基于北斗短報(bào)文的智能電表數(shù)據(jù)通信方法研究

殷 俊，巴挺杰，張建偉，趙永輝，孫桂花

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南昆明 650000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，云南昆明 650000；3.廣州邦正電力科技有限公司，廣東廣州 510000）

隨著人口的增長與工業(yè)的發(fā)展，人類社會對能源的需求也日益增加。智能電表是一種數(shù)字電能表，能夠精準(zhǔn)測量消耗的電能，并能夠提供比傳統(tǒng)電能表更多的附加信息。此外，智能電表還是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，其可實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者與供應(yīng)商之間的雙向和實(shí)時(shí)通信，并降低整體能源消耗[1]。現(xiàn)代化電信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用電信息，通常是由485 通信模式或電力載波線上傳到電表附近的集中器，再傳送給主站。

目前，電力系統(tǒng)普遍采用光纖通信、GPRS、電力線載波等通信技術(shù)[2-4]。然而，偏遠(yuǎn)山區(qū)存在無線網(wǎng)絡(luò)信號差、有線網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本較高等問題，故上述通信技術(shù)無法滿足需求。近年來的研究表明，采用北斗短消息通信技術(shù)作為傳輸方式具有傳輸距離遠(yuǎn)、無盲區(qū)及安全、可靠等特點(diǎn)，是一種可行的方案[5-6]。此外，采用數(shù)據(jù)分割傳輸[7-8]、壓縮傳輸及數(shù)據(jù)合并傳輸可提高傳輸效率[9-10]。但輸電線路風(fēng)險(xiǎn)信息具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多的特性，因此上述方法均無法滿足要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行并兼容于其他系統(tǒng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)定位、授時(shí)、短報(bào)文通信和用戶檢測等功能[11-13]，還可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，且覆蓋范圍廣、安全、可靠[14-16]。針對電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，該文設(shè)計(jì)的智能電表由“節(jié)點(diǎn)站”和通過RF 信道進(jìn)行通信的中央數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。節(jié)點(diǎn)站主要由STM32F767 和各類傳感器組成，通過NRF24L01 模塊與主站實(shí)現(xiàn)通信。

1 整體架構(gòu)

如圖1 所示，基于北斗短報(bào)文通信的智能電表數(shù)據(jù)傳輸策略設(shè)計(jì)，按照功能劃分主要由智能電表、集中器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備、北斗短報(bào)文模塊與PC 端組成。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

具有數(shù)據(jù)采集功能的硬件模塊包括智能電表、數(shù)據(jù)采集器和集中器。智能電表采集到的數(shù)字信號，通過前端進(jìn)行拆包和北斗協(xié)議打包；北斗短報(bào)文模塊則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行解析，然后傳輸給主站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理控制模塊與控制中心之間的雙向通信；數(shù)據(jù)處理控制功能負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼分組，然后根據(jù)北斗傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝推送至北斗短消息模塊進(jìn)行傳輸，再通過控制中心的信號控制采集模塊?？刂浦行牟坏軐邮盏降谋倍范滔?shù)據(jù)加以分析，并將壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)和存儲，還可遠(yuǎn)程操控?cái)?shù)據(jù)處理控制模塊的開關(guān)以及控制該模塊在數(shù)據(jù)包丟失時(shí)重新發(fā)送已丟失的數(shù)據(jù)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文通信的智能電表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，最小系統(tǒng)以STM32F767嵌入式芯片為核心。該芯片主頻可達(dá)216 MHz，具有512 kB SRAM、1 024 kB FLASH 和3 單元24 通道的12 位ADC，能夠滿足數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型豐富的要求。由于數(shù)據(jù)采集模塊可能上傳海量的數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到北斗短報(bào)文通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較低(68 Byte/min)，因此需先將電表數(shù)據(jù)存儲在擴(kuò)展的FLASH 存儲器中，再由單片機(jī)讀取存儲器信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳送。因北斗信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸存在不穩(wěn)定性，故將電表數(shù)據(jù)儲存在FLASH 存儲器，防止數(shù)據(jù)丟包并對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

圖2 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

而數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計(jì)過程需要考慮環(huán)境因素的影響，在山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，硬件應(yīng)滿足：

