北斗抄表系統(tǒng)中通信規(guī)約的處理機(jī)制

白 愷 ，溫酬欽 ，孫漢威 ，張 捷 ，楊 林

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026；2.廣州邦正電力科技有限公司，廣州 510663）

近年來，電網(wǎng)的智能化的水平越來越受到南方電網(wǎng)公司的高度重視。自從計量自動化系統(tǒng)建成投運(yùn)以來，從專變到公變，從大客戶到普通居民用電客戶的計量點，逐步實現(xiàn)了自動抄表和電子化結(jié)算。然而，我國地貌復(fù)雜、疆域遼闊，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)移動公網(wǎng)信號覆蓋率普遍較差[1]。為徹底解決偏遠(yuǎn)地區(qū)因無公網(wǎng)通信資源導(dǎo)致電能量數(shù)據(jù)無法自動采集的問題，在此，開發(fā)了基于北斗通信技術(shù)的抄表系統(tǒng)（簡稱北斗抄表系統(tǒng)），將北斗衛(wèi)星短報文技術(shù)和移動網(wǎng)絡(luò)電力計量自動化上傳技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到無公網(wǎng)通信資源的小水電站、專變計量點電能數(shù)據(jù)自動采集的目的[2]。

文中通過深入研究北斗抄表系統(tǒng)中的通信規(guī)約，就其中的DL/T 645規(guī)約[3]和北斗通信規(guī)約[4]各自特點，提出了規(guī)約轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法；根據(jù)北斗短報文的傳輸原理和民用帶寬的限制，單次通信數(shù)據(jù)內(nèi)容的長度≯78 B，提出了一種北斗長報文傳輸規(guī)約，采用在采集層的發(fā)送終端將傳輸數(shù)據(jù)包拆分成多個數(shù)據(jù)子包再多次發(fā)送，在主站層的北斗接收終端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次接收、多段組包的方式，實現(xiàn)較大量的數(shù)據(jù)上傳。

1 北斗通信技術(shù)抄表系統(tǒng)簡介

北斗抄表系統(tǒng)由現(xiàn)場采集、通信信道和主站系統(tǒng)三部分組成，采集終端與主站系統(tǒng)通過位于通信側(cè)的北斗衛(wèi)星作為連接紐帶，以達(dá)到將采集終端電能數(shù)據(jù)上傳及主站系統(tǒng)命令下發(fā)的目的。

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為采集層、通信層和主站層等3部分[5]，如圖1所示。

圖1 北斗抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Beidou meter reading system structureu

采集層由部署于現(xiàn)場的電能表、北斗采集終端、北斗外置天線等硬件設(shè)備組成，完成電表數(shù)據(jù)采集、響應(yīng)主站下發(fā)的指令。采集層遵循DL/T 645規(guī)約，通過485通信接口讀取電能表數(shù)據(jù)。

通信層由北斗終端通信模塊、北斗衛(wèi)星、主站北斗通信管理機(jī)構(gòu)成，在現(xiàn)場北斗通信模塊在采集終端控制下，遵循北斗通信規(guī)約，將采集的電能量數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星按照數(shù)據(jù)包內(nèi)地址完成傳輸，主站北斗通信管理機(jī)接收衛(wèi)星傳輸報文并將其解析后以無線公網(wǎng)的形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至主站前置服務(wù)器，前置機(jī)無需再對數(shù)據(jù)進(jìn)行特別的解析。

主站層為計量自動化系統(tǒng)相關(guān)硬、軟件，主站軟件對前置服務(wù)器內(nèi)報文與其他系統(tǒng)上傳的報文一樣按照通信協(xié)議進(jìn)行解析，然后將解析得到的電能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫中。

2 通信規(guī)約簡介

2.1 DL/T 645規(guī)約

DL/T 645《多功能電能表通信規(guī)約》采用主-從結(jié)構(gòu)的雙半工通信方式。它將各種數(shù)據(jù)終端作為通信主站，將電能表等計量設(shè)備作為通信從站，每個通信從站都具有不同的地址編碼，用于查詢電能量數(shù)據(jù)來源。通信從站只能對通信主站發(fā)出的指令做出響應(yīng)，而不能主動發(fā)送信息。DL/T 645規(guī)約規(guī)定以字節(jié)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?，每個字節(jié)包括8位二進(jìn)制碼，加上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時的1個起止位、1個偶校驗位和1個停止位，共計11位，具體格式見表1。數(shù)據(jù)傳輸時先傳低位字節(jié)，再傳高位字節(jié)[6]。

