基于北斗衛(wèi)星通信的電能量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

胡丹 張倩

摘要：目前電網(wǎng)行業(yè)的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用方式中，以光纖、微波或手機(jī)公網(wǎng)（GPRS，3G，4G等）通道進(jìn)行通信，而對(duì)于廣大人煙稀少山區(qū)、牧區(qū)、深山中的峽谷水電站等，其既無光纖通路，也尚無法保證穩(wěn)定的公網(wǎng)信號(hào)覆蓋，這種“弱信號(hào)”地區(qū)上述通信方式則顯得無能為力。文章重點(diǎn)介紹了通過申請(qǐng)北斗通信卡方式，在北斗通信終端之間互相發(fā)送短信（數(shù)據(jù)）的通信技術(shù)，這種端到端的通信方式不受地理位置限制，露天情況下通信無盲區(qū)，成本低廉，成功實(shí)現(xiàn)了在通信手段匱乏的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行有效、快速的電能量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；弱信號(hào)地區(qū)；北斗衛(wèi)星；電能量采集

近年來，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)管轄各子網(wǎng)省電力公司下達(dá)了對(duì)民用電信息、各廠站能源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“全采集、全覆蓋”的要求。依據(jù)該要求，各省電力公司需逐步加強(qiáng)對(duì)各大廠站的監(jiān)管力度，各類廠站要充分、及時(shí)地提供發(fā)電、配電、供電可靠性、實(shí)時(shí)性等信息，以便于全面掌控電力公司的運(yùn)營(yíng)情況。但是，對(duì)于廣大人煙稀少的牧區(qū)、山區(qū)、深山中的水電站等，存在既無光纖通路，又無穩(wěn)定的公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的條件。這樣的地區(qū)面臨著信號(hào)弱或根本沒有信號(hào)的問題，且長(zhǎng)期得不到有效解決，故產(chǎn)生兩個(gè)問題：（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作異常，難以滿足數(shù)據(jù)采集成功率，仍然需要大量的人工介入，無法滿足電力運(yùn)營(yíng)管理的要求；（2）現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備受制于通信通道的瓶頸而不能有效利用，導(dǎo)致設(shè)備閑置資源浪費(fèi)[1]。

1 北斗系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)大力實(shí)施的獨(dú)立運(yùn)行、自主發(fā)展的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。建設(shè)本系統(tǒng)目標(biāo)是：建成技術(shù)先進(jìn)、開放兼容、獨(dú)立自主、穩(wěn)定可靠的全球性北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)完善現(xiàn)有的應(yīng)用支撐產(chǎn)業(yè)，大力推動(dòng)其在社會(huì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的廣泛應(yīng)用。通信雙方可以通過申請(qǐng)北斗通信卡方式，在北斗通信終端之間互相發(fā)送短信（數(shù)據(jù)），這種雙向通信功能是中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的獨(dú)特發(fā)明。這種點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式不受制于地理位置，全天候情況下可實(shí)現(xiàn)通信全覆蓋，成本低廉，可作為通信手段匱乏偏遠(yuǎn)地區(qū)通信方式的有效補(bǔ)充[2]。

2 通信系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求，通信系統(tǒng)由北斗前置系統(tǒng)和臺(tái)區(qū)子系統(tǒng)構(gòu)成。臺(tái)區(qū)通過采集各子站、北斗衛(wèi)星、主站管理系統(tǒng)的通信鏈路，現(xiàn)場(chǎng)采集終端則利用北斗衛(wèi)星組成的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)與主站之間的數(shù)據(jù)傳遞，臺(tái)區(qū)設(shè)備端配置一臺(tái)北斗電力數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳送（見圖1）。

2.2臺(tái)區(qū)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

臺(tái)區(qū)子系統(tǒng)由計(jì)量設(shè)備（電能表）、采集設(shè)備（集抄專變終端）、北斗電力計(jì)量終端組成（見圖2）。

在這個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)臺(tái)區(qū)配置一套北斗電力抄表終端（見圖3），相較于其他傳統(tǒng)集抄方式，本系統(tǒng)中只有北斗電力抄表終端為新增裝置，北斗電力抄表終端與集中器（又稱專變終端）之間支持網(wǎng)口連接方式，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的幾種接入方式。

北斗電力抄表終端功能如下。（1）北斗電力計(jì)量終端向集中器主動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將集中器數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳到主站。（2）在北斗電力抄表終端中，移植進(jìn)電網(wǎng)集抄的376.1規(guī)則，向終端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將采集到的各項(xiàng)用能數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳到主站系統(tǒng)。（3）將電網(wǎng)用能信息通信協(xié)議包植入北斗通信協(xié)議中，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。（4）大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)報(bào)文自動(dòng)組包、拆包 處理。（5）可遠(yuǎn)程更改數(shù)據(jù)采集參數(shù)和升級(jí)程序。（6）與北斗衛(wèi)星創(chuàng)建鏈接，實(shí)現(xiàn)無障礙、全天候即時(shí)通信。

2.3主站點(diǎn)接入系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

北斗的主站系統(tǒng)由北斗前置通信服務(wù)器、營(yíng)銷用能數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成，采用有線網(wǎng)方式連接，具體如圖4所示。

配置前置通信服務(wù)器主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖。在這種配置方案下，主站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求由前置服務(wù)器主動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，此命令報(bào)文不需要轉(zhuǎn)發(fā)至臺(tái)區(qū)。同時(shí)前置服務(wù)器以循環(huán)方式向終端不斷發(fā)出電能量數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并保存于前置機(jī)本地。

