面向新型电力系统的可信无线 回传装置及其控制方法研究.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器149面向新型电力系统的可信无线回传装置及其控制方法研究*黄柳苹，杨 威，张坤三，傅 昱，陈 铮，陈丽莎，肖英东国网漳州供电公司，福建 漳州 363000摘要：针对电力系统传统光缆通信方式缺乏经济、可靠、有效的监测手段，配网自动化的安全运行存在隐患，配网过程较烦琐，光缆配网成本高昂等弊端，文章基于 LoRa 远距离通信技术、AES128-CFB 加密算法和Modbus-CRC16 校验方法，利用 GD32F407VGT6 和LoRa 无线模块设计了一种面向新型电力系统的可信无线回传装置，具体包括无线回传装置的硬件设计和软件设计。实验结果表明，该装置可以在多地建立分散的新型电力系统终端数据无线回传的链路，在新型电力系统中具有良好的应用前景。关键词：无线回传装置；LoRa 通信技术；新型电力系统分类号：TN915；TM730 引言无线传输利用电波信号可以在自由空间中传播特性进行信息交换1。LoRa 属于 LPWAN 通信技术，是一种采用扩频技术的超长距离无线数据传输技术。LoRa 通信技术的传输距离较长、功耗较低、电池寿命长、传输信号容量大2。文章设计了基于 LoRa 通信技术的可信无线回传装置。1 无线回传装置的硬件设计文章设计的无线回传装置组成包括发送装置和接收装置，如图 1 所示。发送装置接收原始数据并进行算法加密，再通过 LoRa 远距离通信技术发送加密后的数据至接收装置；接收装置通过 RS485/232 接口接收需要传输的原始数据，并将其传给 MCU 控制器，MCU控制器对数据利用 AES 算法进行加密，并增加 CRC校验位。接收装置的 LoRa 无线模块接收到传输数据后上报给 MCU 控制器，MCU 控制器对其进行 CRC 校验，若校验通过则对数据进行 AES 算法解密，并通过RS485/232 接口输出解密后的原始数据；若 CRC 校验错误，则舍弃数据。外部接口外部接口RS232模块RS485模块主控模块LoRa模块天线天线图 1 无线回传装置结构示意图无线回传装置 MCU 部分的电路图如图 2 所示，其中，MCU 控制器采用 GD32F407VGT6 单片机3，内写有运算程序，通过运行运算程序加密和解密传输数据以及校验数据有效性。MCU 控制器通过 RS232/485 接口与上位机通信，发送装置的 RS232/485 接口用于在MCU 控制器的作用下接收所需数据，接收装置的 RS232/485 接口用于将 MCU 控制器解密后的数据发送给外部设备或上位机。1.1 MCU 部分LoRa 无线传输模块采用 SEMTECH SX1278 射频模块，发送装置的 LoRa 无线模块用于将 MCU 控制器加密后的数据发送给接收装置的 LoRa 无线模块，接收装置的 LoRa 无线模块用于接收发送装置的 LoRa 无线模块发来的加密后的数据并转发给 MCU 控制器。SEMTECH SX1278 射频模块使用远程调制解调器提供超长距离扩频通信和高抗干扰。SEMTECH SX1278 射频模块能够达到超过-148 dBm 的灵敏度，和集成的+20 dBm 的增益放大器相结合，能够带来领先行业的物联网接入效能，是在所需范围内稳定应用的最佳选项。与其他同类器件相比，SEMTECH SX1278 射频模块可以提供出色的相位噪声、选择性、接收器线性度，可显著降低文章编号：2096-9317（2023）03-0149-03*基金项目：国网福建省电力有限公司漳州供电公司科技项目“面向新型电力系统的可信无线回传装置”（B31350220008）作者简介：黄柳苹，女，硕士，工程师，研究方向为配网通信终端接入网。照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明150电流消耗，与基于 FSK 等调制方式的无线接入系统相比，SEMTECH SX1278 射频模块采用 LoRa 扩频调制解调器，能够实现更大范围的通信4。1.2 端口、电源部分端口、电源部分电路图如图 3 所示，24 V 电源接入后通过 LM2596S 降压芯片将 24 V 电压转换为 5 V 和3.3 V，分别为 LoRa 无线模块和 MCU 控制器供电。