基于北斗高精度的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高平, 吉福龍, 王佳環(huán), 那麗丹

(國(guó)網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(北京)有限公司,北京 100031)

0 引言

智能電網(wǎng)的大范圍實(shí)際應(yīng)用，使得在大城市完成了住戶電網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)交通不暢的區(qū)域電力供應(yīng)有更高精度的采集傳輸和對(duì)應(yīng)的費(fèi)控管理規(guī)劃[1]?，F(xiàn)在遠(yuǎn)程抄表通信形式包括光纖、電力載波以及GPRS /CDMA無線這三種方式[2、3]。在我國(guó)西南、西北某些位置的牧場(chǎng)和山林，不適合在此構(gòu)建造價(jià)高的通信線路。 而無線網(wǎng)絡(luò)也存在著范圍太大通信質(zhì)量太差的情況難以實(shí)施。此外人工抄表也有悖智能化、自動(dòng)化電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)初衷。因此研究偏僻位置的電網(wǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集有其現(xiàn)實(shí)意義。有研究者已初步摸索到解決問題的方向，相應(yīng)的成果也陸續(xù)產(chǎn)出。這之中基于北斗高精度的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集有一定的可行性。北斗是集定位、授時(shí)、通信為一體的，安全性高的同時(shí)覆蓋范圍大，且能夠雙向傳輸?shù)男l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。文獻(xiàn)[5]通過北斗通信完成了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳遞工作，缺點(diǎn)在于未設(shè)置補(bǔ)包功能，這導(dǎo)致了丟包后的采集達(dá)標(biāo)率不高。文獻(xiàn)[6]依據(jù)北斗完成主站與集中器之間的電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞，不足之處在于沒有考慮鏈路本身的不穩(wěn)定性帶來的丟包情況。文獻(xiàn)[7]構(gòu)造了基于北斗通信的智能電表，缺點(diǎn)在于其實(shí)施難度相較于集中器端安裝相應(yīng)裝備較大。文獻(xiàn)[8]制作了基于北斗/GPRS電能計(jì)量終端，但大批量的改動(dòng)主站會(huì)增大系統(tǒng)運(yùn)維的花費(fèi)。為解決上述問題，本文構(gòu)造了基于北斗高精度的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。即將有采集和傳輸功能的嵌入式放置在主站側(cè)和集中器側(cè)。如此保留電力企業(yè)已運(yùn)營(yíng)實(shí)施設(shè)備以及原有系統(tǒng)，電網(wǎng)數(shù)據(jù)也能通過北斗系統(tǒng)通信鏈路實(shí)現(xiàn)透明傳輸。同時(shí)配合補(bǔ)包操作以及超時(shí)控制策略維持電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)率和系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于北斗通信的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集步驟內(nèi)，主站負(fù)責(zé)查找集中器指令，其傳遞回Q/GDW 376.1-2009標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式[9]。上述電表數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝之后在北斗通信鏈路中傳輸，再對(duì)電表數(shù)據(jù)包進(jìn)行“將大變小”的策略，防止北斗通信單一次數(shù)的報(bào)文長(zhǎng)度超過限定值。構(gòu)造差錯(cuò)控制以及超時(shí)控制機(jī)制以維持北斗通信穩(wěn)定性和傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于北斗通信的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及到以下功能模塊，北斗模塊、主站、電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，如圖1所示。

其中圖1虛線框組成了北斗通信基礎(chǔ)上的透明數(shù)據(jù)傳遞通道。主站包括服務(wù)器和其他功能性設(shè)備，其任務(wù)是一方面向集中器發(fā)送查詢命令，另一方面響應(yīng)集中器，對(duì)相應(yīng)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理以及存儲(chǔ)。電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端包括智能電表、采集器和集中器，用于采集并匯聚多戶居民電網(wǎng)數(shù)據(jù)[10]。數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備一般被定義為廣泛意義上的前端，其任務(wù)為將集中器返回的電網(wǎng)數(shù)據(jù)拆包，同時(shí)經(jīng)相應(yīng)協(xié)議打包處理的內(nèi)容借助于北斗模塊傳遞。數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備一般被定義為后端，功能為數(shù)據(jù)解析以及組包，最后將在北斗通信鏈路傳送的發(fā)送到主站。