1）電子元器件為工業(yè)級元件；

2）設(shè)備防水等級為IP67，材質(zhì)為鋁合金；

3）機(jī)箱裝載通風(fēng)和防塵裝置。

北斗通信模塊采用C230C 北斗數(shù)字傳輸用戶計(jì)算機(jī)，內(nèi)置北斗多頻天線、射頻與基帶主控制功能單元，可實(shí)現(xiàn)RDSS 定位、短消息通信及RDSS 導(dǎo)航定位等功能。每次可傳輸68 Byte 長度的消息，且每60 s傳輸一次。其工作電壓為7～36 V，待機(jī)功耗不大于1.2 W。當(dāng)電源為19 V 時(shí)，電源的發(fā)射電流大于500 mA。工作溫度為-25～70 ℃，采用8 芯防水連接器的防水設(shè)計(jì)和北斗支架。8 芯連接器用于一臺機(jī)器的數(shù)據(jù)傳輸及電源供應(yīng)，外部串口默認(rèn)采用RS485 通信，波特率為4 800～115 200 b/s，且默認(rèn)波特率為115 200 b/s。

系統(tǒng)運(yùn)行需要3 V 的直流低壓，而在室外高壓輸電線路環(huán)境下，外部電源無法直接連接，系統(tǒng)僅由電池供電，因此，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)。在室外環(huán)境中，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并為電池充電。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

該文使用的北斗通信SIM 卡單個(gè)消息長度為68 Byte，通信頻率為60 s/次。其存在單個(gè)消息長度與消息通信頻率有限的缺點(diǎn)，且北斗通信鏈路中可能存在一定的不可靠性。針對上述問題，文中提出了一種數(shù)據(jù)處理和編碼方法：

1）浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。該文所用傳感器采集的數(shù)據(jù)精度高，為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，占用4 Byte 的存儲空間。數(shù)據(jù)精度僅為10-1位，經(jīng)過10 倍放大后即可變?yōu)檎麛?shù)類型，因此數(shù)據(jù)傳輸只需占用2 Byte 的存儲空間；

2）整型數(shù)據(jù)處理。有功功率、無功功率和諧波等類型傳感器采集的數(shù)據(jù)均占用2 Byte 空間的整數(shù)數(shù)據(jù)存儲，位置信息包括經(jīng)度與緯度。北斗定位終端獲取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)格式為經(jīng)緯(1 Byte)、度(1 Byte)、分(1 Byte)、秒(1 Byte)，共4 Byte。該文的北斗短消息通信策略基于國內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，其經(jīng)度確定為東經(jīng)，緯度確定為北緯，故經(jīng)度與緯度分別占4 Byte 空間；

3）數(shù)據(jù)組號和傳感器組ID 號?；诒倍吠ㄐ胚^程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟包或亂序等現(xiàn)象，該文將同一傳感器在相同時(shí)間采集到的數(shù)據(jù)分成一組，并在每一組數(shù)據(jù)中加入數(shù)據(jù)組號。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或亂序現(xiàn)象時(shí)，可以準(zhǔn)確定位對應(yīng)的數(shù)據(jù)組，并向數(shù)據(jù)處理控制模塊再次發(fā)送請求。設(shè)計(jì)傳感器組ID 號的目的是讓一個(gè)北斗通信模塊與多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊相連，其可有效提高北斗通信模塊的工作效率，且增加監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍。

通過上述數(shù)據(jù)處理及編碼方法，改進(jìn)后的數(shù)據(jù)組編碼方法如表1 所示。每組數(shù)據(jù)占用的消息空間為28 Byte，因此每條消息通信中能夠放入兩組數(shù)據(jù)，可有效緩解北斗通信頻率有限的問題。

表1 數(shù)據(jù)組編碼方法

2 傳輸策略

數(shù)據(jù)處理控制模塊通過串口與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行交互，并通過RS485 與北斗通信模塊(發(fā)送端)通信。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊通過串口將采集到的傳輸線狀態(tài)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理控制模塊時(shí)，數(shù)據(jù)會以中斷的方式存儲在FLASH 中并分配組號。主程序執(zhí)行如下操作：從FLASH 中讀取傳輸線狀態(tài)信息，按照表1 中的北斗消息格式進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)傳輸線狀態(tài)信息在北斗通信鏈路上的傳輸。

