基于北斗衛(wèi)星通信的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電信息采集

妙紅英

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 承德供電公司營(yíng)銷部，河北 承德 067000）

基于北斗衛(wèi)星通信的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電信息采集

妙紅英

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 承德供電公司營(yíng)銷部，河北 承德 067000）

目前電力公司在進(jìn)行各類用戶的用電數(shù)據(jù)采集上，通信方式主要有手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、電力微波網(wǎng)絡(luò)等。本文針對(duì)廣大人煙稀少山區(qū)、牧區(qū)中不具備以上通信條件的光伏電站、水電站和居民用戶，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的短報(bào)文服務(wù)為通信通道，通過(guò)研發(fā)一種小型數(shù)據(jù)交換裝置，在臺(tái)變現(xiàn)場(chǎng)和電力公司主站系統(tǒng)前端同時(shí)部署，在不改變已投運(yùn)設(shè)備和系統(tǒng)的前提下，透明的嵌入北斗通信鏈路，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電信息采集難題。

用電信息采集；北斗衛(wèi)星；通信；偏遠(yuǎn)地區(qū)

在2011年，國(guó)網(wǎng)公司對(duì)各網(wǎng)省電力公司提出了對(duì)居民用電信息，各廠站電能量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的要求。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司的要求，各網(wǎng)省公司需逐步加強(qiáng)對(duì)各類廠站的管控力度,對(duì)其發(fā)、售電量，供電可靠性等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息都急需了解，以利于全面掌握電力公司的經(jīng)營(yíng)情況。

在現(xiàn)有的居民用電信息采集模式中，采集用電信息的電能表將用電數(shù)據(jù)以載波方式就近上送到附近臺(tái)式變壓器下的集中器。集中器通過(guò)光纖、微波或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上送到部署在當(dāng)?shù)仉娏镜挠秒娦畔⒉杉髡鞠到y(tǒng)。

在我國(guó)青海、新疆、西藏、四川、云貴、河北等地區(qū)，均存在大量的牧區(qū)、山區(qū)通信手段匱乏。這樣地區(qū)的居民用電信息采集對(duì)當(dāng)?shù)毓╇姽緛?lái)說(shuō)是一個(gè)難題，只能每月一次驅(qū)車數(shù)十甚至數(shù)百公里進(jìn)行人工抄表，這種方式非常不利于電力自動(dòng)化管理。

本方案中，以廉價(jià)的北斗衛(wèi)星短報(bào)文服務(wù)為通信通道，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)抄表集中器端和用電信息采集系統(tǒng)主站端嵌入北斗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)?，完成用電信息采集系統(tǒng)與居民低壓臺(tái)變現(xiàn)場(chǎng)集中器的數(shù)據(jù)交互。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 北斗通信原理

北斗通信終端通過(guò)安裝IC卡方式，以卡號(hào)對(duì)卡號(hào)的，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)終端之間的短報(bào)文通信。而IC卡的類型決定了能單次發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度和發(fā)送頻率。在國(guó)家推廣的民用領(lǐng)域，發(fā)放最多的IC卡通信頻率為每分鐘一次，單次通信的報(bào)文長(zhǎng)度不超過(guò)78.5字節(jié)。 即北斗通信的帶寬為每分鐘傳輸78.5字節(jié)。

1.2 電力抄表原理

電力上低壓集中抄表系統(tǒng)是指由用電信息采集系統(tǒng)主站通過(guò)遠(yuǎn)程通訊信道（無(wú)線、有線、電力線載波等信道）將多個(gè)電能表電能量的記錄值（窗口值）的信息集中抄讀的系統(tǒng)。

其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要含：電表、采集器、集中器。集中器通過(guò)集中器將多塊電表的數(shù)據(jù)匯集到自身，然后通過(guò)遠(yuǎn)程通信信道上送。在廣大村莊，其上送通道主要為移動(dòng)、聯(lián)通、電信3大運(yùn)營(yíng)商手機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 北斗電力抄表設(shè)計(jì)

在大量移動(dòng)、聯(lián)通、電信3大運(yùn)營(yíng)商手機(jī)網(wǎng)絡(luò)未覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)，目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄錄。而具備雙向通信功能的北斗短報(bào)文服務(wù)正好解決此通信難題。

其實(shí)現(xiàn)原理：研發(fā)一種小型數(shù)據(jù)交換裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)北斗通信協(xié)議與電力抄表協(xié)議的規(guī)約轉(zhuǎn)換，在低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)和用電信息采集系統(tǒng)主站則同時(shí)部署，在低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RJ-45網(wǎng)口方式與電力集中器裝置相連。在主站側(cè)通過(guò)電力內(nèi)網(wǎng)與主站信息進(jìn)行TCP/IP通信。