1.2 系統(tǒng)工作模式

需要保持和國(guó)家電網(wǎng)通信鏈路規(guī)范一致，據(jù)此本文構(gòu)造的基于北斗通信的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以選擇兩種模式來完成整個(gè)通信鏈路內(nèi)數(shù)據(jù)的傳遞以及相關(guān)的解析、壓縮、發(fā)送/接收處理等。這兩種形式具體為自動(dòng)采集以及受控采集。前者是由集中器依據(jù)主站采集的實(shí)際情況設(shè)置時(shí)間間隔，通過自動(dòng)的形式借助于RS-232串口將電網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，由后者完成對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理并傳輸至主站。特別指出處在受控采集方式時(shí)，后者在采集數(shù)據(jù)不成功時(shí)的處理是，主站為維持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失會(huì)以自動(dòng)/人工形式，為集中器傳遞讀取用電信息指令，進(jìn)而進(jìn)行補(bǔ)采電網(wǎng)數(shù)據(jù)的操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在基于北斗通信的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備承擔(dān)著電網(wǎng)數(shù)據(jù)拆包/組包，同時(shí)維持著對(duì)北斗協(xié)議打包和解析等步驟。本文構(gòu)建了以STM32F103微處理器為基礎(chǔ)的上述部件，單片機(jī)最小系統(tǒng)涉及STM32F103微處理器部分、晶體振蕩部分以及復(fù)位功能部分。具體各模塊參數(shù)由表1所示。

據(jù)此硬件規(guī)劃主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信模塊、SD卡、下載管理模塊、電源電路等,如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)拆/組包

北斗通信每一次傳遞報(bào)文長(zhǎng)度存在著限度值，據(jù)此為保證借助于北斗模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證其數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性。涉及到的數(shù)據(jù)拆/組包情況為，在發(fā)送端完成數(shù)據(jù)包的“將大變小”拆分，同時(shí)構(gòu)建拆分后各自包頭。同樣的，接收端執(zhí)行相反的操作，即將去掉各分開的數(shù)據(jù)包的包頭，將之依序組合以得到最先開始的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)未發(fā)送完畢的情況，則各小包的整合過程不能進(jìn)行，需讓若接收端發(fā)送補(bǔ)包的指令給發(fā)送端。補(bǔ)包操作沒有執(zhí)行，則重復(fù)嘗試一定次數(shù)，直到能夠補(bǔ)上缺失數(shù)據(jù)，否則拒絕此次傳輸，繼續(xù)下次電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集工作。本文中的北斗模塊SIM卡限制每一次傳送的報(bào)文長(zhǎng)度在78.5 Byte以內(nèi)，拆包接著會(huì)新加包頭，這需要一定的存儲(chǔ)空間。據(jù)此前端向集中器報(bào)送多于70 Byte數(shù)據(jù)包，將之進(jìn)行拆包操作。北斗通信鏈路的不穩(wěn)定容易造成丟包以及亂序狀況。維持拆包后各個(gè)子包能在對(duì)端組包且恢復(fù)原狀的情況，有必要在分散的固定值為70 Byte的子包前段放置4 Byte。依照北斗用戶機(jī)接口協(xié)議v2.1子包完成封裝，其幀格式如表2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

＄TXSQ為通信申請(qǐng)，依照此項(xiàng)決定發(fā)/收信方地址。相應(yīng)的接收端，后端收取到北斗鏈路發(fā)來數(shù)據(jù)，最初依據(jù)幀格式提取子包，分析包頭信息(SEQ+Num+Rank+Len)完成組包這一步驟，同時(shí)找出丟包，執(zhí)行補(bǔ)包動(dòng)作，完畢后整個(gè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)上報(bào)給主站。

表2 帶有電網(wǎng)數(shù)據(jù)的北斗通信幀格式

3.2 數(shù)據(jù)壓縮

集中器側(cè)有大量待傳送信息時(shí)，借助于北斗通信鏈路會(huì)形成傳遞時(shí)間較慢的情形，有必要在拆包前增加壓縮這一步驟。由于系統(tǒng)要求在接收端解壓縮后的數(shù)據(jù)必須具有完整性，因此借助于對(duì)數(shù)據(jù)包內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的內(nèi)容無損壓縮的LZ77算法[11]。壓縮進(jìn)行時(shí)，數(shù)據(jù)依序通過預(yù)置區(qū)、滑動(dòng)窗口。后通過的緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)是構(gòu)造字典索引憑證，前后兩區(qū)域的數(shù)據(jù)比對(duì)，根據(jù)有無匹配字符串決定字典索引是原字符還是偏移量、長(zhǎng)度、首字符的組合。根據(jù)上述區(qū)域長(zhǎng)度的調(diào)整改變壓縮程度。這一算法解壓縮過程需要運(yùn)用滑動(dòng)窗口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，匹配規(guī)律是，單個(gè)字符立即讀入，字符串依照偏移量、長(zhǎng)度以及首字符等信息還原。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)安裝

本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用DJGZ33-WFET1600集中器，其放置在偏僻地區(qū)變壓器上，前端有用戶電表。所設(shè)計(jì)前端設(shè)備置于變壓器上的戶外機(jī)箱，其串口與北斗模塊、集中器均互連，在主站端，北斗模塊、后端設(shè)備置于電力公司頂層接于北斗模塊以及主站。

