基于LoRa+GPRS技術(shù)電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：當(dāng)前電網(wǎng)使用的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)與電壓監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集及通信方式以GPRS技術(shù)為主，由于用戶側(cè)電壓監(jiān)測終端安裝分布分散，監(jiān)測地域范圍廣泛，從而造成電網(wǎng)運行人員對電壓監(jiān)測終端的維護(hù)工作量巨大，維護(hù)成本高。本文提出了一種基于LoRa+GPRS通信技術(shù)的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計方案：通過采用LoRa技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集及通信方式，在保證數(shù)據(jù)交互實時性、高效性、穩(wěn)定性、可靠性的前提下，降低設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)工作量及成本投入，從而有利于提升電壓監(jiān)測工作管理水平。

關(guān)鍵詞：電壓監(jiān)測; LoRa技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

我國地域幅員遼闊、地形地貌差異巨大，導(dǎo)致位于用戶側(cè)的配電網(wǎng)電壓監(jiān)測點受地理環(huán)境及安裝條件影響，基于GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及通信的電壓監(jiān)測系統(tǒng)存在信號覆蓋 “盲區(qū)”：對于用電較為分散的配網(wǎng)D類地區(qū)特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)用戶，相應(yīng)的電壓監(jiān)測點分布也較為分散，GPRS在山區(qū)地區(qū)信號弱，傳輸距離長跨度大，導(dǎo)致山區(qū)地區(qū)電壓監(jiān)測點無法長期保持在線狀態(tài)，從而降低的電壓監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集的實時性、穩(wěn)定性;對于某些處于特殊封閉作業(yè)環(huán)境的企業(yè)用戶（如廠礦企業(yè)），GPRS信號無法從封閉環(huán)境對外傳輸。隨著現(xiàn)狀僅運用GPRS技術(shù)進(jìn)行電壓監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集的局限性日趨顯現(xiàn)，對 “盲區(qū)”裝置數(shù)據(jù)的采集及電壓監(jiān)測終端的日常維護(hù)工作成為了供電部門日常管理工作的難點。

本文通過分析總結(jié)目前在配電網(wǎng)中廣泛使用的基于GRPS的電壓監(jiān)測終端存在問題，將LoRa技術(shù)廣覆蓋、高穿透的特點與GRPS運用廣泛、通信穩(wěn)定的特點相結(jié)合，針對性地提出了一種基于LoRa+GPRS通信技術(shù)的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計方案，以降低供電部門對電壓監(jiān)測終端的維持難度，提高工作效率。

1 存在問題

現(xiàn)有基于GPRS通信的電壓監(jiān)測系統(tǒng)中，每個電壓監(jiān)測終端均需插入一張GPRS通信卡，通過終端裝置中集成的GPRS模塊與上級采集服務(wù)端進(jìn)行通信，這種多對一的通信方式存在以下幾個問題：

1）增加終端維護(hù)故障干擾因素，降低故障定位速度：由于GPRS通信方式需依靠實體介質(zhì)，即通信卡進(jìn)行傳輸。一旦發(fā)生電壓監(jiān)測終端數(shù)據(jù)傳輸有誤或無法上傳，需對終端故障類型進(jìn)行排查時，因通信卡故障造成的數(shù)據(jù)傳輸錯誤增加了定位終端裝置本身故障的干擾因素，同時增加了工作人員的維持工作量：故障發(fā)生后，工作人員必須到故障點實地確認(rèn)才可明確實際故障類型，導(dǎo)致工作效率降低且不利于迅速清除故障。

筆者對某供電局電壓監(jiān)測終端故障類型進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：因運營商通信卡故障造成的終端故障占比達(dá)所有故障類型的50%，而終端裝置故障占比低于通信卡故障，占比為35%。因此該供電局對終端裝置的故障維護(hù)工作中，有一半的工作量是對終端中的GPRS通信卡進(jìn)行維護(hù)。