本方案在不改變已投運(yùn)設(shè)備和系統(tǒng)的前提下，透明的嵌入北斗通信鏈路，實(shí)現(xiàn)電力集中器與用電信息采集系統(tǒng)通過(guò)北斗衛(wèi)星通道通信，如圖1所示。

圖1 基于北斗通信的用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System structure of electric energy data acquisition by Beidou satellite

低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)由計(jì)量裝置 （電能表）、采集裝置（采集器、集中器等）、電力北斗抄表終端組成，如圖2所示。

圖2 臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Child system structure of transformer platform

主站系統(tǒng)由北斗通信子站和前置應(yīng)用服務(wù)器、營(yíng)銷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，采用網(wǎng)絡(luò)方式連接。如圖3所示。

圖3 主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of master station

在未采用北斗通信鏈路時(shí)，用電信息采集系統(tǒng)直接向低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)電力集中器下發(fā)指令，現(xiàn)場(chǎng)電力集中器直接向主站回復(fù)指令執(zhí)行結(jié)果。其通信流程如圖4、圖5所示。

圖4 普通方式下主站指令下行流程Fig.4 The master station command downlink process by using the traditional way

圖5 普通方式下現(xiàn)場(chǎng)終端指令上行流程Fig.5 The terminal command uplink process by using the traditional way

在采用北斗通信方式后，用電信息采集主站下行指令給電力北斗抄表終端，電力北斗抄表終端進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星通道下行給低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的電力北斗抄表終端，進(jìn)行再次的規(guī)約轉(zhuǎn)換后下發(fā)給低壓臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)電力抄表集中器，抄表集中器完成指令執(zhí)行。流程如圖6所示。

圖6 北斗方式下主站指令下行流程Fig.6 The master station command downlink process by using Beidou communication

電力抄表集中器回復(fù)時(shí)，將回復(fù)數(shù)據(jù)上行給電力北斗抄表終端，電力北斗抄表終端進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星通道上行給主站側(cè)的電力北斗抄表終端，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后上行用電信息采集主站。流程如圖7所示。

在以上方案中，主要需要處理兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)：1）國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下電力集抄協(xié)議與北斗衛(wèi)星通信協(xié)議之間的規(guī)約轉(zhuǎn)換；2）國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)下電力集抄協(xié)議報(bào)文又長(zhǎng)又短，長(zhǎng)報(bào)文超過(guò)1000字節(jié)，在進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，需要在兩端進(jìn)行拆包組包。其實(shí)現(xiàn)原理如下。

圖7 北斗方式下現(xiàn)場(chǎng)終端指令上行流程Fig.7 The terminal command downlink process by using the traditional way

1.3.1 電力集抄協(xié)議與北斗通信協(xié)議規(guī)約轉(zhuǎn)換

國(guó)網(wǎng)公司用電信息采集均按照 《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第一部分:主站與采集終端通信協(xié)議》（簡(jiǎn)稱：國(guó)網(wǎng)抄表通信協(xié)議）規(guī)約進(jìn)行，該規(guī)約數(shù)據(jù)包需轉(zhuǎn)換成北斗協(xié)議數(shù)據(jù)包，經(jīng)北斗通信鏈路送至主站端，在主站端將北斗協(xié)議數(shù)據(jù)包還原至國(guó)網(wǎng)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包。

以上規(guī)約轉(zhuǎn)換在北斗通信鏈路兩端進(jìn)行，不影響原通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)?。?guó)網(wǎng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式,如下。

轉(zhuǎn)換成北斗協(xié)議后，國(guó)網(wǎng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)包將作為北斗協(xié)議的數(shù)據(jù)包，封裝在北斗協(xié)議的幀格式中，數(shù)據(jù)包格式如下。

1.3.2 電力集抄協(xié)議長(zhǎng)報(bào)文與北斗通信協(xié)議短板傳輸中拆包、組包

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)文長(zhǎng)度有一定的限制，通信數(shù)據(jù)數(shù)量如果超過(guò)最大長(zhǎng)度報(bào)文，必須分包進(jìn)行發(fā)送。此外，利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)通信時(shí)存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，如果發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)量比較小，可以通過(guò)重復(fù)發(fā)送等方式以保證通信的可靠性，但對(duì)于數(shù)據(jù)數(shù)量比較大的情況不太合適。

北斗通信通常在單報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)78.5字節(jié)時(shí)，電力北斗抄表終端將按照單幀報(bào)文78.5字節(jié)進(jìn)行拆包，并重新組包，如圖8所示。同時(shí)為程序上處理方便，通常取78字節(jié)作為最長(zhǎng)單幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

