基于北斗系統的電力通訊終端設計與實現

閆娟，李凌，張華方子，羅翌靖，張曉宇

（國網江西鷹潭供電公司江西鷹潭335001）

中國的北斗衛星系統，作為中國自主研制的，全球性的導航體系[1]。是繼美國的全球定位體系，和俄羅斯的格洛納斯導航體系后，第三個已經成熟的導航體系，是聯合國導航委員會認定供應商[2]。北斗衛星導航體系空間段、地面段以及用戶段組建而成，能在世界范圍中，以一種全天候的特性為用戶供給精度比較高，且可靠性比較強的定位和導航等服務[3]。定位精度為10 m，測速的精度為0.2 m/s。因北斗系統特有的性能，使其成功在水利、電信以及公共安全等方面得以應用，且具有開放性和自主性兩大特征[4]。

鑒于北斗系統的種種優良特性，文章將其應用至電力通信終端的設計和實現中。在一些偏遠地區，電力供應不足，很難利用當前的電路傳輸形式完成電力的傳輸，這是時常發生的情況[5]。還有一些特殊環境地域，電力通信方面的問題，始終不能得到妥善的安排和解決[6]。綜上，文章決定利用北斗體系的良好特性，對電力通訊的的終端進行構建。

1 北斗系統在電力通訊終端的應用

利用北斗體系完成電力通訊，指的是通過北斗體系中短報文傳輸性能，朝著遠方服務器的主站位置，傳輸電力數據[7]。該性能為北斗體系中獨有的。北斗體系不僅有雙向通信性能，還有無通信盲點、通信的通道對電力內網IP，和帶寬不存在占用現象等特點。而且北斗體系對待民用方面是完全免費的，在后期的維護和設備故障的診斷中，不需要對復雜的通路進行判斷，只需要診斷設備本身的故障。綜上所述，依據電力通信終端設計的技術要求[8]，設計的電力通信終端結構。

2 通訊的實現原理

2.1 北斗基帶信息解析

在北斗衛星進行捕獲電力信息數據的過程中，主要影響因素有兩個。

1）捕獲信息的長度，針對信噪比相對來說比較高的信號，其捕獲的信息長度大概為1～2 ms就可以，但針對信號相對比較微弱的信息，就需要先將信息的長度增加，進而提高信噪比，再將該信號捕獲，捕獲的信息長度大概為4～10 ms；

2）多普勒頻移索引步長。

北斗基帶信息解析的過程如圖1所示。

圖1 北斗基帶信息解析的過程

2.2 電力通訊終端硬件裝置主要技術

以電力通訊終端硬件裝置成本最低為目標，北斗信息轉發裝置憑借ARM7平臺設計完成[9]。北斗信息的轉發裝置的主要功能有：強電力至弱電力過程中的降壓、信息存儲和轉發、協議的相互轉換、設備故障的處理。其中，利用北斗體系實現電力信息轉發裝置的設計原理如圖2所示。

圖2 電力信息轉發裝置的設計原理

圖中的電力數據通信單元，是利用串口或是網口[10]，和前端的監測裝備進行連接的單元；北斗協議之間的相互轉換單元，其主要責任就是將監測設備中的，TCP/UDP報文變換為北斗的協議報文，將北斗通道傳回的報文，轉換為TCP/UDP信息報文；北斗系統的通信單元，就是將電力數據通過北斗系統的數據傳輸通道，將電力數據轉發出去。

綜上所述可知，上述原理就是將電力數據通信單元利用網絡口[11]，或者串口和輸電線路，在現場的連接狀態，選擇通信的方式是TCP，或者是UDP方式，同時完成TCP/UDP協議之間的轉換，并通過北斗系統完成電力數據的轉發。

