基于LoRa技術(shù)的費(fèi)控表和集抄系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

藍(lán)嵐

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州 貴陽550002）

1 目的和意義

智能電網(wǎng)AMI 建設(shè)的關(guān)鍵是通信平臺的建設(shè)，良好的通信架構(gòu)和先進(jìn)的技術(shù)選擇是大規(guī)模集抄的基礎(chǔ)。LoRa技術(shù)經(jīng)過多年的研究孵化，在最近兩年基本完善達(dá)到實(shí)用化要求，目前已經(jīng)在全球成功地運(yùn)用到各種應(yīng)用中，LoRa芯片每年已有數(shù)百萬出貨量，已在抄表、資產(chǎn)跟蹤、傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用中得到驗(yàn)證。前向糾錯(cuò)和擴(kuò)頻技術(shù)的采用讓LoRa有更好的通信環(huán)境適應(yīng)能力和更高的抗干擾能力，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，LoRa通信技術(shù)可以靈活地調(diào)整功率等級，適配數(shù)據(jù)傳輸中對于距離和速率的需求。

基于LoRa等標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)，研究建設(shè)一個(gè)主站系統(tǒng)可以和電能表終端直接通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)端到端的通信，減少現(xiàn)有集抄通信中的不必要環(huán)節(jié)，極大提高集抄通信系統(tǒng)的擴(kuò)展能力、可靠性以及可管理性。電能表智能抄表由于電能表所處位置環(huán)境復(fù)雜，要全面實(shí)現(xiàn)智能抄表難度較大。

LoRa通信網(wǎng)，未來還可以在智能輸電線網(wǎng)、智能配電網(wǎng)、智能變電設(shè)備、智能供電網(wǎng)、智能調(diào)度、智能巡查、智能供電樁、智能用電安全（電弧火災(zāi)）、智能家電、智能樓宇等領(lǐng)域的監(jiān)測和監(jiān)控方面發(fā)揮越來越多的作用，為南方電網(wǎng)現(xiàn)有的有線專網(wǎng)提供“最后一公里”無線通信能力補(bǔ)充。

2 項(xiàng)目研究的背景

LoRa 和NB-IoT技術(shù)是LPWAN（low power wide area network）低功耗廣域網(wǎng)（包括LoRa，NBIoT，SigFox，Ingenu，Weightless 等）中最開放、最主流、最成熟的技術(shù)。相對于NB-IoT，LoRa 有如表1所示優(yōu)勢。因此LoRa成為目前首選，未來不排除同時(shí)考慮NB-IoT。

LoRa地球的Wi-Fi，開放頻段（433 MHz）自主網(wǎng)專網(wǎng)：自主性、保密性、可擴(kuò)展性、靈活性確定性：可立即按需自建網(wǎng)絡(luò)覆蓋NB-IoT授權(quán)頻段，只有運(yùn)營商能建基站和網(wǎng)絡(luò)公網(wǎng)：QoS不可自控，流量費(fèi)，數(shù)據(jù)先到運(yùn)營商（保密性問題）不確定性：網(wǎng)絡(luò)覆蓋何時(shí)能建成未知，內(nèi)部和eMTC等其他技術(shù)有競爭

3 項(xiàng)目研究內(nèi)容與實(shí)施方案

3.1 主要技術(shù)內(nèi)容

3.1.1 現(xiàn)有用電信息采集通信平臺問題分析

實(shí)現(xiàn)用電信息的全采集是不可阻擋發(fā)展趨勢，但智能電能表數(shù)量巨大，工作環(huán)境千差萬別，盡快建設(shè)下一代基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的用電采集通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)計(jì)量管理的自動(dòng)化，從而解決目前存在的一系列用電管理難題，如線損高、人工抄表效率低、電費(fèi)結(jié)算實(shí)時(shí)性差，中小動(dòng)力用戶的監(jiān)控、防竊電、限電等，最終通過引導(dǎo)用戶的用電習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，促進(jìn)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的運(yùn)行。

