基于北斗衛星通信的電能量數據采集系統研究

胡丹 張倩

摘要：目前電網行業的數據通信應用方式中，以光纖、微波或手機公網（GPRS，3G，4G等）通道進行通信，而對于廣大人煙稀少山區、牧區、深山中的峽谷水電站等，其既無光纖通路，也尚無法保證穩定的公網信號覆蓋，這種“弱信號”地區上述通信方式則顯得無能為力。文章重點介紹了通過申請北斗通信卡方式，在北斗通信終端之間互相發送短信（數據）的通信技術，這種端到端的通信方式不受地理位置限制，露天情況下通信無盲區，成本低廉，成功實現了在通信手段匱乏的偏遠地區進行有效、快速的電能量數據實時傳遞。

關鍵詞：電力系統；弱信號地區；北斗衛星；電能量采集

近年來，國家電網公司對管轄各子網省電力公司下達了對民用電信息、各廠站能源數據實現“全采集、全覆蓋”的要求。依據該要求，各省電力公司需逐步加強對各大廠站的監管力度，各類廠站要充分、及時地提供發電、配電、供電可靠性、實時性等信息，以便于全面掌控電力公司的運營情況。但是，對于廣大人煙稀少的牧區、山區、深山中的水電站等，存在既無光纖通路，又無穩定的公網信號覆蓋的條件。這樣的地區面臨著信號弱或根本沒有信號的問題，且長期得不到有效解決，故產生兩個問題：（1）現場數據采集設備工作異常，難以滿足數據采集成功率，仍然需要大量的人工介入，無法滿足電力運營管理的要求；（2）現場采集設備受制于通信通道的瓶頸而不能有效利用，導致設備閑置資源浪費[1]。

1 北斗系統簡介

北斗衛星導航系統是我國大力實施的獨立運行、自主發展的全球衛星導航系統。建設本系統目標是：建成技術先進、開放兼容、獨立自主、穩定可靠的全球性北斗衛星導航系統，同時完善現有的應用支撐產業，大力推動其在社會國民經濟的廣泛應用。通信雙方可以通過申請北斗通信卡方式，在北斗通信終端之間互相發送短信（數據），這種雙向通信功能是中國北斗衛星導航系統區別于其他導航衛星系統的獨特發明。這種點到點的通信方式不受制于地理位置，全天候情況下可實現通信全覆蓋，成本低廉，可作為通信手段匱乏偏遠地區通信方式的有效補充[2]。

2 通信系統的組成與功能實現

2.1系統的架構

根據電力系統對數據采集的要求，通信系統由北斗前置系統和臺區子系統構成。臺區通過采集各子站、北斗衛星、主站管理系統的通信鏈路，現場采集終端則利用北斗衛星組成的通信鏈路，實現與主站之間的數據傳遞，臺區設備端配置一臺北斗電力數據采集終端，實現遠程數據采集和傳送（見圖1）。

2.2臺區子系統的實現

臺區子系統由計量設備（電能表）、采集設備（集抄專變終端）、北斗電力計量終端組成（見圖2）。

在這個系統中每個臺區配置一套北斗電力抄表終端（見圖3），相較于其他傳統集抄方式，本系統中只有北斗電力抄表終端為新增裝置，北斗電力抄表終端與集中器（又稱專變終端）之間支持網口連接方式，以適應現場的幾種接入方式。

北斗電力抄表終端功能如下。（1）北斗電力計量終端向集中器主動發出數據請求，將集中器數據主動上傳到主站。（2）在北斗電力抄表終端中，移植進電網集抄的376.1規則，向終端發出數據請求，并將采集到的各項用能數據主動上傳到主站系統。（3）將電網用能信息通信協議包植入北斗通信協議中，完成協議轉換。（4）大數據的長報文自動組包、拆包 處理。（5）可遠程更改數據采集參數和升級程序。（6）與北斗衛星創建鏈接，實現無障礙、全天候即時通信。

2.3主站點接入系統功能實現

北斗的主站系統由北斗前置通信服務器、營銷用能數據采集子系統組成，采用有線網方式連接，具體如圖4所示。

配置前置通信服務器主要是實現數據的緩沖。在這種配置方案下，主站的數據請求由前置服務器主動進行響應，此命令報文不需要轉發至臺區。同時前置服務器以循環方式向終端不斷發出電能量數據的請求，并保存于前置機本地。