2）電壓監(jiān)測終端無法在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋“盲區(qū)”內(nèi)采集數(shù)據(jù)。譬如對B、C類點的監(jiān)測中，會存在如廠礦企業(yè)等終端監(jiān)測點必須安裝在封閉的區(qū)域的情形。受限于GPRS信號無法穿透阻隔的特點，若仍將電壓監(jiān)測終端安裝在用電區(qū)域內(nèi)會導(dǎo)致終端通信方式被阻斷，無法上送數(shù)據(jù);若將電壓監(jiān)測終端安裝在戶外空曠場地，又會導(dǎo)致監(jiān)測及采集信息存在偏差。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文提出一種將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)行以GPRS通信為主的電壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，以下分別從組網(wǎng)設(shè)計、硬件設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計三方面對該基于LoRa+GPRS的電壓監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行介紹。

2.1 組網(wǎng)設(shè)計

與GPRS通信技術(shù)需通過實體介質(zhì)通信傳輸且無法穿透封閉空間進(jìn)行通信的缺陷相比，LoRa通信技術(shù)具備低功耗、低成本、高穩(wěn)定、低時延、廣覆蓋、高穿透等特點。

選擇LoRa通信技術(shù)作為電壓監(jiān)測輔助方案的優(yōu)勢如下：1）通過LoRa可進(jìn)行終端自組網(wǎng)，從而減少通信卡的使用，最大限度降低對通信卡的依賴。2）通過LoRa技術(shù)可實現(xiàn)對封閉區(qū)域的信號穿透，對該區(qū)域監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。即LoRa通信技術(shù)的技術(shù)特點可以針對性地彌補GRPS通信技術(shù)在電壓監(jiān)測終端日常運行中存在的不足。

因此本文提出了一種基于LoRa+GPRS雙重技術(shù)進(jìn)行通信的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)方案組網(wǎng)設(shè)計：1）在電壓監(jiān)測終端中增加一個具備LoRa通信模塊以取代現(xiàn)行的GPRS通信模塊;2）將現(xiàn)行“電壓監(jiān)測終端-采集服務(wù)端”雙向直接通信傳輸方式改為“電壓監(jiān)測終端-集中器-采集服務(wù)端”兩兩雙向通信傳輸方式，即在電壓監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)中新增一個集中器，具備LoRa通信功能的電壓監(jiān)測裝置與集中器以星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如下：

2.2 硬件設(shè)計

基于LoRa+GPRS的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)方案涉及兩個硬件模塊設(shè)計，即基于LoRa技術(shù)的電壓監(jiān)測終端設(shè)計及集中器設(shè)計：

1）基于LoRa的電壓監(jiān)測終端設(shè)計可通過在現(xiàn)行的電壓監(jiān)測終端基礎(chǔ)上增加于LoRa通信模塊組成的。目前市場中已經(jīng)有較為成熟的LoRa通信模組成品，可方便選購、定制。

2）集中器的設(shè)計需同時具備LoRa通信模塊和GPRS通信模塊以保證對上級采集服務(wù)端及下級電壓監(jiān)測終端可分別采用不同技術(shù)進(jìn)行通信：集中器通過于LoRa通信模塊實現(xiàn)與電壓監(jiān)測終端的組網(wǎng)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集交互;集中器將接收到的來自電壓監(jiān)測終端LoRa信號進(jìn)行解調(diào)處理轉(zhuǎn)換為GPRS網(wǎng)絡(luò)信號，通過GPRS通信模塊實現(xiàn)與采集服務(wù)端的鏈路連接，從而將電壓監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)端。與此同時，集中器接收采集服務(wù)端所下發(fā)的工作指令，解調(diào)處理為于LoRa信號，通過于LoRa模塊與電壓監(jiān)測終端通信。另外，該集中器自身需具備電壓監(jiān)測功能且可進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)方案

基于LoRa+GPRS技術(shù)電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，可分為四個層次。

1）感知層：通過具備LoRa通信功能的電壓監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，從而獲取現(xiàn)場電網(wǎng)電壓運行數(shù)據(jù)，為電壓無功管理工作的開展提供現(xiàn)在數(shù)據(jù)支撐。

