CN108173344A - Lora无线通信技术在低压配变台区的应用方法 - Google Patents

Lora无线通信技术在低压配变台区的应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，通信***包括终端设备、LoRa网关、配变终端和主设备，多个终端设备上均连接有LoRa模块，所述LoRa模块通过芯片内置或者RS485接口与终端设备连接，多个终端设备通过LoRa无线网络与LoRa网关进行数据传输，所述LoRa网关与配变终端之间通过RS485网络进行数据传输，所述配变终端和主设备之间通过GPRS信号进行数据传输，本发明利用最新物联网LORA是LPWAN(低功耗广域网)无线通信技术，它的出现改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的***，进而扩展传感网络。

Description

LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法
技术领域
本发明涉及LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法。
背景技术
目前配电台区供电范围比较分散，供电路径比较长，台区经理负责的范围比较大，当低压设备出现故障发生停电时，抢修人员需要花费大量的时间及精力来排查故障点，大大降低了居民用电的可靠性、安全性及稳定性。
随着农村经济、文化、生活水平的不断提高，广大农村对供电规模、供电容量、供电质量有了高质量的需求，而农村的供电质量不单是一种市场行为，它关系到广大农村的稳定，也关系到未来中国可持续发展的问题，所以，能否维护好农村电网及对农村正常供电是供电部门的责任要求。
目前，配变台区的设备异常、故障查找、维护管理等还存在不能及时发现、及时处理的问题。主要体现在以下几方面：
(1)农村的电网结构薄弱。农村电网多为辐射网，环网供电范围小，负荷转移能力差，事故、停电范围大，供电可靠性差。
(2)电能质量低。随着农村电网用电负荷增长迅速，现有中压配电网因导线细、回路少，配变布点不足、无功补偿容量欠缺等因素，电压合格率普遍较低，造成农网的低压设备不能正常运行，降低了用电的安全性。
(3)设备陈旧、健康水平低、安全性及可靠性差。缺乏综合管理，管理水平低。由于管理水平低，无法提前预判故障，故障频发，造成一定的经济损失。
(4)缺乏长远规划，忙于应付现存问题。由于缺乏规划，农网的配电变压器分布不合理，低压出线回路迂回曲折，直接造成农网电力出线回路的故障高发。
配变台区里的配电设备与配变终端通讯信息采集主要以GPRS/CDMA、载波、小无线集抄等通讯方式为主，在现有通讯方式中，由中继模块负责采集通讯设备的实时数据，通过GPRS传输到通信适配器，再由通信适配器与配变终端级联，通过配变终端将数据传输到主站***。如在浙江省剩余电流动作保护器监测***中漏保设备与中继模块因使用485通信方式，告警信息必须通过中继模块采集，无法实现真正意义上的异常主动告警，影响了***的实时性；由于家保未实现通讯，影响了低压电网中通讯“最后一公里”通道的实施；配变台区里的温控器、门禁控制器、智能电容控制器等设备主要以有线RS485通信方式为主。实际应用中，采集器通讯故障多，安装调试复杂，故障查找难度大，加装通讯设备造成现场安装困难，现场安装工艺不美观，影响村容村貌，运维难度大等情况。这些通信方式同时存在造成通信***庞大繁杂，操作繁琐，数据采集成功率不高，数据堵塞严重，且存在通讯资费高昂、运维难度大的弊端；漏保设备存在面板操作复杂，各厂家面板设置差异化等问题，增加了基层人员的使用难度，同时，当漏保发生跳闸故障时，存在检修人员故障定位耗费时长，检修效率低等问题。
农网配变台区中的监测设备主要包含温控器、门禁控制器、智能电容控制器等，这些设备主要以有线RS485与配变终端级联，配变终端对这些监测设备进行数据采集并远传主站***。实际应用中，因使用有线方式，加装通讯设备造成现场安装困难，运维难度大等问题。
这些通信方式同时存在，造成通信***庞大繁杂，操作繁琐，数据采集成功率不高，数据堵塞严重等问题，且存在通讯资费高昂、运维难度大的弊端。