3 北斗通信前置機技術簡介

3.1前置機通信仂議

前置機通信協議主要功能是完成通信中電力集采協議與北斗通信協議之間的格式轉換。眾所周知，國家電網用能信息采集的協議標準是《國網抄表通信協議》，該協議下的數據包必須轉換成北斗協議下的數據包，并經北斗系統的通信鏈路送至主站點；在數據接收端則將北斗協議下的數據包還原為國網通信協議下的數據包。協議轉換原理是：將國網抄表協議的數據包拆分后封裝在各個單幀的北斗協議數據包的數據體內，詳細描述如表1-2所示。

“北斗”衛星數據傳輸系統對報文有嚴格長度限制，在傳輸大數據包時，必須分包進行發送，并在接收端重新組包，換言之，在通信過程中，北斗通信協議短報文與集抄協議長報文必須在傳輸中進行組包、拆包。

例如，若現場集中器把長度為960字節的一幀數據上傳至北斗電力抄表終端時，北斗電力抄表終端會將這貞數據拆分成10個96字節的子包，并通過北斗系統通信鏈路，逐—上傳至主站系統中的北斗通信前置機，主站前置機在接收完這10個子包后，重新進行組包，將數據包格式還原后上傳至用能信息采集系統的主站。具體原理如圖5所示。

3.2前置服務器的功能與實現

由于北斗具有延時特性，當用能信息采集主站點向北斗 抄表終端發出數據請求后，北斗抄表終端己準備好的數據 通常在60 s后才能上傳到主站，用能信息采集主站點會誤認 為超時，從而出現數據請求失敗的情況‘3]。因此，本系統中北 斗不能只是提供一個透明的傳輸通道，不能僅僅完成前端 計費主站系統和現場終端裝置之間的數據轉發。前置應用 服務器主要是為了數據緩沖的目的而配置，在這種配置方案 下，主站的數據請求由前置服務器完成響應，且命令報文不 需要轉發到臺區。同時前置機以循環的方式不斷地向終端發 送電能量數據請求，并保存至北斗通信前置機本地。所以， 主站前置機的接入程序必須完成以下幾個方面功能。

（1）在主站前置機接入程序上完成：按照國網的376抄 表規則，接收各廠站終端上傳的各項數據，并保存至北斗通 信前置服務器終端的數據庫內。

（2）在主站前置機接入程序上完成：按照國網的376抄 表規則，模擬主站與各廠站終端保持TCP/IP協議下的實時 連接。當主站發送數據請求時，從本地的北斗通信前置機終 端的數據庫中獲取最新的數據，上傳給主站系統。

（3）在實現以上功能的過程中，接入服務子程序與北斗 衛星系統之間的通信必須遵循國家頒布的北斗衛星通信協 議.與主站、終端二者之間的通信必須遵循國家電網頒布的 電力抄表通信協議，并在程序中實現北斗通信協議和電力抄 表通信協議的實時協議轉換。

（4）北斗系統采用串口通信防水，電力集采器采用TCP/ IP通信協議，程序中則要完成兩種通信協議的轉換。同時北 斗通信協議支持100字節以內的數據報文，而在電力抄表協 議中，部分報文的長度通常會超過100字節，故程序上還需要實現對長報文的拆包、解包。

（5）數據采集的報文則按照營銷采集主站的規范執行。

4結語

伴隨著中國經濟社會的發展，電網規模不斷地擴大，運行水平大幅度提高，北斗衛星導航系統將為我國偏遠地區的電力運行數據采集工作提供一個技術革命，這預示著電網營銷運行的效率和可靠性得到了質的飛躍。采用北斗提供的“雙向授時功能”，我國電力輸送領域重點攻堅的時間同步課題也將得到徹底解決。

[參考文獻]

[1]公茂發，王中剛，肖弘揚，等北斗短報文通信在抄表系統中的應用[J].自動化與儀表，2005 （7）：33-36.

[2]楊紅靜電力系統中基于北斗衛星導航系統的應用[J]無線互聯科技，2013 （4）：152-153

[3]邸光宇，王彥宏，賈紅軍北斗衛星導航系統在農村電力系統中的信息化應用[J]衛星與網絡，2007 （3）：62-63