基于LoRa的10 kV架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋延軍，梁俊艷，王德志

(1. 蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.華北科技學(xué)院 圖書(shū)館，北京 東燕郊 065201；3.華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

基于LoRa的10kV架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋延軍1，梁俊艷2，王德志3

(1. 蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.華北科技學(xué)院 圖書(shū)館，北京 東燕郊 065201；3.華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

針對(duì)現(xiàn)有架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，造成的穩(wěn)定性與可靠性降低的問(wèn)題，通過(guò)分析LoRa技術(shù)特點(diǎn)，提出將LoRa技術(shù)應(yīng)用于10 kV架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案。介紹其網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件終端設(shè)備和軟件程序，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，該方案具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)靈活、可靠性高的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

擴(kuò)頻通信技術(shù)；低功耗；故障監(jiān)測(cè)；傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

我國(guó)農(nóng)村10 kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支多、距離遠(yuǎn)，裸導(dǎo)線居多和運(yùn)行方式多變，容易受到自然環(huán)境干擾(例如雷電、雨雪、風(fēng)暴等)和外力人為破壞，造成大量短路和接地故障。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)因?yàn)楣收蠈?dǎo)致的平均停電時(shí)間為2.8小時(shí)，其中10 kV線路故障占大多數(shù)。而在停電期間中，故障位置的查找為平均1.6小時(shí)，占整個(gè)故障處理時(shí)間的60%左右[1]。因此如何快速確定故障位置成為縮短停電時(shí)間的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有故障定位解決方案有智能開(kāi)關(guān)法、智能故障指示器方法等。其中智能開(kāi)關(guān)法，主要采用二次測(cè)試供電方法，利用延時(shí)順序供電方法，檢測(cè)不同開(kāi)關(guān)跳閘狀態(tài)來(lái)進(jìn)行故障線路分支的確定。此方法只能確定開(kāi)關(guān)所控制線路分支，不能進(jìn)一步確定位置，同時(shí)由于智能開(kāi)關(guān)部署費(fèi)用較高，而且需要斷電安裝，現(xiàn)有農(nóng)村電網(wǎng)中安裝較少。而故障指示器方法，采用非接觸式測(cè)量原理，設(shè)備不需要斷電安裝，能夠檢測(cè)線路的短路和接地故障，現(xiàn)在廣泛在農(nóng)村10 kV配網(wǎng)中應(yīng)用[2]。早期故障指示器為本地顯示型，故障發(fā)生時(shí)通過(guò)閃燈和翻牌顯示故障狀態(tài)，數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)程傳輸。而現(xiàn)在智能型故障指示器帶有數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠把故障狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程。數(shù)據(jù)的傳輸多采用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而農(nóng)村中有些地區(qū)GPRS網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性造成干擾[3]。另一方面，GPRS數(shù)據(jù)傳輸需要較高功耗，需要穩(wěn)定的電源供電，增加了系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性和成本。因此隨著各種新通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展，能夠有效的解決這一問(wèn)題[4-5]。

1 LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)簡(jiǎn)介

2013年Semtech公司推出LoRa芯片(超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù))，LoRa通信技術(shù)主要工作在1GHz以下，是一種專用于無(wú)線電擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)的技術(shù)。它融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能,能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離[6]。它設(shè)計(jì)目的是為物聯(lián)網(wǎng)通信所應(yīng)用，它的特點(diǎn)是：

(1) 傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低。由于LoRa采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，在較低速率下能夠獲得較遠(yuǎn)的距離傳輸，同時(shí)功耗較低。理論傳輸距離能夠達(dá)到15 km(與環(huán)境有關(guān))；支持睡眠、無(wú)線喚醒、中繼等低功耗模式，接收電流僅為10 mA，睡眠電流為200 Na[7]。

(2) 抗干擾性行強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠。由于LoRa技術(shù)采用多數(shù)據(jù)位向前糾錯(cuò)技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸序列中加入了冗余信息，保證接收端在接收到數(shù)據(jù)后，能夠根據(jù)冗余信息進(jìn)行錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的校驗(yàn)與還原，從而解決數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、信道干擾等問(wèn)題[8]。

(3) 組網(wǎng)靈活、容量大。LoRa通信技術(shù)可以采用透明數(shù)據(jù)傳輸和定點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞?，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、樹(shù)狀結(jié)構(gòu)等不同形態(tài)。同時(shí)，LoRa組網(wǎng)具有大容量特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置不同信道和設(shè)備獨(dú)立地址，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以容納十幾萬(wàn)個(gè)設(shè)備終端[9-10]。

2 基于LoRa技術(shù)的架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

由于農(nóng)村10 kV架空線路覆蓋范圍廣，直線距離遠(yuǎn)，有些平原地區(qū)線路直線距離達(dá)到30 km；而在一些山區(qū)地區(qū)，雖然直線距離短，但是在一條線路中有可能要翻越多個(gè)山丘，這給LoRa網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)與點(diǎn)之間的直線數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)一定的阻礙，因此本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集使用多級(jí)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