目前，电能表的采集***与农网剩余电流动作保护器监测***是分开的，电能表采集主要以GPRS/CDMA、载波、小无线集抄等通讯方式为主。实际使用中，载波通信容易受到用电环境干扰，导致抄表失败；而当前市面使用的小无线集抄主要以zigbee通信方式为主，因zigbee通信距离有限，一般在200米左右，严重限制了实际应用范围。GPRS/CDMA通信方式，也存在着一些弊端，例如在偏远山区，信号可能覆盖不完全或者信号较弱，也都会导致抄表失败，影响***功能。同时，使用GPRS/CDMA通讯方式，通信资费也是一笔不小的资金付出。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，该方法使得低压配变台区供电质量大幅提高。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，通信***包括终端设备、LoRa网关、配变终端和主设备，多个终端设备上均连接有LoRa模块，所述LoRa模块通过芯片内置或者RS485接口与终端设备连接，多个终端设备通过LoRa无线网络与LoRa网关进行数据传输，所述LoRa网关与配变终端之间通过RS485网络进行数据传输，所述配变终端和主设备之间通过GPRS信号进行数据传输，通信步骤如下：
a)、入网认证，终端必须在和LoRa网关参与数据交换之前进行一个加入过程，终端设备必须在每次失去会话信息时进行一次新的加入过程，加入过程需要终端进行个性设置，设置信息包括DevEUI、AppEUI、AppKey，DevEUI是IEEE-EUI64设备地址，AppEUI是IEEE-EUI64应用地址，AppKey是AES-128应用秘钥；
b)、设备通过空中激活加入网络时，AppKey用来派生出AppSkey和NwkSKey来加密和验证传输，终端不需要任何NwkSKey的设置，便能在不同供应商的网络之间漫游；
c)、终端设备加入网络需要两个MAC信息交换过程：Join-Request和Jion-Accept；Join-Request消息是从终端发起的，包括AppEUI、DevEUI和两字节的随机数DevNonce；LoRa网关追踪设备终端之前发送过来的一个特定随机数，之后忽略此终端发过来的带有其他随机数的任何加入请求；
d)、LoRa网关会对加入申请作出回复，即Jion-Accept消息，Jion-Accept消息和普通的下行消息一样，唯一不同的是用JOIN_ACCEPT_DELAY1和JOIN_ACCEPT_DELAY2替换RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2，如果加入请求不被允许，则不会有Jion-Accept消息；
e)、在电子密码本模式下，LoRa网关用AES解密操作来加密Jion-Accept消息，终端设备便采用AES加密操作来解密消息。
作为优选方案：所述终端设备包括温控器、智能电容控制器、保护器、电能表或者门禁控制器。
本发明利用最新物联网LORA是LPWAN(低功耗广域网)无线通信技术，它的出现改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的***，进而扩展传感网络。
本发明的实施可提高供电电压质量，提高供电可靠性，大幅提升用电管理水平，同时具有极佳的经济效益。1)减少电力损失，可降低供电端与用户端的电力损失，2)提高台区的功率因素，减少低电压的发生，3)提高了线路的负载能力，对于容载比较低的线路，延长了其使用年限，降低了改造费用，4)降低了配变三相不平衡率，并因此降低配电网的运行损耗，同时提高了低压台区运行的安全性，延长了低压台区设备的寿命。5)缩短线路故障查找时间，大大降低劳动强度，提高供电质量及可靠性，减少停电损失。
本发明的推广和应用，将引导更多潜在的专业采用LoRa无线通信技术进行技术革新，节约大量线缆、采集器、辅助电源以及箱体材料的更换，实现智能保护器通讯的“全覆盖、全监测、全预警、全保护”，结合精品台区建设，改进了低压电力设施的美观度，助力村容村貌的整改，全面提升了农村安全用电水平居民和生活水平；同时，减少企业原材料的浪费，节约了大量的能源与人力成本，大幅提高企业的经济效益，也将促进环保事业的发展，提升供用电的经济性、安全性和可靠性，减少由低压供电故障引起的火灾事故的发生，将产生巨大的社会效益。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图。
图2是本发明的组网架构示意图。
图3是本发明采用的拓扑结构示意图。
具体实施方式
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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
如图1、图2和图3所示的LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，通信***包括终端设备、LoRa网关、配变终端和主设备，多个终端设备上均连接有LoRa模块，所述LoRa模块通过芯片内置或者RS485接口与终端设备连接，多个终端设备通过LoRa无线网络与LoRa网关进行数据传输，所述LoRa网关与配变终端之间通过RS485网络进行数据传输，所述配变终端和主设备之间通过GPRS信号进行数据传输，通信步骤如下：