目前中國電網(wǎng)用電信息采集通信網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：下行采集網(wǎng)絡(luò)鏈接智能電能表和集中器，以及上行回傳網(wǎng)絡(luò)鏈接集中器和主站系統(tǒng)。兩部分網(wǎng)絡(luò)各自采用不同的組網(wǎng)技術(shù)。

下行采集網(wǎng)絡(luò)：PLC、RS485 總線、無線自組網(wǎng)等。上行回傳網(wǎng)絡(luò)：GPRS/CDMA，4GLTE,廣電網(wǎng)絡(luò)等。

經(jīng)過幾年的建設(shè)和使用，用電信息采集網(wǎng)絡(luò)暴露出一些問題。

首先，目前的下行采集網(wǎng)絡(luò)，無論采用何種通信底層技術(shù)，都還是廠家的私有協(xié)議，各種技術(shù)無法互通、無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

其次，由于采用非標(biāo)準(zhǔn)化非開放協(xié)議，需要集中器、采集器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致整體架構(gòu)的擴(kuò)展性差、運(yùn)維復(fù)雜，并且，由于中間增加了非隧道化的運(yùn)營商通道以及通信前置機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)從末端智能電能表到采集主站服務(wù)器的端到端可視網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。用電信息采集通信平臺是由一段段的網(wǎng)絡(luò)鏈接而成。雖然應(yīng)用層可達(dá)，但網(wǎng)絡(luò)層無法實(shí)現(xiàn)端到端互通。這樣，給管理運(yùn)維帶來巨大麻煩，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測到每一個(gè)智能電能表的狀態(tài)，包括通信情況和運(yùn)行情況。一旦出現(xiàn)問題，只能派人現(xiàn)場排查，效率低且浪費(fèi)人力。

3.1.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

LoRa無線通信技術(shù)研究：研究LoRa通信技術(shù)，并將其與用電信息采集通信模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)其在智能電能表上的應(yīng)用。在特定場合（變電站局部放電等）的LoRa 通信抗干擾問題可能會(huì)遇到技術(shù)難點(diǎn)。

基于LoRa技術(shù)通信模塊的小型化研究：目前單相智能電能表的通信模塊尺寸與接口已經(jīng)有完整定義，由于其定義的出發(fā)點(diǎn)是考慮本地通信模塊，沒有考慮遠(yuǎn)程通信模塊，所以尺寸定義偏小。如何將LoRa技術(shù)通信模塊小型化且盡可能的減少射頻性能的損失是本項(xiàng)目的另外一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

安全性問題：使用了兩層安全：一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)層安全；另一個(gè)是應(yīng)用層安全。網(wǎng)絡(luò)安全保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠性，而應(yīng)用層的安全性確保了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不能訪問終端用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)。密鑰交換使用了AES加密的IEEE EUI64標(biāo)識符。

接入設(shè)備復(fù)雜性問題：在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層，根據(jù)不同的LoRa終端接入設(shè)備通信協(xié)議將數(shù)據(jù)流解析成應(yīng)用層格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

網(wǎng)絡(luò)容量問題：利用自適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)關(guān)中的多通道多調(diào)制收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要更大容量時(shí)，可以添加更多LoRa網(wǎng)關(guān)，變換數(shù)據(jù)速率，減少串音次數(shù)，可擴(kuò)展6～8倍網(wǎng)絡(luò)容量。

3.2 項(xiàng)目研究的實(shí)施方案

本項(xiàng)目研究擬采用的技術(shù)路線以開發(fā)研究基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa 的通信模塊，搭建LoRa 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，完成表記到主站端到端的通信需求。

本項(xiàng)目研究開發(fā)支持LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能表遠(yuǎn)程集抄通信模塊，該模塊在物理特性和表計(jì)間數(shù)據(jù)接口方面完全遵循智能電能表規(guī)約，可以將傳統(tǒng)的電能表485通信傳輸局限在單個(gè)表計(jì)與模塊之間，從而有效避免RS485 串行通信固有的不可靠局限，大幅提升整網(wǎng)通信可靠性和抄表成功率。上行通過通信模塊本身的協(xié)議轉(zhuǎn)換接入LoRa網(wǎng)絡(luò)后可以直接接入到現(xiàn)有的集抄運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。從而達(dá)成項(xiàng)目預(yù)期的主站與電能表之間的直接通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的細(xì)顆粒化數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控和訪問控制能力。

