郝海燕
内蒙古电力(集团)有限责任公司包头供电局 内蒙古包头市 014030
摘要：为了实现对分散接入电力计量系统的终端智能电表实施数据读取和有效管理，文中提出了采用低功率无线网（LPWAN）技术，将终端智能电表接入数据网关和电力私有云实现智能电力计量的技术方案。该方案采用了LoRa无线模块实现电力计量数据的双向交互，具有运行可靠、低成本、低功耗、远程接入等优势。此外，文中还重点介绍将如何利用新兴的LPWAN技术帮助构建智能电能无线接入的解决方案，展示了用于智能电表端到端LoRa连接的系统实现。
关键词：住宅用电量；智能用电量；智能电表数据；LPWAN
一、无线物联网技术背景
1.随着物联网网络的最新进展，具有各种通信技术的智能电表开始在电力计量系统中得到部署和应用同。LPWAN技术是目前应用广泛的远程接入技术，可用于智能计量电表的实施。智能电表可通过配置智能模块实现无线接入电力计量系统的功能。这些无线局域网通信技术所存在的一些难以克服的问题为功耗较大、连接范围较小。诸如GSM、3G、4G、LTE的蜂窝网络也是为了更好的网络覆盖和数据吞吐量而开发的专有移动网络，虽然这些蜂窝网络在功耗方面被认为优于无线局域网通信技术，但是在成本上不具有大规模推广的优势。因此在电力计量系统的应用场景中，新推出的LPWAN技术具有较为突出的优势，表现为∶能够支持固定的中到高密度无线连接，可用于在配电网计量系统中接入自动化的智能电表;对于使用电池供电的智能电表，电池使用寿命长，最适合将电表连接到变电站以实时监控电力消耗。
Sigfox和LoRa是过去两年LPWAN技术领域的主要技术标准。虽然这两个技术标准的商业模式完全不同，但技术和最终目标非常相似。Sigfox是一种窄带技术，使用称为二进制相移键控（BPSK）的标准无线电传输方法。该技术通过在较窄的频谱上改变载波无线电波的相位数据进行编码。Sigfox虽然对接收终端配置要求较低，但是其管理无线网络基站设置较为复杂。而LoRaWAN则在较宽频谱上对每个符号的多个比特进行编码，并使用集成的分组化和纠错来使用未许可的频谱。因此相对于Sig-fox，采用LoRa的LPWAN技术具有如下好处∶在密集的城市地区2～4km或者在农村地区长达15～30km的距离内支持可靠的无线通信;计量设备的功率不能超过10～25MW，符合ISM频率的使用，在采用限制数据消耗并延长电池寿命的算法的基础上能够实现10年以上的电池寿命;支持LoRa的无线芯片组价格低廉，便于大规模推广。
2.LoRaWAN是一个可以根据规范构建的平台。LoRa专门与物联网设备配合使用，这需要更长的电池寿命，低数据传输和最低的部署成本。基于LoRa的相关电力计量的应用层技术标准也已经得到许多设备厂家的支持。设备语言消息规范（DLMS）是一种应用层协议，支持多种传输层选项，包括以太网和PLC。电力计量相关规范已经规定了DLMS的数据模型及其属性和方法。DLMS/COSEM是由DLMS用户关联管理的开放标准。该协议被用于世界上大多数计量领域。我国已经制定了基于DLMS的计量规范，该规范将作为国家电网公司指定其计量要求并最终改善电力终端用户数据收集、计费的指南。OBIS是一种物体识别系统，为计量设备内的所有数据提供标准标识符，包括测量值和抽象值。此外，OBIS用于识别COSEM对象和电表上显示的数据，并通过通信线路传输到数据采集系统。通过OBIS代码解释从仪表中提取的值，提取的值通过LoRa模块传递给云。现在，使用这种新技术，可以从家庭中使用的通用电表中提取多个相关参数进行分析。此外还设计了一个分析模型，用于在云设置中推荐与消费者相关的某些方案。
二、LoRa模块组件
为了连接智能电表进行数据读取和通信，本文采用了LoRa模块，该模块由两个主要接口组件组成：一个微控制器和连接RF的LoRa模块。该模块可从电表和LoRa网关中获取相关信息，其连接架构如图1所示。可以将微控制器块视为整个电路的核心模块，因为它被编程为控制所有组件以执行所需的操作。ARM?Cortex?微控制器与SemtechSX1272LoRa扩展板一起使用ArmMbedOS平台进行编程。智能电表使用与电表串行端口兼容的串行转换器设备与微控制器连接。Lo-Ra调制解调器使用接口连接器和电缆与微控制器连接到GPIO引脚。
LoRaWAN体系结构使用星形拓扑网络，其中网关充当终端设备之间传递消息的透明桥梁，并连接到后端中的中央网络服务器。在这个设置中，网关通过标准IP连接到网络服务器，终端设备使用单跳无线通信到一个或多个网关。在这里，所有的端点通信都必须是双向的，并且它支持操作，例如允许在空中进行软件升级的多播操作或其他大规模分发消息，以减少空中通信时间。终端设备与网关之间的通信基于不同的频段和不同的数据速率。
三、系统实施和分析
1.LoRa模块可以通过串行通信设备从仪表读取串行数据，然后使用OBIS代码将其转换为机器可读值。仪表的初始设置包括配置波特率（9600B/s）和Rx、Tx引脚，以进行后续通信。通过Rx、Tx端口从微控制器接收的数据使用LoRa通信接口传输，如图2所示。
微控制器需要通过发送OBIS请求与智能电表建立连接。在完成与智能电表通信连接后，向智能电表发送所需的OBIS代码以获取各种数据参数。从电表接收的值不是机器可读格式，因为这些数据是按照DLMS协议中的规定进行编码的。需要使用OBIS代码参考模型将编码数据转换为可读格式，然后将数据传送到LoRa网关进行进一步处理。
2.此后，从LoRa模块接收的数据被传送到LoRa网关，以便在云中上传该数据。网关和模块之间的距离配置为网关可以在4～5km的区域内处理10个以上的LoRa模块，每个LoRa模块可以连接至少10m。在网关上接收的数据被传输到云设置，并将它们放入预测模型中。然后将来自云的数据传输到两个地方，首先进入电力公司控制中心，并将命令发送回微控制器，另一个提供给网页或APP以显示给客户。电力私有云能够将数据转换回LoRa模块，以便根据分析进行激活。电力私有云还存储从网关收集的数据，这些数据是可实时访问和可用的。Web页面与电力私有云连接，以从LoRa网关获取实时更新并显示相同内容。Web页面还显示了对存储数据运行的预测模型的结果。这些结果有助于消费者追踪他们的使用情况，并对设备进行有限的控制。Web门户的管理部分由电力公司控制中心操作。
结束语
本文阐述了基于DLMS的能量计的LoRa实现，用于建立通信和数据提取。可以将电力计量数据存储至云端以便进行数据挖掘，为负载预测、异常用电提供实时数据源。电压、电流频率、功率因数和功耗等智能电表参数可以通过Web页面直接访问，也可以通过移动应用程序定向到终端电力用户手机，用于决策、控制或实时了解用电信息使用。本文所提出方案可以在实时环境中轻松扩展，为电力公司和客户提供利用智能电表的无线接入和数据管理解决方案。
参考文献：
[1]史发钊，尤星懿，李亚旋.基于LoRa的固定式罐道间距测量仪[J].煤矿安全，2018，49（9）∶160-162.
[2]何通能，任庆鑫，陈德富.基于马尔科夫链的LoRaWAN网络节点性能分析[J].传感技术学报，2018，31（9）∶1399-1405.