基于北斗衛星短報文通信的變電站信息采集技術

劉圣飛，馬曉磊，段鵬飛，王金忠，李東

1.國網新疆巴州供電公司電力調度控制中心，新疆 巴音郭楞 841000； 2.國網新疆電力有限公司電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市建設腳步加快，對于電能的需求量不斷提升，電網規模不斷擴大，對電網管理的要求越來越高。電能輸送過程中，線路損耗、變電、配電等環節都會對電能造成影響。尤其是在智能電網發展過程中，電力企業必須確保電能安全性和可靠性，實時掌握電網的發電量、用電量以及耗電量。發電廠、變電站產生的電量數據需要通過高效的傳輸方式發送至電網控制中心，數據傳輸的實時性和準確性將對電網智能化管理提供有力支持[1]。現階段，針對我國龐大的電網規模，建立專用的信息傳輸通道需要消耗大量的線纜資源，投資成本較高，尤其是針對一些終端地處偏遠地區，電網通信建設難度較大、人口稀少、自然環境惡劣等原因，導致維護管理成本較高，并且這些區域距離專用的電網通信節點較遠，網點分散、通信覆蓋范圍不足，通信信號較弱，資源利用率不高，無法滿足電力調度、應急通信等實際需求。因此，較大的成本投入卻無法獲得高效的通信效果。對變電站設備信息的實時采集和建立高效的通信鏈路是確保電網設備運行安全性和穩定性的前提。對于大范圍的電網線路信息管理，可以引入覆蓋范圍廣、通信無盲區的全球衛星短報文通信技術。伴隨著科學技術的不斷發展，我國在衛星導航定位領域也取得了長足的進步。由我國自行研制的北斗衛星導航系統代表著我國全球衛星導航系統進入了一個新的時代。北斗衛星導航系統主要由空間段、地面段以及用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并且具備短報文通信能力，尤其針對民用設備可以提供良好的導航、定位以及授時功能，定位精度為分米、厘米級別，測速精度0.2m/s，授時精度可以達到10ns。現如今，北斗導航系統已經躋身世界四大衛星導航系統之列，北斗衛星導航系統的應用范圍不斷擴大，在電網系統中，利用衛星導航系統可以實現電網設備的信息采集、數據管理、導航定位等諸多功。本文研究的基于北斗短報文通信一體機系統，可以實現對電網設備信息進行采集、分析、統計，進行科學合理的供電調度，有效解決了大范圍電網信息調度的瓶頸[2]。

1 北斗導航系統及技術特性評價

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球衛星定位與通信系統，主要是解決中國衛星定位“從無到有”的問題。地面上的用戶機需要向北斗一代衛星發送請求，才能接收到定位信息。這種機制稱為RDSS（Radio Determination Satellite Service）衛星無線電測定業務，即有源定位系統。這與GPS定位機制不一樣，GPS是無源定位，地面上的用戶機只需要接收，然后解析出坐標，不需要向衛星發送請求。但是正因為這種有源定位的機制，北斗一代衛星就具備了衛星通信的功能，所以我們才能使用北斗短報文這一物美價廉的衛星通信。而且有源定位機制雖然定位精度只有100m以內，但是定位速度非常快，兩三秒就可以定位；而GPS定位則需要30s以上。由于北斗一代需要用戶機發送請求、定位精度不高、用戶容量有限，加上國家加大投入、技術的積累，北斗二代衛星隨后列入國家發展規劃。

北斗二代項目從2005年開始，2017年完成，北斗二代采用RNSS（Radio Navigation Satellite Service）衛星無線電導航業務，即無源定位系統，主要覆蓋中國周邊地區，提供高精度的無源定位、測速、授時服務。北斗二代就解決了中國衛星定位“從有到優”的問題。北斗三代衛星是真正意義上的全球覆蓋，中國版的全球GPS。項目從2017年開始，到2020年完成，通過發送更多的衛星，建成更多的地面基站增強系統，將北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度無源定位從中國周邊拓展到全球。目前北斗衛星在軌數量已達55顆。北斗衛星短報文通信流程如圖1所示。