2）基礎(chǔ)層：基礎(chǔ)層由集中器、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、中間件等五個關(guān)鍵部分組成。通過集中器實現(xiàn)與感知層的交互。集中器在通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)將現(xiàn)場終端數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務(wù)器，直至數(shù)據(jù)入庫存儲。

3）業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層按日常管理工作劃分為臺賬管理、綜合報表管理、監(jiān)測點報表管理、系統(tǒng)管理等四大功能。臺賬管理對集中器臺賬、監(jiān)測點臺賬進(jìn)行管理。

4）監(jiān)測點報表管理監(jiān)測點日報表、監(jiān)測點月報表、監(jiān)測點五分鐘電壓值報表、監(jiān)測點季度報表、監(jiān)測點年度報表。綜合報表管理綜合日合格率報表、綜合月合格率報表、綜合季度合格率報表綜合年度合格率報表。系統(tǒng)管理則進(jìn)行用戶、權(quán)限、角色等功能的配置管理。

5）展示層：對系統(tǒng)功能的門戶展示。該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)采用Web頁面進(jìn)行交互操作。

系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示，主要包括臺賬管理、監(jiān)測點報表管理、綜合報表管理、系統(tǒng)管理四大功能模塊。

1）臺賬管理包括：集中器臺賬管理、監(jiān)測點臺賬管理。集中器臺賬管理模塊實現(xiàn)對集中器臺賬信息的詳細(xì)維護(hù)如：集中器安裝位置、集中器安裝時間、集中器安裝經(jīng)緯度、集中器在線離線情況等。監(jiān)測點臺賬管理模塊實現(xiàn)對監(jiān)測點臺賬信息的詳細(xì)維護(hù)如：測點名稱、測點監(jiān)測電壓等級、測點電壓類別、測點安裝位置、測點安裝經(jīng)緯度、測點所屬集中器、測點離線在線等。

2）監(jiān)測點報表管理包括：監(jiān)測點日報表管理、監(jiān)測點月報表管理、監(jiān)測點季度報表管理、監(jiān)測點年度報表管理、監(jiān)測點分鐘電壓值報表管理。

3）綜合報表管理包括：綜合日報表管理、綜合月度報表管理、綜合季度報表管理、綜合年度報表管理。

4）系統(tǒng)管理包括：權(quán)限管理、角色管理、用戶管理、單位管理

3 結(jié)論

本文為解決現(xiàn)行基于GPRS的電壓監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信方案存在的問題，如增加終端故障干擾因素、信號無法穿透封閉環(huán)境提供了一種可行的解決方案。

（1）基于LoRa+GPRS的電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)利用LoRa技術(shù)廣覆蓋、高穿透、可進(jìn)行終端自組網(wǎng)的特點，可針對性地解決現(xiàn)行GPRS技術(shù)帶來的問題。

（2）該系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計需要在電壓監(jiān)測終端中增加一個具備LoRa通信模塊以取代現(xiàn)行的GPRS通信模塊，并將現(xiàn)行“電壓監(jiān)測終端-采集服務(wù)端”雙向直接通信傳輸方式改為“電壓監(jiān)測終端-集中器-采集服務(wù)端”兩兩雙向通信傳輸方式。

（3）集中器的設(shè)計需同時具備LoRa通信模塊和GPRS通信模塊以保證對上級采集服務(wù)端及下級電壓監(jiān)測終端可分別采用不同技術(shù)進(jìn)行通信。

（4）系統(tǒng)架構(gòu)可分為四個層次：感知層、基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)層、展示層。系統(tǒng)功能架構(gòu)主要包括臺賬管理、監(jiān)測點報表管理、綜合報表管理、系統(tǒng)管理四大功能模塊。

基于LoRa+GPRS技術(shù)電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用，一方面可減少對通信卡的依賴，減少維護(hù)成本支出、資產(chǎn)成本支出，另一方面可保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、可靠性、實時性，具有較高地推廣應(yīng)用價值

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收稿日期：

梁紅霞（1985），女，本科，助理工程師，中國南方電網(wǎng)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納景洪供電局，從事配網(wǎng)安全和管理工作。