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
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1、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
2、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
3、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
4、,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
5、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
6、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
7、: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
8、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
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