基于北斗短報(bào)文的高海拔區(qū)域用電信息采集

劉雪強(qiáng)，游紅群，王 娟，趙書強(qiáng)

（1.國(guó)家電網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000；2.西藏星傳北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)有限公司，西藏 拉薩 850000）

目前，我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化建設(shè)，城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本實(shí)現(xiàn)了居民用電信息的智能化采集[1]，針對(duì)我國(guó)的高海拔地區(qū)，雖提出了“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的要求，但由于高海拔地區(qū)地勢(shì)高，氣候復(fù)雜，目前還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)居民用電信息的自動(dòng)化采集，只能依靠人工抄表[2]。根據(jù)現(xiàn)有的用電信息采集方法，以遠(yuǎn)程抄表方式將居民用電數(shù)據(jù)傳送到電網(wǎng)的采集中心，遠(yuǎn)程抄表主要通過(guò)光纖通信、無(wú)線通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在我國(guó)的高海拔地區(qū)，由于地勢(shì)復(fù)雜，通信線路的建設(shè)過(guò)程遇到較多困難，造成建設(shè)成本高，光纖信號(hào)很難覆蓋整個(gè)高海拔地區(qū)，所以只能依靠人工抄表方式，不僅效率低，易出現(xiàn)用電信息安全問(wèn)題，而且難以實(shí)現(xiàn)居民用電的自動(dòng)化管理，因此，高海拔地區(qū)居民用電信息的智能化采集成為電力公司的一個(gè)難題[3]。

為解決這一難題，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者提出了基于北斗短報(bào)文的用電信息采集方法，目前在亞太地區(qū)已經(jīng)投入運(yùn)行，短報(bào)文通信在居民用電信息采集上具有較多優(yōu)點(diǎn)，它可實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并擴(kuò)大無(wú)線公網(wǎng)信號(hào)的覆蓋范圍。在高海拔地區(qū)居民用電信息采集方案中，采用北斗短報(bào)文功能雖實(shí)現(xiàn)了用電信息的上傳，卻出現(xiàn)了短報(bào)文的丟包情況，導(dǎo)致采集中心很難重組報(bào)文，降低了用電信息采集的成功率，增加了北斗短報(bào)文信息與用電信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此該文提出了一種新的用電信息采集方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。

1 用電信息網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)定位

為了實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)居民用電信息的高效采集，設(shè)計(jì)了一種基于信息分布式的用電信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，采用物聯(lián)網(wǎng)基陣設(shè)計(jì)方法，將監(jiān)測(cè)器節(jié)點(diǎn)布置在居民用電信息監(jiān)控范圍內(nèi)，采用監(jiān)測(cè)器識(shí)別方法采集用戶用電信息的動(dòng)態(tài)特征，并通過(guò)基陣組網(wǎng)方式對(duì)電力用戶用電信息進(jìn)行自動(dòng)篩選，得到高海拔區(qū)域電力用戶用電信息采集的特征狀態(tài)方程：

其中，y(m+1)∈Px+1為電力用戶用電狀態(tài)矩陣，B(m)∈Px×x為高海拔地區(qū)居民用電信息平穩(wěn)狀態(tài)分布矩陣，x(m)為用電信息采集的影響因素，Γ(m)為干擾噪聲，A(m)為高海拔地區(qū)居民用電信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣本矩陣，w(m)為第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的居民用電信息樣本數(shù)據(jù)，居民用電信息的脈沖響應(yīng)由監(jiān)測(cè)樣本矩陣變換可得，其中用電信息采集的背景噪聲ui(m)是信息樣本數(shù)據(jù)的高斯白噪聲。假設(shè)高海拔地區(qū)居民用電信息采集的特征分布矩陣x(m)與加權(quán)向量Hi(m)存在指數(shù)關(guān)系，得到居民用電信息網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)表達(dá)式：

采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基陣建立居民用電信息輸出模型，以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集信息的平均值建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，在n+1 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)中，輸出監(jiān)測(cè)到的用電信息動(dòng)態(tài)特征數(shù)據(jù)集，得到高海拔地區(qū)居民用電信息網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)定位[4]。