圖1 北斗衛星短報文通信示意圖

2 北斗衛星短報文通信系統設計

北斗短報文通信具有用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數字報文通信功能。通常情況下，北斗衛星的用戶機一次可傳輸36個漢字，申請核準的可以達到傳送120個漢字或240個代碼。北斗衛星短報文不僅可點對點雙向通信，而且還可以進行點對多點的廣播傳輸，為各種平臺應用提供了極大的便利。北斗衛星指揮端機收到用戶機發來的短報文，通過串口與服務器連接并且以Java或其他語言編寫的通信服務解析數據，通過短信網關可轉發至普通手機，通過通信服務可實現普通手機往用戶機發送短報文功能。北斗衛星進行短報文通信的過程中，通信申請的用戶機端通過北斗衛星與其他的用戶機建立通信申請的鏈接，相關的互聯網通信的鏈路層，此時北斗衛星通信主要依靠衛星之間的無線通信進行[3]。“衛星TCP/IP傳輸技術”中涉及的鏈路層并非傳統意義上整個系統的通信鏈接，在普通移動通信信號無法覆蓋的區域，依靠北斗衛星短報文通信可以進行有效的通信連接，以應對各種緊急和突發這狀況，依靠短報文通信還可以實現遠程語音調度、地質監測、戶外作業、抗險救災、邊境巡邏中有非常廣泛的應用。

北斗衛星短報文系統可以在信號覆蓋盲區進行短報文信息傳輸，通過遠程語音控制進行調度，利用北斗短報文通信解決電力調控對個別發電廠、變電站“盲采”“盲調”問題，力求信息安全、投入成本低、系統結構簡潔、數據流清晰、無遙控命令等，不會對原系統帶來安全隱患。基于北斗短報文通信的用電信息采集系統采用分層設計，包括主站層、采集設備層、通信信道層。下面就對北斗衛星短報文通信系統設計進行詳細分析。

2.1 變電站端與北斗數傳管理機的通信

變電站端需要將地調監控所需的遙測數據和遙信數據送出。監控所需的遙測、遙信數據可能來源于廠站的監控系統，也可能來源于一次設備監控系統或測控裝置。變電站監控系統、設備監控系統或測控裝置經過網絡交換機與北斗衛星導航系統數傳管理機連接，北斗衛星導航數傳管理機按照系統、裝置的通信協議，提取相應的監測數據。

2.2 北斗衛星導航數傳管理機與北斗數傳終端的通信

北斗衛星導航數傳管理機與北斗數傳終端采用雙向RS-232串行通信，北斗衛星導航數傳管理機向北斗數傳終端傳送調控所需的遙測、遙信數據，北斗衛星導航數傳終端向北斗衛星導航數傳管理機傳送位置坐標信息、時間信息。從系統安全的角度出發，廠站端與北斗衛星導航數傳終端之間沒有網絡連接，不存在網絡安全問題，不需要額外增加安全防護措施[4]。

2.3 北斗數傳終端與北斗指揮機的通信

變電站端的北斗數傳終端與調控端的北斗衛星導航數傳終端或北斗衛星指揮機之間的通信采用RDSS機制可以雙向通信。北斗衛星導航數傳終端或北斗衛星指揮機發送短報文通過L波段上星，接收短報文通過S波段下星。北斗衛星導航數傳終端與北斗衛星導航數傳終端或北斗衛星指揮機之間采用加密通信[5]。

2.4 北斗衛星指揮機與北斗衛星通信管理機的通信

變電站調控端的北斗衛星數傳終端或北斗衛星指揮機與北斗衛星通信管理機采用雙向RS-232串行通信。北斗衛星數傳終端或北斗衛星指揮機向北斗衛星通信管理機傳送從各北斗數傳終端送來的調控所需的遙測、遙信數據，以及各北斗衛星數傳終端的位置坐標信息。北斗衛星通信管理機向北斗指揮機傳送設置、管理信息。

2.5 北斗衛星通信管理機與地調通信前置機的通信

北斗衛星通信管理機與地調通信前置機之間的通信采用RS-232串行通信、101v2規約。北斗衛星通信管理機與地調通信前置機之間沒有網絡連接，網絡安全可以得到有效保障，不需要額外增加網絡安全防護措施。

2.6 MCU外圍電路設計

北斗衛星短報文通信技術追蹤MCU外圍電路的RDSS模塊使用2301型北斗RDSS單模模塊建立短報文通信，利用內部集成的DT-A6型北斗RDSS射頻收發芯片、TD1100A型北斗RDSS基帶芯片、LXK6618型5W功放芯片以及LNA電路，進行北斗RDSS定位、北斗衛星短報文通信。北斗衛星MCU外圍電路主要包括供電電路，TD3201型北斗RDSS模塊的工作電壓為5V，其中需要注意控制供電電源的電壓波紋，并在VCC-5V輸入端添加磁珠，主要作用是抑制發射數據產生的高頻噪聲和尖峰干擾。串口電路，采用3.3V的LVTTL電平接口，實現北斗RDSS模塊和STM32F103VBT6單片機通信，通過兩者的串行接口交叉連接方式，實現雙向的數據傳輸[6]。