表1 DL/T 645規(guī)約字節(jié)格式及傳輸序列Tab.1 DL/T 645 protocol byte format and transmission sequence

信息傳輸?shù)幕締卧菐?，多個字節(jié)組成1幀數(shù)據(jù)。DL/T 645規(guī)約中規(guī)定的幀格式見表2，它由起始符、地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、校驗碼和結(jié)束符組成。信息傳輸時，發(fā)送端按照字節(jié)對數(shù)據(jù)域進(jìn)行加33H處理，接收端相應(yīng)地對數(shù)據(jù)域進(jìn)行減33H處理。

表2 DL/T 645規(guī)約幀數(shù)據(jù)格式Tab.2 DL/T645 protocol frame data format

DL/T 645規(guī)約數(shù)據(jù)標(biāo)識采用樹狀結(jié)構(gòu)，分成4級，表示傳輸?shù)膯蝹€數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)項的集合。用4 B的十六進(jìn)制編碼（DI3DI2DI1DI0）區(qū)分各個數(shù)據(jù)項：DI3用于將數(shù)據(jù)類型分成7類；DI2表示某一類編碼表中數(shù)據(jù)項的類型；DI1表示同類數(shù)據(jù)項的不同屬性；DI0主要表示數(shù)據(jù)項的時域性，如當(dāng)前值、上月值等[7]。

2.2 北斗通信規(guī)約

《北斗用戶機(jī)數(shù)據(jù)接口協(xié)議（4.0版）》簡稱《北斗通信規(guī)約》，由中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心統(tǒng)一制定。參數(shù)定義如下：傳輸速率：19200 bit/s；1 bit開始位；8 bit數(shù)據(jù)位；1 bit停止位；無校驗位。

北斗通信模塊和采集終端間的通信規(guī)約采用可變長度幀報文格式，見表3，它由北斗報文頭、北斗報文正文（通訊通信規(guī)約層）和北斗報文尾組成。其中，北斗報文頭中的“遠(yuǎn)方地址”表示此次通信或查詢所得電文的發(fā)信方用戶；北斗報文正文中通信規(guī)約層數(shù)據(jù)幀格式參考規(guī)約轉(zhuǎn)換前的通信規(guī)約。

表3 北斗通信規(guī)約幀數(shù)據(jù)格式Tab.3 Beidou communication protocol frame data format

3 通訊規(guī)約的處理

3.1 規(guī)約的轉(zhuǎn)換

在北斗抄表系統(tǒng)中，電能量數(shù)據(jù)的采集終端及其傳輸鏈路遵循DL/T 645規(guī)約進(jìn)行，簡化后的數(shù)據(jù)包格式見表4。將DL/T 645規(guī)約的電能量數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成北斗通信數(shù)據(jù)包，然后經(jīng)由北斗通信鏈路上傳到位于主站端的通信管理機(jī)，在通信管理機(jī)內(nèi)將其還原到DL/T 645規(guī)約的數(shù)據(jù)包。此規(guī)約轉(zhuǎn)換過程在北斗通信鏈路兩端進(jìn)行，實現(xiàn)在不影響原來的通信方式的情況下完成電能量數(shù)據(jù)的傳輸。

表4 電能量數(shù)據(jù)采集規(guī)約數(shù)據(jù)包構(gòu)成Tab.4 Data package of power collection specification

在北斗終端將采集終端的電能量數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成符合北斗通信規(guī)約的數(shù)據(jù)包，只需在原數(shù)據(jù)包的兩端分別添加北斗通信規(guī)約的報文頭和報文尾，將原數(shù)據(jù)包封裝在北斗規(guī)約的幀格式內(nèi)，就能夠?qū)崿F(xiàn)在北斗通信鏈路中的透傳。其簡化數(shù)據(jù)包格式見表5。

表5 北斗通信規(guī)約數(shù)據(jù)包構(gòu)成Tab.5 Data package of Beidou communication protocol