不同于傳統(tǒng)的電能表集中采集器，本研究開發(fā)支持的LoRa模塊不限于485的單接口方式，該模塊將多種接口方式集成進(jìn)來，最大兼容性的支持各種廠家電能表，該模塊將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的無線擴(kuò)頻技術(shù)，在中心頻點(diǎn)被占用的時(shí)候，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，模塊將自動(dòng)調(diào)換發(fā)送和接收頻段直到保證平臺端可以收到電能表數(shù)據(jù)并及時(shí)返回。

該模塊采用的LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，可解調(diào)低于20 dB 的噪聲，這確保了高靈敏度和可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，而使用不同的擴(kuò)頻因子就可以改變擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸速率，且可變的擴(kuò)頻因子提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。本項(xiàng)目研究開發(fā)支持LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能表遠(yuǎn)程集抄通信模塊采用先進(jìn)的糾錯(cuò)算法，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，使通信距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)，使用無線射頻領(lǐng)域領(lǐng)先的鏈路預(yù)算，可高達(dá)-148 dBm 接收靈敏度，對遠(yuǎn)距離可靠性傳輸提供保障。

本項(xiàng)目研究開發(fā)支持LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信模塊具有高度的可配置性和擴(kuò)展性，在傳輸正常的情況下，模塊將選取最小的發(fā)送功率，使模塊的功耗達(dá)到最小程度；當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)的模塊，將采用高擴(kuò)頻因子和大功率發(fā)送數(shù)據(jù)，以保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

另外本模塊針對傳統(tǒng)的modbus協(xié)議，模塊將內(nèi)置自動(dòng)的配置系統(tǒng)，通過平臺的配置界面，將智能電能表的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)的傳輸上來，例如，配置讀取電能表的寄存器地址，配置電能表總線ID，配置數(shù)據(jù)的占位，配置串口參數(shù)，配置數(shù)據(jù)讀取周期等，這樣該通信模塊將各種不同類型的電能表透明傳輸?shù)狡脚_。模塊另外具有各種自檢及預(yù)警功能，當(dāng)發(fā)生意外掉線的情況時(shí)，停止接收集中器數(shù)據(jù)，DTU不斷嘗試用各種參數(shù)連接基站網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，直到重連成功。

模塊硬件驅(qū)動(dòng)采用ARM系列微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，可以為處理器和外設(shè)實(shí)現(xiàn)一致且簡單的軟件接口，從而簡化二次開發(fā)過程，在有新設(shè)備加入時(shí)，并縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。

基于LoRa廣域通信、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)技術(shù)，打造了從感知層到應(yīng)用層兩者之間完整的電能表遠(yuǎn)程抄表通信解決方案，具有遠(yuǎn)距離、高容量、低功牦、低成本、抗干擾等特性。

本項(xiàng)目基于LoRa的無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)采用穩(wěn)定的STAR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)速度、抄表速度快，一次抄表成功率非常高。網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)模塊采用SEMTECH LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)低功耗運(yùn)行，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁有目前最強(qiáng)的穿透力和最廣的覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模塊節(jié)點(diǎn)之間通信距離超過2.5 km，室外網(wǎng)絡(luò)覆蓋超過5 km，如果加功放天線可以超過15 km，非常適用于農(nóng)村以及城市大型及超大型工業(yè)樓宇群、超高層建筑社區(qū)。

基于現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)的電能表集中器是固定協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，相同協(xié)議的LoRa終端可以很方便的加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中來，基于LoRa方案也可以使用相同的商業(yè)運(yùn)行模式。對于國家電網(wǎng)來說，只需要將原有電能表集中器GPRS終端替換成LoRa終端，基于LoRa網(wǎng)絡(luò)安裝部署LoRa網(wǎng)關(guān)和Ethernet連接，這種聯(lián)網(wǎng)方案成本更低，耗電低且不需要申請頻段（采用公用頻段），這將成為現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)電能表遠(yuǎn)程抄表通信方案最好的替代或補(bǔ)充方式。

