LoRa技術(shù)在輸電線路選線中的應(yīng)用

呂建強(qiáng)，洪立瑋

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

輸電線路路徑的選擇是線路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，路徑選擇的優(yōu)劣會(huì)對(duì)項(xiàng)目初期投資、后期運(yùn)行維護(hù)、電能損耗等方面產(chǎn)生直接影響，對(duì)供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益起到至關(guān)重要的作用[1]。目前輸電線路選線大多采用衛(wèi)星地圖選線-實(shí)地測(cè)量塔位的方式，衛(wèi)星地圖提供了很好的地形和地上物情況，但受精確度與時(shí)效性影響，現(xiàn)場(chǎng)情況與衛(wèi)星圖可能有較大出入，尤其是在山區(qū)等地上物茂密的地區(qū)。山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)手機(jī)信號(hào)覆蓋較差，無法使用在線地圖等工具，設(shè)計(jì)人員在地圖上選線完成后如果遇到現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)際不符的情況需要返回駐地進(jìn)行修改再次選線，浪費(fèi)了大量時(shí)間和精力。

1 輸電線路選線

輸電線路初勘選線是輸電線路設(shè)計(jì)階段的第一步，當(dāng)前線路選線流程大致為衛(wèi)片初步選擇-現(xiàn)場(chǎng)踏勘的流程，如遇到現(xiàn)場(chǎng)與預(yù)期不符則重復(fù)以上流程?，F(xiàn)有選線設(shè)備多為移動(dòng)端GPS、RTK等設(shè)備，設(shè)備配置多為“一人一機(jī)”的方式，設(shè)計(jì)人員在衛(wèi)片初選方案后隨勘察專業(yè)人員實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)逐基勘測(cè)，確定全線轉(zhuǎn)角樁位。若轉(zhuǎn)角耐張段內(nèi)地上物情況復(fù)雜尚須對(duì)擬定直線塔位情況進(jìn)行核實(shí)。當(dāng)某一基塔位無法滿足立塔條件時(shí)，往往相鄰多個(gè)塔位需要聯(lián)動(dòng)調(diào)整，這需要設(shè)計(jì)人員多次往返調(diào)整塔基位置確保工程能夠?qū)嵤．?dāng)遇到無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)受距離和通信影響只能一組人員進(jìn)行實(shí)地踏勘，在交通不便尤其是山區(qū)會(huì)極大影響選線效率。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 LoRa通信技術(shù)

LoRa是一種低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，其名稱“LoRa”源于遠(yuǎn)距離無線電（long range radio），其最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍[2]。它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，即保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景為：常規(guī)通信手段未覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)的線路選線及方案調(diào)整。

基于LoRa技術(shù)的輸電線路新型選線系統(tǒng)包括手持終端（現(xiàn)場(chǎng)定位）、網(wǎng)關(guān)終端（負(fù)責(zé)與PC交換數(shù)據(jù)）和PC端衛(wèi)星地圖API。手持終端負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)定位并將定位信息回傳至網(wǎng)關(guān)，每個(gè)手持終端均可以作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)鏈路暢通。網(wǎng)關(guān)終端利用藍(lán)牙或串口與PC相連，將手持終端回傳的位置信息通過LoRa網(wǎng)絡(luò)接收后傳送給PC端，同時(shí)可以接收PC端指令指示新位置的方位；PC端API可以利用現(xiàn)有地圖工具將網(wǎng)關(guān)接收到的位置信息實(shí)時(shí)顯示在地圖上，方便設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整路徑方案。系統(tǒng)典型應(yīng)用如圖1所示。

圖1 選線系統(tǒng)典型應(yīng)用

2.3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)手持端與網(wǎng)關(guān)共享相同硬件設(shè)計(jì)，通過軟件切換設(shè)備類型。該硬件需要具有獲取GPS位置信息、LoRa傳輸、充電、PC通信和顯示功能，各模塊與主控通過相應(yīng)通信接口連接，主控芯片采用ESP32雙核ARM處理器，其自帶了Wi-Fi和藍(lán)牙協(xié)議棧[3]，從而簡(jiǎn)化了與PC主機(jī)的通信設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件電路模塊設(shè)計(jì)

