基于LoRa技术的低压集抄系统运行可靠性分析

孙 航，梁丹丹，郝凤柱，何 毅，张 鸷

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550001)

智能电网为中国电网分布的基本模式，智能电网实现了电网的智能化，其通过先进的传感和测量技术，使用先进的硬件设备实现电网的可靠、高效和使用安全。智能电网是通过物联网大数据及万物互联互通的技术实现电能在自动化生产、自动化配送、自主分配和使用等各个环节的全面数字化与信息化，其将在一定的程度上发展成一类由信息自动化网和电力网构成的相互依存网络，成为新一代的电力物联网系统。低压集抄系统为智能电网当中的重要功能之一，指的是结合先进的物联网通讯技术，通过研究计算机通讯技术、物联网通讯技术、物联网传感器技术与低压电力集抄系统技术的相结合[1]。在智能电网当中的低压集抄系统通常使用的是GPRS通讯网络技术，但是使用该技术存在着成本高、运行速度慢、运行可靠性低的问题，因此经过长时间的研究逐渐利用LoRa技术取代GPRS技术，并在水表、燃气表等领域已有成熟应用，且不存在任何的技术障碍[2]。LoRa具有跳频扩频技术[3]，是指收发双方在同时且同步的情况下，按照事先约好的跳频图案跳转通信频率。针对该问题，也存在一些较好的研究方法。文献[4]分析了计及激励型需求响应的微电网可靠性，将柔性生产线CAN和LoRa网络融合，对系统进行设计.该方法虽然对原有系统进行了合理的改进，但是这种改进大幅度的增加了成本，其可靠性随着设备的增加必然受到较大影响，因此这种系统的可靠性也存在较大问题。文献[5]分析了低电压电力线路通信系统人工蛛网模型的可靠性和生存性，探讨低压集抄系统的运行维护，探讨了稳定性的问题，但是，都是从现有系统进行探讨的，没有提出相关的改进措施。文献[6]提出了考虑可靠性的径向电力配电系统低压集抄系统规划策略，对低压集抄系统运行维护研究与改进，提出了一些改进措施，但是这种措施缺少实际应用过程，其稳定性和可靠性也得不到很好的保证。.

无线通信的健壮性主要来自外部干扰和多经衰退这两方面的挑战：外部干扰主要来自生活中经常使用无线通信如手机、无线路由、电台、遥控玩具等；多经衰退比较复杂，分析其全部影响因素几乎不可能，在实际环境中墙壁、门、树木、建筑物以及走动的人都可能造成信号的反射，所以收发双方除了无线信号直线传播路径外，还存在着多重反射路径，这些信号混合后可能造成很大的干扰。解决外部干扰和多径反射的措施就是跳频技术，通过跳转通信频率用以规避某频段的干扰和信号反射。在LoRa技术下的低压集抄系统使用了SX1278/SX1301芯片LoRa终端+DTU的模式，不仅如此还提供一款高性能、低功耗、远距离的微功率LoRa无线数据收发模块，采用半双工透明传输机制，实现不改变用户的任何数据和协议的目的。

这种新型的低压集抄系统在使用过程当中不仅需要保证系统功能可以正常运行，系统性能的可靠性直接决定了该系统的质量，因此需要在投入使用之前对系统运行的可靠性进行详细的分析。由于该系统不同于传统系统的运行方式，因此传统的可靠性评估方法不能全面的分析出系统每一个运行模块的可靠性，也就无法准确的得到分析结果。因此根据LoRa技术下低压集抄系统的特点，设计一个可靠性评估方法，方便得到该系统的最真实分析结果，保证该系统在智能电网当中的使用效率。

1 系统运行可靠性评估方法设计

分析基于LoRa技术的低压集抄系统运行可靠性主要从三个方面进行研究，分别为系统状态、系统元件以及系统负荷点[7]。将相关信息定义为系统可靠性的分析变量，分别进行具体分析，评估流程如图1所示。

1.1 定义系统可靠性评估指标

系统可靠性评估方法主要从静态和动态两个角度进行分析，定义系统可靠性评估指标参数如表1所示。

表1 评估指标参数表Tab.1 Parameter tables of assessment indicator

从表中可以看出系统可靠性指标的分析评定需要计算Pi、Ti、Fi、Ci、Di五个参量，这五个参量分别表示的是系统处于状态i的概率、为负荷缺供时长、系统处于状态i的频率、状态i条件下减少的负荷容量以及状态i的电压值。