圖8 數(shù)據(jù)拆包、組包傳輸架構(gòu)圖Fig.8 Structure of data packed and unpacked

例上：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)集中器將長(zhǎng)度為780字節(jié)的數(shù)據(jù)幀上送給電力北斗抄表終端時(shí)，電力北斗抄表終端將數(shù)據(jù)幀拆分成10個(gè)78字節(jié)的子包，并利用北斗通信鏈路，逐一上送給北斗通信前置機(jī)，北斗通信前置機(jī)在收完10個(gè)子包后，進(jìn)行重新組包，還原成原數(shù)據(jù)包格式并送至用電信息采集系統(tǒng)主站。

2 結(jié)論

北斗衛(wèi)星短報(bào)文服務(wù)是我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS、伽利略衛(wèi)星等導(dǎo)線衛(wèi)星系統(tǒng)相比的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，其通信資費(fèi)便宜，在中國(guó)范圍內(nèi)通信基本無(wú)盲區(qū)。同時(shí)此方案下現(xiàn)場(chǎng)安裝極為簡(jiǎn)單，對(duì)電力施工技術(shù)人員進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，即可獨(dú)立完成臺(tái)區(qū)的設(shè)備安裝。該方案還具備不占用電力系統(tǒng)有限網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)：隨著電力信息化、自動(dòng)化的程度越來(lái)越高，有限的IP資源在分配應(yīng)用上顯得捉襟見(jiàn)肘。在采用其它方式通信通道建設(shè)時(shí)，需要在臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)、變電站及電力公司內(nèi)部添加大量的設(shè)備，勢(shì)必占用大量的IP資源，同時(shí)采集數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)變電站走電力信息內(nèi)網(wǎng) 需要增加電力信息內(nèi)網(wǎng)的帶寬。而北斗通信通道不占用電力內(nèi)網(wǎng)IP，也不占用電力信息內(nèi)網(wǎng)帶寬。文中方案能很好的解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電信息采集難題。參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家電網(wǎng).電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議[C]//第一部分:主站與采集終端通信協(xié)議,2009.

[2]曹年紅,易道機(jī),江海深.北斗通信技術(shù)在光照水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2004(6):61-63,78.CAO Nian-hong,YI Dao-ji,JIANG Hai-shen.Application of beiddou communication technology to water regime forecasting system at guangzhao hydropower station[J].Hydropower Automation and Darn Monitoring,2004(6):61-63,78.

[3]趙榮黎.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)及其進(jìn)展[J].電信科學(xué),1996(4): 3-9.ZHAO Rong-li.Satellite mobile coumunication systems andprogress[J].Telecommunication Science,1996(4):3-9.

[4]邱晶,余平,楊士中.移動(dòng)衛(wèi)星通信的信道模型和傳輸特性分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003(7):37-41.QIU Jing,YU Ping,YANG Shi-zhong.A statistical model for mobile satellite channel and digital transmission analysis[J].Journal of Chongqing University,2003(7):37-41.

[5]羽佳.雙星定位法與北斗1號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[J].航天返回與遙感,2004(1):65-67.YU Jia.A method for double-star position system position solution and Beidou-1 satellite navigation system[J].Spacecraft Recovery&Sensing,2004(1):65-67.

[6]成方林,馮林強(qiáng),張翼飛.“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋水文、氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2004(3):70-73.CHENG Fang-lin,FENG Lin-qiang,ZHANG Yi-fei.The application of the Beidou navigation system in marine hydrology and weather monitoring systems[J].Marine Technology, 2004(3):70-73.

Electric energy data acquisition by Beidou satellite communication in remote region

MIAO Hong-ying
（State Grid Electric Power Co.,Northern Hebei Chengde Power Marketing Company，Chengde 067000,China）

In the power industry at present,power commpany get electric energy data of all kinds of user mainly by mobile communication network,optical network,power microwave network,and so on.This paper focuses on the aforesaid communication unequipped photovoltaic plants，hydropower plants and residents in the extensive sparsely populated mountain area and the pasturing area.By using the Short Message Service of Beidou satellite navigation system as the communications approach and developing a data exchange device set both in transformer platform and the front of the power company master station,this device is embed into the existing communication link without changing the equipments and systems in operation,to solve the difficulty of electric energy data acquisition in the remote region.

electric energy data acquisition;Beidou satellite;communication;remote region

TN915

A

1674－6236（2015）10-0152-03

2014-09-03 稿件編號(hào)：201409031

妙紅英(1977—)，女，河北承德人，工程師。研究方向：電力自動(dòng)化，電力計(jì)量。