基于LoRa通讯技术的智能电表.docx

基于LoRa通讯技术的智能电表目录一、项目概述3二、发展现状与前景分析32.1 智能电表的发展历程与前景分析32.2 智能电表项目发展历程与产品前景分析4三、智能电表项目产品与市场分析63.1 智能电表项目介绍63.2 智能电表市场分析73.3 智能电表项目产品生产经营计划7四、智能电表的研究与开发74.1 研究目的74.2 研究计划84.3 项目方案8五、项目进度9六、营销及推广策略96.1前期市场调查96.2产品策略106.3产品推广106.4.营销策略106.5服务策略10七、项目组织架构107.1团队知识资料储备107.2科研能力与实践能力117.3研究流程与特长11一、项目概述智能电表是智能电网的核心装置，它记录了用户的水、电、气使用情况，为这些数据提供以电子方式读取的途径，这仅仅是智能电表最小的一个功能而已。随着工业自动化的发展，远程抄表已成为智能电网中的重要组成部分，传统的人工电力抄表方式有数量大、分布广、误差大等缺点，而且有些电表安装地点偏远，有些则需要带电作业，危险比较大，需要花费大量的人力物力，出了造成资源的严重浪费外，在实时性，准确性和应用性等方面都存在诸多的不足。在无线移动通信广泛运用的今天，使用LoRa技术实现远程抄表系统不仅拥有覆盖性广、通讯成本低、能够高效、实时的远程读取数据，而且还能提高电力单位对抄表业务的管理规范性，解决了布点分散难以管理的问题，是电力相关单位理想的电力抄表方案。本方案分析LoRa技术应用于智能电表的可行性与普适性的调查与研究，并提出建设性建议。二、发展历程与前景分析2.1 智能电表的发展历程与前景分析 我国自行研制第一台电能表至今，电能表产品已经历了数次更新换代，特别是近几年来为了与国际上电能表产品发展同步，无论是技术水平、生产水平、还是产品质量等方面都发生了质的飞跃，新式样、新功能的电能表产品纷纷问世：从感应式电能表到电子式电能表，从单一计费功能的电能表到多费率、多功能电能表，从依靠人工抄表到远程自动抄表，IC卡电能表、多用户电能表, 模块化电能表也相继研制成功并投入生产和使用。电能表的发展历程如下：时间名称功能原理1990 年-2005年普通电子式电表计量有功电能及其他参数替代机械式电表，采用数字式计量原理进行计量2005 年-2011年预付费电表增加了预付费控制功能，可以实现有条件供电控制在电表中集成控制通断电的继电器，实现先收费、后用电的功能2011 年至今智能电表增加了通讯模块，可以在电表和系统主站之间实现双向通讯和数据传输电表增加了通讯模块，可以向主站传输数据，并可以接受主站发出的指令智能电表是由传统电能表逐步发展起来的，它是智能电网的智能终端和数据入口。为了适应智能电网，智能电表具有双向多种费率计量、用户端实时控制、多种数据传输模式、智能交互等多种应用功能。智能电网建设为全球智能电表及用电信息采集、处理系统产品带来了广阔的市场需求。预计到2020年全球将安装近20亿台智能电表，智能电网将覆盖全世界80%的人口，智能电表渗透率达到60%。国内在智能电网上的投资将刺激智能电表的发展，有关数据表明，我国将在 2020 年建成覆盖全国的智能电网，并将投入4 万亿人民币用于相关基础设计建设，这一宏大计划的实施将涉及到新能源发电、新能源并网接入、大容量能量储、特高压输电以及数字化变电站、智能计量等广泛的相关领域，为全球电力设备企业打开了一个前所未有的巨大市场，同时也对设备厂商提出了更高的技术挑战。2.2 智能电表项目发展历程与产品前景分析电能表从发展到现在已有 100 多年的历史了，随着电力技术及其相关行业的发展，电能管理系统的功能在不断完善，电能表的性能和结构也在不断地更新和优化发展。在经过了国内外产品市场的竞争，电能表也从单纯的量的增长向技术创新过度，发生了质的变化，逐步进入高技术、高质量、高附加值的时代，生产模式也向大规模集约式转变。从LoRa技术应用的来看，LoRa技术是由Semtech公司提供的超长距离、低功耗的物联网解决方案。Semtech公司和多家业界领先的企业，如Cisco、IBM及Microchip发起建立了LoRa（Long Range，广距）联盟，致力于推广其联盟标准LoRa WAN技术，以满足各种需要广域覆盖和低功耗的M2M设备应用要求。LoRa WAN目前已有成员150多家，也有数家中国公司参与其中，并且在欧洲数个国家进行了商业部署，国内也开始有了应用。