入网认证，终端必须在和LoRa网关参与数据交换之前进行一个加入过程，终端设备必须在每次失去会话信息时进行一次新的加入过程，加入过程需要终端进行个性设置，设置信息包括DevEUI、AppEUI、AppKey，DevEUI是IEEE-EUI64设备地址，AppEUI是IEEE-EUI64应用地址，AppKey是AES-128应用秘钥；
设备通过空中激活加入网络时，AppKey用来派生出AppSkey和NwkSKey来加密和验证传输，终端不需要任何NwkSKey的设置，便能在不同供应商的网络之间漫游；
终端设备加入网络需要两个MAC信息交换过程：Join-Request和Jion-Accept；Join-Request消息是从终端发起的，包括AppEUI、DevEUI和两字节的随机数DevNonce；LoRa网关追踪设备终端之前发送过来的一个特定随机数，之后忽略此终端发过来的带有其他随机数的任何加入请求；
LoRa网关会对加入申请作出回复，即Jion-Accept消息，Jion-Accept消息和普通的下行消息一样，唯一不同的是用JOIN_ACCEPT_DELAY1和JOIN_ACCEPT_DELAY2替换RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2，如果加入请求不被允许，则不会有Jion-Accept消息；
在电子密码本模式下，LoRa网关用AES解密操作来加密Jion-Accept消息，终端设备便采用AES加密操作来解密消息。
所述终端设备包括温控器、智能电容控制器、保护器、电能表或者门禁控制器。
LoRa是一种扩频技术，不是直接序列扩频。直接序列扩频通过调制载波芯片来传输更多的频谱，从而提高编码增益。而LoRa调制与多状态FSK调制类似，使用未调制载波来进行线性调频，使能量分散到更广泛的频段，实现了远距离通信。
从网络结构来看，LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。LoRa使用的星型网络结构简化了通信的复杂程度，加之LoRa协议层实现的上下行信道选择、信道监测、重传机制等功能大大提高了LoRa通信的稳定性和耐压性能。
在安全性方面采用唯一网络密钥(EU164)保证网络层安全，采用唯一应用密钥(EU164)并保证应用层端到端的安全，采用设备特别密钥(EUI128)确保设备接入安全。所有设备的内容采用加密聚合方式进行加密，保证了数据传输的安全性。同时为了防止用户用电数据被分析，用户用电数据需要具备隐私保护能力。
对于入网认证，终端必须在和LoRa网关参与数据交换之前进行一个加入过程。终端设备必须在每次失去会话信息时进行一次新的加入过程。加入过程需要终端进行个性设置，设置信息包括DevEUI、AppEUI、AppKey。DevEUI是IEEE-EUI64设备地址。AppEUI是IEEE-EUI64应用地址。AppKey是AES-128应用秘钥。
设备通过空中激活加入网络时，AppKey用来派生出AppSkey和NwkSKey来加密和验证传输。因此，终端不需要任何NwkSKey的设置，所以终端在不同供应商的网络之间漫游变得容易。
终端设备加入网络需要两个MAC信息交换过程：Join-Request和Jion-Accept。Join-Request消息是从终端发起的，包括AppEUI、DevEUI和两字节的随机数DevNonce。LoRa网关追踪设备终端之前发送过来的一个特定随机数，之后忽略此终端发过来的带有其他随机数的任何加入请求。这种机制可以阻止重放攻击(Replay Attracts)。如：通过发送之前记录的加入信息，意图将各节点从网络断开。
Join-Request消息是不加密的，消息完整性码MIC值计算方法如下：
cmac＝aes128_cmac(AppKey,MHDR|AppEUI|DevEUI|DevNonce)
MIC＝cmac[0..3]
LoRa网关会对加入申请作出回复，即Jion-Accept消息。Jion-Accept消息和普通的下行消息一样，唯一不同的是用JOIN_ACCEPT_DELAY1和JOIN_ACCEPT_DELAY2替换RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2。如果加入请求不被允许，则不会有Jion-Accept消息。
AppNonce是LoRa网关提供的随机数或是某个ID，终端设备用它来派生出网络会话秘钥(NwkSKey)和应用会话秘钥(AppSKey)，产生算法如下：
NwkSKey＝aes128_encrypt(AppKey,0x01|AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
AppSKey＝aes128_encrypt(AppKey,0x02|AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
