基于LoRa与NB-IoT故障指示器通信系统的通讯方法与流程

基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法
技术领域
1.本发明涉及基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法。


背景技术：

2.目前应用于故障指示器的通信方案主要为：采集终端将采集到的故障信息通过短距无线射频通信发送到汇集单元；汇集单元在校验和预处理后通过gsm/gprs通信或4g通信发送到主站，完成故障定位。根据现场实际应用经验来看，故障指示器多用于山区等偏远地区配电网故障定位，线路沿线环境复杂，通信信号差，某些区域无gprs覆盖，导致故障指示器在线率不高，定位效果较差。lpwan(低功耗广域网)是当今物联网领域的一大研究热点，已形成以lora与nb
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iot为代表的多个技术阵营。基于授权频谱和窄带蜂窝通信的nb
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iot技术和基于非授权频谱的lora凭借低成本、低功耗、广覆盖和高质量等优点得到了广泛应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法，能够有效解决于故障指示器的通信方法由于环境影响导致故障指示器在线率不高，定位效果差的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法，基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统包括终端层、网关层和服务器，所述终端层包括故障指示器采集单元，所述网关层包括故障指示器汇集单元，所述服务器包括云服务器，故障指示器采集单元与故障指示器汇集单元均采用一主多从的星状组网结构，通讯方法包括以下步骤：
5.步骤1：非故障时，故障指示器通信系统工作在定时上传模式，定时上传状态和超低功耗状态交替出现，配电网线路上安装有三相电流采集单元，三相电流采集单元每10min进行一次相电流采样，并通过lora通信将录波数据上传至故障指示器汇集单元，故障指示器汇集单元通过nb
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iot通信每30min将录波数据上传至云服务器，所述三相电流采集单元包括电流电场传感器、a/d转换器和mcu模块；
6.步骤2：三相电流采集单元由三相电流采样数据合成三相电流突变量，对一个相电流突变量序列判定是否存在40个数据大于5a；
7.a)若数据个数小于40，则通信系统维持在定时上传模式，返回步骤1；
8.b)若数据个数大于40，则触发时钟中断，通信系统进入故障唤醒模式，进入步骤3；
9.步骤3：对故障后相电流序列判定相电流有效值是否大于150a；
10.a)若有效值大于150a，则通信系统进入相间短路故障定位通信模式，进入步骤4；
11.b)若有效值小于150a，则通信系统进入单相接地故障定位通信模式，进入步骤5；
12.步骤4：通信系统进入相间短路故障唤醒模式：
13.终端层：电流电场传感器采集相电流，经a/d转换器得到数字信号，mcu模块对信号进行读取和处理，判断采集单元处于过流或欠流状态，如处于过流状态，标志信号置1；反
之，标志信号置0；将标志信号经过ttl串口通信传输到lora发送缓冲区，lora模块将标志信号发送给故障指示器汇集单元lora模块；
14.在网关层：位于星状组网中心的故障指示器汇集单元lora模块接收标志信号，mcu模块通过ttl串口通信汇总标志信号，通过uart串口通信传输标志信号到nb
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iot发送缓冲区，随后通过nb
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iot模块发送到云服务器；
15.在云服务器层：服务器分析线路各采集单元的标志位，确定故障区段，实现定位可视化并保存数据，通信结束；
16.步骤5：通信系统进入单相接地故障唤醒模式：
17.在终端层：电流电场传感器采集相电流，经a/d转换器得到数字信号，mcu模块对信号进行读取和形成电流录波数据包，将数据包经过ttl串口通信传输到lora发送缓冲区，lora模块将数据发送给故障指示器汇集单元lora模块；
18.在网关层：位于星状组网中心的汇集单元lora模块接收数据包，mcu模块通过ttl串口通信汇总数据包转换数据格式，通过uart串口通信传输数据包到nb
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iot发送缓冲区，随后通过nb
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iot模块发送到云服务器；
19.在云服务器层：服务器通过三相电流相似性对比确定各采集单元相对故障点的位置，确定故障区段，实现定位可视化并保存数据，通信结束。
20.与现有技术相比，本发明的优点是：
21.(1)利用lora—nb
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iot混合组网的通信方案，可有效提高配电网故障指示器系统在偏远地区复杂环境下的通信可靠性，提高定位准确性。
22.(2)利用lora—nb
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iot星状组网混合通信方式，可有效解决单独使用lora通信需要新建基站和单独使用nb
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iot通信高频上报运营成本高的问题，兼顾了服务质量和营运成本。
附图说明
