基于边缘计算与LoRa技术的配电网智能巡检组网方案设计

王旭东，王雷涛，武东亚，张锋，徐敏

(1.中国核电工程有限公司郑州分公司，河南 郑州 450052；2. 许继集团有限公司，河南 许昌 461000；3. 国网河南省电力公司，河南 郑州 450018)

配电网是社会发展和国民经济的重要公共基础设施[1]。随着我国经济快速发展，用电量迅猛提高，配电网规模和设备数量呈现出爆发式增长。但配电网的发展不平衡、不充分，导致一线巡检人员数量不足，依靠人力为主的传统巡检模式已难以满足配电网新形式下的巡检需求。

设备巡检是确保配电网安全稳定运行的重要手段，对于如何提高巡检效率、降低检修风险和成本、减少停电时间等，专家学者开展了广泛研究。文献[2]提出一种基于二维码和移动终端技术的方法，实现配电网智能化巡检，但未对前端巡检终端与后端系统的信息传输进行研究；文献[3]设计开发了一种配电网车载巡检技术，实现了巡检时自动追踪、数据同步采集、缺陷就地研判和数据实时回传等功能，但对巡检路线工况和人员技术要求较高，难以在交通不便的地区开展配电网巡检任务；文献[4]将工业无线方式应用于智能配电网移动终端巡检系统中，提高了配电网巡检的智能化水平，但移动终端不能基于所采集的信息对配电网设备运行工况作出评估；文献[5-7]从设备检修及故障风险角度出发，研究建立输变电设备状态检修决策优化模型，制订合理的设备检修计划，提高检修效率，但未对巡检信息的采集处理和传输进行研究；文献[8]提出了基于状态监测的配电网可靠性检修选择模型及算法，能够提高配电网检修的可靠性，但没有对检修的效率、智能化、信息传输处理等进行研究。上述文献对配电网巡检智能化、检修决策优化和可靠性等方面进行了研究，但对于配电网大量巡检信息的前端和后端处理的研究较少，尤其是将最新的泛在电力物联网技术和LoRa通信组网技术应用于配电网智能化巡检和决策中的研究还比较匮乏。

近年来，物联网技术日新月异，已渗入电力发、输、配、送、用各个环节。文献[9]提出了基于物联网技术实现配电网故障区段快速、准确定位的方法，提高了故障区段定位准确度；文献[10]梳理了配电物联网的内涵构想和应用特征，提出了其体系架构和发展建议；文献[11]针对配电网中随机性电源的运维难题，提出了基于物联网的即插即用运维方案。2019年国家电网有限公司提出加快建设“泛在电力物联网”的目标。泛在电力物联网是物联网在电力行业的一种具体表现形式，对电力基础数据的采集、承载、分析和应用以及通信技术和方式提出了全新的、更高的要求[12]。文献[13]指出泛在电力物联网将取代传统巡视和运维手段，围绕数据将衍生出多种应用模式。然而，由于泛在电力物联网还处于起步阶段，如何将其应用于配电网巡检，实现巡检的智能化和高效化，国内外还鲜有研究。

本文介绍泛在电力物联网的基本概念和总体架构，分析其在配电网巡检中的应用，利用边缘计算理念对巡检所采集的信息进行处理，根据LoRa所具有的技术优势，研究基于现场移动巡检终端、LoRa技术、移动通信网与后端巡检系统通信的配电网巡检组网方案，实现信息和控制命令的传输，并对方案的优势进行分析。

1 泛在电力物联网介绍

1.1 泛在电力物联网概念

泛在电力物联网是泛在物联在电力行业的具体表现，将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备以及人和物连接起来，产生共享数据，以电网为枢纽，发挥平台和共享作用，具有终端泛在接入、平台开放共享、计算云雾协同、数据驱动业务、应用随需定制等特征[14-17]。

1.2 泛在电力物联网整体架构

根据国家电网有限公司《泛在电力物联网建设大纲》，泛在电力物联网分为感知层、网络层、平台层、应用层，应用层承载对内对外业务，感知层、网络层和平台层承载数据共享和基础支撑，技术攻关和安全防护贯穿各层，整体架构如图1所示。

