0 引言

我国地域幅员辽阔、地形地貌差异巨大，导致位于用户侧的配电网电压监测点受地理环境及安装条件影响，基于GPRS技术进行数据采集及通信的电压监测系统存在信号覆盖 “盲区”：对于用电较为分散的配网D类地区特别是偏远山区用户，相应的电压监测点分布也较为分散，GPRS在山区地区信号弱，传输距离长跨度大，导致山区地区电压监测点无法长期保持在线状态，从而降低的电压监测装置数据采集的实时性、稳定性；对于某些处于特殊封闭作业环境的企业用户（如厂矿企业），GPRS信号无法从封闭环境对外传输。随着现状仅运用GPRS技术进行电压监测及数据采集的局限性日趋显现，对 “盲区”装置数据的采集及电压监测终端的日常维护工作成为了供电部门日常管理工作的难点。

本文通过分析总结目前在配电网中广泛使用的基于GRPS的电压监测终端存在问题，将LoRa技术广覆盖、高穿透的特点与GRPS运用广泛、通信稳定的特点相结合，针对性地提出了一种基于LoRa+GPRS通信技术的电压监测管理系统设计方案，以降低供电部门对电压监测终端的维持难度，提高工作效率。

1 存在问题

现有基于GPRS通信的电压监测系统中，每个电压监测终端均需插入一张GPRS通信卡，通过终端装置中集成的GPRS模块与上级采集服务端进行通信，这种多对一的通信方式存在以下几个问题：

1）增加终端维护故障干扰因素，降低故障定位速度：由于GPRS通信方式需依靠实体介质，即通信卡进行传输。一旦发生电压监测终端数据传输有误或无法上传，需对终端故障类型进行排查时，因通信卡故障造成的数据传输错误增加了定位终端装置本身故障的干扰因素，同时增加了工作人员的维持工作量：故障发生后，工作人员必须到故障点实地确认才可明确实际故障类型，导致工作效率降低且不利于迅速清除故障。

笔者对某供电局电压监测终端故障类型进行统计发现：因运营商通信卡故障造成的终端故障占比达所有故障类型的50%，而终端装置故障占比低于通信卡故障，占比为35%。因此该供电局对终端装置的故障维护工作中，有一半的工作量是对终端中的GPRS通信卡进行维护。

表1 电压监测终端故障类型统计

2）电压监测终端无法在GPRS网络覆盖“盲区”内采集数据。譬如对B、C类点的监测中，会存在如厂矿企业等终端监测点必须安装在封闭的区域的情形。受限于GPRS信号无法穿透阻隔的特点，若仍将电压监测终端安装在用电区域内会导致终端通信方式被阻断，无法上送数据；若将电压监测终端安装在户外空旷场地，又会导致监测及采集信息存在偏差。

2 系统设计

本文提出一种将LoRa通信技术应用于现行以GPRS通信为主的电压监测系统设计方案，以下分别从组网设计、硬件设计及系统设计三方面对该基于LoRa+GPRS的电压监测系统方案进行介绍。

2.1 组网设计

与GPRS通信技术需通过实体介质通信传输且无法穿透封闭空间进行通信的缺陷相比，LoRa通信技术具备低功耗、低成本、高稳定、低时延、广覆盖、高穿透等特点。

选择LoRa通信技术作为电压监测辅助方案的优势如下：1）通过LoRa可进行终端自组网，从而减少通信卡的使用，最大限度降低对通信卡的依赖。2）通过LoRa技术可实现对封闭区域的信号穿透，对该区域监测的数据进行采集。即LoRa通信技术的技术特点可以针对性地弥补GRPS通信技术在电压监测终端日常运行中存在的不足。

因此本文提出了一种基于LoRa+GPRS双重技术进行通信的电压监测管理系统方案组网设计：1）在电压监测终端中增加一个具备LoRa通信模块以取代现行的GPRS通信模块；2）将现行“电压监测终端-采集服务端”双向直接通信传输方式改为“电压监测终端-集中器-采集服务端”两两双向通信传输方式，即在电压监测系统组网中新增一个集中器，具备LoRa通信功能的电压监测装置与集中器以星型组网结构进行组网。组网结构图如下：

图1 设备组网结构图

2.2 硬件设计

基于LoRa+GPRS的电压监测管理系统方案涉及两个硬件模块设计，即基于LoRa技术的电压监测终端设计及集中器设计：

1）基于LoRa的电压监测终端设计可通过在现行的电压监测终端基础上增加于LoRa通信模块组成的。目前市场中已经有较为成熟的LoRa通信模组成品，可方便选购、定制。