在多級(jí)星型網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)根集中器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收所有終端數(shù)據(jù)的信息。但是，由于有些終端設(shè)備距離根節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，因此采用分級(jí)星型結(jié)構(gòu)的方案。利用不同的子集中節(jié)點(diǎn)，建立相應(yīng)的終端數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。如果子集中節(jié)點(diǎn)能夠直接與根節(jié)點(diǎn)聯(lián)通，則由子節(jié)點(diǎn)把收集到的終端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給根節(jié)點(diǎn)。如果子節(jié)點(diǎn)不能夠直接與根節(jié)點(diǎn)通信，則通過(guò)設(shè)置不同的中繼節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，最終與根節(jié)點(diǎn)相聯(lián)通，完成數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集工作。

在LoRa網(wǎng)絡(luò)采集完數(shù)據(jù)后，最終要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與展示。因此在根節(jié)點(diǎn)處，此設(shè)備除具有LoRa通信功能外，還應(yīng)該具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過(guò)利用Internet網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析云中，完成數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)與處理。同時(shí)結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)分析的最終結(jié)果展示給相應(yīng)的用戶。系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

圖3 終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

3 終端設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

10 kV架空線路故障監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集單元、核心數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源控制單元。設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)中為每個(gè)終端設(shè)備具有唯一的地址標(biāo)識(shí)，采用兩個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)，例如0X1234。每個(gè)LoRa子網(wǎng)絡(luò)可以采用同一個(gè)信道進(jìn)行工作，信道號(hào)為1個(gè)字節(jié)，例如信道號(hào)為0X50。這樣每個(gè)終端的唯一標(biāo)識(shí)包含地址和信道號(hào)，這樣整個(gè)LoRa網(wǎng)絡(luò)所能容納的地址信息為3個(gè)字節(jié)組成，理論最大接入地址標(biāo)識(shí)可以達(dá)到232個(gè)，足以滿足系統(tǒng)設(shè)備的地址數(shù)量要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括終端設(shè)備程序，子集中節(jié)點(diǎn)程序和根集中節(jié)點(diǎn)的程序。終端設(shè)備的軟件流程圖如圖4所示，其主要完成故障信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)幀的打包，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與確認(rèn)，由于設(shè)備工作在野外，需要在低功耗在狀態(tài)下工作，因此，設(shè)備平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)有故障發(fā)送時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，激活設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。子集中節(jié)點(diǎn)主要完成本子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的接收和二次組幀發(fā)送，利用LoRa把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給根節(jié)點(diǎn)，其流程圖如圖5所示。根節(jié)點(diǎn)程序與子節(jié)點(diǎn)類似，主要完成數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)即可，不再冗述。

圖4 終端設(shè)備軟件流程圖

圖5 子集中節(jié)點(diǎn)程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試分析

搭建系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的效果。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)根集中節(jié)點(diǎn)，3個(gè)子集中節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子集中節(jié)點(diǎn)連接6個(gè)終端設(shè)備。測(cè)試方法采用根集中節(jié)點(diǎn)位置固定，子集中節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)的方案，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔為1分鐘1個(gè)數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為25個(gè)字節(jié)。發(fā)送頻率為470 MHz，發(fā)送功率為20 dbm，發(fā)送波特率為9600 bps。系統(tǒng)測(cè)試100個(gè)數(shù)據(jù)幀的丟包率情況。在超遠(yuǎn)距離情況下，增加中繼。測(cè)試結(jié)果如下表所示。

表1 統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

從表1結(jié)果分析，隨著通信距離的增加，數(shù)據(jù)的丟幀率逐漸增高。在2 km左右開(kāi)始發(fā)生數(shù)據(jù)丟幀，在5 km左右丟幀率達(dá)到50%以上。而通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)能夠有效的降低數(shù)據(jù)丟幀率。中繼的部署距離在距離根節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)為2～3 km比較合適。

測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點(diǎn)。能夠在較低的功耗下獲得較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離。存在的問(wèn)題是傳輸速率較低，如果采用較高的傳輸速率，在相同遠(yuǎn)距離條件下，會(huì)造成丟幀增加的情況。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于LoRa技術(shù)的10 kV架空線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗條件下數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離可靠傳輸，有效解決現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸可靠性依靠GPRS網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、功耗低、距離遠(yuǎn)、可靠性高的特點(diǎn)，能夠很多好的滿足輸電線路監(jiān)測(cè)的要求，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

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Designandimplementationof10kVoverheadlinefaultmonitoringsystembasedonLoRa

SONG Yan-jun1，LIANG Jun-yan2，WANG De-zhi3

(1.BengbuPowerSupplycompany,Bengbu, 233000,China;2.Library,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China;3.Departmentofcomputerengineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

Due to the instability of the GPRS network, the stability and reliability of the remote data transmission of the existing overhead line fault monitoring system are reduced. By analyzing the characteristics of LoRa technology, the data transmission scheme of applying LoRa technology to 10 kV overhead line fault monitoring system is proposed. The network frame structure is introduced, and the corresponding hardware terminal equipment and software program are designed. Finally, the system is tested and analyzed. The experimental results show that the proposed scheme has the advantages of long communication distance, low power consumption, flexible networking and high reliability, and has a wide application prospect.

Spread spectrum communication; Low power consumption; Fault monitoring; Sensor networks

2017-07-25

河北省科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(15210346)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015053、3142015024)

宋延軍(1969-)，男，安徽蚌埠人，大學(xué)畢業(yè)，安徽省蚌埠供電公司工程師，研究方向：電力工程及其自動(dòng)化(配電網(wǎng))。E-mail：1103091929@qq.com

TM73

A

1672-7169(2017)05-0030-05