低功耗廣域配用電通信系統(tǒng)架構與軟件設計

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如圖1所示，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（幾十千米），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（地下室、水泵房、天井、樓頂、洞內(nèi)廠房等），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。

圖1 配網(wǎng)通信的難點

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125 kbit/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。考慮到不同場景的需求，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。

3 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3所示。

圖2 LoRaWAN協(xié)議架構

圖3 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)，轉發(fā)給下一處理環(huán)節(jié)，同時，也可轉發(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4所示。

圖4 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，或是轉發(fā)上一級處理單元進行處理。

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6所示。

圖5 控制器模塊流程圖

圖6 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

低功耗廣域網(wǎng)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)絡成本方面彌補現(xiàn)有通信技術的短板，為配用電通信網(wǎng)的未來發(fā)展提供了創(chuàng)新的機遇。

1）分析了配用電通信網(wǎng)存在的問題，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。