图1 泛在电力物联网整体架构Fig.1 Overall structure of widespread power internet of things

图1中，感知层用于设备状态、电网等信息的采集、汇聚和就地处理；网络层用于实现感知层与平台层间广域范围内的数据传输，推进电力无线专网和终端通信建设；平台层是输变电设备物联网管理应用平台，实现超大规模终端统一物联管理；应用层通过对输配电设备各个维度数据的高度融合，重点支撑核心业务智慧化运营[13]。

泛在网络、人工智能、边缘计算等物联网新技术的快速发展和智能传感装备配置范围的不断扩大，为泛在电力物联网在配电网巡检中的应用提供了新的契机。

2 边缘计算与LoRa技术分析

2.1 边缘计算应用分析

2.1.1 边缘计算基本概念

边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模型，操作对象包括来自于云服务的下行数据和万物互联服务的上行数据。边缘计算的边缘指从数据源到云计算中心路径之间的任意计算和网络资源[18]，核心目的是在网络边缘侧实现更高效的智能，基本理念是将计算任务在接近数据源的计算资源上运行，以有效减小计算系统的延迟和数据传输带宽，缓解云计算中心压力，提高可用性，保护数据安全和隐私[19-20]。

2.1.2 基于边缘计算的巡检信息传输处理方案

目前配电网巡检大都针对箱式变压器、环网柜、开闭所等展开，通过设置各类传感器，采集所需的设备动态和实时环境信息等上传给相关的终端装置，进而通过网络上传到后端系统。

At the moment, the tangential instantaneous velocity of each particle on the stator surface is in the following

配电网巡检信息的剧增，造成信息传输延迟、时间和带宽增加，严重影响了后端巡检系统的数据处理和分析效率。为此，本文基于边缘计算理念，在被巡检设备中安装专用智能传感器终端，该终端内部软件系统中植入包含一定算法的边缘计算软件模块，对所采集的巡检信息进行初步分析处理和对被巡检设备状态进行初步评估，减少向后端系统传输信息的数据量，降低通信系统压力。

首先，智能传感器终端将巡检信息进行分类处理，根据各类巡检信息的特点，在边缘计算模块中设置巡检采集量对应的阈值范围和相关过滤条件；其次，通过边缘计算模块清洗掉对设备初步和深度状态评估无用的信息，进而将多源数据融合，对被巡检设备状态进行初步评估；最后，智能传感器终端通过通信网络将初步状态评估结果和深度评估被巡检设备状态所需要的巡检信息上送至后端巡检系统，由后端系统对被巡检设备状态进行深度评估和展示，并可将结果回传至巡检现场终端。具体流程如图2所示。

图2 基于边缘计算的配电网巡检信息传输处理流程Fig.2 Inspection information transmission and processing process of distribution network based on edge calculation

2.2 LoRa技术分析

近年来，LoRa技术作为低功耗、低成本、广覆盖广域物联网最有竞争力的代表，已成为研究的热点，其组网灵活、接收灵敏度高、抗干扰能力强、网关支持多信道多数据并行处理等优点，非常适合低功耗、远距离、大量连接、定位跟踪等物联网应用场景，与其他无线通信技术的对比见表1[21-23]。

表1 常用通信方式特点对比Tab.1 Characteristic contrasts of common communication modes

目前LoRa通常由网关基站和终端2个部分组成，既可以搭建覆盖范围较广的广域网，也可以通过简单的LoRa网关设备搭建局域网，常用的组网模式主要有星型结构(图3)和mesh结构(图4)，其特点对比见表2。

图3 基于LoRa技术的星型组网模式Fig.3 Star network mode based on LoRa technologies

图4 基于LoRa技术的mesh组网模式Fig.4 Mesh network mode based on LoRa technologies

由表2可知，星型组网模式在信息传输的可靠性、容量、功耗、安全性等方面都优于mesh组网模式，更加适合配电网巡检的实际应用场景。

表2 基于LoRa技术的星型和mesh组网模式对比Tab.2 Contrasts of star and mesh network modes based on LoRa technologies

3 配电网智能巡检组网方案研究

3.1 配电网智能巡检组网方案研究

配电网巡检面临设备数量多、工作量大、非可视区域难以有效巡检等困难，物联网技术、无线通信技术的发展以及低功耗无源传感器的提出，为解决上述问题、实现智能化巡检提供了可能。

