基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統的制作方法

本實用新型主要涉及配電網技術領域，特指一種基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統。

背景技術：

在配電網自動化建設中，架空型故障指示器因其不需要改造一次設備、可以帶電安裝等優勢，越來越得到電網公司的青睞，尤其是在負荷相對分散的郊區及農村配電網。

如圖1所示，架空型故障指示器主要用于配電網領域的線路故障監測和指示；通用故障指示器的功能模塊包括兩部分：即三個采集單元與一個匯集單元，其中三個采集單元主要用作A，B，C三相負荷電流和相電場的采集終端，采集單元將采集的數據和遙信量通過無線射頻通訊方式遵循Zigbee網絡協議發送到匯集單元，匯集單元再通過GPRS與遠方后臺進行數據交互，從而實現負荷線路遠程監控的功能；一方面，在通常情況下由于受Zigbee自組網在傳輸距離及其監測線路的環境所制，匯集單元和采集單元安裝的實際距離不應大于100米，否則，數據傳輸的穩定性不能得到保障；另一方面，采集單元的主供電模式通常是通過負荷電流采集線圈自取電，不適用于支持高功耗的電子器件，因此在使用Zigbee自組網傳輸模式時，要特別考慮到采集單元功耗的問題。

在目前的Zigbee組網模式下，故障指示器一個匯集單元和三個采集單元進行組網，在現場實際環境中，匯集單元和采集單元的傳輸距離小于100米，導致為了上傳采集單元的測量數據和信號數據必須為每個采集點配置一臺帶GPRS通信模塊的匯集單元（在配電線路分支處，如果采集點距離很近可以兩組采集單元公用一個匯集單元）。如圖1所示，故障指示線路安裝了五個故障指示器，每個故障指示器配置三個采集終端和一個匯集單元，各個匯集單元通過Zigbee組網技術收集三個采集單元數據然后通過GPRS與監控后臺通訊。從上述結構明顯可以看出，現有二遙架空型故障指示器的采集單元與匯集單元之間組網通訊通信，無法很好的兼顧低能耗與遠距離傳輸要求：采集單元直接掛接在架空線路上，沒有可靠的供電電源，并且一般通過CT取電及其電池組和方式供電，對低功耗要求較高；除此之外，基于現有的通信模式和組合方式，在故障指示器安裝選點的過程中，存在著成本和指示精度之間的矛盾：如果提高指示精度必須增加安裝密度，而每組采集單元都需要配置一個匯集單元，其中匯集單元組成包括MCU控制板、GPRS模塊、鋰電池、太陽能電池板、IP等級很高的不銹鋼殼體等，在整套裝置成本中占70%-80%；如果考慮成本因素減小安裝密度，則導致故障發生時指示位置不夠準確，巡線工作人員需花費大量時間和精力在過渡分散的兩個安裝點之間巡查。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、精度高以及功耗低的基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統。

為解決上述技術問題，本實用新型提出的技術方案為：

一種基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統，包括監控主站、匯集單元和多個采集單元，多個采集單元間隔安裝于配電網線路的采集點上用于對采集點上的電壓電流數據進行采集，所述匯集單元與多個采集單元之間通過LoRa無線通訊連接、用于接收多個采集單元上的電壓電流數據；所述匯集單元與所述監控主站之間通過GPRS無線通訊連接、用于將不同采集點的電壓電流數據發送至監控主站以及接收監控主站的命令信號。

作為上述技術方案的進一步改進：

所述采集單元包括第一控制模塊、采集模塊、第一電源模塊和第一LoRa無線通信模塊，所述第一控制模塊分別與所述采集模塊、第一電源模塊和第一LoRa無線通信模塊相連。

所述第一電源模塊包括可相互切換的主供電源和后備電源，所述主供電源包括用于蓄電的超級電容和用于從配電網線路中取電的電流互感器回路，所述后備電源包括鋰電池。

所述采集單元還包括故障處理模塊，所述故障處理模塊與所述第一控制模塊相連，用于在配電網故障時發出故障報警信號。

所述匯集單元包括第二控制模塊、第二電源模塊、第二LoRa無線通信模塊和GPRS無線通信模塊，所述第二控制模塊分別與所述第二電源模塊、第二LoRa無線通信模塊和GPRS無線通信模塊相連。

