基于LoRa技術(shù)的智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭迪櫟, 董武， 蔡誠(chéng)

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心， 貴州， 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

電力通信方式敷設(shè)成本低，但也容易受到外界信號(hào)的干擾，影響電表運(yùn)行的安全。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)就采用遠(yuǎn)程抄表的方式進(jìn)行電力管理，主要是在電表中安裝相應(yīng)的微處理芯片進(jìn)行電能的采集和存儲(chǔ)[1-2]。此外，美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家還為固定區(qū)域抄表配備了無(wú)線收發(fā)機(jī)。我國(guó)對(duì)自動(dòng)抄表的研究起步較晚，但在電網(wǎng)上下通道的數(shù)據(jù)傳輸水平上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用EtherCAT技術(shù)保障數(shù)據(jù)安全傳輸，設(shè)計(jì)了一種電源監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層數(shù)模擬與實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)計(jì)量芯片采集電網(wǎng)電壓，結(jié)合人機(jī)交互頁(yè)面特征，完成電能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

但是以往研究方法存在電表安全等級(jí)不明確，通信成功率較低的問(wèn)題，對(duì)此，本文提出基于LoRa技術(shù)(遠(yuǎn)距離無(wú)線電, Long Range Radio)的智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。LoRa是一種基于線性擴(kuò)頻調(diào)制的新型擴(kuò)頻調(diào)制方案，具有為無(wú)線設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋的功能[5],由于該技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、電池壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在智能電表安全狀態(tài)判斷方面。

1 智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

與普通電表相比，智能電表具有更高性能的集成電路，能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量和控制智能電表的安全狀態(tài)[6-7]。智能電表安全狀態(tài)透明監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足遠(yuǎn)程通信和電表遠(yuǎn)程測(cè)控的運(yùn)行要求[8]。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括電源電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、通信電路等模塊，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，主控制器是智能電表監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，主控制器主要負(fù)責(zé)智能電表其他配件的控制與協(xié)調(diào)工作。硬件中的通信模塊主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供相應(yīng)的通信通道，并在系統(tǒng)的采集終端與用電模塊之間建立起相應(yīng)的聯(lián)系[9]。集中器主要負(fù)責(zé)連接智能電表與LoRa網(wǎng)絡(luò)，能夠在多個(gè)電表中及時(shí)傳遞信息。集中器可以有效處理上行數(shù)據(jù)包與下行數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確傳送到用電管理終端[10]。用電管理模塊主要為智能電表監(jiān)控系統(tǒng)提供歷史事件的數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)備份等功能[11]。除了上述硬件配置外，還包括與外圍一起收發(fā)電路的電表芯片，芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖

圖2 電表芯片結(jié)構(gòu)圖

圖2中，電表芯片包括28個(gè)引腳零件，主要包括信號(hào)接收端口、外部晶振接口以及射頻信號(hào)發(fā)射端口，完成智能電表監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2 智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 獲取智能電表計(jì)量參數(shù)

智能電表需要實(shí)時(shí)采集并反饋電表的安全狀態(tài)，因此，電表軟件中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)站點(diǎn)應(yīng)具有移植性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)[12]。在智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，電能計(jì)量參數(shù)是系統(tǒng)軟件的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括電能有效值、功率和電能。電能有效值的計(jì)算式如下：

(1)

其中，R表示電能有效值，t表示信號(hào)采集所需的時(shí)間，g表示同等功率下直流量，a表示電網(wǎng)運(yùn)行的交流信號(hào)幅度。當(dāng)基頻數(shù)值為1.21 kHz時(shí)，式(1)則轉(zhuǎn)換為

(2)

其中，R表示電能有效值，M表示輸出信號(hào)的低通濾波，g表示同等功率下直流量。在不同的電流通道內(nèi)，提取電表過(guò)零信號(hào)信息。智能電表的電壓表達(dá)式為

(3)

其中，S表示智能電表的電壓，s表示智能電表的電壓有效值，ω表示監(jiān)控系統(tǒng)的角頻率，t表示信號(hào)采集所需的時(shí)間。智能電表的電流表達(dá)式為

(4)

其中，Z表示智能電表的電流，z表示智能電表的電流有效值，ω表示監(jiān)控系統(tǒng)的角頻率，t表示信號(hào)采集所需的時(shí)間。根據(jù)式(3)與式(4)，得出智能電表的瞬時(shí)功率計(jì)算式，如下：

(5)