复杂情况下配电网巡检和在线监测对通信要求较高，因此本节采用LoRa无线通信技术完成巡检信息传输，解决配电网设备采样点分散、数据分布式处理要求高、传统无线网络带宽不够等问题，通过改进数据处理算法、采用具有隔离功能的模块电源、更加合理地布置元件和接地等措施提高现场LoRa模块的抗干扰能力；通过LoRa、4G/5G网络、电力综合数据网组成互不干扰的巡检通信系统，使物联网终端和网关能与物联网平台进行不同方式的信息交互。

基于泛在电力物联网的配电网智能巡检通信系统方案如下：

①配电网设备柜内部采用无线传感技术，将设备关键部位预埋的采用无源、无线、多参量等技术的传感器所采集的信息汇集至柜内安装的智能传感器终端。

②智能传感器终端配置有远距离低功耗LoRa通信模块和近距离定制通信加密模块，用于配电网现场智能巡检，负责状态感知与传输端的数据传输任务。近距离定制通信加密模块通过无线通信将智能传感器终端上的各种信息传输至巡检人员手持手机、平板电脑、专用巡检终端等，用于设备状态的分析展示，其中手持巡检终端内置入具有网关、控制、智能分析等功能的应用软件。

③手持巡检终端通过移动通信网络与后端巡检系统进行信息交互。

b)前端与后端信息传输网络：

①根据配电网设备的地理位置，基于LoRa无线传感器网络物理和逻辑通信结构，部署LoRa基站，组建LoRa基站与智能传感器终端之间扁平式、全互联的星型网络，并根据配电网巡检区域计算LoRa基站通信的可靠距离，对LoRa基站之间的阵列进行分布式布置与规划。

②采用规范的LoRa WAN2.0协议配置各个基站模块中多样化的通信链路，使通信网络具备逻辑网络隔离、终端业务标识流量控制以及数据包监管、过滤、多播、时钟同步等基本功能。

③在LoRa通信网络末端配置安全网关，对智能传感器终端传输的数据进行协议转换和加密认证，利用虚拟专用网络(virtual private network，VPN)和接入点名称(access point name，APN)技术对安全网关的信息安全环境进行配置。

④利用智能传感器终端内的远距离LoRa通信模块，经LoRa通信网络和安全网关发送由智能传感器终端边缘计算处理后的设备状态信息，与后端系统进行信息交互，用于后端展示和深度评估设备状态。

c)后端状态深度评估与分析：

①在配电网巡检后端系统前后分别设置横向隔离加密装置和防火墙，通过以太网传输相关信息，使后端巡检系统能够安全可靠地接收前端现场采集的数据。

②后端巡检系统通过4G/5G通信前置机，经安全接入平台有线接入移动运营商网络，实现与前端手持巡检终端信息交互。

上述通信组网方案架构如图5所示。

图5 配电网智能巡检通信系统组网架构Fig.5 Overall network structureof intelligent inspection communication system of distribution network

3.2 智能巡检组网方案优势分析

本组网方案通过智能传感器终端对巡检信息进行边缘计算和分析处理，减少了不必要的信息传输，降低了网络传输压力；联合LoRa技术、电力综合数据网和4G/5G通信网络进行，建立智能巡检通信系统，将被巡检设备的初步和深度状态评估相结合，实现前端与后端信息交互，有利于提高配电网巡检效率和智能化水平。

本文方案与传统配电网巡检方案的对比见表3。

表3 本文方案与传统方案的对比Tab.3 Contrasts of the proposed scheme and existing schemes

4 结束语

本文通过分析泛在电力物联网整体架构及其在配电网巡检中的应用，将泛在电力物联网建设理念应用于配电网巡检中，利用边缘计算对巡检信息进行分析处理，对被巡检设备进行初步状态评估；基于LoRa技术优势，提出基于LoRa、电力综合数据网、4G/5G网络构成配电网智能巡检通信系统，并从所采用的LoRa技术、传感器选择与数据传输、智能传感器终端等方面对方案的优势进行了分析。

由于边缘计算和LoRa等相关技术在配电网巡检中的应用还处于起步探索阶段，本文所提方案在实际工程应用中的可行性和有效性还需要未来进一步验证。