所述第二電源模塊包括備用鉛蓄電池、用于在光照情況下提供電源的太陽能電池板以及用于在無光照情況下提供電源的超級電容。

多個采集單元與所述匯集單元之間采用分時復用傳輸數據。

與現有技術相比，本實用新型的優點在于：

本實用新型的基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統，采集單元與匯集單元之間采用LoRa通信技術，使采集單元與匯集單元之間的通訊距離大大加長，單組匯集單元能夠支持多個采集單元，在一定程序上提高了故障指示精度；而且能夠滿足各單元的低功耗需求。

附圖說明

圖1為現有技術中故障指示系統的結構示意圖。

圖2為本實用新型的故障指示系統的結構示意圖。

圖3為本實用新型中的采集單元的結構示意圖。

圖4為本實用新型中低功耗模式時的流程圖。

圖5為本實用新型中匯集單元的結構示意圖。

圖6為本實用新型中分時復用的時序原理圖。

圖中標號表示：1、匯集單元；11、第二控制模塊；12、GPRS無線通信模塊；13、第二LoRa無線通信模塊；14、第二電源模塊；2、采集單元；21、第一控制模塊；22、采集模塊；23、第一電源模塊；24、故障處理模塊；25、第一LoRa無線通信模塊。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體實施例對本實用新型作進一步描述。

如圖1至圖6所示，本實施例的基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統，包括監控主站、匯集單元1和多個采集單元2，多個采集單元2間隔安裝于配電網線路的采集點上用于對采集點上的電壓電流數據進行采集，匯集單元1與多個采集單元2之間通過LoRa無線通訊連接、用于接收多個采集單元2上的電壓電流數據；匯集單元1與監控主站之間通過GPRS無線通訊連接、用于將不同采集點的電壓電流數據發送至監控主站以及接收監控主站的命令信號。本實用新型的基于LoRa通信技術的配電網故障指示系統，采集單元2與匯集單元1之間采用LoRa通信技術，使采集單元2與匯集單元1之間的通訊距離大大加長，單組匯集單元1能夠支持多個采集單元2，在一定程序上提高了故障指示精度；而且能夠滿足各單元的低功耗需求。

如圖2所示，本實施例中，在正常工作環境下，能滿足通信速率要求的LoRa通信距離可達到5km，空曠環境可達到15km。以相對保守的2km距離Zigbee通信說明，每1km作為一個采集安裝點，則每個匯集單元1可采集直徑4km范圍內的5組采集單元2（包括圓心匯集單元1安裝位置的采集單元2）。相對于原有模式，如果考慮成本分散安裝，則現有技術方案在成本少量增加的情況下，指示精度提高5倍；另外，按傳統方式，假設每1公里安裝一個故障指示器，則在相同的指示精度下，新型通訊結構可節約成本60%以上。如果現場的環境好，適度擴大范圍，則效果更加突出。

如圖3所示，本實施例中，采集單元2包括第一控制模塊21、采集模塊22、第一電源模塊23和第一LoRa無線通信模塊25，第一控制模塊21分別與采集模塊22、第一電源模塊23和第一LoRa無線通信模塊25相連，其中采集模塊22包括高精度的穿心式電流互感器，用于采集配電網負荷電流，并經邏輯處理模塊和信號調整模塊后發送至控制模塊，其中邏輯處理模塊主要是通過硬件電路對被檢測線路進行故障判別，如果有故障信號，則直接將故障信號傳給第一控制模塊21；信號調整模塊主要包括A/D采樣和濾波電路，通過濾波和模擬采樣后，最終進入第一控制模塊21并測量出負荷電流量。第一電源模塊23包括可相互切換的主供電源和后備電源，主供電源包括用于蓄電的超級電容和用于使用高磁導率的磁芯從配電網線路中取電的電流互感器回路，后備電源則包括鋰電池，當主供電源不能維持全功能工作時，后備電源自動投入。當主供電源恢復時，自動切回至主供電源供電。另外采集單元2還包括故障處理模塊24，主要包括步進電機翻牌電路和指示燈電路，故障處理模塊24與第一控制模塊21相連，用于在配電網故障時發出故障報警信號；另外第一LoRa無線通信模塊25一方面通過SPI與第一控制模塊21進行內部通信，另一方面通過無線LoRa通信方式與匯集單元1進行信息交互。另外，采集單元還包括故障錄波模塊（圖中未示出），故障錄波模塊與第一控制模塊21相連，用于對配電網負荷電流進行暫存，并在配電網故障時將故障前后預設時間段的負荷電流發送至第一控制模塊21，為上級電力調度系統分析電網運行狀態提供有力數據支撐，從根本上發現并解除電網運行監控存在的潛在盲點和危機，并最終達到提高電力系統調度和運行水平、處理事故快速反應能力、安全供電的可靠性的目的。

