物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)的作用

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【摘要】研究LoRa和eLTE-IoT兩種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)基于LoRa技術(shù)和eLTE-IoT技術(shù)的外置用電信息采集通信倉，以用電信息采集業(yè)務(wù)的實際應(yīng)用為著力點，解決電力通信覆蓋盲區(qū)問題。研究eLTE-IoT和LoRa技術(shù)原理，部署實驗環(huán)境，開發(fā)或利用相關(guān)的平臺，通過兩者技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)，給出對比性的客觀數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)敏感客戶設(shè)備停電告警實時監(jiān)測、故障定位，做到快速定位、快速消缺做好研究基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

1LoRa在物聯(lián)網(wǎng)中的技術(shù)應(yīng)用

1.1背景。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是指通過各種信息傳感器、RFID技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接和交互的對象或過程，以及聲音、光、熱、電、機(jī)械、化學(xué)、生物和位置等需要采集的信息，全球定位系統(tǒng)、紅外傳感器、激光掃描儀等設(shè)備和技術(shù)通過各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物體與人之間無處不在的聯(lián)系，實現(xiàn)對物體和過程的智能感知、識別和管理。運營商提供的4G網(wǎng)絡(luò)是人們生活中使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，比WiFi運用更廣。可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，室內(nèi)外皆可，速度非常快。這項技術(shù)看似優(yōu)越，但耗電量大，因此只能在物聯(lián)網(wǎng)場景中使用，終端可以自己獲取電力，比如某公司的共享自行車，使用太陽能電池板獲取電力。在遠(yuǎn)程場景中，如果終端無法解決供電問題，則需要一種低功耗、大覆蓋的技術(shù)來滿足這種場景下物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。因此，在商業(yè)和技術(shù)的推動下，一些專家和企業(yè)開發(fā)了一種新的通信技術(shù)LPWAN，即低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，以解決這一問題。物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID技術(shù)、無線傳感器技術(shù)和定位技術(shù)，自動識別、收集和感知貨物的標(biāo)識信息、屬性信息和周圍環(huán)境信息，并借助各種電子信息傳輸技術(shù)，將貨物的相關(guān)信息聚合成一個統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)，利用各種云計算、模糊識別、數(shù)據(jù)挖掘和語義分析等智能計算技術(shù)，對貨物的相關(guān)信息進(jìn)行分析和融合最終實現(xiàn)對物質(zhì)世界的高度認(rèn)知和智能決策控制。1.2LoRa技術(shù)簡介。LoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，低功耗一般很難覆蓋遠(yuǎn)距離，遠(yuǎn)距離一般功耗高，要想馬兒不吃草還要跑得遠(yuǎn)，好像難以辦到。LoRa的名字就是遠(yuǎn)距離無線電（LongRangeRadio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3~5倍。它主要用于物聯(lián)網(wǎng)和電池供電的WLAN和WAN設(shè)備。LoRa是基于亞GHz頻段的，這使得在低功耗的情況下更容易進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。LoRa網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)跟蜂窩網(wǎng)絡(luò)類似，很多LoRa的運營商都是蜂窩網(wǎng)絡(luò)運營商，他們只是在原有蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的基礎(chǔ)上增加天線來提供LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，很多情況下，LoRa天線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)天線共用，因為頻率非常接近，所以LoRa有明顯的成本優(yōu)勢。1.2.1LoRa無線系統(tǒng)主要功能包括。（1）遠(yuǎn)距離可達(dá)30英里，室外直線距離。（2）節(jié)點有數(shù)百萬個。（3）電池壽命長達(dá)數(shù)十年。1.2.2LoRa技術(shù)要素。（1）RF接口LoRa的物理層管理節(jié)點或端點之間傳輸?shù)腞F信號，即接收信號的傳感器和LoRa網(wǎng)關(guān)。它控制信號頻率、調(diào)制格式、功率電平、發(fā)射和接收元件之間的信令等相關(guān)課題。（2）LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)元素有整體系統(tǒng)架構(gòu)、回程、服務(wù)器和應(yīng)用計算機(jī)、RF元件。1.3LoRa調(diào)制。LoRa是一種特殊的無線擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)。它與其它調(diào)制方式如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）及其衍生物有著明顯的對比。它結(jié)合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，具有前所未有的性能。在此之前，只有一些軍事通信系統(tǒng)會集成這些技術(shù)。隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的形勢發(fā)生了根本性的變化。LoRa調(diào)制解調(diào)器采用擴(kuò)頻通信技術(shù)和前向糾錯技術(shù)，它融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸信息所需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展由一個獨立的碼序列來完成，通過編碼和調(diào)制來實現(xiàn)，獨立于發(fā)送的信息數(shù)據(jù)；在接收端，相同的代碼用于同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)；前向糾錯編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。其特點有第一是擴(kuò)大了無線通訊鏈路的覆蓋范圍（實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線傳輸）；第二則是具有更強(qiáng)的抗干擾能力。對于同信道GMSK干擾信號的抑制能力達(dá)到20dB。憑借這么強(qiáng)的抗干擾性，LoRa調(diào)制系統(tǒng)不僅可以用于頻譜使用率較高的頻段，也可以用于混合通訊網(wǎng)絡(luò)，以便在網(wǎng)絡(luò)中原有的調(diào)制方案失敗時擴(kuò)大覆蓋范圍。

2LoRa技術(shù)

2.1LoRa的通信特點。LoRa是采用SX1276/77/78收發(fā)器的終端節(jié)點。應(yīng)用于超長距離擴(kuò)頻通信的LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器。它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能最大限度地降低電流消耗和功耗水平。LoRa的發(fā)射功率很低，是不通過增加發(fā)射功率來增加通信距離。產(chǎn)生的原因是：①傳輸頻率低，信號波長，傳輸過程中產(chǎn)生的衰落較小；②采用擴(kuò)頻技術(shù)，使信號的抗多徑和抗衰落能力更強(qiáng)，因此對傳輸功率的要求不高；③終端節(jié)點在通信過程中的電流很小，接收電流低至10mA，休眠電流只有200μA，不僅降低了終端節(jié)點的能耗水平，還保證了終端節(jié)點可靠持久的工作壽命。2.2LoRa通信協(xié)議的特性。LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協(xié)議，即根據(jù)特定應(yīng)用場景的需要，節(jié)點可以長時間或短時間睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點必須定期聯(lián)網(wǎng)。例如，市面上的手機(jī)必須每1.5s與網(wǎng)絡(luò)同步一次，在NB-IOT中，這種同步比較少，但仍然是定期的，這會消耗額外的電池電量。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制是充分利用頻帶的一種有效方法，但從節(jié)點的角度來看，它并不有效。

3結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中會出現(xiàn)許多已知或未知的技術(shù)問題，但在政府和大眾市場的政策支持下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將能夠突破一切困難，全球目標(biāo)智能化的實現(xiàn)將很快到來。與其他通信技術(shù)相比，LoRa具有功耗低、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

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作者:張一晨 劉瑞 范子濤 宋俊廷 單位:國網(wǎng)新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司