電力系統(tǒng)中的北斗短報文通信技術(shù)分析

沈少陽

（福建福大北斗通信科技有限公司， 福建 福州 350001）

引言

目前，我國小型自備電廠、小型水電站、綜合利用發(fā)電廠和分布式光伏電站等眾多并網(wǎng)運行的電站，由于地處偏僻，大部分小型發(fā)電廠（站）的自動化設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)還不完善，很多地方都無法與電網(wǎng)調(diào)度中心通訊。因此，目前我國小型電力企業(yè)在并網(wǎng)運行過程中，存在大量實時數(shù)據(jù)不能上傳的問題。北斗短報文通信具有實時、定位和通信三大特點，尤其是它特有的雙向短報文通信技術(shù)，特別適用于電力、水文、環(huán)保等行業(yè)中大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集與傳送，并通過雙向加密的方式保證信息的安全。因此，在電力系統(tǒng)中，北斗短報文通信是一種行之有效的通信手段。

1 行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，在電力系統(tǒng)中使用的主要信道有：常規(guī)的光纖或載波信道、2G/3G 無線網(wǎng)絡(luò)信道和GPS 信道等。但是，這些通用的通訊信道具有一定的限制。

1.1 光纖和載波通信方式

按照電力監(jiān)測系統(tǒng)的安全保護要求，必須配備專用的隔離裝置、加密裝置、防火墻和交換機等設(shè)備。在山區(qū)、林區(qū)、沙漠等偏遠地區(qū)，鋪設(shè)光纜和載波信道是非常困難的，幾乎是不可能的。光纜和載波線在基礎(chǔ)設(shè)施或自然災(zāi)害的破壞下，會造成通訊中斷，而對通訊故障的診斷和修復(fù)卻是極為困難的[1]。

1.2 2G/3G 無線互聯(lián)網(wǎng)方式信號存在盲區(qū)。

GPRS 和CDMA 通訊都要求在應(yīng)用場地附近安裝基站，但是在山區(qū)、林區(qū)和沙漠地區(qū)，基站的分布比例明顯不夠，存在大量的盲區(qū)，信號容易受到擾動、不穩(wěn)定。由于基站受發(fā)射功率的限制，覆蓋面積較小，容易受到地形、氣候等因素的干擾，信號的穩(wěn)定性較差。由于無線通訊是公共網(wǎng)，存在著信息泄漏、網(wǎng)絡(luò)攻擊等安全問題，與電力行業(yè)的信息安全需求不符。

1.3 GPS 通信方式功能不足

GPS 系統(tǒng)僅有報文定位、時間等功能，無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收集與傳送，無法滿足實際需求，存在一定的安全隱患。GPS 并不是自主研發(fā)的，而電力系統(tǒng)又是我國能源生產(chǎn)中的重要產(chǎn)業(yè)，因此，GPS 在電網(wǎng)中的應(yīng)用將會帶來技術(shù)上的不可控性和潛在的危險。受環(huán)境影響，GPS 在全球范圍內(nèi)，尤其是在高樓林立、峽谷及高海拔地區(qū)，即便只使用GPS 的時間與定位功能，GPS 也很難在沒有信號的情況下找到。小型發(fā)電廠普遍缺少通訊技術(shù)，導(dǎo)致了“信息孤島”現(xiàn)象。因此，利用北斗通訊技術(shù)來輔助電力通訊，能夠有效克服地域局限的問題。

2 北斗雙向短報文通信

2.1 短報文交互過程

北斗雙向短消息的交互流程：

1）智能采集終端，即短消息發(fā)送者根據(jù)北斗通信應(yīng)用協(xié)議的格式，將包括接收者的目標(biāo)地址和數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的通信消息傳送給客戶。

2）經(jīng)過加密處理后，由北斗衛(wèi)星將其傳輸?shù)奖倍返孛嫣幚碇行?，形成一級入網(wǎng)資料。

3）地面處理臺接收處理的初始輸入數(shù)據(jù)，將其傳輸給北斗信息管理系統(tǒng)進行解碼、重新編碼，返回到北斗地面處理站。

4）由地面處理站將數(shù)據(jù)添加到連續(xù)發(fā)送報文隊列，然后通過北斗系統(tǒng)向目標(biāo)用戶發(fā)送。

5）北斗指揮系統(tǒng)在接收到應(yīng)用數(shù)據(jù)包后，對其進行反向解碼，然后將其發(fā)送給用戶應(yīng)用程序，實現(xiàn)一次通信，逆向通訊程序也是如此[2]。

