基于LoRa的電力物聯(lián)網(wǎng)智能終端采集系統(tǒng)設(shè)計

楊新華， 鄭 越， 馬建立， 徐 錚， 王宏暉

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院 電氣工程系，甘肅 蘭州 730050；2.北京智源新能電氣科技有限公司，北京 102600； 3. 新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

目前在智能配電領(lǐng)域使用的電力數(shù)據(jù)采集裝置，其電壓、電流、供電電源及溫度采集幾乎全部采用有線方式與采集點進行連接，容易引起開關(guān)柜或設(shè)備安裝現(xiàn)場接線復(fù)雜、布局混亂、電力工人施工困難的問題，而且數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)使用屏蔽雙絞線與監(jiān)控后臺的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或BA系統(tǒng)通信連接，導(dǎo)致線路布局的復(fù)雜程度增加。當(dāng)電力采集設(shè)備的通信線遇到接線不牢靠等情況時，給電力維修工人快速找出通信故障點帶來極大困難，無法迅速排除通信故障問題，給居民的生活和工廠的生產(chǎn)帶來了很大的影響。與此同時配電臺區(qū)的變壓器長期運行，開關(guān)柜和設(shè)備柜內(nèi)的溫度很高，導(dǎo)致通信線路老化，引起電力采集裝置與后臺監(jiān)控系統(tǒng)之間通信不穩(wěn)定或通信故障問題[1]。

傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)，僅僅體現(xiàn)出電能的基本連接，無法實現(xiàn)客戶狀態(tài)全面感知、數(shù)據(jù)信息交互共享、應(yīng)用便捷靈活的電力物聯(lián)網(wǎng)[2～4]。電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用把電力系統(tǒng)中物與物、人與物、人與人之間隨時隨地通信，實現(xiàn)電網(wǎng)從單純的能量網(wǎng)絡(luò)變?yōu)椤澳芰?數(shù)據(jù)”的網(wǎng)絡(luò)[5,6]。要實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)，關(guān)鍵在于對電力網(wǎng)絡(luò)中用戶的用電數(shù)據(jù)、電氣設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、配電系統(tǒng)中的狀態(tài)信息等進行采集及數(shù)據(jù)信息的傳輸，因此需要基于先進的信息通信技術(shù)[7,8]。LoRa具有低功耗、低成本、遠距離傳輸、系統(tǒng)容量大、抗干擾性強等優(yōu)勢，成為低功耗廣域網(wǎng)中一個技術(shù)代表，解決了ZigBee、藍牙、WiFi等網(wǎng)絡(luò)存在的低功耗和長距離傳輸之間的矛盾，成為電力物聯(lián)網(wǎng)小范圍推廣應(yīng)用的一種理想技術(shù)。

文獻[9]設(shè)計了一種在帶寬模塊中增加儲存和智能分析功能的新型物聯(lián)網(wǎng)模塊，通過電力線載波通信技術(shù)將配電臺區(qū)智能電能表采集的各種數(shù)據(jù)信息上報至系統(tǒng)主站，實現(xiàn)供電所管理智能化和電網(wǎng)信息可視化，但會存在抗干擾性弱，傳輸可靠性和實時性差的缺點。文獻[10]介紹基于LoRa的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)體系和架構(gòu)。文獻[11]提出了基于高速電力線載波通信技術(shù)的低壓用電設(shè)備電壓實時監(jiān)測、停電事件類型主動上報、電能表接線錯誤識別的智能抄表技術(shù)應(yīng)用。文獻[12]研究了基于電力線寬帶載波及用電信息采集系統(tǒng)的多能源的信息采集，提升系統(tǒng)的采集速率和承載能力，但是存在通信可靠性低的問題。文獻[13]提出滿足電力物聯(lián)網(wǎng)需求的新一代智能電能表的功能升級，業(yè)務(wù)范圍全面，邊緣智能化的技術(shù)展望。

本文提出了基于LoRa的電力物聯(lián)網(wǎng)智能終端采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可以將智能采集終端在配電臺區(qū)采集的電壓、電流、有功功率、無功功率、電能、用電故障信息、電能質(zhì)量和設(shè)備運行溫度等數(shù)據(jù)信息通過LoRa傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯集器，數(shù)據(jù)匯集器將數(shù)據(jù)上傳云端數(shù)據(jù)平臺或電力通信管理機等更高一級數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)，組成更大的數(shù)據(jù)管理平臺，匯總?cè)颗潆娕_區(qū)的數(shù)據(jù)進行分析與處理，及時準(zhǔn)確上傳至監(jiān)視控制系統(tǒng)，根據(jù)反饋的信息執(zhí)行相關(guān)的命令。數(shù)據(jù)匯集器成為自動化管理的中間層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總和控制管理的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于LoRa的電力物聯(lián)網(wǎng)智能終端采集系統(tǒng)由智能采集終端、數(shù)據(jù)匯集器、手機應(yīng)用客戶端和云端數(shù)據(jù)平臺組成,數(shù)據(jù)匯集器可以接收多個智能采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

