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      低功耗廣域配用電通信系統(tǒng)架構與軟件設計

      2019-05-07 02:09:56孫嚴智胡勁松劉宇明
      云南電力技術 2019年1期
      關鍵詞:廣域網(wǎng)通信網(wǎng)低功耗

      孫嚴智,胡勁松,劉宇明

      (云南電力調(diào)度控制中心,昆明 650011)

      0 前言

      配用電通信網(wǎng),作為直接服務于客戶的電力系統(tǒng)中低壓環(huán)節(jié),是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有電力通信網(wǎng)呈現(xiàn)“高壓骨干網(wǎng)強,中低壓接入網(wǎng)弱”的狀態(tài),配用電通信網(wǎng)絡整體基礎薄弱、發(fā)展滯后,不能滿足國家電網(wǎng)“雙向數(shù)據(jù)互動”和“精細化業(yè)務管理”,以及 “全覆蓋、全采集、全管控”的趨勢特點,配用電通信網(wǎng)的發(fā)展成為了當前電力通信網(wǎng)絡規(guī)劃的重點和難點。

      低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技術作為物聯(lián)網(wǎng)領域的新興熱點技術,在功耗、傳輸距離和網(wǎng)絡成本等環(huán)節(jié)彌補了現(xiàn)有通信技術的短板,是配用電通信網(wǎng)未來發(fā)展的重要支撐技術手段。

      1 配用電通信網(wǎng)

      現(xiàn)有配用電通信網(wǎng)更多地以有線方式為主(光纖通信、電力線載波),傳統(tǒng)無線方式為輔進行通信。已有無線通信解決方案受制于成本、傳輸距離、終端壽命等多方因素的限制,應用的多場景布局局限性很強。具體來說,無線公網(wǎng)通信技術(2G/3G/4G)接入,由于所達范圍有限、租用成本較高及安全問題在現(xiàn)有配用電網(wǎng)有部分應用;短距離無線通信技術(藍牙、zigbee等),在配網(wǎng)有少量試點應用;微波、數(shù)傳電臺等無線通信方式,僅僅在局部小范圍成碎片化實用狀態(tài)。隨著分布式能源網(wǎng)絡、能源互聯(lián)網(wǎng)絡、電動汽車系統(tǒng)等新業(yè)務和系統(tǒng)的引入,配用電通信網(wǎng)技術需求和建設成本的矛盾主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

      1)網(wǎng)絡“長、廣、深”分布,大量區(qū)域覆蓋差。配用電通信網(wǎng)絡需要覆蓋中壓變電站出線到用戶端的用電線路,覆蓋范圍大,傳輸路徑長,采用有線通信方式,通信網(wǎng)絡受到線纜布設和成本的制約,如果采用傳統(tǒng)無線方式,則受到覆蓋范圍的制約,所以導致大量區(qū)域(市郊和鄉(xiāng)村)覆蓋差或無覆蓋。

      2)網(wǎng)絡環(huán)境復雜,覆蓋難,無線覆蓋效果不佳。配用電網(wǎng)絡分布受到用戶、地形和建筑特點的限制,同時監(jiān)測設備常放置在環(huán)境較為惡劣的場所,導致有線架設困難,無線通信方式覆蓋和穿透能力不好,覆蓋難,盲點多,信息采集和傳輸成功率低。

      3)城、鄉(xiāng)配網(wǎng)差異大,缺乏統(tǒng)一兼容的低成本實現(xiàn)方式。配用電網(wǎng)絡由中壓變電站到用戶端成平面式輻射結構,其中城市10kV變壓器節(jié)點密度大,分布廣且通信死角多,郊區(qū)和農(nóng)村配用電通信網(wǎng)較為稀疏,單線距離長,現(xiàn)階段缺乏兼容低成本實現(xiàn)方案。

      4)配、用電網(wǎng)絡業(yè)務眾多,缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、管理。與配用電通信網(wǎng)的平面輻射形式相比,用電通信網(wǎng)絡終端呈現(xiàn)立體化密集分布,配用電眾多業(yè)務隸屬于不同部門,網(wǎng)絡建設缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、各業(yè)務網(wǎng)絡彼此孤立、造成通信資源浪費,網(wǎng)絡架構不合理、接口單一、兼容性差。

      5)設備種類多,數(shù)量巨大,故障排查困難,同時海量泛在化接入需求迫切。配用電網(wǎng)設備種類較多,配用電網(wǎng)絡中的采集節(jié)點達到千萬量級,配網(wǎng)中的泛在化海量通信接入需求迫切,但同時配網(wǎng)分布廣、單線距離長、設備多導致故障排查較為困難。

      2 低功耗廣域網(wǎng)技術

      低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技術是物聯(lián)網(wǎng)領域一項新興的熱點技術,代表了其無線通信技術新的演進和發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的寬帶通信系統(tǒng)不同,低功耗廣域網(wǎng)技術的研究重點不是如何提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,而是側重于在功耗、傳輸距離和網(wǎng)絡成本方面彌補現(xiàn)有通信技術的短板。節(jié)點通信距離突破了藍牙、Wi-Fi、Zigbee技術的限制,可以達到幾十千米;節(jié)點超低能耗,終端壽命可達十年;芯片成本低于2美元。低成本、低功耗、廣覆蓋的特點使得低功耗廣域網(wǎng)技術在井蓋監(jiān)控、停車位監(jiān)控、智能交通、智能農(nóng)業(yè)等方面有所應用。