2）集中器的设计需同时具备LoRa通信模块和GPRS通信模块以保证对上级采集服务端及下级电压监测终端可分别采用不同技术进行通信：集中器通过于LoRa通信模块实现与电压监测终端的组网连接，进行数据采集交互；集中器将接收到的来自电压监测终端LoRa信号进行解调处理转换为GPRS网络信号，通过GPRS通信模块实现与采集服务端的链路连接，从而将电压监测终端的监测数据传输至服务端。与此同时，集中器接收采集服务端所下发的工作指令，解调处理为于LoRa信号，通过于LoRa模块与电压监测终端通信。另外，该集中器自身需具备电压监测功能且可进行监测数据采集。

2.3 系统架构方案

基于LoRa+GPRS技术电压监测管理系统的系统架构如图2所示，可分为四个层次。

1）感知层：通过具备LoRa通信功能的电压监测终端进行数据监测采集，从而获取现场电网电压运行数据，为电压无功管理工作的开展提供现在数据支撑。

2）基础层：基础层由集中器、数据库、服务器、网络、中间件等五个关键部分组成。通过集中器实现与感知层的交互。集中器在通过GPRS网络实现将现场终端数据传输至后台服务器，直至数据入库存储。

3）业务层：业务层按日常管理工作划分为台账管理、综合报表管理、监测点报表管理、系统管理等四大功能。台账管理对集中器台账、监测点台账进行管理。

4）监测点报表管理监测点日报表、监测点月报表、监测点五分钟电压值报表、监测点季度报表、监测点年度报表。综合报表管理综合日合格率报表、综合月合格率报表、综合季度合格率报表综合年度合格率报表。系统管理则进行用户、权限、角色等功能的配置管理。

5）展示层：对系统功能的门户展示。该系统采用B/S架构，系统采用Web页面进行交互操作。

图2 系统架构图

系统功能架构如图3所示，主要包括台账管理、监测点报表管理、综合报表管理、系统管理四大功能模块。

1）台账管理包括：集中器台账管理、监测点台账管理。集中器台账管理模块实现对集中器台账信息的详细维护如：集中器安装位置、集中器安装时间、集中器安装经纬度、集中器在线离线情况等。监测点台账管理模块实现对监测点台账信息的详细维护如：测点名称、测点监测电压等级、测点电压类别、测点安装位置、测点安装经纬度、测点所属集中器、测点离线在线等。

2）监测点报表管理包括：监测点日报表管理、监测点月报表管理、监测点季度报表管理、监测点年度报表管理、监测点分钟电压值报表管理。

3）综合报表管理包括：综合日报表管理、综合月度报表管理、综合季度报表管理、综合年度报表管理。

4）系统管理包括：权限管理、角色管理、用户管理、单位管理

图3 系统功能架构图

3 结论

本文为解决现行基于GPRS的电压监测网络通信方案存在的问题，如增加终端故障干扰因素、信号无法穿透封闭环境提供了一种可行的解决方案。

（1）基于LoRa+GPRS的电压监测管理系统利用LoRa技术广覆盖、高穿透、可进行终端自组网的特点，可针对性地解决现行GPRS技术带来的问题。

（2）该系统的组网设计需要在电压监测终端中增加一个具备LoRa通信模块以取代现行的GPRS通信模块，并将现行“电压监测终端-采集服务端”双向直接通信传输方式改为“电压监测终端-集中器-采集服务端”两两双向通信传输方式。

（3）集中器的设计需同时具备LoRa通信模块和GPRS通信模块以保证对上级采集服务端及下级电压监测终端可分别采用不同技术进行通信。

（4）系统架构可分为四个层次：感知层、基础层、业务层、展示层。系统功能架构主要包括台账管理、监测点报表管理、综合报表管理、系统管理四大功能模块。

基于LoRa+GPRS技术电压监测管理系统的设计应用，一方面可减少对通信卡的依赖，减少维护成本支出、资产成本支出，另一方面可保证数据采集的稳定性、可靠性、实时性，具有较高地推广应用价值

参考文献

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[2] 孙严智 胡劲松 刘宇明 田之俊.基于LORA的电力通信网络研究[J].信息通信,2018, (2)

[3] 赵太飞 陈伦斌 袁麓 胡小乔.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2016, 24(9)

收稿日期：

梁红霞（1985），女，本科，助理工程师，中国南方电网云南电网有限责任公司西双版纳景洪供电局，从事配网安全和管理工作。