4 預(yù)期目標(biāo)

4.1 預(yù)期目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模集抄通信平臺簡化了現(xiàn)有集抄網(wǎng)絡(luò)，減少了采集器、集中器以及前置機(jī)等中間環(huán)節(jié)，大大提高了集抄網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和易管理性，最終有助于減少故障處理時(shí)間，為未來實(shí)現(xiàn)互動(dòng)化智能用電提前打好通信基礎(chǔ)。

創(chuàng)新點(diǎn)：電能表支持LoRa 技術(shù)，利用LoRa 網(wǎng)絡(luò)和主站通信；簡化通信架構(gòu)，無需采集器、集中器等中間環(huán)節(jié)；搭建基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對電能表狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中管理；實(shí)現(xiàn)基于LoRa技術(shù)的集中抄表和系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。

4.2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)：電能表（舊表和新表）支持LoRa技術(shù)。上行通信方式LoRa通信網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：集中抄表系統(tǒng)降低系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用50%或以上。簡化集抄網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少不必要的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)，降低建設(shè)優(yōu)化集抄系統(tǒng)架構(gòu)，提高系統(tǒng)擴(kuò)展性和兼容性，減少未來擴(kuò)容成本。對電能表通信的實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少維護(hù)人力成本，同時(shí)減少停電時(shí)間提高用戶滿意度。

以貴陽供電局7 萬數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（包括集中抄表及其他電力系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控點(diǎn)）為例，原GPRS 無線方案成本包括終端模塊和流量費(fèi)，每個(gè)GPRS 模塊（需帶485/DTU、天線、外殼等）的市場價(jià)250元左右，7 萬個(gè)點(diǎn)總計(jì)1750 萬元。流量費(fèi)按每月每個(gè)點(diǎn)平均9元計(jì)算，一年108元，假定5年使用壽命，每個(gè)點(diǎn)流量費(fèi)540 元， 7 萬個(gè)點(diǎn)5 年流量費(fèi)共計(jì)3780萬元； 假定使用壽命10 年，每個(gè)點(diǎn)流量費(fèi)1080元，7萬個(gè)點(diǎn)10年流量費(fèi)共計(jì)7560萬元。

采用LoRa 技術(shù)方案，每個(gè)LoRa 終端模塊目前大約250 元（大批量價(jià)格，帶485/DTU、天線、外殼等與GPRS 同等功能），和GPRS 模塊價(jià)格相當(dāng)（比NB-IoT價(jià)格低），如果不考慮有些運(yùn)營商深度打折GPRS 模塊提高流量費(fèi)，LoRa 模塊采購成本和GPRS 模塊采購成本（1750 萬元）可以相互抵消；自建LoRa網(wǎng)絡(luò)沒有流量費(fèi)，但有基站建設(shè)和運(yùn)營費(fèi)用，每個(gè)LoRa基站（目前有大小兩種基站）價(jià)格平均按8000 元算（含支撐桿、電源、安裝費(fèi)等），每個(gè)基站在城區(qū)覆蓋面積25 km2，農(nóng)村覆蓋面積約150 km2，每個(gè)基站按平均連接1000 個(gè)點(diǎn)計(jì)算（Lo-Ra 基站自身容量2000 個(gè)至60000 個(gè)點(diǎn)），綜合地理覆蓋因素估算，7 萬個(gè)點(diǎn)約需700 個(gè)基站，共計(jì)560萬元；考慮到電網(wǎng)有線專網(wǎng)幾乎無處不在，接入費(fèi)用忽略不計(jì)（安裝費(fèi)前面已計(jì)入），基站人工運(yùn)營管理維護(hù)費(fèi)按每年30萬計(jì)算，5年為150萬，5年總費(fèi)用共計(jì)710萬元；10年基站運(yùn)營維護(hù)費(fèi)為300萬元，10年總費(fèi)用共計(jì)860萬元。