2 无线回传装置的软件设计无线回传装置的发送装置和接收装置的程序流程：发送装置在启动后进入初始化阶段，不断地通过RS232/485 模块接收数据，对接收到的原始数据进行AES 算法加密并添加 Modbus-CRC16 校验数据，最后将处理后的数据通过 LoRa 无线模块发送给接收装置；接收装置通过 LoRa 无线传输模块接收到加密的数据后，对数据进行 CRC16 校验，判断数据是否有效，对有效的数据进行 AES 算法解密，获得完整正确的原始数据，并通过 RS232/485 传输到上位机，丢弃未通过CRC16 校验的数据5。2.1 加密/解密运算程序设计加密算法使用了 AES 算法，AES 是一种对称加密算法，加密和解密使用相同的密钥。使用 AES 加密时，文件按 128 位（即每 16 字节）分割为小块进行加密。如果文件大小不是 16 字节的整数倍，会在末尾添加一些数据以充分收集，每块单独加密。AES 算法有2 个输入和 1 个输出，加密时，输入密钥和文件的内容，输出密文，解密时，输入密文和密钥，输出文档原文6。AES 算法有 EBC、CBC、CFB、OFB、CTR 五种工作模式。其中，与 EBC 和 CBC 模式只能加密块数据不同，CFB能够将块密文转换为流密文，其原理是将数据加密的结果与明文进行异或运算得到密文，然后再将密文进行加密，与明文异或运算得到下一个密文，依次类推。2.2 CRC16 校验程序设计随着时间的推移，微型计算机在工业控制领域图 2 MCU 部分电路图光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器151的应用日益普及，并且通过数据传输实现了更高效的控制。由于各种原因，如传输距离和现场条件，计算机与控制设备之间的通信数据经常会出现意想不到的错误。为了确保通信的可靠性，经常采取校验数据的方法来确保数据的安全性和可靠性。冗余循环校验码（CRC）校验是最常用的方法之一，它能够检测出数据中的冗余部分，从而确保数据的准确性和完整性。CRC 是通信协议中的一种特殊的编码方式，它由16 位二进制数组成，长度为 2 个字节。CRC 码是由发送装置计算，通常被放置在信息帧的末尾。当接收装置重新计算所接收的信息的时间戳时，装置会比较计算出来的时间戳与实际接收到的时间戳是否一致，如果二者不一致，则认为数据存在错误。CRC16 校验码的计算方法如下：（1）设置 16 位的 CRC 寄存器，并给其赋值 FFFF；（2）将数据的第一个 8 位与 16 位 CRC 寄存器的低 8 位进行异或运算，并把结果存入 CRC 寄存器；（3）CRC 寄存器向右移一位，MSB（最高位）补零，移出并检查 LSB（最低位）；（4）如果 LSB 为 0，重复（3）；如果 LSB 为 1，CRC寄存器与已知多项式码（A001）进行异或运算；（5）重复（3）和（4），直到 8 次移位全部完成，此时一个 8 位数据处理完毕；（6）用 CRC 寄存器的值与下一个 8 位数据进行异或运算，并进行和前一个数据相同的 8 次移位；（7）所有的 8 位数据处理完成后，CRC 寄存器内的值即为最终的 CRC 校验值。3 无线回传装置的测试文章设计的无线回传装置的功能样机电路实物如图 4 所示。图 4 功能样机电路实物图将硬件系统程序下载进 MCU 控制器，一个无线回传装置直接通过串口与上位机连接，另一个无线回传装置通过 RS485 接口与上位机连接，进行 100 次数据收发，分别验证 50、100、150、200 字节数据的加密、解密，其中使用的 AES 密钥为 0 x00、0 x01、0 x02、0 x03、0 x04、0 x05、0 x06、0 x07、0 x08、0 x09、0 x0a、0 x0b、0 x0c、0 x0d、0 x0e、0 x0f，（下转第 226 页）图 3 端口、电源部分电路图 照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明226系统，启动 RTK 无人机按照飞行航迹在 RTK 厘米级精度定位信号下进行自主飞行并拍照。数据采集要求：在飞行任务前，飞手需要手动规划无人机自主飞行采集数据的航线，并做好飞前检查，开机查看设备状态，明确航线中的杆塔方位，针对某些档距较大、弧垂幅度较大的区域须降低高度纪录航点，并降速飞行。验证中做到全方位查看，验证过程保持链路内，禁止超链路飞行。