1)智能采集終端采集電力設(shè)備電壓、電流、有功功率、無功功率、電能質(zhì)量、運行環(huán)境溫度、用電故障信息和電能等數(shù)據(jù)。智能采集終端與數(shù)據(jù)匯集器采用LoRa無線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)，相較于電力線載波通信有帶寬限制、ZigBee通信方式組網(wǎng)復(fù)雜和通信距離不足、GPRS通信方式運行成本高昂等問題，采用星型組網(wǎng)方式的LoRa通信技術(shù)具有傳輸距離遠，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定的特點。

2)數(shù)據(jù)匯集器匯集所有智能采集終端數(shù)據(jù)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60870—5—104—TCP通信協(xié)議的GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳云端數(shù)據(jù)平臺，也可以通過LoRa將采集數(shù)據(jù)信息上傳電力通信管理機等更高一級數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)，組成更大的數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)。通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議，電力通信管理機分析與處理所有接收到的數(shù)據(jù)信息，可根據(jù)后臺需求上傳至主站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析匯總和控制管理的目的。同時數(shù)據(jù)匯集器也從監(jiān)視控制系統(tǒng)接收各種執(zhí)行指令，傳輸至采集終端，進而實現(xiàn)對監(jiān)控對象的控制。

3)云端數(shù)據(jù)平臺接收數(shù)據(jù)匯集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實時將采集的數(shù)據(jù)信息分析處理。電力調(diào)度中心根據(jù)云端數(shù)據(jù)平臺的大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)度管理。

2 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

2.1 智能采集終端硬件設(shè)計

智能采集終端具有電能數(shù)據(jù)采集功能、RS—485通信功能、無線LoRa傳輸功能和WiFi傳輸功能。

智能采集終端中微控制器(microcontroller unit,MCU)選用STM32F103，LoRa無線通信模塊選用SX1278，電能采集芯片選用HT7036，選用開口式電流互感器采集電流數(shù)據(jù)信息，電壓采集模塊采集電壓數(shù)據(jù)信息。將采集到的電流和電壓信號輸入電能采集模塊，電能采集模塊計算電壓、電流、電能質(zhì)量和電能信息等數(shù)據(jù)，通過SPI接口傳輸?shù)組CU；MCU通過AD采樣端口讀取溫度采集模塊采集到的溫度信號，并且計算出相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)；MCU與RS—485模塊和無線通信模塊之間采用串口通信方式進行數(shù)據(jù)的傳輸；RS—485模塊選用ADM2483，實現(xiàn)多點總線傳輸線路的雙向數(shù)據(jù)通信；溫度采集模塊選用Pt100采集溫度信號。電源轉(zhuǎn)換模塊可以通過兩種方式供電，一種方式是直接由采集裝置接入單相電壓為其供電，另外一種方式是采用電流感應(yīng)取電方式為其供電。在電流互感器上鑲嵌螺旋穿刺式取電插針，可根據(jù)電纜半徑大小收縮，插入電纜內(nèi)部，實現(xiàn)可靠取電。電源轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓為DC3.3V或DC5V，一方面滿足智能采集終端內(nèi)部各模塊供電，另一方面提供外部電源接口，為數(shù)據(jù)匯集器提供電源。智能采集終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能說明如圖1所示。

圖1 智能采集終端硬件結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)匯集器設(shè)計

數(shù)據(jù)匯集器主要作用是將系統(tǒng)內(nèi)所有智能采集終端采集的數(shù)據(jù)匯集，由微控制器將數(shù)據(jù)分析和處理，并將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果上傳云端數(shù)據(jù)平臺或電力通信管理機。數(shù)據(jù)匯集器的主要由以下幾部分組成：GPRS模塊WH—LTE—7S4V2、無線透傳模塊E32—TTL—1W、LoRa無線通信模塊SX1278。數(shù)據(jù)匯集器具有RS—485通信功能、無線LoRa傳輸功能、GPRS功能。數(shù)據(jù)匯集器供電電源接口直接與智能采集終端預(yù)留輸出電源接口連接。