R=Pi⊕Ti⊕Fi⊕Ci⊕Di

(1)

式中R表示的是系统可靠性直接评估指标。从系统状态、系统使用元件和系统负荷点三个层面来计算与系统可靠性有关的评估指标，使系统可靠性可以被量化分析[8]。系统状态指标主要是概率充分性指标和概率稳定性指标，最终归结为系统状态的概率计算问题。其中充分性指的是低压集抄系统的负荷供电情况，而稳定性则指的是系统状态转换的频率和概率。系统使用元件的可靠性指标一般指系统当中元件的运行情况，其主要指标参数包括：元件故障率、元件修复率、元件强迫停运率、元件可用系数以及元件正常运行平均时长等[9]。而系统负荷点的分析指标主要就是分析负荷点可以承受的最大电压以及最大功率容量。综合上述的三个方面，计算出基于LoRa技术的低压集抄系统运行可靠性指标。

1.2 系统状态判定

低压集抄系统运行的稳定状态包括两种，一种为正常运行状态，另一种为故障停运状态，而两种状态存在一种转换关系，当正常状态不能稳定进行时，就会出现状态转移，系统在此状态当中可以成为异常运行状态。进一步将低压集抄系统的正常运行状态进行划分，又分为健康状态和临界状态。其中临界状态意味着系统所承载的负荷以及到达到了能够承受的最大值，也有可能是系统元件出现故障的临界值[10]。若想得到系统可靠性的准确分析结果，需要考虑到系统运行的每一种状态，并计算系统处于某一状态上的概率和频率。

1.2.1 状态转移率

将低压集抄系统运行的转移模式用图2来表示。

按照图中的状态转移方式，可以将系统运行状态的转移率用如下矩阵来表示。

(2)

公式1当中P表示的是系统运行的空间转移频率，而矩阵当中的各个参量表示的是图2当中的转移过程[11]。定义∏(i)表示的是在Ti时刻低压集抄系统的运行状态为i，那么∏(i)的表示形式为：

(3)

将低压集抄系统运行的初始状态设为∏(0)，那么经过Δt时间之后，根据状态转移概率P，下一个时刻的系统运行状态可以利用公式4进行计算。

∏(1)=∏(0)P

(4)

那么同理经过m个时间间隔之后，系统运行状态的计算方法如公式5所示。

∏(m)=∏(m-1)P=∏(0)Pm

(5)

因此在已知系统运行初始状态以及状态转移率的情况下，即可得到任意一个时刻的系统状态，将计算的结果进行统计便可以得出系统转移变化曲线[12]，如图3所示。

从图中可以看出，低压集抄系统的运行状态会随着运行时间不断发生变化，若想要得到该系统的可靠性，需要对其正常运行的平稳状态进行计算，并得到系统平稳状态所占的概率和比重。

1.2.2 平稳状态概率

若想达到低压集抄系统的平稳状态，时间间隔的数量需要满足公式6中的条件。

NΔt→∞

(6)

此时系统出现平稳状态，利用公式5可以推导出平稳状态下的概率表达式。

∏(∞)(P-1)=0

(7)

由于公式7中的方程中只有n-1个是独立存在的，所以需要与公式7联立求解：

(8)

如此方可得到低压集抄系统的平稳状态概率值。

1.2.3 系统元件瞬时状态

系统当中各个元件的运行状态也是影响系统运行的直接因素之一，因此要判定低压集抄系统的状态，需要将系统元件的瞬时运行状态考虑其中[13]。元件的瞬时运行状态有两个模式：正常运行与故障停运，其转换情况如图4所示。

图中的λ和μ分别表示的是低压集抄系统中使用元件的故障率和修复率。当系统元件的故障率达到极限时，系统元件瞬时转变为故障状态，并停止运行。而经过修复，修复率达到一定值时，系统元件恢复正常运行状态[14]。而系统元件的故障率的计算方法为元件强行被迫停止次数与时间的乘积与运行时长做差运算，故障率的临界值为15%。而系统元件的修复率的计算方法需要借助元件的可用系数，将可用系数与元件的修复时长相乘即可得出元件的修复率，修复率的临界值为85%。若想要判断某一时刻系统元件的瞬时状态，则判断λ和μ的值即可，若λ和μ的比值小于阙值0.17则系统元件正常运行，如果大于取值则表示元件故障[15-16]。综合系统的元件以及状态转移情况，得出低压集抄系统的运行状态，在此状态下进行节点负荷以及系统电压等参数的计算与判断。