其中，L表示智能電表的瞬時(shí)功率，S表示智能電表的電壓，s表示智能電表的電壓有效值，ω表示監(jiān)控系統(tǒng)的角頻率，t表示信號(hào)采集所需的時(shí)間，Z表示智能電表的電流，z表示智能電表的電流有效值。則電能的表達(dá)式如下：

(6)

其中，I表示智能電表的電能，E表示智能電表的采樣周期，a表示電表的離散時(shí)間采樣數(shù)量，L表示智能電表的瞬時(shí)功率。

基于上述計(jì)算，完成獲取智能電表的計(jì)量參數(shù)，為診斷電表安全狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 基于LoRa技術(shù)診斷電表運(yùn)行狀態(tài)

利用LoRa技術(shù)對(duì)儀表的工作狀態(tài)進(jìn)行診斷，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件。智能電表的運(yùn)行狀態(tài)診斷是監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能。在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦部分功率元件發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)向終端發(fā)送故障信息并進(jìn)行預(yù)警[13]。儀表的運(yùn)行狀態(tài)分為正常等級(jí)、注意等級(jí)、檢查等級(jí)和緊急等級(jí)，故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次增大。智能電表的安全狀態(tài)診斷流程如圖3所示。

圖3 安全狀態(tài)診斷圖

圖3中，智能電表的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)與各種電源參數(shù)有關(guān)，包括線路溫度、漏電流等因素。結(jié)合LoRa技術(shù)和功率參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，判斷智能電表的運(yùn)行狀態(tài)是安全的。一旦線路溫度過(guò)高或出現(xiàn)三次電壓故障，將直接停止運(yùn)行。如果智能電表的各項(xiàng)指標(biāo)都在安全范圍內(nèi)，則繼續(xù)操作[14]。

智能電表的安全指數(shù)計(jì)算式如下：

(7)

其中，n表示智能電表中的輸入指標(biāo)，b表示標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的上限值，c表示標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下限值，ε表示運(yùn)行區(qū)間的斜率，h表示區(qū)間內(nèi)的拐點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)中硬件部分的集中器，得出安全狀態(tài)指標(biāo)，利用LoRa技術(shù)完成電表安全狀態(tài)診斷。

2.3 計(jì)算智能電表加速壽命設(shè)置監(jiān)控模式

智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足電表的多參數(shù)測(cè)量功能、存儲(chǔ)功能、時(shí)間校準(zhǔn)功能和通信功能。根據(jù)系統(tǒng)需求，對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了劃分。其中，多個(gè)參數(shù)包括耗電量、速率、瞬時(shí)量等參數(shù)；存儲(chǔ)功能包括電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的事件記錄和停電保護(hù)數(shù)據(jù)；時(shí)間校準(zhǔn)功能是指電網(wǎng)故障事件的附加標(biāo)簽；通信功能主要是保證通信節(jié)點(diǎn)和通信接口的有功功率和脈沖輸出[15]，其偽代碼為

func match(binNrs: [Int])-> Bool {

let firstPatternNr = binNrs[17] //設(shè)計(jì)存儲(chǔ)單元

let secondPatternNr = firstPatternNr == 0 ? 1: 0 //判斷是否啟動(dòng)監(jiān)控程序

let pattern1Length = matchPattern(numbers: binNrs, //啟動(dòng)條件

startIndex: 17,

number: firstPatternNr)

if pattern1Length < 3 { return false }//查看參數(shù)是否符合規(guī)定長(zhǎng)度

let pattern2Length = matchPattern(numbers: binNrs, //查看輸入?yún)?shù)是否匹配

startIndex: 17-pattern1Length,

number: secondPatternNr)

if pattern2Length < 5 { return false }//查看參數(shù)是否超過(guò)正常標(biāo)準(zhǔn)

let pattern3Length = matchPattern(numbers: binNrs, //如果符合要求，校準(zhǔn)功能啟動(dòng)

startIndex: 17-pattern1Length-pattern2Length,

number: firstPatternNr)

if pattern3Length < 3 { return false }

let pattern4Length = matchPattern(numbers: binNrs,

startIndex: 17-pattern1Length-pattern2Length-pattern3Length,

number: secondPatternNr)

return pattern4Length >= 5

}

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能要求，計(jì)算智能電表的加速壽命，設(shè)置系統(tǒng)的監(jiān)控模式。

設(shè)定智能電表的濕度和電壓等變量的數(shù)值都符合安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，則加速壽命因子的表達(dá)式如下：

(8)