2.3 電力通訊終端的遠程監測單元

在電力通訊的終端，其遠程監測模塊必不可少。面向電力的移動互聯應用[12]，遠程監測體系的組成部分為：電力數據的監測端和管控中心，以及多模端。

文中，電力數據監測端，主要采用的是視頻監測信息。視頻監視設備能夠對電力體系中，設備工作狀態進行實時地監測，同時把視頻信息發送到管控中心，實現信息的顯示[13]。

在多模端任意時刻對數據的監測端，以及管控中心的請求進行監聽，同時進行數據的實時接收，以及處理和傳輸。當收到管控中心的請求，開始發送監測端信息業務的指令時，要先和數據的監測端進行連接[14]，再把數據監測端傳輸來的數據信息，轉發到管控中心，進行實時處理。

多模端為遠程監測體系中重要的組成模塊，是連接異構式網絡通信的中樞。則依據實際的應用要求，該模端的設計要求為：

接入電力數據監測端的設備：這個部分是電力體系中，將設備的ID當作唯一標志的，并為信息數據監測端供給無線局域網的接入，同時支持TCP和UDP等傳輸協議；異構式網絡的融合性能[15]。管控中心軟件負責提供交互友好管理軟件，不僅要對電力數據進行監測，還要對電力設備的工作狀態進行查詢及控制，多模端和數據監測端應用軟件，對數據進行實時的收發處理，同時顯示電力設備的工作狀態[16]。

3 系統軟件

3.1 電力數據傳送端

在北斗通信的用戶端，利用“北斗”衛星鏈路，實現北斗通信端和其余北斗用戶端之間的連接，北斗無線傳輸的過程當中，沒有傳統鏈路層內的信息高效控制性能，則為避免這種現象的發生，在設計北斗衛星傳輸程序時，應該對傳輸數據的控制性能進行考慮，該方面的性能及思路以傳統TCP/IP當作原理。該協議為了避免存在數據掉包和錯報的現象，利用時間計時器，在傳輸一個數據包時，同時將一個定時打開，假設在設定計時的過程中，沒有接收到應該傳輸的數據包，那么自動將這個數據包丟棄，同時請求重新發包，由此就避免了數據傳輸丟包率高的問題。

3.2 電力數據接收端的處理模塊

關于基于北斗系統的電力通訊終端的軟件設計中，電力數據的接收端處理單元主要流程如圖3所示。

圖3 接收端設計

針對圖3所示內容，對應某些查詢信息，假設沒有獲得回應，那么等待額定時間之后，需要重新申請，不過重傳時會有數據量限制，文中設置為4次，該值為可調整值。假設一個電力數據包傳輸沒有成功，那么傳輸第二個相同的補償數據包，假設超過4次，還是沒傳輸成功，那么放棄數據包的傳輸，同時表示數據傳輸失敗。

以上設計均是為了防止數據丟失現象的發生，還能夠避免數據傳輸陷入死循環，從而影響電力通訊系統終端整體報文，或者其他報文傳輸進程。假設為長數據包，那么將數據包存儲至數據的緩沖區域，并等待組包；假設為長數據包的重發包，也把該數據包存儲至數據緩沖區域；假設為查詢命令，那么依據命令，對數據的損失狀態進行查看，假設存在數據損失現象，則利用命令查詢響應的數據信息，傳輸至數據發送終端。假設影響的數據信息，得不到數據發送端的任何響應，那么重復傳輸相應的數據信息，如果超過額定次數之后，還沒有任何響應，那么停止溝通，并認為溝通結果為失敗。

4 實驗結果與分析

以基于北斗系統的電力通訊終端的實現為目標，將實際開發完成的基于北斗衛星的電力通訊終端系統部署在實際運行的電力通訊系統中，一端與DTU相連采集數據并通過北斗模塊轉發給部署在電力大樓頂樓的另一端的北斗接收模塊，經一系列數據解析后存儲并顯示在電力大樓主控制電腦，以網頁形式展示數據。其中為測試系統真實性和有效性，所有實驗數據取自于某市電力相關單位的真實數據。該終端利用數據電源纜，與用戶電源相連，并且根據數據電源纜，和配電子站的DTU連接，完成串口數據的傳輸，證明所提方法的可行性，假如實驗測試結果較為理想，則證明所提方法是可實現的。