1.3 计算系统负荷承载能力

在系统正常运行的状态下，计算系统的负荷承载能力，若系统的节点超过最大过负荷量，会导致系统线路强迫停运。因此需要计算系统当中某一个节点PV上的负荷量，以及系统节点的负荷承载能力PQ，将求得的PV负荷值与PQ的值相比较，若PV>PQ则判定为第一次越权。若PV

1.4 系统电压崩溃风险评估

系统的电压可靠性需要分析电压的崩溃临界值和电容量的最大承受限度，通过分析负荷参数的变化情况，得出负荷变化时低压集抄系统当中各个节点的电压运动轨迹，使用潮流计算方式表示系统节点上负荷增长和电压变化，表达式如公式9所示。

(9)

式中：η表示的是电压的增长步长，θ为i和j之间的夹角。由此便可以得出系统节点的Fi取值。系统当中的每一个节点的电压值都会随负荷波动而增大，说明节点电压越不稳定。某一个节点的电压一旦超过节点电压的容量最大值，则会引发电压崩溃的风险，从正常运行状态到崩溃状态j，如果节点W电压相对于初始电压的变化率最大，则节点是最薄弱节点。最大电压变化风险指标Di可以通过公式10进行计算。

(10)

式中：Tmvcw表示节点电压波动最大时系统崩溃状态的统计次数；K为崩溃状态时节点的电压值。最后将计算完成的参数代入到表1的公式当中，得出最终的系统可靠性分析结果。当结果取值低于1，判定该系统运行可靠，否则判定运行存在风险。

2 实验分析

为了验证该系统运行分析方法的有效性，将其应用在基于LoRa技术的低压集抄系统当中，为了突出该方法的性能，此次实验设置对比组与实验组，分别在同一个系统环境当中，针对系统的可靠性分析结果以及结果的准确率进行具体分析。

2.1 对比组

此次实验的对比组设置为两个，分别是系统运行可靠性解析分析方法和蒙特卡洛分析方法。其中系统运行可靠性解析分析方法是根据系统的故障数据进行具体分析的，将系统当中使用的硬件设备作为分析方法的主要介质，对系统运行过程中产生的可靠度以及故障频率进行计算，依次分析故障发生的状态以及故障发生时硬件设备的状态，结合系统的部分数据得到可靠性指标。另一个对比组的方法原理是概率统计，将系统运行出现的故障概率进行建模，设立随机变量进行系统的仿真运行操作，产生一些数据和技术问题，依次作为系统运行可靠性的计算依据。按照对比组当中两种方法的使用原理和规则对目标系统进行可靠性相关分析。

2.2 实验组

此次实验中的实验组即为设计完成的系统运行可靠性评估方法，按照该方法的使用逻辑顺序，首先分析实验对象的运行状态，在此基础上对可靠性的概率、节点负荷以及电压等相关参数进行计算，分别求出不同状态下系统的运行可靠性结果。综合计算结果得出评估指标的取值，从而判定目标系统的运行可靠性和风险。

2.3 实证过程

实验的大环境选择的是智能电网当中基于LoRa技术的低压集抄系统，统一系统运行的初始状态。分别使用三种可靠性评估方法，得出相关的分析结果。对比权威的可靠性分析数据，计算三种分析结果，将分析方法的评估准确率绘制成曲线。

2.4 实证结果及分析

经过计算对比组的计算参数以及分析结果如表2所示。

表中RP.与Rs分别表示的是可靠性指标的计算结果和临界值，从而得出了分析结果。从表中可以明显看出两种方法的分析数据量较少，得出的分析结果也不一致，因此这两种分析方法的分析结果没有确实的可信度。而设计完成的系统运行可行性分析方法的分析结果如表3所示。

表2 对比组分析结果数据表Tab.2 Data table of contrast group analysis results

表3 实验组分析结果Tab.3 Analysis results of experimental group

将表中计算的可靠性指标经过公式1分别进行计算，得出每一个节点的可靠性分析结果。将实验组与对比组的分析结果与权威数据进行对比，得出有关于评估准确率的曲线如图5所示。

