摘要：智能电网覆盖传统电网和物联网网络，包括智能电表，帮助管理和监测客户消费模式的各种参数，几乎是实时的。智能电网通过引入一系列新的智能技术来改造传统电网，包括智能传感器、新的后端IT系统、智能电表和通信网络。此外，智能电网集成了不同的技术，使整个电网的运行自动化，包括发电、输电和配电。例如，在部署电力基础设施期间，智能电网被用来提高操作精度和降低成本。为农村电气化引入小型“远程”系统，被视为一种成本效益高的方式，可以方便地扩大国家电网的基础设施。然而，由于安装和重建新环境的基础设施成本很高，将其扩展到网格基础设施似乎是一项非常具有挑战性的任务。
关键词：无线物联网技术；智能；电力计量
一、无线物联网技术背景
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。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。该无线连接技术的数据传输使用低功率、长距离和窄带传输，增大了操作范围，提供了更好的网络稳定性、可靠性和较为低廉的实施成本。
无线网络技术已经是较为成熟的技术，拥有完善的标准，如WiFi、蓝牙4．0、ZigBee和Z－Wave。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。类似地，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。
另一方面，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。在本文的研究中，ARM?CoR－TEｘ?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。类似地，LoRA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。
图1 LoRA模块与网关的连接架构
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
实验采用基于DLMS的智能电表，将其与基于微控制器的模块连接，该模块可以将智能电表参数传输到控制器并通过LoRARF模块传输。基础模块通过接口模块和串行端口连接与能量计连接。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。
图2 智能电表与LoRA模块的连接示意图
用于演示串行通信与微控制器之间的连接的代码片段如图3所示，用于显示使用oBIS参考代码从DLMS仪表获取的相关数据的代码片段如图4所示。
图3 RS－232通信设置的代码图4数据缓存池设置的代码
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。
结束语
这项研究可以将电能计量数据转移到云存储中，并生成针对消费者的建议。智能电能表的电压、电流频率、功率因数、功耗等参数可以通过网页直接访问，也可以通过移动应用程序直接发送到终端用电用户的手机上，进行决策、控制或实时了解用电信息。该解决方案可以在实时环境中轻松扩展，为客户和电力公司提供使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（09）：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（09）：1399－1405．
论文作者:林玉浩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/20
标签：电表论文; 智能论文; 模块论文; 数据论文; 技术论文; 电力论文; 通信论文; 《基层建设》2019年第19期论文;