1 LoRa通信技术在配变台区的应用背景
目前，配变台区里的配电设备信息采集主要以GPRS/CDMA、载波、小无线集抄等通信方式为主，由中继模块负责采集通信设备的实时数据，通过GPRS传输到通信适配器，再由通信适配器与配变终端级联，通过配变终端将数据传输到主站系统。例如，在浙江省剩余电流动作保护器监测系统中漏保设备与中继模块因使用485通信方式，告警信息必须通过中继模块采集，无法完全实现异常主动告警，采集器通信故障多，安装调试复杂，故障查找难度大，加装通信设备造成现场安装困难。
LoRa通信技术在配变台区设备中的应用，实现了低压电网中通信“最后一千米”的通道，缩小停电范围，减少用户投诉，对可能存在的故障隐患提出预警，减少故障发生的几率，快速确定故障区域范围并判断故障类型，发生故障停电后，可以通过采集的数据分析故障电流大小、类型、故障范围等，实现故障区域的快速检修和非故障区域的快速供电恢复，缩短抢修时间，减小停电范围。协助运维人员分析故障原因，快速查找和排除故障，缩短停电时间，提高系统供电可靠性和供配电系统的自动化水平，实现可靠、安全、先进、高效的供配电管理，为配电自动化提供了一种先进的管理手段。
2 LoRa通信技术的技术优势
LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。实际上，扩频因子越高，可从噪音中提取出来的数据越多。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。
2.1 灵敏度
LoRa的灵敏度大大高于其他技术（如ZIGBEE等）。SIGFOX比一般技术要高很多，达到-126dBm。但是与LoRa技术却能轻松秒杀它，极限值是-142dBm，最高的接收灵敏度改善了20db以上，其功耗极低且不需要使用昂贵的温补晶振。
2.2 链路预算
使用“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。在发射功率都为20dBm的条件下LoRa高达162db的链路预算使其通信距离可达15千米（与环境有关）。其接收电流仅10mA，睡眠电流＜200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。
2.3 通信速率
技术其通信速率为最高37.5kbps。当然通信速率的增加也会导致通信距离缩小，一般来说1kbps的速率下可覆盖半径10千米左右。
2.4 抗干扰能力
LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正，减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。将LoRa模块分别集成到温控器、智能电容控制器、保护器、电能表、门禁控制器中，设备只需进行简单的串口对接，电源供给，即可完成集成工作。LoRa网关是该通信系统的核心，将实现原通信系统中的通信适配器、集中器的全部功能，以及配变终端对温控器、智能电容控制器、门禁控制器的数据采集功能。网关定时对所有集成模块的设备进行数据采集，并通过与配变终端的级联关系，依照协议与配变终端进行通信，把数据传输到主站系统，同时通过配变终端接收来自主站的命令。
3 LoRa的网络架构
因台区配电柜大多是金属外壳，网关设备以及天线安装在配电柜中，无线信号受到金属屏蔽，影响通信距离。LoRa无线通信带宽有限，适合用于少量数据传输，当设备密度以及采集频率过大，存在导致无线信道拥堵的风险。LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等操作以减少云端通信时间。使用的星型网络结构简化了通信的复杂程度，加之协议层实现的上下行信道选择、信道监测、重传机制等功能大大提高了通信的稳定性和耐压性能。在安全性方面采用唯一网络密钥（EU164）保证网络层安全，采用唯一应用密钥（EU164）并保证应用层端到端的安全，采用设备特别密钥（EUI128）确保设备接入安全。所有设备的内容采用ES128方式进行加密，保证了数据传输的安全性。
