基于LoRa技术的分布式电源监管系统设计

基于LoRa技术的分布式电源监管系统设计

秦鹏李尧祝贺孙志伟赵丹

（嘉兴国电通新能源技术有限公司浙江省嘉兴市314000；北京国电通网络技术有限公司北京100070；浙江省光伏并网研究院浙江省嘉兴市314000）

摘要：近年来，清洁可再生能源的分布式发电日益受到重视，然而，分布式电源由于其具有离散性、波动性、间隙性的特点，大规模的直接接入电力系统将给系统调峰调频、并网控制、运行调度、供电质量等带来巨大挑战。传统变电站使用的光纤通信成本高、抗拉强度低，不能适用于分布式电源。因此本文使用了一种新型的低功耗长距离无线通信技术——LoRa技术，对比分析LoRa技术的特点并且介绍了它的网络架构和应用。在此基础上提出一种基于LoRa的分布式电源监管系统的设计方案。

关键词：分布式电源；监控；无线通信；LoRa技术

0引言

LoRa是一种低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网（IOT）或M2M等应用，是低功耗广域网（LPWAN）一种重要的无线技术。LoRa使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。LoRa主要在全球免费频段运行（即非授权频段），包括433、868、915MHz等。LoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器和应用服务器四部分组成，应用数据可双向传输。

1LoRa技术分析

1.1LoRa技术特点及优势

LoRa采用星型网络架构，与网状网络架构相比，它是具有最低延迟、最简单的网络结构。基于LoRa的扩频芯片，可以实现节点与集中器直接组网连接，构成星形；对于远距离的节点，可使用网关设备进行中继组网连接。LoRa网络供应商既可以搭建覆盖范围较广的广域网基础设施，也可以通过简单的网关设备搭建局域网，只要物联网设备中嵌入LoRa芯片或模块，即可快速实现组网和快速配置。广域网和局域网两种环境中均可实现便捷组网，在与以自组网见长的ZigBee协议比较，具有明显的优势。应用于低成本传感网的解决方案LoRa使用新型的扩频调制技术，大大提升了物理层硬件的性能，并且在省电方面相比WIFI、蓝牙技术有了明显的改进。

在实际应用中，采用LoRa协议的物联网设备无线通信距离超过15公里(郊区环境)，电池使用寿命可达10年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来，这一优势是传统网络通讯标准无法达到的。

1.2LoRa应用分析

根据LoRa技术的关键特点可知，LoRa非常适用于要求具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、智慧城市等应用和领域。

本文将LoRa技术应用于分布式电源监管系统为监控中心对各类分布式电源进行实时监控，不仅能满足分布式电源采集模块与监控系统之间数据传输的要求，还将大大提高分布式电源并网的可靠性、安全性、实时性、经济性。

2基于LoRa技术的分布式电源监管系统设计与实现

2.1分布式电源监控的需求与功能

分布式电源监管系统需要完成对电源系统的实时监测与控制，即遥信、遥测、遥控、遥调“四遥功能；实现状态监测、数据采集、故障报警、历史数据管理与趋势分析等功能；同时根据用户实际应用的要求，开发了具有特色的人机界面与多种报警方式等功能，维护人员可以方便地在当地或远方及时了解系统的运行信息[3]。总的来说，监管系统主要实现以下四大功能：

(1)、从分布式电源设备采集数据（主要包括遥测量、遥信量的采集），经数据处理后并将遥测、遥信、电度量及报警信息发送给监管系统；

(2)、接收由系统发送的遥控指令，通过断路器的辅助触点及储能机构准确控制分布式电源，实现实时快速投切；

(3)、具有RS-485通信接口并支持MODBUS协议；

(4)、利用LoRa模块进行信息传输，实现远程通信，提高了系统的实时性，满足对具有分散性特点的分布式电源监控的要求。当分布式电源并网后，监控终端能保证配电网的可靠性和安全性。

2.2系统的总体架构

该监管系统中，以现有的分布式电源设备系统为监控对象，实现对其收集的电源设备参数和状态信息的实时监控，并完成对电源设备参数的设置功能。系统的架构是以主监控器为系统信息处理中心，与各模块完成信息交互，同时将整个电源的信息通过多种方式传送到远程监控中心或维护人员。

