基于LoRa组网的光伏供电装置设计

广西电网电力调度控制中心 张志海 潘信宏 阳佑敏 彭舜杰 广西电网有限责任公司柳州供电局 黄嘉庚

广西电网有限责任公司柳州供电局输电管理所 ，唐秀国

目前户外的智能终端主要采用光伏供电，光伏供电具有成本低、布控简单和无污染等优点，是最有前途的可再生能源之一。尤其在输电线路中，在电力杆塔上大量采用光伏供电装置给智能终端供电。为了增加光伏系统产生的总能量，需要在安装时采取足够的措施。由于光伏装置通常位于偏远或较高的位置，长期户外恶劣的环境中工作极易导致装置工作不稳定，在其运行过程中仍有可能出现故障或维护问题。因此，适当的监测光伏供电装置对于确保户外装置的供电稳定性至关重要。

针对传统光伏监测装置整体性能差等问题，文献[1]设计了一种基于LABVIEW 软件的光伏监测系统，实现光伏装置的在线监测；文献[2]利用利用LoRa 技术，设计并实现了一种新的光伏电池板长距离输出电压和电流测量电路；在应用方面，文献[3]为了远程监测农业的状况，开发了一套基于物联网的监测系统。该系统能采集茶园的各项数据，有助于管理人员监测茶园的情况。在户外通过光伏供电的无线传感器网络装置需要设计紧凑、功耗低、成本低、抗干扰性强、安全性高等，若能大量部署将具有广阔的应用前景。

而在电力杆塔上的光伏供电装置存在以下两个不足：一是户外的多数供电装置不具备远程控制充放电控制功能，户外的智能终端长时间待机会浪费供电装置的电能，导致电能的利用效率低；二是电力杆塔的多数光伏供电装置不具有数据远程回传功能，导致难以获取供电装置的工作状态数据。为解决上述问题，必须对光伏装置进行远程监测以提高系统性能，并及早发现故障，提高供电装置的可靠性。根据工厂的产量及其性质，有几种光伏监测策略。

上述问题促进并鼓励了基于软件和硬件的信息监测系统的发展。本文利用开源软件和硬件，实现了基于LoRa 的低成本光伏监控系统网络，对光伏系统信息进行处理和可视化，设计一种应用于电力杆塔的LoRa 组网光伏供电装置，可远程控制供电装置的充放电工作状态，监测装置的状态信息。适应性强，能够很好地融入新的技术潮流。

1 装置整体设计

光伏发电是目前最大的太阳能利用系统的核心，被认为是可持续工程技术的基础，它是将日光直接转换成电能的方法。而LoRa 通信技术是一种远程、经济、低比特率的技术，它是作为物联网(IOT)的基本解决方案而发起的。这项技术适用于需要窄带宽电池供电的设备，能较好地应用在本文设计的光伏供电装置中。光伏供电装置的供电需确保组网链路的正常运行，并配合线路巡检工作需求，本文设计的光伏供电装置由光伏板、蓄电池、控制器和LoRa 组网模块组成，具有实时监测光伏供电装置的状态信息、控制装置电源输出和数据组网通信等功能。以下为整体系统设计的过程：

对整个系统功耗进行估算，按照估算结果选定太阳能和蓄电池的尺寸与规格。具体来说由以下公式进行估算：按日照时间为5h、充电效率为50%、起始电量为25%、充电同时为供负载供电，要求充电5h（一天的光照）电量达到90%，则太阳能板功率（Ws）、电池容量（C）、电池输出电压（V）负载功率（W）存在以下关系：Ws×5×50%=C×V×(90%-25%)+W×5。经化简整理，太阳能板功率选择估算公式：Ws=0.3C×V+2.5W 电池容量的选择估算公式：C=(3.3Ws-6.7W)/V。

按照需求选定合适控制器，要求控制器能实现对光伏电源系统的监测和管控，其中监测的数据包括：光伏板的充电电压、电流、充电功率；蓄电池的输出电压、电流、功率；负载端的电压、电流、负载，同时还应有设备的位置信息、阈值警告等信息的返回，综合以上构成控制器的基本功能。

根据实际现场环境和传输距离选定LoRa 模块。应用于电力杆塔中的LoRa 模块，应优先满足通讯具体、产品功耗的需求，同时数据接口、封装尺寸和通讯频段都是考虑的重点。对于本方案而言，要求选定通讯距离＞5kM、产品功率＜1W 的产品，同时尺寸需要集成在太阳能板中，需要满足40mm×40mm 的规格要求。

MCU 的选择。本系统中选择STM32f103单片机作为系统的控制中心，同时与LoRa 通讯模块和控制器相互通讯，完成LoRa 的组网通讯任务。

整体结构设计。鉴于防水性和按照便携式的要求，需将光伏板、蓄电池、控制器和LoRa 组网模块设计为一体结构，同时结合电力杆塔的三角钢铁支架的特点，对光伏供电装置的进行结构设计，采用长方体设计，装置上表面为光伏板，左下侧为安装支架，用于与电力杆塔的三角铁架衔接，整个装置结构紧凑，设计合理，利用现有一体化太阳能钣金及边框做适当改动，以适配铁塔安装接口及提供用电设备安装接口。设备与供电系统实现一体化设计，整套用抱箍或螺丝锁上铁塔即可，可满足输电线路多种样式铁塔构造，包括钢管塔、铁塔、门型塔等。装置的里面安装有基于LoRa 技术的组网模块，用于组网并传输数据。