其中，β表示智能電表運(yùn)行加速時(shí)間，G表示智能電表零件產(chǎn)品的退化量，X表示任意大于0的常數(shù)，j表示玻爾茲曼參數(shù)，q表示激活電表運(yùn)行的能量，f表示電表工作時(shí)的熱力學(xué)溫度。由式(8)得出，智能電表的壽命特征與熱力學(xué)溫度f(wàn)之間的關(guān)系如下：

(9)

其中，G表示智能電表零件產(chǎn)品的退化量，X表示任意大于0的常數(shù)，j表示玻爾茲曼參數(shù)，q表示激活電表運(yùn)行的能量，f表示電表工作時(shí)的熱力學(xué)溫度，l表示智能電表的壽命特征。則智能電表的加速壽命表達(dá)式為

(10)

其中，XUi表示智能電表的加速壽命，i表示加速壽命因子，j表示玻爾茲曼參數(shù)，q表示激活電表運(yùn)行的能量，F(xiàn)0表示智能電表正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，F(xiàn)i表示工作條件下的熱力學(xué)溫度。根據(jù)加速壽命的計(jì)算結(jié)果，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件中的智能電表通信協(xié)議、路徑探測(cè)以及抄表流程進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，合理有效地設(shè)置監(jiān)控模式，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于LoRa技術(shù)的智能電表監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 獲取智能電表通信指標(biāo)

為了測(cè)試此次設(shè)計(jì)的智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)的性能，進(jìn)行系統(tǒng)通信成功率測(cè)試。將實(shí)驗(yàn)設(shè)置在220 v的實(shí)時(shí)電流條件下，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境并獲取智能電表的通信指標(biāo)。搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的硬件配置、軟件配置與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境如表1所示。利用上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境與配置參數(shù)，獲取UCI MachineLearning Repository ( https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets.html )中某智能電表流行數(shù)據(jù)集，形成室內(nèi)通信指標(biāo)與戶外通信指標(biāo)，如表2、表3所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

表2 室內(nèi)通信指標(biāo)

表3 戶外通信指標(biāo)

利用搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與通信指標(biāo)，進(jìn)行智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)的通信成功率測(cè)試，并得出測(cè)試結(jié)果。

3.2 智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)通信成功率測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選取2種現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)1和2(文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法)與此次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在集中器模塊接入428M短棒天線，分別在不同的通信距離下進(jìn)行通信成功率測(cè)試，

通信成功率的主要影響因素為通信距離、線路電流、電纜溫度。因?yàn)橥ㄐ懦晒β蕦儆谛诺婪懂?，取決于通信設(shè)備的物理特性、發(fā)射接收環(huán)境和通信距離。通信距離帶來(lái)了無(wú)線電傳播衰減。設(shè)通信成功率為Pst，則通信成功率的公式為

Pst=(1-Pd×Ph)×(1-Pd×Ph)×Pr×(1-Pi)

(10)

其中，通信距離為Pd，電纜溫度為Ph，線路電流為Pi，單次成功接收通信信息的概率為Pr。

根據(jù)表2，線路電流和電纜溫度為固定值，則以通信距離作為唯一變量。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

(a) 通信距離200 m

根據(jù)圖4可以得出3種監(jiān)控系統(tǒng)的通信成功率均值，設(shè)計(jì)系統(tǒng)比其他2種監(jiān)控系統(tǒng)的通信成功率分別高出20.786%、28.363%。因?yàn)長(zhǎng)oRa技術(shù)基于線性擴(kuò)頻調(diào)制方案，能夠?yàn)闊o(wú)線設(shè)備提供遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)覆蓋，具有更高性能的集成電路，能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量和控制智能電表的安全狀況，因此通信成功率更高。

3.3 智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間復(fù)雜度測(cè)試

時(shí)間復(fù)雜度越高，系統(tǒng)運(yùn)行效率越低，通信時(shí)間更長(zhǎng)，3種監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知，在不同的通信距離下，此次設(shè)計(jì)的智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間復(fù)雜度最低，運(yùn)行效率最高。

表4 時(shí)間復(fù)雜度/ms

4 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的智能電表安全狀態(tài)透明化監(jiān)控系統(tǒng)是建立在LoRa技術(shù)基礎(chǔ)上的，其獲取智能電表的計(jì)量參數(shù)，根據(jù)主控制器和PIN芯片設(shè)計(jì)結(jié)果，基于LoRa技術(shù)對(duì)智能電表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，劃分智能電表的安全等級(jí)，計(jì)算智能電表的加速壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表安全狀態(tài)的透明監(jiān)控，在一定程度上推動(dòng)了智能電表監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展。