基于北斗衛(wèi)星通信方式與電力104規(guī)約結(jié)合的智能物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用

梅林常，殷曄平

(1.河南省電力公司鶴壁供電公司，河南鶴壁458030;2.北京康力昆泰電力技術(shù)有限公司，北京100018)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次數(shù)字技術(shù)革命。為加快探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)的融合發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司組織在河南和福建公司開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范建設(shè)。結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司2012年電力物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用成果，河南省電力公司準(zhǔn)備開展電力物聯(lián)網(wǎng)深化應(yīng)用，解決配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行管理、狀態(tài)檢修手段不足等問(wèn)題，豐富城鄉(xiāng)一體化居民用戶用電信息采集手段，完善電力物聯(lián)網(wǎng)信息感知、信息傳輸和典型應(yīng)用場(chǎng)景，支撐智能電網(wǎng)建設(shè)。

依據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求及總體架構(gòu)，需要在城市配網(wǎng)線路開展配網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修、設(shè)備全壽命周期管理，在居民小區(qū)開展用電信息采集物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范建設(shè)工作。為了響應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)公司推進(jìn)電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的政策，結(jié)合現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)的具體情況，提出了利用“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”這項(xiàng)全新的技術(shù)來(lái)建設(shè)智能配網(wǎng)的新方案。

1 實(shí)現(xiàn)功能

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)智慧城市平臺(tái)項(xiàng)目的要求，需要開發(fā)一套基于北斗系統(tǒng)的智能配網(wǎng)接入子系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，通過(guò)北斗衛(wèi)星通信通道，把現(xiàn)場(chǎng)柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變等配電終端設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)底層設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。

把北斗衛(wèi)星通信技術(shù)和智能配網(wǎng)管理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，制定一套全新的智能配網(wǎng)遠(yuǎn)程控制方案，能實(shí)現(xiàn)智能配網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)底層配電設(shè)備的“遙信、遙測(cè)、遙控”功能，還能為基于電力物聯(lián)網(wǎng)等降損技術(shù)研究項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 配網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 技術(shù)路線

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，具有快速定位、雙向通信和精密授時(shí)三大基本功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航一代系統(tǒng)共有3顆衛(wèi)星(1顆備用星)在軌運(yùn)行，可以無(wú)縫覆蓋我國(guó)全部國(guó)土和周邊海域，北斗定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候、二十四小時(shí)的即時(shí)服務(wù)。

基于北斗衛(wèi)星的智能配網(wǎng)通信具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，覆蓋范圍廣闊，不受天氣、位置限制，抗干擾性好，安全保密，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通信成功率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合關(guān)鍵部門的窄帶通信應(yīng)用，尤其是國(guó)防、電力等關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重大應(yīng)用。

智能配網(wǎng)接入子系統(tǒng)主要是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信功能來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)的，其中的核心設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)處理終端。本系統(tǒng)由數(shù)個(gè)中心站、多個(gè)遙控站組成，根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用北斗衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)傳輸信道，中心站可以設(shè)置在電力公司的辦公樓內(nèi)，遙控站位于各個(gè)線路節(jié)點(diǎn)處。

各遙控站通過(guò)智能數(shù)據(jù)處理終端將符合電力104協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為符合北斗衛(wèi)星協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗終端機(jī)分別將各自數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼颈倍分笓]機(jī)上，再將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

本系統(tǒng)中的傳輸工作原理如圖2所示。遙信站(即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端)采集的數(shù)據(jù)先傳送給智能數(shù)據(jù)處理終端，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給北斗衛(wèi)星通信終端，通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給北京地面站，經(jīng)中心站衛(wèi)星通信終端機(jī)，將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)處理終端的核心功能就是北斗/GPRS-電力104通信規(guī)約轉(zhuǎn)換。應(yīng)用北斗/GPRS-電力104雙模通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的智能配網(wǎng)系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。配電終端包括多臺(tái)測(cè)控終端、多臺(tái)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、多套北斗終端和GPRS通訊設(shè)備。測(cè)控設(shè)備為安裝在柱上的FTU，安裝在配變上的TTU和安裝于開閉所、配電站、環(huán)網(wǎng)單元的FTU/DTU等。測(cè)控設(shè)備FTU/DTU將采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)，由通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，傳入北斗終端或GPRS通訊設(shè)備，或同時(shí)傳入北斗終端和GPRS通訊設(shè)備，由北斗終端和GPRS通訊設(shè)備分別通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)，將電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸給配電子站或配電主站。配電子站負(fù)責(zé)一個(gè)片區(qū)內(nèi)開閉所/開關(guān)站的配電自動(dòng)化實(shí)施，完成配電設(shè)備數(shù)據(jù)的集中和轉(zhuǎn)發(fā)，具有遙測(cè)、遙信和遙控的“三遙”功能，以及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、故障檢測(cè)隔離等功能，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到配電主站的主站服務(wù)器上。北斗指揮機(jī)和GPRS通訊設(shè)備接收配電子站或配電終端傳輸?shù)碾娋W(wǎng)數(shù)據(jù)，再經(jīng)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備傳入主站服務(wù)器;配電主站發(fā)出的控制命令經(jīng)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備后，由北斗指揮機(jī)Ⅰ發(fā)送給配電子站或配電終端。