居民用電信息采集的高斯白噪聲與采集信息的脈沖響應(yīng)互不相關(guān)，分析居民用電信息特征加權(quán)值，采用量化方法對(duì)其進(jìn)行屬性歸類處理，提取用電數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征參數(shù)，用一個(gè)信息特征數(shù)據(jù)集表示模糊分布式存儲(chǔ)中心an，假設(shè)n為分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間嵌入維數(shù)，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則狀態(tài)方程表達(dá)居民用電信息的線性模型：

其中，xk表示居民用電信息的信息流模型幅值，an表示網(wǎng)絡(luò)模型信息節(jié)點(diǎn)[5]。

2 用電信息采集加密

在采集主站的加密網(wǎng)關(guān)中完成對(duì)高海拔地區(qū)用電信息的采集加密過(guò)程，如圖1 所示。

圖1 用電信息采集加密過(guò)程

協(xié)商過(guò)程的重點(diǎn)是產(chǎn)生回話密鑰，發(fā)送密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)信息以防止用電數(shù)據(jù)的丟失，協(xié)商好回話密鑰后，利用北斗短報(bào)文對(duì)居民用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸，對(duì)傳輸層的報(bào)文進(jìn)行加密處理，加密完成后為了安全發(fā)送加密用電數(shù)據(jù)[6]，對(duì)北斗短報(bào)文進(jìn)行密鑰協(xié)商，協(xié)商流程如圖2 所示。

圖2 協(xié)商流程

密鑰協(xié)商完成后，需要對(duì)傳輸層的用電數(shù)據(jù)報(bào)文使用加密算法進(jìn)行加密，加密過(guò)程如圖3 所示。

圖3 加密過(guò)程

加密步驟如下：

1）進(jìn)行用電信息數(shù)據(jù)的篩選。從大量的用電信息原始數(shù)據(jù)中篩選出具有一定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行字節(jié)的填充[7]，使用電信息數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度固定在32 B，如果原始信息數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為16 B，則只需要將這部分信息數(shù)據(jù)篩選出來(lái)，并填充至32 B，如果原始用電信息數(shù)據(jù)已達(dá)到32 B，則不需要填充只需要篩選即可[8]。

2）添加文本信息。對(duì)用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后，需要添加含有固定字節(jié)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、報(bào)文種類的文本信息[9]，在添加過(guò)程中用電信息數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)丟包狀況，因此需要對(duì)篩選出來(lái)的部分信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分包與組包處理，添加文本信息時(shí)，要注意對(duì)協(xié)商密鑰及時(shí)地進(jìn)行反饋超時(shí)判斷，以保證添加的文本信息的完整性和真實(shí)性[10]。

3）對(duì)用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。添加文本信息后，采集主站也不會(huì)受到通信頻度的限制和影響[11]。

3 用電信息采集

為了實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)居民用電信息的自動(dòng)化采集，該文采用北斗短報(bào)文的通信原理，在北斗通信基站內(nèi)安裝IC 卡，使高海拔地區(qū)不同位置的兩個(gè)北斗通信基站間實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信，從而將采集到的用電信息數(shù)據(jù)上傳到通信基站，為了提高發(fā)送短報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和發(fā)送頻率，需要選擇不同的IC 卡類型[12]。目前，IC 卡的通信頻率為每60 s 一次，發(fā)送的短報(bào)文長(zhǎng)度為74.7字節(jié)，由于高海拔地區(qū)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和光纖寬帶還未全面覆蓋，為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用裼秒娦畔⒌淖詣?dòng)化采集，需要借助北斗短報(bào)文來(lái)解決這一問(wèn)題[13]。

實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)居民用電信息自動(dòng)化采集的方案是：設(shè)計(jì)一種用電信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文與遠(yuǎn)程抄表裝置的互聯(lián)，將其部署在高海拔地區(qū)用電信息采集主站內(nèi)，在安裝現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS-485 與電網(wǎng)變壓器連接，采集主站內(nèi)通過(guò)電力內(nèi)網(wǎng)與集中器信息進(jìn)行TCP/IP 通信，嵌入北斗衛(wèi)星通信鏈路，實(shí)現(xiàn)采集主站與用電信息采集子站的北斗通信[14]。