3 基于北斗衛星短報文技術的變電站信息采集技術應用

北斗衛星數傳終端內部集成RDSS模塊、RNSS B1/GPS L1模塊、天線等，該產品集成度高、功耗低、可完整實現RDSS定位、短報文通信功能，并且實時接收RNSS B1/GPS L1衛星導航信號。北斗衛星數傳終端根據需要可配置1～32個傳輸通道（即1～32北斗卡），數據上行帶寬對應為60～1920Byte/min（數據包拆包會占據一定開銷，因此每個通道按約60Byte/min的帶寬來估算數據傳輸帶寬）。北斗衛星數傳終端配置多張北斗卡可以增加數據的傳輸量，但同時增加了北斗衛星數傳終端持續的發射功率，易造成發射器損壞，通常情況下配置的北斗卡數不易超過8張（480Byte/min）。根據北斗衛星數傳終端的北斗卡的配置，決定了一個周期（1min）發送的最大數據量，如果北斗衛星短報文數傳管理機送出的數據量超過了最大發送量，可能會導致數據傳輸過程中出現丟失。為了確保周期內的數據傳輸，可以根據需要設置多個北斗衛星數傳終端[7]。

3.1 北斗衛星數傳管理機

北斗衛星數傳管理機負責接收來自廠站端的監控系統、監控設備通過網絡送來的通信數據，并將數據匯總整理。從北斗衛星數傳終端接收時間信息，抽取需要的數據并打上時標。根據北斗衛星數傳終端的數量，組織數據報文，并發送給相應的北斗衛星數傳終端。

3.2 調控端設備

北斗衛星指揮機根據需要可配置200、500或1000個通道，數據上行帶寬對應為12KByte/min、30KByte/min和60KByte/min（數據包拆包會占據一定開銷，因此每個通道按約60Byte/min的帶寬來估算數據傳輸帶寬）。北斗衛星指揮機負責接收所轄的北斗衛星數傳終端通過短報文發來的數據，并傳送給北斗衛星通信管理機，同時也可傳送各北斗衛星數傳終端的位置信息。

3.3 北斗衛星通信管理機

北斗衛星通信管理機功能之一是數據緩沖。北斗通信相對于光纖通信、無線專網等數據網數據傳輸通道來說，帶寬窄、速度慢，數據包長度短。站端設備送往北斗終端的數據包長度經常會大于北斗終端單通道傳輸數據包長度，因此北斗終端會將接收的長數據包進行拆分為多個北斗數據包，通過多個傳輸通道或一個傳輸通道分多次傳輸，北斗通信管理機通過北斗指揮機接收拆分的多個北斗數據包后再組裝成站端設備發送的數據包，再將數據包發送給主站系統[8]。

北斗衛星通信管理機的另一功能是北斗終端管理。北斗通信管理機上運行著一套北斗衛星終端管理系統，包括設備管理、北斗衛星終端實時監控、工作狀態管理、實時統計數據、歷史數據查詢等功能。在設備管理方面支持北斗終端增加、刪除、更改、查詢等操作，支持數據的導出，支持地圖按等級顯示。北斗衛星終端實時監控功能支持所有北斗終端、北斗指揮機安裝位置、運行狀態顯示，支持異常彈窗提示、支持異常終端標記。工作狀態管理支持在線、離線、工作異常、受控狀態（維護、斷電標記、廢棄、拆除等，支持自定義類型），方便統計報告。實時統計數據支持終端在線數量實時統計，線路負載情況統計，數據幀/包正確率統計，北斗衛星終端數據包排隊數量統計。

4 結語

綜上所述，北斗衛星是我國自主研發的全球衛星導航系統，安全性和可靠性方面具有顯著優勢。基于北斗短報文通信技術的變電站信息采集系統使用短報文傳遞信息，尤其針對信號盲區可以實現數據信息的有效傳遞，相較于傳統的信息采集模式，在精準度和安全性方面具有顯著優勢。基于北斗衛星短報文技術的變電站信息采集系統可以有效應對變電站大范圍信息采集以及緊急調度命令傳輸，變電站信息采集可以通過數字信號進行實時傳輸，實現變電站信息調度的統一性和高效性。