3.2 北斗長報文可靠傳輸

北斗通信系統(tǒng)支持的報文長度有限（以選用北斗三級用戶卡為例，其單次發(fā)送數(shù)據(jù)包大小為最大96 B，除去報文頭和報文尾約為18 B，在通訊規(guī)約層可傳輸?shù)膱笪淖止?jié)數(shù)為78 B）。所以，當(dāng)單次發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小超過限制要求時，就需對原數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包處理，拆成多個大小符合要求的子數(shù)據(jù)包，多次發(fā)送。在此所選用的系統(tǒng)中，單報文長度超過78 B時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置將按照單幀報文78 B對大數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分發(fā)送，接收端再對接收到的多個短報文數(shù)據(jù)包重新組包[8-10]。具體過程如圖2所示。

圖2 長報文傳輸拆包組包框架Fig.2 Long message transmission subpackage and package frame

當(dāng)現(xiàn)場抄表裝置需要上傳的抄表數(shù)據(jù)為780 B時，轉(zhuǎn)發(fā)裝置首先會對此數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包處理，將其拆分成10個78 B的數(shù)據(jù)子包，對每個子包編號后通過北斗通信鏈路依次發(fā)送到北斗通信前置機(jī)（北斗通信管理機(jī)）。在北斗通信前置機(jī)接收全部10個數(shù)據(jù)子包后，將根據(jù)每個數(shù)據(jù)子包序號對它們進(jìn)行重組，還原成之前的780 B抄表數(shù)據(jù)包格式上傳至主站。

北斗短報文技術(shù)傳輸會發(fā)生一定概率的丟包和錯碼。當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大時，可以通過多次發(fā)送來保證可靠性，但是對于較大數(shù)據(jù)量的長報文傳輸，就需要制定相應(yīng)的可靠性傳輸措施。文中采用報文重傳機(jī)制來保證北斗長報文的傳輸可靠性[10]，設(shè)定超時時間為60 s。

3.2.1 長報文的發(fā)送

長報文的發(fā)送就是按照既定的通信規(guī)約，將較大的數(shù)據(jù)信息拆分成多個子數(shù)據(jù)包后發(fā)送的過程。每個子數(shù)據(jù)包都會被添加控制字符，用于接收端對其分析和接收完全部子數(shù)據(jù)后組包。每個子數(shù)據(jù)包發(fā)送后都將被緩存，用于在發(fā)送端未收到接收端確認(rèn)報文的情況下，對緩存的子數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。設(shè)置報文最多可進(jìn)行3次重傳，若重傳3次失敗，則認(rèn)為整個長報文發(fā)送失敗。

3.2.2 長報文的接收

長報文的接收過程包括子數(shù)據(jù)包的接收、拆解和重組。根據(jù)長報文重傳機(jī)制，為讓發(fā)送端獲得子數(shù)據(jù)包已被接收的信息，每一次接收端在接收到子數(shù)據(jù)包后都會給發(fā)送端發(fā)送一條確認(rèn)報文。在接收端接收到子數(shù)據(jù)包后對其進(jìn)行分析，判斷是否正確，若不正確，則發(fā)送重傳的反饋信息給發(fā)送端，進(jìn)行報文的重傳；若判斷子數(shù)據(jù)包正確，就將這個子數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，然后發(fā)送確一條確認(rèn)報文給發(fā)送端，等待下一個子數(shù)據(jù)包發(fā)送。當(dāng)全部子數(shù)據(jù)包接收完畢后，按照各子數(shù)據(jù)包中的序號對其進(jìn)行重組后，上傳至主站。

4 結(jié)語

文中介紹了一種北斗抄表系統(tǒng)的工作流程和基本結(jié)構(gòu)，在對DL/T 645規(guī)約和北斗通信規(guī)約的深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種規(guī)約處理機(jī)制。通過對DL/T 645規(guī)約進(jìn)行解析和拆包，將子數(shù)據(jù)包嵌入北斗規(guī)約的幀格式中傳輸，在接收端對接收的北斗規(guī)約數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新組包，完成了DL/T 645規(guī)約和北斗通信規(guī)約的相互轉(zhuǎn)換；還提出了一種數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，通過對接收失敗數(shù)據(jù)包的3次重傳，保障了長報文傳輸?shù)目煽啃?。采用此?guī)約處理機(jī)制的北斗抄表系統(tǒng)，在韶關(guān)供電局多個小水電站獲得了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果顯示，該抄表系統(tǒng)能夠?qū)o公網(wǎng)信號覆蓋的小水電電能量數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)主站，并滿足實時、安全、可靠的設(shè)計需求。