3 北斗通信前置機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1前置機(jī)通信仂議

前置機(jī)通信協(xié)議主要功能是完成通信中電力集采協(xié)議與北斗通信協(xié)議之間的格式轉(zhuǎn)換。眾所周知，國(guó)家電網(wǎng)用能信息采集的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是《國(guó)網(wǎng)抄表通信協(xié)議》，該協(xié)議下的數(shù)據(jù)包必須轉(zhuǎn)換成北斗協(xié)議下的數(shù)據(jù)包，并經(jīng)北斗系統(tǒng)的通信鏈路送至主站點(diǎn)；在數(shù)據(jù)接收端則將北斗協(xié)議下的數(shù)據(jù)包還原為國(guó)網(wǎng)通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)包。協(xié)議轉(zhuǎn)換原理是：將國(guó)網(wǎng)抄表協(xié)議的數(shù)據(jù)包拆分后封裝在各個(gè)單幀的北斗協(xié)議數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)體內(nèi)，詳細(xì)描述如表1-2所示。

“北斗”衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)報(bào)文有嚴(yán)格長(zhǎng)度限制，在傳輸大數(shù)據(jù)包時(shí)，必須分包進(jìn)行發(fā)送，并在接收端重新組包，換言之，在通信過程中，北斗通信協(xié)議短報(bào)文與集抄協(xié)議長(zhǎng)報(bào)文必須在傳輸中進(jìn)行組包、拆包。

例如，若現(xiàn)場(chǎng)集中器把長(zhǎng)度為960字節(jié)的一幀數(shù)據(jù)上傳至北斗電力抄表終端時(shí)，北斗電力抄表終端會(huì)將這貞數(shù)據(jù)拆分成10個(gè)96字節(jié)的子包，并通過北斗系統(tǒng)通信鏈路，逐—上傳至主站系統(tǒng)中的北斗通信前置機(jī)，主站前置機(jī)在接收完這10個(gè)子包后，重新進(jìn)行組包，將數(shù)據(jù)包格式還原后上傳至用能信息采集系統(tǒng)的主站。具體原理如圖5所示。

3.2前置服務(wù)器的功能與實(shí)現(xiàn)

由于北斗具有延時(shí)特性，當(dāng)用能信息采集主站點(diǎn)向北斗 抄表終端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，北斗抄表終端己準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù) 通常在60 s后才能上傳到主站，用能信息采集主站點(diǎn)會(huì)誤認(rèn) 為超時(shí)，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求失敗的情況‘3]。因此，本系統(tǒng)中北 斗不能只是提供一個(gè)透明的傳輸通道，不能僅僅完成前端 計(jì)費(fèi)主站系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)終端裝置之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。前置應(yīng)用 服務(wù)器主要是為了數(shù)據(jù)緩沖的目的而配置，在這種配置方案 下，主站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求由前置服務(wù)器完成響應(yīng)，且命令報(bào)文不 需要轉(zhuǎn)發(fā)到臺(tái)區(qū)。同時(shí)前置機(jī)以循環(huán)的方式不斷地向終端發(fā) 送電能量數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并保存至北斗通信前置機(jī)本地。所以， 主站前置機(jī)的接入程序必須完成以下幾個(gè)方面功能。

（1）在主站前置機(jī)接入程序上完成：按照國(guó)網(wǎng)的376抄 表規(guī)則，接收各廠站終端上傳的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并保存至北斗通 信前置服務(wù)器終端的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

（2）在主站前置機(jī)接入程序上完成：按照國(guó)網(wǎng)的376抄 表規(guī)則，模擬主站與各廠站終端保持TCP/IP協(xié)議下的實(shí)時(shí) 連接。當(dāng)主站發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，從本地的北斗通信前置機(jī)終 端的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取最新的數(shù)據(jù)，上傳給主站系統(tǒng)。

（3）在實(shí)現(xiàn)以上功能的過程中，接入服務(wù)子程序與北斗 衛(wèi)星系統(tǒng)之間的通信必須遵循國(guó)家頒布的北斗衛(wèi)星通信協(xié) 議.與主站、終端二者之間的通信必須遵循國(guó)家電網(wǎng)頒布的 電力抄表通信協(xié)議，并在程序中實(shí)現(xiàn)北斗通信協(xié)議和電力抄 表通信協(xié)議的實(shí)時(shí)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（4）北斗系統(tǒng)采用串口通信防水，電力集采器采用TCP/ IP通信協(xié)議，程序中則要完成兩種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。同時(shí)北 斗通信協(xié)議支持100字節(jié)以內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)文，而在電力抄表協(xié) 議中，部分報(bào)文的長(zhǎng)度通常會(huì)超過100字節(jié)，故程序上還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)報(bào)文的拆包、解包。

（5）數(shù)據(jù)采集的報(bào)文則按照營(yíng)銷采集主站的規(guī)范執(zhí)行。

4結(jié)語(yǔ)

伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，運(yùn)行水平大幅度提高，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將為我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力運(yùn)行數(shù)據(jù)采集工作提供一個(gè)技術(shù)革命，這預(yù)示著電網(wǎng)營(yíng)銷運(yùn)行的效率和可靠性得到了質(zhì)的飛躍。采用北斗提供的“雙向授時(shí)功能”，我國(guó)電力輸送領(lǐng)域重點(diǎn)攻堅(jiān)的時(shí)間同步課題也將得到徹底解決。

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