在飞行任务前准备地面站计算机连接电台，取下扫描仪保护盖，检查镜头是否清洁无尘，设置激光雷达参数然后静置雷达等待同步，确认各连接件已正确安装，确认基站数据开始记录，确认数据存储空间足够，确认激光雷达已同步并有激光数据，检查航线高度和速度设置，显示点云出现，确认无误后执行任务。执行任务过程中密切关注地面站实时传回的点云数据，预检查点云质量和密度是否符合要求。（4）原始数据下载。无人机降落任务结束，激光雷达静置，按“STAR/STOP”按键结束记录传感器数据并保存，拷贝原始数据到计算机中分类整理。（5）数据解算及质量检查。将 IMU 文件上传至千寻服务器校准核验后下载，利用原始数据中的引导文件关联点云文件与校准核验后的 IMU 数据进行联合解算，检查成果报告中点云密度是否满足 50 点/m2的要求，坐标精度是否满足 10 cm 要求，以及设备部件是否完全可见，导出解算后的真彩点云为 las 格式文件。4 结束语利用多旋翼无人机进行巡检作业，能在各种复杂地形、恶劣气候、灾害天气下获取现场信息，检查输电线路运行情况，能够弥补人工巡检的不足。同时，多旋翼无人机具有准备时间短、飞行速度快、固定机巢提供可持续动力等特点，能进行输电线路快速巡检、线路走廊巡检、灾后电网评估等。可以提高巡检人员工作的安全性和线路事故的应急处置能力，确保高压线路的安全稳定运行。参考文献1 陶金龙,王学峰,余子彬,等.配电线路无人机巡检技术的应用研究J.光源与照明,2022(9):148-150.2 麻卫峰.机载激光点云输电线路巡检关键技术研究D.昆明:云南师范大学,2021.3 胡洋.电力巡线无人机航迹规划研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2021.4 隋宇,宁平凡,牛萍娟,等.面向架空输电线路的挂载无人机电力巡检技术研究综述J.电网技术,2021,45(9):3636-3648.5 缪希仁,刘志颖,鄢齐晨.无人机输电线路智能巡检技术综述J.福州大学学报(自然科学版),2020,48(2):198-209.6 邵瑰玮,刘壮,付晶,等.架空输电线路无人机巡检技术研究进展J.高电压技术,2020,46(1):14-22.7 王海波.无人机技术在架空输电线路通道巡检中的应用J.光源与照明,2021(4):141-142.8 王俊平,徐刚.电力多旋翼无人机巡检控制系统的设计与实现J.机械设计与制造,2022(10):75-80.9 杨杰,邵帅,王凯,等.多旋翼无人机在输电线路巡检中的应用局限及发展前景J.电力与能源,2018,39(2):173-176.（上接第 151 页）AES 初始向量为 0 x00、0 x01、0 x02、0 x03、0 x04、0 x05、0 x06、0 x07、0 x08、0 x09、0 x0a、0 x0b、0 x0c、0 x0d、0 x0e、0 x0f。加密测试与解密测试的测试结果与设计一致，都做出了正确的反应。4 结束语文章设计的无线回传装置与现有装置相比具有显著的优点，具体体现在以下方面。（1）基于 LoRa 远距离无线通信技术设计，在配电通信站之间形成可信远距离无线回传链路，确保配网光缆故障时，可快速建立远距离无线可信连接，避免系统数据链路长时间中断，确保站点下挂的配网通信站业务不中断，提高了业务保障率。（2）将轻量级的安全接入认证与安全会话密钥管理方法部署在硬件资源受限的嵌入式系统中，以较低硬件开销获得较高安全性能。（3）与电力系统传统光缆通信方式相比，该可信无线回传装置可以建立分散在多地的多种新型电力系统终端数据无线回传的链路，提高了部署灵活性，降低了部署成本。参考文献1 张新.基于SX1278的矿用低速远程监控通信平台研究J.矿业安全与环保,2020,47(1):70-74.2 王阳,温向明,路兆铭,等.新兴物联网技术:LoRaJ.信息通信技术,2017,11(1):55-59,72.3 李强.分布式无线通信系统在智能电网中的应用分析J.光源与照明,2022(7):61-63.4 原家豪.基于LoRa的智能抄表系统设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2021.5 王永川,李念强.基于AES算法的网关数据传输加密设计J.工业控制计算机,2022,35(8):36-38.6 陈祥.基于GD32的步进电机伺服控制系统设计与实现D.西安:西京学院,2021.