LoRa是一种扩频技术，不是直接序列扩频。直接序列扩频通过调制载波芯片来传输更多的频谱，从而提高编码增益。使用未调制载波来进行线性调频，使能量分散到更广泛的频段。从网络结构来看，网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等操作以减少云端通信时间。应用层主要实现最终所需要的应用功能，如数据采集、数据上报、协议转换、网络管理、状态指示、自检、参数配置查询、远程升级维护、GPS定位对时、数据存储等。协议层主要包含LoRa星型组网协议、TCP/IP协议和其他根据应用而确定的通信协议。硬件驱动层主要分为三部分：第一部分是uC/OS-II Driver,用于多任务管理；第二部分是MCU所依赖的设备固件库，STM32F103设备固件库STM32F10xxx StdPeriph_Driver，用于驱动MCU自带外设；第三部分是各外接设备的驱动程序，用以实现对外接设备的控制和操作。
物理层主要包含LoRa通信模块、GPRS芯片、GPS芯片、以太网芯片、存储Flash、MCU等各接口芯片及其之间的物理连接方式，属于实际的硬件设备，所有软件层面的操作，都依赖于物理层。研发一套基于LoRa技术的星型组网协议，该协议需实现入网认证、信道加密、丢包重传等重要功能，这些功能的实现可有效解决台区与相邻台区间设备信号干扰、安装错位等问题。编写LoRa通信协议标准，自主搭建模块电路，设计产品外形，如图1所示分别是LoRa通信模块、LoRa网关；其他相关产品包括采集保护器、电能表、温控器、门禁控制器、智能电容控制器的LoRa网关设备和通信模块设备。对配变台区进行调研测试，分析现场环境，列出详细的测试报告。针对测试结果，结合LoRa通信技术的原理来完成设计方案。
图1 LoRa通信系统现场拓扑结构图
图1为现场拓扑结构，其他电气设备的网络结构都是这种星型结构，是具有最低延迟的最简单的网络结构。根据设计方案完成相应产品研究设计，进行设备功能验证、测试，解决同频段干扰等问题。针对同频干扰问题，LoRa通信模块不仅每次发送数据之前都会检测信道是否空闲，避开同一时间使用一个信道，还有应答机制和丢失重传机制来保证通信正常；同时集成设备的通信模块可根据获取的资产条码初始化自己的发射信道，在物理频率上避开相同信道，减少互相干扰。进行台区内设备的实际运行测试，记录测试报告。只需记录安装位置和设备资产条码，可大大减少记录的维护信息；同时设备资产条码可在主站系统上成批导入、删除等操作，减少现场操作，提高工作效率。根据测试数据与出现的问题总结报告，对LoRa无线通信系统进行优化研究，形成技术文档，编写技术规范，培训现场安装注意事项，系统调试操作等。一是采用LoRa技术开发的嵌入式节点通信模块，减少了通信层级，信息获取成功率提升显著；二是节点通信芯片嵌入中级保护后，稳定可靠性大幅提升；三是对提高农村低压电网智能化水平、减少人力成本、提高工作效率、加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。
4 LoRa通信技术的效益
LoRa通信技术在配变台区设备的实施可提高供电电压质量，提高供电可靠性，大幅提升用电管理水平，同时具有极佳的经济效益。直接效益是节省大量通信流量费，电能表、保护器、温控器、门禁控制器、智能电容控制器的使用数据巨大，加之温控器、门禁控制器、智能电容分散补偿控制器也使用该通信技术，将更多地减少电能损失、设备安装运行维护管理费用。更多潜在的专业采用LoRa无线通信技术进行技术革新，减少企业原材料的浪费，节约了大量的能源与人力成本，大幅提高企业的经济效益，提升供用电的经济性、安全性和可靠性，减少由低压供电故障引起的火灾事故，将产生巨大的社会效益。相比GPRS、3G、4G等传统通信每年支付运营商高昂流量费，Lora通信产品的应用每年在电力行业上通信费用可节约上千万元，而且通信无需中转，降低了整体成本，并增加了稳定性，提高配变台区集成一体化，为智能低压电网中的“最后一千米”数据传输提供了一个全新的解决方案，通过该项目成果的应用和推广必将产生很好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]Tim Williams．产品设计中的EMC技术[M]．北京：电子工业出版社，2004．
[2]Daniel P.Bovet，Marco Cesati．深入理解LINUX内核[M]．北京：中国电力出版社，2006．
[3]James W. Nilsson，Susan A. Riedel．Electric Circuits[M]．8th．北京：电子工业出版社，2009．
（作者王杰供职于国网浙江省电力公司台州供公司）