北斗通信接收器通過RS485 串口與控制中心連接。當(dāng)北斗通信模塊的接收器接收短消息信號時(shí)，控制中心首先將短消息的幀格式解析到輸電線路狀態(tài)的數(shù)據(jù)集中。然后讀取狀態(tài)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)集的編碼方法將其存儲在內(nèi)存的控制中心。該文將北斗的發(fā)射頻率設(shè)置為65 s/次，若在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)北斗通信無法接收到北斗短報(bào)文信號，或接收到的消息無序及存在噪聲問題，則根據(jù)編號找到丟失的數(shù)據(jù)組，再由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的前端發(fā)布重新采集數(shù)據(jù)的短消息信號并打包數(shù)據(jù)；補(bǔ)丁不成功時(shí)，重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，該過程最多可重復(fù)k次；若仍不成功，則放棄當(dāng)前的傳輸線狀態(tài)信息采集任務(wù)，繼續(xù)執(zhí)行下一次的任務(wù)；若補(bǔ)丁操作完成，則完整的狀態(tài)數(shù)據(jù)將被推送到控制中心進(jìn)行存儲。發(fā)送與接收的具體流程如圖3、4 所示。

圖3 發(fā)送端口流程圖

圖4 接收端口流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

該系統(tǒng)在2021 年6 月于實(shí)驗(yàn)室模擬山區(qū)環(huán)境(無手機(jī)信號)，進(jìn)行了安裝與測試。采用Matlab 仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，環(huán)境參數(shù)如表2 所示。硬件設(shè)備選取長沙威勝DCGL14-WFET1600 智能集中器裝載在變壓器支架上，集中器前端有多個(gè)智能電表。其他核心數(shù)據(jù)采集裝置與傳輸設(shè)備安裝在一個(gè)戶外機(jī)箱內(nèi)，設(shè)備的串口輸出端分別連接集中器和短報(bào)文模塊。

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

在控制中心的測試軟件中配置正確的串口號和波特率后，讀取串口信息；然后，同時(shí)啟動數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理控制模塊。北斗接收機(jī)通過串口傳輸?shù)男畔⑷鐖D5 所示。北斗通信接收機(jī)讀取的信息為AA，即數(shù)據(jù)起始標(biāo)記。后面的兩個(gè)16 進(jìn)制數(shù)據(jù)為傳感器組ID 號以及數(shù)據(jù)組別編號，其余8 個(gè)數(shù)據(jù)為測試采集數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果與現(xiàn)場人工測量結(jié)果一致，證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證基于北斗的智能電表數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率問題，該文引入文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]作為對比。在表2 給出的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，得到的結(jié)果如圖6 所示。由圖中可以看出，該文提出的基于北斗短報(bào)文消息通信的智能電表數(shù)據(jù)傳輸策略能夠使數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏?zhǔn)確率大幅提升，最高可達(dá)97.3%，即使最低也達(dá)到了90%，均值約為95%；而文獻(xiàn)[17-18]中，數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏?zhǔn)確率分別為67%～75%和73%～77%。

圖6 數(shù)據(jù)采集與傳輸準(zhǔn)確率測試

4 結(jié)束語

該文針對智能電表在偏遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)數(shù)據(jù)采集及傳輸較為困難的問題，設(shè)計(jì)了一種基于北斗短報(bào)文通信的智能電表數(shù)據(jù)傳輸策略設(shè)計(jì)。首先對智能電表進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了一種數(shù)據(jù)編碼方法與傳輸策略。設(shè)備在數(shù)據(jù)采集端，通過傳感器監(jiān)測狀態(tài)信息，再根據(jù)北斗通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和傳輸。然后在接收端接收北斗短消息通信信息，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和恢復(fù)。最終將數(shù)據(jù)按固定順序進(jìn)行16 進(jìn)制編碼，能夠在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮，進(jìn)而解決了北斗短消息通信單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸較小的問題。同時(shí)每組數(shù)據(jù)均設(shè)計(jì)有一個(gè)序列號，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)，可通過序列號重新傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)可靠性高，能夠有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)或山區(qū)的電表數(shù)據(jù)采集問題。與以往的研究相比，所提出的設(shè)計(jì)策略在以下幾個(gè)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢：1)該文所提方案的數(shù)據(jù)采集與傳輸準(zhǔn)確率達(dá)到了約95%；2)確保了電流、電壓、功率和功率因數(shù)的實(shí)時(shí)測量，并能通過射頻通信測量大功率、多設(shè)備的大電流；3) 結(jié)構(gòu)簡單，便于組裝，且具有自動識別新連接設(shè)備的機(jī)制，使其具有靈活性與可擴(kuò)展性；4)集成了安裝在PC 和Server 上的管理軟件，可以實(shí)時(shí)直觀地顯示用電參數(shù)。