基于北斗衛(wèi)星短報文通信的變電站信息采集技術(shù)

劉圣飛，馬曉磊，段鵬飛，王金忠，李東

1.國網(wǎng)新疆巴州供電公司電力調(diào)度控制中心，新疆 巴音郭楞 841000； 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設(shè)腳步加快，對于電能的需求量不斷提升，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，對電網(wǎng)管理的要求越來越高。電能輸送過程中，線路損耗、變電、配電等環(huán)節(jié)都會對電能造成影響。尤其是在智能電網(wǎng)發(fā)展過程中，電力企業(yè)必須確保電能安全性和可靠性，實時掌握電網(wǎng)的發(fā)電量、用電量以及耗電量。發(fā)電廠、變電站產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù)需要通過高效的傳輸方式發(fā)送至電網(wǎng)控制中心，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性將對電網(wǎng)智能化管理提供有力支持[1]?，F(xiàn)階段，針對我國龐大的電網(wǎng)規(guī)模，建立專用的信息傳輸通道需要消耗大量的線纜資源，投資成本較高，尤其是針對一些終端地處偏遠地區(qū)，電網(wǎng)通信建設(shè)難度較大、人口稀少、自然環(huán)境惡劣等原因，導(dǎo)致維護管理成本較高，并且這些區(qū)域距離專用的電網(wǎng)通信節(jié)點較遠，網(wǎng)點分散、通信覆蓋范圍不足，通信信號較弱，資源利用率不高，無法滿足電力調(diào)度、應(yīng)急通信等實際需求。因此，較大的成本投入?yún)s無法獲得高效的通信效果。對變電站設(shè)備信息的實時采集和建立高效的通信鏈路是確保電網(wǎng)設(shè)備運行安全性和穩(wěn)定性的前提。對于大范圍的電網(wǎng)線路信息管理，可以引入覆蓋范圍廣、通信無盲區(qū)的全球衛(wèi)星短報文通信技術(shù)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域也取得了長足的進步。由我國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)代表著我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進入了一個新的時代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間段、地面段以及用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并且具備短報文通信能力，尤其針對民用設(shè)備可以提供良好的導(dǎo)航、定位以及授時功能，定位精度為分米、厘米級別，測速精度0.2m/s，授時精度可以達到10ns。現(xiàn)如今，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)躋身世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之列，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴大，在電網(wǎng)系統(tǒng)中，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的信息采集、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航定位等諸多功。本文研究的基于北斗短報文通信一體機系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備信息進行采集、分析、統(tǒng)計，進行科學(xué)合理的供電調(diào)度，有效解決了大范圍電網(wǎng)信息調(diào)度的瓶頸[2]。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及技術(shù)特性評價

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，主要是解決中國衛(wèi)星定位“從無到有”的問題。地面上的用戶機需要向北斗一代衛(wèi)星發(fā)送請求，才能接收到定位信息。這種機制稱為RDSS（Radio Determination Satellite Service）衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，即有源定位系統(tǒng)。這與GPS定位機制不一樣，GPS是無源定位，地面上的用戶機只需要接收，然后解析出坐標，不需要向衛(wèi)星發(fā)送請求。但是正因為這種有源定位的機制，北斗一代衛(wèi)星就具備了衛(wèi)星通信的功能，所以我們才能使用北斗短報文這一物美價廉的衛(wèi)星通信。而且有源定位機制雖然定位精度只有100m以內(nèi)，但是定位速度非?？?，兩三秒就可以定位；而GPS定位則需要30s以上。由于北斗一代需要用戶機發(fā)送請求、定位精度不高、用戶容量有限，加上國家加大投入、技術(shù)的積累，北斗二代衛(wèi)星隨后列入國家發(fā)展規(guī)劃。

北斗二代項目從2005年開始，2017年完成，北斗二代采用RNSS（Radio Navigation Satellite Service）衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，即無源定位系統(tǒng)，主要覆蓋中國周邊地區(qū)，提供高精度的無源定位、測速、授時服務(wù)。北斗二代就解決了中國衛(wèi)星定位“從有到優(yōu)”的問題。北斗三代衛(wèi)星是真正意義上的全球覆蓋，中國版的全球GPS。項目從2017年開始，到2020年完成，通過發(fā)送更多的衛(wèi)星，建成更多的地面基站增強系統(tǒng)，將北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度無源定位從中國周邊拓展到全球。目前北斗衛(wèi)星在軌數(shù)量已達55顆。北斗衛(wèi)星短報文通信流程如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星短報文通信示意圖