从图中可以看出，传统的可靠性评估方法的准确率起伏波动程度较大，最高达到80%左右，而最低只有5%，因此传统方法的在进行低压集抄信息运行可靠性分析时的平均准确率为35%左右。而设计完成的可靠性评估方法相比于传统的方法准确率变化较为稳定，在50%-80%之间浮动，经过精密计算，这种分析方法的评估准确率为60%，比传统方法高25%。

以低压集抄系统作为实验对象，该系统共有5个20 kV低压采集节点F1-F5，20个电能表和3个具有远程抄表功能的开关设备，低压集抄系统结构如图6所示。

低压集抄系统各个组件可靠性检测的时间参数如表4所示。

表4 低压集抄系统各个组件可靠性检测时间参数Tab.4 Time parameters for reliability detection of each components in low voltage collector system

根据图6低压集抄系统及参数设置结果，分别分析同一低压集抄系统不同抄表方式可靠性、同一抄表方式下系统各组件链路节点评估完整度及评估效率。

图6采集节点F1系统节点与系统节点c正常工作下的概率计算过程一致。对于同一低压集抄系统，不同抄表方式下抄表可靠性指标也大不相同。对于节点较低的抄表方式，可设置支线保护提高系统运行可靠性。采用计及激励型需求响应方法、人工蛛网模型方法作为实验对比方法，以F1、F2抄表方式为例，得到不同方法的评估可靠性对比分析结果如图7所示。

由图7可知，采用F1抄表方式时，计及激励型需求响应方法的评估可靠度平均值为66%，人工蛛网模型方法的评估可靠度平均值为38%，所提方法的评估可靠度平均值为85%；采用F2抄表方式时，计及激励型需求响应方法的评估可靠度平均值为62%，人工蛛网模型方法的评估可靠度平均值为41%，所提方法的评估可靠度平均值为86%。对比上述结果可知，所提方法的评估可靠度高，运行可靠性较好。

为验证同一抄表方式下系统各组件链路节点评估完整度，实验根据图6采集节点F1的5种抄表方式，计算各个组件链路节点完整度结果如表3所示。

表5 同一抄表方式下各组件链路节点对比结果Tab.5 Comparison resultsof link nodes of each component under the same meter reading mode

表5结果显示，采集节点F1、F2对链路节点的影响较大，采集节点F3、F4、F5次之。

根据各个组件链路节点对比结果，对比分析计及激励型需求响应方法、人工蛛网模型方法与所提方法方法的抄表系统评估完整度，以F5抄表方式为例，得到对比结果如图8所示。

由图8可知，在10 min时，计及激励型需求响应方法的评估完整度为40%，人工蛛网模型方法的评估完整度为20%，而所提方法的评估完整度为82%。计算3种方法的评估完整度平均值，得到计及激励型需求响应方法、人工蛛网模型方法及所提方法的评估完整度分别为36%、24%及84%。以上结果表明所提方法的评估完整度较好。

将2019年1-7月的低压集抄系统所有抄表数据作为测试数据，验证不同可靠性评估技术的评估效率，对比结果如图9所示。

图9中，蓝色柱状图表示所提方法的评估效率，绿色柱状图代表人工蛛网模型方法的评估效率，红色柱状图表示计及激励型需求响应方法的评估效率。分析图9可知，随着测试次数的增加，不同评估方法的评估效率都有所下降，原因在于在同一类型的运行故障重复发生时，二次评估乃至多次评估的时长会大大降低。在三种方法中，人工蛛网模型方法的评估效率最低，计及激励型需求响应方法次之，而采用所提方法的评估效率保持在60%以上，是三种方法中最高效的，说明该方法能有效提升评估效率。

3 结束语

LoRa作为低功耗广域网技术中最有竞争力的代表， 为电力通信网络大区域的信息层互联提供了良好的通信解决方案。基于LoRa物联网技术的大规模集抄通讯平台简化了现有集抄网络，减少了采集器等中间环节，大大提高了集抄网络的扩展性，有助于减少故障处理时间，为未来实现互动化智能用电提前打好通讯基础。通过系统运行可靠性评估方法的分析，可以准确的分析出该系统的运行情况，该方法具有评估效率、评估可靠度和评估完整度较高的特点，能够保证其可以高效的运行。然而在此分析方法当中由于需要计算的可靠性指标参数较多，分析的步骤较为繁琐，因此分析过程所需要消耗的时间较长。在今后的研究当中，希望可以针对此类问题进行优化。