摘要:针对现有配电房无线通信系统在环境恶劣、数据传输质量要求高的区域应用效果不理想的状况，通过分析LoRa技术特点，提出了将LoRa技术应用于配电房无线通信的方案，分析了其应用架构，并讨论了LoRa技术在配电房下的适用场景：通过LoRa无线传输技术实时将配电房的内部环境（温度、湿度、噪音等）与各电气量进行有效的监控，利用LoRa 无线网络进行数据传输，使得监测点的实时性和可靠性得到了大幅提高，保证了配电房运行的安全可靠性。
关键词:配电房;LORA；无线通信；超长距离；超低功耗
一、应用背景
随着对用电的需求越来越高，配电房的管理也越来越复杂。配电房的内部环境（温度、湿度、噪音等）为配电网络正常运行的基础保障，必须时时刻刻得到有效的监控，而数据传输与通信是数据监控的必要条件。现有的通信技术主要包括光纤、WiFi、TD-SCDMA、WCDMA等，基于上述技术的配电房通信系统和产品已应用于设备数据通讯，其无线性能和覆盖范围相对稳定，系统整体可靠性高，但存在安装要求相对复杂、设备功耗大等问题。现有配电房通信方式，基本满足了配电房的通信需求，实现了大多数区域的网络覆盖。但受通信距离、功耗、接入点数量等因素影响，在地下室、城郊户外等无光纤、无线公网覆盖的区域应用效果不理想。
二、LoRa的技术特点
LoRa（Long Range，超长距低功耗数据传输技术）是LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域技术）的代表，为物联网的低速率、低功耗、远距离、多连接应用而设计，在地面已成功应用于资产跟踪、智能停车、智慧社区、智慧农业等领域。本文分析了LoRa的技术特点，提出了与LoRa技术相吻合的配电房无线通信应用场合和系统（设备），以期为配电房无线应用提供新的选择。其技术特点概况如下：
（1）覆盖广，功耗低。LoRa技术使用线性调频扩频调制技术，既保持了类似频移键控调制方式的低功耗特性，又明显提高了通信距离；链路预算高达157dB，通信距离达15KM（与环境有关）；支持睡眠、待机、发送、接收等低功耗模式，接收电流仅为10mA，睡眠电流为200nA。
（2）容量大。LoRa技术基于扩频调制，不同扩频序列终端的信号彼此正交，即使采用相同的频率同时发送数据也不会相互干扰。基于LoRa技术的网关利用该特性，可在同一时间、相同信道上并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量，在１kbit／s速率下可覆盖5000多个数据传输终端。
（3）抗扰特性强，数据传输更可靠。LoRa技术采用前向纠错技术，在待传输数据序列中增加了冗余信息，在接收端会及时纠正数据传输进程中注入的错误码元；采用信道冲突检测机制，解决了节点数据并发丢包问题，极大提高了链路鲁棒性。
（4）支持测距和定位。基于终端和集中器／网关的LoRa无线通信系统对距离的测量基于信号的空中传输时间来完成，而定位则基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差测量来实现。
三、LoRa技术在配电房通信中的应用架构
LoRa技术在配电房无线通信中的应用架构包括终端（内置LoRa模块，可以是监测设备状态或环境参数的无线传感器、动目标标志卡等）、网关（或基站）、服务器、业务应用端４个部分，如图所示。终端主要负责接收现场信息，包括环境参数、设备状态等。网关主要负责LoRa技术协议—LoRaWAN与TCP/IP协议之间的转换，实现信号统一传输。服务器和业务应用端共同实现具体业务，如电气量监测、环境监测等。
LoRaWAN网络架构是典型的星形拓扑结构，其中网关是一个透明的中继，可实现与终端的LoRa数据通信、与服务器的IP数据通信，以及通信数据在LoRaWAN协议与TCP/IP协议间的相互转换。所有节点均为双向通信，网关和终端间以星形网方式组网。网关可实现多通道并行接收，同时处理多路信号。在一些特殊场合，LoRa技术的应用相对简单，如手持终端和设备间的信息交互、监测站等设备的无线设置等，只需实现短距离双向通信即可。网关由电源模块、MCU、LoRa模块、以太网控制器和其他接口电路（根据实际需要可实现3G/4G、CAN，RS485等接口功能）组成，如图所示。
四、LoRa通信设备的工业设计
（1）关键器材选型
配电自动化应用环境都是无人职守的场合，温差大，环境复杂、恶劣、多变，要求设备满足高温、低温、湿热工作要求。设计时，选用的关键器件要满足工业级应用的要求。CPU系统是无线通信终端的核心处理系统，它的稳定性、主频等性能决定了整个设备的性能。建议采用工业级低功耗的32位CPU系统，既能满足稳定性要求，也能满足高速数据处理的性能要求。
（2）功耗设计
很多配电自动化应用场合取电不方便，同时还要考虑停电情况下设备能正常持续工作，所以要求设备采用蓄电池作为备用电源。这就要求设备必须满足低功耗的要求。
硬件设计方面。CPU系统和无线通信模块必须选用低功耗的型号，具备多级休眠/唤醒模式。低功耗模式设计方面。在软件设计方面，当设备无需正常工作时就要让设备进入休眠状态，并切断所有不需要工作的外围功能模块的电源，以确保功耗降到最低。在硬件设计上，利用CPU系统的外部中断来唤醒设备，以满足深度休眠的要求。
（3）靠性设计
配电自动化的应用现场分散，偏远，不易维护，且环境复杂、恶劣、多变。如何保证设备的稳定可靠，实现设备“免维护”，是设计人员必须首要考虑的问题。（1）系统的稳定性设计。软硬件看门狗是稳定性设计的常用方法，但在恶劣的工控应用场合，并不能完全解决问题。要确保设备在任何情况下正常工作，还需要在系统保护上采取措施，比如系统的电源控制等，真正实现“免维护”。
五、应用效果
配电房空间狭小，设备较多，尤其是支架、柜体等大型金属物体对无线信号的传输影响较大，无线信号在配电房内传输300m的效果与工作面内传输30m时类似。与GFSK技术相比，采用同样的发射功率时，LoRa技术的传输距离可提高7-10倍，覆盖面积扩大50-100倍。因此LoRa技术更适用于传输工作面设备运行状态数据和环境参数。配电房监测系统中多种传感器数据无线传输。系统的监测数据大多为缓变数据，数据量小，采样间隔相对较长，因此传感器可间歇工作，加上传感器布设环境复杂，线路铺设困难，宜采用无线传输方式。LoRa技术采用星形网络架构，且具有低速率、多连接、低功耗等特点，能够很好地满足配电房监测系统数据无线传输要求。
由于配电房多处于地下室等位置，无法在现场铺设电缆，所以传感器只能采取电池供电和 无线传输方式。与GFSK技术相比，在配备相同容量电池的情况下，基于LoRa技术的传感器连续工作时间更长、数据传输更可靠。电缆测温方面，利用LoRa技术低功耗、长距离和多连接的特点，实时监测线缆温度变化，对温度异常区域迅速作出应急反应。与现有的光纤测温方法相比，基于LoRa技术的无线测温传感器测点布置更加灵活。
六、结论
LoRa技术在低速数据的无线传输方面具备长距离、低功耗、多连接等优点，在电气量监测、环境监测中具有较好的应用前景，，在实时性、数据量不大的应用场景中，LoRa技术有着广泛的应用前景。
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论文作者:余泓圻
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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