如圖4所示，本實施例中，考慮功耗要求，采集單元2在邏輯控制方面程序流程如下：一旦監測到負荷線路故障，考慮到負荷線路即將斷電，主供電源回路失電，此時采集單元2供電主要通過后備電源來支持，系統立刻開啟低功耗模式，以減少電量損耗。

如圖5所示，本實施例中，匯集單元1包括第二控制模塊11、第二電源模塊14、第二LoRa無線通信模塊13和GPRS無線通信模塊12，第二控制模塊11分別與第二電源模塊14、第二LoRa無線通信模塊13和GPRS無線通信模塊12相連。第二電源模塊14包括用于在光照情況下提供電源的太陽能電池板、用于在無光照情況下提供電源的超級電容和備用鉛蓄電池。匯集單元1通過LoRa通信方式來收集附近預設距離范圍（5Km）內的采集單元2的動作信息、負荷電流、短路動作電流、首半波尖峰電流/接地動作電流、線路對地電場等數據，然后通過GPRS等通訊方式將收集到的數據發送到監控主站。同時可以接收監控主站鏈路查詢、鏈路復位、總召數據、遙調（通信和故障指示器參數）、遙控（故障指示器的翻牌與復歸）等命令。另外還可通過GPS信息對自身定位，方便用戶查找到設備安裝位置，是監控主站和采集單元2之間的通信橋梁，起到數據的上傳和下達作用。

本實施例中，匯集單元1與采集單元2的無線通信采用OpenWSN的多信道的跳頻技術，使得每個數據幀在發送時隙使用不同的頻率，能夠避免外部干擾和多徑衰退影響，大大提高通信可靠性。

本實施例中，多個采集單元2與匯集單元1之間采用分時復用傳輸數據，以避免通信沖突，具體如圖6所示，匯集單元1的通信模塊保留一部分時間槽，用于下發通信和發送信標幀，其它時間則根據連接的采集單元2數量在保留適當裕度的情況下等分成等量的時間槽，通過對時和安全時間差值，保證各采集單元2有獨立的通信和傳輸窗口避免通信沖突。

另外，LoRa英文全名為(Long Range wireless network)，是一種基于擴頻技術實現的無線調制技術，采用星型網絡架構，與網狀網絡架構相比，它是具有最低延遲的最簡單的網絡結構。基于LoRa的擴頻芯片，可以實現節點與集中器直接組網連接，構成星形;對于遠距離的結點，可使用網關設備進行中繼組網連接。LoRa網絡可以搭建覆蓋范圍較廣的廣域網基礎設施，也可以通過簡單的網關設備搭建局域網，只要物聯網設備中嵌入LoRa芯片或模塊，即可快速實現組網和快速配置。廣域網和局域網兩種環境中均可實現便捷組網，在與以自組網見長的ZigBee協議比較，無論在傳輸距離和功耗方面具有明顯的優勢。以Lora為代表的低功耗、遠距離網絡技術能夠打破互聯技術在物聯網領域應用的瓶頸，而最終得到廣泛應用。

雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本實用新型技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本實用新型技術方案保護的范圍內。