23.图1为本发明基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法的流程图。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.参阅图1为本发明基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法的实施例，基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统的通讯方法，基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统包括终端层、网关层和服务器，所述终端层包括故障指示器采集单元，所述网关层包括故障指示器汇集单元，所述服务器包括云服务器，故障指示器采集单元与故障指示器汇集单元均采用一主多从的星状组网结构。
26.基于lora与nb
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iot故障指示器通信系统包括三种工作模式：1)定时上传模式；2)相间短路故障唤醒模式；3)单相接地故障唤醒模式，通讯方法包括以下步骤：
27.步骤1：非故障时，故障指示器通信系统工作在定时上传模式，定时上传状态和超低功耗状态交替出现，配电网线路上安装有三相电流采集单元，三相电流采集单元每10min进行一次相电流采样，并通过lora通信将录波数据上传至故障指示器汇集单元，故障指示
器汇集单元通过nb
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iot通信每30min将录波数据上传至云服务器，所述三相电流采集单元包括电流电场传感器、a/d转换器和mcu模块；
28.步骤2：三相电流采集单元由三相电流采样数据合成三相电流突变量，对一个相电流突变量序列判定是否存在40个数据大于5a；
29.a)若数据个数小于40，则通信系统维持在定时上传模式，返回步骤1；
30.b)若数据个数大于40，则触发时钟中断，通信系统进入故障唤醒模式，进入步骤3；
31.步骤3：对故障后相电流序列判定相电流有效值是否大于150a；
32.a)若有效值大于150a，则通信系统进入相间短路故障定位通信模式，进入步骤4；
33.b)若有效值小于150a，则通信系统进入单相接地故障定位通信模式，进入步骤5；
34.步骤4：通信系统进入相间短路故障唤醒模式：
35.终端层：终端层建立在故障指示器采集单元技术平台上，电流电场传感器采集相电流，经a/d转换器得到数字信号，mcu模块对信号进行读取和处理，判断采集单元处于过流或欠流状态，如处于过流状态，标志信号置1；反之，标志信号置0；将标志信号经过ttl串口通信传输到lora发送缓冲区，lora模块将标志信号发送给故障指示器汇集单元lora模块；
36.在网关层：网关层建立在故障指示器汇集单元技术平台上，位于星状组网中心的故障指示器汇集单元lora模块接收标志信号，mcu模块通过ttl串口通信汇总标志信号，通过uart串口通信传输标志信号到nb
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iot发送缓冲区，随后通过nb
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iot模块发送到云服务器；
37.在云服务器层：服务器分析线路各采集单元的标志位，确定故障区段，实现定位可视化并保存数据，通信结束；
38.步骤5：通信系统进入单相接地故障唤醒模式：
39.在终端层：终端层建立在故障指示器采集单元技术平台上，电流电场传感器采集相电流，经a/d转换器得到数字信号，mcu模块对信号进行读取和形成电流录波数据包，将数据包经过ttl串口通信传输到lora发送缓冲区，lora模块将数据发送给故障指示器汇集单元lora模块；
40.在网关层：网关层建立在故障指示器汇集单元技术平台上，位于星状组网中心的汇集单元lora模块接收数据包，mcu模块通过ttl串口通信汇总数据包转换数据格式，通过uart串口通信传输数据包到nb
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iot发送缓冲区，随后通过nb
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iot模块发送到云服务器；
41.在云服务器层：服务器通过三相电流相似性对比确定各采集单元相对故障点的位置，确定故障区段，实现定位可视化并保存数据，通信结束。
42.mcu模块型号为stm32f103crt6。基于lora与nb
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iot的故障指示器通信系统包括三种工作模式：1)定时上传模式；2)相间短路故障唤醒模式；3)单相接地故障唤醒模式。
43.本发明通信系统结构为故障指示器终端层与网关层之间采用lora通信，网关层与云服务器之间采用nb
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iot通信。首先通信系统工作在定时上传模式，终端层采集线路相电流通过lora通信定时上传录波数据至网关层，网关层汇总数据、转换格式和定时上传至云服务器，该模式为低功耗模式；当线路发生故障时，根据故障时刻相电流和相电流突变量值判断线路故障类型，进入故障唤醒模式；当通信系统工作在相间短路故障唤醒模式，终端层传感器采集电流信号，mcu根据过流或欠流信息，生成标志信号，经串口通信、lora通信和nb
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iot通信发送至云服务器，云服务器实现故障定位；当通信系统工作在单相接地故障唤
醒模式，终端层传感器采集电流信号，mcu生成录波数据包，经串口通信、lora通信和nb
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iot通信发送至云服务器，云服务器根据三相电流相似性分析实现故障定位；故障定位结束，高功耗的唤醒模式结束，通信系统返回定时上传模式。该方法能有效提高复杂环境下配电网故障指示器系统的通信可靠性，且具有低成本和低功耗的优点。
44.以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。