圖3 智能配網(wǎng)系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作流程

現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)處理終端的事件處理流程如圖4所示。其主要任務(wù)可分為RTU(網(wǎng)口RJ-45)通信任務(wù)、北斗通信任務(wù)、規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)。其中通信任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求最高，故設(shè)為最高優(yōu)先級(jí);其余任務(wù)按照實(shí)時(shí)性要求，設(shè)置遙控任務(wù)第二高優(yōu)先級(jí)，遙信任務(wù)第三高優(yōu)先級(jí)。

3.1 北斗-電力104規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)的執(zhí)行

圖4 規(guī)約轉(zhuǎn)換器軟件流程

北斗-電力104規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)包括電力數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換三部分。執(zhí)行時(shí)需要從采集到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取電力104規(guī)約中的參數(shù)，根據(jù)總站發(fā)來(lái)的命令，判斷命令的類型并觸發(fā)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，將電力104規(guī)約中的參數(shù)進(jìn)行壓縮處理并打包成北斗的數(shù)據(jù)包格式。

3.2 北斗通信任務(wù)的執(zhí)行

北斗通信任務(wù)包含兩步:第一步是初始化北斗模塊，具有硬件啟動(dòng)、重啟、搜星、信號(hào)鎖定、信號(hào)檢測(cè)等功能;第二步是完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收及解析。執(zhí)行時(shí)首先啟動(dòng)北斗模塊，通信波特率為19 200，檢測(cè)北斗卡是否安裝，以及信號(hào)強(qiáng)度等初始化模塊，然后循環(huán)查詢數(shù)據(jù)包是否需要發(fā)送與接收。

3.3 RS-485通信任務(wù)的執(zhí)行

RS-485通信任務(wù)包含發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包及解析數(shù)據(jù)包三部分。執(zhí)行時(shí)采用查詢郵箱的方式循環(huán)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收。如有數(shù)據(jù)發(fā)送則打包成RS485數(shù)據(jù)包發(fā)送出去;當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，需完整解析數(shù)據(jù)包，并根據(jù)類型存儲(chǔ)到相應(yīng)的緩沖區(qū)中。

3.4 RJ-45通信任務(wù)的執(zhí)行

RJ-45通信任務(wù)包含發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包及解析數(shù)據(jù)包三部分。執(zhí)行時(shí)采用查詢郵箱的方式循環(huán)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收。完成104規(guī)約中的鏈路連接后，當(dāng)接收到104的數(shù)據(jù)包時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)包完整性并解析數(shù)據(jù)，根據(jù)類型分別存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

3.5 數(shù)據(jù)緩存任務(wù)的執(zhí)行

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在內(nèi)存中開辟了一塊全局共享緩沖區(qū)，它包括各種遙信、遙測(cè)、遙脈和遙控?cái)?shù)據(jù)區(qū)，以及用于控制這些緩沖區(qū)讀寫的各種標(biāo)志。由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)建立在內(nèi)存空間，所以多個(gè)模塊對(duì)它們的讀寫完全可以在一個(gè)任務(wù)中完成，而不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存的訪問(wèn)沖突問(wèn)題，讀寫的啟動(dòng)也僅需通過(guò)標(biāo)志就可以實(shí)現(xiàn)。這樣，就無(wú)須考慮對(duì)多任務(wù)進(jìn)行序列化和同步的問(wèn)題，而且響應(yīng)和轉(zhuǎn)換速度高。按照目前系統(tǒng)的內(nèi)存容量，將通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)全部建立在其中也不會(huì)碰到溢出問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)處理終端在處理完成這些事件響應(yīng)后，將處理完成的電力104規(guī)約數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星鏈路發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，然后由后臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)接收匯總，并解包還原成原生的電力104規(guī)約數(shù)據(jù)，接入國(guó)家電網(wǎng)河南省電力公司鶴壁供電公司的智慧城市平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，以光纖通信為代表的有線通信方式存在著挖溝敷設(shè)光纜的龐大施工成本及實(shí)施困難等問(wèn)題，在具體實(shí)施上，許多地區(qū)的配點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)往往由于技術(shù)原因和成本原因無(wú)法架設(shè)光纜，而GPRS等無(wú)線通信方式則飽受“偽基站”等問(wèn)題的困擾，存在著一定的安全隱患。

北斗衛(wèi)星通信整合了其他幾種通信方式的優(yōu)勢(shì)，基于軍用通信的網(wǎng)絡(luò)做到了專網(wǎng)運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了軍用級(jí)別的通信可靠性和安全性，兼顧通信成本低廉與安裝維護(hù)方便等要求。它不受使用環(huán)境限制，市區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)均可安裝，而且不受頻段、信號(hào)的限制，應(yīng)用更廣泛。綜合比較，在設(shè)備成本、施工成本以及維護(hù)成本較高的環(huán)境中，北斗衛(wèi)星通信具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。

［1］ 谷軍霞，王春芳，林潤(rùn)生，等.基于北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布的通信參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，(6):761-768.

［2］ 王春芳，陳永濤，李春來(lái)，等.基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息發(fā)布技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，(3):375-384.

［3］ 閆亮亮，陳劍云，費(fèi)遠(yuǎn)鵬.IEC60870-5-104遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約在鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，(6):48-52.

［4］ 梁竹靚，韓兵，彭永.IEC60870-5-104規(guī)約在分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，(4):124-127.

［5］ 傅欽翠，陳劍云.基于FSM的IEC60870-5-104規(guī)約的實(shí)現(xiàn)［J］.繼電器，2008，(10):45-52.