2.4 軟件邏輯

系統(tǒng)軟件邏輯如圖3所示，分為發(fā)送流程和接收流程。發(fā)送流程：上電后設(shè)備根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔或手動(dòng)觸發(fā)進(jìn)行GPS信息采集并通過LoRa模塊進(jìn)行傳輸，傳輸完成后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)（接收）狀態(tài)。接收流程：在設(shè)備待機(jī)（接收）狀態(tài)下接收到LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并觸發(fā)處理中斷，中斷函數(shù)校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性后判斷該數(shù)據(jù)包目的地是否為本設(shè)備，若目的地是本身則將數(shù)據(jù)顯示或上傳PC（網(wǎng)關(guān)功能），若目的地不是本身則通過LoRa模塊將該數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)（中繼功能）。

圖3 軟件流程圖

2.5 數(shù)據(jù)格式

根據(jù)系統(tǒng)功能編制數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)格式須包含發(fā)送和接收端的唯一地址信息用以確認(rèn)數(shù)據(jù)來源和目的地，位置信息為承載的有效數(shù)據(jù)，預(yù)留數(shù)據(jù)位作為后續(xù)功能擴(kuò)展支持，數(shù)據(jù)包哈希值用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性。采用結(jié)構(gòu)體的組織形式，包含信息如表1所示。

表1 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)格式

3 系統(tǒng)應(yīng)用

某山區(qū)地區(qū)移動(dòng)通信信號(hào)較差，設(shè)計(jì)人員在衛(wèi)片中選擇點(diǎn)位，原始方案點(diǎn)位設(shè)計(jì)如圖4所示，塔位滿足設(shè)計(jì)塔型檔距要求。

圖4 原始設(shè)計(jì)方案塔位

3.1 原始選線方案

設(shè)計(jì)人員隨測(cè)量人員實(shí)地定點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)③號(hào)塔位地上物環(huán)境不滿足立塔條件，須進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)人員在原③塔位周邊進(jìn)行實(shí)地勘察，初步擬定符合立塔條件的新③號(hào)塔位（圖5青色標(biāo)出）并采集相應(yīng)坐標(biāo)，將新塔位坐標(biāo)帶回駐地進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)新③號(hào)塔位與原②號(hào)塔位檔距超限，第一次塔位調(diào)整不符合要求，隨后再次前往現(xiàn)場(chǎng)，選擇圖6中綠色標(biāo)注新③號(hào)塔位，再次重復(fù)檢驗(yàn)流程并優(yōu)化新④號(hào)塔位后完成選線。過程中每次調(diào)整都須返回駐地驗(yàn)證塔位，選擇新位置時(shí)須再次上下山，選線時(shí)間需要3天。

圖5 塔位一次調(diào)整

3.2 基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的選線

設(shè)計(jì)人員于駐地1攜帶安裝了配套地圖的計(jì)算機(jī)和LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備，測(cè)量人員攜帶LoRa移動(dòng)端模塊與網(wǎng)關(guān)連接，分2組分別至圖4中的塔位②和③，測(cè)量人員位置可通過LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)中。此時(shí)②號(hào)塔位反饋塔位地上物滿足立塔條件，③號(hào)反饋不滿足立塔條件，須進(jìn)行調(diào)整，在③號(hào)周邊地區(qū)找到適合立塔的新③號(hào)位置（圖5青色標(biāo)注），但PC端通過實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)新③號(hào)塔位與現(xiàn)有②號(hào)塔位檔距超限，不滿足設(shè)計(jì)要求，隨后重新在PC端規(guī)劃③號(hào)塔位（圖6中綠色），同時(shí)優(yōu)化④號(hào)位置，將新塔位發(fā)送給兩組測(cè)量人員，測(cè)量人員依照塔位坐標(biāo)前往新位置，確認(rèn)地上物滿足立塔條件后完成選線。基于LoRa的選線方法省去了往返駐地的時(shí)間，同時(shí)可以多組協(xié)同工作，選線時(shí)間縮短為1天。

圖6 塔位二次調(diào)整

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的輸電線路選線系統(tǒng)，結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)的長(zhǎng)距離、低功耗和自組網(wǎng)的特點(diǎn)，將GPS模塊獲取位置信息回傳至LoRa網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)在PC衛(wèi)星圖中顯示，供設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)優(yōu)化更新線路路徑。同時(shí)該選線方式將原有單組踏勘作業(yè)拓展為多組并行作業(yè)，大大提高了選線效率。