宋延軍，梁俊艷，王德志

(1. 蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.華北科技學院 圖書館，北京 東燕郊 065201；3.華北科技學院 計算機學院，北京 東燕郊 065201)

基于LoRa的10kV架空線路故障監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現

宋延軍1，梁俊艷2，王德志3

(1. 蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000 ；2.華北科技學院 圖書館，北京 東燕郊 065201；3.華北科技學院 計算機學院，北京 東燕郊 065201)

針對現有架空線路故障監(jiān)測系統(tǒng)的遠距離數據傳輸，由于GPRS網絡的不穩(wěn)定性，造成的穩(wěn)定性與可靠性降低的問題，通過分析LoRa技術特點，提出將LoRa技術應用于10 kV架空線路故障監(jiān)測系統(tǒng)的數據傳輸方案。介紹其網絡框架結構，并設計了相應的硬件終端設備和軟件程序，最后對系統(tǒng)進行了測試分析。實驗結構表明，該方案具有通信距離遠、功耗低、組網靈活、可靠性高的特點，具有廣泛的應用前景。

擴頻通信技術；低功耗；故障監(jiān)測；傳感器網絡

0 引言

我國農村10 kV配電網結構復雜、分支多、距離遠，裸導線居多和運行方式多變，容易受到自然環(huán)境干擾(例如雷電、雨雪、風暴等)和外力人為破壞，造成大量短路和接地故障。從統(tǒng)計數據來看，我國電網系統(tǒng)因為故障導致的平均停電時間為2.8小時，其中10 kV線路故障占大多數。而在停電期間中，故障位置的查找為平均1.6小時，占整個故障處理時間的60%左右[1]。因此如何快速確定故障位置成為縮短停電時間的關鍵因素?，F有故障定位解決方案有智能開關法、智能故障指示器方法等。其中智能開關法，主要采用二次測試供電方法，利用延時順序供電方法，檢測不同開關跳閘狀態(tài)來進行故障線路分支的確定。此方法只能確定開關所控制線路分支，不能進一步確定位置，同時由于智能開關部署費用較高，而且需要斷電安裝，現有農村電網中安裝較少。而故障指示器方法，采用非接觸式測量原理，設備不需要斷電安裝，能夠檢測線路的短路和接地故障，現在廣泛在農村10 kV配網中應用[2]。早期故障指示器為本地顯示型，故障發(fā)生時通過閃燈和翻牌顯示故障狀態(tài)，數據不能遠程傳輸。而現在智能型故障指示器帶有數據傳輸功能，能夠把故障狀態(tài)進行遠程。數據的傳輸多采用GPRS進行數據傳輸，而農村中有些地區(qū)GPRS網絡不穩(wěn)定，對數據傳輸可靠性造成干擾[3]。另一方面，GPRS數據傳輸需要較高功耗，需要穩(wěn)定的電源供電，增加了系統(tǒng)設備的復雜性和成本。因此隨著各種新通信技術的發(fā)展，尤其是LoRa擴頻通信技術的發(fā)展，能夠有效的解決這一問題[4-5]。

1 LoRa擴頻通信技術簡介

2013年Semtech公司推出LoRa芯片(超長距低功耗數據傳輸技術)，LoRa通信技術主要工作在1GHz以下，是一種專用于無線電擴頻調制解調的技術。它融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能,能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離[6]。它設計目的是為物聯網通信所應用，它的特點是：

(1) 傳輸距離遠、功耗低。由于LoRa采用線性調頻擴頻技術，在較低速率下能夠獲得較遠的距離傳輸，同時功耗較低。理論傳輸距離能夠達到15 km(與環(huán)境有關)；支持睡眠、無線喚醒、中繼等低功耗模式，接收電流僅為10 mA，睡眠電流為200 Na[7]。

(2) 抗干擾性行強、數據傳輸可靠。由于LoRa技術采用多數據位向前糾錯技術，在數據傳輸序列中加入了冗余信息，保證接收端在接收到數據后，能夠根據冗余信息進行錯誤數據的校驗與還原，從而解決數據錯誤、信道干擾等問題[8]。