2.2 北斗短報文通信的特點

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、無通信盲區(qū)、安全可靠等優(yōu)點，同時還具有統(tǒng)一的指揮通信模式，在應(yīng)用端可以按照需要進行分工，分為指揮型和通信型兩種，能適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。北斗指揮機具有收發(fā)、轉(zhuǎn)播的功能，從接收功能來看，可以從所屬的用戶機上收聽和接收來自其所屬用戶機的數(shù)據(jù)。在廣播系統(tǒng)中，不需要發(fā)出任何命令，只需要接收上級的命令，命令系統(tǒng)的所有成員都可以在同一時間接收到。從電力工業(yè)的數(shù)據(jù)收集和應(yīng)用角度來看，北斗短消息技術(shù)在遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸中仍有很大的發(fā)展空間。一是用戶的信息容量增大，也就是每一次通訊的用戶信息長度都是固定的，現(xiàn)在的用戶信息容量大約為78 個字節(jié)，但在實踐中，如果數(shù)據(jù)信息量很大，可以采用壓縮比特流傳送技術(shù)來解決。二是在通訊周期上，兩個鄰近的通訊周期通常按分鐘計，對非實時性的服務(wù)也能很好地滿足需求。隨著第三代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，雙向短消息通信在民用領(lǐng)域的普及和推廣，將會逐漸提高北斗短消息的傳輸能力和傳輸周期，并逐漸消除這些負面效應(yīng)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳送系統(tǒng)通常包括一個主基站和N 個子站，其中主基站和副基站的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模式應(yīng)采用循環(huán)上行和交互式。循環(huán)上行模式是指子站一側(cè)的用戶終端根據(jù)特定的時間，對主基站進行定時傳輸，也就是主基站為主動方，主基站為接收和監(jiān)控數(shù)據(jù)狀態(tài)。該方法適合于通信資源緊張、成本高昂、單次通信成功率較高的場合。交互式通訊模式是在雙方建立了鏈接或信號之后，由主站發(fā)出讀、寫、發(fā)指令，子站回復(fù)對應(yīng)的信息，從而達到信息交流的目的，也就是主站是主動方，而副站被動等待命令和回應(yīng)。該方法適合于通信資源豐富、資費較少、信號易受干擾的情況下使用。在應(yīng)用北斗短報文通訊技術(shù)進行分布式小型電力系統(tǒng)關(guān)鍵信息的采集和傳送時，通常采取循環(huán)上送、交互通訊為輔兩者結(jié)合的方法。同時，該系統(tǒng)還可以充分發(fā)揮北斗指揮系統(tǒng)的廣播功能，對數(shù)據(jù)進行整合、傳輸，增強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性[3]。此外，在實際應(yīng)用中，可以按照業(yè)務(wù)的特點對實時數(shù)據(jù)采取循環(huán)上傳的方法，而對歷史數(shù)據(jù)，則采用交互式的方法來實現(xiàn)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

北斗雙向短消息通信協(xié)議由通信層和應(yīng)用層兩級協(xié)議組成，其中通信層協(xié)議對北斗通信流程進行消息格式的規(guī)約，而應(yīng)用層協(xié)議則是對用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)規(guī)范和格式的定義。民用方面的協(xié)議通常是公開的，軍事機密協(xié)議目前只對特殊產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域開放，而北斗民用協(xié)議則沒有對應(yīng)的數(shù)據(jù)可靠傳送機制，即在發(fā)生數(shù)據(jù)丟失、報文誤碼等故障時，不會再發(fā)送或反饋。因此，為了確保數(shù)據(jù)的安全，必須在通訊層的基礎(chǔ)上添加一個應(yīng)用層，即增加數(shù)據(jù)校驗、漏包檢查、整合、重傳等措施。應(yīng)用層協(xié)議由起始符、功能代碼、長度、子站地址、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)包、校驗和終止符構(gòu)成。

3 典型應(yīng)用方案

北斗短報文通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)采用了層次分布的星形拓撲。子站智能采集設(shè)備安裝在工廠終端（通常設(shè)置在室內(nèi)），與北斗客戶機進行雙向通訊，其功能是實時電壓、電流、功率、非實時電力數(shù)據(jù)的采集和傳輸。同時，該設(shè)備還具有實時、定位、通信的功能，能夠?qū)崟r獲得站點位置，并將其上傳至主站。在工廠站區(qū)（戶外）監(jiān)控現(xiàn)場，采用RS-422 串口與采集設(shè)備進行雙向通訊。在電力系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用中心（戶外）上，采用RS-422 串行接口，與主站信息管理平臺進行雙向通訊。主站側(cè)的信息管理平臺位于主站端（室內(nèi)），它的作用是監(jiān)測分布點的電壓、電流、功率、電量等數(shù)據(jù)，并對其運行狀況進行監(jiān)測，繼而進行地理分布。同時存儲、展示、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，為其它商業(yè)系統(tǒng)的高級應(yīng)用程序提供基本數(shù)據(jù)。在實地考察黃山、安慶等地分布式小型水電站的數(shù)據(jù)監(jiān)測后，開發(fā)了一套基于北斗短消息通信的電力分布式電力數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在黃山、安慶等地（南源、南坑、長坦、石潭、妹灘）進行區(qū)域數(shù)據(jù)的采集與接入，能夠?qū)π⌒退娬镜陌l(fā)電過程進行實時監(jiān)測，從而為電力市場的經(jīng)濟、安全分析提供更加全面、可靠的基礎(chǔ)資料。

4 結(jié)語

基于北斗短報文通訊技術(shù)的關(guān)鍵信息采集系統(tǒng)，針對地處偏遠、缺乏傳統(tǒng)通訊設(shè)備的小型電廠，不僅能解決現(xiàn)場和非現(xiàn)場的實時、非實時數(shù)據(jù)的綜合采集，而且還能有效解決傳輸信道限制的問題，為調(diào)度部門實現(xiàn)對小型電力廠的實時監(jiān)測、統(tǒng)一調(diào)度、全網(wǎng)網(wǎng)損和線損在線分析計算等提供了更為完整的基礎(chǔ)資料。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在黃山和安徽安慶等地使用，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，值得進一步推廣。