面向電力業(yè)務(wù)多協(xié)議融合的北斗三號(hào)短報(bào)文傳輸技術(shù)研究

朱 文，江 偉，周志烽，梁壽愚，方文崇，唐軍沛，王曉龍

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264011；3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300462）

0 引 言

電力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)完善對(duì)于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。目前，我國(guó)電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)主要基于電力光纖專網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、4G 和5G無(wú)線公網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式為數(shù)據(jù)傳輸提供通信信道。近年來(lái)極端天氣和自然災(zāi)害頻發(fā)，傳統(tǒng)的通信方式變得脆弱單薄，例如臺(tái)風(fēng)、地震、洪水、雨雪冰凍的發(fā)生造成了電網(wǎng)系統(tǒng)通信信道的破壞，很可能會(huì)影響到調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，如何在自然災(zāi)害和突發(fā)事件發(fā)生的情況下，保證電網(wǎng)關(guān)鍵監(jiān)控信息的有效、可靠傳輸，盡快恢復(fù)電網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行是亟待解決的問(wèn)題[1-6]。

北斗三號(hào)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，具有性能穩(wěn)定、使用方便、組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。與同類定位導(dǎo)航系統(tǒng)相比，短報(bào)文通信是其獨(dú)有的特色功能，衛(wèi)星通信信道不易受環(huán)境影響，能夠滿足在災(zāi)后安全有效通信的要求[7-8]。本文開(kāi)展了利用北斗三號(hào)短報(bào)文融合電力系統(tǒng)多業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)难芯?，并進(jìn)行了正確性和可行性的驗(yàn)證。

1 電力數(shù)據(jù)規(guī)約

電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在電力信息系統(tǒng)傳輸時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型和特點(diǎn)定義了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和規(guī)范，即電力數(shù)據(jù)規(guī)約[9]。規(guī)約中規(guī)定了通信雙方必須共同遵守的約定，包括了信息傳送格式和信息傳送的具體步驟。我國(guó)電力標(biāo)準(zhǔn)源自國(guó)際電工委員會(huì)IEC 關(guān)于電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1所列。

表1 IEC 關(guān)于電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

1.1 規(guī)約定義

電力數(shù)據(jù)規(guī)約對(duì)電力設(shè)備間的通信方式、協(xié)議進(jìn)行約定，如IEC 60870-5-101（遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)101 協(xié)議）傳輸規(guī)約中制定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)中主站和從站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?、?yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼、應(yīng)用功能、報(bào)文格式、服務(wù)原語(yǔ)和鏈路層的傳輸規(guī)則等完整數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

1.2 APDU 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元

應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Protocol Data Unit,APDU）是電力規(guī)約的主要定義部分，具體組成包括：類型標(biāo)識(shí)，規(guī)定傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和格式；信息元素，具體描述信息；可變結(jié)構(gòu)限定，規(guī)定信息對(duì)象的個(gè)數(shù)，確定可變結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；信息體地址，區(qū)分不同的信息；傳送原因，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的來(lái)源。

例如，IEC 60870-5-101 規(guī)約定義了信息對(duì)象的地址范圍，遙信：1H～1000H，遙測(cè)：4001H～5000H，參數(shù)：5001H～6000H，電能累計(jì)量：6401H～6600H，步位置信息：6601H～6700H，繼電保護(hù)：1001H～4000H，遙控、升降：6001H～6200H，設(shè)定：6201H～6400H，遠(yuǎn)動(dòng)終端狀態(tài)地址：6801H，文件傳送地址：6802H～7000H。

1.3 基本幀格式

電力規(guī)約數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)分為固定幀長(zhǎng)和變化幀長(zhǎng)兩種結(jié)構(gòu)，幀結(jié)構(gòu)說(shuō)明如圖1所示。其中幀結(jié)構(gòu)中，幀校驗(yàn)和為控制域、鏈路地址域、用戶數(shù)據(jù)（可變結(jié)構(gòu)）的算術(shù)和取第八位，如校驗(yàn)不正確則舍棄當(dāng)前幀數(shù)據(jù)。固定幀長(zhǎng)啟動(dòng)字符為10H，結(jié)束字符為16H；變化幀長(zhǎng)啟動(dòng)字符為對(duì)稱結(jié)構(gòu)：68H 開(kāi)始，68H 結(jié)束，中間兩個(gè)字符為數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)的L 重復(fù)，幀結(jié)束字符為16H。

圖1 電力規(guī)約幀結(jié)構(gòu)說(shuō)明

1.4 鏈路服務(wù)級(jí)別

電力數(shù)據(jù)規(guī)約通常會(huì)定義鏈路的服務(wù)級(jí)別，以確定數(shù)據(jù)在鏈路中傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。例如IEC 60870-5-101 規(guī)約中定義了3 種級(jí)別的鏈路服務(wù)，見(jiàn)表2所列。

表2 IEC 60870-5-101 鏈路服務(wù)級(jí)別

2 北斗三號(hào)短報(bào)文通信

2.1 北斗三號(hào)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)組網(wǎng)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前系統(tǒng)由3 顆靜止軌道衛(wèi)星、3 顆傾斜軌道衛(wèi)星和24 顆中圓軌道衛(wèi)星共30 顆衛(wèi)星組成[10]；系統(tǒng)結(jié)合了有源、無(wú)源兩種定位技術(shù)體制，通過(guò)“星間鏈路”解決全球組網(wǎng)問(wèn)題，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)提供高精度、高效率、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文服務(wù)。與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，短報(bào)文通信是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)有的特色功能。繼美國(guó)、俄羅斯之后，我國(guó)是第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，未來(lái)我們將基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，構(gòu)建覆蓋空天地海、高精度、安全可靠的萬(wàn)物互聯(lián)新時(shí)空體系，服務(wù)于中國(guó)，服務(wù)于全球。