2016年中国通讯巨头中兴与美国Semtech公司开展了深度合作，双方将在LoRa芯片应用层面进行深入研究合作，并且将其运用与智慧城市领域网络建设，促进产业链的进一步发展，可见，LoRa技术将可能打破当前物联网互联方面的瓶颈问题，开创了LoRa技术应用在硬件设备的先例。随着智慧城市部署、城市智能化、感知以及互联的M-TCT发展，城市碎片化中断设备将会接入设备，届时LoRa技术将会打破物联网僵局，促进物联网端对端技术发展，并打造技术交流平台、方案验证平台、市场合作平台、资源对接平台等，构建运营级LPWN城市物联生态圈。LoRa无线技术的主要特点：长距离：1 20 km节点数：万级，甚至百万级电池寿命：310年数据速率：0.350kbpsLoRa作为一种无线技术，基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络的容量。LoRa信号对建筑的穿透力也很强。LoRa的这些技术特点更适合于低成本大规模的物联网部署。智能电表能方便用户准确迅速地了解用电情况、制订节电计划，其主要功能如下：序号功能功能原理1结算和帐务通过智能电表能够实现准确、实时的费用结算信息处理；同时，用户可以获得准确、及时的能耗信息和帐务信息2优化分布式能源配置供电企业通过智能电表实时监控、控制和调节配电系统，掌握分布式电源的特性及其与电网运行的相互影响，优化分布式能源配置，从而将电能以最经济与最安全的输配电方式输送给终端用户， 提高电网运营的可靠性和能源利用效率。 采用智能电表的实时数据采集与测量制定更为准确的负荷预测，可以指导新能源优化调度，同时解决分布式能源接入的结算问题3数据远程传输功能实现微机技术、数字通信技术与仪表计量技术的结合，集计量、数据采集、数据传输、数据处理于一体，将用户用电信息加以综合处理，并通过信号输出，实现远程抄表功能4自动断功能智能电表可以通过对用电管理软件的设定， 实现对表内模拟开关的远程控制，从而达到按要求断送电的功能5复费率功能通过对系统软件和终端软件的设置，实现不同时段、季节、节假日或不同月用电量按不同价格收费6查询功能可以随时在线查询任意一户、任意台区或整个线路的用电信息7数据存储、 备份功能智能电表采用专用的存储芯片，采用了多处数据存放的措施，一旦其中一处或若干处数据异常或丢失，可由其它处进行纠错、还原8防作弊功能采用授权密码操作，并设有运行日志，可以详细记录操作过程，防止恶意操作或作弊9防窃电功能通过双回路计量、双回路断电（单相） 、时间记录、旁路检测、相位检测等技术，实现防窃电功能10负荷曲线分析通过对用户负荷的在线测量，记录和传输要求时间内的负荷曲线，提供电力调度和分配的技术支持11线损分析和控制通过计量和数据传输， 实现提供用户消耗电能量供上位机系统进行线损分析和控制12预付费/后付费功能通过计量和数据传输， 实现提供用户消耗电能量供上位机系统进行线损分析和控制随着电力事业的蓬勃发展及智能电网的全面建设，作为连接电网与用户的关键节点，智能电表的作用逐步凸现，它已成为智能电网的基础设备之一，亦被视为智能电网发展的“先行者”。国内在智能电网上的投资将刺激智能电表的发展，有关数据表明，我国将在 2020 年建成覆盖全国的智能电网，并将投入4 万亿人民币用于相关基础设计建设，这一宏大计划的实施将涉及到新能源发电、新能源并网接入、大容量能量储、特高压输电以及数字化变电站、智能计量等广泛的相关领域，为全球电力设备企业打开了一个前所未有的巨大市场，同时也对设备厂商提出了更高的技术挑战。LoRa技术应用到电表中完全符合中国未来发展“节能环保”的要求，代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向，可见，LoRa技术应用到电表智能电表未来市场潜力巨大、前景广阔、商机无限，具有较强的可行性，行业市场有好的表现。三、电力客户需求及现有方案分析3.1 客户需求分析电力系统对运营商的通信需求主要集中在配电网侧。电力系统配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的，在电力网中起重要分配电能作用的网络。按电压等级可分为高压配电网（35110KV），中压配电网（610KV），低压配电网（220/380V）。电力系统配网自动化系统架构如下图示：.