(3) 組網靈活、容量大。LoRa通信技術可以采用透明數據傳輸和定點數據傳輸等方式，能夠實現不同的網絡結構，例如星型結構、網狀結構、樹狀結構等不同形態(tài)。同時，LoRa組網具有大容量特點，通過設置不同信道和設備獨立地址，一個網絡中可以容納十幾萬個設備終端[9-10]。

2 基于LoRa技術的架空線路故障監(jiān)測系統(tǒng)框架

由于農村10 kV架空線路覆蓋范圍廣，直線距離遠，有些平原地區(qū)線路直線距離達到30 km；而在一些山區(qū)地區(qū)，雖然直線距離短，但是在一條線路中有可能要翻越多個山丘，這給LoRa網絡中點與點之間的直線數據傳輸帶來一定的阻礙，因此本系統(tǒng)數據采集使用多級星型網絡結構。數據采集網絡的拓撲結構如圖1所示。

在多級星型網絡中，有一個根集中器節(jié)點，負責接收所有終端數據的信息。但是，由于有些終端設備距離根節(jié)點距離較遠，因此采用分級星型結構的方案。利用不同的子集中節(jié)點，建立相應的終端數據采集網絡。如果子集中節(jié)點能夠直接與根節(jié)點聯通，則由子節(jié)點把收集到的終端數據轉發(fā)給根節(jié)點。如果子節(jié)點不能夠直接與根節(jié)點通信，則通過設置不同的中繼節(jié)點完成數據的中繼轉發(fā)任務，最終與根節(jié)點相聯通，完成數據數據采集工作。

在LoRa網絡采集完數據后，最終要進行數據分析與展示。因此在根節(jié)點處，此設備除具有LoRa通信功能外，還應該具有數據的存儲和轉發(fā)能力，通過利用Internet網絡把數據傳輸到遠程數據存儲分析云中，完成數據的集中存儲與處理。同時結合Internet網絡，把數據分析的最終結果展示給相應的用戶。系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)數據采集網絡拓撲結構

圖2 系統(tǒng)總體框架結構

圖3 終端設備硬件結構圖

3 終端設備的硬件設計

10 kV架空線路故障監(jiān)測設備硬件設計主要包括信號采集單元、核心數據處理單元、數據傳輸單元和電源控制單元。設備的硬件結構如圖3所示。在網絡中為每個終端設備具有唯一的地址標識，采用兩個字節(jié)標識，例如0X1234。每個LoRa子網絡可以采用同一個信道進行工作，信道號為1個字節(jié)，例如信道號為0X50。這樣每個終端的唯一標識包含地址和信道號，這樣整個LoRa網絡所能容納的地址信息為3個字節(jié)組成，理論最大接入地址標識可以達到232個，足以滿足系統(tǒng)設備的地址數量要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

根據系統(tǒng)的框架結構，系統(tǒng)的軟件設計主要包括終端設備程序，子集中節(jié)點程序和根集中節(jié)點的程序。終端設備的軟件流程圖如圖4所示，其主要完成故障信號的采集，數據幀的打包，數據幀的發(fā)送與確認，由于設備工作在野外，需要在低功耗在狀態(tài)下工作，因此，設備平時處于睡眠狀態(tài)，當有故障發(fā)送時產生中斷信號，激活設備進行數據處理轉發(fā)，數據發(fā)送完后再次進入睡眠狀態(tài)。子集中節(jié)點主要完成本子網絡數據幀的接收和二次組幀發(fā)送，利用LoRa把數據轉發(fā)給根節(jié)點，其流程圖如圖5所示。根節(jié)點程序與子節(jié)點類似，主要完成數據接收和轉發(fā)，轉發(fā)采用TCP/IP網絡即可，不再冗述。

圖4 終端設備軟件流程圖

圖5 子集中節(jié)點程序流程圖

5 系統(tǒng)測試分析

搭建系統(tǒng)測試實驗環(huán)境，驗證系統(tǒng)實際運行的效果。測試網絡包括一個根集中節(jié)點，3個子集中節(jié)點，每個子集中節(jié)點連接6個終端設備。測試方法采用根集中節(jié)點位置固定，子集中節(jié)點網絡移動的方案，數據發(fā)送時間間隔為1分鐘1個數據幀，數據幀長度為25個字節(jié)。發(fā)送頻率為470 MHz，發(fā)送功率為20 dbm，發(fā)送波特率為9600 bps。系統(tǒng)測試100個數據幀的丟包率情況。在超遠距離情況下，增加中繼。測試結果如下表所示。