2.2.1系统的采集层

采集模块在整个系统的最前端，负责采集各个关键节点的电压值，而后将采集到的数据传输给中继节点或者汇聚节点，采集节点和汇聚节点之间采用LoRa无线一对多的通信方式分布在电源设备处采集信息；汇聚节点负责收发采集节点的数据，并通过GPRS公网，将数据上传到应用层。采集节点向下与传感器根据Modbus通信规约通过RS485方式连接，向上借助LoRa网络的超长距离无线通信能力与汇聚节点通信，将采集的数据通过汇聚节点传回监管系统。若遇障碍物严重遮挡，导致采集节点和汇聚节点不能正通信时，可加入中继节点完成采集节点数据转发至汇聚节点。

2.2.2系统的应用层

应用层包括主处理器模块、数据采集及处理模块、控制传输模块和通信模块。其中数据采集及处理模块接收传感器收集到的实时数据并进行原始处理；主控制器模块完成模数转换、滤波、数据处理计算及相关模块的协调控制工作；控制输出模块主要通过主处理器的输出信号驱动继电器动作，完成对断路器的分、合闸操作。通信模块将数据封装通过GPRS公网传送到远程监控中心。

图3应用层总体架构

2.2.3系统的终端层

终端层即为客户层。客户层能够呈现良好的人机交互界面，由操作员根据实际需要可以完成分布式电源系统各数据的显示、开关量状态的实际显示、电源系统运行参数的设置等功能。

2.2.4LoRa技术的特点和在本系统中的应用

LoRa的物理层和MAC层设计充分体现其对IoT业务需求的考虑。LoRa物理层利用扩频技术可以提高接收机灵敏度，同时终端可以工作于不同的工作模式以满足不同应用的省电需求。

LoRa是半双工系统，上下行工作在同一频段。目前国内单芯片支持的LoRa系统带宽为2Mbit/s，包括8个固定带宽为125kbit/s的信道，每个固定带宽的信道之间需要125kHz的保护带，则至少需要2Mbit/s系统带宽。每个信道支持6种扩频因子SF7～12，扩频因子加1则增加2.5dB的接收机灵敏度。终端采用随机信道选择方式进行干扰规避。每次终端在进行上行数据发送或者数据重发时，都会在8个信道中随机选择一个信道进行接入。终端和网关的通信可选用不同的速率即不同的SF，速率的选择需要权衡通信距离或信号强度、消息发送时间等因素，使得终端获取最大的电池寿命并使网关容量最大化。当链路环境好的时候，可以使用较低的扩频因子即较大的数据速率，而当终端远离网关、链路环境较差时，可以增大扩频因子以获取更高的灵敏度，但同时数据速率会降低。对于125kbit/s固定带宽的信道而言，数据速率从250bit/s到5kbit/s，可以在一个相当大的范围内进行选择。

LoRa终端有三种不同的工作模式，但一个时间内终端只能工作于一个模式，每种模式由软件程序进行设置。不同的模式适用于不同的业务场景和省电模式，目前广泛使用的为A类工作模式，以适应IoT应用的省电需求。

双向通讯终端设备（A类）：A类的终端设备允许双向通信，因此每个终端设备的上行链路传输跟着两个短的下行链路接受窗口。传输时隙由终端设备基于其自身的通讯需求安排，根据随机时基有一个小的变化（ALOHA类型协议）。对于在终端设备发送一个上行链路传输后，仅简短地要求服务器的下行链路通讯的应用来说，这种A类操作是功耗最低的终端设备的系统。在其他任何时间来自服务器的下行链路通讯必须等到下一个调度的上行链路通讯。

具备调度接受时隙的双向通讯终端设备（B类）：除A类随机的接受窗口外，B类设备另外还在调度时打开了接受窗口。为使终端设备打开其接受窗口，在调度时接受网关的一个时间同步信标。这使得服务器知道终端设备什么时候在侦听。

具备最大接受时隙的双向通讯终端设备（C类）：C类终端设备几乎是连续地打开接受窗口，仅在发送时关闭。

参考文献：

[1]赵宏伟,吴涛涛.基于分布式电源的微网技术[J].电力系统保护与控制,2010,38(3):1-5.10.

[2]刘琛,邵震,夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术,2016,50(5):43-46.

[3]NSornin(Semtech),MLuis(Semtech),TEirich(IBM),etal.LoRaWANSpecification(V1.0.1Draft3)[S].2015.