营销管理系统CIS生产管理系统PMS企业资源计划ERP企业GIS 应用系统企业企安全隔离区上级调度自动化系统居民用电信息采集专变及公变监测配电主站通信网馈线自动化区配电子站配电子站通信网通信网DTUTIUFTU开闭所DTUFTU环网柜柱上开关对运营商的合作需求主要集中在“远程抄表（居民用电、专变监测）、人工巡检、配网监测、高压输电线路监测及电力应急抢修”等领域。其中，以远程抄表规模最大，以下将以此为例进行阐述。电网公司集团总部每年根据各省的需求，分批次对智能电能表（以下简称智能电表）进行招标，电表生产商都会提前按照电网公司招标要求及时间，进行智能表具的硬件预组装（数据采集、数据处理单元、通信模组、射频天线等）。招标结果电网公司总部会下发到省公司，省公司根据此结果进行采购。而配网自动化系统中涉及的通信服务类招标，由省电网公司自行负责、并列入其运营成本。已知需求如下：l 抄表信息的稳定、可靠传输智能电表采集终端的安装位置多为人工抄表不容易抄到的偏僻区域，这就要求运营商的通信网络信号覆盖足够好。l 有远程故障定位手段智能电表采集终端数量多、分布广，电网公司维护力量有限，这就要求监控中心能远程进行故障预判，以节约人力、物力。l 有效的成本管控手段智能电表每年都在级数递增，省电网公司的通信成本也在逐年攀升。由于无法准确知道每个采集终端的实际流量使用情况，为防止因通信卡流量不足导致断网，电网公司往往要求运营商更低的资费、提供更多的流量。3.2现有远程抄表解决方案分析3.2.1组网架构 远程抄表终端与中心管理平台之间采用VPDN组网方式，中心管理平台通过专线接入联通GGSN，与前端的抄表终端组成VPDN专网，与互联网隔离，组网方案如下图所示：l 联通GGSN：即网关支持节点, 抄表终端通过WCDMA/GPRS无线网络接入，GGSN判断是VPN用户，向指定的LNS发起L2TP连接。l 联通AAA服务器：负责对用户的域名进行鉴权认证，AAA服务器对登录用户的域名和该用户的用户名密码核对验证。验证通过后，方可接入联通网络。l 专线：通过此专线将联通的GGSN和企业的LNS设备连接起来。l 用户侧路由器（LNS）：需支持L2TP协议，RADIUS协议,要与GGSN建立L2TP隧道。l 企业AAA服务器：用于认证、授权、计费，实现对拨号用户名、密码和IP地址的管理，此服务器为可选配置，用于提高网络的安全性。3.2.2远程抄表终端及连接方式远程抄表终端是对用户电能使用信息进行采集的设备，具体包括：集中器+采集器+远传表具。无线通信模块通常集成在集中器里，集中器以RS485总线、电力线载波等方式经采集器采集远传表具的数据信息，通过无线通信网络，完成与电网管理平台的数据交互。一般节点数量较少的情况下，远传表具可以不经过采集器，直接与集中器相连。如专用变压器采集信息后直接上传。主要硬件及功能如下：主要设备主要功能通信功能集中器 收集各采集器或远传表具的数据，并进行处理、储存，同时能通过无线网络和中心管理平台进行数据交换的设备。上行通信：内置无线通信模块，与中心管理平台通信 下行通信：与表具通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS采集器 处于集中器和远传表具之间，用于采集多个表具的用量信息, 保存表具数据，响应集中器的命令上传数据或向表具下传执行命令。上行通信：与集中器通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS下行抄表：与表具通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS远传表具按照国家及行业相关标准完成计量工作。上行通信支持RS485/PLC/M-BUS/RF集中器、采集器、远传表具之间的连接方式如下图所示。不同的网络接口连接方式对比见下表：连接方式介质优点缺点适用范围数据总线RS485双芯/四芯屏蔽通信线，通讯距离可达1000米通讯可靠性很高、实时性很好；采集范围不受变压器限制。需专门布线，安装和维护工作量大，易遭人为破坏；节点数受限、不适于大规模的自动抄表。表计集中安装、易布线、管理好的新建小区，电表远程抄表较常用； 电力线载波：PLC低压电力线，通讯距离可达3000米。通讯可靠性高；无需布线，易安装、易维护；成本低。易受干扰，稳定性与可靠性较低，通讯实时性较差；采集范围限于同一变压器供电范围内。表计集中、不易布线的已有小区；电表远程抄表最常用。微功率无线：RF315M/433M/470M/861M/915M/2.4GHz微功率无线，点对点可视通讯距离可达800米，穿墙能力7堵/150米。