时接收来自远程服务器的命令。 在传感器单元还集成有4G 模块，当接收到来自数据集中器的LoRa 网络的数据呼叫命令时，搜索对应于命令的时间标识的数据包，然后传感器单元通过4G 网络将这些数据包上载到远程服务器，多条传输链路以保证重要信息及时上传。信号最终从无线网络接入互联网， 通过云平台与远程服务器交互信息。

图1 分布式电网故障检测系统通信网络拓扑图

2.2 LoRa 通信的硬件结构

数据集中器由STM32、4G 模块和LoRa 模块等组成，可同时建立多条传输链路，起到数据收集和统一发送的作用， 传输性能优越。 本系统使用ATKLORA-01 无线串口LoRa 模块， 模块设计采用高效率的ISM 频段射频SX1278 扩频芯片。 工作频率410 MHz～441 MHz，以 1 MHz 频率为步进信道，共 23个信道， 投入使用时， AT 指令在线修改串口速率、发射功率、 空中速率和工作模式等各种参数， 体积小，低功耗、传输距离远。 该模块的主要功能是实现传感器单元和数据集中器之间的通信。 传感器单元由STM32L4R5ZI 型号的单片机、4G 模块和LoRa 模块等组成。 传感器通过内部指令监测设备的运行数据，并将其发送到LoRa 模块，之后在LoRa 模块内被调制为扩频的LoRa 信号向数据集中器汇聚［7］，数据集中器通过LoRa 模块收集数据， 经解调后， 由4G模块通过互联网发送到远程服务器。

2.3 LoRa 通信软件功能

传感器单元主要功能是实时采集运行参数，并进行计算和逻辑分析， 以区分是否存在瞬时或永久性故障。 发生故障时，主动上传故障数据。 对于每个采样周期的数据，记录其时间、原始数据以及采样周期，所有数据都存储在外部闪存中。当接收到来自数据集中器的LoRa 网络的数据呼叫命令时，搜索对应于命令的数据包，然后传感器单元通过4G 网络将这些数据包直接上载到远程服务器。 操作信息和其他参数，通过LoRa 通信传输到数据集中器。

数据集中器通过4G 网络从远程服务器接收故障呼叫命令并对其进行解析， 然后将命令转发给传感器单元，以便寻找和上传对应接地、短路和跳闸等故障的原始采样数据。 另一方面，它通过LoRa 通信与传感器单元交互， 主要交互内容包括工作状态信息，断电信息，短路报警信息等。必要时，这些事件信息和工作条件信息将被上传到远程服务器。

3 结束语

采用了LoRa 通信技术的分布式低功耗电网故障检测系统，使得传感器布置灵活，根据需要便于扩展，功率消耗低。 系统的各个单元协同工作，实时监控三相电流，零序电压等运行参数，判断短路、接地及跳闸等故障。整个系统可以准确记录短路、接地等故障数据，并及时上传到远程服务器。该系统具有强大的数据处理和网络通信能力， 在智能电网的故障识别和分段定位方面具有很好的应用价值。 作为一种新型的通信模式，LoRa 通信技术可以满足长距离传输，无需中继设备的引入，降低了成本，而且需要的功耗远远低于应用传统技术的通信模式。 由于传输距离远、功耗低、多节点、低成本，抗干扰等诸多特性， 因而在各类监测系统和数据采集中得到了广泛的应用。 但是LoRa 通信技术在传输容量、传输速率和实时性方面有待改善。