2 北斗衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)設(shè)計

北斗短報文通信具有用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數(shù)字報文通信功能。通常情況下，北斗衛(wèi)星的用戶機一次可傳輸36個漢字，申請核準的可以達到傳送120個漢字或240個代碼。北斗衛(wèi)星短報文不僅可點對點雙向通信，而且還可以進行點對多點的廣播傳輸，為各種平臺應(yīng)用提供了極大的便利。北斗衛(wèi)星指揮端機收到用戶機發(fā)來的短報文，通過串口與服務(wù)器連接并且以Java或其他語言編寫的通信服務(wù)解析數(shù)據(jù)，通過短信網(wǎng)關(guān)可轉(zhuǎn)發(fā)至普通手機，通過通信服務(wù)可實現(xiàn)普通手機往用戶機發(fā)送短報文功能。北斗衛(wèi)星進行短報文通信的過程中，通信申請的用戶機端通過北斗衛(wèi)星與其他的用戶機建立通信申請的鏈接，相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)通信的鏈路層，此時北斗衛(wèi)星通信主要依靠衛(wèi)星之間的無線通信進行[3]?！靶l(wèi)星TCP/IP傳輸技術(shù)”中涉及的鏈路層并非傳統(tǒng)意義上整個系統(tǒng)的通信鏈接，在普通移動通信信號無法覆蓋的區(qū)域，依靠北斗衛(wèi)星短報文通信可以進行有效的通信連接，以應(yīng)對各種緊急和突發(fā)這狀況，依靠短報文通信還可以實現(xiàn)遠程語音調(diào)度、地質(zhì)監(jiān)測、戶外作業(yè)、抗險救災(zāi)、邊境巡邏中有非常廣泛的應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星短報文系統(tǒng)可以在信號覆蓋盲區(qū)進行短報文信息傳輸，通過遠程語音控制進行調(diào)度，利用北斗短報文通信解決電力調(diào)控對個別發(fā)電廠、變電站“盲采”“盲調(diào)”問題，力求信息安全、投入成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、數(shù)據(jù)流清晰、無遙控命令等，不會對原系統(tǒng)帶來安全隱患。基于北斗短報文通信的用電信息采集系統(tǒng)采用分層設(shè)計，包括主站層、采集設(shè)備層、通信信道層。下面就對北斗衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)設(shè)計進行詳細分析。

2.1 變電站端與北斗數(shù)傳管理機的通信

變電站端需要將地調(diào)監(jiān)控所需的遙測數(shù)據(jù)和遙信數(shù)據(jù)送出。監(jiān)控所需的遙測、遙信數(shù)據(jù)可能來源于廠站的監(jiān)控系統(tǒng)，也可能來源于一次設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或測控裝置。變電站監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或測控裝置經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)傳管理機連接，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機按照系統(tǒng)、裝置的通信協(xié)議，提取相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機與北斗數(shù)傳終端的通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機與北斗數(shù)傳終端采用雙向RS-232串行通信，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機向北斗數(shù)傳終端傳送調(diào)控所需的遙測、遙信數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端向北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機傳送位置坐標信息、時間信息。從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，廠站端與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，不存在網(wǎng)絡(luò)安全問題，不需要額外增加安全防護措施[4]。

2.3 北斗數(shù)傳終端與北斗指揮機的通信

變電站端的北斗數(shù)傳終端與調(diào)控端的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機之間的通信采用RDSS機制可以雙向通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機發(fā)送短報文通過L波段上星，接收短報文通過S波段下星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機之間采用加密通信[5]。

2.4 北斗衛(wèi)星指揮機與北斗衛(wèi)星通信管理機的通信

變電站調(diào)控端的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機與北斗衛(wèi)星通信管理機采用雙向RS-232串行通信。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機向北斗衛(wèi)星通信管理機傳送從各北斗數(shù)傳終端送來的調(diào)控所需的遙測、遙信數(shù)據(jù)，以及各北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的位置坐標信息。北斗衛(wèi)星通信管理機向北斗指揮機傳送設(shè)置、管理信息。

2.5 北斗衛(wèi)星通信管理機與地調(diào)通信前置機的通信

北斗衛(wèi)星通信管理機與地調(diào)通信前置機之間的通信采用RS-232串行通信、101v2規(guī)約。北斗衛(wèi)星通信管理機與地調(diào)通信前置機之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)安全可以得到有效保障，不需要額外增加網(wǎng)絡(luò)安全防護措施。

2.6 MCU外圍電路設(shè)計

北斗衛(wèi)星短報文通信技術(shù)追蹤MCU外圍電路的RDSS模塊使用2301型北斗RDSS單模模塊建立短報文通信，利用內(nèi)部集成的DT-A6型北斗RDSS射頻收發(fā)芯片、TD1100A型北斗RDSS基帶芯片、LXK6618型5W功放芯片以及LNA電路，進行北斗RDSS定位、北斗衛(wèi)星短報文通信。北斗衛(wèi)星MCU外圍電路主要包括供電電路，TD3201型北斗RDSS模塊的工作電壓為5V，其中需要注意控制供電電源的電壓波紋，并在VCC-5V輸入端添加磁珠，主要作用是抑制發(fā)射數(shù)據(jù)產(chǎn)生的高頻噪聲和尖峰干擾。串口電路，采用3.3V的LVTTL電平接口，實現(xiàn)北斗RDSS模塊和STM32F103VBT6單片機通信，通過兩者的串行接口交叉連接方式，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