當前實際應用中多采用光纜專線進行電力系統數據傳輸，此方法能夠保證傳輸數據的有效性、正確性。然而其造價和鋪設成本高昂，在一些偏遠地區甚至不具備鋪設條件。本文提出的基于北斗系統的電力通訊終端利用北斗衛星作為傳輸媒介，將原本通過光纜專線傳輸的數據用北斗短報文形式進行傳輸，避免了昂貴的光纜使用成本，并且鋪設成本極低且不受地域、地形限制。然而由于民用級別北斗短報文卡的數據傳輸上限限制為每分鐘一條數據，每條數據長度限制為104字節。本文采用的系統提供一種異步數據傳輸方式，提供最小一分鐘的數據傳輸延遲服務，因此無法與現有方法比較數據傳輸速率。因此該實驗的驗證指標包括：

1）電力通訊終端電力數據轉發效率，即丟包率和延遲；

2）通訊終端的遠程監測效果，即數據有效性概率。

在從下午17：00到第二天09：35分的時間段中，理論經過995分鐘，按照每62秒發送一次北斗報文，理論應收數據為962條，實際收到941條，發送成功率約為98%。進一步分析，每兩條報文間相隔秒數統計如表1所示。

表1 報文間相隔秒數統計表

表1所示的收到的兩條連續報文間的時間間隔，小于等于0部分是因為報文到達時間的錯位，是由于前一條數據到達比當前條數據更快導致?？梢钥吹?，即使報文發送端的時間間隔為62秒，在接收端收到時有932-710=222條數據間隔小于62秒，這是因為北斗短報文在大氣中傳播的路徑、大氣、天氣等多種情況導致延遲波動較大。這種延遲最多導致了近1 000條數據中有1條數據延遲最大達到了5到6分鐘。

在數據有效性分析中，最佳方案為將北斗接收端數據與DTU交付給北斗發送端的數據進行對比，然而困難在于兩點：一是DTU發送數據速率大大超過發送端發送速率，DTU兩條數據間隔多小于100 ms，并且均為變化遙測或者變化遙信信息，難以收集所有項目數據進行對比；二是北斗發送端的數據僅僅更新每次發送前的最新值，這一值由于DTU數據過快發送，難以定位是哪一條DTU數據。因此，數據有效性驗證工作是通過在接收端對接收到的數據進行分析和解析，驗證數據完整性和正確性。由于系統設計中，已經通過CRC16校驗了數據完整性，沒有通過CRC校驗的報文已經被丟棄并請求重發，因此接收到的數據均保證了100%數據完整性。數據有效性驗證工作分為兩步：

1）驗證：總功率=A相有功功率+C相有功功率。該項驗證在所有1099條數據（包括9：35分以后添加的部分數據）中，100%通過。

2）根據收到的總功率和總無功功率計算：

功率因數=SQRT（總功率2-總無功功率2）/總無功功率，將該計算出的功率因數與接收到的總功率因數做差值。在1 099條數據中，差值大于0.01的報文僅為82條，占比7%。接收到的功率因數與計算出的功率因數存在差值的原因是當北斗發送端接收到DTU數據時，總功率、共無功功率和總功率因數并不是在同一條數據中同時更新，而是由DTU通過多條消息發送給北斗發送端。因此在北斗發送端準備發出北斗報文的這一時刻，有一定概率發生只更新了以上3中數據中的1條或者2條數據，這種情況下導致功率因數的偏差是由于基于北斗系統的電力通訊終端的異步傳輸模式決定的。鑒于此種情況占比較小，數據有效性和正確性是能夠得到保障的。

5 結束語

北斗系統是中國導航體系中優勢及特點比較多的一種通訊體系，本文利用北斗系統對電力通訊終端進行設計，并利用實驗證明了所提方法達到了預期效果，并且具有可實現性。不過在設計出的終端中，還存在很多有待提高的部分，如數據傳輸速率和頻率，可以通過增加北斗衛星發送端和接收端來成倍提高。