2.2 北斗三號(hào)短報(bào)文通信

2.2.1 基本通信協(xié)議

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式運(yùn)行后，為規(guī)范短報(bào)文終端的入網(wǎng)注冊(cè)和使用，制定了北斗三號(hào)短報(bào)文接口協(xié)議和技術(shù)規(guī)格，使用北斗三號(hào)短報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)，要遵循北斗三號(hào)短報(bào)文的通信協(xié)議和編碼方式。北斗三號(hào)短報(bào)文基本通信協(xié)議說(shuō)明見(jiàn)表3所列。

表3 北斗三號(hào)短報(bào)文基本通信協(xié)議說(shuō)明

北斗三號(hào)短報(bào)文基本通信協(xié)議：以“$”作為起始界定符，之后的一個(gè)字段是地址段，用戶定義語(yǔ)句的功能由5 個(gè)數(shù)字或大寫字母組成；校驗(yàn)和字段是最后一個(gè)字段，其前一個(gè)字段為結(jié)束界定符“*”，校驗(yàn)和是對(duì)報(bào)文中從起始界定符后到結(jié)束界定符前所有編碼字節(jié)做異或運(yùn)算所得結(jié)果的低八位。

北斗三號(hào)短報(bào)文基本通信協(xié)議舉例：$BDTCI，S，R，L，HHMMSS，T，B，X…X*CC。

2.2.2 通信方式

北斗三號(hào)短報(bào)文有多種通信方式包括：（1）點(diǎn)播通信，短報(bào)文從一個(gè)終端通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送到另一個(gè)終端；（2）組播通信，若干終端臨時(shí)或永久性組成一組，組內(nèi)任一終端能夠接收發(fā)給其他終端的組播信息；（3）通播通信，指揮型用戶機(jī)能夠通過(guò)主控站向所有下屬終端同時(shí)發(fā)送相同的短報(bào)文信息；（4）兼收功能，指揮型終端可以接收通過(guò)中心控制系統(tǒng)發(fā)給所有其下屬普通終端除廣播信息外的所有信息；（5）廣播功能，主控站向所有或某類特定終端發(fā)送廣播信息。

2.2.3 能力特點(diǎn)

北斗短報(bào)文運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力特點(diǎn)：（1）具備面向全球用戶提供北斗短報(bào)文運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力；（2）自主可控，數(shù)據(jù)傳輸在衛(wèi)星通信信道，安全保密、可靠性高；（3）可完成通道陣列自建，實(shí)現(xiàn)信道的自動(dòng)化監(jiān)控與維護(hù)；（4）可結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、私域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文通信的互聯(lián)互通；（5）SDK 接口豐富，可滿足不同行業(yè)的簡(jiǎn)易、快速接入服務(wù)；（6）可低成本實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)無(wú)公網(wǎng)覆蓋地區(qū)或備用狀態(tài)下數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

3 面向電力業(yè)務(wù)多協(xié)議融合的北斗三號(hào)短報(bào)文傳輸技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

對(duì)電力數(shù)據(jù)規(guī)約和北斗三號(hào)短報(bào)文通信編碼方式進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)面向電力業(yè)務(wù)多協(xié)議融合的北斗三號(hào)短報(bào)文可靠傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)在電力系統(tǒng)主站和從站之間引入北斗三號(hào)數(shù)傳終端和指揮機(jī)，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換和融合，構(gòu)建了電力業(yè)務(wù)多協(xié)議數(shù)據(jù)北斗三號(hào)短報(bào)文的信道傳輸。

圖2 面向電力業(yè)務(wù)多協(xié)議融合的北斗三號(hào)短報(bào)文傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）北斗三號(hào)數(shù)傳終端與從站交互，采集電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按照電力101、104、DL476 規(guī)約數(shù)據(jù)產(chǎn)生的方法和特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定形式的拆分、組合、緩存和拼接。為實(shí)現(xiàn)電力規(guī)約數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間同步性，數(shù)據(jù)在進(jìn)入北斗三號(hào)衛(wèi)星信道時(shí)，在協(xié)議層面為其進(jìn)行賦時(shí)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t不會(huì)影響電力業(yè)務(wù)的時(shí)間同步。之后終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、加密、拆分，以北斗三號(hào)短報(bào)文通信方式通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送到主站北斗指揮機(jī)。

（2）北斗指揮機(jī)接收到包含電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)短報(bào)文后轉(zhuǎn)發(fā)到通信管理機(jī)，通信管理機(jī)將短報(bào)文中電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、解密、解壓縮，最終恢復(fù)為原電力業(yè)務(wù)規(guī)約數(shù)據(jù)，然后按照電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約要求與主站前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)面向電力業(yè)務(wù)多協(xié)議融合的北斗三號(hào)短報(bào)文可靠傳輸。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)約和北斗三號(hào)短報(bào)文通信協(xié)議，將多種電力業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)融入北斗三號(hào)短報(bào)文通信，設(shè)計(jì)了基于北斗三號(hào)短報(bào)文的電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠保障在災(zāi)難、事故等惡劣通信情況下的電網(wǎng)關(guān)鍵信息的有效和可靠傳輸，最后給出了系統(tǒng)切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方法。此方案充分利用了北斗短報(bào)文進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，為地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)信號(hào)或弱信號(hào)覆蓋下電力業(yè)務(wù)多協(xié)議數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供了解決方案，可提高電網(wǎng)運(yùn)行、維護(hù)和安全管理水平。

注：本文通訊作者為王曉龍。