4.2 系統(tǒng)采集測(cè)試

4.2.1 受控模式結(jié)果

主站最初對(duì)集中器設(shè)置參數(shù)，通過設(shè)置串口號(hào)、波特率等內(nèi)容，選擇主站測(cè)試軟件內(nèi)的讀取項(xiàng)，上述指令借助于北斗通信鏈路傳輸至現(xiàn)場(chǎng)集中器。兩3分鐘后，集中器收到“68 32 00 32 00 68 98 01 65 80 7F 14 00 66 00 00 02 00 7916”，主站軟件判斷集中器地址65017F80。主站向集中器召測(cè)請(qǐng)求1類以及請(qǐng)求2類，6號(hào)測(cè)量點(diǎn)“當(dāng)前正向有功電能示值(總費(fèi)率1～M)”情況,如圖3所示。

具體為正向有功總電能示值為0.29 kW·h，費(fèi)率2、費(fèi)率3的正向有功總電能示值分別是0.1 kW·h以及0.18 kW·h，剩下費(fèi)率相應(yīng)值為0。上述驗(yàn)證內(nèi)容和人工觀察的情形相同，證實(shí)本系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)行效果。

4.2.2 自動(dòng)模式結(jié)果

集中器調(diào)整為主動(dòng)上報(bào)模式，完成相應(yīng)系統(tǒng)測(cè)試。據(jù)LZ77壓縮算法，調(diào)整滑動(dòng)窗口、預(yù)置區(qū)大小為128 Byte、32 Byte。表2示出集中器內(nèi)置的數(shù)個(gè)測(cè)量點(diǎn)有關(guān)正向有功電能示值。

圖3 主站召測(cè)集中器的返回結(jié)果

表2中總、費(fèi)率1～M且表現(xiàn)為日凍結(jié)效果。當(dāng)主動(dòng)上報(bào)10個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，壓縮使得數(shù)據(jù)量前后變化由540 Byte到265 Byte，對(duì)應(yīng)壓縮率是49%；測(cè)量點(diǎn)為60 個(gè)時(shí)，壓縮將數(shù)據(jù)從3 240 Byte到810 Byte，對(duì)應(yīng)壓縮率為25%。通過上述操作，數(shù)據(jù)傳輸效率大幅提升。當(dāng)上報(bào)數(shù)目為60時(shí)，假設(shè)未進(jìn)行壓縮操作，以每一次65 s/次的頻率計(jì)算，要51 min才能結(jié)束3 240 Byte傳遞。經(jīng)過壓縮處理后15 min結(jié)束傳遞，大大提升了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集效率。如此無過量的數(shù)據(jù)，拆包后的子包變少，補(bǔ)包操作也可順利進(jìn)行。

表2 壓縮算法有效性測(cè)試

4.3 采集成功率分析

受控模式設(shè)置了5組數(shù)據(jù)類型有區(qū)別的實(shí)驗(yàn)，重復(fù)60次得出對(duì)應(yīng)達(dá)標(biāo)率,如表3所示。

表3 系統(tǒng)采集成功率

未采用補(bǔ)包操作，電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)率在91.67%和93.94%之間，均值為92.98%。由于本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地處在高緯度、群山環(huán)繞的環(huán)境導(dǎo)致北斗信號(hào)質(zhì)量下降。補(bǔ)包之后，電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)率為100%，說明在北斗通信補(bǔ)包措施有利于遏制丟包造成的達(dá)標(biāo)率不高。自動(dòng)模式下完成1組，日凍結(jié)總費(fèi)率1～M，集中器上報(bào)60個(gè)測(cè)量點(diǎn)正向有功電能示值。集中器上報(bào)90次電網(wǎng)數(shù)據(jù)，在未補(bǔ)包電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)率是0。北斗通信傳輸較多數(shù)據(jù)，存在子包缺失以及無法組包，電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集失敗。在采用了補(bǔ)包操作的情況下，接收端完成89次無遺漏的收取，采集成功率達(dá)到了98.9%，證明補(bǔ)包操作有效性。

5 總結(jié)

本文研究未連入互聯(lián)網(wǎng)的交通不暢的位置的用電信息采集，完成了基于北斗通信的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)造了支撐自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備。其中電表側(cè)和主站側(cè)分別執(zhí)行集中器上報(bào)數(shù)據(jù)拆包、北斗通信協(xié)議封裝和傳輸，解析子包、組包將得到的原始數(shù)據(jù)發(fā)送至主站。組包過程中的補(bǔ)包操作可以保證電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集達(dá)標(biāo)率。數(shù)據(jù)量較多抄表任務(wù)借助于壓縮算法，避免過長(zhǎng)傳輸時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示所構(gòu)造系統(tǒng)采集達(dá)標(biāo)率高，適用于偏僻山區(qū)位置。之后著眼于北斗通信指揮機(jī)的應(yīng)用，致力于實(shí)現(xiàn)多集中器并發(fā)數(shù)據(jù)采集與傳輸。