      LoRa的低功耗、長距離、低成本、支持大規(guī)模應用等特性,成為了配用電通信網(wǎng)的理想選擇。LoRaWAN協(xié)議架構如圖1所示,為了實現(xiàn)低能耗的廣域覆蓋,LoRa技術在物理層使用線性調(diào)頻擴頻而非頻移鍵控(FSK)調(diào)制,提高了接收機的靈敏度,同時降低了能耗,上下行同頻半雙工通信,單芯片系統(tǒng)帶寬為2Mbit/s,由8個125kbit/s的信道組成,每個信道可以靈活使用擴頻因子為SF7-12的6種擴頻方式。

      終端在有數(shù)據(jù)傳輸需求時,采用隨機接入8個信道的方式避免干擾。終端和網(wǎng)關節(jié)點,根據(jù)距離、信號強度和消息發(fā)送時間等因素,確定通信使用的擴頻因子SF,從而靈活調(diào)整通信速率??紤]到不同場景的需求,協(xié)議定義了A、B、C三類設備,其中A類設備功耗最低,使用廣泛。

      圖 1 LoRaWAN協(xié)議架構

      3 LoRa的電力配用電通信網(wǎng)絡架構

      配用電網(wǎng)是電能分配、使用的重要通道,是直接為用戶提供服務的中低壓電網(wǎng)。網(wǎng)絡架構即需要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,又需要滿足配電環(huán)境監(jiān)控、配電設備監(jiān)測、用電信息采集、智能用電等多種業(yè)務需求,所以基于低功耗廣域的配用電通信系統(tǒng)架構主要包含3個域,信息采集域、信息傳輸域和應用服務域,如圖2所示。

      圖 2 通信網(wǎng)絡架構

      1)信息采集域。信息采集域主要根據(jù)業(yè)務需求,完成傳感信息的采集。信息采集主要由配置了多個傳感器的傳感終端完成,傳感采集終端部署在不同的采集點上,完成綜合標量信息采集,并通過低功耗廣域傳輸模塊完成信息發(fā)送。

      2)信息傳輸域。信息傳輸域主要實現(xiàn)用戶采集信息的長距離傳輸和共享,低功耗廣域網(wǎng)關使用不同的組件來支持多通道、多信號的同時調(diào)制及解調(diào),及終端靈活接入,并支持數(shù)據(jù)大并發(fā)量傳輸。網(wǎng)絡服務器實現(xiàn)系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析,主要的控制指令都由服務器端下達。

      3)應用服務域。即為應用服務器模塊。其功能是通過應用服務器與數(shù)據(jù)處理服務器,集中處理數(shù)據(jù)庫中來自采集模塊的數(shù)據(jù),通過相關算法的統(tǒng)計分析,最終得到可視化分析的結論。

      4 系統(tǒng)軟件設計

      在電力配網(wǎng)中,我們需要保證用戶的接入安全可靠,還需要采集用戶的用電信息,以及異常情況地處理?;谝陨想娏π枨?,我方的整體設計主要分為3部分,即信息采集、信息傳輸和應用服務子系統(tǒng)。

      1)采集模塊設計:終端模塊通過接口程序與采集模塊進行交互。終端模塊依據(jù)上位機發(fā)送的指令,實時將各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)給下一處理環(huán)節(jié),同時,也可轉(zhuǎn)發(fā)終端模塊自身節(jié)點信息,實現(xiàn)設備參數(shù)的重置。具體工作流程如圖3所示。

      圖3 終端模塊流程圖

      2)微控制器模塊:微控制器的核心功能在于基于理論分析和設計的異構網(wǎng)絡協(xié)議,對設備所接收的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)和處理。通過與低功耗傳輸模塊進行指令數(shù)據(jù)交互,將所接收到的指令數(shù)據(jù)進行拆包和組包,并依據(jù)指令信息采集新的業(yè)務數(shù)據(jù),最終通過本地計算模塊,對數(shù)據(jù)包進行最終的計算和統(tǒng)計分析,或是轉(zhuǎn)發(fā)上一級處理單元進行處理。

      圖4 控制器模塊流程圖

      3)信息傳輸子系統(tǒng)軟件設計

      信息傳輸子系統(tǒng)主要完成對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預處理,進而將處理之后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其他服務器等待進一步的數(shù)據(jù)處理。不同網(wǎng)關與數(shù)據(jù)采集傳感器之間形成星型的網(wǎng)絡布局。同時,智能網(wǎng)關與傳感器之間采用一對多的連接方式,并通過低功耗廣域網(wǎng)的相關技術手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能;并用自定義的協(xié)議棧實現(xiàn)通信。利用智能終端的可擴展接口,可以對不同傳感器節(jié)點進行遠程調(diào)控,并將調(diào)控之后的數(shù)據(jù)重新進行記錄整合。并實時等待接收上一級服務器發(fā)送過來的指令信息,根據(jù)接收的指令信息,實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),以及終端反饋等相關功能。終端層的整體工作流程具體如圖5所示。

      圖5 信息傳輸流程

      4)應用服務子系統(tǒng)設計:應用服務子系統(tǒng)主要完成對平臺的管理控制工作,通過系統(tǒng)應用層的應用服務器與數(shù)據(jù)處理服務器,對數(shù)據(jù)庫主機中存儲的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,并最終得到可視化結果。

      5 結束語

      1)分析了配用電通信網(wǎng)存在的5大痛點,以及如何與低功耗廣域網(wǎng)技術優(yōu)勢結合,為網(wǎng)絡的發(fā)展和創(chuàng)新,提供技術支撐。

      2)提出了基于低功耗廣域網(wǎng)技術的智能配用電網(wǎng)絡架構,包含信息采集域、信息傳輸域和應用服務域。

      3)完成了信息采集、信息傳輸、以及應用服務子系統(tǒng)的軟件流程設計。

      4)在信息采集子系統(tǒng)中細化了采集模塊與微控制器模塊的軟件流程。

      系統(tǒng)的流程完善與實現(xiàn)有待于在后續(xù)的工程實踐過程中,不斷完善。

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