CN112332542B - 基于lora通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有源电力滤波器领域的电能质量补偿系统，具体涉及一种基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，旨在解决现有有源电能质量滤波补偿器系统在恶劣环境中通讯线缆抗干扰能力差、线缆易损耗或损坏，以及光纤通讯无法保证光纤使用寿命的技术问题。该系统包括电能质量主机以及至少2个电能质量从机，还包括外部服务器；各电能质量从机之间、电能质量主机与电能质量从机以及外部服务器之间均采用LORA无线通讯；其中，各电能质量从机之间以及电能质量从机与电能质量主机之间均采用自定义通讯协议。同时，本发明还提出了基于上述系统的通讯方法，采用LORA无线通讯技术具有抗干扰能力强、组网灵活以及应用成本低的特点。

Description

基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法
技术领域
本发明涉及有源电力滤波器领域的电能质量补偿系统，具体涉及一种基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统及通讯方法。
背景技术
在有源电力滤波器领域，大功率系统使用过程中常常用到多机并联或者多机级联的情况，系统中每个设备都需要互相连接通讯或者需要与主机连接通讯，以满足正常的功能需求，特别是在有源电能质量综合滤波补偿器系统中，电能质量主机和从机高速可靠的数据传输对系统的控制效果尤其重要。目前常用的通讯方法是使用通讯线缆通讯，或者使用光纤线缆通讯，普通通讯线缆抗干扰能力差，并且在线缆使用过程中，有线路损耗以及损坏的问题，在较恶劣的使用环境中，就需要定期更换线缆以保证系统正常运行。而使用光纤通讯虽然抗干扰能力比普通线缆较好，但是成本较高，并且也无法保证光纤的使用寿命以及避免光纤在恶劣环境中的损坏。
发明内容
本发明旨在解决现有的有源电能质量滤波补偿器系统在恶劣环境中，控制指令及数据传输采用普通通讯线缆的抗干扰能力差、线缆易损耗或损坏，而采用光纤通讯存在无法保证光纤使用寿命的技术问题，提出一种基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统及通讯方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于LORA无线通讯技术的有源电能质量滤波补偿器系统，其特殊之处在于：包括电能质量主机，以及分别与电能质量主机通讯的至少2个电能质量从机；
所述电能质量主机包括第一主控芯片及第一LORA通讯单元，所述第一LORA通讯单元与第一主控芯片通讯；
所述电能质量从机包括第二主控芯片及第二LORA通讯单元，所述第二LORA通讯单元与第二主控芯片通讯；
所述电能质量从机与电能质量主机之间采用LORA无线通讯，且通讯协议采用自定义私有协议；
所述各电能质量从机之间采用LORA无线通讯，且通讯协议采用自定义私有协议。
进一步地，还包括与电能质量主机之间采用LORA无线通讯的外部服务器，其通讯协议与用户端的协议相匹配，所述外部服务器用于数据采集并对数据进行集中查看与存储分析。
进一步地，所述第一LORA通讯单元与第一主控芯片通讯、第二LORA通讯单元与第二主控芯片通讯，均采用SPI、SCI或IIC串行通讯。
同时，本发明还提出一种基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、电能质量主机的第一主控芯片将系统的指令和信息通过串行通讯发送给其内部的第一LORA通讯单元；
步骤2、电能质量主机的第一LORA通讯单元将需要发送的指令和信息转换为自定义私有协议的无线射频信号，通过LORA无线通讯发送给各电能质量从机的第二LORA通讯单元，各电能质量从机的第二LORA通讯单元采用相同无线通讯信道级和不同的无线通讯地址进行接收，保证了从机接收主机信息的同步性与实时性；
步骤3、各电能质量从机的第二LORA通讯单元将接收到的指令和信息，对其进行解析并转换为电信号，通过串行通讯发送给其内部的第二主控芯片，第二主控芯片判断所述指令是控制指令还是读取指令；如果是控制指令，则各电能质量从机同时响应控制指令；如果是读取指令，则判断是否为本机地址；若是，则其第二主控芯片将电能质量从机的数据和信息通过串行通讯发送给其内部的第二LORA通讯单元；若否，则等待；
步骤4、电能质量从机的第二LORA通讯单元将需要发送的数据和信息转换为自定义私有协议的无线射频信号，通过LORA无线通讯发送给电能质量主机的第一LORA通讯单元；
步骤5、电能质量主机的第一LORA通讯单元接收到数据和信息，对其进行解析并转换为电信号，通过串行通讯发送给第一主控芯片；
步骤6、电能质量主机的第一主控芯片存储步骤5中的电信号并在人机交互单元显示，使用户可以查看到所有电能质量从机的运行状态以及运行数据。
