基于LoRa的电力物联网智能终端采集系统设计

杨新华， 郑 越， 马建立， 徐 铮， 王宏晖

(1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 电气工程系，甘肃 兰州 730050；2.北京智源新能电气科技有限公司，北京 102600； 3. 新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830001)

0 引 言

目前在智能配电领域使用的电力数据采集装置，其电压、电流、供电电源及温度采集几乎全部采用有线方式与采集点进行连接，容易引起开关柜或设备安装现场接线复杂、布局混乱、电力工人施工困难的问题，而且数据通信系统使用屏蔽双绞线与监控后台的数据采集与监视控制系统、DCS系统或BA系统通信连接，导致线路布局的复杂程度增加。当电力采集设备的通信线遇到接线不牢靠等情况时，给电力维修工人快速找出通信故障点带来极大困难，无法迅速排除通信故障问题，给居民的生活和工厂的生产带来了很大的影响。与此同时配电台区的变压器长期运行，开关柜和设备柜内的温度很高，导致通信线路老化，引起电力采集装置与后台监控系统之间通信不稳定或通信故障问题[1]。

传统的电力网络，仅仅体现出电能的基本连接，无法实现客户状态全面感知、数据信息交互共享、应用便捷灵活的电力物联网[2～4]。电力物联网的建设和应用把电力系统中物与物、人与物、人与人之间随时随地通信，实现电网从单纯的能量网络变为“能量+数据”的网络[5,6]。要实现电力物联网，关键在于对电力网络中用户的用电数据、电气设备环境数据监测、配电系统中的状态信息等进行采集及数据信息的传输，因此需要基于先进的信息通信技术[7,8]。LoRa具有低功耗、低成本、远距离传输、系统容量大、抗干扰性强等优势，成为低功耗广域网中一个技术代表，解决了ZigBee、蓝牙、WiFi等网络存在的低功耗和长距离传输之间的矛盾，成为电力物联网小范围推广应用的一种理想技术。

文献[9]设计了一种在带宽模块中增加储存和智能分析功能的新型物联网模块，通过电力线载波通信技术将配电台区智能电能表采集的各种数据信息上报至系统主站，实现供电所管理智能化和电网信息可视化，但会存在抗干扰性弱，传输可靠性和实时性差的缺点。文献[10]介绍基于LoRa的泛在电力物联网体系和架构。文献[11]提出了基于高速电力线载波通信技术的低压用电设备电压实时监测、停电事件类型主动上报、电能表接线错误识别的智能抄表技术应用。文献[12]研究了基于电力线宽带载波及用电信息采集系统的多能源的信息采集，提升系统的采集速率和承载能力，但是存在通信可靠性低的问题。文献[13]提出满足电力物联网需求的新一代智能电能表的功能升级，业务范围全面，边缘智能化的技术展望。

本文提出了基于LoRa的电力物联网智能终端采集系统。系统可以将智能采集终端在配电台区采集的电压、电流、有功功率、无功功率、电能、用电故障信息、电能质量和设备运行温度等数据信息通过LoRa传输到数据汇集器，数据汇集器将数据上传云端数据平台或电力通信管理机等更高一级数据汇总系统，组成更大的数据管理平台，汇总全部配电台区的数据进行分析与处理，及时准确上传至监视控制系统，根据反馈的信息执行相关的命令。数据汇集器成为自动化管理的中间层，实现数据汇总和控制管理的目的。

1 系统总体设计

基于LoRa的电力物联网智能终端采集系统由智能采集终端、数据汇集器、手机应用客户端和云端数据平台组成,数据汇集器可以接收多个智能采集终端发送的数据信息。

1)智能采集终端采集电力设备电压、电流、有功功率、无功功率、电能质量、运行环境温度、用电故障信息和电能等数据。智能采集终端与数据汇集器采用LoRa无线通讯模块传输数据，相较于电力线载波通信有带宽限制、ZigBee通信方式组网复杂和通信距离不足、GPRS通信方式运行成本高昂等问题，采用星型组网方式的LoRa通信技术具有传输距离远，传输数据稳定的特点。

2)数据汇集器汇集所有智能采集终端数据，可以采用标准IEC60870—5—104—TCP通信协议的GPRS模块将数据上传云端数据平台，也可以通过LoRa将采集数据信息上传电力通信管理机等更高一级数据汇总系统，组成更大的数据汇集系统。通信协议采用标准Modbus通信协议，电力通信管理机分析与处理所有接收到的数据信息，可根据后台需求上传至主站，实现数据分析汇总和控制管理的目的。同时数据汇集器也从监视控制系统接收各种执行指令，传输至采集终端，进而实现对监控对象的控制。