优点：通讯可靠性高、实时性好；采集范围不受变压器限制；无需布线，易安装、易维护缺点：新技术应用较少、成本较高。表计分散、不易布线、管理较好的小区；常用于无线远传水表和气表的远程抄表。计数器总线：M-BUS（Meter-Bus）无极性双芯屏蔽通信线，通信距离可达4000米。可靠性强、成本较低、抗干扰能力强；易布线施工、维护简便。 欧洲标准。节点多、容量大、长距离、表记分散的新建小区；常用于无源直读水表和气表的远程抄表。3.3实际应用中的不足智能电表集中器的通信模组以GPRS制式为主,随着电表数量的增多，电网公司为降低整体运营成本，不断压低单卡的通信价格，为争夺市场占有率，运营商一度陷入低价恶性竞争局面。电力抄表多为小流量卡，ARPU值低，随着智能电表规模化的发展，对普通码号资源占用也日益严重。现网SIM卡多为普通消费级卡，不具备防震、防尘、防腐蚀等性能,在实际应用中故障率较高。GPRS制式的通信模组技术壁垒低，市场良莠不齐、故障多发。一旦出现故障很难判断是模组本身质量问题、还是通信卡的问题，频繁换卡增加了运营商的成本。四、智能电表远程抄表解决方案传统的抄表收费方式中存在着入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等许多弊端，已经不适应现代物业管理的需要。LoRa是安美通专为水气电三集抄开发的无线自组织抄表网络，采用最稳定的网络拓扑结构，施工安装简单，组网过程自动完成，现场无需人工干预 LoRa 适用于各种大数量用户的新工程、高层建筑、老区改造等，通过合理布局，LoRa网络可覆盖接收区内嵌安装APC系列无线抄表模块计量表（如水表、电表、燃气表），最终LoRa网络数据可以通过GPRS/3G/4G或有线网络上传到数据管理中心（上位机管理软件），通过上位机管理软件对下载数据进行系统设置、数据录入、用水量查询、图表分析、异常分析、故障监控、欠费处理、报表生成、系统维护、计费等各项业务。LoRa可轻松与云端服务器整合成无线远程抄表系统，无需再投入任何成本，系统内所有表计产品即可不间断运行长达数十年，其将产品整个生命周期的成本降到了最低水平；同时，在系统运行期间可实现对所有表计产品进行实时监控与控制。LoRa远程控制示意图无线自组网集抄解决方案：GPRSNB-IOTLoRaWan带宽2.4Mhz200khz7.8khz-500khz模式间歇打开上报数据主动上报主动上报响应时间天、月小时、天1分钟抗干扰性3GPP抗干扰强3GPP抗干扰强CSS扩频，抗干扰极强发射功率下行43dbm上行33 dbm下行43dbm上行33 dbm下行17dbm上行17dbm链路预算144db164db157db电池寿命9个月1次/天10AH6-10年 10AH10年 10AH LoRaWAN网络采用最稳定的MESH网络结构(如图1)，组网速度、抄表速度快，一次抄表成功率高。网络内模块节点之间通讯距离超过1千米，室外网络系统覆盖半径超过6千米。同时，网络具有极强的穿透能力，非常适用于普通工业楼宇群和大型高层建筑社区。 图2 MESH网络结构网络工作于433MHz或470MHz频段，由无线集中器和无线网络节点组成。网络系统采用主从式机制，集中器控制网络的一切活动。一个集中器最多可以控制1024个节点，最大支持10级路由。系统在上电以后，系统自动组建网络，自动维护和优化网络路由，无需用户干预，自动发现和删除节点。新节点在一定时间内可以被网络发现，节点地址被被网络识别后将节点加入网络当中，被移除节点的路由等信息在可设定的时间内被删除。任意节点既可以作为子节点，又可以作为父节点。任意节点支持多个父节点，任意节点有多条到达集中器的路由，并且节点传输数据时动态的选择最佳路由，任意节点都具有路由器与中继功能。处于级数比较多的节点，向集中器传输数据的时候，通过上一级父节点转发数据，然后它的父节点再通过其它节点传输到集中器，每个节点有多个父节点，使网络更加可靠，同时扩大了网络的覆盖面积。若在网络中若干个节点出现故障，或者被移除，丝毫不会影响网络的通信，集中器可以通过其它节点找到失去父节点的节点。通过集中器发送命令，可以了解网络节点的数量、地址、级数以及路由等情况。案例特点：高可靠性：LoRa 模块采用军用的调制技术设计，可有效保障小数据量在复杂环境中的超远距离传输问题。