进一步地，步骤1中，所述系统的指令和信息包括电能质量从机的在线数量、系统输出指令、系统运行逻辑指令、系统中从机的故障数量、故障设备号以及本次请求从机数据指令。
进一步地，步骤3中，所述电能质量从机的数据和信息包括采集数据、计算分析结果、从机地址、从机运行逻辑状态以及从机故障状态，其中，采集数据包括母线电压、输出电流、输入电压、负载电流以及温度信息。
进一步地，步骤1中、步骤3及步骤5中，所述串行通讯可选用SPI、SCI或IIC等多种串行通讯方式。
进一步地，所述LORA通讯采用异或方式加密与解密，在有其它LORA通讯设备存在的情况下，保证数据的安全性。
本发明的有益效果是：
1)本发明有源电能质量滤波补偿器系统采用LORA无线通讯技术进行数据传输，解决了恶劣环境中通讯线缆易损的问题，LORA无线通讯接收灵敏度高、抗干扰和穿透能力强、组网灵活且通信可靠，具有低功耗、低成本、大容量的特点。
2)本发明有源电能质量滤波补偿器系统传输控制指令及信息过程中，电能质量主机与电能质量从机的通讯、以及电能质量从机之间的通讯，均采用自定义通讯协议，即使用私有协议通讯，降低了应用成本。
3)本发明有源电能质量滤波补偿器系统中，LORA通讯单元使用透传功能，从机采用相同无线通讯信道，不同的无线通讯地址，保证了从机接收主机信息的同步性与实时性；通讯数据均采用简单的异或(0xABCD)方式加密与解密，在有其它LORA通讯设备存在的情况下，保证数据的安全性。
附图说明
图1为本发明有源电能质量滤波补偿器系统组网结构示意图；
图2为本发明有源电能质量滤波补偿器系统中电能质量从机的硬件通讯平台结构框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明系统中的控制指令和数据传输主要采用LORA(Long Range)无线通讯技术，LORA无线通讯技术是由美国Semtech公司针对低功耗、远距离通讯需求而研发的一种新型通讯技术。是一种扩频调制技术，属于物理层传输技术，采用了1G以下通讯载波，把频谱扩展与GFSK(Gauss Frequency Shift Keying，高斯频移键控)调制技术相结合，解决了低功耗与远距离兼得的问题，为用户提供远距离、低功耗、低成本、大容量的组网方案。LORA无线通讯的接收灵敏度高、抗干扰和穿透能力强、组网灵活并且通信可靠。
在有源电能质量滤波补偿器系统中，经常用到并机使用的场合，各从机之间需要互相通讯，本发明提出使用LORA无线通讯单元来实现各从机之间的通讯，自定义通讯协议，以达到系统的需求。有源电能质量滤波补偿器系统组网结构示意图如图1所示，包括至少2个电能质量从机、电能质量主机以及与电能质量主机联系的外部服务器。
本发明实施例中采用电能质量从机为3个，实际使用中的电能质量从机不局限于3个，可以是任意个。电能质量从机与电能质量主机之间采用LORA无线通讯，外部服务器与电能质量主机之间也是采用LORA无线通讯。此处外部服务器指的是用户应用场所内的其它LORA服务器，主要用途是数据采集并且集中查看与存储分析，也可通过此外部服务器与inter网连接，将数据上传到更强大的服务系统中。
电能质量主机与电能质量从机之间的LORA通讯和电能质量主机与外部服务器的LORA通讯不同，电能质量从机之间的通讯采用的是自定义私有协议，而与外部服务器的通讯需要与用户端的协议进行相匹配，这里不做过多分析与解释。本发明主要侧重点在于电能质量主机与电能质量从机之间的通讯。
有源电能质量滤波补偿器系统中需要传输的数据量并不是很大，通常情况下，每个电能质量从机需要向电能质量主机上传的数据有：运行状态、输出电流、母线电压、输入电压、输出功率以及故障状态等。电能质量主机需要向电能质量从机发送的数据有：从机在线数量、从机输出指令、从机运行逻辑指令等。LORA通讯单元本身只提供物理层技术，本发明采用自定义通讯协议，即使用私有协议以降低应用成本。
本发明中的电能质量主机和电能质量从机的硬件通讯结构相同，都有主控芯片、数据采集模块以及电源模块等，这里增加了LORA通讯单元硬件设备，使其与主控芯片通讯连接。
图2为电能质量从机的通讯平台硬件结构框图，包括数据采集模块、第二主控芯片、电源模块以及第二LORA通讯单元。各电能质量从机采集数据包括母线电压、输出电流、输入电压、负载电流以及温度信息等。第二LORA通讯单元与第二主控芯片连接，其通讯连接方式可选择多种，如SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、SCI(SerialCommunication Interface，串行通讯接口)、IIC(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)等串行通讯方式。第二主控芯片将采集到的数据，以及计算分析获得的结果，还有控制逻辑运行状态等信息，按一定的协议组合，通过上述的通讯方式发送给第二LORA通讯单元，然后第二LORA通讯单元将其转换为无线射频信号发送出去，即完成了数据的发送。