3 基于北斗衛(wèi)星短報文技術(shù)的變電站信息采集技術(shù)應(yīng)用

北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端內(nèi)部集成RDSS模塊、RNSS B1/GPS L1模塊、天線等，該產(chǎn)品集成度高、功耗低、可完整實現(xiàn)RDSS定位、短報文通信功能，并且實時接收RNSS B1/GPS L1衛(wèi)星導(dǎo)航信號。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端根據(jù)需要可配置1～32個傳輸通道（即1～32北斗卡），數(shù)據(jù)上行帶寬對應(yīng)為60～1920Byte/min（數(shù)據(jù)包拆包會占據(jù)一定開銷，因此每個通道按約60Byte/min的帶寬來估算數(shù)據(jù)傳輸帶寬）。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端配置多張北斗卡可以增加數(shù)據(jù)的傳輸量，但同時增加了北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端持續(xù)的發(fā)射功率，易造成發(fā)射器損壞，通常情況下配置的北斗卡數(shù)不易超過8張（480Byte/min）。根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的北斗卡的配置，決定了一個周期（1min）發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，如果北斗衛(wèi)星短報文數(shù)傳管理機送出的數(shù)據(jù)量超過了最大發(fā)送量，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)丟失。為了確保周期內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，可以根據(jù)需要設(shè)置多個北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端[7]。

3.1 北斗衛(wèi)星數(shù)傳管理機

北斗衛(wèi)星數(shù)傳管理機負責(zé)接收來自廠站端的監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)送來的通信數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總整理。從北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端接收時間信息，抽取需要的數(shù)據(jù)并打上時標。根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的數(shù)量，組織數(shù)據(jù)報文，并發(fā)送給相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端。

3.2 調(diào)控端設(shè)備

北斗衛(wèi)星指揮機根據(jù)需要可配置200、500或1000個通道，數(shù)據(jù)上行帶寬對應(yīng)為12KByte/min、30KByte/min和60KByte/min（數(shù)據(jù)包拆包會占據(jù)一定開銷，因此每個通道按約60Byte/min的帶寬來估算數(shù)據(jù)傳輸帶寬）。北斗衛(wèi)星指揮機負責(zé)接收所轄的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端通過短報文發(fā)來的數(shù)據(jù)，并傳送給北斗衛(wèi)星通信管理機，同時也可傳送各北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的位置信息。

3.3 北斗衛(wèi)星通信管理機

北斗衛(wèi)星通信管理機功能之一是數(shù)據(jù)緩沖。北斗通信相對于光纖通信、無線專網(wǎng)等數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通道來說，帶寬窄、速度慢，數(shù)據(jù)包長度短。站端設(shè)備送往北斗終端的數(shù)據(jù)包長度經(jīng)常會大于北斗終端單通道傳輸數(shù)據(jù)包長度，因此北斗終端會將接收的長數(shù)據(jù)包進行拆分為多個北斗數(shù)據(jù)包，通過多個傳輸通道或一個傳輸通道分多次傳輸，北斗通信管理機通過北斗指揮機接收拆分的多個北斗數(shù)據(jù)包后再組裝成站端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，再將數(shù)據(jù)包發(fā)送給主站系統(tǒng)[8]。

北斗衛(wèi)星通信管理機的另一功能是北斗終端管理。北斗通信管理機上運行著一套北斗衛(wèi)星終端管理系統(tǒng)，包括設(shè)備管理、北斗衛(wèi)星終端實時監(jiān)控、工作狀態(tài)管理、實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。在設(shè)備管理方面支持北斗終端增加、刪除、更改、查詢等操作，支持數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，支持地圖按等級顯示。北斗衛(wèi)星終端實時監(jiān)控功能支持所有北斗終端、北斗指揮機安裝位置、運行狀態(tài)顯示，支持異常彈窗提示、支持異常終端標記。工作狀態(tài)管理支持在線、離線、工作異常、受控狀態(tài)（維護、斷電標記、廢棄、拆除等，支持自定義類型），方便統(tǒng)計報告。實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持終端在線數(shù)量實時統(tǒng)計，線路負載情況統(tǒng)計，數(shù)據(jù)幀/包正確率統(tǒng)計，北斗衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)包排隊數(shù)量統(tǒng)計。

4 結(jié)語

綜上所述，北斗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，安全性和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢?；诒倍范虉笪耐ㄐ偶夹g(shù)的變電站信息采集系統(tǒng)使用短報文傳遞信息，尤其針對信號盲區(qū)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳遞，相較于傳統(tǒng)的信息采集模式，在精準度和安全性方面具有顯著優(yōu)勢?；诒倍沸l(wèi)星短報文技術(shù)的變電站信息采集系統(tǒng)可以有效應(yīng)對變電站大范圍信息采集以及緊急調(diào)度命令傳輸，變電站信息采集可以通過數(shù)字信號進行實時傳輸，實現(xiàn)變電站信息調(diào)度的統(tǒng)一性和高效性。