MIC的计算方法如下：
cmac＝aes128_cmac(AppKey,MHDR|AppNonce|NetID|DevAddr|RFU|RxDelay|CFList)
MIC＝cmac[0..3]
Jion-Accept的消息用AppKey加密，加密算法如下：
aes128_decrypt(AppKey,AppNonce|NetID|DevAddr|RFU|RxDelay|CFList|MIC)
在ECB(电子密码本)模式下，LoRa网关用AES解密操作来加密Jion-Accept消息，所以终端设备可以用AES加密操作来解密消息。通过这种方法，终端设备只需要执行加密操作而不需要执行解密操作。
实现LoRa长距离、低功耗的无线通信网络。在安全性方面采用唯一网络密钥(EU164)保证网络层安全，采用唯一应用密钥(EU164)并保证应用层端到端的安全，采用设备特别密钥(EUI128)确保设备接入安全。所有设备的内容采用ES128方式进行加密，保证了数据传输的安全性。基于物联网的***架构设计，需要同时符合物联网的体系和国家电网的规范。
为了保护智能电网中用户的隐私和数据的完整性，最直接的方法是进行数据加密，然而，这将引起在控制中心进行大量的解密计算。聚合技术可以显著减少电网中通信、计算与存储开销，结合隐私保护的聚合方案是解决智能电网中海量数据安全通信问题的一个方法，现有的方案大多主要基于安全信号处理，基于同态和安全多方计算，效率较低。本方案拟采用具有隐私保护的加密聚合方案，使得海量数据安全、高效地到达控制中心，同时保护用户数据隐私。
具体方案描述如下：
密钥生成：***生成一系列参数(p,q),得出n＝p·q和λ＝lcm(p-1,q-1)，定义一个功能函数其中，公钥为pk＝(n，g)，私钥为sk＝(λ,μ)。
数据加密：智能仪表等智能终端对用电数据m∈Zn进行加密。随机生成一个数然后生成密文c＝E(m)＝gm·rnmodn2。
数据解密:控制中心对获得的密文进行解密，得到明文m＝D(c)＝L(cλmodn2)·μmod n。这样控制中心可以得到住宅区用电数据的总和，而无需知道每一户用户的用电数据。本方案能够有效保护用户用电数据的机密性、完整性，同时提高加解密的效率。
应当指出，以上实施例仅是本发明的代表性例子。本发明还可以有许多变形。凡是依据本发明的实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，其特征在于：通信***包括终端设备、LoRa网关、配变终端和主设备，多个终端设备上均连接有LoRa模块，所述LoRa模块通过芯片内置或者RS485接口与终端设备连接，多个终端设备通过LoRa无线网络与LoRa网关进行数据传输，所述LoRa网关与配变终端之间通过RS485网络进行数据传输，所述配变终端和主设备之间通过GPRS信号进行数据传输，通信步骤如下：
a)入网认证，终端必须在和LoRa网关参与数据交换之前进行一个加入过程，终端设备必须在每次失去会话信息时进行一次新的加入过程，加入过程需要终端进行个性设置，设置信息包括DevEUI、AppEUI、AppKey，DevEUI是IEEE-EUI64设备地址，AppEUI是IEEE-EUI64应用地址，AppKey是AES-128应用秘钥；
b)设备通过空中激活加入网络时，AppKey用来派生出AppSkey和NwkSKey来加密和验证传输，终端不需要任何NwkSKey的设置，便能在不同供应商的网络之间漫游；
c)终端设备加入网络需要两个MAC信息交换过程：Join-Request和Jion-Accept；Join-Request消息是从终端发起的，包括AppEUI、DevEUI和两字节的随机数DevNonce；LoRa网关追踪设备终端之前发送过来的一个特定随机数，之后忽略此终端发过来的带有其他随机数的任何加入请求；
d)LoRa网关会对加入申请作出回复，即Jion-Accept消息，Jion-Accept消息和普通的下行消息一样，唯一不同的是用JOIN_ACCEPT_DELAY1和JOIN_ACCEPT_DELAY2替换RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2，如果加入请求不被允许，则不会有Jion-Accept消息；
e)在电子密码本模式下，LoRa网关用AES解密操作来加密Jion-Accept消息，终端设备便采用AES加密操作来解密消息。
2.根据权利要求1所述的LORA无线通信技术在低压配变台区的应用方法，其特征在于：所述终端设备包括温控器、智能电容控制器、保护器、电能表或者门禁控制器。
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