3)云端数据平台接收数据汇集器发送的数据，存储在数据库服务器，实时将采集的数据信息分析处理。电力调度中心根据云端数据平台的大数据分析，实现最优的调度管理。

2 系统的硬件架构

2.1 智能采集终端硬件设计

智能采集终端具有电能数据采集功能、RS—485通信功能、无线LoRa传输功能和WiFi传输功能。

智能采集终端中微控制器(microcontroller unit,MCU)选用STM32F103，LoRa无线通信模块选用SX1278，电能采集芯片选用HT7036，选用开口式电流互感器采集电流数据信息，电压采集模块采集电压数据信息。将采集到的电流和电压信号输入电能采集模块，电能采集模块计算电压、电流、电能质量和电能信息等数据，通过SPI接口传输到MCU；MCU通过AD采样端口读取温度采集模块采集到的温度信号，并且计算出相应温度数据；MCU与RS—485模块和无线通信模块之间采用串口通信方式进行数据的传输；RS—485模块选用ADM2483，实现多点总线传输线路的双向数据通信；温度采集模块选用Pt100采集温度信号。电源转换模块可以通过两种方式供电，一种方式是直接由采集装置接入单相电压为其供电，另外一种方式是采用电流感应取电方式为其供电。在电流互感器上镶嵌螺旋穿刺式取电插针，可根据电缆半径大小收缩，插入电缆内部，实现可靠取电。电源转换模块输出电压为DC3.3V或DC5V，一方面满足智能采集终端内部各模块供电，另一方面提供外部电源接口，为数据汇集器提供电源。智能采集终端硬件结构设计及功能说明如图1所示。

图1 智能采集终端硬件结构

2.2 数据汇集器设计

数据汇集器主要作用是将系统内所有智能采集终端采集的数据汇集，由微控制器将数据分析和处理，并将数据和分析结果上传云端数据平台或电力通信管理机。数据汇集器的主要由以下几部分组成：GPRS模块WH—LTE—7S4V2、无线透传模块E32—TTL—1W、LoRa无线通信模块SX1278。数据汇集器具有RS—485通信功能、无线LoRa传输功能、GPRS功能。数据汇集器供电电源接口直接与智能采集终端预留输出电源接口连接。

数据汇集器可以通过无线LoRa模块或RS—485模块，实现多个智能采集终端数据信息的无线传输。数据汇集器的MCU与RS—485模块采用串口通信方式与触摸屏或显示器等显示终端连接，实现数据信息的可视化。数据汇集器可通过GPRS模块将数据上传云端数据平台，通信协议采用标准IEC60870—5—104—TCP规约。数据汇集器可通过无线透传模块将数据上传电力通信管理机等更高一级数据汇总系统。数据汇集器结构如图2所示。

图2 数据汇集器硬件

3 系统软件设计

3.1 智能采集终端软件设计

智能采集终端安装在小型工厂等用户的变压器二次侧，实时采集电力设备电压、电流、有功功率、无功功率、电能质量、设备运行环境温度、用电故障信息和电能等数据。采集的数据经过微处理器分析和处理，等待数据汇集器的指令，根据指令将采集到的数据信息传输到数据汇集器进行处理，或执行相关指令的操作。智能采集终端软件工作流程如图3所示。

图3 智能采集终端软件工作流程图

3.2 数据汇集器软件设计

数据汇集器汇集所有智能采集终端数据，并将数据上传云端数据平台或电力通信管理机。同时数据汇集器从监控中心接收各种控制命令，传输至采集终端，进而实现对监控对象控制。数据汇集器软件工作流程如图4所示。

图4 数据汇集器软件工作流程图

4 智能终端采集系统的实验验证

搭建智能终端采集系统测试平台和环境，对系统的功能和性能进行验证。测试平台由智能采集终端、数据汇集器、三相交流校表仪、云端数据平台、安卓手机应用程序(application, App)、数字触摸屏等组成。智能采集终端主要具有电压采集、电流采集、功率计算、功率因数计算、电能质量分析、用电故障信息上报等功能，通过外部端子接入三相交流校表仪输出的电压、电流信号，通过手机App查看对应采集信息，关键性数据验证结果如图5和图6所示。

图5 实验结果汇总

图6 电能质量分析

三相交流校表仪输出三相电压，均为220.0 V，输出三相电流为5 A，功率因数设置为0.5 L和1两种情况。测试结果通过手机APP显示。实测中得到A相电压为220.2 V，B相电压为220.2 V，C相电压为219.8 V，测量误差为0.09 %，达到测量误差优于±0.5 %的要求。A相电流为4.999 A，B相电流为4.995 A，C相电流为4.995 A，测量误差最大为0.1 %，达到测量误差优于±0.5 %的要求。当功率因数设置为0.5 L时，A相功率因数为0.499 7，B相功率因数为0.498 4，C相功率因数为0.501 1，总功率因数为0.499 8，测量误差为0.32 %，达到测量误差优于±0.5 %的要求。当功率因数设置为1时，A相有功功率为1.100 6 kW，B相有功功率为1.103 0 kW，C相有功功率为1.100 9 kW；功率测量误差最大为0.27 %，达到测量误差优于±0.5 %的要求。电能质量分析结果为：电压不平衡度0.28 %、电流不平衡度6.41 %、三相电压的2～15次谐波含量、三相电流的2～15次谐波含量。可根据电能质量的分析结果进行谐波污染治理。数据汇集器将汇总的数据信息通过标准IEC60870—5—104—TCP通信协议的GPRS模块将数据上传云端数据平台。测试结果表明，数据上传及时准确。

5 结 论

设计的基于LoRa的电力物联网智能终端采集系统，在满足电网信息物理深度融合的基础上，通过智能采集终端的合理分配与数据汇集器有效规划实现了配电台区的数据采集和传输。提出的方法消除了云端数据平台与采集终端数据信息交互的干扰，很好解决了配电台区现场通信及供电电缆施工工作量大、开关柜内部线路布局困难、电力采集器安装复杂、通信线路老化更换等问题，用户可以通过手机App查看实时的电能数据信息，更加方便快捷，有很好的工程应用价值。