而GPRS DTU采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个采集点同时进行数据传输，互不干扰。实时性强：GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。集抄范围广：GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。建设成本低：LoRa模块内置在电表和电力集中器中，解决了布线难题，可快速组网；再者GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低，也免去了网络维护费用。在电表端，采用无线组网的方式，灵活可靠。集中器上安装 DTU实现无线远程抄表，不仅可以解决人工抄表的诸多难题，而且还可以随时对某个区域、甚至某个电表进行抽样抄取，抄表便捷、快速，只需要操作人员在远程利用抄表软件平台，就可以实现以往大量复杂的监控任务4.1 研究目的为了适应现代化抄表管理的需求，充分采用LoRa技术，利用如今成熟的GPRS 网络，设计出一套建设成本低、数据传输准确和能够适应复杂环境的 GPRS远程自动智能表，从而能够实时高效检测用户的用电信息。该新型电表不仅能够解决人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及安全隐患方面的问题，为电力部门提供准确、高效、安全的数据信息。4.2 研究计划聘请相关领域的专家学者，加大对该新产品科学研究，对LoRa技术在智能电表中的应用进行可行性研究，形成技术研究成果，将技术研究成果应用于实践生产中，生产出最终的LoRa技术智能电表产品。4.3 项目方案 智能电表系统由无线电力集中器和无线电表(均内置LoRa模块)组成，集中器通过GPRS无线网络和Internet公网最终将数据送到管理工作站，即：数据中心服务器。系统结构如图1所示。图1 基于Lora的 智能电表系统结构示意图 图2 LoRa无线模块案例特点：高可靠性：LoRa 模块采用军用的调制技术设计，可有效保障小数据量在复杂环境中的超远距离传输问题。而GPRS DTU采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个采集点同时进行数据传输，互不干扰。实时性强：GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。集抄范围广：GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。建设成本低：LoRa模块内置在电表和电力集中器中，解决了布线难题，可快速组网；再者GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低，也免去了网络维护费用。在电表端，采用无线组网的方式，灵活可靠。集中器上安装 DTU实现无线远程抄表，不仅可以解决人工抄表的诸多难题，而且还可以随时对某个区域、甚至某个电表进行抽样抄取，抄表便捷、快速，只需要操作人员在远程利用抄表软件平台，就可以实现以往大量复杂的监控任务!五、项目进度第一阶段：去全国和湖北武汉比较发达的地区开展调研学习，实地参观考察智能表生产企业的技术研发、生产和销售等相关信息，通过开展座谈，发放调查问卷，向专业人士了解智能表行业发展现状。第二阶段：统计分析调查问卷、开展座谈调研等信息，研究分析相关信息，分析智能表行业现状及发展前景。第三阶段：形成最终资料分析报告后，听取团队成员和专业人士指导意见，获取核心观点信息，并丰富完善最终项目内容。六、营销及推广策略6.1前期市场调查目标市场进行市场调研，充分了解市场潜力、成熟度，通过召开座谈会座谈、问卷调查、渠道调查、终端调查、经销商调查和消费者调查等形式，了解市场现有的智能电表品牌数量、销售情况、市场的认知度。6.2产品策略产品定位于所有全国电表用户，实行产品价格策略：一是利用专卖、加盟保持直接用户价格统一，利于品牌形象的建设。二是产品初步投向市场时，给予经销商高利润优惠条件，以此吸引更多的经销商加入，加快拓展市场。三是产品价格制定根据市场问卷反应度和现有市场品牌智能电表的价格综合考虑。6.3产品推广加大媒体广告投放，促进多渠道推广模式。一是平台推广。新产品推出时，召集新闻媒体召开新闻发布会，借助新闻媒体与权威部门，提高潜在客户对新产品的认识。二是产品展示会。制作产品样本，邀