數(shù)據(jù)匯集器可以通過無線LoRa模塊或RS—485模塊，實現(xiàn)多個智能采集終端數(shù)據(jù)信息的無線傳輸。數(shù)據(jù)匯集器的MCU與RS—485模塊采用串口通信方式與觸摸屏或顯示器等顯示終端連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化。數(shù)據(jù)匯集器可通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳云端數(shù)據(jù)平臺，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60870—5—104—TCP規(guī)約。數(shù)據(jù)匯集器可通過無線透傳模塊將數(shù)據(jù)上傳電力通信管理機等更高一級數(shù)據(jù)匯總系統(tǒng)。數(shù)據(jù)匯集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)匯集器硬件

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 智能采集終端軟件設(shè)計

智能采集終端安裝在小型工廠等用戶的變壓器二次側(cè)，實時采集電力設(shè)備電壓、電流、有功功率、無功功率、電能質(zhì)量、設(shè)備運行環(huán)境溫度、用電故障信息和電能等數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器分析和處理，等待數(shù)據(jù)匯集器的指令，根據(jù)指令將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯集器進行處理，或執(zhí)行相關(guān)指令的操作。智能采集終端軟件工作流程如圖3所示。

圖3 智能采集終端軟件工作流程圖

3.2 數(shù)據(jù)匯集器軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)匯集器匯集所有智能采集終端數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳云端數(shù)據(jù)平臺或電力通信管理機。同時數(shù)據(jù)匯集器從監(jiān)控中心接收各種控制命令，傳輸至采集終端，進而實現(xiàn)對監(jiān)控對象控制。數(shù)據(jù)匯集器軟件工作流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)匯集器軟件工作流程圖

4 智能終端采集系統(tǒng)的實驗驗證

搭建智能終端采集系統(tǒng)測試平臺和環(huán)境，對系統(tǒng)的功能和性能進行驗證。測試平臺由智能采集終端、數(shù)據(jù)匯集器、三相交流校表儀、云端數(shù)據(jù)平臺、安卓手機應(yīng)用程序(application, App)、數(shù)字觸摸屏等組成。智能采集終端主要具有電壓采集、電流采集、功率計算、功率因數(shù)計算、電能質(zhì)量分析、用電故障信息上報等功能，通過外部端子接入三相交流校表儀輸出的電壓、電流信號，通過手機App查看對應(yīng)采集信息，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)驗證結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 實驗結(jié)果匯總

圖6 電能質(zhì)量分析

三相交流校表儀輸出三相電壓，均為220.0 V，輸出三相電流為5 A，功率因數(shù)設(shè)置為0.5 L和1兩種情況。測試結(jié)果通過手機APP顯示。實測中得到A相電壓為220.2 V，B相電壓為220.2 V，C相電壓為219.8 V，測量誤差為0.09 %，達到測量誤差優(yōu)于±0.5 %的要求。A相電流為4.999 A，B相電流為4.995 A，C相電流為4.995 A，測量誤差最大為0.1 %，達到測量誤差優(yōu)于±0.5 %的要求。當(dāng)功率因數(shù)設(shè)置為0.5 L時，A相功率因數(shù)為0.499 7，B相功率因數(shù)為0.498 4，C相功率因數(shù)為0.501 1，總功率因數(shù)為0.499 8，測量誤差為0.32 %，達到測量誤差優(yōu)于±0.5 %的要求。當(dāng)功率因數(shù)設(shè)置為1時，A相有功功率為1.100 6 kW，B相有功功率為1.103 0 kW，C相有功功率為1.100 9 kW；功率測量誤差最大為0.27 %，達到測量誤差優(yōu)于±0.5 %的要求。電能質(zhì)量分析結(jié)果為：電壓不平衡度0.28 %、電流不平衡度6.41 %、三相電壓的2～15次諧波含量、三相電流的2～15次諧波含量。可根據(jù)電能質(zhì)量的分析結(jié)果進行諧波污染治理。數(shù)據(jù)匯集器將匯總的數(shù)據(jù)信息通過標(biāo)準(zhǔn)IEC60870—5—104—TCP通信協(xié)議的GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳云端數(shù)據(jù)平臺。測試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)上傳及時準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

設(shè)計的基于LoRa的電力物聯(lián)網(wǎng)智能終端采集系統(tǒng)，在滿足電網(wǎng)信息物理深度融合的基礎(chǔ)上，通過智能采集終端的合理分配與數(shù)據(jù)匯集器有效規(guī)劃實現(xiàn)了配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。提出的方法消除了云端數(shù)據(jù)平臺與采集終端數(shù)據(jù)信息交互的干擾，很好解決了配電臺區(qū)現(xiàn)場通信及供電電纜施工工作量大、開關(guān)柜內(nèi)部線路布局困難、電力采集器安裝復(fù)雜、通信線路老化更換等問題，用戶可以通過手機App查看實時的電能數(shù)據(jù)信息，更加方便快捷，有很好的工程應(yīng)用價值。