在本系统中LORA通讯单元使用透传功能，即电能质量主机的第一LORA通讯单元向电能质量从机的第二LORA通讯单元发送数据，多个电能质量从机采用相同无线通讯信道，不同的无线通讯地址，则电能质量主机通过LORA通讯向电能质量从机发送数据的时候，所有电能质量从机均可监听到主机发送的数据，这样保证了电能质量从机接收主机信息的同步性与实时性，这在系统中非常重要。同时，电能质量从机判断得到信息是控制指令还是读取指令，如果是控制指令时，则所有电能质量从机同时响应控制指令。如果是读取指令，则需要判断是否为本机地址，即需要判断主机是否读取本机数据，因为电能质量从机向电能质量主机发送数据时，从机较多，不可以同时发送，会有占信道的可能性，出现通讯数据竞争，从而导致无法正常发送的现象。所以，在电能质量从机接收到与本机地址相同的读取指令时，再返回本机运行数据。
本发明的系统通讯中，电能质量主机和从机发送的数据如表1、表2所示。
表1电能质量主机发送的数据
从机地址 信道 帧头 数据1 数据2 数据3 数据4 数据5 数据n 帧尾
16bits 8bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits
表2电能质量从机发送的数据
主机地址 信道 帧头 数据1 数据2 数据3 数据4 数据5 数据n 帧尾
16bits 8bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits 16bits
上述通讯数据均采用简单的异或(0xABCD)方式加密与解密。在有其它LORA通讯设备存在的情况下，保证数据安全性。
电能质量主机发送数据中包含的信息有：系统运行逻辑指令，系统输出指令，系统中从机的在线数量，系统中从机的故障数量以及故障设备号，本次请求从机数据指令。
电能质量从机发送的数据包含的信息有：从机地址、从机运行逻辑状态、从机母线电压、从机输出电流、从机故障状态等。
当电能质量主机中的第一LORA通讯单元接收到空中传送的射频信号后，对其进行解析转换，将其转换为电信号，并且按既定的通讯协议，通过串行通讯发送给第一主控芯片，由第一主控芯片接收并处理所有数据。
这些数据最终会被系统存储并且显示给人机交互单元，使用户可以查看到所有电能质量从机的运行状态以及运行数据。如果用户有服务器读取数据需求，即用户服务器需要在更远的操作室查看所有设备运行数据，或者在互联网上随时随地查看设备运行数据，则可以利用电能质量主机LORA无线通讯与用户服务器相连接，将数据传送给更高级的上位机系统。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、电能质量主机的第一主控芯片将系统的指令和信息通过串行通讯发送给其内部的第一LORA通讯单元；
步骤2、电能质量主机的第一LORA通讯单元将需要发送的指令和信息转换为自定义私有协议的无线射频信号，通过LORA无线通讯发送给各电能质量从机的第二LORA通讯单元，各电能质量从机的第二LORA通讯单元采用相同无线通讯信道级和不同的无线通讯地址进行接收；
步骤3、各电能质量从机的第二LORA通讯单元将接收到的指令和信息，对其进行解析并转换为电信号，通过串行通讯发送给其内部的第二主控芯片，第二主控芯片判断所述指令是控制指令还是读取指令；如果是控制指令，则各电能质量从机同时响应控制指令；如果是读取指令，则判断是否为本机地址；若是，则其第二主控芯片将电能质量从机的数据和信息通过串行通讯发送给其内部的第二LORA通讯单元；若否，则等待；
步骤4、电能质量从机的第二LORA通讯单元将需要发送的数据和信息转换为自定义私有协议的无线射频信号，通过LORA无线通讯发送给电能质量主机的第一LORA通讯单元；
步骤5、电能质量主机的第一LORA通讯单元接收到数据和信息，对其进行解析并转换为电信号，通过串行通讯发送给第一主控芯片；
步骤6、电能质量主机的第一主控芯片存储步骤5中的电信号并在人机交互单元显示。
2.根据权利要求1所述基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特征在于：步骤1中，所述系统的指令和信息包括电能质量从机的在线数量、系统输出指令、系统运行逻辑指令、系统中从机的故障数量、故障设备号以及本次请求从机数据指令。
3.根据权利要求2所述基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特征在于：步骤3中，所述电能质量从机的数据和信息包括采集数据、计算分析结果、从机地址、从机运行逻辑状态以及从机故障状态，其中，采集数据包括母线电压、输出电流、输入电压、负载电流以及温度信息。
4.根据权利要求3所述基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特征在于：步骤1中、步骤3及步骤5中，所述串行通讯为SPI、SCI或IIC串行通讯。
5.根据权利要求1至4任一所述基于LORA通讯的有源电能质量滤波补偿器系统通讯方法，其特征在于：所述LORA通讯采用异或方式加密与解密。
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