在采用北斗衛(wèi)星通信鏈路前，采集主站通過(guò)電力集中器向用電信息采集子站發(fā)送采集指令[15]，用電信息采集子站向采集主站回復(fù)指令，并執(zhí)行采集結(jié)果；在采用北斗衛(wèi)星通信鏈路后，用電信息采集主站向電力抄表服務(wù)器下發(fā)指令，電力抄表服務(wù)器按照TCP/IP 協(xié)議將用電信息數(shù)據(jù)傳輸給集中器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罏楸倍沸l(wèi)星通道，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后下發(fā)給用電信息采集子站，用電信息采集子站完成指令并執(zhí)行結(jié)果，采集流程如圖4 所示。

圖4 用電信息采集流程

用電信息采集子站回復(fù)時(shí)，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果和采集數(shù)據(jù)一并上傳給電力抄表服務(wù)器，電力抄表服務(wù)器進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后將所有信息數(shù)據(jù)傳輸給電力抄表集中器，數(shù)據(jù)傳輸通道為北斗衛(wèi)星通道，電力抄表集中器將采集到的用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、分析和篩選，同樣將篩選出的用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后，最終傳輸給采集主站[16]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的基于北斗短報(bào)文的高海拔區(qū)域用電信息采集方法的有效性和采集成功率，通過(guò)與其他采集方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證該文方法的有效性。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并統(tǒng)計(jì)采集的成功率，結(jié)果如表1 所示。

表1 采集成功率

由表1 可知，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)一定的情況下，采用傳統(tǒng)方法的采集成功率在92.85%～94.25%之間，其采集平均成功率為93.496%；采用該文方法的平均采集成功率為99.838%，相比傳統(tǒng)方法提高了6.342%，這是因?yàn)樵撐姆椒☉?yīng)用于高海拔地區(qū)，海拔較高且地勢(shì)復(fù)雜，采集主站接收到的北斗信號(hào)會(huì)受到一定的干擾，但在采用補(bǔ)包操作后，用電信息采集成功率為99.94%，有效提升了高海拔區(qū)域居民用電信息的采集成功率。

用電信息采集主站設(shè)置為受控采集模式，為測(cè)試該文方法的有效性，在該文方法中對(duì)用電信息短報(bào)文進(jìn)行加密操作，采集完的用電信息數(shù)據(jù)量非常龐大，采集完成后會(huì)傳輸?shù)郊衅髦?，在傳輸過(guò)程中可能會(huì)受到高斯白噪聲和背景干擾噪聲的影響，從而造成部分用電信息數(shù)據(jù)的泄露，對(duì)傳輸完的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，從而減少用電信息數(shù)據(jù)的泄露。用電信息采集主站上傳了10 個(gè)不同采集站點(diǎn)的用電信息數(shù)據(jù)，在壓縮前，用電信息數(shù)據(jù)量為510 Byte，壓縮后用電信息數(shù)據(jù)量為245 Byte，壓縮率約為45%，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到50 個(gè)時(shí)，壓縮前用電信息數(shù)據(jù)量為2 380 Byte，壓縮后用電信息數(shù)據(jù)量為640 Byte，壓縮率約為18%，對(duì)用電信息數(shù)據(jù)的壓縮效果非常明顯，有效降低了壓縮量，從而降低了高海拔地區(qū)用電信息數(shù)據(jù)的泄露量，提高了該文方法的安全性，因此，該文采集方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)高海拔區(qū)域居民用電信息的安全采集。綜上所述，該文提出的基于北斗短報(bào)文的高海拔區(qū)域用電信息采集方法與其他采集方法相比，采集成功率更高，具有更高的安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了基于北斗短報(bào)文的高海拔區(qū)域用電信息采集方法，對(duì)用電信息網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位，在傳統(tǒng)用電信息采集方法的基礎(chǔ)上引入一種加密技術(shù)，從而減少短報(bào)文的丟包狀況，實(shí)現(xiàn)高海拔區(qū)域居民用電信息的自動(dòng)化采集。