表1 統(tǒng)測試結果

從表1結果分析，隨著通信距離的增加，數據的丟幀率逐漸增高。在2 km左右開始發(fā)生數據丟幀，在5 km左右丟幀率達到50%以上。而通過增加中繼節(jié)點能夠有效的降低數據丟幀率。中繼的部署距離在距離根節(jié)點和節(jié)點為2～3 km比較合適。

測試結果表明：該系統(tǒng)具有通信距離遠、數據傳輸可靠性高的特點。能夠在較低的功耗下獲得較遠的數據傳輸距離。存在的問題是傳輸速率較低，如果采用較高的傳輸速率，在相同遠距離條件下，會造成丟幀增加的情況。

6 結論

本文設計的基于LoRa技術的10 kV架空線路故障監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實現低功耗條件下數據的遠距離可靠傳輸，有效解決現有監(jiān)測系統(tǒng)中遠距離數據傳輸可靠性依靠GPRS網絡的問題。系統(tǒng)具有組網靈活、功耗低、距離遠、可靠性高的特點，能夠很多好的滿足輸電線路監(jiān)測的要求，具有廣泛的實際應用前景。

[1] 陳煦斌,秦立軍. 配網故障指示器最優(yōu)配置研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(03):100-104.

[2] 黃憲東,關宏,嚴軍,等. 故障指示器在架空線上的應用[J]. 華東電力,2009,37(07):1179-1181.

[3] 張平澤,趙文兵. 基于GPRS的短路和接地故障指示器的設計[J]. 低壓電器,2008(10):38-41.

[4] 梁勇,余華. 線路故障指示器在配網中的應用[J]. 農村電氣化,2005(04):23.

[5] 孟廣學,吳靜,趙競雄. 基于無線技術的智能交通燈模擬系統(tǒng)的設計與實現[J]. 華北科技學院學報,2017,14(01):65-69.

[6] 霍振龍. LoRa技術在礦井無線通信中的應用分析[J]. 工礦自動化,2017,43(10):34-37.

[7] 王芷郁,王善偉,黃亮,等. 電力故障指示器智能在線檢測系統(tǒng)的設計與實現[J]. 福建電腦,2017,33(07):46-47.

[8] 劉文娟,朱留存,夏建琪. 基于LoRa的路燈控制系統(tǒng)設計[J]. 通訊世界,2017(08):239-240.

[9] 楊磊,梁活泉,張正,等. 基于LoRa的物聯網低功耗廣域系統(tǒng)設計[J]. 信息通信技術,2017,11(01):40-46.

[10] 趙太飛,陳倫斌,袁麓,等. 基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設計與實現[J]. 計算機測量與控制,2016,24(09):298-301.

Designandimplementationof10kVoverheadlinefaultmonitoringsystembasedonLoRa

SONG Yan-jun1，LIANG Jun-yan2，WANG De-zhi3

(1.BengbuPowerSupplycompany,Bengbu, 233000,China;2.Library,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China;3.Departmentofcomputerengineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,065201,China)

Due to the instability of the GPRS network, the stability and reliability of the remote data transmission of the existing overhead line fault monitoring system are reduced. By analyzing the characteristics of LoRa technology, the data transmission scheme of applying LoRa technology to 10 kV overhead line fault monitoring system is proposed. The network frame structure is introduced, and the corresponding hardware terminal equipment and software program are designed. Finally, the system is tested and analyzed. The experimental results show that the proposed scheme has the advantages of long communication distance, low power consumption, flexible networking and high reliability, and has a wide application prospect.

Spread spectrum communication; Low power consumption; Fault monitoring; Sensor networks

2017-07-25

河北省科技計劃自籌經費項目(15210346)，中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助(3142015053、3142015024)

宋延軍(1969-)，男，安徽蚌埠人，大學畢業(yè)，安徽省蚌埠供電公司工程師，研究方向：電力工程及其自動化(配電網)。E-mail：1103091929@qq.com

TM73

A

1672-7169(2017)05-0030-05