2 基于LoRa 组网技术信息传输

远程低功耗(LoRa)无线平台是全球物联网网络建设的主要技术选择。这项技术在ISM 频段（如Wi-Fi 和蓝牙）使用频谱供公众使用，其在1GHz以下的非授权频段无需申请即可进行网络的建设，故在应用时不需要额外支付通讯费用。使用该技术进行组网具有减少节点间干扰的能力，当在小于1GHz 的频带中使用扩频调制时，允许距离大于10公里的长距离，具有高节点容量（大于100个节点），因此该网络的效率得到了提高。

选择使用LoRa 的原因，主要是考虑的是它的远程通信技术且功耗极低的特点。对于部署在电力杆塔工作环境而言，由于其为链式分布，不仅存在距离远的问题，同时供电也较为困难，太阳能板除了为通讯模块供电，更重要还是为杆塔上其他智能监测设备提供更加充实稳定的能量来源，因此LoRa成为满足杆塔通讯的首选方案。

本文所设计的装置使用了最新一代的仪器和传感器，这反过来又降低了成本，同时保证了可靠性和效率。结合LoRa 技术的低功耗的特点和输电线路的监测需求，本文将光伏供电装置安装在电力杆塔上，采用E22-400T22S LoRa 技术进行低功耗电源控制网络组网，该方案的传输距离更远、速度更快、功耗更低、体积更小，支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥功能。通过LoRa 控制网络的构建，可远程控制光伏板电源的开关，实现对自组网模块的开关机控制。

LoRa 组网方式的选择：最常见的局域网组网方式为星状组网方式，它包括一个中心节点和多个终端节点组成。中心节点相当于网点，进行数据的控制处理。但这种组网方式存在一些缺点，如不能多个终端设备同时发送信号，同时由于电力杆塔大多为线性分布，星状方案的传输距离会受到限制。因此，在本方案中采用级联的通讯方案，其中各个节点以串联形式组网，每个节点都可以作为中继，将无线信号传入下一级节点，如图1所示。此方案能极大满足电力杆塔中低带宽通讯的传输要求，同时适用于水文水情测报，环境监控，路灯控制等场景。

图1 级联的通讯方案

通讯协议的选择和设定：MODBUS 网络是工业常用通讯协议，它由带智能终端的可编程控制器和计算机通过公用线路或者局部专用线路连接而成，结构系统包含硬件和软件部分，可用于各种数据采集和过程监控中，现在已成为工业通用的工业标准，因此选定为LoRa 通讯的协议。在进行LoRa 组网通讯时，只有一个主机，负责通信的控制过程，其余通讯模块为从机。

所构成的网络支持247个远程从属控制器。MODBUS 网络以RTU 模式进行通信，在消息中每8bits 字节按照原值进行传输不做处理，本方式的优点是：数据帧传送之间没有间隔，在相同波特率下，数据密度比传统ASCIL 更快，传输速度更高。对于电力杆塔现场环境而言，实时性和可靠性有相当高的要求，MODBUS 协议基本能满足本项目中的通讯需要。

3 供电装置在线监测功能实现

对于光伏供电系统而言，需要监控的数据众多，当中最主要的包括：光伏板的充电电压、电流、充电功率；蓄电池的输出电压、电流、功率；负载端的电压、电流、负载。为了系统的实现可靠性和稳定运行，还应增加总电源开关、温度监控、定位功能、阈值报警功能。同时为了便于应用端的可视化，还应建立数据库对历史数据进行存储和展示。

供电装置构建了LoRa 控制网络，该装置能够以图形方式向用户展示可视化监测数据。所设计装置通过上位机软件具备远程在线监测自身工作状态等功能，从传感器能获得供电装置的电压、电流、温度等数据。根据电压和电流的值，可以用功率单位为瓦特的公式计算供电装置的功率。数据能通过在线界面（通过电脑或智能手机）访问。

装置具有实时内外温度监测功能，某天的温度监测数据曲线如图2所示，可以看出：供电装置由于受到太阳光照的影响，中午时段的温度较高，在晚上与凌晨期间，温度有所下降，趋于平稳。除了能监测供电装置的温度以外，能监测太阳能板的电气信息等，太阳能板状态监测曲线如图3所示。

图2 太阳能板温度监测曲线

从图3中可以看出，在早上6点前太阳能光伏板的输出功率为0、输出电流为0，这是由于本文通过上位机软件远程定时远程关闭了光伏板电源输出。整体较好地实现了远程监测控制功能。不仅如此，还能实时查看蓄电池的工作状态，蓄电池状态监测曲线如图4所示。

图3 太阳能板状态监测曲线

图4 蓄电池状态监测

图4中的状态监测曲线也能很好地体现光伏供电装置在不同时间段的工作状态。综上，本文设计的光伏供电装置可远程控制供电装置的充放电工作状态，监测装置的状态信息，具有良好的在线监测功能。

4 结语

本文设计了一种应用于电力杆塔的LoRa 组网光伏供电装置，该装置的优点是能够对安装在偏远农村地区的光伏逆变器进行低成本、高性能的监控。使用该技术（LoRa 技术）的未来是通过互联网连接整个系统，并允许连接的设备相互通信，以控制光伏逆变器系统产生的能量。

该装置能实现远程控制供电装置的充放电工作状态，监测装置的状态信息，较好地解决了输电线路电力杆塔自组网装置户外供电受限、光伏供电装置远程获取自身状态信息困难的问题，具有广阔的应用前景。